重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法
2023-05-24 18:28:11
重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，採取的技術方案是：首先建立異步電動機的狀態空間模型，將其系統矩陣寫成複數形式；然後，確定異步電動機狀態觀測器的結構，並進行狀態觀測器的極點配置，求得觀測器的增益矩陣K；最後根據觀測到的定子磁鏈和測量的定子電流重構電磁轉矩。在複數形式下進行狀態觀測器的設計，大大降低了狀態觀測器極點配置的難度和計算量。本發明適用於異步電動機狀態觀測器設計，進而可實現異步電動機轉矩觀測；本發明方法的設計原理簡單，實現容易，具有較強的應用價值。
【專利說明】重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器設計方法。
【背景技術】
[0002]由於大型異步電動機在起動過程後期，功率因數變化很快，轉子轉速經常超過同步轉速，經過一個衰減震蕩過程才能達到穩態運行點，電動機的負載力矩和轉動慣量越小就越容易發生振蕩，這種現象稱為「超標」。對於採用電流閉環控制的軟起動器，調節器的輸出隨電流下降而增大，控制觸發角迅速推進至全壓，使電動機輸出轉矩過衝，造成系統振蕩。在電壓斜坡或電流斜坡控制方式下的泵驅動用電動機的轉矩在斜坡末端會產生過大加速轉矩，從而導致液壓突變，產生水錘效應。採用轉矩斜坡控制電動機的起動轉矩，使其不過多超過水泵所需轉矩，可抑制或消除水泵起動和停止時造成的水錘，降低對設備的衝擊。對於異步電動機的重載起動，如若對重載起動時進行轉矩控制，則可有效避免由於起動轉矩不夠而起動失敗的情況。對於負載轉矩與轉速平方成正比的風機、泵類等大慣性負載，如若對電動機的輸出轉矩進行控制，將會實現這類大慣性負載的平穩起動。轉矩閉環控制需要進行轉矩測量，轉矩測量一般通過測量電動機功率因數角、電流、轉速經計算獲得。然而異步電動機的功率因數角在起動過程中變化非常大，其會隨著電動機轉速的上升先減小後增大。並且電動機的功率因數角難以用實驗的方法直接獲得，往往將電動機的續流角認為是電動機的功率因數角，這會帶來誤差。晶閘管相控調壓實現的異步電動機軟起動電壓電流波形均發生了畸變，使得測量續流角難度增大。通過對異步電動機的磁鏈進行觀測可實現異步電動機轉矩重構，而異步電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，其近似線性化的狀態方程是四階的，其狀態觀測器設計中的極點配置比較複雜。
【發明內容】
[0003]本發明提出的是一種重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其目的旨在克服現有技術所存在的上述缺陷，以降低狀態觀測器極點配置的難度和計算量。
[0004]本發明的技術解決方案:重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器設計方法，採取的技術方案是:首先建立異步電動機的狀態空間模型，將其系統矩陣寫成複數形式。然後，確定異步電動機狀態觀測器的結構，並進行狀態觀測器的極點配置，求得觀測器的增益矩陣I最後根據觀測到的定子磁鏈和測量的定子電流重構電磁轉矩。具體包括以下五個步驟:
O建立異步電動機的狀態空間模型；
2)將異步電動機的系統矩陣寫成複數形式；
3)確定異步電動機狀態觀測器結構；
4)配置異步電動機狀態觀測器的極點；
5)重構異步電動機電磁轉矩信號。
[0005]本發明的有益效果:I)在複數形式下進行狀態觀測器極點配置，使得觀測器增益矩陣K的維數降低，求解簡單。
[0006]2)對異步電動機參數不敏感，在電動機參數測量不準確的情況下具有較強的魯棒性。
[0007]3)重構轉矩信號只需測量異步電動機的定子電壓、定子電流和轉速。
[0008]4)狀態觀測器的設計原理簡單，易於工程實現。
[0009]5)可適用於異步電動機狀態觀測器設計，進而可實現異步電動機轉矩觀測。本發明方法的設計原理簡單，實現容易，具有較強的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1異步電動機閉環全維狀態觀測器結構框圖。
【具體實施方式】
[0011]對照圖1，
X — /Ia* + JSh — K f — J7} = it C.+ Ky + Bh j，
式中的u為輸入，y為輸出，&為狀態觀測量，$為輸出觀測量，^為狀態觀測量的微分，A為系統矩陣，B為輸入矩陣，C為輸出矩陣，K為反饋增益矩陣。
[0012]重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法的具體實施分為以下五個步驟:
1、建立異步電動機的狀態空間模型
在異步電動機兩相靜止坐標系(〃 β坐標系)中，選取異步電動機的定子電流久、h和定子磁鏈ψα、ψβ為狀態變量，定子電壓~、化為輸入量，定子電流為輸出量，建立其狀態空間模型。
[0013]狀態方程:
【權利要求】
1.重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: O建立異步電動機的狀態空間模型； 2)將異步電動機的系統矩陣寫成複數形式； 3)確定異步電動機狀態觀測器結構； 4)配置異步電動機狀態觀測器的極點； 5)重構異步電動機電磁轉矩信號。
2.根據權利要求1所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟I)建立異步電動機的狀態空間模型， 在異步電動機兩相靜止坐標系(〃 β坐標系)中，選取異步電動機的定子電流久、h和定子磁鏈Ψ α、Ψβ為狀態變量，定子電壓為輸入量，定子電流為輸出量，建立其狀態空間模型； 狀態方程:
電磁轉矩:
Te=npU β Ψ a~i a ψ β) (3) 式(I)、式(2)、式(3)中，兄、兄分別為異步電動機的定子電阻和轉子電阻，ZyZpZw分別為異步電動機的定子電感、轉子電感和定轉子互感，轉子側電阻和電感均已折算到定子偵牝ω為異步電動機的轉子電角速度。
3.根據權利要求1所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟2)將異步電動機的系統矩陣寫成複數形式， 設定子電壓、定子電流、定子磁鏈的複數形式為
令異步電動機的系統矩陣J為
其中，an= - Λ (RsL^RrLs), a12= - ω ,αιζ=λ Rr,au=A ,azl= - Rs, 則異步電動機複數形式的狀態方程為
則異步電動機複數形式的系統矩陣為
4.根據權利要求1所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟3)確定異步電動機狀態觀測器結構， 為便於系統描述，將異步電動機的狀態方程和輸出方程寫成矩陣形式:
構造異步電動機狀態觀測器結構，則有:
) 其中#為反饋增益矩陣；觀測誤差的收斂速度由觀測器的系統矩陣決定；需設計合理的#矩陣對狀態觀測器進行極點配置，使得觀測器的觀測誤差能夠以期望的速度收斂。
5.根據權利要求1所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟4)配置異步電動機狀態觀測器的極點， 設複數形式的狀態觀測器的反饋增益矩陣靈為
則異步電動機全維狀態觀測器複數形式的系統矩陣為
根據式(7)，求異步電動機的特徵多項式為
根據式(11 )，求異步電動機狀態觀測器的特徵多項式為
閉環觀測器期望極點的選擇應從工程實際出發，兼顧快速性、抗幹擾性等折中考慮；設置異步電動機狀態觀測器的極點與電動機極點成倍數關係，設倍數為I且A大於1，則有
求解式(15)得
根據式(16)，將複數形式的反饋增益矩陣變為4X2的矩陣形式，得
6.根據權利要求1所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟5)重構電磁轉矩信號， 根據異步電動機的電磁轉矩公式(3):Τ=ηρ(?β Ψ α~?α ，重構異步電動機的電磁轉矩，其中，Ψ a、取前面建立的異步電動機狀態觀測器的定子磁鏈觀測值，iff、^取異步電動機定子電流實際測量。
7.根據權利要求5所述的重構異步電動機轉矩信號的狀態觀測器簡化設計方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，對異步電動機狀態觀測器進行極點配置時，複數形式的反饋增益矩陣是2X1的，最終求得的反饋增益矩陣I是4X2的；求得的反饋增益矩陣I中左值是狀態觀測器的極點與異步電動機極點的倍數，且A大於I ;求得的反饋增益矩陣^是變化的，與電機轉子的電角速度有關。
【文檔編號】H02P21/13GK104201959SQ201410434137
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】張 傑, 王宏華, 徐周, 尹祥順, 李軍民 申請人:河海大學, 揚中市豐順電器有限公司