基於雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法與流程
2023-05-09 10:07:31 1
本發明涉及一種異步電機參數在線辨識方法，具體地說是異步電機轉子電阻在線辨識方法。
背景技術：
異步電機是一個多變量、非線性、強耦合的高階系統。磁場定向矢量控制技術將其解耦成轉矩和磁鏈兩個子系統，進而使其獲得與直流電機調速相媲美的調速性能。間接磁場定向控制(ifoc)因其簡單、易實現以及良好的穩定性而得到廣泛的應用。在ifoc中，轉差頻率的計算需要轉子時間常數，間接磁場定向的準確性對轉子時間常數有著較強的依賴性。轉子時間常數任何偏差都將導致磁場定向出現偏差，進而影響到電機控制的動、穩態性能。轉子時間常數為轉子電感和電阻的比值，轉子電感參數受電機磁飽和影響，而轉子電阻受電機溫度、集膚效應影響。針對電感參數變化問題，工程應用中一般採用離線辨識制表的形式進行補償校正，而轉子電阻參數卻無法直接補償。因此，轉子時間常數在線辨識的關鍵在於轉子電阻的在線辨識，這是提高異步電機矢量控制性能的關鍵。
為提升矢量控制性能，國內外學者做了大量研究，湧現出許多參數辨識方法。有擴展卡爾曼濾波法、模型參考自適應法、滑膜觀測器法等。
題為「estimationofinductionmotorstatesandparametersbasedonextendedkalmanfilterconsideringparameterconstraints」(jirasaklaowanitwattana,sermsakuatrongjit，2016internationalsymposiumonpowerelectronics,electricaldrives,automationandmotion(speedam))(「考慮參數約束的基於擴展卡爾曼濾波的感應電動機狀態和參數估計」(jirasaklaowanitwattana,sermsakuatrongjit，2016國際電力電子學研討會，電力驅動，自動化與運動))的文章。該文將電機的參數約束併入擴展卡爾曼濾波算法，對電機狀態和參數進行估計。此方法在一定程度上克服了最小二乘法的噪聲敏感性問題，並且可以對異步電機的狀態和參數進行聯合估計。然而，此方法計算量相當大，在矢量控制中實時性很難保證。
題為「一種感應電機轉子時間常數mras的在線辨識方法」(王高林等，電工技術學報，2012年第27卷第4期49-53頁)的文章。該文採用基於無功功率模型的模型參考自適應方法辨識轉子時間常數，該方法簡單易實現。但其辨識結果嚴重依賴於參考模型的準確性且收斂速度一般，參數魯棒性差。
題為「sliding-modefluxobserverwithonlinerotorparameterestimationforinductionmotors」(abproca,akeyhani，ieeetransindelectron，2007,54(2):716-723.)(「採用滑模磁鏈觀測器在線估計異步電機轉子參數」(abproca,akeyhani，電氣和電子工程師協會工業電子學報，2007第54卷第2期716-723頁))的文章。該文設計了滑模磁鏈觀測器，對異步電機轉子電阻進行在線辨識，但沒能從理論上證明觀測的收斂性，缺少必要的理論支撐且其其收斂速度不夠快。
綜上所述，現有技術均未能較好地實現轉子電阻的在線辨識。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，在異步電機電感參數已知的前提下，本發明提出一種結構簡單、收斂速度快以及參數魯棒性好的基於雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法。
為了實現上述目的，本發明提出一種基於雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法。該方法根據由異步電機反γ型等效電路得到的靜止坐標系αβ下異步電機的數學模型，通過將待辨識的轉子電阻用滑模控制項代替，並增加另一個滑模控制項。相應的滑膜面選取複合滑膜面，構成了雙複合滑膜面滑膜觀測器，保證了轉子電阻得到快速而準確的辨識。
本發明的技術方案如下。
一種基於雙滑模面滑膜觀測器的異步電機轉子電阻辨識方法，包括如下步驟：
步驟1，採集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ，定子電流分量iα、iβ，和轉子電角速度ωr；
步驟2，建立在靜止坐標系αβ下的雙複合滑模面滑膜觀測器，對異步電機轉子電阻進行辨識，包括如下步驟：
步驟2.1，由異步電機反γ型等效電路將靜止坐標系αβ下異步電機的數學模型表示成如下形式：
在公式(1)中，表示微分，λα為α軸的轉子磁鏈，λβ為β軸的轉子磁鏈，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ls為定子自感，lr為轉子自感，lm為互感，變量其中定子瞬態電感ll＝σls，漏磁係數
步驟2.2，將公式(1)中的實際量即α軸的轉子磁鏈λα、β軸的轉子磁鏈λβ、α軸的定子電流分量iα、β軸的定子電流分量iβ以及轉子電阻rr分別用其對應的觀測值表示，並增加一個滑模控制項，可構建靜止坐標系αβ下的雙複合滑模面滑膜觀測器如下：
在公式(2)中，表示微分，為α軸的轉子磁鏈λα的觀測值，為β軸的轉子磁鏈λβ的觀測值，為α軸的定子電流分量iα的觀測值，為β軸的定子電流分量iβ的觀測值，為第一個滑模控制項，u1為第二個滑模控制項；
步驟2.3，將公式(2)中的滑模控制項u1設計成如下形式：
在公式(3)中，k1滑模控制項增益一，k2為滑模控制項增益二，sign為符號函數，iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，第一個複合滑模面第二個複合滑模面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙複合滑模面；
步驟2.4，當滿足k1>150、k2>150時，雙複合滑模面滑膜觀測器收斂，收斂後通過第一個低通濾波器獲取第一個滑模控制項的等效控制量通過第二個低通濾波器獲取第二個滑模控制項u1的等效控制量u1eq，其中即為辨識的轉子電阻值，其低通濾波器的表達式如下：
在公式(4)中，t1為第一個低通濾波器濾波係數，t2為第二個低通濾波器濾波係數，s為拉普拉斯變量。
優選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ採集方式包括以下兩種：
第一種，採樣得到實時異步電機線電壓uab、ubc，經過公式(5)的坐標變換獲得定子電壓分量uα、uβ；
第二種，直接採用電機控制器運算單元計算出逆變器調製信號代替定子電壓向量uα、uβ。
優選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ的採集步驟如下：
1)採樣得到實時異步電機三相定子電流ia、ib、ic；
2)利用公式(6)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ；
優選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr的採集步驟如下：
1)在一個預設採樣周期t內採樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發出的脈衝數n；
2)根據光電式旋轉編碼器發出的脈衝數n以及預設採樣周期t之間的關係計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：
在公式(7)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈衝數，p為異步電機極對數，t為預設採樣周期。
與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：
1、與採用擴展卡爾曼濾波方案相比，本發明計算量小且簡單易實現。
2、與採用模型參考自適應方案相比，本發明對負載擾動和參數變化具有較強的魯棒性。
3、與現有的滑膜觀測器辨識電機參數方案相比，本發明通過雙複合滑膜面的設計加快了參數辨識的校正過程。
附圖說明
圖1為本發明中異步電機反γ型等效電路。
圖2為本發明中轉子電阻辨識原理圖。
圖3為本發明中轉子電阻的辨識效果實驗波形。
圖4為本發明中定子電阻增加50％時的辨識效果實驗波形。
圖5為本發明中漏感增加50％時的辨識效果實驗波形。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步闡述。
信號採集部分，定子電壓分量uα、uβ和定子電流分量iα、iβ是通過採樣定子線電壓uab、定子線電壓ubc、定子a相電流ia、定子b相電流ib、定子c相電流ic，並經過三相靜止坐標繫到兩相靜止坐標系變換獲得，實際轉子電角速度ωr是利用光電式旋轉編碼器獲得。
圖1為本發明中異步電機反γ型等效電路，由定子側迴路和轉子側迴路組成，其中為定子電壓相量，為定子電流相量，為轉子電流相量，為定子磁鏈相量，為轉子磁鏈相量，ωs為定子角頻率，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ll為定子瞬態電感，lm為互感，s』為轉差頻率，j為虛部單位。
圖2為本發明中轉子電阻辨識原理圖，其中uα為α軸的定子電壓分量，uβ為β軸的定子電壓分量，iα為α軸的定子電流分量，iβ為β軸的定子電流分量，為α軸的轉子磁鏈的觀測值，為β軸的轉子磁鏈的觀測值，為α軸的定子電流分量的觀測值，為β軸的定子電流分量的觀測值，k1為滑模控制項增益一，k2為滑模控制項增益二，sign為符號函數，第一個複合滑膜面第二個複合滑膜面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙複合滑模面,iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，u1eq為滑模控制項u1的等效控制量，為滑模控制項的等效控制量也就是辨識的轉子電阻值。
參見圖1和圖2，本實施例按如下步驟進行：
步驟1，採集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ，定子電流分量iα、iβ，和轉子電角速度ωr。
具體的採集過程如下。
1)異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ
異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓分量uα、uβ採集方式包括以下兩種：
第一種，採樣得到實時異步電機線電壓uab、ubc，經過公式(5)的坐標變換獲得定子電壓分量uα、uβ；
第二種，直接採用電機控制器運算單元計算出逆變器調製信號代替定子電壓向量uα、uβ。
2)異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ
異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ的採集步驟如下：
1)採樣得到實時異步電機三相定子電流ia、ib、ic；
2)利用公式(6)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流分量iα、iβ；
3)異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr
異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ωr的採集步驟如下：
1)在一個預設採樣周期t內採樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發出的脈衝數n；
2)根據光電式旋轉編碼器發出的脈衝數n以及預設採樣周期t之間的關係計算出轉子電角速度ωr，其計算公式為：
在公式(7)中，m為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈衝數，p為異步電機極對數，t為預設採樣周期。
步驟2，建立在靜止坐標系αβ下的雙複合滑模面滑膜觀測器，對異步電機轉子電阻進行辨識，包括如下步驟：
步驟2.1，由異步電機反γ型等效電路將靜止坐標系αβ下異步電機的數學模型表示成如下形式：
在公式(1)中，表示微分，λα為α軸的轉子磁鏈，λβ為β軸的轉子磁鏈，rs為定子電阻，rr為轉子電阻，ls為定子自感，lr為轉子自感，lm為互感，變量其中定子瞬態電感ll＝σls，漏磁係數
步驟2.2，將公式(1)中的實際量即α軸的轉子磁鏈λα、β軸的轉子磁鏈λβ、α軸的定子電流分量iα、β軸的定子電流分量iβ以及轉子電阻rr分別用其對應的觀測值表示，並增加一個滑模控制項，可構建靜止坐標系αβ下的雙複合滑模面滑膜觀測器如下：
在公式(2)中，表示微分，為α軸的轉子磁鏈λα的觀測值，為β軸的轉子磁鏈λβ的觀測值，為α軸的定子電流分量iα的觀測值，為β軸的定子電流分量iβ的觀測值，為第一個滑模控制項，u1為第二個滑模控制項。
步驟2.3，將公式(2)中的滑模控制項u1設計成如下形式：
在公式(3)中，k1滑模控制項增益一、k2為滑模控制項增益二，sign為符號函數，iqref為轉子磁場定向同步旋轉dq坐標系下的q軸給定電流，第一個複合滑模面第二個複合滑模面為其中為α軸的定子電流誤差，為β軸的定子電流誤差，s1和s2構成雙複合滑模面。在本實施例中，k1＝1000,k2＝1000。
步驟2.4，當滿足k1>150、k2>150時，雙複合滑模面滑膜觀測器收斂，收斂後通過第一個低通濾波器獲取第一個滑模控制項的等效控制量通過第二個低通濾波器獲取第二個滑模控制項u1的等效控制量u1eq，其中即為辨識的轉子電阻值，其低通濾波器的表達式如下：
在公式(4)中，t1為第一個低通濾波器濾波係數、t2為第二個低通濾波器濾波係數，s為拉普拉斯變量。在本實施例中，t1＝20000，t2＝5。
圖3、圖4和圖5給出了本發明在轉子電阻辨識過程中的性能表現。
實驗電機參數：額定功率pn＝10kw,額定電壓un＝220v,轉子電阻rr＝0.055ω，定子電阻rs＝0.076ω，勵磁電感lm＝13.6mh，轉子電感lr＝14.1mh，定子電感ls＝14.1mh，極對數p＝2,額定頻率fn＝100hz。實驗中觀測器參數的給定值為：k1＝1000,k2＝1000,t1＝20000，t2＝5。
在實驗中，為了使性能得到更全面的展示，電機運行在1200rpm，轉矩電流為額定值40.8a。並且，觀測器中轉子電阻的初始值為50％實際值，從1s開始辨識。從圖3可以發現開始辨識後，轉子電阻辨識值能較快地收斂到實際值；電機運行時，參數是會發生變化的。圖4和5展示了本發明觀測器的參數魯棒性。從圖4可以發現，即使觀測器中定子電阻增加50％，轉子電阻的辨識受到的影響很小；從圖5可以看出，即使觀測器中的漏感增加50％，對辨識結果的負面影響也是有限的。