一種高速列車牽引感應電機參數辨識方法
2024-02-22 10:46:15
一種高速列車牽引感應電機參數辨識方法
【專利摘要】一種高速列車牽引感應電機參數辨識方法，該方法利用電壓型觀測器和電流型觀測器各自的優勢，分別在牽引感應電機的高速和低速運行區域，同時運行兩種磁鏈觀測器並對控制器中設定的勵磁電感、轉子時間常數等主要模型參數進行校準，使得牽引感應電機在全速度運行範圍內，這兩種磁鏈觀測器的觀測效果均達到最優。本發明能夠克服電機溫升、勵磁特性變化等不利影響，實現高性能的牽引控制。
【專利說明】一種高速列車牽弓I感應電機參數辨識方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種牽引感應電機磁場定向控制用的參數辨識方法，特別涉及一種牽弓I感應電機參數辨識方法。
【背景技術】
[0002]在高速列車等電氣化軌道交通領域，大功率感應電機因其具有堅固耐用、維護量小、機械特性好等優點，得到了廣泛應用。但由於感應電機高階非線性強耦合的電磁特性，控制難度較大，一般的控制方法難以滿足速度高、功率大以及轉矩特性優良的嚴格要求，轉子磁場定向控制具有電機動態響應快、轉矩發揮充分、調速範圍寬等優良特性，是當前該領域的一種主流控制技術。
[0003]轉子磁場定向控制通過對電機的激勵電流進行坐標變換，使勵磁與轉矩分量解耦控制，實現類似於直流電機的控制特性，由於坐標軸定向角度為轉子磁鏈角，因此稱為轉子磁場定向控制。進行磁場定向控制的關鍵是採用磁鏈觀測器獲得準確的磁鏈角度與幅值，由於磁鏈觀測器是基於電機數學模型的，依賴於電機參數準確性，當電機參數發生變化時，磁鏈觀測器特性會下降，導致轉矩發揮不準確，電機過熱、噪音增大，甚至系統失穩等。
[0004]高速列車長時間處於滿功率運行，電機內部溫升較大，使電機的定、轉子電阻值變化很大。而且，為充分滿足牽引電機低速大轉矩和寬調速範圍的設計需求，勵磁電感值的變化範圍也很大。這樣，控制器中用於構建電機數學模型的主要參數將偏離實際值，嚴重時，導致控制性能下降，這就是參數變化影響的本質以及牽引電機高性能控制的難點。為了克服這種影響，需要對電機參數進行在線校正和辨識，在這些方面已經有很多研究成果，可以分為離線和在線兩大類方法(H.A.Toliyat, E.Levi, M.Raina.A Reviewof RFO Induct1n Motor Parameter Estimat1n Techniques.1EEE Trans on EnergyConvers1n, Vol.18，N0.2，June 2003:271-283.)，離線參數辨識是指在電機運行之前，對其施加激勵信號和檢測電機響應來獲得電機相關參數，但由於在啟動前難以進行，而且由於電機運行時參數會發生變化，因此通常採用在電機運行時對電機參數在線辨識的方法。如遞推最小二乘法，其目標函數為測量結果對計算結果誤差的平方和，該類方法計算量適中，但在優化過程中要用到目標函數對電機參數的導數，對測量噪聲和轉速波動均很敏感。(陸可感應電機狀態估計和參數辨識若干新方法研究博士學位論文西安交通大學2008)
[0005]模型參考自適應在線辨識方法是以實際運行的感應電機為參考模型，以電機的狀態觀測方程為可調模型，利用電機某些可測量(如定子電壓和電流)的估計偏差來實時調整可調模型使用的電機參數，從而辨識電機的參數，這種方法具有算法簡單、易於在數字控制系統中實現等優點。但是同時辨識多個電機參數時，滿足穩定性與收斂速度的參數自適應律是一個難於解決的問題。(D.P.marcetic, S.N.Vukosavie.Speed sensorless ACdrives with the rotor time constant parameter updata.1EEE Trans, on IndustrialElectronies, 2007, 54(5):2618-2625)。其他的如神經網絡、模糊系統、遺傳算法等人工智慧的電機參數辨識方法，但是這些方法均存在收斂速度慢、算法和模型複雜等缺點，實際運用還有相當難度(M.Wlas, Z.Kzeminski, H.A.Toliya.Neural network based Parameterestimat1n induct1n motors.1EEE Trans, on industrial Electronics, 2008，55(4):1783-1794)。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於克服現有技術依賴於複雜模型和算法，實用性較差等缺點，提出一種高速列車牽引感應電機參數辨識方法。本發明採用磁鏈觀測器對電機的勵磁電感和轉子時間常數等重要參數進行檢測和校正，為準確地勵磁和轉矩發揮提供控制依據，使磁鏈觀測器在各種工況下準確運行，以實現高速列車等電氣牽引領域的大功率感應電機的高性能控制。
[0007]本發明採用兩種磁鏈觀測器:一種是按照電機電壓、定子電阻、勵磁電感、漏感等參數計算得到轉子磁鏈的方法，稱為電壓型觀測器；另一種是按照電機電流、電機轉速、轉子時間常數、勵磁電感計算得到轉子磁鏈方法，稱為電流型觀測器。電流型觀測器採用基於轉子轉速積分得到的坐標轉換角度，可以消除α、β軸之間的磁鏈耦合量。
[0008]在這兩種觀測器的計算中，除了計算因素和電壓、電流、轉速等測量值外，電流型觀測器所用的轉子時間常數受電機溫度影響大，電壓型觀測器所用定子電阻雖然也受溫度影響，但由於只用於計算電阻壓降，但其影響較小，而且隨電機轉速上升，電機反電勢增大，電壓型觀測器較準確，電流型觀測器的準確度不隨轉速改變，因此這兩種觀測器具有一定的互補性，本發明利用這兩種磁鏈觀測器的特性，分別在牽引感應電機高速運行階段和低速運行階段對該牽引感應電機的勵磁電感Ln^P轉子時間常數I；進行在線校正，保證所述牽引感應電機全速度範圍工作時磁鏈觀測器的準確性，從而實現對牽引感應電機的高性能控制。
[0009]本發明方法的原理和步驟如下:
[0010]首先測量牽引感應電機的定子電阻。利用驅動電路向該電機發送一個微小的直流電壓，檢測該電機的電流，直流電壓和電機電流相除即可得到定子電阻值。然後對牽引感應電機採用電流閉環控制。牽引感應電機的兩個磁鏈觀測器:電壓型觀測器和電流型觀測器同時工作，利用電壓型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，將該電機升至額定轉速點。此時電壓型觀測器的觀測結果較準確，利用其觀測的磁鏈幅值除以勵磁電流值，可以得到勵磁電感值；同時通過調節電流型觀測器中的轉子時間常數，使兩個磁鏈觀測器的觀測角度相一致，達到校正轉子時間常數的目的。然後再將該電機轉速降低並穩速運行，由於之前已經校正了轉子時間常數，電流型觀測器已經較為準確，牽引感應電機在低速下運行，利用電流型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，微調電壓型磁鏈觀測器中的漏磁參數，使其觀測角度與電流型觀測器一致，達到所有電機觀測器所用參數校正的目的，最後全程運行，將兩個磁鏈觀測器得到的幅值與角度進行對比。得到全程最優的觀測器模式。
[0011]本發明利用兩種磁鏈觀測器的互補特性，對磁鏈觀測器所用的牽引感應電機參數進行反覆校正，掌握了牽引感應電機勵磁電感曲線，為施加合理準確的電機勵磁控制提供依據，在實際運行中，可以採用查表的方式進行調用，同時辨識和校準了觀測器的電機參數，使得觀測精度得以提高，從而實現高性能感應電機牽引控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1電壓型磁鏈觀測器框圖；
[0013]圖2電流型磁鏈觀測器框圖；
[0014]圖3電阻測量示意圖；
[0015]圖4勵磁電感曲線示意圖；
[0016]圖5對轉子磁鏈角度的校正圖，其中圖5a電流型觀測角度超前的轉子磁鏈角度校正，
[0017]圖5b電流型觀測角度滯後的轉子磁鏈角度校正；
[0018]圖6磁鏈角度偏差校正流程圖；
[0019]圖7磁鏈觀測器在線校正示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0021]本發明方法的原理和步驟如下:
[0022]首先測量牽引感應電機的定子電阻。利用驅動電路向該電機發送一個微小的直流電壓，檢測該電機的電流，直流電壓和電機電流相除即可得到定子電阻值。然後對牽引感應電機採用電流閉環控制。牽引感應電機的兩種磁鏈觀測器:電壓型觀測器和電流型觀測器同時工作，利用電壓型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，將牽引感應電機的轉速升高至額定轉速點。此時電壓型觀測器的觀測結果較準確，利用電壓型觀測器觀測的磁鏈幅值除以勵磁電流值，可以得到勵磁電感值；同時通過調節電流型觀測器中的轉子時間常數，使兩個觀測器的觀測角度相一致，達到校正轉子時間常數的目的。然後再將該牽引感應電機的轉速降低並穩速運行，由於之前已經校正了轉子時間常數，電流型觀測器已經較為準確，該電機在低速下運行，利用電流型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，微調電壓型磁鏈觀測器中的漏磁參數，使其觀測角度與電流型觀測器一致，達到所有電機磁鏈觀測器所用參數校正的目的。最後該牽引感應電機全程運行，將兩個磁鏈觀測器得到的幅值與角度進行對比，得到全程最優的觀測器模式。圖1所示為所述的電壓型觀測器，電壓型觀測器由電機數學模型得到:
【權利要求】
1.一種高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:所述方法為利用牽引感應電機的兩種磁鏈觀測器:電壓型觀測器與電流型觀測器各自的優勢，分別在所述牽引感應電機的高速和低速運行階段對牽引感應電機的勵磁電感Lm和轉子時間常數I；進行在線校正，保證所述牽引感應電機全速度範圍工作時磁鏈觀測器的準確性，從而實現對牽弓I感應電機的控制。
2.按照權利要求1所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:所述方法的步驟如下: (1)首先測量牽引感應電機的定子電阻:利用驅動電路向該電機發送一個微小的電壓Us，測量該電機電流值Is，電壓和電機電流相除得到定子電阻值Rs ;所述定子電阻值Rs用於計算電壓型觀測器； (2)然後對牽引感應電機採用電流閉環控制:電壓型觀測器和電流型觀測器同時工作，利用電壓型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，將牽引感應電機升至額定轉速點；此時利用電壓型觀測器觀測的磁鏈幅值除以勵磁電流值，得到勵磁電感值；同時通過調節電流型觀測器中的轉子時間常數，使兩個觀測器的觀測角度相一致，達到校正轉子時間常數的目的；然後再將牽引感應電機的轉速降低並穩速運行，利用電流型觀測器得到的轉子磁鏈角度進行坐標轉換，微調電壓型磁鏈觀測器中的漏磁參數，使電壓型觀測器的觀測角度與電流型觀測器一致，達到所有電機觀測器所用參數校正的目的；最後牽引感應電機全程運行，將兩個觀測器得到的幅值與角度進行對比，得到全程最優的觀測器模式。
3.按照權利要求1所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:利用所述的電壓型觀測器進行磁場定向控制，進行電流閉環控制；牽引感應電機的轉速升至額定轉速，改變牽引感應電機的勵磁電流分量id，在此過程中不斷計算並記錄勵磁電感Lm以及觀測器的磁鏈幅值Ψρ計算得到不同勵磁水平下的勵磁電感曲線，並且存儲在控制器中；實時運行時通過查表獲得勵磁電感值並進行準確的控制。
4.按照權利要求1所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:在牽引感應電機運行時，電壓型觀測器與電流型觀測器同時在計算，通過對兩個磁鏈觀測角度進行校正，修正電流型觀測器中所用的轉子時間常數值；如果電流型觀測器的磁鏈角度Θ。超前於電壓型觀測角度θ ν，表明轉子時間常數I；偏大，需要調節減小轉子時間常數?；，使得電流型觀測角度靠近電壓型觀測角度；反之，如果轉子磁鏈滯後，表明轉子時間常數I；偏小，需要調節增大轉子時間常數?；，使電流型觀測角度靠近電壓型觀測角度。
5.按照權利要求4所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:所述的電壓型觀測器與電流型觀測器同時運行，在牽引感應電機高速運行時，利用電壓型觀測角度對電流型觀測角度進行修正，牽引感應電機低速運行時，利用電流型觀測角度對電壓型進行校驗，使兩個磁鏈觀測器實現準確的觀測精度。
6.根據權利要求4所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:調節轉子時間常數I；的方法為:首先計算電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度θν角度偏差的絕對值，判斷該偏差的絕對值是否小於閾值ε ;若電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度θν角度偏差的絕對值小於閾值ε時，不再校正轉子時間常數I；;當電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度θ ν角度偏差的絕對值大於閾值ε，判斷電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度θν角度的差值，g卩θ^θν是否大於零，即電流型觀測器角度Θ。是否超前於電壓型觀測器角度θν，如果電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度07角度的差值θ「θν大於零，則減小轉子時間常數I；，如果電流型觀測磁鏈角度Θ。與電壓型觀測角度θν角度的差值θ^θν小於零，即電流型觀測器角度Θ。滯後於電壓型觀測器角度θν，則增大轉子時間常數I；。
7.按照權利要求1所述的高速列車牽引感應電機參數辨識方法，其特徵在於:在牽引感應電機空載條件下進行電機參數辨識時，轉速積分即為轉子磁鏈方向。
【文檔編號】H02P21/13GK104201962SQ201410425997
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】任晉旗, 馬遜, 葛瓊璇, 李耀華 申請人:中國科學院電工研究所