本發(fā)明是一種無軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法。為無軸承異步電機(jī)的無速度運(yùn)行提供了一種新的策略，適用于無軸承異步電機(jī)的無速度傳感器矢量控制方案，屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前,三相異步電機(jī)的控制方式已趨成熟,矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制能滿足大部分工況需求。無論哪種控制方式,轉(zhuǎn)速都是一個(gè)非常重要的控制量。但速度傳感器在某些情況下安裝困難,或是有時(shí)為了節(jié)省這部分成本,人們希望只根據(jù)變頻器上易測(cè)得的相電流、相電壓數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制。

異步電機(jī)無速度傳感器原理可以分為西種類型:一類要求轉(zhuǎn)子具有不對(duì)稱性,如轉(zhuǎn)子槽i皆波法、高頻注入法,這類方法需要對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析,程序費(fèi)時(shí)費(fèi)力,高速時(shí)對(duì)硬件要求很嚴(yán)青；:另一類方法是基于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,用某種數(shù)學(xué)方法辨識(shí)其中的轉(zhuǎn)速,如基于狀態(tài)觀測(cè)器的方法,涉及人工智能的方法,以及基于模型參考白適應(yīng)原理(MRAS)的方法。

如今,科研工作者已經(jīng)研發(fā)出很多基于異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的無速度傳感器算法。屬于狀態(tài)觀測(cè)器范時(shí)的有:全階狀態(tài)觀測(cè)器與降階狀態(tài)觀測(cè)器,擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF),以及滑模觀測(cè)器(SMO)。狀態(tài)觀測(cè)器法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化敏感,為了満足全局穩(wěn)定使得算法復(fù)雜,EKF計(jì)算復(fù)雜,大量隨機(jī)參數(shù)要調(diào)試得到；SMo魯棒性較強(qiáng),但固有的抖動(dòng)對(duì)電機(jī)低速運(yùn)行有害。涉及人工智能的方法一直是本行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一,只是受限于硬件,離實(shí)用化還有一定距離。

傳統(tǒng)MRAS的物理意義明確,算法較簡(jiǎn)單,穩(wěn)態(tài)精度比較好,但易受電機(jī)參數(shù)變化影響,比如定子電阻Rs。隨著對(duì)MRAS算法的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)選擇不同的參考模型和可調(diào)模型,可以演化出不同結(jié)構(gòu)的MRAS辨識(shí)算法,如基于轉(zhuǎn)子磁鏈、基于反電勢(shì)、基于瞬時(shí)無功功率等。此外,在MRAS結(jié)構(gòu)下應(yīng)用滑模原理、模湖控制原理等,可以演化出很多不同的結(jié)構(gòu),研究改進(jìn)的余地很大。

判斷一種轉(zhuǎn)速辨識(shí)算法的好壞,主要是看這種算法能否在一個(gè)較寬的調(diào)速范國(guó)內(nèi)保持辨識(shí)精度。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型總是不夠精確,而且一些參數(shù)還會(huì)隨著電機(jī)運(yùn)行而變化,從而大大影響辨識(shí)的精確性。低速下,定子電阻Rs的變化對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈Lrr觀測(cè)的影響最大,進(jìn)而影響基于磁能觀測(cè)器的無速度傳感器的辨識(shí)精度。針對(duì)Rs的影響,有學(xué)者在觀測(cè)器中加入Rs的白適應(yīng)辨識(shí)來改善低速性能,但此法對(duì)觀測(cè)器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求較高,通用性不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)同題。本發(fā)明提供一種基于POPOV超穩(wěn)定性的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)及方法，以解決目前的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)不精確的問題,能夠在線觀測(cè)無軸承異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和辨識(shí)轉(zhuǎn)速。該方法對(duì)電機(jī)本體參數(shù)變化不敏感,而對(duì)干擾有較強(qiáng)的魯棒性。

這種無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)的方法,根據(jù)實(shí)測(cè)的定子電壓、電流信號(hào)通過普通的積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器以及基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器得到兩套轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型觀測(cè)值，以觀測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考值，由轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型求得轉(zhuǎn)子磁鏈作為可調(diào)值，構(gòu)成兩套基于轉(zhuǎn)子磁鏈的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)。通過合適的自適應(yīng)律辨識(shí)無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后通過調(diào)控模塊來控制選擇合適的轉(zhuǎn)速辨識(shí)觀測(cè)器，得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：根據(jù)所述的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法，由所述的基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器，觀測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型ψ_r如下：

其中ψ_rα1和ψ_rβ1為通過改進(jìn)積分器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r分量，ψ_rα2和ψ_rβ2為通過普通積分器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈分量。u_sα和u_sβ為定子電壓u_s分量，i_sα和i_sβ為定子電流分量，R_s為定子電阻，G(s)為改進(jìn)二階積分器傳遞函數(shù)，P為幅值補(bǔ)償和相位補(bǔ)償值，σ＝1-L_m²/L_sL_r，L_m為勵(lì)磁電感穩(wěn)態(tài)值，L_s和L_r分別為定子、轉(zhuǎn)子電感。

改進(jìn)二階積分器傳遞函數(shù):

幅值補(bǔ)償和相位補(bǔ)償P:

進(jìn)一步，根據(jù)所述的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)的方法，由所述轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型作為可調(diào)模型，通過合適的自適應(yīng)率辨識(shí)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程如下：

首先，構(gòu)建基于轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型的觀測(cè)器，

其中和為轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r分量，T_r＝L_m/R_r，為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，p為微分算子，是辨識(shí)得到的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；

其次，將通過普通的積分器磁鏈觀測(cè)器以及基于改進(jìn)二階廣義積分器磁鏈觀測(cè)器得到兩套轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型觀測(cè)值ψ_rα1，ψ_rβ1和ψ_rα2，ψ_rβ2作為參考值，和作為可調(diào)值，根據(jù)模型參考自適應(yīng)法，自適應(yīng)誤差值按下式求得：

最后根據(jù)POPOV超穩(wěn)定性原理設(shè)計(jì)合適的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率，用PI控制器等效，因此PI控制器輸出的兩個(gè)值即為測(cè)定的兩組轉(zhuǎn)速。

進(jìn)一步，根據(jù)所述的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)的方法，根據(jù)兩組不同的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型，得到兩組辨識(shí)轉(zhuǎn)速n1和n2，n1和n2通過調(diào)控模塊得到實(shí)時(shí)精確的轉(zhuǎn)速n3。

本發(fā)明的有益效果在于,采用了基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器。根據(jù)實(shí)測(cè)的定子電壓、電流信號(hào)通過普通的積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器以及基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器得到兩套轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型觀測(cè)值，以觀測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考值，由轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型求得轉(zhuǎn)子磁鏈作為可調(diào)值，構(gòu)成兩套基于轉(zhuǎn)子磁鏈的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)。通過合適的自適應(yīng)律辨識(shí)無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后通過調(diào)控模塊來控制選擇合適的轉(zhuǎn)速辨識(shí)觀測(cè)器，能有效改善低速情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速的辨識(shí)精度，得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。

附圖說明

圖1是矢量控制示意圖。

圖2是轉(zhuǎn)速辨識(shí)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

參見圖1,強(qiáng)電部分,三相交流電源經(jīng)過不控整流得到直流母線電壓u_dc,供給電壓源型逆變器,再得到供給無軸承異步電機(jī)的三相電源。

弱電部分,釆用矢量控制方式,包含電壓、電流傳感器,3相/2相靜止坐標(biāo)變換模塊,2相靜止/2相同步速坐標(biāo)變換模塊,新型觀測(cè)器模塊,普通觀測(cè)器模塊，轉(zhuǎn)速推算模塊,調(diào)控模塊，速度環(huán)PI控制器模塊,電流環(huán)PI控制器模塊,2相同步速/2相靜止坐標(biāo)變換模塊,電壓空問矢量脈寬調(diào)制模塊。

本發(fā)明主要涉及新型觀測(cè)器模塊,其他模塊為無軸承異步電機(jī)矢量控制所需的功能性模塊,為本領(lǐng)域公知常識(shí)。

下面描述整個(gè)系統(tǒng)的工作流程,以介紹各模塊的連接關(guān)系。

1、由傳感器測(cè)得三相異步電機(jī)的各相電流與電壓,輸入3相/2相靜止坐標(biāo)變換模塊,得到定子電流is的分量i_sα和i_sβ,定子電壓us的分量u_sα和u_sβ。

2、利用定子電壓、電流信號(hào),通過本發(fā)明的新型觀測(cè)器以及普通觀測(cè)器,得到辨識(shí)轉(zhuǎn)速n1、n2和同步速角度θ。新型觀測(cè)器包含:(a)基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器模塊,(b)轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ計(jì)算模塊,(c)轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型模塊,(d)誤差值計(jì)算模塊,(e)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模塊。普通觀測(cè)器包含:(a)基于普通積分器構(gòu)成的磁鏈觀測(cè)器模塊，(b)轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ計(jì)算模塊,(c)轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型模塊,(d)誤差值計(jì)算模塊,(e)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模塊。具體的細(xì)節(jié)如圖2所示。

下面具體介紹新型觀測(cè)器和普通觀測(cè)器的構(gòu)建過程：

3、根據(jù)所述的無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法，由所述的基于改進(jìn)二階廣義積分原理的磁鏈觀測(cè)器，觀測(cè)到的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型ψ_r如下：

其中ψ_rα1和ψ_rβ1為通過改進(jìn)積分器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r分量，ψ_rα2和ψ_rβ2為通過普通積分器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈分量。u_sα和u_sβ為定子電壓u_s分量，i_sα和i_sβ為定子電流分量，R_s為定子電阻，G(s)為改進(jìn)二階積分器傳遞函數(shù)，P為幅值補(bǔ)償和相位補(bǔ)償值，σ＝1-L_m²/L_sL_r，L_m為勵(lì)磁電感穩(wěn)態(tài)值，L_s和L_r分別為定子、轉(zhuǎn)子電感。

上式的實(shí)現(xiàn)過程中有二點(diǎn)值得說明：

(1)、上式中包含純積分環(huán)節(jié)。純積分環(huán)節(jié)受積分初值和零漂影響,存在直流偏置和初始相位同題。為解決這一問題,用改進(jìn)二階積分器來代替純積分器,并加以適當(dāng)?shù)姆岛拖辔谎a(bǔ)償。改進(jìn)二階積分器傳遞函數(shù)：

幅值和相位補(bǔ)償：

(2)、上式中電流項(xiàng)加一個(gè)低通濾波器，除了能濾除諧波噪音，還能讓電流項(xiàng)和改進(jìn)積分環(huán)節(jié)后定子磁鏈相位一致，得到更精確轉(zhuǎn)子磁鏈。截止頻率為同步頻率30％。

4、由上述觀測(cè)器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈,在靜止坐標(biāo)系下表示為ψ_rα1和ψ_rβ1ψ_rα2和ψ_rβ2，作為模型參考自適應(yīng)法的參考值。

5、將轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型作為可調(diào)模型,通過自適應(yīng)律來辨識(shí)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程如下。首先,構(gòu)建基于轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型的觀測(cè)器:

其中和為轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r分量，T_r＝L_m/R_r，為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，p為微分算子，是辨識(shí)得到的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；

6、根據(jù)所述的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)的方法，由所述轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型作為可調(diào)模型，通過合適的自適應(yīng)率辨識(shí)無軸承異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程如下：

首先，構(gòu)建基于轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型的觀測(cè)器，

其中和為轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r分量，T_r＝L_m/R_r，為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，p為微分算子，是辨識(shí)得到的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速；

其次誤差值計(jì)算模塊的構(gòu)建，將通過普通的積分器構(gòu)建的磁鏈觀測(cè)器以及基于改進(jìn)二階廣義積分器構(gòu)建的磁鏈觀測(cè)器得到兩套轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型觀測(cè)值ψ_rα1，ψ_rβ1和ψ_rα2，ψ_rβ2作為參考值，和作為可調(diào)值，根據(jù)模型參考自適應(yīng)法，自適應(yīng)誤差值按下式求得：

7、轉(zhuǎn)速自適應(yīng)模塊的構(gòu)建：根據(jù)POPOV超穩(wěn)定性原理設(shè)計(jì)合適的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率，用PI控制器等效，因此PI控制器輸出的兩個(gè)值即為測(cè)定的兩組轉(zhuǎn)速。

8、所述的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)與轉(zhuǎn)速辨識(shí)的方法，根據(jù)兩組不同的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型，得到兩組辨識(shí)轉(zhuǎn)速n1和n2，n1和n2通過調(diào)控模塊得到實(shí)時(shí)精確的轉(zhuǎn)速n3。

上式的實(shí)現(xiàn)過程中有一點(diǎn)值得說明：

根據(jù)兩組不同的轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型結(jié)合轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型，得到兩組辨識(shí)轉(zhuǎn)速n1和n2，n1和n2通過調(diào)控模塊得到實(shí)時(shí)精確的轉(zhuǎn)速n3，調(diào)控模塊由一組開關(guān)器件組成，得到兩組辨識(shí)轉(zhuǎn)速n1和n2經(jīng)過開關(guān)器件，與開關(guān)器件輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速信息形成閉環(huán)反饋環(huán)調(diào)節(jié)切換，輸出當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速n3。

9、將靜止坐標(biāo)系下的量,以及由觀測(cè)器得到的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ,輸入2相靜止/2相同步速坐標(biāo)變換模塊,得到同步速坐標(biāo)系下的定子電流is的分量isd和isq。

10、轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器APSI:外部指定ψ^*作為轉(zhuǎn)速給定值，以電機(jī)端測(cè)量的三相電流和反饋角速度計(jì)算得到空間位置角θ,計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r為反饋值，由轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器APSI模塊輸出定子電流d軸分量給定值i_sd。

11、速度調(diào)節(jié)器ASR:外部指定n作為轉(zhuǎn)速給定值,將辨識(shí)結(jié)果n3作為反饋值,通過速度調(diào)節(jié)器ASR模塊輸出轉(zhuǎn)矩給定值T_e。

12、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR：以速度調(diào)節(jié)器ASR輸出的給定轉(zhuǎn)矩T_e為給定值，以電機(jī)端測(cè)量電流電壓及空間位置角θ計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩為反饋值，由輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR模塊定子電流q軸分量給定值i_sq。

13、逆變器控制信號(hào)產(chǎn)生:將上述求得的定子電流給定值i _sd和i_sq及轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ,輸入2相同步速/3相靜止坐標(biāo)變換模塊,得到定子電流在靜止坐標(biāo)系下的分量i_abc^*，i_abc^*分量和電機(jī)端測(cè)量的i_abc分量經(jīng)電流滯環(huán)空間矢量脈寬調(diào)制模塊計(jì)算得到逆變器所需要的觸發(fā)脈沖輸給逆變器,即可控制供給三相電機(jī)的各相電壓。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。