CN105634367A - 一种基于mras的高压异步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，包括：建立异步电动机无功功率的参考模型；建立异步电动机无功功率的可调模型；辨识电机转子转速；通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号；将三相正弦电压参考信号送往脉冲宽度调制驱动板，利用脉冲宽度调制控制方法对级联型功率单元进行控制，控制电机转速。避免了由于在电机转子安装光电编码器所带来的弊端，克服反电动势模型受定子电阻误差影响的缺点，很好地实现电机转速的辨识，由于采用了基于瞬时无功功率模型，具有较高的转速辨识精度，有效地改善了电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。

Description

一种基于MRAS的高压异步电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于级联型高压变频器的高压异步电机控制方法，尤其涉及一种基于模型参量自适应***(MRAS，ModelReferenceAdaptiveSystem)的高压异步电机控制方法，属于电力电子自动控制技术领域。

背景技术

近年来，高压变频器由于节能效果显著被广泛应用在电力、冶金、化工等工业场合中，而级联型的高压变频器具有输出波形谐波分量少、正弦度高受到重视。对于高压变频器的异步电机***的控制方法一般有恒压频比控制、矢量控制等，恒压频比控制属开环控制方法，简单但精度不高，矢量控制性能优越，得到普遍应用。

高压变频器的异步电机矢量控制***中，通常需要在电机转子上安装光电编码器以检测转子转速，这不仅增加了***复杂度，而且带来维护困难、测量精度不高等问题。因此有必要对异步电机的无速度传感器技术进行研究，在异步电机矢量控制***无速度传感器技术实现方法中，MRAS属于性能较好的一种方法。对于MRAS中模型的建立可基于转子磁链模型、基于反电动势模型等，基于转子磁链模型的电压模型中存在纯积分环节，影响了电机低速时的估计精度。用反电动势模型取代转子磁链模型，可避免纯积分环节，但仍然受到电机定子电阻等参数的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，以解决目前由于需要在电机转子上安装光电编码器以检测转子转速，导致***复杂度高、维护困难，并且易受到纯积分环节以及电机定子电阻参数的影响最终导致测量精度不高的技术问题。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，包括：

建立参考模型：建立异步电动机无功功率的参考模型，参考模型为：Q＝(i_sαu_sβ-i_sαu_sα)-σL_s(i_sαpi_sβ-i_sβpi_sα)，其中，i_sα、i_sβ分别为定子电流在α、β轴上的分量，u_sα、u_sβ分别为定子电压在α、β轴上的分量，L_s为定子每相绕组的等效自感，σ为漏磁系数，p为微分算子；

建立可调模型：建立异步电动机无功功率的可调模型，可调模型为： $\hat{Q}=\frac{L_m^2}{L_r}\[(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\α}}+i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\β}}){\mathrm{\ω}}_r+\frac{1}{T_r}(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}})\],$ 并且满足： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\α}}=\frac{i_{s\mathrm{\α}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\α}}}{T_r}-{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\β}}=\frac{i_{s\mathrm{\β}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\β}}}{T_r}+{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\α}}\end{array}\right.,$ 其中，ω_r为转子转速，T_r为转子时间常数L_r为转子每相绕组的等效自感，L_m为互感，i_mα、i_mβ分别为励磁电流在α、β轴上的分量；

辨识电机转子转速：根据所述参考模型和可调模型，以及Popov超稳定性理论得到转速辨识模型，转子角速度表达式为：其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数；

通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号；

将所述三相正弦电压参考信号送往脉冲宽度调制(PWM，PulseWidthModulation)驱动板，利用PWM控制方法对级联型功率单元进行控制，控制电机转速。

在一些可选的实施例中，所述通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号的过程包括：

转子角速度与给定的转速参考值比较，得到转速偏差，转速偏差经PI控制器得到转矩给定值

将采样得到的电机定子三相电流经过Clarke变换与Park变换得到M、T旋转坐标系下的电流分量i_sm、i_st；

由公式计算出转子磁链反馈值，由公式计算出转矩反馈值，由公式计算出转差角频率，由计算出Clark逆变换所需旋转角；

将转矩反馈值T_e与转矩给定值比较，得到转矩偏差，转矩偏差经PI控制器得到T轴电压分量u_tref；

将转子磁链反馈值ψ_r与转子磁链参考值比较，得到转子磁链偏差，转子磁链偏差经PI控制器得到M轴电压分量u_mref；

将T轴电压分量u_mref和M轴电压分量u_tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到所述三相正弦电压参考信号u_aref、u_bref和u_cref。

本发明所带来的有益效果：

避免了由于在电机转子安装光电编码器所带来的弊端，克服反电动势模型受定子电阻误差影响的缺点，很好地实现电机转速的辨识，由于采用了基于瞬时无功功率模型，具有较高的转速辨识精度，有效地改善了电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明一种基于MRAS的高压异步电机控制方法的流程示意图；

图2是本发明的矢量控制示意图；

图3是本发明基于无功功率模型的MRAS结构图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

如图1至3所示，提供一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，包括：

步骤S1：建立参考模型，即建立异步电动机无功功率的参考模型，参考模型为：

Q＝(i_sαu_sβ-i_sαu_sα)-σL_s(i_sαpi_sβ-i_sβpi_sα)

其中，i_sα、i_sβ分别为定子电流在α、β轴上的分量；u_sα、u_sβ分别为定子电压在α、β轴上的分量；L_s为定子每相绕组的等效自感；σ为漏磁系数；p为微分算子。

步骤S2：建立可调模型，即建立异步电动机无功功率的可调模型，可调模型为：

$\hat{Q}=\frac{L_m^2}{L_r}\[(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\α}}+i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\β}}){\mathrm{\ω}}_r+\frac{1}{T_r}(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}})\]$

其中，ω_r为转子转速，T_r为转子时间常数L_r为转子每相绕组的等效自感，L_m为互感，i_mα、i_mβ分别为励磁电流在α、β轴上的分量，并且满足：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\α}}=\frac{i_{s\mathrm{\α}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\α}}}{T_r}-{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\β}}=\frac{i_{s\mathrm{\β}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\β}}}{T_r}+{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\α}}\end{array}\right..$

步骤S3：辨识电机转子转速，以步骤S1的无功功率模型作为参考模型，以步骤S2的无功功率模型作为可调模型，根据Popov超稳定性理论得到转速辨识模型，转子角速度表达式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=(K_p+\frac{K_i}{s})(Q-\hat{Q})$

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

步骤S4：通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号。

步骤S5：将所述三相正弦电压参考信号送往SPWM驱动板，利用SPWM控制方法对级联型功率单元进行控制，控制电机转速。

在分别建立异步电机无功功率的参考模型和可调模型之后，采用Popov超稳定性理论，根据无功功率参考模型和可调模型之间的差值所确定的自适应规律，使得辨识转速与真实转速无限接近，从而在保证***稳定的条件下辨识出异步电机的转速。

步骤S4包括：

101：转子角速度即在转速辨识环节得到的电机转速反馈值与给定的转速参考值比较，得到转速偏差，转速偏差经PI控制器得到转矩给定值

102：将采样得到的电机定子三相电流经过Clarke变换与Park变换得到M、T旋转坐标系下的电流分量i_sm、i_st；

103：由公式计算出转子磁链反馈值ψ_r，由公式计算出转矩反馈值T_e，由公式计算出转差角频率，由计算出Clark逆变换所需旋转角；

104：将转矩反馈值T_e与转矩给定值比较，得到转矩偏差，转矩偏差经PI控制器得到T轴电压分量u_tref；

105：将转子磁链反馈值ψ_r与转子磁链参考值比较，得到转子磁链偏差，转子磁链偏差经PI控制器得到M轴电压分量u_mref；

106：将T轴电压分量u_mref和M轴电压分量u_tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到所述三相正弦电压参考信号u_aref、u_bref和u_cref。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，其特征在于，包括：

建立参考模型：建立异步电动机无功功率的参考模型，参考模型为：Q＝(i_sαu_sβ-i_sαu_sα)-σL_s(i_sαpi_sβ-i_sβpi_sα)，其中，i_sα、i_sβ分别为定子电流在α、β轴上的分量，u_sα、u_sβ分别为定子电压在α、β轴上的分量，L_s为定子每相绕组的等效自感，σ为漏磁系数，p为微分算子；

建立可调模型：建立异步电动机无功功率的可调模型，可调模型为： $\hat{Q}=\frac{L_m^2}{L_r}\[\left(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\α}}+i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\β}}\right){\mathrm{\ω}}_r+\frac{1}{T_r}\left(i_{m\mathrm{\α}}{i}_{s\mathrm{\β}}-i_{m\mathrm{\β}}{i}_{s\mathrm{\α}}\right)\],$ 并且满足： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\α}}=\frac{i_{s\mathrm{\α}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\α}}}{T_r}-{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{pi}}_{m\mathrm{\β}}=\frac{i_{s\mathrm{\β}}}{T_r}-\frac{i_{m\mathrm{\β}}}{T_r}+{\mathrm{\ω}}_r{i}_{m\mathrm{\α}}\end{array}\right.,$ 其中，ω_r为转子转速，T_r为转子时间常数L_r为转子每相绕组的等效自感，L_m为互感，i_mα、i_mβ分别为励磁电流在α、β轴上的分量；

辨识电机转子转速：根据所述参考模型和可调模型，以及Popov超稳定性理论得到转速辨识模型，转子角速度表达式为：其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数；

通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号；

将所述三相正弦电压参考信号送往脉冲宽度调制驱动板，利用脉冲宽度调制控制方法对级联型功率单元进行控制，控制电机转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于MRAS的高压异步电机控制方法，其特征在于，所述通过转子磁链定向矢量控制***得到三相正弦电压参考信号的过程包括：

转子角速度与给定的转速参考值比较，得到转速偏差，转速偏差经PI控制器得到转矩给定值

将采样得到的电机定子三相电流经过Clarke变换与Park变换得到M、T旋转坐标系下的电流分量i_sm、i_st；

由公式计算出转子磁链反馈值，由公式计算出转矩反馈值，由公式计算出转差角频率，由计算出Clark逆变换所需旋转角；

将转矩反馈值T_e与转矩给定值比较，得到转矩偏差，转矩偏差经PI控制器得到T轴电压分量u_tref；

将转子磁链反馈值ψ_r与转子磁链参考值比较，得到转子磁链偏差，转子磁链偏差经PI控制器得到M轴电压分量u_mref；

将T轴电压分量u_mref和M轴电压分量u_tref经Park逆变换和Clarke逆变换得到所述三相正弦电压参考信号u_aref、u_bref和u_cref。