CN109802609A - 一种异步电机无速度传感器调速***pi参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PI参数整定方法，该方法适用于基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器调速***：步骤1，给定电机参数、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数；步骤2，确定速度实际值转换为速度估算值的时间T _sf；步骤3，确定速度环总延时时间T _ω=T _sf+τ _c；步骤4，计算可得速度环PI控制器的比例系数k _sp和积分系数k _si；步骤5，验证参数k _sp和k _si的可行性，如不满足速度环控制要求，则调整转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2、3、4，直至参数k _sp和k _si满足要求。本发明通过构建速度实际值和估算值的传递函数，采用数值计算的方法得到速度实际值和估算值之间的延时时间T _sf，并基于工程整定法计算***速度环的PI参数。

Description

一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法

技术领域

本发明属于异步电机变频调速的技术领域，具体涉及异步电机无速度传感器控制***速度环PI参数的整定方法。

背景技术

异步电机无速度传感器调速***能降低调速***的成本、拓展应用范围、减少***维护的工作量，且提高了***的可靠性、适应性，为国内外学术和工程界高度重视。异步电机无速度传感器调速技术发展迅速，相关产品应用广泛。异步电机无速度传感器调速***采用全阶磁链观测器作为速度估算方法时，在稳态误差、动态性能、低速性能、参数敏感性和***复杂度等方面有着相对优良的性能。因此，基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器调速***备受关注。

高性能的异步电机无速度传感器调速***常用的控制方式是电流环—速度环PI控制，其中电流环为内环、速度环为外环。为实现速度的精确控制，需要获取准确的速度环PI参数。

目前速度环PI控制器参数的整定方法较多，如自适应PI控制器、模糊PI控制器、神经网络PI控制器等，但这类方法存在设计过程复杂、调试难度大等问题。工程中仍然较多地采用经典PI控制器。设计经典PI控制器时，PI参数常通过试凑、调试等方式获得，工作量大，且不易获得可行的PI参数。因此，研究高性能调速***速度环PI参数的整定方法，具有重要意义。

整定PI控制器的参数时，需要确定速度反馈延时时间T _ω，对基于全阶磁链观测器的异步电机无速度传感器调速***而言，T _ω主要取决于速度实际值转换为速度估算值的时间T _sf，但是，T _sf与异步电机的电机参数、反馈矩阵G和速度估算***的PI参数相关，获取的难度大。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种适用于异步电机无速度传感器调速***的PI参数整定方法。

为了达到上述目的，相关的技术方案如下：一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，基于全阶磁链观测器辨识电机转速，包括以下步骤：步骤1，给定电机参数、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数；步骤2，确定速度实际值转换为速度估算值的时间T _sf；步骤3，确定速度环总延时时间T _ω=T _sf+τ _c；步骤4，计算可得速度环PI控制器的比例系数k _sp和积分系数k _si；步骤5，验证参数k _sp和k _si的可行性，在确定T _sf时，需通过等效的方法并计算转速估算***的上升时间，如不满足速度环控制要求，则可适当调整转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2—步骤4，直至参数k _sp和k _si满足要求。

进一步，所述的步骤1中所述的电机参数通过如下公式定义：

其中电机的主要参数除了铭牌参数之外，还包括定子电阻R _s、转子电阻R _r、励磁电感L _m、定子电感L _s、转子电感L _r，以及折算到电机端的***传动轴转动惯量J；

所述的全阶磁链观测器参数包含反馈矩阵G以及转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i的值则由转速估算***稳定性约束条件确定；所述的反馈矩阵G可表示为

其中g₁、g₂、g₃和g₄是反馈矩阵的元素；

所述的速度环调节参数包括电流环阻尼比ξ和速度环带宽系数h，分别由电流环动态性能和速度环的综合性能要求确定。

进一步，所述的步骤2包含了以下具体步骤：

步骤21，计算辅助变量x，y，m和n，其中，x，y，m和n为电机参数、电机转速以及反馈矩阵G的函数；

步骤22，计算辅助变量p ₀，p ₁，p ₂和p ₃，计算方法可表示为：

其中，ω _e为永磁电机同步转速，对于不同的全阶磁链观测器结构，计算函数的定义不相同；

步骤23，计算辅助传递函数G₂₂(s)；

步骤24，计算速度实际值与估算值间的传递函数G_s(s)；

步骤25，计算G _s(s)的阶跃响应y；记录y=0.632时的时间值t _x；由于G _s(s)为高阶函数，难以采用解析方法计算速度实际值与估算值之间的时域关系，因此，可通过计算G _s(s)的阶跃响应，并结合一阶滤波器的阶跃响应特性，估计出等效的延时时间，其中一阶滤波器的形式为：

其中T _s1为滤波器系数，且其一阶响应可表示为：

即当t = T _s1时，y=0.632。

步骤26，将t _x赋值给T _sf，即。

进一步，所述的步骤3中计算速度环总延时时间T _ω时，考虑到了电流环的延时时间τ _c。

进一步，所述的步骤4采用工程整定法计算速度环PI参数得到比例系数k _sp和积分系数k _si。

本发明由于采用上述方案，使之与现有技术相比，具有以下优点：

1，本发明考虑了电机参数、全阶磁链观测器反馈矩阵、自适应律PI参数等多种因素，提高了计算结果的实用性；

2，本发明采用数值计算方法估算速度估算值和实际值的延时时间，计算的准确性高；

3，本发明基于工程整定法确定异步电机无速度传感器矢量控制***速度环的PI参数，理论依据充分、应用成熟，具有较强的适应性；

4，本发明提供的异步电机无速度传感器调速***的PI参数整定方法，可采用MATLAB程序包或者函数的方式进行计算，实现途径简便。

附图说明

图1是异步电机速度环传递函数模型；

图2是全阶观测器速度辨识值和实际值的传递函数G _s(s)；

图3是计算速度环PI参数的基本流程；

图4是G _s(s)的阶跃响应曲线（k _p=3，k _i=5）；

图5是G _s(s)的阶跃响应曲线（k _p=3，k _i =3）；

图6是异步电机速度控制实测结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论。显然，这里所描述的仅仅是本发明的部分实例。

图1所示的无速度传感器调速***速度环的传递函数模型中，ω _r是给定角频率、ω _m是实际角频率、ω _f是反馈角频率、K _t是转矩系数、T _ω是速度反馈延时时间、J为折算到电机侧的传动轴转动惯量。为了整定得到准确的速度环PI参数，必须研究估算T _ω的方法，并验证其可行性。

图2为无速度传感器调速***速度实际值和估算值的传递函数模型，其中，为转子估算磁链、为转速估算值、ω_r为转速实际值，PI环节为转速自适应律采用的PI控制器，其参数包括比例系数k _p和积分系数k _i，传递函数G₂₂(s)则表征了转速偏差和转子磁链的关系。

图3描述了一种异步电机无速度传感器矢量控制***的速度环PI参数整定方法的基本流程，包括以下步骤：

步骤1，给定电机、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数。其中，异步电机的主要参数除了铭牌参数之外，还包括定子电阻R _s、转子电阻R _r、励磁电感L _m、定子电感L _s、转子电感L _r，以及折算到电机端的***传动轴转动惯量J；全阶磁链观测器的参数包含反馈矩阵G和转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i；速度环调节参数包括电流环阻尼比ξ和速度环带宽系数h。

电机参数通过如下公式定义：

给定全阶磁链观测器参数。全阶磁链观测器的参数包含反馈矩阵G和转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i。反馈矩阵G可表示为，

其中g₁、g₂、g₃和g₄是反馈矩阵的元素。转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i的值则由转速估算***稳定性约束条件确定。

步骤2：确定速度实际值转换为速度估算值的时间T _sf。具体包含以下具体步骤：

步骤21，计算辅助变量x，y，m和n，其中，x，y，m和n为电机参数、电机转速以及反馈矩阵G的函数。

步骤22，计算辅助变量p ₀，p ₁，p ₂和p ₃，计算方法可表示为：

其中，ω _e为永磁电机同步转速，对于不同的全阶磁链观测器结构，计算函数的定义不相同。

步骤23，计算辅助传递函数G₂₂(s)。

步骤24，计算速度实际值与估算值间的传递函数G_s(s)。

步骤25，计算G _s(s)的阶跃响应y；记录y=0.632时的时间值t _x；由于G _s(s)为高阶函数，难以采用解析方法计算速度实际值与估算值之间的时域关系，因此，可通过计算G _s(s)的阶跃响应，并结合一阶滤波器的阶跃响应特性，估计出等效的延时时间，其中一阶滤波器的形式为：

其中T _s1为滤波器系数，且其一阶响应可表示为：

即当t = T _s1时，y=0.632。

步骤26，将t _x赋值给T _sf，即。

步骤3，确定速度环总延时时间T _ω=T _sf+τ _c。计算速度环总延时时间T _ω时，考虑到了电流环的延时时间τ _c。

步骤4，采用工程整定法，计算速度环PI参数，可得到比例系数k _sp和积分系数k _si。

步骤5，验证参数k _sp和k _si的可行性，在确定T _sf时，需通过等效的方法并计算转速估算***的上升时间，如不满足速度环控制要求，则可适当调整转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2—步骤4，直至参数k _sp和k _si满足要求。

为提高转速环PI参数的计算效率，可采用MATLAB等数值分析工具，构建相关文件或工程，计算不同电机参数和全阶磁链观测器参数条件下的速度环PI参数。以一台7.5kW异步电机为被测电机的机组为例，采用上述方法计算速度环PI参数，并通过实测数据验证所得参数的准确性。异步电机具体参数为：R _s=0.58Ω，R _r=0.36Ω，L _m=0.1573mH，L _s=0.1628mH，L _r=0.1626mH，J =0.08kg.m^-2。

根据异步电机参数和反馈矩阵G，给定转速自适应律的PI参数k _p和k _i时，可得到G _s(s)的阶跃响应曲线。图4和图5分别给出不同k _p和k _i时，传递函数G _s(s)的阶跃响应曲线。为提高转速辨识的快速性，实际***的转速自适应律PI参数采用k _p=3，k _i=5。对应得到的速度环PI参数为k _sp=4.88，k _si=21.73。

采用该速度环PI参数，调速***的转速控制结果如图6所示。可见，调速***转速控制的静态和动态性能优良，且有效减少调速***调试的工作量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何本领域技术人员在本发明的启示下都可以得出其它变形及改进的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，基于全阶磁链观测器辨识电机转速，其特征在于：包括以下步骤

步骤1，给定电机参数、全阶磁链观测器参数和速度环调节参数；

步骤2，确定速度实际值转换为速度估算值的时间T _sf；

步骤3，确定速度环总延时时间T _ω=T _sf+τ _c；

步骤4，计算可得速度环PI控制器的比例系数k _sp和积分系数k _si；

步骤5，验证参数k _sp和k _si的可行性，如不满足速度环控制要求，则调整转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，以及速度环带宽系数h，重新执行步骤2、3、4，直至参数k _sp和k _si满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，其特征在于，所述的步骤1中所述的电机参数通过如下公式定义：

其中电机的主要参数包括定子电阻R _s、转子电阻R _r、励磁电感L _m、定子电感L _s、转子电感L _r，以及折算到电机端的***传动轴转动惯量J；

所述的全阶磁链观测器参数包含反馈矩阵G以及转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i，转速自适应律的比例系数k _p和积分系数k _i的值则由转速估算***稳定性约束条件确定；所述的反馈矩阵G表示为

其中g₁、g₂、g₃和g₄是反馈矩阵的元素；

所述的速度环调节参数包括电流环阻尼比ξ和速度环带宽系数h，分别由电流环动态性能和速度环的综合性能要求确定。

3.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下具体步骤：

步骤21，计算辅助变量x，y，m和n，其中，x，y，m和n为电机参数、电机转速以及反馈矩阵G的函数；

步骤22，计算辅助变量p ₀，p ₁，p ₂和p ₃，计算方法可表示为：

其中，ω _e为永磁电机同步转速，对于不同的全阶磁链观测器结构，计算函数的定义不相同；

步骤23，计算辅助传递函数G₂₂(s)；

步骤24，计算速度实际值与估算值间的传递函数G_s(s)；

步骤25，计算G _s(s)的阶跃响应y；通过计算G _s(s)的阶跃响应，并结合一阶滤波器的阶跃响应特性，估计出等效的延时时间，其中一阶滤波器的形式为：

其中T _s1为滤波器系数，且其一阶响应可表示为：

步骤26，将t _x赋值给T _sf，即。

4.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，其特征在于，所述的步骤3中计算速度环总延时时间T _ω时，考虑到了电流环的延时时间τ _c。

5.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器调速***PI参数整定方法，其特征在于，所述的步骤4采用工程整定法计算速度环PI参数得到比例系数k _sp和积分系数k _si。