CN111371360A - 一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法，先构建异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的动态数学模型和状态空间方程；在异步电机状态方程的基础上设计出转速环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器、q轴电流环抗扰观测器；再基于反步控制理论设计出异步电机的非线性控制器；最后将扰动观测器和控制器相结合，设计出基于磁链估计的转速控制策略，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制。本发明通过将扰动观测器和非线性控制器相融合，提升了***的转矩响应，增强了***在负载变动和电机参数摄动状况下的运行水平，提高了***的鲁棒性，同时改善了传统调参方式的复杂程度，提升了实用性。

Description

一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术领域，具体涉及一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法。

背景技术

三相鼠笼式异步电机以其坚固耐用、结构简单、运行可靠等特性广泛应用于多个工业领域。在异步电机控制技术中，随着矢量控制理论的不断实用化，通过对异步电机在数学模型上关于转速与磁链进行解耦控制，异步电机矢量控制技术广受青睐。

异步电机矢量控制方法包括磁链环和转速环两个部分，然而在实际应用中，传统的PI矢量控制***存在参数摄动、抗扰性差、调参繁琐等问题，易受负载变化、电机参数变化及工况变化的影响，因此在复杂工况控制要求下，难以达到期望的效果。

滑模变结构控制、自适应控制、预测控制及内模控制等现代控制策略在交流电机变频控制研究领域受到了广泛关注。但是，滑模变结构控制的“抖振”现象对于矢量控制***在低速时会引起较大转矩脉动；自适应算法复杂且工况范围受限，对处理器性能要求较高；预测控制算法存在模型预测精度不高、滚动优化策略少、反馈校正方法单调等问题；内模控制器的固定时间常数在鲁棒性与快速性之间存在矛盾。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法，解决了传统控制和一般先进控制存在的参数摄动、抗扰性差以及控制复杂的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据三相鼠笼式异步电机的转速、磁链和转子交直轴电流，构建三相鼠笼式异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的动态数学模型：

其中，ω_r为异步电机转子电角速度，n_p为异步电机极对数，J为异步电机转动惯量，L_m为异步电机定转子间互感，L_r为异步电机转子自感，

为转子磁链，i_sd、i_sq为定子侧d、q轴电流，T_L为负载，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为异步电机定子自感，σ＝1-L_m ²/(L_sL_r)为电机漏磁系数，ω_dq为转子磁链角速度，T_r＝L_r/R_r为转子时间常数，u_sd、u_sq为定子d、q轴电压；

步骤2，令x₁＝ω_r,

x₃＝i_sq,x₄＝i_sd，代入整理可得异步电机的状态空间方程为：

其中，

J₀为异步电机已知转动惯量，L_m0为异步电机已知定转子间互感，L_r0为异步电机已知转子自感，

T_r0为异步电机已知转子时间常数，L_r0为异步电机已知转子自感，R_r0为已知转子电阻，

R_s0为已知定子电阻，L_s0为异步电机已知定子自感，σ₀＝1-L_m0 ²/(L_s0L_r0)为电机已知漏磁系数，c₂＝-ω_dq，

步骤3，根据异步电机的状态空间方程得出转速环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器、q轴电流环抗扰观测器如下：

其中，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄为观测系数，其值为正，观测力度与观测系数成正相关。

步骤4，基于反步控制理论，设计出异步电机的非线性控制器如下：

其中，

为异步电机转矩的期望值，

为异步电机转子磁链的期望值，

为异步电机定子侧q轴电流的期望值，

为异步电机定子侧d轴电流的期望值，k₁,k₂,k₃,k₄为控制系数，其值为正，控制力度与控制系数成正相关。

步骤5，最后将扰动观测器和控制器相结合，基于磁链估计的转速控制策略，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制；得到输出转矩电压u_sd和励磁电压u_sq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。

本发明提供了一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法。具备以下有益效果：通过将抗扰观测器、反步控制器和线性融合，提升了异步电机在负载变动和参数摄动下的鲁棒性，同时简化了调参方式。转速、磁链、转子d轴电流和转子q轴电各环的干扰均有扰动测器进行观测，从而提升了响应和鲁棒性，从而能更快速准确地调节电机角速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明控制***的结构示意图；

图2为转速闭环跟踪响应曲线；

图3为转子电角度闭环跟踪响应曲线；

图4为磁链闭环跟踪响应曲线；

图5为转子q轴电流闭环跟踪响应曲线；

图6为转子d轴电流闭环跟踪响应曲线；

图7为转子电角度环干扰及观测曲线；

图8为磁链环干扰及观测曲线；

图9为转子q轴电流环干扰及观测曲线；

图10为转子d轴电流干扰及观测曲线；

图11为d轴q轴控制电压变化曲线；

图12为负载变化曲线；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据三相鼠笼式异步电机的转速、磁链和转子交直轴电流，构建三相鼠笼式异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的动态数学模型：

其中，ω_r为异步电机转子电角速度，n_p为异步电机极对数，J为异步电机转动惯量，L_m为异步电机定转子间互感，L_r为异步电机转子自感，

为转子磁链，i_sd、i_sq为定子侧d、q轴电流，T_L为负载，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为异步电机定子自感，σ＝1-L_m ²/(L_sL_r)为电机漏磁系数，ω_dq为转子磁链角速度，T_r＝L_r/R_r为转子时间常数，u_sd、u_sq为定子d、q轴电压；

步骤2，令x₁＝ω_r,

x₃＝i_sq,x₄＝i_sd，代入整理可得异步电机的状态空间方程为：

其中，

J₀为异步电机已知转动惯量，L_m0为异步电机已知定转子间互感，L_r0为异步电机已知转子自感，

T_r0为异步电机已知转子时间常数，L_r0为异步电机已知转子自感，R_r0为已知转子电阻，

R_s0为已知定子电阻，L_s0为异步电机已知定子自感，σ₀＝1-L_m0 ²/(L_s0L_r0)为电机已知漏磁系数，c₂＝-ω_dq，

步骤3，根据异步电机的状态空间方程得出转子电角度环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器、q轴电流环抗扰观测器如下：

其中，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄为观测系数，其值为正，观测力度与观测系数成正相关。

步骤4，基于反步控制理论，设计出异步电机的非线性控制器如下：

其中，

为异步电机转矩的期望值，

为异步电机转子磁链的期望值，

为异步电机定子侧q轴电流的期望值，

为异步电机定子侧d轴电流的期望值，k₁,k₂,k₃,k₄为控制系数，其值为正，控制力度与控制系数成正相关。

步骤5，最后将扰动观测器和控制器相结合，基于磁链估计的转速控制策略，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制；得到输出转矩电压u_sd和励磁电压u_sq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。

本发明通过上述方法来有效估计由于模型失配、参数摄动等带来的不确定性扰动。一般的先进控制算法常常较为复杂，而本发明提出基于反步控制技术的磁链控制器和电流控制器，该控制器在完成***非线性解耦的同时，每环仅用一个参数即可完成调节。同时，本发明中扰动观测器与非线性控制器采用一种线性的方式融合，***的跟踪性能和抗扰性能彼此相对独立，其调节效果可以分开调节，进而解决了比例和积分控制器的调节复杂性，降低了控制***的调节复杂性，可以大范围的满足多种复杂工况。因而本发明在反步控制技术、扰动观测技术和线性融合的基础上，实现了关于异步电机的控制，同时提升了先进控制的实用性。

图1为所提控制方法的控制框图，方法基于磁链估计的转速控制策略框架和反步控制理论得到非线性控制器，融入转子电角度环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器和q轴电流环抗扰观测器，得到SVPWM所需的d、q轴电压，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制。

实施例

一种三相鼠笼式异步电机参数如下：额定功率18.5kW，额定电压380V，额定频率51.5Hz，额定转矩118Nm，额定电流35.8A，额定转速1500rpm，两对极，转子惯量J为0.1117kg.m²，R_s为0.219Ω，R_r为0.166Ω，L_s为55.8mH，L_r为55.8mH，L_m为47.3mH，T_r＝L_r/R_r＝0.3361，σ＝1-L_m ²/(L_sL_r)＝0.2811，n_p为2。

步骤1：设计构建***及方程

根据三相鼠笼式异步电机的转速、磁链和转子交直轴电流，构建三相鼠笼式异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的动态数学模型：

其中，ω_r为异步电机转子电角速度，

为转子磁链，i_sd、i_sq为定子侧d、q轴电流，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为异步电机定子自感，ω_dq

为转子磁链角速度，u_sd、u_sq为定子d、q轴电压，T_L为负载。

步骤2，已知J₀为0.1061kg.m²，R_s0为0.208Ω，R_r0为0.1577Ω，L_s0为53mH，L_r0为53mH，L_m0为44.9mH，T_r0＝L_r0/R_r0＝0.3193，σ₀＝1-L_m0 ²/(L_s0L_r0)＝0.267。构建状态空间方程如下：

令x₁＝ω_r,

x₃＝i_sq,x₄＝i_sd，代入整理可得：

其中，δ₁＝17.9051(2.5437-0.1419x₂x₃-T_L)，δ₂＝0.1566x₂+0.7071x₄，δ₃＝1.1357x₃+5.8421x₁x₂-6.8901u_sq，δ₄＝1.1357x₄-26.7689x₂-6.8901u_sd。

步骤3，在异步电机状态方程的基础上设计出转子电角度环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器、q轴电流环抗扰观测器如下：

步骤4，设定期望转速为1500rpm，则

则

设定期望磁链为0.8Wb，则

基于反步控制理论，可设计出异步电机的非线性控制器如下：

步骤5，最后将扰动观测器和控制器相结合，设计出基于磁链估计的转速控制策略，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制；得到输出转矩电压u_sd和励磁电压u_sq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。

图2为转速闭环跟踪响应，给出了在该控制方法下转矩跟踪效果，由图2可以发现在出现负载突变时，均能快速响应且维持在良好的稳定状态，其中虚线为期望值，而实线为实际值。图3至图6分别为转子电角度闭环跟踪响应、磁链闭环跟踪响应、转子q轴电流闭环跟踪响应和转子d轴电流闭环跟踪响应，描述了转子电角度闭环、磁链闭环、转子q轴电流闭环和转子d轴电流闭环的追踪特性，由图3至图6可以看到在负载出现变动时，都可以保持良好的瞬态特性和稳态特性，其中虚线为期望值，而实线为实际值。图7至10分别为转速环干扰及观测、磁链环干扰及观测、转子q轴电流环干扰及观测和转子d轴电流干扰及观测，描述了观测器对于参数摄动和未知负载变化在各个闭环***中的观测效果，其中虚线为观测值，而实线为实际值。图11为d轴q轴控制电压，图12为负载变化的曲线。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于抗扰观测器的三相鼠笼式异步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据三相鼠笼式异步电机的转速、磁链和转子交直轴电流，构建三相鼠笼式异步电机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系下的动态数学模型：

其中，ω_r为异步电机转子电角速度，n_p为异步电机极对数，J为异步电机转动惯量，L_m为异步电机定转子间互感，L_r为异步电机转子自感，

为转子磁链，i_sd、i_sq为定子侧d、q轴电流，T_L为负载，R_s为定子电阻，R_r为转子电阻，L_s为异步电机定子自感，σ＝1-L_m ²/(L_sL_r)为电机漏磁系数，ω_dq为转子磁链角速度，T_r＝L_r/R_r为转子时间常数，u_sd、u_sq为定子d、q轴电压；

步骤2，令x₁＝ω_r,

x₃＝i_sq,x₄＝i_sd，代入整理可得异步电机的状态空间方程为：

其中，

J₀为异步电机已知转动惯量，L_m0为异步电机已知定转子间互感，L_r0为异步电机已知转子自感，

T_r0为异步电机已知转子时间常数，L_r0为异步电机已知转子自感，R_r0为已知转子电阻，

R_s0为已知定子电阻，L_s0为异步电机已知定子自感，σ₀＝1-L_m0 ²/(L_s0L_r0)为电机已知漏磁系数，c₂＝-ω_dq，

d₂＝ω_dq，

步骤3，根据异步电机的状态空间方程得出转速环扰动观测器、磁链环扰动观测器、d轴电流环扰动观测器、q轴电流环抗扰观测器如下：

其中，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄为观测系数，其值为正，观测力度与观测系数成正相关。

步骤4，基于反步控制理论，设计出异步电机的非线性控制器如下：

其中，

为异步电机转矩的期望值，

为异步电机转子磁链的期望值，

为异步电机定子侧q轴电流的期望值，

为异步电机定子侧d轴电流的期望值，k₁,k₂,k₃,k₄为控制系数，其值为正，控制力度与控制系数成正相关。

步骤5，最后将扰动观测器和控制器相结合，基于磁链估计的转速控制策略，实现对三相鼠笼式异步电机的转速控制；得到输出转矩电压u_sd和励磁电压u_sq，进而得到参考转矩电压和参考励磁电压即实现对异步电机的控制。

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