一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法技术方案

本发明专利技术公开一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，该方法通过根据电机实时给定速度对应角频率与切换频率之间的大小关系，并执行一定的延时，进行矢量控制模式与I/f控制模式之间的切换；切换频率包括切换频率较大值和切换频率较小值；如果电机实时给定速度对应角频率大于切换频率较大值，将控制模式切换为矢量控制模式；如果电机实时给定速度对应角频率不大于切换频率较小值，将控制模式切换为I/f控制模式；其中，I/f控制模式为：将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率作为系统运行同步频率，同时电流环采用闭环控制。采用该方法能有效的避免无速度传感器矢量控制系统在低频阶段由于速度估测不准导致的运行失控状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异步电机矢量控制领域，具体涉及一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法。
技术介绍
异步电机由于其结构简单、可靠性高，在工业领域里得到了广泛应用。矢量控制技术的应用大幅提升了异步电机控制性能。在高性能的矢量控制系统中，通常需要速度传感器来获取准确的转速，进而得到准确的磁链角度进行控制。但速度传感器的安装一方面增加了系统的成本，另一方面降低了系统的可靠性，部分环境较为恶劣的运行场合，也不适宜安装速度传感器。异步电机无速度传感器控制技术成为了一个重要的研究方向。在无速度传感器矢量控制系统中，电机速度主要由磁链和速度观测器估算得到，其估测所用到的变量除电机自身的估测参数外，主要为定子电压和定子电流。电流可以通过霍尔传感器准确获取。但电压为高频PWM脉冲波形式，难以直接通过传感器检测获得，而一般通过开关管导通和关断时间，结合母线电压重构获得。由于驱动器开关管的开通关断延时不一致，为了防止上下桥臂直通，需要在开通关断时人为的加入死区时间，此外开关管本身也存在着一定的管压降，因而在实际输出电压与给定电压上引入了非线性变化。虽然通过死区补偿可以在一定程度上降低这种影响，但是不能完全消除。另外，速度估测系统都是基于电机的基本模型构建，电机的参数在运行中随着温度和磁场强度的变化，存在一定的偏移，也会对模型的估算引入误差。在低频阶段，开关管的非线性和电机参数，尤其是定子电阻，的偏移影响尤为明显，会降低观测器的估测精度，严重时甚至会影响系统的稳定运行。对于低频阶段的稳定运行问题，人们采用了各种方法，建立和修正观测模型，如电机模型的直接计算法、模型参考自适应法(MRAS)、全阶磁链观测器法，改善死区补偿的精度，或者定子电阻在线补偿等，但是在低频阶段，仍然存在着模型检测误差或补偿不到位导致系统运行不稳定的可能性。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种在传统的无PG矢量控制系统的基础上，提升低频阶段运行稳定性的一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法。一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，具体如下：在低频状态下，在原无速度传感器矢量控制系统中，根据电机实时给定速度对应角频率与切换频率之间的大小关系，并执行一定的延时，进行矢量控制模式与I/f控制模式之间的切换；其中，切换频率包括切换频率较大值和切换频率较小值；具体的，如果电机实时给定速度对应角频率大于切换频率较大值，将控制模式切换为矢量控制模式；如果电机实时给定速度对应角频率不大于切换频率较小值，将控制模式切换为I/f控制模式；其中，I/f控制模式为：将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率作为系统运行同步频率，同时电流环采用闭环控制。本专利技术的低频处理方法通过进行矢量控制模式与I/f控制模式的切换，使得系统在I/f控制模式下，电流和负载可以实现自平衡，且在电流足够大的情况下，有较强的带载能力，实现了实际速度与给定速度存在一定转差的情况下，在接近给定速度下稳定运行，有效的避免无速度传感器矢量控制系统在低频阶段由于速度估测不准导致的运行失控状态。附图说明图1为异步电机电流矢量图；图2为异步电机无速度传感器系统控制框图；图3A、3B分别为原无速度传感器控制模式下半载时速度、电流穿越波形；图4A、4B分别为原无速度传感器控制模式下满载时速度、电流穿越波形；图5A、5B分别为采用本专利技术方法的无速度传感器控制模式下半载时速度、电流穿越波形；图6A、6B分别为采用本专利技术方法的无速度传感器控制模式下满载时速度、电流穿越波形。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，其原理如下：图1所示为异步电机矢量分布图，通过转子磁场定向，将电流分为与转子磁场同向的d轴电流和超前转子磁场90度的q轴电流。在该定向方式下，实现异步电机中电流的励磁分量和转矩分量的解耦，其中d轴电流对应励磁电流分量，q轴电流对应为转矩电流分量。通过调节这两部分电流，可以分别单独调节励磁和转矩。其相关计算公式如下：其中，Tem为电机的电磁转矩，np为极对数，Lm为励磁电感，Lr为转子电感，isd为定子电流d轴分量，isq为定子电流q轴分量，Ψr为转子磁链，τr为转子时间常数，s为拉普拉斯算子；其中，Rr为转子电阻。在稳态情况下，存在Ψr＝Lmisd，这样转矩计算公式如下：在转子磁场定向矢量控制系统中，获取准确的转子磁链角度显得尤为重要，在采用同步频率积分获取转子磁链角度的矢量控制系统中，定子的运行频率主要来源为估测速度对应角频率和转差频率。在低频运行状态下，如果估测系统不稳定，估测速度对应角频率出现大幅的波动和偏差，使得给定的同步频率也出现大幅波动和偏差，进而进入失控状态。由于系统失稳的主要原因是低频误差导致估测速度对应角频率大幅波动而引起转子磁链角度波动所致，因此，为了解决上述问题，本专利技术引入了一种I/f控制模式：将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率作为系统运行同步频率，同时电流环采用闭环控制。在这种工况下，设总的闭环给定电流值为is，对应于电流控制系统中主要通过dq轴分量实现，这里设d轴给定电流为q轴给定电流为在电流闭环的形式下，有在I/f控制模式下，该给定仅仅是实现电流闭环给定的通道，已经不是矢量控制解耦对应的电流的意义。这里设总的电流分为转子磁场定向矢量控制解耦下的真实的分量为id_real和iq_real，结合式(2)，则有则在负载和给定电流一定的情况下，真实的励磁电流分量和转矩电流分量可以看做未知数，式(4)为两个未知量的方程组。令又由于实际的励磁电流分量恒为正，电磁转矩和转矩电流分量符号一致，对式(4)进行求解，可得或可以看出，在I/f控制模式下，虽然给定的dq轴电流不能实现解耦，但其总的输出电流能够在式(4)中求得有效实数解，此时系统依然能够实现内部自平衡。即在采用I/f控制模式下，在对应负载下，相同的给定电流会自动实现励磁电流和转矩电流分量的分配，故在电流足够大，如能够在对应负载下实现电流分量的自动分配，就可以实现该工况下的稳定运行。该工况下，给定频率采用电机实时给定转速对应角频率ωset。在电流和负载依照式(4)的自平衡下，系统会得到真实的转矩电流和励磁电流分量，在稳态情况下，系统的真实转差角频率ωs_real为：此时，系统的真实运行速度对应角频率ωm_real为：ωm_real＝ω1-ωs_real(8)其中，ω1为电机运行同步频率，在本专利技术的I/f控制模式稳态运行阶段，有ω1＝ωset。从以上分析可以看出，只要给定足够大的总输出电流，在一定负载范围下，采用I/f控制可以通过系统的自平衡实现其稳定运行。而在拖动负载的情况下，电机的真实运行速度对应角频率与给定转速对应角频率之间会存在一定的转差。该转差大小与总的给定电流值和负载有关。从真实电流分量求解结果可以看出，在相同负载下，有两种电流平衡形态。结合转差计算公式，为了使其运行中的转差尽可能小，一般希望其真实电流分配形式为式(5)，即isd_real≥|isq_real|。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，其特征在于，具体如下：在低频状态下，在原无速度传感器矢量控制系统中，根据电机实时给定速度对应角频率与切换频率之间的大小关系，并执行一定的延时，进行矢量控制模式与I/f控制模式之间的切换；其中，切换频率包括切换频率较大值和切换频率较小值；具体的，如果电机实时给定速度对应角频率大于切换频率较大值，将控制模式切换为矢量控制模式；如果电机实时给定速度对应角频率不大于切换频率较小值，将控制模式切换为I/f控制模式；其中，I/f控制模式为：将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率作为系统运行同步频率，同时电流环采用闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，其特征在于，具体如下：在低频状态下，在原无速度传感器矢量控制系统中，根据电机实时给定速度对应角频率与切换频率之间的大小关系，并执行一定的延时，进行矢量控制模式与I/f控制模式之间的切换；其中，切换频率包括切换频率较大值和切换频率较小值；具体的，如果电机实时给定速度对应角频率大于切换频率较大值，将控制模式切换为矢量控制模式；如果电机实时给定速度对应角频率不大于切换频率较小值，将控制模式切换为I/f控制模式；其中，I/f控制模式为：将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率作为系统运行同步频率，同时电流环采用闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，其特征在于，切换频率较大值为切换频率较小值的1.05～1.2倍。3.根据权利要求1或2所述的一种异步电机无速度传感器矢量控制系统低频处理方法，其特征在于，切换进入I/f控制模式分为两个阶段：第一阶段，电流环采用原无速度传感器矢量控制系统下的给定模式，将电机实时给定速度对应角频率替换估测速度对应角频率进行同步频率计算；第二阶段，在第一阶段的基础上，将励磁电流值提升为一个较大的值，转矩给定值中将速度环P分量清零，转矩给定值中只采用积分分量值，且将其逐步降低为零，励磁电流给定上升和转矩电流给定值的降低按照一定的比例变化，该变化比例系数与该阶段延时中的计数器值相关；第二阶段完成后，即进入I/f稳态控制模式...

【专利技术属性】
技术研发人员：金富宽，王傲能，康现伟，王胜勇，
申请(专利权)人：中冶南方武汉自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42