一种改进的MRAS速度观测方法技术

本发明专利技术涉及一种改进的MRAS速度观测方法，改方法通过定子磁链的电压模型和电流模型构建了参考模型和可调模型，采用一阶低通滤波器级联构造定子磁链观测器的方法，提出磁链幅值离散迭代化处理方法。基于Popov超稳定性定理设计了自适应律，设计了基于输出广义偏差的变PI调节器应用于速度观测。实现了双馈电机的无速度传感器矢量控制，为工业现场应用提供了参考和依据。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的MRAS速度观测方法
本专利技术涉及一种MRAS速度观测方法，尤其涉及一种基于改进型模型参考自适应的闭环速度观测方法。
技术介绍
在双馈电机调速控制系统中，为了实现控制系统的高动、稳态性能控制，需要安装速度传感器来获得准确的电机转速进行闭环控制。但是，高精度速度传感器价格昂贵，安装维护困难，与此同时，速度信号经信号线传输途中极易串入干扰噪声，降低了速度启动电流冲击过大，这将直接损坏变频器及电机。近年来双馈电机的无速度传感器控制逐渐引起人们的广泛关注。相比笼型感应电机和永磁电机的无速度传感器控制，双馈电机无速度传感器控制技术的研究应用相对匮乏。目前观测方法可概括为：转速开环观测和转速闭环观测。采用直接开环计算法，该方法主要基于电机模型,直观性强，但无任何误差校正环节,易受到噪声等干扰；电机参数波动对观测的准确性影响突出。针对开环观测方法的不足，分别提出了不同的闭环观测方法，典型的有基于转矩角、功率角、励磁电流、定子电压、模型参考自适应(MRAS)以及非线性策略的闭环速度观测法。基于转矩角的闭环观测方法需要对转子电压作积分运算，引入了积分漂移；基于功率角的速度观测方法避免了转子电压的积分运算，但其速度观测受电流内环控制精度的影响。基于励磁电流和定子电压的观测方法，原理简单且控制明了，但其速度观测回路与双馈电机控制回路之间相互耦合，系统设计较为复杂，难以保证其高效性。分别提出扩展卡尔曼滤波法和基于神经网络的方法，前者计算量太大，转速估算精度同样受电机参数变化的影响；后者虽具备良好的容错性及抗谐波干扰性，但其反复的学习与训练需要花费大量的时间，距离工业应用尚有一定的距离。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种改进的MRAS速度观测方法，具有良好的鲁棒性，不仅在速度观测中动态性能好，且稳态误差小。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种改进的MRAS速度观测方法，本方法包括以下步骤：1)根据双馈电机在两相静止坐标系下的数学模型构建定子磁链模型，得到电压模型和电流模型；2)将不含有待观测物理量ωr的电压模型作为MRAS的参考模型，采用两个一阶低通滤波器级联的等效积分环节，求出传递函数；3)对观测的磁链进行离散迭代处理，将离散迭代后的定子磁链仍表示为ψsα、ψsβ，同时，对电流模型进行变换；4)利用Popov超稳定性定理设计自适应律的方法，推出的自适应律；5)定义输出广义偏差为：采用PI自适应律，可得基于定子磁链的MRAS速度观测模型；6)引入输出广义偏差ε构建变PI调节器，从而得出速度观测表达式。优选的，所述步骤1)电压模型和电流模型，如下式(1)和(2)所示：式中：usα,usβ分别是定子电压在α,β轴的分量；isα,isβ,irα,irβ分别是定、转子电流在α,β轴的分量；ψsα,ψsβ,ψrα,ψrβ分别是定、转子磁链在α,β轴的分量；Rs,Ls,Lm分别为αβ坐标系下绕组定子电阻、等效自感和等效互感。优选的，所述步骤2)其传递函数如式(3)：优选的，所述步骤3)变换后的电流模型公式为：令“∧”表示含估测信息的物理量，表示待测转子信息。优选的，所述步骤4)中自适应律为：优选的，所述步骤6)中速度观测表达式为：相对于现有技术，本专利技术具有如下优点，1)采基于MRAS的闭环速度观测方法能有效的实现速度观测，控制效果良好；2)能够有效观测转速，转速和转子位置角观测精度较高，并且抗负载扰动性能优良；3)实现了双馈电机的无速度传感器矢量控制，为工业现场应用提供了参考和依据。附图说明图1改进型MRAS速度观测模型；图2基于改进型MRAS的无速度传感器双馈电机控制系统框图；图3转速阶跃变化时双馈电机动态响应波形；图4亚同步速运行条件下负载变化时双馈电机动态响应波形；图5亚同步速时双馈电机速度观测波形；图6亚同步速到超同步速升速过程双馈电机电流波形及转子位置角。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。根据双馈电机在两相静止坐标系下的数学模型构建定子磁链模型，可以得到电压模型和电流模型，如下式(1)和(2)所示：式中：usα,usβ分别是定子电压在α,β轴的分量；isα,isβ,irα,irβ分别是定、转子电流在α,β轴的分量；ψsα,ψsβ,ψrα,ψrβ分别是定、转子磁链在α,β轴的分量；Rs,Ls,Lm分别为αβ坐标系下绕组定子电阻、等效自感和等效互感。将不含有待观测物理量ωr的电压模型作为MRAS的参考模型，而可调模型用电流模型表示。考虑到采用电压模型观测定子磁链，引入纯积分器存在积分初值问题，易造成观测磁链的偏差，故采用两个一阶低通滤波器级联的等效积分环节。当输入信号频率为ωc时，其传递函数如式(3)：在此基础上，为了提高速度观测精度，对观测的磁链进行离散迭代处理，如式(4)所示。其中，ψsα(k)、ψsβ(k)为当前采样周期中定子磁链值，ψsα(k-1)、ψsβ(k-1)为上一采样周期中定子磁链值，T1为滤波时间常数，Ts为采样周期。为分析方便，将离散迭代后的定子磁链仍表示为ψsα、ψsβ，同时，对电流模型式(2)进行变换，令“∧”表示含估测信息的物理量，表示待测转子信息，假定电机参数在调速过程中不变，有：定义状态广义偏差e为：结合式(2)、(5)、(6)，可得到：由式(7)可将模型参考自适应系统描述为有一个线性定常前向环节和一个非线性时变的反馈环节构成的系统，并将此偏差方程表示为矩阵形式：其中：e＝[esαesβ]T；为了不失一般性，取的自适应律为：结合式(8)、(9)，利用Popov超稳定性定理设计自适应律的方法，可推出的自适应律为：从而，定义输出广义偏差为：采用PI自适应律，可得基于定子磁链的MRAS速度观测模型。考虑传统的PI调节器的参数恒定，调节宽度受限，为此，本专利技术引入输出广义偏差ε构建变PI调节器。变PI调节器中的比例参数跟随ε变化，两者满足正向关系，可在防止系统过度超调的同时，提高其响应性能；对于积分参数，两者满足反向关系，在ε较小时，较大的积分参数可以有效消除稳态静差；在ε较大时，积分参数较小，可有效减小超调，阻止系统震荡。设计的变PI调节器如式(11)所示：式中，kp1,kp2为变PI调节器比例参数，ki1,ki2为变PI调节器积分参数。从而，可得速度观测表达式为：得到基于变PI调节器的改进型MRAS速度观测模型，如图1所示。双馈电机调速是通过控制双馈电机转子端电压矢量，对转子电流矢量进行控制，进而实现对其定子电流的矢量控制，以达到电磁转矩和功率控制的目的。由于闭环具有消除环内扰动的能力，采用PI调节器作为内环电流环的控制器，其输出作为转子电流动态项的控制，其控制方程式如下：控制系统如图2所示，系统采用双闭环结构，内环为电流环。转子电流dq轴分量构成双通道闭环控制，控制输出量经前馈补偿和坐标变换控制触发逆变器，实现对双馈电机的控制。转速外环的反馈量为基于MRAS速度观测环节的观测量其观测的准确度取决于MRAS模型的性能。转速外环的输出偏差经PI调节器作为双馈电机转矩分量给定系统无功功率的要求可通过转子电流励磁分量给定实现。在MATLAB/SIMULINK仿真平台上，搭建了定子磁链定向双馈电机改进型MRAS速度观测矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的MRAS速度观测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)根据双馈电机在两相静止坐标系下的数学模型构建定子磁链模型，得到电压模型和电流模型；2)将不含有待观测物理量ωr的电压模型作为MRAS的参考模型，采用两个一阶低通滤波器级联的等效积分环节，求出传递函数；3)对观测的磁链进行离散迭代处理，将离散迭代后的定子磁链仍表示为ψsα、ψsβ，同时，对电流模型进行变换；4)利用Popov超稳定性定理设计自适应律的方法，推出

【技术特征摘要】
1.一种改进的MRAS速度观测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)根据双馈电机在两相静止坐标系下的数学模型构建定子磁链模型，得到电压模型和电流模型；2)将不含有待观测物理量ωr的电压模型作为MRAS的参考模型，采用两个一阶低通滤波器级联的等效积分环节，求出传递函数；3)对观测的磁链进行离散迭代处理，将离散迭代后的定子磁链仍表示为ψsα、ψsβ，同时，对电流模型进行变换；4)利用Popov超稳定性定理设计自适应律的方法，推出的自适应律；5)定义输出广义偏差为：采用PI自适应律，可得基于定子磁链的MRAS速度观测模型；6)引入输出广义偏差ε构建变PI调节器，从而得出速度观测表达式。2.根据权利要求1所述的MRAS速度观测方法，其特征在于：所述步骤1)电压模型和电流模型，如下式...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭国俊，刘毅，刘战，杨波，
申请(专利权)人：徐州中矿大传动与自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32