一种异步电机执行器故障的估计与补偿方法技术

本发明专利技术提出一种异步电动机执行器故障的估计与补偿方法，包括如下步骤：基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型，并根据异步电机切换特性对所建立的异步感应电机数学模型进行改进，得到改进后的异步感应电机的非线性数学模型，并对改进后的异步感应电机的非线性数学模型进行离散化；建立故障检测滤波器，通过故障检测滤波器产生残差信号，根据残差信号值的大小判断电动机是否存在执行器故障；设计故障估计器，对执行器的故障大小进行估计；通过故障重构对执行器故障进行补偿；本发明专利技术提供的异步电机执行器故障的估计与补偿方案在执行器故障发生时可以很好的对故障进行估计，并对故障所引起的负面效果进行抵消，实现对故障的补偿。实现对故障的补偿。实现对故障的补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种异步电机执行器故障的估计与补偿方法


[0001]本专利技术涉及异步电机执行器领域，特别是指一种异步电机执行器故障的估计与补偿方法。

技术介绍

[0002]异步电机对当前社会的工业生产、日常生活都有着十分重要的地位，并且已经应用到国 民经济的各个领域，因此在恶劣的工作环境中实现异步电动机运行的可靠性是异步电机在许 多应用中的基本和主要要求。从本质上说来，异步电机是本身便是一个非线性、参数时变、 强耦合的复杂系统。为了实现对异步电机更好的控制，三相逆变器因其良好的控制性能被广 泛的应用在异步电机的控制上。
[0003]此外，电机高效、稳定和安全的运行是我们非常关注的问题，在电机频繁的启、制动还 有人为的违规操作都使得电机会出现故障，如果能在故障发生之前及时发现故障，对故障进 行补偿和及时的停机维修可以极大的减少损失和保障操作人员安全，而在异步电机系统中逆 变器是一个故障率较高的部分之一，并且因为逆变器对异步电机的控制十分重要，因此迫切 需要对异步电机三相逆变器故障的估计和补偿有效策略，使得我们能对异步电机逆变器故障 进行高校的估计和有效的补偿，从而抵消故障对异步电机的影响和减小损失。
[0004]逆变器在异步电机的控制系统中相当于执行器，因此我们称三相逆变器为执行器。目前 关于异步电机执行器的故障估计和补偿方法已经有较多的研究，比如基于信号处理的故障估 计、基于统计分析的故障估计、基于专家的故障估计、基于数学模型的故障估计等等。但都 存在一定的不足和缺陷，且大部分都没有给出有效的故障补偿手段。另一方面，在现存的故 障估计和补偿方法均是在没有考虑切换方法的条件下获得的。目前基于切换系统方法，采用 具有驻留时间约束的线性参数变化系统的故障检测、估计和补偿的针对执行器的综合设计问 题，尚未出现有效的解决方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种异步电机执行器故障的估 计与补偿方法，实现对异步电机执行器故障准确的估计和补偿。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种异步电动机执行器故障的估计与补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型，并根据异步电机切换特 性对所建立的异步感应电机数学模型进行改进，得到改进后的异步感应电机的非线性数学模 型，并对改进后的异步感应电机的非线性数学模型进行离散化；
[0009]建立故障检测滤波器，通过故障检测滤波器产生残差信号，根据残差信号值的大小判断 电动机是否存在执行器故障；
[0010]设计故障估计器，对执行器的故障大小进行估计；
[0011]通过故障重构对执行器故障进行补偿。
[0012]具体地，基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型，并根据异步电 机切换特性对所建立的异步感应电机数学模型进行改进，得到改进后的异步感应电机的非线 性数学模型，；具体包括：
[0013]基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型为：
[0014][0015]改进后的异步感应电机的非线性数学模型：
[0016][0017]其中，ω为转子转速，字母上标“·”和分别表示对应字母物理量的微分和将左 边定义为右边；τ
L
表示负载力矩扰动；表示状态向量，表示转子磁通量，表示定子电流，表示定子电压且作为控制系统输 入向量；
[0018]并且 转子速度范围为ω∈[ω
min
,ω
max
]＝[
‑
110,110]rad/s；a1＝n
p
L
sr
/(D
m
Lr)，a2＝
‑
R
m
/D
m
， a3＝
‑
1/D
m
，a
4,i
＝
‑
1/T
r,i
，a
5,i
＝L
sr
/T
r,i
，a
6,i
＝L
sr
/(T
r,i
σL
s
L
r
)，a7＝n
p
L
sr
/(σL
s
L
r
)， a8＝1/(σL
s
)，其中L
s
为定子电感，L
r
为转子 电感，L
sr
为互感，σ为泄漏因数，R
s,i
为定子电阻，R
r,i
为转子电阻，D
m
为惯性矩，R
m
为粘 性阻尼常数，n
p
为磁极对数；
[0019]具体地，并对改进后的异步感应电机的非线性数学模型进行离散化，具体为：
[0020][0021]这里x(k)表示系统状态，y(k)表示系统输出，u(k)表示控制输入，d(k)表示未知输
入， f(k)表示故障输入，矩阵A
σk
(ρ
k
)，B
σk
(ρ
k
),C
σk
(ρ
k
)是可测参数变量的ρ的已知函数，B
d
是 适当维数的给的常数矩阵，B
f
是代表各故障对系统影响的矩阵；切换信号σ
k
满足驻留时间约 束，N表示系统中子系统的个数；为了方便，让σ
k
＝i，即 [0022]具体地，建立故障检测滤波器，通过故障检测滤波器产生残差信号，具体为：
[0023][0024]是x(k)的估计，是残差估计信号，A
F,i
(ρ
k
)，B
F,i
(ρ
k
)，C
F,i
(ρ
k
)，D
F,i
(ρ
k
)是故 障检测滤波器的参数矩阵。
[0025]具体地，根据残差信号值的大小判断电动机是否存在执行器故障，具体为：
[0026]残差估计方程和其临界值为：
[0027][0028][0029]sL是残差估计的时间窗，k0表示初始估计值；f和d分别表示故障和外部扰动；l2表示 欧几里得2范数，值为[0,∞)；sup表示上确界，即最小上界。
[0030]具体的，设计故障估计器，对执行器的故障大小进行估计，具体为：
[0031][0032]其中，为状态估计，为故障估计，和是观测器增益矩阵。
[0033]具体地，通过故障重构对执行器故障进行补偿，具体为：
[0034][0035]u
r
(k)是参考输入，K
i
(ρ
k
)是待确定的LPV反馈增益矩阵,是用于补偿故障 对系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异步电动机执行器故障的估计与补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型，并根据异步电机切换特性对所建立的异步感应电机数学模型进行改进，得到改进后的异步感应电机的非线性数学模型，并对改进后的异步感应电机的非线性数学模型进行离散化；建立故障检测滤波器，通过故障检测滤波器产生残差信号，根据残差信号值的大小判断电动机是否存在执行器故障；设计故障估计器，对执行器的故障大小进行估计；通过故障重构对执行器故障进行补偿。2.根据权利要求1所述的一种异步电机执行器故障的估计与补偿方法，其特征在于，基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型，并根据异步电机切换特性对所建立的鼠笼式感应电机数学模型进行改进，得到改进后的异步感应电机的非线性数学模型，；具体包括：基于线性磁路的假设搭建异步感应电机的五阶非线性数学模型为：改进后的异步感应电机的非线性数学模型：其中，ω为转子转速，字母上标“·”和分别表示对应字母物理量的微分和将左边定义为右边；τ
L
表示负载力矩扰动；表示状态向量，表示转子磁通量，表示定子电流，表示定子电压且作为控制系统输入向量；右上标“T”表示转置。并且转子速度范围为ω∈[ω
min
,ω
max
]＝[
‑
110,110]rad/s；a1＝n
p
L
sr
/(D
m
Lr)，a2＝
‑
R
m
/D
m
，a3＝
‑
1/D
m
，a
4,i
＝
‑
1/T
r,i
，a
5,i
＝L
sr
/T
r,i
，a
6,i
＝L
sr
/(T
r,i
σL
s
L
r
)，a7＝n
p
L
sr
/(σL
s
L
r
)，a8＝1/(σL
s
)，
其中L
s
为定子电感，L
r
为转子电感，L
sr
为互感，σ为泄漏因数，R
s,i
为定子电阻，R
r,i
为转子电阻，D...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延正，童显芳，许诺，王祚，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：