一種異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 異步電機(jī)的矢量控制需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)，多采 用磁場(chǎng)定位控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，需要設(shè)置速度傳感器，耗費(fèi)成本，且通過(guò)編碼器獲取 的信號(hào)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生由安裝、測(cè)量和傳輸干擾導(dǎo)致的誤差等問(wèn)題。而尚未被普遍應(yīng)用 的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有算法直觀且便于理解，具有可處理復(fù)雜控制任務(wù)和多變量多約束 控制問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)，它可以通過(guò)對(duì)一些電機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的準(zhǔn)確高效地控 制。
[0003] 無(wú)傳感器控制方法通過(guò)建立速度觀測(cè)器來(lái)獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度觀測(cè)器可以分 為開(kāi)環(huán)觀測(cè)器和閉環(huán)觀測(cè)器。開(kāi)環(huán)的速度觀測(cè)器顧名思義是沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)的，他們通常是 使用了異步電機(jī)的不同形式的系統(tǒng)方程。開(kāi)環(huán)速度觀測(cè)器是通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子在定子坐標(biāo) 系下的電機(jī)方程來(lái)建立的，典型的開(kāi)環(huán)觀測(cè)器有異步電機(jī)電壓模型、電流模型。盡管許多 模型使用了各種方法來(lái)減輕直流漂移的問(wèn)題，但是開(kāi)環(huán)觀測(cè)器的一些缺點(diǎn)卻不能被忽視， 即開(kāi)環(huán)觀測(cè)器需要一個(gè)純積分環(huán)節(jié)來(lái)保證速度觀測(cè)的準(zhǔn)確性，但是同樣的它也不可避免 的有偏移和初始條件限制等問(wèn)題。在觀測(cè)器里添加反饋環(huán)節(jié)能有效地減少上述問(wèn)題，以 保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。閉環(huán)速度觀測(cè)器也因此被廣泛應(yīng)用。龍貝格觀測(cè)器和擴(kuò)展型卡爾曼 濾波器是磁場(chǎng)定位控制和直接轉(zhuǎn)矩控制中的兩種常見(jiàn)的速度觀測(cè)器。他們都能夠準(zhǔn)確地 進(jìn)行速度觀測(cè)，并且有很好的魯棒性。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的觀測(cè)器（ModelReference AdaptiveObserver)與上述其他觀測(cè)器相比有著更直觀的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也更加方便簡(jiǎn) 單。模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器的應(yīng)用在文獻(xiàn)（M.DybkowskiandT.Orlowska-Kowalska. Performanceofthespeedsensorlessinductionmotordrivefortraction applicationwithmrastypespeedandfluxestimator.InOptimizationofElectrical andElectronicEquipment(0PTIM)，2012 13thInternationalConferenceon,pages 477 - 481，May2012.)中有所介紹。但模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器存在著控制不精準(zhǔn)的問(wèn)題。
[0004] 因此提供一種能夠進(jìn)行高精準(zhǔn)控制的異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)己成 為當(dāng)務(wù)之亟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及方法，其克服了現(xiàn)有異步 電機(jī)無(wú)傳感器控制中存在的控制精準(zhǔn)度不夠的缺點(diǎn)，通過(guò)獲得觀測(cè)速度々并計(jì)算出評(píng)價(jià)函 數(shù)的成本值&，獲得&最小值時(shí)的參考電壓向量vs*，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量S 作 為控制信號(hào)控制逆變器輸出最優(yōu)電壓值給異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的高精準(zhǔn)控制。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007]方案一
[0008] 包括第一PI控制器、模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器、優(yōu)化模塊；第一PI控制器、優(yōu)化模塊 和模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器兩兩間相互連接；所述異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用 時(shí)連接逆變器，逆變器連接異步電機(jī)；
[0009] 所述模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器，用于將由逆變器輸出端獲得的定子電壓\和定子電 流、通過(guò)公式1-4計(jì)算出觀測(cè)速度該模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器包括參考模塊、可調(diào)模塊、 轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊和第二PI控制器，參考模塊、可調(diào)模塊分別連接到轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì) 算模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊通過(guò)第二PI控制器連接到可調(diào)模塊；所述參考模塊包括基 礎(chǔ)參考模塊，基礎(chǔ)參考模塊從逆變器輸出端獲得的定子電壓vs和定子電流i3通過(guò)公式1計(jì) 算出定子觀測(cè)磁鏈穴和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈沁，并將轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈€輸送給轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算 模塊，將定子觀測(cè)磁鏈忒和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈€輸送給優(yōu)化模塊；所述可調(diào)模塊，用于將分別 由逆變器輸出端、第二PI控制器獲得的定子電流和觀測(cè)速度6通過(guò)公式2計(jì)算出轉(zhuǎn)子觀測(cè) 磁鏈穴/，并將轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈輸送給轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊；所述轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模 塊，用于將分別由參考模塊、可調(diào)模塊獲得的轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈A、轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈通過(guò)公式 3計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e，并將轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e輸送到第二PI控制器；所述第二PI 控制器與第一PI控制器連接，用于將由轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊獲得的轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e 通過(guò)公式4計(jì)算出觀測(cè)速度& ,并將觀測(cè)速度☆分別輸送給可調(diào)模塊和第一PI控制器；
[0010]所述第一PI控制器，用于獲得參考速度與觀測(cè)速度々的差值計(jì)算出參考轉(zhuǎn)矩T%并將參考轉(zhuǎn)矩Tit送給優(yōu)化模塊；
[0011]所述優(yōu)化模塊，用于將獲得的定子參考磁鏈Ml、由第一PI控制器獲得的參考轉(zhuǎn)矩 f和由模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器獲得的觀測(cè)速度冷、轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈 < 和定子觀測(cè)磁鏈穴，通 過(guò)以下公式6計(jì)算出評(píng)價(jià)函數(shù)的成本值&，獲得&最小值時(shí)的參考電壓向量vs*，并將其轉(zhuǎn) 換為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量Sa，b，。作為控制信號(hào)控制逆變器輸出最優(yōu)電壓值給異步電機(jī)；
[0012] 以上使用的公式如下：
[0018]其中，穴和分別表示定子觀測(cè)磁鏈和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈，Rs為定子電阻，Lm、LdPL, 為互感、定子電感和轉(zhuǎn)子電感，〇 = (LsL-Lm2)/LsI^為漏感系數(shù)，vs為定子電壓，isS定子電 流。1；=!^/!^，表示這個(gè)轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)異步電機(jī)電流模型計(jì)算得到的。e是轉(zhuǎn) 子磁鏈偏差量。觀測(cè)速度務(wù)是整個(gè)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的可調(diào)變量。&和1^是？1控制器 的比例積分增益。&是評(píng)價(jià)函數(shù)的成本值。下標(biāo)j代表的是當(dāng)前電壓向量的序號(hào)對(duì)于兩級(jí) 三相型電壓源逆變器，有7種不同的電壓向量，故j= (0-6)，A2分別是轉(zhuǎn)矩差和 定子磁鏈差在評(píng)價(jià)函數(shù)中的權(quán)值。
[0019] 所述參考模塊還包括內(nèi)含第三PI控制器的滑模補(bǔ)償模塊，第三PI控制器利用自 身可調(diào)的比例增益的Kkp和積分增益K^通過(guò)公式5計(jì)算出滑模增益K，將滑模增益K用于 滑模補(bǔ)償模塊，將公式1矯正為公式1'，計(jì)算獲得修正后的轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈< 和定子觀測(cè)磁 鏈A，公式5、公式1'如下，
[0022]其中，增〃(/_、-〇為符號(hào)開(kāi)關(guān)函數(shù)，Kkp是滑模增益的PI比例增益，的積分 增益。
[0023] 本發(fā)明由于采用預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制，需要對(duì)磁鏈信息進(jìn)行較為準(zhǔn)確地觀測(cè)，所以選擇 磁鏈之間的偏差作為偏差量。參考模塊即異步電機(jī)電壓模塊是一個(gè)純開(kāi)環(huán)的模型，由它得 到的磁鏈信息會(huì)由于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)本身的特性在積分環(huán)節(jié)中產(chǎn)生較大的累積誤差，因而不能保 證觀測(cè)到的定子和轉(zhuǎn)子磁鏈信息的精確性能滿足預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的要求。故本發(fā)明在參考 模塊中加入滑模結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)償，補(bǔ)償后的參考模塊作為模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的新的參考模 塊。同時(shí)通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)對(duì)該補(bǔ)償后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，證明新系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn) 定。滑模增益K通過(guò)PI控制器進(jìn)行計(jì)算。滑模平面是由實(shí)測(cè)電流與估測(cè)電流之差構(gòu)成，傳 統(tǒng)的非連續(xù)開(kāi)關(guān)符號(hào)函數(shù)會(huì)在滑模切換時(shí)產(chǎn)生高頻抖動(dòng)現(xiàn)象，影響轉(zhuǎn)矩控制精度。將滑模 結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)償加入到模型參考自適應(yīng)速度觀測(cè)系統(tǒng)中，降低了系統(tǒng)的不確定性并提高了其 抗干擾性。
[0024] 所述異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)還包括連接于模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器 和優(yōu)化模塊之間的轉(zhuǎn)矩和磁鏈預(yù)測(cè)模塊，所述模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器的第二PI控制器將 觀測(cè)速度^、定子觀測(cè)磁鏈A和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈A輸送給轉(zhuǎn)矩和磁鏈預(yù)測(cè)模塊；所述轉(zhuǎn)矩和 磁鏈預(yù)測(cè)模塊，用于將由逆變器輸出端獲得的定子電流is和由模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器獲得 的觀測(cè)速度&、定子觀測(cè)磁鏈A和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈 < 預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻的定子磁鏈 < 和下一 時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩f,并將€和f輸送給優(yōu)化模塊。
[0025] 轉(zhuǎn)矩和磁鏈預(yù)測(cè)技術(shù)才剛起步，目前尚未有應(yīng)用在異步電機(jī)控制領(lǐng)域。采用轉(zhuǎn)矩 和磁鏈預(yù)測(cè)技術(shù)，在計(jì)算量沒(méi)有明顯增加的情況下提高了控制的精確性與易實(shí)現(xiàn)性。同時(shí)， 無(wú)傳感器控制技術(shù)提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，也降低了系統(tǒng)的成本。
[0026]方案二
[0027]包括第一PI控制器、模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器、優(yōu)化模塊；第一PI控制器、優(yōu)化模塊 和模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器兩兩間相互連接；所述異步電機(jī)無(wú)傳感器預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)使用 時(shí)連接逆變器，逆變器連接異步電機(jī)；
[0028]所述模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器，用于將由逆變器輸出端獲得的定子電壓\和定子電 流乙通過(guò)公式1-4計(jì)算出觀測(cè)速度該模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器包括參考模塊、可調(diào)模塊、 轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊和第二PI控制器，參考模塊、可調(diào)模塊分別連接到轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì) 算模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊通過(guò)第二PI控制器連接到可調(diào)模塊；所述參考模塊包括基 礎(chǔ)參考模塊，基礎(chǔ)參考模塊從逆變器輸出端獲得的定子電壓vs和定子電流i3通過(guò)公式1計(jì) 算出定子觀測(cè)磁鏈么和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈€，并將轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈A輸送給轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算 模塊，將定子觀測(cè)磁鏈A和轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈仏輸送給優(yōu)化模塊；所述可調(diào)模塊，用于將分別 由逆變器輸出端、第二PI控制器獲得的定子電流和觀測(cè)速度通過(guò)公式2計(jì)算出轉(zhuǎn)子觀測(cè) 磁鏈，并將轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈也./輸送給轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊；所述轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模 塊，用于將分別由參考模塊、可調(diào)模塊獲得的轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈€、轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈通過(guò)公式 3計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e，并將轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e輸送到第二PI控制器；所述第二PI 控制器與第一PI控制器連接，用于將由轉(zhuǎn)子磁鏈偏差計(jì)算模塊獲得的轉(zhuǎn)子磁鏈偏差量e 通過(guò)公式4計(jì)算出觀測(cè)速度力，并將觀測(cè)速度S分別輸送給可調(diào)模塊和第一PI控制器；
[0029]所述第一PI控制器，用于獲得參考速度6/與觀測(cè)速度治的差值計(jì)算出參考轉(zhuǎn)矩T%并將參考轉(zhuǎn)矩1"輸送給優(yōu)化模塊；
[0030]所述優(yōu)化模塊，用于將獲得的定子參考磁鏈Ml、由第一PI控制器獲得的參考轉(zhuǎn)矩 f和由模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器獲得的觀測(cè)速度a、轉(zhuǎn)子觀測(cè)磁鏈A和定子觀測(cè)磁鏈穴，通 過(guò)以下公式6計(jì)算出評(píng)價(jià)函數(shù)的成本值&，獲得&最小值時(shí)的參考電壓向量vs*，并將其轉(zhuǎn) 換為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量Sa，b，。作為控制信號(hào)控制逆變