一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法及系统

摘要

本发明涉及一种感应电机无速度矢量控制低频估算方法及系统，在现有无速度速度传感器矢量控制系统的基础上，在低频段通过励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值，并进行P参数及I参数线性化处理，然后将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制系统的低频估算系统中，以提高低频速度估算准确性，提高了无速度传感器矢量控制系统低频段运行稳定性和带载能力，具有较大的实用价值。

权利要求

1.一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

1)感应电机无速度传感器矢量控制系统在低频状态下，用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

2)将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

所述步骤2)中，所述P参数及I参数参数线性化处理步骤如下：

2a)根据设定频率阈值ωp进行线性化处理，当给定频率ωset低于频率阈值ωp时，P参数KP及I参数KI从0开始线性化增加到系统设定的默认值，实现定子电阻在线补偿，定义KPn为经过线性化后的P参数，KIn为经过线性化后的I参数，其计算方式为：

2b)当给定频率ωset高于频率阈值ωp时，经过线性化后的P参数和I参数强制为0，其计算方式为：

2c)根据上述公式(6)和(7)得到最终定子电阻补偿值为：ΔRscn＝-(KPn·ed+KIn∫eddt)---(8)，定义ed励磁电流偏差；

3)将处理后的定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制系统的低频估算中。

2.根据权利要求1所述一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述通过PI调节器得到定子电阻补偿值，其实现步骤如下：

1a)感应电机矢量控制在dq轴坐标系，定义 为d轴给定电压， 为q轴给定电压， 为d轴给定电流， 为q轴给定电流，isd为d轴实际电流，Rs为定子电阻值，ΔRs为定子电阻变化值， 为d轴给定磁链， 为q轴给定磁链，ψsd为d轴实际磁链，ψsq为q轴实际磁链，ωs为转差频率，在dq轴坐标系电压矢量方程为：

1b)从上述电压矢量方程公式(1)中，定子电阻变化将影响d轴电流和q轴磁链发生变化， 通过实际电流和磁链表示为： 其中，ωe为同步角频率；

定义ed励磁电流偏差， 为d轴磁链偏差， 为q轴磁链偏差，公式(2)与上述电压矢量方程(1)相减得：

1c)相减得到的上述公式中 在稳态时，公式(3)表述成：

从上述公式(4)看出，定子电阻变化会导致励磁电流偏差，同时在很小定子电阻变化可认为d轴电流isd为常数，定子电阻变化与励磁电流偏差成线性关系，通过引入PI调节器补偿定子电阻变化值ΔRsc，即ΔRsc＝-(KP·ed+KI∫eddt)---(5)。

3.一种使用权利要求1感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法的系统，其特征在于：所述系统包括PI调节模块，P参数及I参数线性化模块，定子电阻补偿引入模块；

所述PI调节模块，在低频状态下，利用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

所述P参数及I参数线性化模块，将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

所述定子电阻补偿引入模块，将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制系统的低频估算中。

4.根据权利要求3所述一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法的系统，其特征在于：所述PI调节模块中，给定为励磁电流给定值，反馈为励磁电流反馈值，得到励磁电流偏差值，励磁电流偏差值通过P参数及I参数进行比例和积分处理得到定子电阻补偿值。

5.根据权利要求3所述一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法的系统，其特征在于：所述P参数及I参数线性化模块中，根据设定频率阈值进行线性化处理，当给定频率低于频率阈值时，P参数及I参数从0开始线性化增加到系统设定的默认值，实现定子电阻在线补偿；当给定频率高于频率阈值时，P参数及I参数强制为0，退出定子电阻补偿模式。

说明书

一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电压模型磁链速度观测器的使用领域，特别涉及一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法及系统。

背景技术

[0002] 在过去的几年里，感应电机无速度传感器矢量控制技术有了显著地发展，感应电机常用的磁链速度估算模型有两种：一种是电流模型，它是根据定子电流和转速来计算定
子磁链；另一种是电压模型，它是利用定子电压方程通过积分运算来获得定子磁链。相对于
电流模型，电压模型主要只受定子电阻参数影响，因而具有所需要电机参数少、不易受电机
参数变化的影响、实现方法简单、成本低廉等优点，从而在感应电机无速度传感器矢量控制
系统中获得广泛应用。

[0003] 于电压模型磁链速度观测器的无速度传感器感应电机矢量控制系统，在低速区区域其磁链和转速估算与电机参数定子电阻密切相关。高频运行时，电机反电势较大，定子电
阻变化对反电势的影响较小。低频运行时，电机反电势较小，定子电阻变化对反电势的影响
较大。因此，电机参数定子电阻辨识不准确或由于温升导致定子电阻值偏移时，将会严重影
响无速度传感器感应电机矢量控制系统的低频速度估算准确性，进而影响其运行稳定性和
带载能力。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供一种在线定子电阻补偿改善感应电机无传感器矢量控制低频速度估算准确性的方法及系统，能够显著提高系统运行的稳定性，保持低速有较强的带
载能力。

[0005] 一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，所述方法步骤如下：

[0006] 1、一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

[0007] 1)感应电机无速度传感器矢量控制系统在低频状态下，用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

[0008] 2)将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

[0009] 3)将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制系统的低频估算中。

[0010] 在上述技术方案中，所述步骤1)中，所述通过PI调节器得到定子电阻补偿值，其实现步骤如下：

[0011] 1a)感应电机矢量控制在dq轴坐标系，定义 为d轴给定电压， 为q轴给定电压，为d轴给定电流， 为q轴给定电流，usd为d轴实际电压，usq为q轴实际电压，isd为d轴实际
电流，isq为q轴实际电流，ΔRs为定子电阻变化值，在dq轴坐标系电压矢量方程为：

[0012]

[0013] 1b)从上述电压矢量方程公式(1)中，定子电阻变化将影响d轴电流和q轴磁链发生变化， 通过实际电流和磁链表示为：

[0014] 公式(2)与上述电压矢量方程(1)相减得：

[0015]

[0016] 1c)相减得到的上述公式中 在稳态时，公式(3)表述成：

[0017] 从上述公式(4)看出，定子电阻变化会导致励磁电流偏差，同时在很小定子电阻变化可认为d轴电流为常数，定子电阻变化与励磁电流偏差成线性关系，通过引入PI调节器补
偿定子电阻变化，即ΔRsc＝-(KP·ed+KI∫eddt)--(5)，其中P参数为KP，I参数为KI。

[0018] 在上述技术方案中，所述步骤2)，所述P和I参数线性化处理步骤如下：

[0019] 2a)根据设定频率阈值ωp进行线性化处理，当给定频率ωset低于频率阈值ωp时，P和I参数从0开始线性化增加到系统设定的默认值，实现定子电阻在线补偿，其计算方式为：

[0020]

[0021] 2b)当给定频率ωset高于于频率阈值ωp时，P和I参数强制为0，其计算方式为：

[0022]

[0023] 2c)根据上述公式(6)和(7)得到最终定子电阻补偿值为：ΔRscn＝-(KPn·ed+KIn∫eddt)。

[0024] 本发明还公开一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算系统，其特征在于：所述系统包括PI调节模块，P参数及I参数线性化模块，定子电阻补偿引入模块；

[0025] 所述PI调节模块，在低频状态下，利用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

[0026] 所述P参数及I参数线性化模块，将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

[0027] 所述定子电阻补偿引入模块，将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制的低频估算中。

[0028] 在上述技术方案中，所述PI调节模块中，给定为励磁电流给定值，反馈为励磁电流反馈值，得到励磁电流偏差值，励磁电流偏差值通过P参数及I参数进行比例和积分处理得
到定子电阻补偿值。

[0029] 在上述技术方案中，所述P参数及I参数线性化模块中，根据设定频率阈值进行线性化处理，当给定频率低于频率阈值时，P和I参数从0开始线性化增加到系统设定的默认
值，实现定子电阻在线补偿；当给定频率高于频率阈值时，P和I参数强制为0，退出定子电阻
补偿模式。

[0030] 本发明一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法及系统，针对现有电压模型无速度传感器感应电机矢量控制系统，由于运行时温升导致定子电阻值偏移或电机参
数定子电阻辨识不准确，进而导致低频速度估算不准的缺陷，提供一种在线定子电阻补偿
改善感应电机无传感器矢量控制低频速度估算准确性，能够显著提高系统运行的稳定性，
保持低速有较强的带载能力。

附图说明

[0031] 图1为本发明一种感应电机无速度传感器矢量控制系统框图；

[0032] 图2为传统无速度传感器矢量控制模式的仿真波形；

[0033] 图3为本发明一种感应电机无速度传感器矢量控制模式的仿真波形；

[0034] 图4为传统无速度传感器矢量控制模式的实验波形；

[0035] 图5为本发明一种感应电机无速度传感器矢量控制模式的实验波形。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述

[0037] 本发明公开一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，所述方法步骤如下：

[0038] 1)感应电机无速度传感器矢量控制系统在低频状态下，用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

[0039] 2)将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

[0040] 3)将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制的低频估算中。

[0041] 其中，传统无速度传感器矢量控制原理如下：

[0042] 感应电机矢量控制在αβ轴坐标系下，定义usα为α轴电压，usβ为β轴电压，isα为α轴电流，isβ为β轴电流，Rs为定子电阻值，ΔRs为定子电阻变化值，ψsα为α轴观测定子磁链，ψsβ为β
轴观测定子磁链， 为定子电阻变化后α轴实际定子磁链， 为定子电阻变化后β轴实际
定子磁链，在αβ轴坐标系估算定子磁链为：

[0043]

[0044] 根据定转子磁链关系可知转子磁链为：

[0045]

[0046] 式中Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为互感， 为漏磁系数。

[0047] 通过式(1)和式(2)得

[0048]

[0049] 而基于电压模型的磁链速度估算方法为：计算转子磁通角θe，然后进行微分得到电机同步角频率ωe，之后通过同频角频率ωe和转差频率ωs差得到机械角频率ωr：

[0050]

[0051] 从式(3)和(4)可看出，当定子电阻由于温升偏移或原系统定子电阻参数辨识不准时，会影响最终电机估算机械角频率ωr，进而影响系统低频运行稳定性和带载能力。

[0052] 其中，通过PI调节器得到定子电阻补偿值的实现方案如下：

[0053] 1a)感应电机矢量控制在dq轴坐标系下，定义 为d轴给定电压， 为q轴给定电压， 为d轴给定电流， 为q轴给定电流，usd为d轴实际电压，usq为q轴实际电压，isd为d轴
实际电流，isq为q轴实际电流，ΔRs为定子电阻变化值，在dq轴坐标系电压矢量方程为：

[0054]

[0055] 2b)从式(5)可看出，当定子电阻变化将影响d轴电流和q轴磁链发生变化， 通过实际电流和磁链表示为：

[0056]

[0057] 式(5)和式(6)相减得：

[0058]

[0059] 其中，式(7)中 在稳态时，式(7)可表述成：

[0060]

[0061] 1c)从式(8)可看出，定子电阻变化会导致励磁电流偏差，同时在很小定子电阻变化可认为d轴电流为常数，所以可认为定子电阻变化与励磁电流偏差成线性关系，所以可通
过引入PI调节器以补偿定子电阻变化，即

[0062] ΔRsc＝-(KP·ed+KI∫eddt)   (9)

[0063] 其中，式(9)中，P参数为KP，I参数为KI。

[0064] 其中，PI调节器P参数及I参数线性化处理步骤如下：

[0065] 2a)根据设定频率阈值ωp进行线性化处理，当给定频率ωset低于频率阈值ωp时，P参数及I参数从0开始线性化增加到系统设定的默认值，实现定子电阻在线补偿，其计算方
式为：

[0066]

[0067] 2b)当给定频率ωset高于于频率阈值ωp时，P参数及I参数强制为0，其计算方式为：

[0068]

[0069] 2c)从而得到最终定子电阻补偿值：

[0070] ΔRscn＝-(KPn·ed+KIn∫eddt)。

[0071] 按上述方法得到的定子电阻补偿值ΔRscn引入速度按上速度估算系统公式(3)和(4)，得到真实电机速度进行矢量控制，以提高系统运行稳定性和带载能力。

[0072] 下面结合实施例对本发明进一步说明，以感应电机7.5kW为研究对象，其额定运行频率为50Hz，额定电压为380V，额定电流16.2A，额定转速为1450r/min，极对数为2对极，在
SABER仿真环境中搭建了无速度传感器矢量控制系统，验证方法为：比较有无定子电阻补偿
功能前后低频段估算速度与实际速度偏差。

[0073] 图2为无定子电阻补偿功能的仿真图形，实线为给定速度，带三角形实线为估算速度，带圆点实线为实际速度，从图2中可看出，在低频段，估算速度与实际速度偏差较大，容
易导致系统不稳定或带载能力差；图3为引入本发明提出的定子电阻补偿功能的仿真图形，
实线为给定速度，带三角形实线为估算速度，带圆点实线为实际速度，从图3中可看出，在低
频段估算速度与实际速度偏差极小，从图2和图3对比可看出，引入定子电阻补偿功能可显
著提高系统低频段估算速度准确性，保证系统运行稳定性和带载能力。

[0074] 实验平台采用的TMS320F2833x型DSP为控制核心的11kW变频器，以感应电机7.5kW为研究对象，其额定运行度为50Hz，额定电压为380V，额定电流16.2A，额定转速为1450r/
min，极对数为2对极，负载侧采用15kW直流进行加载，采用光电编码器测量电机真实速度。

[0075] 验证方法为：直流电机满载转矩输出，变频器以15r/min(远低于上述的频率阈值ωp)速度给定，正转带载启动，比较有无定子补偿功能前后控制系统低频段是否能正常运
行，图4为无定子电阻补偿功能时系统运行波形，实线为给定速度，带三角形实线为估算速
度，带圆点实线为实际速度，从图4可看出，电机实际速度在0-25r/min大幅波动，与估算速
度偏差较大，而且有段时间停留在0r/min，在实际实验机组上表现为电机运行出现卡顿现
象，即无法稳定运行；图5为引入本发明提出的定子电阻补偿功能系统运行波形，从图5可看
出，电机实际速度基本维持在15r/min上下，与估算速度相接近，在实际实验机组上表现为
电机均速运行。从图4和图5对比可看出，引入定子电阻补偿功能可显著提高系统低频段估
算速度准确性，保证系统运行稳定性和带载能力。

[0076] 本发明提出的一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算方法，即通过励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值，以改善由于温升导致定子电阻值偏移或原系统
定子电阻参数辨识不准的问题，通过仿真和实验结果表明可提高无速度传感器矢量控制系
统运行稳定性和带载能力，具有较大的实用价值。

[0077] 本发明还公开一种感应电机无速度传感器矢量控制低频估算系统，所述系统包括PI调节模块，P参数及I参数线性化模块，定子电阻补偿引入模块；

[0078] 所述PI调节模块，在低频状态下，利用励磁电流偏差通过PI调节器得到定子电阻补偿值；

[0079] 所述P参数及I参数线性化模块，将定子电阻补偿值进行P参数及I参数线性化处理；

[0080] 所述定子电阻补偿引入模块，将定子电阻补偿值引入无速度传感器矢量控制的低频估算中。

[0081] 其中，所述PI调节模块中，给定为励磁电流给定值，反馈为励磁电流反馈值，得到励磁电流偏差值，励磁电流偏差值通过P参数及I参数进行比例和积分处理得到定子电阻补
偿值。

[0082] 其中，所述P参数及I参数线性化模块中，根据设定频率阈值进行线性化处理，当给定频率低于频率阈值时，P参数及I参数从0开始线性化增加到系统设定的默认值，实现定子
电阻在线补偿；当给定频率高于频率阈值时，P参数及I参数强制为0，退出定子电阻补偿模
式。

[0083] 说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施方式仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认
为是落入该发明权利要求书所保护范围内。