一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法
未命名
09-29
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1.本发明涉及电机领域,具体而言,涉及一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法。
背景技术:
2.异步电机广泛应用于工业领域,其具有结构简单、便于维护、价格低、功率范围广等优点。与直流电机相比,三相交流异步电机具有输出转矩大、过载能力强等特点。但由于异步电机的数学模型具有非线性、高阶、多变量和强耦合的特点,其分析与求解相当复杂,需对其研究新的控制技术。
3.传统鼠笼型异步电机采用铝芯转子,在低速时效率较低,不宜应用在复杂工况中。同时传统控制方法主要是再对模型进行简化并引入矢量技术后,才电流误差的pi控制规律,其不足之处是,完全不采用模型相关参数信息而依赖于工程师的经验对pi参数的调节选优。因此本质上,对异步电机模型的相关基本信息,并没有有效利用于其控制的设计,因此导致其控制无法针对具体实际模型达到最好的自适应能力与抗干扰能力;同时其参数的选取完全依赖于工程师的经验,在设计时需要浪费工程师大量的时间与精力进行参数优化;另一方面,在针对一种工况进行优化设计好的控制规律在负载变换或者工况发生变动时,此时其设计性能不可避免地发生下降。基于上述背景原因,为了解决上述问题,本发明提出了一类采用反演与自适应控制相结合的异步电机转速控制方法,其中反演控制能够很好地利用模型参数的已知信息;自适应控制是在传统pid控制与滑模控制的基础上引入了自适应控制规律,使得其既有pid控制与滑模控制的优点,同时又能够对工况变化与负载变化时的控制性能进行自动调整从而达到优化的目的。
4.需要说明的是,在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现要素:
5.本发明的目的在于提供一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,进而克服了由于相关技术缺陷导致的异步电机性能无法随工况改变以及负载改变而自动进行调整的问题。
6.根据本发明的一个方面,提供一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法动,包括以下六个步骤:
7.步骤s10,采用测速传感器测量异步电机转子的角速度,记作ω;采用传感器测量异步电机三相静止坐标系中的电流信号,分别记作ia、ib、ic;然后采用三相到两相变换,得到两相静止坐标系中的电流信号,记作i
α
、i
β
;然后再采用从两相静止到两相旋转坐标系变换,得到两相旋转电流信号,分别记作i
st
、i
sm
;其旋转变换方式如下所示:
[0008][0009]
其中n3为三相异步电动机的每相等效绕组的匝数;n2为与三相异步电动机等效的两相电动机等效绕组的匝数;选取
[0010][0011]
其中i
st
为两相旋转t轴电流信号、i
sm
为两相旋转m轴电流信号;为两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的夹角,其计算方式如下:
[0012][0013]
其中n
p
为电机极对数,为常值参数;ωs为电机转差角频率,其计算方式如下:
[0014][0015]
其中lm为定子等效绕组与转子等效绕组的互感系数,为常值参数;tr为电机转子时间常数,为常值参数;ψr为转子磁链。
[0016]
步骤s20,根据异步电机的转速指令信号与异步电机转子的角速度进行比较,得到转速误差信号;然后根据转速误差信号,设计自适应角加速度估计器;得到角加速度估计信号;然后根据转速误差信号、转速误差积分信号、角加速度估计信号进行组合得到转速误差滑模信号;再根据转速误差滑模信号对角加速度估计器的时间常数设计自适应估计规律,并通过积分得到角加速度估计器的时间常数信号;同时设计负载估计信号的自适应估计规律,通过积分得到负载估计信号;然后根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号。
[0017]
步骤s30,根据所述的两相旋转电流中的t轴理想电流信号与两相旋转t轴电流信号进行比较,得到t轴电流误差信号;然后根据旋转速度计算t轴旋转速度相关信号;根据异步电机参数计算t轴电流系数;根据旋转速度与两相旋转m轴电流信号计算t轴电流铰链信号;然后设计近似微分器,并输入两相旋转电流中的t轴理想电流信号,得到t轴理想电流微分信号;输入t轴电流误差信号,得到t轴电流误差信号微分信号;然后根据所述的t轴旋转速度相关信号、t轴电流铰链信号、t轴电流系数以及电机参数解算t轴反演控制信号。
[0018]
步骤s40,根据所述t轴电流误差信号设计t轴常值估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴常值估计信号;然后根据所述的t轴电流误差信号设计t轴电流微分估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴电流微分信号;再叠加t轴电流误差信号,得到t轴自适应控制信号。
[0019]
步骤s50,根据异步电机设定的m轴理想电流信号与两相旋转m轴电流信号进行比较,得到m轴电流误差信号;然后根据转子磁链计算m轴转子磁链相关信号;根据t轴电流系数计算m轴电流相关信号;根据旋转速度与两相旋转t轴电流信号计算m轴电流铰链信号;然后叠加m轴转子磁链相关信号、m轴电流相关信号与m轴电流铰链信号得到m轴等效反演信
号;再根据m轴电流误差信号设计m轴常值估计信号的自适应规律,并通过积分得到m轴常值估计信号;再叠加m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号。
[0020]
步骤s60,根据所述的t轴反演控制信号与t轴自适应控制信号进行叠加得到t轴控制总信号;根据所述的m轴反演控制信号与m轴自适应控制信号进行叠加得到m轴控制总信号;然后将t轴控制总信号与m轴控制总信号进行由步骤s10中的两相静止到两相旋转坐标系变换的逆变换、三相到两相变换的逆变换,然后将得到的三相信号输送给异步电机,从而实现异步电机的转速控制。
[0021]usm
=u
sme
+u
sms
;
[0022]ust
=u
ste
+u
sts
;
[0023]
其中u
ste
为t轴反演控制信号,u
sts
t轴自适应控制信号,u
sme
为m轴等效反演信号;u
sms
为m轴自适应控制信号,u
sm
为m轴控制总信号,u
st
为t轴控制总信号。
[0024]
在本发明的一种示例实施例中,根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号包括:
[0025]
e=ω
d-ω;
[0026][0027]
sa=k1e+k2∫edt+k3ed;
[0028][0029][0030][0031][0032][0033]
其中ωd为异步电机的转速指令信号,e为转速误差信号;s为自适应角加速度估计器的传递函数的微分算子;t1为自适应角加速度估计器的常值时间参数;ed为角加速度估计信号;sa为转速误差滑模信号,k1、k2、k3为常值滑模参数;为角加速度估计器的时间常数的自适应估计规律;为角加速度估计器的时间常数信号;c2、ε0为常值参数信号,用于调节角加速度估计器的时间常数信号收敛速度的快慢;为负载估计信号的自适应估计规律;为负载估计信号;c1为常值参数信号,用于调节负载估计信号收敛速度的快慢;为两相旋转电流中的t轴理想电流信号;lr为转子等效绕组的自感系数,为常值参数;
[0034]
在本发明的一种示例实施例中,根据所述的两相旋转电流中的t轴理想电流信号与两相旋转t轴电流信号进行比较,得到t轴电流误差信号;然后根据旋转速度计算t轴旋转
速度相关信号;根据异步电机参数计算t轴电流系数;根据旋转速度与两相旋转m轴电流信号计算t轴电流铰链信号;然后设计近似微分器,并输入两相旋转电流中的t轴理想电流信号,得到t轴理想电流微分信号;输入t轴电流误差信号,得到t轴电流误差信号微分信号;然后根据所述的t轴旋转速度相关信号、t轴电流铰链信号、t轴电流系数以及电机参数解算t轴反演控制信号包括:
[0035][0036][0037][0038]
w3=-ωi
sm
[0039][0040][0041][0042]
其中e
it
为t轴电流误差信号;w1为t轴旋转速度相关信号;w2为t轴电流系数;w3为t轴电流铰链信号;t3为近似微分器传递函数的常值参数,为t轴理想电流微分信号;e
itd
为t轴电流误差信号微分信号;u
ste
为t轴反演控制信号;ls为定子等效绕组的自感系数,为常值参数;σ为磁漏系数,为常值参数;rr与rs分别为转子与定子绕组的电阻值,为常值参数。
[0043]
在本发明的一种示例实施例中,根据所述t轴电流误差信号设计t轴常值估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴常值估计信号;然后根据所述的t轴电流误差信号设计t轴电流微分估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴电流微分信号;再叠加t轴电流误差信号,得到t轴自适应控制信号包括:
[0044][0045][0046][0047][0048][0049]
其中为t轴常值估计信号的自适应估计律,为t轴常值估计信号;为t轴电流微分估计信号的自适应估计律,为t轴电流微分估计信号;u
sts
为t轴自适应控制信号;k6、
k7、k8为常值控制参数。
[0050]
在本发明的一种示例实施例中,根据异步电机设定的m轴理想电流信号与两相旋转m轴电流信号进行比较,得到m轴电流误差信号;然后根据转子磁链计算m轴转子磁链相关信号;根据t轴电流系数计算m轴电流相关信号;根据旋转速度与两相旋转t轴电流信号计算m轴电流铰链信号;然后叠加m轴转子磁链相关信号、m轴电流相关信号与m轴电流铰链信号得到m轴等效反演信号;再根据m轴电流误差信号设计m轴常值估计信号的自适应规律,并通过积分得到m轴常值估计信号;再叠加m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号包括:
[0051][0052][0053]usme
=σls(-w
4-w
6-w5);
[0054][0055][0056][0057]
其中为异步电机设定的m轴理想电流信号;e
im
为m轴电流误差信号;w4为m轴转子磁链相关信号;w5为m轴电流相关信号;w6为m轴电流铰链信号;u
sme
为m轴等效反演信号;为m轴常值估计信号的自适应规律,为m轴常值估计信号;u
sms
为m轴自适应控制信号,k9、k
10
为常值参数信号。
[0058]
有益效果
[0059]
本发明提供了一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,其主要创新点有如下四点:其一是根据电机模型的已知参数与信息,引入了反演控制,并与自适应相结合,从而能够在自适应控制的基础上,有效利用模型参数信息,避免传统pi控制的参数选取的盲目性,同时也能大大缩小传统pi控制参数寻优的范围,简化设计难度,提高设计效率,节省设计时间。其二是在传统pi控制的基础上,引入了自适应角加速度估计器,从而能够引入角加速度信号,避免了角加速度信号测量精度不高问题以及测量仪器昂贵的问题。其三是通过引入角加速度信号增加了系统阻尼,提高了整个转速控制的平稳性。其四是在传统pi控制的基础上,引入了滑模控制与自适应控制,对常值干扰情况以及电流微分信号进行了非线性自适应估计,也使得其具有传统pi控制优点的同时,能够对工况变化以及负载变化能有较好的自适应调整能力。
[0060]
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
[0061]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0062]
图1是本发明提供的一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法动方法流程图;
[0063]
图2是本发明实施例所提供方法的总体控制结构图;
[0064]
图3是本发明实施例所提供方法的两相旋转t轴电流信号曲线(单位:安);
[0065]
图4是本发明实施例所提供方法的两相旋转m轴电流信号曲线(单位:安);
[0066]
图5是本发明实施例所提供方法的异步电机转子的角速度信号曲线(单位:弧度每秒);
[0067]
图6是本发明实施例所提供方法的转速误差信号信号曲线(单位:弧度每秒);
[0068]
图7是本发明实施例所提供方法的t轴理想电流信号曲线(单位:安);
[0069]
图8是本发明实施例所提供方法的t轴电流误差信号曲线(单位:安);
[0070]
图9是本发明实施例所提供方法的m轴电流误差信号曲线(单位:安);
[0071]
图10是本发明实施例所提供方法的m轴控制总信号曲线(无单位);
[0072]
图11是本发明实施例所提供方法的t轴控制总信号(无单位)。
具体实施方式
[0073]
现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中,提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
[0074]
本发明提供了一种采用自适应反演相结合实现异步电机转速控制的方法,其通过传感器测量电机的三相静止坐标系中电流以及电机的转速;然后通过三相到两相以及静止到旋转的变换得到两相旋转电流信号;然后通过实际转速与期望转速的比较得到转速误差信号;再采用角加速度估计器估计误差微分信号,为转速平稳性提供阻尼;然后叠加转速误差以及误差积分信号形成滑模信号;再分别对角加速度估计器的时间常数与负载常数进行自适应估计,汇总得到t轴理想电流信号;然后与t轴电流信号进行对比得到t轴电流误差信号;然后结合模型特点与参数设计自适应常值估计规律与电流微分估计规律,并结合t轴反演控制信号,形成t轴总控制信号;最后针对m轴电流误差信号,结合模型特点设计m轴反馈控制信号;再采用误差信号对m轴常值干扰进行非线性自适应估计,最终形成m轴总控制信号;然后对t轴与m轴总控制信号进行旋转到静止、两相到三相的两次变换输送给异步电机实现转速平稳控制,该方法的优点在于能够结合模型特点,利用模型的非线性,使得整个控
制比较精确而且平稳。
[0075]
下面,将结合附图2的总体控制结构图对本发明的一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,进行进一步的解释以及说明。参考图1所示,该一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,包括以下步骤:
[0076]
步骤s10,采用测速传感器测量异步电机转子的角速度,记作ω;采用传感器测量异步电机三相静止坐标系中的电流信号,分别记作ia、ib、ic;然后采用三相到两相变换,得到两相静止坐标系中的电流信号,记作i
α
、i
β
;然后再采用从两相静止到两相旋转坐标系变换,得到两相旋转电流信号,分别记作i
st
、i
sm
。
[0077]
具体的可以分解为如下四步,第一步,采用测速传感器测量异步电机转子的角速度,记作ω;采用传感器测量异步电机三相静止坐标系中的电流信号,分别记作ia、ib、ic。
[0078]
第二步,采用如下三相到两相变换,得到两相静止坐标系中的电流信号,记作i
α
、i
β
:
[0079][0080]
其中n3为三相异步电动机的每相等效绕组的匝数;n2为与三相异步电动机等效的两相电动机等效绕组的匝数;一般选取
[0081]
第三步,然后再采用如下从两相静止到两相旋转坐标系变换,得到两相旋转电流信号,分别记作i
st
、i
sm
:
[0082][0083]
其中i
st
为两相旋转t轴电流信号、i
sm
为两相旋转m轴电流信号;为两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的夹角。
[0084]
第四步,根据测量所得的异步电机转子的角速度计算两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的夹角如下:
[0085][0086]
其中n
p
为电机极对数,为常值参数;ωs为电机转差角频率,其计算方式如下:
[0087][0088]
其中lm为定子等效绕组与转子等效绕组的互感系数,为常值参数;tr为电机转子时间常数,为常值参数;ψr为转子磁链。
[0089]
步骤s20,根据异步电机的转速指令信号与异步电机转子的角速度进行比较,得到转速误差信号;然后根据转速误差信号,设计自适应角加速度估计器;得到角加速度估计信号;然后根据转速误差信号、转速误差积分信号、角加速度估计信号进行组合得到转速误差滑模信号;再根据转速误差滑模信号对角加速度估计器的时间常数设计自适应估计规律,并通过积分得到角加速度估计器的时间常数信号;同时设计负载估计信号的自适应估计规
律,通过积分得到负载估计信号;然后根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号。
[0090]
具体的,可以分解为如下五步。第一步,根据异步电机的转速指令信号与异步电机转子的角速度进行比较,得到转速误差信号;然后根据转速误差信号,设计自适应角加速度估计器;得到角加速度估计信号如下:
[0091]
e=ω
d-ω;
[0092][0093]
其中ωd为异步电机的转速指令信号,e为转速误差信号;s为自适应角加速度估计器的传递函数的微分算子;t1为自适应角加速度估计器的常值时间参数;ed为角加速度估计信号;为角加速度估计器的时间常数信号,其初始值选为零,详细解算见下一步。
[0094]
第二步,根据转速误差信号、转速误差积分信号、角加速度估计信号进行组合得到转速误差滑模信号如下:
[0095]
sa=k1e+k2∫edt+k3ed;
[0096]
其中sa为转速误差滑模信号,k1、k2、k3为常值滑模参数。
[0097]
第三步,根据转速误差滑模信号对角加速度估计器的时间常数设计自适应估计规律,并通过积分得到角加速度估计器的时间常数信号如下:
[0098][0099][0100]
其中为角加速度估计器的时间常数的自适应估计规律;c2、ε0为常值参数信号,用于调节角加速度估计器的时间常数信号收敛速度的快慢;为角加速度估计器的时间常数信号。
[0101]
第四步,根据转速误差滑模信号设计负载估计信号的自适应估计规律,通过积分得到负载估计信号如下:
[0102][0103][0104]
其中为负载估计信号的自适应估计规律;为负载估计信号;c1为常值参数信号,用于调节负载估计信号收敛速度的快慢。
[0105]
第五步,根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号如下:
[0106][0107]
其中为两相旋转电流中的t轴理想电流信号;lr为转子等效绕组的自感系数,为常值参数。
[0108]
步骤s30,根据所述的两相旋转电流中的t轴理想电流信号与两相旋转t轴电流信号进行比较,得到t轴电流误差信号;然后根据旋转速度计算t轴旋转速度相关信号;根据异步电机参数计算t轴电流系数;根据旋转速度与两相旋转m轴电流信号计算t轴电流铰链信号;然后设计近似微分器,并输入两相旋转电流中的t轴理想电流信号,得到t轴理想电流微分信号;输入t轴电流误差信号,得到t轴电流误差信号微分信号;然后根据所述的t轴旋转速度相关信号、t轴电流铰链信号、t轴电流系数以及电机参数解算t轴反演控制信号。
[0109]
具体的,可以分解为如下如下五小步。第一步,根据所述的两相旋转电流中的t轴理想电流信号与两相旋转t轴电流信号进行比较,得到t轴电流误差信号如下:
[0110][0111]
其中e
it
为t轴电流误差信号。
[0112]
第二步,根据旋转速度计算t轴旋转速度相关信号;根据异步电机参数计算t轴电流系数;根据旋转速度与两相旋转m轴电流信号计算t轴电流铰链信号如下:
[0113][0114]
其中w1为t轴旋转速度相关信号;w2为t轴电流系数;w3为t轴电流铰链信号。
[0115]
第三步,设计近似微分器,并输入两相旋转电流中的t轴理想电流信号如下:
[0116][0117]
其中t3为近似微分器传递函数的常值参数,为t轴理想电流微分信号。
[0118]
第四步,采用近似微分器输入t轴电流误差信号,得到t轴电流误差信号微分信号如下:
[0119][0120]
其中e
itd
为t轴电流误差信号微分信号。
[0121]
第五步,根据所述的t轴旋转速度相关信号、t轴电流铰链信号、t轴电流系数以及电机参数解算t轴反演控制信号如下:
[0122][0123]
其中u
ste
为t轴反演控制信号;ls为定子等效绕组的自感系数,为常值参数;σ为磁漏系数,为常值参数;rr与rs分别为转子与定子绕组的电阻值,为常值参数。
[0124]
步骤s40,根据所述t轴电流误差信号设计t轴常值估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴常值估计信号;然后根据所述的t轴电流误差信号设计t轴电流微分估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴电流微分信号;再叠加t轴电流误差信号,得到t轴自适应控制信号。
[0125]
具体的,可分解为如下三步。第一步,根据所述t轴电流误差信号设计t轴常值估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴常值估计信号如下:
[0126][0127][0128]
其中为t轴常值估计信号的自适应估计律,为t轴常值估计信号。
[0129]
第二步,根据所述的t轴电流误差信号设计t轴电流微分估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴电流微分信号如下:
[0130][0131][0132]
其中为t轴电流微分估计信号的自适应估计律,为t轴电流微分估计信号。
[0133]
第三步,根据所述的t轴电流微分估计信号、t轴常值估计信号、叠加t轴电流误差信号,得到t轴自适应控制信号如下:
[0134][0135]
其中u
sts
为t轴自适应控制信号;k6、k7、k8为常值控制参数;
[0136]
步骤s50,根据异步电机设定的m轴理想电流信号与两相旋转m轴电流信号进行比较,得到m轴电流误差信号;然后根据转子磁链计算m轴转子磁链相关信号;根据t轴电流系数计算m轴电流相关信号;根据旋转速度与两相旋转t轴电流信号计算m轴电流铰链信号;然后叠加m轴转子磁链相关信号、m轴电流相关信号与m轴电流铰链信号得到m轴等效反演信号;再根据m轴电流误差信号设计m轴常值估计信号的自适应规律,并通过积分得到m轴常值估计信号;再叠加m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号。
[0137]
具体的,可以分解为如下五小步。第一步,根据异步电机设定的m轴理想电流信号与两相旋转m轴电流信号进行比较,得到m轴电流误差信号如下:
[0138][0139]
其中为异步电机设定的m轴理想电流信号;e
im
为m轴电流误差信号。
[0140]
第二步,根据转子磁链计算m轴转子磁链相关信号;根据t轴电流系数计算m轴电流相关信号;根据旋转速度与两相旋转t轴电流信号计算m轴电流铰链信号如下:
[0141][0142]
其中w4为m轴转子磁链相关信号;w5为m轴电流相关信号;w6为m轴电流铰链信号。
[0143]
第三步,叠加m轴转子磁链相关信号、m轴电流相关信号与m轴电流铰链信号得到m轴等效反演信号如下:
[0144]usme
=σls(-w
4-w
6-w5);
[0145]
其中u
sme
为m轴等效反演信号。
[0146]
第四步,根据m轴电流误差信号设计m轴常值估计信号的自适应规律,并通过积分得到m轴常值估计信号如下:
[0147][0148][0149]
其中为m轴常值估计信号的自适应规律,为m轴常值估计信号。
[0150]
第五步,采用m轴常值估计信号;m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号如下:
[0151][0152]
其中u
sms
为m轴自适应控制信号,k9、k
10
为常值参数信号;
[0153]
步骤s60,根据所述的t轴反演控制信号与t轴自适应控制信号进行叠加得到t轴控制总信号;根据所述的m轴反演控制信号与m轴自适应控制信号进行叠加得到m轴控制总信号;然后将t轴控制总信号与m轴控制总信号进行由步骤s10中的两相静止到两相旋转坐标系变换的逆变换、三相到两相变换的逆变换,然后将得到的三相信号输送给异步电机,从而实现异步电机的转速控制如下:
[0154]usm
=u
sme
+u
sms
;
[0155]ust
=u
ste
+u
sts
;
[0156]
其中u
ste
为t轴反演控制信号,u
sts
t轴自适应控制信号,u
sme
为m轴等效反演信号;u
sms
为m轴自适应控制信号,u
sm
为m轴控制总信号,u
st
为t轴控制总信号。
[0157]
案例实施与计算机解算结果分析
[0158]
在步骤s10中,选取选取电机极对数n
p
=2,lm=0.069,得到两相旋转t轴电流信号如图3所示,两相旋转m轴电流信号如图4所示,得到异步电机转子的角速度信号如图5所示。
[0159]
在步骤s20中,选取异步电机的转速指令信号120rad/s,得到转速误差信号如图6所示。选取t1=0.05,k1=0.5、k2=0.35、k3=0.05,c1=0.01、c2=0.03、ε0=0.24、lr=0.071得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号如图7所示。
[0160]
在步骤s30中,选取t3=0.28为,得到t轴电流误差信号如图8所示。
[0161]
在步骤s40中,选取k6=50、k7=2、k8=3.5。在步骤s50中,选取k9=95、k
10
=1.5,得
到m轴电流误差信号如图9所示。在步骤s60中,得到m轴控制总信号如图10所示,得到t轴控制总信号如图11所示。
[0162]
由图5可以看出,异步电机的转速上升平稳,而且响应速度快,大约在0.5秒内达到期望转速120;由图6可以看出,转速误差平滑收敛,超调量很小;从而表明角加速度估计器提供了足够的阻尼,使得系统平稳性较好,在快速响应的同时,无颤振现象出现。由图8与图9可以看出,双轴的电流误差信号都能快速平滑的收敛到零,从而实现了最初的设计目的,也使得整个控制的稳定性与裕度都较好,从而通过实验取得了令人满意的结果,也表明了所提供方法的有效性、正确性。
技术特征:
1.一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤s10,采用测速传感器测量异步电机转子的角速度,记作ω;采用传感器测量异步电机三相静止坐标系中的电流信号,分别记作i
a
、i
b
、i
c
;然后采用三相到两相变换,得到两相静止坐标系中的电流信号,记作i
α
、i
β
;然后再采用从两相静止到两相旋转坐标系变换,得到两相旋转电流信号,分别记作i
st
、i
sm
;其旋转变换方式如下所示:其中n3为三相异步电动机的每相等效绕组的匝数;n2为与三相异步电动机等效的两相电动机等效绕组的匝数,选取电动机等效绕组的匝数,选取其中i
st
为两相旋转t轴电流信号、i
sm
为两相旋转m轴电流信号;为两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的夹角,其计算方式如下:其中n
p
为电机极对数,为常值参数;ω
s
为电机转差角频率,其计算方式如下:其中l
m
为定子等效绕组与转子等效绕组的互感系数,为常值参数;t
r
为电机转子时间常数,为常值参数;ψ
r
为转子磁链;步骤s20,根据异步电机的转速指令信号与异步电机转子的角速度进行比较,得到转速误差信号;然后根据转速误差信号,设计自适应角加速度估计器;得到角加速度估计信号;然后根据转速误差信号、转速误差积分信号、角加速度估计信号进行组合得到转速误差滑模信号;再根据转速误差滑模信号对角加速度估计器的时间常数设计自适应估计规律,并通过积分得到角加速度估计器的时间常数信号;同时设计负载估计信号的自适应估计规律,通过积分得到负载估计信号;然后根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号;步骤s30,根据所述的两相旋转电流中的t轴理想电流信号与两相旋转t轴电流信号进行比较,得到t轴电流误差信号;然后根据旋转速度计算t轴旋转速度相关信号;根据异步电机参数计算t轴电流系数;根据旋转速度与两相旋转m轴电流信号计算t轴电流铰链信号;然后设计近似微分器,并输入两相旋转电流中的t轴理想电流信号,得到t轴理想电流微分信号;输入t轴电流误差信号,得到t轴电流误差信号微分信号;然后根据所述的t轴旋转速度相关信号、t轴电流铰链信号、t轴电流系数以及电机参数解算t轴反演控制信号如下:
w3=-ωi
smsmsm
其中为两相旋转电流中的t轴理想电流信号,e
it
为t轴电流误差信号;w1为t轴旋转速度相关信号;w2为t轴电流系数;w3为t轴电流铰链信号;t3为近似微分器传递函数的常值参数,为t轴理想电流微分信号;e
itd
为t轴电流误差信号微分信号;u
ste
为t轴反演控制信号;l
s
为定子等效绕组的自感系数,为常值参数;σ为磁漏系数,为常值参数;r
r
与r
s
分别为转子与定子绕组的电阻值,为常值参数;l
r
为转子等效绕组的自感系数,为常值参数;步骤s40,根据所述t轴电流误差信号设计t轴常值估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴常值估计信号;然后根据所述的t轴电流误差信号设计t轴电流微分估计信号的自适应估计律,并通过积分得到t轴电流微分信号;再叠加t轴电流误差信号,得到t轴自适应控制信号如下:应控制信号如下:应控制信号如下:应控制信号如下:应控制信号如下:其中为t轴常值估计信号的自适应估计律,为t轴常值估计信号;为t轴电流微分估计信号的自适应估计律,为t轴电流微分估计信号;u
sts
为t轴自适应控制信号;k6、k7、k8为常值控制参数;步骤s50,根据异步电机设定的m轴理想电流信号与两相旋转m轴电流信号进行比较,得到m轴电流误差信号;然后根据转子磁链计算m轴转子磁链相关信号;根据t轴电流系数计算m轴电流相关信号;根据旋转速度与两相旋转t轴电流信号计算m轴电流铰链信号;然后叠加m轴转子磁链相关信号、m轴电流相关信号与m轴电流铰链信号得到m轴等效反演信号;再根据m轴电流误差信号设计m轴常值估计信号的自适应规律,并通过积分得到m轴常值估计信
号;再叠加m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号;号;再叠加m轴电流误差信号得到m轴自适应控制信号;u
sme
=σl
s
(-w
4-w
6-w5);););其中为异步电机设定的m轴理想电流信号;e
im
为m轴电流误差信号;w4为m轴转子磁链相关信号;w5为m轴电流相关信号;w6为m轴电流铰链信号;u
sme
为m轴等效反演信号;为m轴常值估计信号的自适应规律,为m轴常值估计信号;u
sms
为m轴自适应控制信号,k9、k
10
为常值参数信号;步骤s60,根据所述的t轴反演控制信号与t轴自适应控制信号进行叠加得到t轴控制总信号;根据所述的m轴反演控制信号与m轴自适应控制信号进行叠加得到m轴控制总信号;然后将t轴控制总信号与m轴控制总信号进行由步骤s10中的两相静止到两相旋转坐标系变换的逆变换、三相到两相变换的逆变换,然后将得到的三相信号输送给异步电机,从而实现异步电机的转速控制如下:u
sm
=u
sme
+u
sms
;u
st
=u
ste
+u
sts
;其中u
sm
为m轴控制总信号,u
st
为t轴控制总信号。2.根据权利要求1所述的一种采用自适应反演的异步电机转速控制方法,其特征在于,根据转速误差信号,设计自适应角加速度估计器;得到角加速度估计信号;然后根据转速误差信号、转速误差积分信号、角加速度估计信号进行组合得到转速误差滑模信号;再根据转速误差滑模信号对角加速度估计器的时间常数设计自适应估计规律,并通过积分得到角加速度估计器的时间常数信号;同时设计负载估计信号的自适应估计规律,通过积分得到负载估计信号;然后根据所述的转速误差信号、转速误差积分信号、负载估计信号、角加速度估计信号进行叠加,得到两相旋转电流中的t轴理想电流信号包括:e=ω
d-ω;s
a
=k1e+k2∫edt+k3e
d
;
其中ω
d
为异步电机的转速指令信号,e为转速误差信号;s为自适应角加速度估计器的传递函数的微分算子;t1为自适应角加速度估计器的常值时间参数;e
d
为角加速度估计信号;s
a
为转速误差滑模信号,k1、k2、k3为常值滑模参数;为角加速度估计器的时间常数的自适应估计规律;为角加速度估计器的时间常数信号;c2、ε0为常值参数信号,用于调节角加速度估计器的时间常数信号收敛速度的快慢;为负载估计信号的自适应估计规律;为负载估计信号;c1为常值参数信号,用于调节负载估计信号收敛速度的快慢;l
r
为转子等效绕组的自感系数,为常值参数;为两相旋转电流中的t轴理想电流信号。
技术总结
本发明提供了一种采用自适应反演相结合实现异步电机转速控制的方法,其通过实际转速与期望转速的比较得到转速误差信号;再设计角加速度估计器估计误差微分信号,然后叠加转速误差以及误差积分信号形成滑模信号;再分别对角加速度估计器的时间常数与负载常数进行自适应估计,汇总得到t轴理想电流信号并与t轴电流信号进行对比得到t轴电流误差信号;然后结合模型特点与参数设计自适应常值估计规律与电流微分估计规律并叠加t轴反演控制信号,形成t轴总控制信号;最后针对m轴电流误差信号,结合模型特点设计m轴反馈控制信号;再采用误差信号对m轴常值干扰进行非线性自适应估计,最终形成m轴总控制信号实现转速平稳控制。最终形成m轴总控制信号实现转速平稳控制。最终形成m轴总控制信号实现转速平稳控制。
技术研发人员:杨咏东 孙卫明 王君美
受保护的技术使用者:烟台大学
技术研发日:2023.06.28
技术公布日:2023/9/25
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