一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法

1.本发明属于交流伺服系统控制技术领域，尤其涉及一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法。


背景技术：

2.目前，感应电机凭借其结构简单、高可靠性以及低制造成本而在目前的工业界得到了普遍的应用，尤其在追求高速化的高档数控机床主轴上有着不可替代的地位。随着我国工业生产的不断发展，高性能交流感应伺服电机主轴驱动控制技术已成为提升数控机床性能中最为关键的问题之一。伺服系统中的速度传感器增加了设备成本，而且传感器相较于变频设备的其它硬件来说比较昂贵。而在一些高速情况的应用场合下，速度传感器则可能会增加额外的控制噪声和不确定性。综上所述，高速域下的无速度传感器感应电机矢量控制研究具有重要价值。
3.无速度传感器控制系统相对于有速度传感器的控制方法，减少了安装在电机主轴上的编码器装置，避免了编码器信号与控制板之间信号传输的干扰。所以应用无传感控制方法的感应电机控制系统既降低了硬件结构的复杂程度，降低成本同时提高了伺服系统的抗干扰能力。在无传感感应电机的矢量控制系统中为了准确的得到磁链定向角会采用磁链观测器来实现定、转子磁链和定子电流的观测。并且进一步能够通过定子电流的估计误差和转子磁链的估计值来自适应的辨识出感应电机的实际转速，所以磁链观测器的性能决定了无传感感应电机矢量控制系统的整体性能。
4.为了实现无传感器感应电机的数字控制，一般需要采用数值积分方法将传感器转化为离散化的形式，通常采用前向欧拉法进行离散化处理，但其局限性在于当感应电机运行频率上升时会出现离散化精度不够，观测结果发散的问题。采用高阶的离散化方法时提高了离散化精度，不会发生观测结果发散的现象但复杂的离散化磁链观测器模型极大的增加了微控制器的计算负担。所以需要进一步探索简单有效的控制策略，在高速域下兼顾计算复杂度与观测器稳定性。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有的磁链观测器在高速域下阻尼比降低，观测效果不佳。
7.(2)全阶磁链观测器离散化后不能同时兼顾稳定性和计算复杂度的。
8.(3)应用传统一阶欧拉法离散化后的磁链观测器在高速下观测结果发散，且离散化精度不够。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法。
10.本发明是这样实现的，一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法，所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法包括：
11.利用采用改进极点左移反馈矩阵的全阶磁链观测器估计电流估计反馈误差与磁链观测值；利用速度观测器估计电机转速，将估计的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制；利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化。
12.进一步，所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法包括以下步骤：
13.步骤一，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈矩阵，并构建全阶磁链观测器；
14.步骤二，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
15.步骤三，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
16.步骤四，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
17.步骤五，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制。
18.进一步，所述感应电机在两相静止坐标系下的状态方程如下：
[0019][0020]
其中，l
σ
＝σlslr/l
m is，ψ
r us分别表示定子电流、转子磁链、定子电压；r
s rr分别表示定子电阻和转子电阻；l
s l
r lm分别表示定子电感、转子电感、互感；ωr表示转子角频率；τr表示转子时间常数；σ表示漏感系数。
[0021]
进一步，所述反馈矩阵如下：
[0022][0023]
进一步，所述全阶磁链观测器如下：
[0024][0025]
进一步，所述速度观测器如下：
[0026][0027]
进一步，所述利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化包括：利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化，得到基于改进后的后向欧拉法的全阶磁链观测器特征模型；
[0028]
所述基于改进后的后向欧拉法的全阶磁链观测器特征模型如下：
[0029][0030]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法如下步骤：
[0031]
步骤一，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈矩阵，并构建全阶磁链观测器；
[0032]
步骤二，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
[0033]
步骤三，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
[0034]
步骤四，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
[0035]
步骤五，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制。
[0036]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法如下步骤：
[0037]
步骤一，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈矩阵，并构建全阶磁链观测器；
[0038]
步骤二，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
[0039]
步骤三，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
[0040]
步骤四，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
[0041]
步骤五，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制；利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化。
[0042]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法。
[0043]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0044]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0045]
本发明提供了一种三相感应电机的无传感器矢量控制系统控制方法，针对高速域磁链观测器阻尼比较小，提出了改进型的极点左移反馈矩阵，增大了观测器阻尼比并且计算量较小，提升了磁链观测与无传感矢量控制的性能；针对应用传统一阶欧拉法离散化后的磁链观测器在高速下观测结果不收敛的问题，提出了一种改进型的后向欧拉法，克服了全阶磁链观测器离散化后不能同时兼顾稳定性和计算复杂度的问题。同时设计了磁链观测器的反馈矩阵能够进一步对磁链观测器的极点进行分配，进一步的提升磁链观测与无传感矢量控制的性能。
[0046]
第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0047]
本发明建立感应电机在两相静止坐标系下的数学模型；建立全阶磁链观测器观测转子磁链值，针对高速域下磁链观测器阻尼比较低设计了改进极点左移反馈矩阵，提高了磁链观测器收敛性能，并且通过简化反馈矩阵降低了微处理器的计算负担；通过全阶磁链观测器得到的电流估计反馈误差与磁链观测值，建立了速度观测器估计电机转速，将估计的电机转速值反馈到速度环控制器中完成无传感器矢量控制；为了在微处理器上实现无传感矢量控制需要将磁链观测器离散化，应用改进后的后向欧拉法可以实现全阶磁链观测器离散化。相较于传统的方法，改进的方法保证了离散化全阶磁链观测器在高速下磁链观测的稳定性，同时降低了微处理器的计算负担。
[0048]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明针对高速域下无传感矢量控制所面临的离散化后的磁链观测器在高结果不收敛以及阻尼比较小的问题所设计所提出了一种改进型的后向欧拉法和改进的反馈矩阵，相较于其他现有的方法其最大的优势在于能保证全速域的稳定性的情况下极大的降低了计算复杂度，十分利于微处理器实现。
附图说明
[0049]
图1是本发明实施例提供的无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法流程图。
[0050]
图2是本发明实施例提供的无传感感应电机磁链观测器与速度观测器原理图。
[0051]
图3是本发明实施例提供的无传感感应电机矢量控制原理图。
[0052]
图4是本发明实施例提供的观测器极点图。
[0053]
图5是本发明实施例提供的前向欧拉法离散化磁链观测器极点图。
[0054]
图6是本发明实施例提供的改进后向欧拉法离散化磁链观测器极点图。
[0055]
图7是本发明实施例提供的无传感矢量控制速度仿真图。
[0056]
图8是本发明实施例提供的无传感矢量控制磁链观测仿真图。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0059]
本发明实施例提供的一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法原理框图如图1所示；本发明针对无传感感应电机矢量控制系统中的传统的零反馈磁链观测器阻尼比较小的问题，提出了改进型的极点左移反馈矩阵，增大了观测器阻尼比并且计算量较小,提升了磁链观测与无传感矢量控制的性能；其次针对现有用传统一阶欧拉法离散化后的磁链观测器在高速下观测结果不收敛的问题，提出了一种改进型的后向欧拉法，克服了全阶磁链观测器离散化后不能同时兼顾稳定性和计算复杂度的问题。
[0060]
本发明实施例提供的无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法包括：
[0061]
利用采用改进极点左移反馈矩阵的全阶磁链观测器估计电流估计反馈误差与磁链观测值；利用速度观测器估计电机转速，将估计的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制；利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化。
[0062]
如图1所示，本发明实施例提供的无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法包括以下步骤：
[0063]
s101，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈矩阵，并构建全阶磁链观测器；
[0064]
s102，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
[0065]
s103，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
[0066]
s104，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
[0067]
s105，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制；利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化。
[0068]
本发明实施例提供的感应电机在两相静止坐标系下的状态方程如下：
[0069][0070]
其中，l
σ
＝σlslr/l
m is，ψ
r us分别表示定子电流、转子磁链、定子电压；r
s rr分别表示定子电阻和转子电阻；l
s l
r lm分别表示定子电感、转子电感、互感；ωr表示转子角频率；τr表示转子时间常数；σ表示漏感系数。
[0071]
本发明实施例提供的反馈矩阵如下：
[0072][0073]
本发明实施例提供的全阶磁链观测器如下：
[0074][0075]
本发明实施例提供的速度观测器如下：
[0076][0077]
本发明实施例提供的利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化包括：
[0078]
利用改进后的后向欧拉法进行全阶磁链观测器离散化，得到基于改进后的后向欧拉法的全阶磁链观测器特征模型。
[0079]
本发明实施例提供的基于改进后的后向欧拉法的全阶磁链观测器特征模型如下：
[0080][0081]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0082]
实施例1
[0083]
图1所示为无传感异步电机交流伺服系统的控制模型，由包含电流环、速度环的级联控制结构来实现。步骤包括步骤1建立感应电机在两相静止坐标系上的状态方程；步骤2
设计反馈矩阵，建立全阶磁链观测器并通过观测磁链值，并通过观测得到的定转子磁链值来估计磁链定向角，将所估计磁链定向角反馈到帕克变换，反帕克变换中；步骤3通过全阶磁链观测器得到的电流估计反馈误差与磁链观测值，建立速度观测器估计电机转速，将估计的电机转速值反馈到速度环控制器中完成无传感器矢量控制；步骤4应用改进后的后向欧拉法实现全阶磁链观测器离散化；
[0084]
针对高速域磁链观测器阻尼比较小，提出了改进型的极点左移反馈矩阵，增大了观测器阻尼比并且计算量较小,提升了磁链观测与无传感矢量控制的性能；针对应用传统一阶欧拉法离散化后的磁链观测器在高速下观测结果不收敛的问题，提出了一种改进型的后向欧拉法，克服了全阶磁链观测器离散化后不能同时兼顾稳定性和计算复杂度的问题。
[0085]
在一种可能的实施例方式中包括如下步骤：
[0086]
步骤1构建感应电机在两相静止坐标系上的状态方程：
[0087][0088]
式中l
σ
＝σlslr/l
m is，ψ
r us分别为定子电流、转子磁链、定子电压；r
s rr分别为定子电阻和转子电阻；lslrlm分别为定子电感、转子电感、互感；ωr为转子角频率，τr为转子时间常数,σ为漏感系数。
[0089]
步骤2，设计闭环磁链观测器，由于转子磁链值不可直接测得且电机模型满足可观测条件，所以可以根据以上所建立的感应电机全阶模型设计全阶磁链观测器来估计转子磁链值。所设计的感应电机全阶磁链观测器如下所示：
[0090][0091]
该全阶磁链观测器同时观测静止坐标系上的定子电流与转子磁链值，对比式可以看出相较于电机本体模型，观测器增加了由定子电流观测误差与反馈矩阵乘积的部分，通过反馈矩阵可以配置观测器的极点值从而提升全阶磁链观测器的收敛性能以及稳定性。
[0092]
det(zi-a)＝0
[0093]
det(zi-(a-gc))＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
通过将观测器极点值配置在电机模型极点的左侧，由图3可知随着运行频率的上
升，感应电机的极点值虚部远大于实部，阻尼比过小会影响观测器观测性能。所以在设计观测器反馈矩阵时需使观测器极点实部远离虚轴，提高观测器收敛速度。本发明将观测器极点左移，保持极点虚部不变，提高了观测器系统的阻尼系数。可以通过式(3)求解电机模型极点值与观测器的极点值，并使得极点值同时使得满足条件λf＝-k λ
zero
，可以求得：
[0095][0096]
式(4)相较于零反馈矩阵提高了收敛速度与阻尼比，但是式中包含转速估计值且计算过于复杂，增加了微处理器计算负担。由观测器增益矩阵可以看出电机在中高速下转速值相较于其他电机参数值较大，所以本发明提出将转速值视为正无穷，据此式可简化为下式(5)，式(5)仅由电机参数与增益k组成，极大的降低了计算负担，图3为采用以下反馈矩阵的全阶磁链观测器极点图。
[0097][0098]
步骤3，设计转速观测器，由李雅普诺夫第二稳定性定理推导出速度观测器的表达式，首先可将观测磁链误差与电流观测误差作为状态变量如式(6)所示，可构建李雅普诺夫函数如式(7)所示，函数v对所有非零状态v(x)＞0且v(0)＝0，同时令保证半负定可推导出式(8)，为了进一步提升辨识的速度，采用比例积分自适应律可得到式(9)，即转速自适应律。
[0099][0100][0101][0102][0103]
步骤4对磁链观测器进行离散化，采用改进型后向欧拉法对全阶磁链观测器进行离散化，根据后向欧拉法离散化表达式为下式
[0104]
x(k 1)≈x(k) tsf(x(k 1),y(k 1))，k＝0,1,2...
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0105]
根据磁链观测器模型可推导出基于后向欧拉法的全阶观测器模型,如下式：
[0106][0107]
由式(11)可知后向欧拉法需要较为复杂的矩阵求逆运算，采用改进型的后向欧拉法可将式(10)离散化为式(12),完整表达形式为式(13)-(15)。
[0108]
f(x(k 1),y(k 1))＝f(x(k) ts,y(k) tsx(k))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0109][0110][0111][0112]
由式(12)到式(14)可以看出，改进型方法应用预测估计的策略避开了复杂的矩阵运算，仅利用简单的加法与乘法即可实现。由式子可以得到离散化的磁链观测器特征方程为：
[0113][0114]
实施例2
[0115]
本发明实施例所采用的一种无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法，其详细结构框图如图1所示。
[0116]
本发明实施例所建立的无传感感应电机矢量控制方法的原理框图如图2所示，速度反馈为速度观测器的观测值，磁链定向角由磁链观测器所观测的转子磁链值计算所得。下面通过仿真对本发明提出的无速度传感器感应电机控制方法进行验证。
[0117]
本发明实施例感应电机的主要参数包扩：转子电阻rr＝1.191ω，定子电阻rs＝1.099ω，转子电感lr＝0.101h，定子电感ls＝0.101h，互感lm＝0.096h，转动惯量j＝0.040n.m.s，极对数p＝2。
[0118]
本发明实施例中，分别于0.5s、1s、1.5s时施加1500r、3000r、4500r的阶跃响应。
[0119]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用的应用实施例。
[0120]
本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法如下步骤：
[0121]
步骤一，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈
矩阵，并构建全阶磁链观测器；
[0122]
步骤二，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
[0123]
步骤三，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
[0124]
步骤四，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
[0125]
步骤五，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制。
[0126]
本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法如下步骤：
[0127]
步骤一，构建感应电机在两相静止坐标系下的状态方程；确定改进极点左移反馈矩阵，并构建全阶磁链观测器；
[0128]
步骤二，利用构建的全阶磁链观测器观测两相静止坐标系上的定子电流与转子磁链值；
[0129]
步骤三，基于观测到的转子磁链值估计磁链定向角，将估计的磁链定向角反馈至帕克变换、反帕克变换中；
[0130]
步骤四，基于全阶磁链观测器得到的定子电流估计反馈误差与磁链观测值，并构建速度观测器估计电机转速；
[0131]
步骤五，将估计得到的的电机转速值反馈至速度环控制器中进行无传感器矢量控制。
[0132]
本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于执行所述无速度传感器感应电机高速域的稳定控制方法。
[0133]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0134]
本发明实施例的仿真结果从图4可以看出前向欧拉法随着运行频率的增加，特征根接近并超出单位圆边界，此时离散化观测器观测结果将发散。而从图5可以看出，采用改进后向欧拉法的磁链观测器的特征根随着运行频率的上升依旧保持在单位圆内，可以得知离散化的全阶磁链观测器观测结果收敛。本发明实施例的仿真结果如图6、图7所示，可见采用本发明的无传感矢量控制方法可使得观测速度值与实际速度值快速收敛。在高速下，磁链观测器观测的α轴磁链值仍保持稳定，且稳态误差较小，证明本发明的观测方法可行。
[0135]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模
集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0136]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。