變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的轉(zhuǎn)子位置和速度信息。本發(fā)明方法可以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的位置和速度信息。
【專利說明】變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的轉(zhuǎn)子位置和速
度信息。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)中，由于采用永磁同步電機(jī)(PMSM)的方案效率較高，因此這種方案具有著重要的地位。特別是在電力機(jī)器人和小型機(jī)器人中，PMSM由于這些優(yōu)點(diǎn)而得到了更多的應(yīng)用。但是，一般情況下，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用機(jī)械式位置傳感器來檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和動(dòng)子位置，如光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。然而，機(jī)械式傳感器的存在帶來了很多弊端:1)電機(jī)與控制器之間的連接元件增多，坑干擾能力變差，降低了系統(tǒng)可靠性；2)加大了電機(jī)空間尺寸和體積,減少了功率密度,增加了系統(tǒng)的硬件成本和維護(hù)成本；
3)在高溫與強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，將使傳感器性能變差、甚至失效，導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無法正常工作。
[0003]而能否對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)是永磁同步發(fā)電機(jī)高性能控制策略(矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩)和無位置傳感器運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的前提條件，也是關(guān)系到機(jī)器人是否順利起動(dòng)，以及能否實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的關(guān)鍵問題；因此，轉(zhuǎn)子初始位置檢測一直是工程技術(shù)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一，尤其在電力機(jī)器人中，因?yàn)闄C(jī)器人所進(jìn)行的操作為基本為高壓操作，檢測的線路非常危險(xiǎn)，如果轉(zhuǎn)子初始位置檢測不準(zhǔn)確，會(huì)造成電力機(jī)器人的反響轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果有可能因?yàn)檎`操作破壞整個(gè)電力線路和機(jī)器人，嚴(yán)重的甚至?xí)斐筛邏憾搪贰?br> [0004]傳感器的核心是控制系統(tǒng)能對(duì)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置和速度進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，常用無傳感器的控制方法可分為2類:
[0005]1、采用電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算法，如直接計(jì)算法、反電動(dòng)勢積分法等，基于開環(huán)的計(jì)算方法簡單直接，動(dòng)態(tài)性能較好；但計(jì)算時(shí)依賴電機(jī)參數(shù)，而電機(jī)運(yùn)行時(shí)參數(shù)總處于變化之中，這樣勢必會(huì)影響轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的準(zhǔn)確性；并且在電機(jī)速度很低時(shí)，反電動(dòng)勢非常小，容易和各種干擾信號(hào)摻雜在一起，信噪比變低，使得反電勢難于檢測；所以這種方法并不適合用于電機(jī)靜止或低速時(shí)無傳感器位置估算；
[0006]3、基于外部高頻信號(hào)注入的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方案，如旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法、旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法和旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法；高頻信號(hào)注入法是通過給電機(jī)三相繞組注入高頻信號(hào)(電壓或電流信號(hào))，依靠電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的凸極性或由于飽和導(dǎo)致的凸極效應(yīng)，使高頻信號(hào)產(chǎn)生的磁場受到轉(zhuǎn)子凸極的調(diào)制作用，因此高頻信號(hào)中將帶有轉(zhuǎn)子位置信息，再將高頻信號(hào)從定子電流或電壓中解調(diào)出來就能提取出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息；這種方法依靠外加激勵(lì)信號(hào)，并不依賴于轉(zhuǎn)速，但估算轉(zhuǎn)子位置所需要的時(shí)間較長，位置量更新頻率不高，所以高頻信號(hào)注入法在電機(jī)靜止和低速時(shí)有更好的估算效果。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，能夠使永磁同步電機(jī)在全速下都能夠完美穩(wěn)定地運(yùn)行。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的轉(zhuǎn)子位置和速度信息，具體包括如下步驟:
[0010](I)在PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測時(shí)采用初始位置跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)，首先在電流開環(huán)的情況下，在兩相旋轉(zhuǎn)J-C/坐標(biāo)系下注入高頻電壓信號(hào)，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)子位置跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)，估計(jì)出PMSM轉(zhuǎn)子初始位置；
[0011](2)變電站巡視機(jī)器人運(yùn)行后，采用混合觀測器對(duì)機(jī)器人位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，所述混合觀察器的結(jié)構(gòu)為采用高頻注入觀測器和滑膜觀測器相結(jié)合的方式并經(jīng)過模糊控制器處理檢測到的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置；
[0012]高頻注入觀測器的檢測原理為:通過軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序高頻電流的相位的跟蹤，從而獲取矢量角誤差，同時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)矢量角的誤差使之趨于零，使PMSM轉(zhuǎn)子
位置的估計(jì)值收斂于 真實(shí)值Θ “
[0013]滑膜;^^器的檢測原理為:首先采用滑膜觀測器對(duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行估算，隨后通過檢測電流和觀測電流之間的誤差構(gòu)成?；鎸?duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行觀測，以
獲得轉(zhuǎn)子位置檢測值I；
[0014]模糊控制器用于替代傳統(tǒng)的加權(quán)算法，將高頻注入觀測器和滑膜觀測器的檢測誤差ε和誤差變化率cU作為模糊控制器的輸入，PMSM轉(zhuǎn)子位置信作為模糊控制器的輸出；
[0015](3)通過模型參考?xì)w一化算法得到PMSM的運(yùn)行速度η并將運(yùn)行速度η反饋到混合觀測器中的模糊控制器中，調(diào)節(jié)混合因子a (e)，運(yùn)行速度汆可.改變混合因子a (e)函數(shù)的形狀，根據(jù)不同的運(yùn)行速度η調(diào)整高頻注入觀測器和滑膜觀測器對(duì)控制輸出的影響，獲得不同的控制特性；
[0016](4)為了解決PMSM在低速下運(yùn)行，凸極效應(yīng)所帶來的誤差，采用SVPWM技術(shù)控制，每一次PWM周期中都有三種線性無關(guān)的Vm、Vn和V1電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變ia 0m、ia 0η和ia 01，根據(jù)前后兩次線性無關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計(jì)算出電感矩陣，從而計(jì)算出交、直軸電感，并將交、直軸電感反饋到高頻注入觀測器和滑膜觀測器，對(duì)凸極效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供的變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，具有如下特點(diǎn):1、采用無位置傳感器技術(shù)節(jié)約了硬件成本和維修成體，同時(shí)提高了系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性；2、采用初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠非常準(zhǔn)確地檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的順利啟動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)；3、采用混合觀測器檢測位置信息的方法，可以實(shí)現(xiàn)全速度周期的位置信息的實(shí)時(shí)在線檢測，同時(shí)提高了變電站巡視機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度；4、采用歸一化算法估算機(jī)器人運(yùn)行速度，可避免對(duì)角度微分得到速度而引入的測量噪音誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為旋轉(zhuǎn)式高頻電壓注入法原理圖；
[0019]圖2為帶有滑模觀測器的擴(kuò)展反電動(dòng)勢檢測法原理圖；
[0020]圖3為基于SVPWM的電壓矢量與電流響應(yīng)變化圖；
[0021]圖4為帶有模糊控制器的混合觀測器；
[0022]圖5為模糊控制器的原理圖；
[0023]圖6為混合函數(shù)因子曲線圖；
[0024]圖7為歸一化算法的轉(zhuǎn)速估計(jì)器框圖；
[0025]圖8為初始位置跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0027]變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的轉(zhuǎn)子位置和速度信息，具體包括如下步驟:
[0028](I)在PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測時(shí)采用初始位置跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)，首先在電流開環(huán)的情況下，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下注入高頻電壓信號(hào)，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)子位置跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)，估計(jì)出PMSM轉(zhuǎn)子初始位置；
[0029](2)變電站巡視機(jī)器人運(yùn)行后，采用混合觀測器對(duì)機(jī)器人位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，所述混合觀察器的結(jié)構(gòu)為采用高頻注入觀測器和滑膜觀測器相結(jié)合的方式并經(jīng)過模糊控制器處理檢測到的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置；
[0030]高頻注入觀測器的檢測原理為:通過軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序高頻電流的相位的跟蹤，從而獲取矢量角誤差，同時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)矢量角的誤差使之趨于零，使PMSM轉(zhuǎn)子
位置的估計(jì)值I收斂于真實(shí)值Θ r ；
[0031]滑膜觀測器的檢測原理為:首先采用滑膜觀測器對(duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行估算，隨后通過檢測電流和觀測電流之間的誤差構(gòu)成?；鎸?duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行觀測，以
獲得轉(zhuǎn)子位置檢測值I
[0032]模糊控制器用于替代傳統(tǒng)的加權(quán)算法，將高頻注入觀測器和滑膜觀測器的檢測誤差ε和誤差變化率cU作為模糊控制器的輸入，PMSM轉(zhuǎn)子位置信息是作為模糊控制器的輸出；
[0033](3)通過模型參考?xì)w一化算法得到PMSM的運(yùn)行速度火，并將運(yùn)行速度汆 >反饋到混合觀測器中的模糊控制器中，調(diào)節(jié)混合因子a (e)，運(yùn)行速度汆可改變混合因子a (e)函數(shù)的形狀，根據(jù)不同的運(yùn)行速度兔.調(diào)整高頻注入觀測器和滑膜觀測器對(duì)控制輸出的影響，獲得不同的控制特性；
[0034](4)為了解決PMSM在低速下運(yùn)行，凸極效應(yīng)所帶來的誤差，采用SVPWM技術(shù)控制，每一次PWM周期中都有三種線性無關(guān)的Vm、Vn和V1電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變ia 0m、ia 0η和ia 01，根據(jù)前后兩次線性無關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計(jì)算出電感矩陣，從而計(jì)算出交、直軸電感，并將交、直軸電感反饋到高頻注入觀測器和滑膜觀測器，對(duì)凸極效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0035]下面結(jié)合本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想做出進(jìn)一步的分析和說明。
[0036]變電站巡視機(jī)器人啟動(dòng)后，采用混合觀測器對(duì)機(jī)器人位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，其中高頻注入觀測器的檢測原理為:
[0037]旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入的原理如圖1所示，設(shè)旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)的角頻率為幅值為Vsi，則旋轉(zhuǎn)聞?lì)l電壓?目號(hào)1Vs;表不為:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.變電站巡視機(jī)器人采用混合觀測裝置檢測位置信息的方法，其特征在于:將初始位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)、混合觀測器、模型參考?xì)w一化算法、模糊控制器、凸極效應(yīng)補(bǔ)償控制器和混合觀測器結(jié)合在一起，以準(zhǔn)確、有效的檢測變電站巡視機(jī)器人的轉(zhuǎn)子位置和速度信息，具體包括如下步驟: (1)在PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測時(shí)采用初始位置跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)，首先在電流開環(huán)的情況下，在兩相旋轉(zhuǎn)纟坐標(biāo)系下注入高頻電壓信號(hào)，通過構(gòu)建轉(zhuǎn)子位置跟蹤閉環(huán)系統(tǒng)，估計(jì)出PMSM轉(zhuǎn)子初始位置； (2)變電站巡視機(jī)器人運(yùn)行后，采用混合觀測器對(duì)機(jī)器人位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，所述混合觀察器的結(jié)構(gòu)為采用高頻注入觀測器和滑膜觀測器相結(jié)合的方式并經(jīng)過模糊控制器處理檢測到的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置；高頻注入觀測器的檢測原理為:通過軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序高頻電流的相位的跟蹤，從而獲取矢量角誤差，同時(shí)采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)矢量角的誤差使之趨于零，使PMSM轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值4收斂于真實(shí)值Θ r ；滑膜觀測器的檢測原理為:首先采用滑膜觀測器對(duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行估算，隨后通過檢測電流和觀測電流之間的誤差構(gòu)成?；鎸?duì)擴(kuò)展反電動(dòng)勢EEMF進(jìn)行觀測，以獲得轉(zhuǎn)子位置檢測值I;模糊控制器用于替代傳統(tǒng)的加權(quán)算法，將高頻注入觀測器和滑膜觀測器的檢測誤差ε和誤差變化率cU作為模糊控制器的輸入，PMSM轉(zhuǎn)子位置信作為模糊控制器的輸出； (3)通過模型參考?xì)w一化算法得到PMSM的運(yùn)行速度汆，并將運(yùn)行速度汆7反饋到混合觀測器中的模糊控制器中，調(diào)節(jié)混合因子a (e)，運(yùn)行速度化可改變混合因子a (e)函數(shù)的形狀，根據(jù)不同的運(yùn)行速度》調(diào)整高頻注入觀測器和滑膜觀測器對(duì)控制輸出的影響，獲得不同的控制特性； (4)為了解決PMSM在低速下運(yùn)行，凸極效應(yīng)所帶來的誤差，采用SVPWM技術(shù)控制，每一次PWM周期中都有三種線性無關(guān)的Vm、Vn和V1電壓矢量，其中每一種電壓矢量，對(duì)應(yīng)著不同的響應(yīng)電流值變i α em、i α en和i α ei，根據(jù)前后兩次線性無關(guān)的電壓矢量而產(chǎn)生的電流響應(yīng)值計(jì)算出電感矩陣，從而計(jì)算出交、直軸電感，并將交、直軸電感反饋到高頻注入觀測器和滑膜觀測器，對(duì)凸極效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
【文檔編號(hào)】H02P21/14GK104009697SQ201410230665
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強(qiáng), 黃磊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)