本發(fā)明涉及一種異步電機參數在線矯正方法，具體地說是異步電機轉子電阻及勵磁電感解耦矯正方法。

背景技術：

異步電機是一類高階多變量非線性強耦合系統，矢量控制的應用使其獲得了直流電機調速性能。間接矢量控制通過轉速和轉差頻率的加和獲得同步速度，進而獲得磁鏈定向角。該矢量控制算法簡單，易于工程實現，且具有較好的穩(wěn)定型，因此是應用較為廣泛的一種矢量控制方案。轉差頻率計算的準確性，完全取決于轉子時間常數的準確性，而該參數受溫度、磁飽和、渦流等因素的影響通常偏離其標稱值，制約著矢量定向的準確和間接矢量控制系統的性能。另外，在電動汽車驅動系統中，通常需要對整車控制系統下發(fā)的轉矩指令進行跟蹤，使得系統控制精度對參數變化更為敏感。當系統控制用轉子電阻、勵磁電感等參數偏離其真實值時，轉子磁場定向將會失準，系統的穩(wěn)態(tài)控制精度和動態(tài)響應能力都將下降。

為提升矢量控制性能，關鍵在于轉子電阻和勵磁電感的準確辨識。為此，人們做出了各種努力，如題為“一種基于無功功率的異步電機矢量控制轉子磁場準確定向方法”(陸海峰等，中國電機工程學報,2005年第25卷第6期116-120頁)的文章和題為“基于轉子磁鏈q軸分量的異步電機間接矢量控制轉差頻率校正”(樊揚等，中國電機工程學報,2009年第29卷第9期62-66頁)的文章。這兩篇文章分別提出了基于無功功率和轉子磁鏈交軸分量的磁鏈定向在線校正方案，前者利用無功功率的偏差對轉子時間常數進行在線校正，后者則利用轉子磁鏈交軸分量實現校正，但這兩種矯正算法都受勵磁電感影響。

題為“一種利用轉矩觀測矯正異步電機轉子磁場定向的方法”(燕俊峰等，中國電機工程學報，2015年第35卷第7期4517-4523頁)的文章。該文利用轉矩模型參考自適應對轉差頻率進行校正，但該方案受負載的影響較大。

題為“基于參數在線校正的電動汽車異步電機間接矢量控制”(張杰等，電工技術學報，2014第29卷第7期90-96頁)的文章。該文通過電壓的穩(wěn)態(tài)模型獲得磁鏈，并基于此設計了勵磁電感和轉子時間常數在線校正方案，雖然克服了磁鏈獲得的積分問題，但其校正方案的暫態(tài)性能受到磁鏈計算的影響。

綜上所述，現有技術均未能較好的實現參數及定向的在線矯正。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是克服上述各種參數矯正的局限性，針對電機運行過程中轉子電阻及勵磁電感的偏差，提供一種較為準確且快速的參數同時矯正方法。

為了實現本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種異步電機轉子電阻及勵磁電感解耦矯正方法，包括如下步驟：

步驟1，采集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓向量V、定子電流向量i和轉子電角速度ω_r；

步驟2，建立在靜止坐標系αβ下異步電機狀態(tài)空間表達式為：

在公式(1)中，e為反電動勢向量，為e的微分，為轉子磁鏈向量，為的微分，ω_s為轉子磁鏈電角速度，L_m為勵磁電感，L_r為轉子電感，L_s為定子電感，α_r＝R_r/L_r為轉子時間常數倒數，ε＝δL_sL_r/L_m，其中R_r為轉子電阻，R_s為定子電阻，為反對稱矩陣；

步驟3，根據公式(2)建立轉子磁鏈滑模觀測器，對轉子磁鏈向量進行觀測：

在公式(2)中，為反電動勢向量e的觀測值，為的微分，為轉子磁鏈向量觀測值，為的微分，為反電動勢誤差，為系統中給定勵磁電感，為系統中給定轉子電感，為系統中給定定子電感，為系統中給定轉子時間常數倒數，其中為系統中給定轉子電阻，為系統中給定定子電阻，k為設定的觀測器增益一，g為設定的觀測器增益二，k和g的數值均為負數；

步驟4，根據步驟1中得到定子電壓向量V、定子電流向量i和轉子電角速度ω_r，經過參數偏差時電流磁鏈模型計算獲得轉子磁鏈矢量計算值

步驟5，根據步驟3中獲得的轉子磁鏈向量觀測值和步驟4中獲得的轉子磁鏈矢量計算值經過叉乘獲得相位差正弦量sin(Δθ)，并設相位差Δθ≈sin(Δθ)，其中所述相位差為轉子磁鏈矢量計算值的相位，θ為轉子磁鏈向量觀測值的相位；

步驟6，根據步驟3中獲得的轉子磁鏈向量觀測值和步驟4中獲得的轉子磁鏈矢量計算值兩者幅值作差獲得幅值差

步驟7，利用電流磁鏈模型推導獲得加權系數一f₁、加權系數二f₂、加權系數三f₃、加權系數四f₄；

步驟8，根據步驟5中獲得的相位差Δθ、步驟6中獲得的幅值差和步驟7中獲得的四個加權系數f₁、f₂、f₃和f₄，構建解耦矯正函數一用于矯正系統中給定轉子電阻構建解耦矯正函數二用于矯正系統中給定勵磁電感

具體的，當系統中給定轉子電阻和系統中給定勵磁電感分別相對于轉子電阻R_r和勵磁電感L_m產生偏差時，進行以下兩種操作：

1)在系統中給定轉子電阻中減去經過PI調節(jié)器的解耦矯正函數一將其矯正回轉子電阻R_r；

2)在系統中給定勵磁電感中減去經過PI調節(jié)器的解耦矯正函數二將其矯正回勵磁電感L_m。

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓向量V的采集方式包括以下兩種：

第一種，采樣得到實時異步電機線電壓U_ab、U_cb，經過公式(3)的坐標變換獲得定子電壓向量V；

第二種，直接采用電機控制器運算單元計算出逆變器調制信號V′代替定子電壓向量V。

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流向量i的采集步驟如下：

1)采樣得到實時異步電機三相定子電流i_A、i_B、i_C；

2)利用公式(4)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流向量i。

優(yōu)選地，步驟1中所述的異步電機在靜止坐標系αβ下的轉子電角速度ω_r的采集步驟如下：

1)在一個預設采樣周期T內采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數N；

2)根據轉子電角速度ω_r和光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數N以及預設采樣周期T之間的關系計算出轉子電角速度ω_r，其計算公式為：

在公式(5)中，M為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈沖數，P為異步電機極對數，T為預設采樣周期。

優(yōu)選地，步驟2中所述的反電動勢e按如下步驟獲得：

1)將異步電機的數學模型表示成如下形式：

在公式(6)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，為定子電流向量i的微分；

將公式(6)中的反電動勢e表示成如下形式：

根據公式(6)，將高階電流滑模觀測器設計成如下形式：

2)將公式(8)中的控制項U設計成如下形式：

U＝U_eq+U_n (9)

在公式(9)中，其中，為電流觀測誤差；k_p為高階滑模觀測器的比例系數，且滿足k_p＞0；k_i為高階滑模觀測器的積分系數，且滿足k_i＞0；

在公式(9)中，U_n設計成如下形式：

在公式(10)中，k′為高階滑模觀測器增益，為U_n的微分，s為非奇異終端滑模面，

γ＝diag(γ_αγ_β)，γ_α＞0，γ_β＞0；

p，q為奇數，且滿足1＜p/q＜2,η₁₀＞0，η₁₁＞0；

3)當滿足時，非奇異終端滑模觀測器收斂，反電動勢向量e由(11)獲得，即：

e＝U (11)。

優(yōu)選地，步驟2中所述的異步電機狀態(tài)空間表達式(1)按如下步驟獲得：

1)將異步電機的數學模型表示成如下形式：

在公式(12)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，為i的微分；

在公式(12)中，反電動勢向量e按照下式計算：

令轉子電角速度ω_r的微分則反電動勢向量e的微分表示成如下形式：

在公式(14)中，轉子磁鏈電角速度ω_s由反電動勢e經過鎖相環(huán)獲得；

2)將異步電機數學模型式(12)中的第1行代入公式(14)以消除電流微分項則反電動勢向量e的微分進一步表述成如下形式：

3)將公式(15)和公式(12)中第2行聯合，構成異步電機狀態(tài)空間表達式(1)。

優(yōu)選地，步驟4中所述轉子磁鏈矢量計算值的獲得步驟如下：

1)將電流磁鏈模型表示成如下形式：

其中為轉子磁鏈標稱值,為轉子磁鏈標稱值的微分；

2)為建立參數偏差時電流磁鏈模型，將公式(16)中轉子時間常數倒數α_r替換為系統中給定轉子時間常數倒數勵磁電感L_m替換成系統中給定勵磁電感轉子磁鏈標稱值及轉子磁鏈標稱值的微分分別替換成轉子磁鏈矢量計算值和轉子磁鏈矢量計算值的微分則轉子磁鏈矢量計算值按如下公式獲得：

優(yōu)選地，步驟5中所述相位差正弦量sin(Δθ)按如下公式獲得：

公式(18)中，為轉子磁鏈向量觀測值的幅值，為轉子磁鏈矢量計算值的幅值。

優(yōu)選地，步驟6中幅值差按如下公式獲得：

公式(19)中，為轉子磁鏈向量觀測值的幅值，為轉子磁鏈矢量計算值的幅值。

優(yōu)選地，步驟7中加權系數一f₁、加權系數二f₂、加權系數三f₃、加權系數四f₄按如下步驟獲得：

1)電流磁鏈模型表示為如下形式：

其中為轉子磁鏈標稱值，為轉子磁鏈標稱值的微分，定義電感比例系數設電感比例系數C_mr不受磁飽和影響且為常值，電流磁鏈模型公式(20)簡化為：

將公式(21)中轉子電阻R_r替換為系統中給定轉子電阻勵磁電感L_m替換成系統中給定勵磁電感轉子磁鏈標稱值及轉子磁鏈標稱值的微分分別替換成轉子磁鏈矢量計算值和轉子磁鏈矢量計算值的微分獲得參數偏差時簡化電流磁鏈模型表示為如下公式：

2)將公式(22)減去公式(21)，得到：

其中為轉子電阻誤差，為勵磁電感誤差；

3)將公式(23)的相關量表示成如下向量形式：

其中θ₁為轉子磁鏈標稱值相角，θ₂為定子電流相角，j為虛部單位；

將公式(24)帶入(23)并設簡化獲得如下關聯函數表達式：

其中ω_s1＝ω_s-ω_r為轉差頻率，為勵磁電流給定值，為轉矩電流給定值，i_d為勵磁電流實際值，i_q為轉矩電流實際值；

4)當僅有勵磁電感變化時，即ΔR_r＝0時，公式(25)化簡為：

設取加權系數一加權系數二

5)當僅有轉子電阻變化時，即ΔL_m＝0時，公式(25)化簡為：

設

取加權系數三加權系數四

本發(fā)明相對于現有技術的有益效果是：

1、與基于無功功率和轉子磁鏈q軸分量矯正轉子時間常數方案相比，本發(fā)明不僅獲得了準確的轉子時間常數，且實現了勵磁電感的在線辨識。

2、與利用轉矩矯正方案相比，本發(fā)明在全轉矩范圍內均能實現較好的參數辨識，不存在輕載問題。

3、與通過穩(wěn)態(tài)下磁鏈模型矯正方案相比，本發(fā)明通過轉子磁鏈觀測器設計，克服了磁鏈獲得的積分問題的同時，不存在磁鏈暫態(tài)問題。

4、該方案將轉子電阻和勵磁電感矯正近似解耦，減小了參數矯正之間的相互影響，加快了參數矯正過程。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中選取的靜止坐標系。

圖2為本發(fā)明中矯正原理結構框圖。

圖3為本發(fā)明中僅勵磁電感變化的矯正效果實驗波形。

圖4為本發(fā)明中僅轉子電阻變化的矯正效果實驗波形。

圖5為本發(fā)明中參數同時變化的矯正效果實驗波形。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步闡述。

信號采集部分，定子電壓向量V和定子電流向量i是通過采樣定子線電壓U_ab、定子線電壓U_cb、定子A相電流i_A、定子B相電流i_B、定子C相電流i_C，并經過三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系變換獲得，實際轉子電角速度ω_r是利用光電式旋轉編碼器獲得。

圖1為本發(fā)明中選取的靜止坐標系，圖2為本發(fā)明中矯正原理結構框圖。參見圖1和圖2，本實施例按如下步驟進行。

步驟1，采集異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電壓向量V、定子電流向量i和轉子電角速度ω_r。

(一)定子電壓向量V

定子電壓向量V的采集方式包括以下兩種：

第一種，采樣得到實時異步電機線電壓U_ab、U_cb，經過公式(3)的坐標變換獲得定子電壓向量V；

在過程中，首先利用霍爾電壓傳感器采樣定子A、B兩相之間的線電壓和定子C、B兩相之間的線電壓，然后輸入帶有低通濾波器功能的采樣調理電路，實現電壓信號的采樣，定子電壓信號U_ab和U_cb；在數字信號處理芯片中通過編程對獲得的定子電壓信號U_ab和U_cb進行如式(3)所示的坐標變換，獲得定子電壓信號的所需形式定子電壓向量V。

第二種，直接采用電機控制器運算單元計算出逆變器調制信號V′代替定子電壓向量V。

(二)定子電流向量i

1)利用霍爾電流傳感器采集定子A相電流i_A、定子B相電流i_B、定子C相電流i_C；

2)然后將其采集的數據輸入電流采樣通道；在數字信號處理芯片中通過編程對獲得的電流采樣值i_A、i_B、i_C利用公式(4)的坐標變換獲得異步電機在靜止坐標系αβ下的定子電流向量i。

(三)轉子電角速度ω_r

1)在一個預設采樣周期T內采樣安裝在電機軸上的光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數N；

2)根據轉子電角速度ω_r和光電式旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數N以及預設采樣周期T之間的關系計算出轉子電角速度ω_r，其計算公式為：

在公式(5)中，M為光電式旋轉編碼器旋轉一周所產生的脈沖數，P為異步電機極對數，T為預設采樣周期。

步驟2，建立在靜止坐標系αβ下異步電機狀態(tài)空間表達式為：

在公式(1)中，e為反電動勢向量，為e的微分，為轉子磁鏈向量，為的微分，ω_s為轉子磁鏈電角速度，L_m為勵磁電感，L_r為轉子電感，L_s為定子電感，α_r＝R_r/L_r為轉子時間常數倒數，ε＝δL_sL_r/L_m，其中R_r為轉子電阻，R_s為定子電阻，為反對稱矩陣。

(一)所述的反電動勢e按如下步驟獲得：

1)將異步電機的數學模型表示成如下形式：

在公式(6)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，為定子電流向量i的微分；

將公式(6)中的反電動勢e表示成如下形式：

根據公式(6)，將高階電流滑模觀測器設計成如下形式：

2)將公式(8)中的控制項U設計成如下形式：

U＝U_eq+U_n (9)

在公式(9)中，其中，為電流觀測誤差；k_p為高階滑模觀測器的比例系數，且滿足k_p＞0；k_i為高階滑模觀測器的積分系數，且滿足k_i＞0；

在公式(9)中，U_n設計成如下形式：

在公式(10)中，k′為高階滑模觀測器增益，為U_n的微分，s為非奇異終端滑模面，

γ＝diag(γ_αγ_β)，γ_α＞0，γ_β＞0；

p，q為奇數，且滿足1＜p/q＜2,η₁₀＞0，η₁₁＞0；

3)當滿足時，非奇異終端滑模觀測器收斂，反電動勢向量e由(11)獲得，即：

e＝U (11)。

(二)所述的異步電機狀態(tài)空間表達式(1)按如下步驟獲得：

1)將異步電機的數學模型表示成如下形式：

在公式(12)中Γ＝L_r/L_m，λ＝L_rR_s/L_m，為i的微分；

在公式(12)中，反電動勢向量e按照下式計算：

慮到轉速等機械量的動態(tài)變化相比于定子電流和轉子磁鏈等電氣量的變化較慢，在電氣時間常數范圍內，令轉子電角速度ω_r的微分則反電動勢向量e的微分表示成如下形式：

在公式(14)中，轉子磁鏈電角速度ω_s由反電動勢e經過鎖相環(huán)獲得；

2)將異步電機數學模型式(12)中的第1行代入公式(14)以消除電流微分項則反電動勢向量e的微分進一步表述成如下形式：

3)將公式(15)和公式(12)中第2行聯合，構成異步電機狀態(tài)空間表達式(1)。

步驟3，根據公式(2)建立轉子磁鏈滑模觀測器，對轉子磁鏈向量進行觀測：

在公式(2)中，為反電動勢向量e的觀測值，為的微分，為轉子磁鏈向量觀測值，為的微分，為反電動勢誤差，為系統中給定勵磁電感，為系統中給定轉子電感，為系統中給定定子電感，為系統中給定轉子時間常數倒數，其中為系統中給定轉子電阻，為系統中給定定子電阻，k為設定的觀測器增益一，g為設定的觀測器增益二，k和g的數值均為負數。

步驟4，根據步驟1中得到定子電壓向量V、定子電流向量i和轉子電角速度ω_r，經過參數偏差時電流磁鏈模型計算獲得轉子磁鏈矢量計算值具體步驟如下；

1)將電流磁鏈模型表示成如下形式：

其中為轉子磁鏈標稱值,為轉子磁鏈標稱值的微分；

2)為建立參數偏差時電流磁鏈模型，將公式(16)中轉子時間常數倒數α_r替換為系統中給定轉子時間常數倒數勵磁電感L_m替換成系統中給定勵磁電感轉子磁鏈標稱值及轉子磁鏈標稱值的微分分別替換成轉子磁鏈矢量計算值和轉子磁鏈矢量計算值的微分則轉子磁鏈矢量計算值按如下公式獲得：

步驟5，根據步驟3中獲得的轉子磁鏈向量觀測值和步驟4中獲得的轉子磁鏈矢量計算值經過叉乘獲得相位差正弦量sin(Δθ)，并設相位差Δθ≈sin(Δθ)，其中所述相位差為轉子磁鏈矢量計算值的相位，θ為轉子磁鏈向量觀測值的相位。

所述相位差正弦量sin(Δθ)按如下公式獲得：

公式(18)中，為轉子磁鏈向量觀測值的幅值，為轉子磁鏈矢量計算值的幅值，且sin(Δθ)≈Δθ。

步驟6，根據步驟3中獲得的轉子磁鏈向量觀測值和步驟4中獲得的轉子磁鏈矢量計算值兩者幅值作差獲得幅值差其計算公式為；

公式(19)中，為轉子磁鏈向量觀測值的幅值，為轉子磁鏈矢量計算值的幅值。

步驟7，利用電流磁鏈模型推導獲得加權系數一f₁、加權系數二f₂、加權系數三f₃、加權系數四f₄。具體的，按照如下步驟獲得：

1)電流磁鏈模型表示為如下形式：

其中為轉子磁鏈標稱值，為轉子磁鏈標稱值的微分，定義電感比例系數設電感比例系數C_mr不受磁飽和影響且為常值，電流磁鏈模型公式(20)簡化為：

將公式(21)中轉子電阻R_r替換為系統中給定轉子電阻勵磁電感L_m替換成系統中給定勵磁電感轉子磁鏈標稱值及轉子磁鏈標稱值的微分分別替換成轉子磁鏈矢量計算值和轉子磁鏈矢量計算值的微分獲得參數偏差時簡化電流磁鏈模型表示為如下公式：

2)將公式(22)減去公式(21)，得到：

其中為轉子電阻誤差，為勵磁電感誤差；

3)將(23)相關量表示成如下向量形式：

其中θ₁為轉子磁鏈標稱值相角，θ₂為定子電流相角,j為虛部單位；

將公式(24)帶入(23)并設簡化獲得如下關聯函數表達式：

其中ω_s1＝ω_s-ω_r為轉差頻率，為勵磁電流給定值，為轉矩電流給定值，i_d為勵磁電流實際值，i_q為轉矩電流實際值；

4)當僅有勵磁電感變化時，即ΔR_r＝0時，公式(25)化簡為：

設取加權系數一加權系數二

5)當僅有轉子電阻變化時，即ΔL_m＝0時，公式(25)化簡為：

設

取加權系數三加權系數四

步驟8，根據步驟5中獲得的相位差Δθ、步驟6中獲得的幅值差和步驟7中獲得的四個加權系數f₁、f₂、f₃和f₄，構建解耦矯正函數一用于矯正系統中給定轉子電阻構建解耦矯正函數二用于矯正系統中給定勵磁電感

具體的，當系統中給定轉子電阻和系統中給定勵磁電感分別相對于轉子電阻R_r和勵磁電感L_m產生偏差時，進行以下兩種操作：

1)在系統中給定轉子電阻中減去經過PI調節(jié)器的解耦矯正函數一將其矯正回轉子電阻R_r；

2)在系統中給定勵磁電感中減去經過PI調節(jié)器的解耦矯正函數二將其矯正回勵磁電感L_m。

圖3-5給出了本實施例在轉子電阻和勵磁電感辨識過程中的性能表現。

實驗電機參數：額定功率p_N＝15kW,額定電壓U_N＝180V,轉子電阻R_r＝0.0122Ω，定子電阻R_s＝0.027Ω，勵磁電感L_m＝2.18mΗ，轉子電感L_r＝2.271mΗ，定子電感L_s＝2.271mΗ，極對數P＝2,額定頻率f_N＝120HZ。實驗中觀測器參數的給定值為：k_p＝0.1，k_i＝100，γ_α＝0.001，γ_β＝0.001，p＝13，q＝11，η₁₀＝100，η₁₁＝100；k′＝3448，k＝-1000，g＝-0.1。

在試驗中為了更好地研究參數校正方案的性能，避免電機磁飽和因素的結果分析的影響，實驗時對電機進行了弱磁運行，讓電機工作在磁路的線性區(qū)域。給定電角速度10Hz，給定勵磁電流35A，轉矩電流35A。圖3中僅勵磁電感變化30％，可以發(fā)現啟用矯正后，勵磁電感能較快地矯正回真實值，轉子電阻受影響很小；圖4中僅轉子電阻變化50％，同樣，啟用矯正后轉子電阻能較快回到真實在，勵磁電感受影響較?。粓D5轉子電阻和勵磁電感同時變化，該算法能較快地將兩個參數矯正回真實值。