基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，基于兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路，設計考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器；改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器；以定子電流觀測誤差為負反饋，設計反饋矩陣對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點配置。本發(fā)明，通過考慮鐵耗的狀態(tài)觀測器設計、狀態(tài)觀測器離散化方法設計以及閉環(huán)極點配置等環(huán)節(jié)，提高狀態(tài)觀測器收斂速度和觀測精度。
【專利說明】
基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及動車組牽引傳動系統(tǒng)，具體說是基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈 (轉子磁鏈)觀測方法。
【背景技術】
[0002] 異步牽引電機控制技術是牽引傳動系統(tǒng)的核屯、技術，目前研究和應用較多的仍為 磁場定向控制。磁場定向控制的性能依賴于轉矩和磁鏈的完全解禪，對于異步牽引電機而 言，準確觀測異步牽引電機磁鏈(轉子磁鏈)是實現(xiàn)解禪的關鍵。
[0003] 傳統(tǒng)基于模型的電機磁鏈觀測方法存在參數(shù)敏感及積分飽和等問題，傳統(tǒng)基于狀 態(tài)觀測器的電機磁鏈觀測方法存在離散誤差大、極點配置復雜等問題，且上述電機磁鏈觀 測方法均未考慮鐵耗影響。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供基于鐵耗模型的異步牽引電 機磁鏈觀測方法，通過考慮鐵耗的狀態(tài)觀測器設計、狀態(tài)觀測器離散化方法設計W及閉環(huán) 極點配置等環(huán)節(jié)，提高狀態(tài)觀測器收斂速度和觀測精度。狀態(tài)觀測器亦稱為磁鏈觀測器。
[0005] 為達到W上目的，本發(fā)明采取的技術方案是：
[0006] 基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于：
[0007] 基于兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路，設計考慮鐵耗的開環(huán) 狀態(tài)觀測器；
[000引改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器；
[0009] W定子電流觀測誤差為負反饋，設計反饋矩陣對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點配置。
[0010] 在上述技術方案的基礎上，所述考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路是指:將鐵耗 電阻同勵磁電感并聯(lián)的等效電路。
[0011] 在上述技術方案的基礎上，所述考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器是指：W定子電流和 轉子磁鏈為狀態(tài)變量、W定子電壓為輸入量的開環(huán)狀態(tài)觀測器。
[0012] 在上述技術方案的基礎上，通過等效電路推導得到開環(huán)狀態(tài)觀測器時，依據(jù)等效 電路的電壓方程、磁鏈方程W及鐵耗電阻所在支路的回路電壓方程作為基本方程。
[0013] 在上述技術方案的基礎上，推導得到的考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(1)所示：
[0014]
Cl)〇
[0015] 在上述技術方案的基礎上，改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法是指:將式（1)中的 定子電流和轉子磁鏈方程分別在定、轉子坐標系下采用一階前向歐拉離散，得到改進開環(huán) 狀態(tài)觀測器。
[0016] 在上述技術方案的基礎上，改進開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(8)所示：
[0017]
[0018] 在上述技術方案的基礎上，引入反饋矩陣Κ對式(8)所示改進開環(huán)狀態(tài)觀測器進行 極點配置，得到改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器；
[0019] 反饋矩陣如式(11)所示：
[0023] 在上述技術方案的基礎上，離散域下極點配置原則為:觀測器極點應配置為異步 牽引電機模型極點的Ρ倍，且P<1;即：
[0024] λ〇 = ρλ" (13)。
[0025] 本發(fā)明所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，用于實現(xiàn)對異步牽引 電機磁鏈的準確觀測，通過考慮鐵耗的狀態(tài)觀測器設計、狀態(tài)觀測器離散化方法設計W及 閉環(huán)極點配置等環(huán)節(jié)，提高狀態(tài)觀測器收斂速度和觀測精度。
【附圖說明】
[00%]本發(fā)明有如下附圖：
[0027]圖1兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路。
[002引其中：圖1.a為α軸等效電路。
[00巧]圖l.b為β軸等效電路。
[0030] 圖2閉環(huán)狀態(tài)觀測器控制框圖。
[0031] 圖3采用傳統(tǒng)一階前向歐拉法的開環(huán)狀態(tài)觀測器和閉環(huán)狀態(tài)觀測器極點分布圖。
[0032] 圖4改進離散化方法的開環(huán)狀態(tài)觀測器和閉環(huán)狀態(tài)觀測器極點分布圖。
【具體實施方式】
[0033] W下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034] 本發(fā)明所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，包括：
[0035] 基于兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路，設計考慮鐵耗的開環(huán) 狀態(tài)觀測器；
[0036] 改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器，解決傳統(tǒng)一階前 向歐拉法在低計算頻率下中高速區(qū)觀測結果發(fā)散、觀測誤差大的問題；
[0037] W定子電流觀測誤差為負反饋，設計反饋矩陣對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點配置， 提高閉環(huán)狀態(tài)觀測器收斂速度和參數(shù)魯棒性。
[0038] 具體包括如下步驟：
[0039] 步驟1，基于兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路，設計考慮鐵耗 的開環(huán)狀態(tài)觀測器：
[0040] 在兩相靜止坐標系的基礎上，采用將鐵耗電阻同勵磁電感并聯(lián)的等效電路進行分 析，推導得到W定子電流和轉子磁鏈為狀態(tài)變量、W定子電壓為輸入量的開環(huán)狀態(tài)觀測器 (即考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器）；
[0041] 所述推導得到的考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(1)所示：
[0042]
[0043] 推導中（指通過等效電路推導得到開環(huán)狀態(tài)觀測器時），可依據(jù)等效電路的電壓方 程、磁鏈方程W及鐵耗電阻所在支路的回路電壓方程作為基本方程；
[0044] 其中；
[0051 ] is地=isa+化e為定子電流矢量，斯..W =巧,? +獻/勸轉子磁鏈矢量，Vsae = Vsa+jVse為定 子電壓矢量，?α脈分別為定、轉子電阻，1-和以分別為定、轉子電感，Lm為激磁電感，ωτ為轉 子角頻率，Qe為定子角頻率，R'Fe為鐵耗電阻倒數(shù)值，Tr為轉子時間常數(shù)，-4 /4， L肝=叫,'心
[0052] 步驟2,改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器：
[0053] 將式（1)中的定子電流和轉子磁鏈方程分別在定、轉子坐標系下采用一階前向歐 拉離散，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器；
[0054] 改進開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(8)所示：
[0058]步驟3, W定子電流觀測誤差為負反饋，設計反饋矩陣對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點 配置：
[0059] 步驟3.1，由式(8)得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器狀態(tài)矩陣：
[0060]
[0061] 步驟3.2,選取定子電流觀測誤差為負反饋，引入反饋矩陣K對式(8)所示改進開環(huán) 狀態(tài)觀測器進行極點配置，推導改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器；
[0062] 反饋矩陣K如下：
[0066] 在如式（12)中的改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器的基礎上，并依據(jù)離散域下極點配置原則提 高其整體的收斂速度和參數(shù)魯棒性。所述離散域下極點配置原則為:觀測器極點應配置為 異步牽引電機模型極點的P倍，且P<1;即：
[0067] λ〇 = ρλ" (13)
[0068] 其中λ。為離散域下觀測器極點，λ。為離散域下異步牽引電機極點；
[0069] 步驟3.3,如圖2所示，采用電機模型和觀測器模型所構成的改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器， 對其中反饋矩陣進行求解；
[0070] 其中圖2中A、B、C、F代表電機模型和觀測器模型中的狀態(tài)矩陣。
[0071] 令；

[0082] 依據(jù)上述步驟1~3,可構成基于鐵耗模型的異步牽引電機狀態(tài)觀測器。
[0083] 圖3和圖4分別給出了傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器(傳統(tǒng)一階前向歐拉法的開環(huán)狀態(tài)觀測器和 閉環(huán)狀態(tài)觀測器)和本發(fā)明所提出的狀態(tài)觀測器(改進離散化方法的開環(huán)狀態(tài)觀測器和閉 環(huán)狀態(tài)觀測器)的異步牽引電機極點軌跡對比。
[0084] 從圖3和圖4可W看到，采用本發(fā)明所述狀態(tài)觀測器方法后，不再存在異步牽引電 機極點隨轉速升高而逐漸遠離實軸的運動模態(tài)，較好的改善了傳統(tǒng)方法在中高速區(qū)的不穩(wěn) 定現(xiàn)象，且經過離散域下的極點配置，閉環(huán)狀態(tài)觀測器的極點更靠近坐標原點，具有較好的 收斂速度，另外本發(fā)明所述的改進離散化的閉環(huán)狀態(tài)觀測器方法的處理器計算負荷與傳統(tǒng) 一階歐拉方法幾乎相當。
[0085] 由W上本發(fā)明的技術方案可知，本發(fā)明所具有的有益效果在于：
[0086] 1、設計了兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器；
[0087] 2、如式(8)所示的改進開環(huán)狀態(tài)觀測器所示對傳統(tǒng)離散化方法進行了改進，解決 了傳統(tǒng)方法在低計算頻率下觀測結果發(fā)散、觀測誤差大等問題，且易于數(shù)字實現(xiàn)；
[0088] 3、對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行了極點配置，提高了觀測器收斂速度和參數(shù)魯棒性。
[0089] 1)圖1為本發(fā)明提供的考慮鐵耗時兩相靜止坐標系下異步牽引電機等效電路，由 等效電路得到兩相靜止坐標系下電壓方程、轉子磁鏈方程及電流方程，由基本方程推導得 到W定子電流、轉子磁鏈和鐵耗支路電流為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程：
[0090]
[0091] 上式形式過于復雜，不利于理論分析及工程應用?？紤]到轉子磁鏈和轉速受轉子 時間常數(shù)和機械時間常數(shù)限制而變化緩慢，結合勵磁支路電壓方程可知鐵耗支路電流在一 個控制周期內幾乎保持不變；同時考慮到異步牽引電機漏感較小，則定子電流狀態(tài)方程中 的微分項系數(shù)接近于0,故可忽略其鐵耗支路電流的微分項;進一步將鐵耗電流用定子電流 和轉子磁鏈表示，經推導得到式（1)所示簡化的開環(huán)狀態(tài)觀測器模型。
[0092] (2)改進離散化方法的推導過程，將開環(huán)狀態(tài)觀測器轉子磁鏈方程在轉子坐標系 下處理，并經一階前向歐拉離散得到：
[0093]
[0094] 其中上標r表示轉子坐標系下的物理量，為與定子電流方程保持一致，通過下式進 行定轉子坐標系轉換：
[0095]
[0096] 經轉換得到式(8)所示采用改進離散化方法的開環(huán)狀態(tài)觀測器模型。
[0097] (3)極點配置過程，由式（10)和（17)所示異步牽引電機模型和閉環(huán)狀態(tài)觀測器模 型，得到兩個模型的特征方程分別為：
[0107] 對上式進行求解，得到式(18)和(19)所示反饋矩陣元素表達式。
[0108] 在本實施例中，設計了考慮鐵耗的狀態(tài)觀測器，并對觀測器進行了優(yōu)化離散化方 法設計和極點配置，提高了觀測器觀測精度和參數(shù)魯棒性。
[0109] 最后應說明的是：W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制;盡管 參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可 W對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換； 而運些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。
[0110] 本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。
【主權項】
1. 基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于： 基于兩相靜止坐標系下考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路，設計考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài) 觀測器； 改進開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器； 以定子電流觀測誤差為負反饋，設計反饋矩陣對閉環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點配置。2. 如權利要求1所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:所述 考慮鐵耗的異步牽引電機等效電路是指:將鐵耗電阻同勵磁電感并聯(lián)的等效電路。3. 如權利要求2所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:所述 考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器是指：以定子電流和轉子磁鏈為狀態(tài)變量、以定子電壓為輸入 量的開環(huán)狀態(tài)觀測器。4. 如權利要求2所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:通過 等效電路推導得到開環(huán)狀態(tài)觀測器時，依據(jù)等效電路的電壓方程、磁鏈方程以及鐵耗電阻 所在支路的回路電壓方程作為基本方程。5. 如權利要求3所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:推導 得到的考慮鐵耗的開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(1)所示：6. 如權利要求5所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:改進 開環(huán)狀態(tài)觀測器的離散化算法是指:將式（1)中的定子電流和轉子磁鏈方程分別在定、轉子 坐標系下采用一階前向歐拉離散，得到改進開環(huán)狀態(tài)觀測器。7. 如權利要求6所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:改進 開環(huán)狀態(tài)觀測器如式(8)所示：8. 如權利要求7所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于：引入 反饋矩陣K對式(8)所示改進開環(huán)狀態(tài)觀測器進行極點配置，得到改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器； 反饋矩陣如式(11)所示：得到改進閉環(huán)狀態(tài)觀測器：9. 如權利要求8所述的基于鐵耗模型的異步牽引電機磁鏈觀測方法，其特征在于:離散 域下極點配置原則為:觀測器極點應配置為異步牽引電機模型極點的P倍，且P〈l;即： λ-o - (13)〇
【文檔編號】H02P21/26GK106059426SQ201610379819
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】刁利軍, 唐敬, 董侃, 尹少博, 劉志剛
【申請人】北京交通大學