一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术领域，更具体的，涉及一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法。

背景技术

在异步电机的许多工业应用中，准确的转子转速是不可或缺的。然而，用作速度传感器的旋转编码器用在异步电机的控制系统中时，不可避免地存在高成本、低可靠性、脆弱的机械结构、复杂的硬件设计和额外的布线等问题。因此，近年来，异步电机的无速度传感器矢量控制系统得到了充分地发展和广泛地讨论。

异步电机的无速度传感器矢量控制系统有许多优点，包括但不限于：降低了控制系统的设计成本、增强了系统的机械鲁棒性、减少了硬件复杂度以及因为不使用速度传感器而可以广泛应用在各类恶劣环境(如多尘、潮湿等极端工作环境)中等。然而，异步电机无速度传感器矢量控制系统的稳定性会在异步电机的同步转速接近零值时被破坏。究其原因，异步电机的无速度传感器矢量控制系统在估计异步电机的转子转速时，使用转速自适应律来计算转子转速，而转子转速的观测强烈依赖于同步转速。当同步转速为零时，系统失去了对转子转速的可观测性，因而零同步转速会导致系统失稳。

为了保证异步电机在接近零同步转速时仍能保持对转子转速的良好观测，目前效果较为良好的一种做法是通过控制异步电机的励磁电流来维持其同步转速保持在一个限制值以上，并在合适的运行工况点快速穿越零同步转速区域。然而，异步电机是一个非线性、强耦合的复杂系统，异步电机在带负载情况下，如果励磁电流的改变不能瞬时引起转矩电流的改变，即实际的转矩电流与励磁电流指令值之间存在相位差，则可能因电磁转矩和负载转矩的不匹配而造成电机失稳。

因此，从励磁电流指令值到异步电机转矩电流实际值的环路分析与进行响应的补偿控制成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法，用以解决因实际的转矩电流与励磁电流指令值之间存在的相位差而可能导致的电磁转矩和负载转矩的不匹配进而造成电机失稳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法，包括步骤：

构建异步电机的无速度传感器矢量控制系统，获取异步电机转子转速估计值的自适应律函数；

获取电流解耦控制下的异步电机定子电流与定子电压之间的传递函数；

基于包括异步电机定子电流误差与转子转速误差函数、异步电机的运动函数、所述自适应律函数和所述传递函数，构建异步电机广义电流环路模型；

基于所述异步电机广义电流环路模型，获取异步电机实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的开环传递函数，并将所述开环传递函数通过图形化方式处理以获取实际相位延迟值；

获取若干个预设频率下所述开环传递函数相位延迟的绝对值的最小值，将所述最小值对应的相位补偿到转矩电流指令值环路从而构建新的转矩电流指令值，进而补偿所述实际相位延迟值。

进一步地，所述异步电机转子转速估计值的自适应律函数具体为：

其中，

进一步地，所述异步电机定子电流与定子电压之间的传递函数具体为：

其中，i

进一步地，所述异步电机定子电流误差与转子转速误差函数具体为：

其中，n

进一步地，所述异步电机的运动函数具体为：

其中，J

进一步地，所述异步电机实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的开环传递函数具体为：

其中，i

进一步地，所述将所述开环传递函数通过图形化方式处理以获取实际相位延迟值具体为：

绘制所述开环传递函数对应的Bode图，并基于所述Bode图分析获取实际相位延迟值。

进一步地，所述若干个预设频率包括0.0001Hz、0.001Hz、0.01Hz和0.1Hz中的一种或多种。

按照本发明的第二个方面，提供了一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制设备，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。

按照本发明的第三个方面，提供了一种存储介质，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行上述任一项所述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过构建异步电机广义电流环路的数学模型，分析获取异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间的相位延迟，并基于最小相位延迟的补偿方法消除了异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间的相位延迟，从而避免了因实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的相位延迟而导致的电磁转矩和负载转矩不匹配的情形，保证了全工况下电机运行的稳定性。

(2)采用最小相位延迟的补偿方法，还可以有效避免因补偿相位过大而导致的异步电机无速度传感器矢量控制系统缺失相位裕度而失稳的情形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，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。

图1为本发明实施例提供的一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的异步电机广义电流环路的数学模型示意图；

图3为本发明实施例提供的开环传递函数的Bode图(伯德图)；

图4为本发明实施例提供的不采用最小相位补偿时转矩电流滞后现象的转矩电流的示意图；

图5为本发明实施例提供的采用最小相位补偿后的异步电机广义电流环路的数学模型示意图；

图6为本发明实施例提供的采用最小相位补偿时转矩电流良好跟踪期望的转矩电流的示意图；

图7为本发明实施例提供的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

由于目前控制异步电机的励磁电流来维持其同步转速保持在限制值以上并在合适的运行工况点快速穿越零同步转速区域的做法，会导致异步电机在带载情况下因实际的转矩电流和励磁电流指令值之间存在相位差，从而造成电磁转矩和负载转矩的不匹配而使电机失稳。基于此，本发明提出了一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法，该方法通过构建异步电机广义电流环路的数学模型，分析获取异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间的相位延迟，并基于最小相位延迟的补偿方法消除了异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间的相位延迟，从而避免了因实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的相位延迟而导致的电磁转矩和负载转矩不匹配的情形，保证了全工况下电机运行的稳定性。特别的，采用最小相位延迟的补偿方法，还可以有效避免因补偿相位过大导致的异步电机无速度传感器矢量控制系统缺失相位裕度而失稳的情形。

如图1所示，在一个实施例中，一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法具体包括S1-S5的步骤：

S1、构建异步电机的无速度传感器矢量控制系统，获取异步电机转子转速估计值的自适应律函数。

选取定子电流和转子磁链为状态变量时，两相同步旋转坐标系下异步电机的状态方程为：

其中，

R

进一步地，采用反馈矩阵G，可得到所使用的异步电机自适应全阶观测器模型为：

其中，

结合异步电机的状态方程表达式，将式(1)减去式(2)，可得误差矢量方程的表达式为：

其中，

式(3)中，使用自适应全阶观测器估计的异步电机转子转速

其中，K

S2、获取电流解耦控制下的异步电机定子电流与定子电压之间的传递函数。

两相同步旋转坐标系下异步电机的电压方程为：

其中，u

两相同步旋转坐标系下异步电机的磁链方程为：

其中，L

已知异步电机的转子电压满足(7)式：

将式(6)代入式(5)中，可得：

其中，

现有的异步电机无速度传感器矢量控制系统中，为对异步电机的励磁电流和转矩电流进行单独的控制，采取电流解耦的思想，即认为：

(9)式是扰动项，并采取解耦的方式将其进行解耦，则对于解耦后的异步电机而言，满足(10)式：

此时异步电机的励磁电流和转矩电流与异步电机定子电压的d轴和q轴分量之间的关系(异步电机定子电流与定子电压之间的传递函数)满足(11)式：

其中s为拉氏算子，L

即实行电流解耦后的异步电机满足从定子电流到定子电压的传递函数可以等效为一阶低通滤波器。

S3、基于包括异步电机定子电流误差与转子转速误差函数、异步电机的运动函数、所述自适应律函数和所述传递函数，构建异步电机广义电流环路的数学模型。

鉴于本发明所提出的一种基于转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法，其主要针对异步电机励磁电流指令值改变对转矩电流实际值的影响进行讨论，因此，需要建立起从异步电机励磁电流指令值到转矩电流实际值的广义电流环路的数学模型。

根据式(3)可得异步电机定子电流误差与转子转速误差之间的函数关系为(12)式：

则有：

其中，n

异步电机的运动方程(函数)为：

其中，J

为综合判断异步电机励磁电流指令值更改之后对异步电机实际转矩电流的影响，结合式(4)、式(11)、式(13)和式(14)，并考虑实际系统的采样延迟，本申请特意地构建了异步电机广义电流环路的数学模型，如图2所示，具体的，对于异步电机而言，异步电机的励磁电流指令值

图2中，T

其中，K

同理，采用PI控制器从转矩电流指令值

S4、基于所述异步电机广义电流环路模型，获取异步电机实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的开环传递函数，并将所述开环传递函数通过图形化方式处理以获取实际相位延迟值。

根据图2可以推导出异步电机实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的开环传递函数为：

其中，

式中，

特别的，式(17)中励磁电流环和转矩电流环的闭环传递函数均等效为：

其中，ω

根据式(17)可知，异步电机的励磁电流指令值更改后，异步电机的转矩电流实际值与励磁电流的指令值之间存在一个较为复杂的开环传递函数关系。为量化此过程中开环传递函数的影响，绘制式(17)的开环传递函数的Bode图(伯德图)，如图3所示。

根据图3可知，式(17)的开环传递函数的相频特性在低频段虽然能保持稳定，但仍存在﹣180°～﹣35°不等的相位延迟。

若不对此相位延迟进行有效补偿，异步电机转矩电流的响应将滞后于理想的转矩电流一定的相位。具体滞后效果可在Simulink仿真软件中得到，如图4所示。

S5、获取若干个预设频率下所述开环传递函数相位延迟的绝对值的最小值，将所述最小值对应的相位补偿到转矩电流指令值环路从而构建新的转矩电流指令值，进而补偿所述实际相位延迟值。

根据图3中的相频特性(即相位与不同频率之间的关系)可知，在不同的频率下存在不同程度的相位延迟。异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间相位延迟的存在易导致电机因电磁转矩和负载转矩不匹配而失稳。为尽量削减相位延迟的影响，需采用相位补偿的措施。图3说明异步电机实际的转矩电流与励磁电流指令值之间存在﹣180°～﹣35°不等的相位延迟。本发明所述相位补偿的方法，在转速环的输出信号中串联相位补偿环节，使得系统整体的相位增加一个所补偿的相位量。特别的，为保证系统在相位增加后仍然拥有相位裕度，避免系统在相位增加后因补偿相位过大失去相位裕度而失稳，本发明采用在转速环的输出信号中串联最小相位补偿环节的方法，补偿最小相位，确保系统在补偿最小相位后仍然拥有相位裕度，保证系统在本发明所述方法下的稳定性。

为确定所补偿的最小相位的具体数值，需要对系统所应用的实际工况进行分析。Bode图所示的相频特性展现的不同频率下的相位延迟太过驳杂，大部分频率并非本发明所对应实际工况所关心的频率值，因此需要确定本发明系统所应用的实际工况下系统信号实际频率的范围。

本发明所述的电机的转矩电流最小相位补偿的电机稳定性控制方法，主要针对励磁电流指令值改变下转矩电流跟踪性能的问题。此工况下，异步电机的励磁电流指令值变化速度约为0.08A/s(2A/25s)，将其等效为正弦周期信号，信号的频率为

基于此，特意选取0.0001Hz、0.001Hz、0.01Hz和0.1Hz四个具体的频率取值，在线计算四个频率下开环传递函数Φ(s)相位延迟的绝对值的最小值，并将该值作为相位补偿串联到转矩电流指令值环路中。采用开环传递函数Φ(s)相位延迟的最小绝对值补偿进转矩电流指令值环路中可有效避免因补偿相位过大导致系统因失去相位裕度而失稳。

上述最小相位补偿方法即将最小相位补偿环节(20)式：

ejmin{|∠Φ(jω)|} (20)

串联到转速环输出端口，构成新的转矩电流指令值。采用此补偿方法后的新的异步电机广义电流环路的数学模型如图5所示。

根据式(17)的异步电机实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的开环传递函数可知，该开环传递函数是有关异步电机的同步转速ω

将上述的方法应用在异步电机上，通过Simulink仿真软件观察所提出方法的效果，如图6所示。在图6中，实际转矩电流可以良好跟随理想转矩电流，相位延迟不复存在，验证了本发明所提出的方法的有效性。

进一步地，使用本发明提出的方法，可以保证异步电机在带负载情况下，转矩电流良好跟踪励磁电流指令值的改变，避免了因实际的转矩电流和励磁电流指令值之间的相位延迟而导致的电磁转矩和负载转矩不匹配，保证了全工况下的电机稳定性。

图7示意性示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框图。图7示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图7所示，本实施例中所描述的电子设备1000，包括：处理器1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的程序或者从存储部分1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器1001例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器1001还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器1001可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 1003中，存储有系统1000操作所需的各种程序和数据。处理器1001、ROM1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。处理器1001通过执行ROM 1002和/或RAM 1003中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM 1002和RAM 1003以外的一个或多个存储器中。处理器1001也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，电子设备1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1005，输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。系统1000还可以包括连接至I/O接口1005的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的存储部分1008；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至I/O接口1005。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1008。

根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被处理器1001执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 1002和/或RAM 1003以外的一个或多个存储器。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。

附图中的流程图或框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。还要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别的，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。