一种异步电机无传感器预测转矩控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种异步电机无传感器预测转矩控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 异步电机的矢量控制需要电机的转速信息，传统的交流异步电机控制系统，多采 用磁场定位控制和直接转矩控制技术，需要设置速度传感器，耗费成本，且通过编码器获取 的信号来测量转速会产生由安装、测量和传输干扰导致的误差等问题。而尚未被普遍应用 的预测转矩控制技术具有算法直观且便于理解，具有可处理复杂控制任务和多变量多约束 控制问题等优势，它可以通过对一些电机参数进行辨识和预测实现电机的准确高效地控 制。
[0003] 无传感器控制方法通过建立速度观测器来获得电机的转速。速度观测器可以分 为开环观测器和闭环观测器。开环的速度观测器顾名思义是没有反馈环节的，他们通常是 使用了异步电机的不同形式的系统方程。开环速度观测器是通过定子和转子在定子坐标 系下的电机方程来建立的，典型的开环观测器有异步电机电压模型、电流模型。尽管许多 模型使用了各种方法来减轻直流漂移的问题，但是开环观测器的一些缺点却不能被忽视， 即开环观测器需要一个纯积分环节来保证速度观测的准确性，但是同样的它也不可避免 的有偏移和初始条件限制等问题。在观测器里添加反馈环节能有效地减少上述问题，以 保证系统的稳定性。闭环速度观测器也因此被广泛应用。龙贝格观测器和扩展型卡尔曼 滤波器是磁场定位控制和直接转矩控制中的两种常见的速度观测器。他们都能够准确地 进行速度观测，并且有很好的鲁棒性。模型参考自适应系统的观测器（ModelReference AdaptiveObserver)与上述其他观测器相比有着更直观的结构，实现起来也更加方便简 单。模型参考自适应观测器的应用在文献（M.DybkowskiandT.Orlowska-Kowalska. Performanceofthespeedsensorlessinductionmotordrivefortraction applicationwithmrastypespeedandfluxestimator.InOptimizationofElectrical andElectronicEquipment(0PTIM)，2012 13thInternationalConferenceon,pages 477 - 481，May2012.)中有所介绍。但模型参考自适应观测器存在着控制不精准的问题。
[0004] 因此提供一种能够进行高精准控制的异步电机无传感器预测转矩控制系统己成 为当务之亟。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种异步电机无传感器预测转矩控制系统及方法，其克服了现有异步 电机无传感器控制中存在的控制精准度不够的缺点，通过获得观测速度々并计算出评价函 数的成本值&，获得&最小值时的参考电压向量vs*，并将其转换为对应的开关量S 作 为控制信号控制逆变器输出最优电压值给异步电机，实现对异步电机的高精准控制。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007]方案一
[0008] 包括第一PI控制器、模型参考自适应观测器、优化模块；第一PI控制器、优化模块 和模型参考自适应观测器两两间相互连接；所述异步电机无传感器预测转矩控制系统使用 时连接逆变器，逆变器连接异步电机；
[0009] 所述模型参考自适应观测器，用于将由逆变器输出端获得的定子电压\和定子电 流、通过公式1-4计算出观测速度该模型参考自适应观测器包括参考模块、可调模块、 转子磁链偏差计算模块和第二PI控制器，参考模块、可调模块分别连接到转子磁链偏差计 算模块，转子磁链偏差计算模块通过第二PI控制器连接到可调模块；所述参考模块包括基 础参考模块，基础参考模块从逆变器输出端获得的定子电压vs和定子电流i3通过公式1计 算出定子观测磁链穴和转子观测磁链沁，并将转子观测磁链€输送给转子磁链偏差计算 模块，将定子观测磁链忒和转子观测磁链€输送给优化模块；所述可调模块，用于将分别 由逆变器输出端、第二PI控制器获得的定子电流和观测速度6通过公式2计算出转子观测 磁链穴/，并将转子观测磁链输送给转子磁链偏差计算模块；所述转子磁链偏差计算模 块，用于将分别由参考模块、可调模块获得的转子观测磁链A、转子观测磁链通过公式 3计算出转子磁链偏差量e，并将转子磁链偏差量e输送到第二PI控制器；所述第二PI 控制器与第一PI控制器连接，用于将由转子磁链偏差计算模块获得的转子磁链偏差量e 通过公式4计算出观测速度& ,并将观测速度☆分别输送给可调模块和第一PI控制器；
[0010]所述第一PI控制器，用于获得参考速度与观测速度々的差值计算出参考转矩T%并将参考转矩Tit送给优化模块；
[0011]所述优化模块，用于将获得的定子参考磁链Ml、由第一PI控制器获得的参考转矩 f和由模型参考自适应观测器获得的观测速度冷、转子观测磁链 < 和定子观测磁链穴，通 过以下公式6计算出评价函数的成本值&，获得&最小值时的参考电压向量vs*，并将其转 换为对应的开关量Sa，b，。作为控制信号控制逆变器输出最优电压值给异步电机；
[0012] 以上使用的公式如下：
[0018]其中，穴和分别表示定子观测磁链和转子观测磁链，Rs为定子电阻，Lm、LdPL, 为互感、定子电感和转子电感，〇 = (LsL-Lm2)/LsI^为漏感系数，vs为定子电压，isS定子电 流。1；=!^/!^，表示这个转子观测磁链是通过异步电机电流模型计算得到的。e是转 子磁链偏差量。观测速度务是整个模型参考自适应系统的可调变量。&和1^是？1控制器 的比例积分增益。&是评价函数的成本值。下标j代表的是当前电压向量的序号对于两级 三相型电压源逆变器，有7种不同的电压向量，故j= (0-6)，A2分别是转矩差和 定子磁链差在评价函数中的权值。
[0019] 所述参考模块还包括内含第三PI控制器的滑模补偿模块，第三PI控制器利用自 身可调的比例增益的Kkp和积分增益K^通过公式5计算出滑模增益K，将滑模增益K用于 滑模补偿模块，将公式1矫正为公式1'，计算获得修正后的转子观测磁链< 和定子观测磁 链A，公式5、公式1'如下，
[0022]其中，增〃(/_、-〇为符号开关函数，Kkp是滑模增益的PI比例增益，的积分 增益。
[0023] 本发明由于采用预测转矩控制，需要对磁链信息进行较为准确地观测，所以选择 磁链之间的偏差作为偏差量。参考模块即异步电机电压模块是一个纯开环的模型，由它得 到的磁链信息会由于开环系统本身的特性在积分环节中产生较大的累积误差，因而不能保 证观测到的定子和转子磁链信息的精确性能满足预测转矩控制的要求。故本发明在参考 模块中加入滑模结构作为补偿，补偿后的参考模块作为模型参考自适应系统的新的参考模 块。同时通过李雅普诺夫稳定判据对该补偿后的结构进行稳定性分析，证明新系统渐进稳 定。滑模增益K通过PI控制器进行计算。滑模平面是由实测电流与估测电流之差构成，传 统的非连续开关符号函数会在滑模切换时产生高频抖动现象，影响转矩控制精度。将滑模 结构作为补偿加入到模型参考自适应速度观测系统中，降低了系统的不确定性并提高了其 抗干扰性。
[0024] 所述异步电机无传感器预测转矩控制系统还包括连接于模型参考自适应观测器 和优化模块之间的转矩和磁链预测模块，所述模型参考自适应观测器的第二PI控制器将 观测速度^、定子观测磁链A和转子观测磁链A输送给转矩和磁链预测模块；所述转矩和 磁链预测模块，用于将由逆变器输出端获得的定子电流is和由模型参考自适应观测器获得 的观测速度&、定子观测磁链A和转子观测磁链 < 预测出下一时刻的定子磁链 < 和下一 时刻的转矩f,并将€和f输送给优化模块。
[0025] 转矩和磁链预测技术才刚起步，目前尚未有应用在异步电机控制领域。采用转矩 和磁链预测技术，在计算量没有明显增加的情况下提高了控制的精确性与易实现性。同时， 无传感器控制技术提高了系统稳定性，也降低了系统的成本。
[0026]方案二
[0027]包括第一PI控制器、模型参考自适应观测器、优化模块；第一PI控制器、优化模块 和模型参考自适应观测器两两间相互连接；所述异步电机无传感器预测转矩控制系统使用 时连接逆变器，逆变器连接异步电机；
[0028]所述模型参考自适应观测器，用于将由逆变器输出端获得的定子电压\和定子电 流乙通过公式1-4计算出观测速度该模型参考自适应观测器包括参考模块、可调模块、 转子磁链偏差计算模块和第二PI控制器，参考模块、可调模块分别连接到转子磁链偏差计 算模块，转子磁链偏差计算模块通过第二PI控制器连接到可调模块；所述参考模块包括基 础参考模块，基础参考模块从逆变器输出端获得的定子电压vs和定子电流i3通过公式1计 算出定子观测磁链么和转子观测磁链€，并将转子观测磁链A输送给转子磁链偏差计算 模块，将定子观测磁链A和转子观测磁链仏输送给优化模块；所述可调模块，用于将分别 由逆变器输出端、第二PI控制器获得的定子电流和观测速度通过公式2计算出转子观测 磁链，并将转子观测磁链也./输送给转子磁链偏差计算模块；所述转子磁链偏差计算模 块，用于将分别由参考模块、可调模块获得的转子观测磁链€、转子观测磁链通过公式 3计算出转子磁链偏差量e，并将转子磁链偏差量e输送到第二PI控制器；所述第二PI 控制器与第一PI控制器连接，用于将由转子磁链偏差计算模块获得的转子磁链偏差量e 通过公式4计算出观测速度力，并将观测速度S分别输送给可调模块和第一PI控制器；
[0029]所述第一PI控制器，用于获得参考速度6/与观测速度治的差值计算出参考转矩T%并将参考转矩1"输送给优化模块；
[0030]所述优化模块，用于将获得的定子参考磁链Ml、由第一PI控制器获得的参考转矩 f和由模型参考自适应观测器获得的观测速度a、转子观测磁链A和定子观测磁链穴，通 过以下公式6计算出评价函数的成本值&，获得&最小值时的参考电压向量vs*，并将其转 换为对应的开关量Sa，b，。作为控制信号控制逆变