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基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法

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基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法 《电机与控制应用}}2006,33(8) 基于绝对稳定性的异步电机转速 自适应辨识方法 胡 楷, 潘孟春, 李圣怡, 单庆晓 (国防科技大学机电工程与自动化学院,长沙410073) 摘要:基于非线性控制系统的绝对稳定性定理,提出了一种新的通用异步电机转速自适应辨识方法。 通过理论分析可以证明传统的MRAS(模型参考自适应方法)转速辨识算法就是该理论的一种较优实现形式, 从而从另一方面证明了MRAS转速辨识方法的稳定性,并且解决了传统MRAS算法中武断的忽略磁链观测 误差的问题。在MATLAB/Simulink环境下对该理论进行了仿真验证。 关键词:绝对稳定性;模型参考自适应;异步电机;转速辨识 中图分类号:TM343文献标识码:A文章编号:1001—8085(2006)08-0022-05 An Adaptive Speed Estimation Arithmetic Based on Absolute Stability HU Kai。PAN Meng—chun,LI Sheng—yi, SHAN Qing—xiao (Mechanism—Electronic and Automation School,National University of Defense Technology,Changsha 4 1 0073,China) Abstract:A new general arithmetic to design speed estimation arithmetic of asynchronous motor based on the absolutely stability theorem of nonlinear system is introduced.The well—known MRAS based speed estimation arithme— tic is proved to be an oriental implement of it,the problem that the error between observed rotator flux and its real value is difficult to be obtained is also be solved by this method.The validate of the theory is checked in simulation, Key words:absolute stability;model reference adaptive system;asynchronous motor;speed estimation 0 引 言 献[6]提出了用转子磁链的电压模型重构转子磁 随着异步电机的无速度传感器控制方法的不 链以获取估计误差的方法,却又把转子电压模型 断发展,很多种形式的转速估计方法被提了出来, 的低速稳定性问题引入了转速辨识中。 其中一些方法已经比较成熟,比如速度推算 绝对稳定性问题代表着相当广泛的一类非线 法¨』、自适应PID调节器 等。这类算法虽然 性系统稳定性问题。本文利用相关的结构提出了 简单、应用方便,但适用范围和辨识精度都有很大 一种新的通用的异步电机转速估计算法构造途 的局限性。应用现代控制理论而发展起来的模型 径。利用该理论通过调节参数可以构造出任意多 参考自适应方法(以下简称MRAS) 引,被认为具 种形式的估计算法。理论分析表明,传统的 有最好的精度和适中的计算复杂度,是最有前途 MRAS算法只是它的一种较优实现形式,具有最 的转速辨识方法。但是MRAS是基于李氏函数 简单的数学表达式从而运算量最少。上述理论结 再造法构造的转速辨识算法,利用参考系统与可 果从另一个角度证明了MRAS算法的有效性,对 调系统之间的系统误差计算转速,其稳定性尚未 MRAS算法的稳定性给出了比较圆满的理论证 得到严格的理论证明;而且在具体算法形式上,相 明,并且在推导过程中避免了转子磁链误差的出 关文献往往对系统误差中不可测量的转子磁链真 现,自然也就解决了能不能忽略的争议。本文在 实值及其估计值之间误差在算法中的处 MATLAB/Simulink环境下对绝对稳定条件以及 理方法上语焉不详,并武断地加以忽略。对此文 MRAS转速辨识方法的效果进行了仿真证明。 一22一 维普资讯 http://www.cqvip.com

《电机与控制应用)2006,33(8) 基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法 1 异步电机的数学模型以及非线性 系统绝对稳定性定理 如果以异步电机的定子电流和转子磁链作为 状态变量,在二相静止 状态空间方程如下 坐标系上的异步电机 是建立在系统误差方程的基础上,用李雅普诺夫 函数再造法构造转速估计算法。下面的分析表明 如果把系统误差方程和转速估计算法合起来就构 成了一个如式(2)所示的非线性间接控制系统, 可以用绝对稳定性理论直接构造转速辨识算法。 2.1系统误差方程 [≥]=(吉)If. ̄。2l1: 2l21J+Ⅱa ̄ J】[≥】+( 1/,[ L。r1] u 在模型参考自适应控制系统中,往往把被控 对象和控制装置作为可调模型,而参考模型则是 具有理想特性的虚构对象。在控制过程中,通过 (1) Ⅱ1l=一R L 一 Tr,Ⅱ21=o'LMTr, Ⅱ12=LMT ,Ⅱ 2=LM , Ⅱ22=一o'T ,Ⅱ 2=一 (D , J=[ 一 式中: ——电机的定子电流; ——转子磁链; “——定子电压; 、尺 ——分别是定、转子电阻; ——、 、 分别是定、转子电感和互感; ——漏磁系数,or=L,L 一 ; ——转子时间常数的倒数,T =R /L 。 可以看出,异步电机的数学模型具有很强的非线 性。 绝对稳定性问题代表着相当广泛的一类非线 性控制系统的稳定问题,因此多年来引起了众多 研究者的重视¨ 。 绝对稳定性问题是研究如下的非线性间接控 制系统: J. :Ax+ ) (2) 【 :CT 一 ) 如果上述系统满足下列条件: (1)A是稳定(负定)的。 (2) 满足 >d Q d (3) 其中,d=Pb+c/2,而正定矩阵P、Q是A 尸+ PA=一Q的黎卡提方程的解。 式(2)表示的系统是绝对稳定的,即系统不 论具有怎样的非线性,式(2)都是稳定的。 2 绝对稳定性转速辨识 文献[5~9]所阐述的自适应转速辨识方法 比较两个模型之间的误差,调节可调模型的控制 参数使误差为零就可以达到理想的控制效果。但 在模型参考自适应参数辨识系统中则恰恰相反。 实际的异步电机是作为参考模型,把式(1)中的 转速作为可调参量,虚构一个由软件实现的结构 相同的可调模型。通过比较两个模型之间的误 差,调节可调模型中的转速,当误差为零时就可以 认为可调模型中的转速与真实转速相等,达到估 计电机真实转速的目的。 可调模型的数学表达式如下 ( ==驯 ( ) u+G(0 (4) 其中,上标“ ’表示相应变量的观测值。加入状态 反馈是为了增加系统的鲁棒性,可以重新配置系 统的极点。对于实际的异步电机控制系统来说, 只有定子电流是可以直接测量的,所以状态反馈 变量只能是(i 一i。),而G是一个4×2矩阵。 在转速估计正确的条件下,也就是在 『 = 1L ,  n22 n 22 , (5)的条件下, = 成立。这就是电机磁链的全阶 状态观测器。 转速估计的目的是为了更好的实现磁链观 测,因为转子磁链是系统解耦的前提条件。但实 际上式(5)是不可能满足的。假设估计转速 , 与真实转速 ,之间的关系如下 +Aoj 并把式(1)简写成 x=A((£, ) +Bu (6) 一23— 维普资讯 http://www.cqvip.com

基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法 《电机与控制应用}2006,33(8) 的形式,那么可调模型式(4)可以简写成 =献[5,11]提出的计算方法相比,虽然只能调节系 统2个极点,但是运算复杂程度大大降低了。 (7) A(60 +△ ) +Bu+G (互一 )= (A+△4) +Bu+G ( 一 ) 在绝对稳定性条件(1)得到满足的情况下, 根据条件(2)的要求求出合适的C和 ,就可以构 造转速估计算法如下: Aai =cTe— △ 4^ ^ ; 其中的G =[G 0]是4阶方阵,而 =( 二 (10) 是由转速估计误差导致的A的偏差。 定义e=互一x,把式(6)和式(7)相减就可以 由式(9)和式(10)构成的非线性系统就是绝 对稳定的,也就是所设计的转速估计算法是稳定 7 得到系统的误差方程 e=(A+G )e+△4互 (8) 基于MRAS的转速辨识方法就是对上述系 统误差用李氏函数再造法求转速辨识算法。 2.2绝对稳定性分析 式(7)可以进一步简化 e=(A+G )e+6△ (9) 其中的 如果令式(2)中的/( )= =△ ,则式(9) 就可以作为式(2)的第一行,只要构造合适的参 数c和 ,使得整个系统具有绝对稳定性,那么转 速估计值和真实值之间的差 =△ 就是确定 的,从中可以得到正确的转速估计值。而绝对稳 定系统式(2)的第二式就是一个转速估计算法, 并且该算法具有绝对稳定性。 为了满足绝对稳定性的条件(1),必须确保 式(9)中的A+G 是负定的。如果取如下形式的 反馈矩阵 G ( 其中,g =g =0,g2=一trLMTr, Ij么A+G 的4 个极点是 P。=P =( 1(g。一RsL 一L ̄Tr) P3=一Tr+ P4:一Tr—jmt 极点P 、P 都具有负的实部,而对于P 、P 则 可以通过取不同的g。来决定其位置,达到控制系 统稳定裕度的目的。这种反馈矩阵计算方法与文 的。由于C和 选择的多样性,利用该理论所设 计的转速估计算法也可以具有多种形式。 3 绝对稳定转速辨识的具体实现 为了使式(3)的表达式尽量简单,以构造更 简洁的转速估计算法,可以让矩阵P和向量C取 有利的形式。 首先对于式(9)中的A+G 来说,由于它的负 定性可以取P=,,也就是单位矩阵,那么正定矩 阵Q的表达式就是 Q=一[(A+G ) 。+(A+G )] 更进一步,为了简化估计算法取 C=[一261 2b2 0 0] 那么 0 0 d= ^ 一 田 ^ 于是再取 >d 『(A+G ) +(A+G )] d 就构成一种转速辨识方法。 △ =cTe+ △ (11) 式(1 1)是一阶积分环节,在确定了 的初 值后,就可以用递推算法计算出电机转速一个准 确的估计值了。 实际设计异步电机时,为了尽量减少漏磁,£ 和£ 往往与£ 非常接近,所以Or都非常小,一般 在l0 数量级上。又注意到电机转子磁链估计 值 , 的绝对值一般情况下都≤1,因此式 (11)中的第二项与第一项相差一个1/o-的系数, 数值相对非常小,但是计算却非常复杂,涉及矩阵 求逆等大运算量的计算,使得整个算法极为复杂, 而且难以实用化。因此在不影响算法精度的条件 维普资讯 http://www.cqvip.com

《电机与控制应用))2006,33(8) 下,在实际中可以将其忽略不计。省略了第二项 的式(11)就变成了 Ao) = 一 =一f、  LM / 1(X4el一 3e2) (12) 相对于转速估计值来说,真实转速的变化是 很慢的,因此把式(11)中的 省去,估计算法就 变成与电机转速的自适应估计方法 相似的 形式 一A ( )( ,e2) (13) 注意到上述的式(12)和式(13)都没有包含 e3和e ,相对于文献[5~9]中模棱两可的解释, 上述结果巧妙而又明确的解决了这两个无法直接 测量的参数能否省略的问题。 二者区别在于A 的选择,由式(11)推出的 A =2,而对于MRAS转速估计来说,A 可以适当 增大以加快辨识的收敛速度。 4 仿真结果 对上述参数辨识算法的仿真是在MATLAB/ Simulink环境下进行的。电机模型用5函数封 装,把电机的参考模型式(1)和可调模型式(4)集 成在同一个5函数模块中。其他的控制功能模块 包括电机负载和转速计算等用现有的Simulink模 块搭建。电机模型的输入包括三相电压和转速共 4个,输出是真实的电流、磁链和估计的电流、磁 链、转速,共9个。 电机参数是:额定功率1.5 kW,额定转速 l 440 r/min,额定电流2.6 A,极对数4,R =4.25 n,R =3.24 n,L =0.666 H,L =0.671 H,LM= 0.651 H,J=0.02 N・m 。 图l是g =R L +,J 时也就是系统位于 P =p =0的临界稳定点时磁链和转速的辨识结 果,两个辨识值都收敛到真值,但是收敛过程较 慢,而且出现了较大的振荡。 图2是g =1.02・(尺 ,J +,J )时,也就是 系统位于P =p >0的不稳定点时的磁链和转速 辨识结果,两者都不收敛了。考虑到数字计算的 精度问题,可以认为一旦g >R L +,J ,也就是 式(2)的绝对稳定条件被破坏了,因此,根据绝对 稳定性而设计的转速估计算法也就不稳定了。 基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法 耋 。 挺一2 10 0 o0 鼍1o0 萄 挥 100 萄 。 图1 临界稳定的磁链和转速辨识 耋 。 挺一5 10 0 400 200 0 一200 150 100 萄 。 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0.7 0.8 0.9 1.0 ,/s 图2不稳定的磁链和转速辨识 图1和图2是在固定式(12)中的A =2的 情况下进行的仿真,这也是由式(11)直接推出的 结论。实际上,在一定的范围内增大A 的数值, 可以加快辨识结果的收敛速度。图3是当g = 一(R L +,J Tr)和A =20时,电机磁链和转速的 辨识结果。可见,不论是磁链还是转速,估计值的 收敛速度都大大加快了。 一25— 维普资讯 http://www.cqvip.com

基于绝对稳定性的异步电机转速自适应辨识方法 0 《电机与控制应用))2006,33(8) 一 .p曼\ 毒毒 [3] 郑萍,王明渝.感应电机尤速度传感器矢量控制的 乏 一 ∞.p曼\ 毒毒 速度估算器研究[J]、电工技术学报,2001(5):24— 29. 褪 [4] 曾岳南,冯垛生,章云,等.电压控制型异步电动机 无速度传感器的矢量控制方法[J]、控制理论与应 0.04 O 02 用,1999(2):279-282. 『5] KUBOTA H,MATSUSE K,NAKANO T、DSP—Based O O speed adaptive flux observer of induction motor[J]. IEEE Trans on Ind Appl、,1993(29):344—348、 [6] 王焕钢,徐文立,杨耕.感应电机无速度传感器控 制的自适应转速辨识[J].电气传动,2002(1):6— 9、 [7] 陈硕、基于MARS理论的无速度传感器矢量控制 l 5O lOO 50 调速系统[J].福州大学学报,2001(2):42_45. [8] SCHAUDER C.Adaptive speed identiifcation for vec— tor control of induction motors without rotational trans— O l O 2 O-3 0 4 0.5 0 6 0 7 0.8 0 9 l 0 f/s O ducers[J].IEEE Trans on Ind Appl,1992,28(5): 1054—1061. 图3 加快收敛速度后的磁链和转速辨识 [9] YANG G,CHIN T H.Adaptive speed identiifcation scheme for vector controlled speed sensor—less inver- 上述仿真结果中都给出了式(11)中 的计 算结果,虽然没有计人辨识结果中,但其数值确实 非常小,一般在10 之内,省略后不会对辨识精 度造成影响。 tor—induction motor[J].IEEE Trans on Ind Appl, 1993,29(4):820—825. [10] 冯纯伯,费树岷.非线性控制系统分析与设计[M]. 北京:电子工业出版社,1997. [1 1] KUBOTA H,MATSUSE K.Simultaneous estimation f speed and rotoor resistance of field oriented induc— 5 结 语 本文根据非线性间接控制系统的绝对稳定性 理论,设计异步电机的磁链和转速估计算法。在 tion motor without rational transducers[C]//IEEE, PCC—Yokohama’93.1993:433_437. 保证系统绝对稳定性的条件下,理论上可以设计 出无穷多的辨识算法,而基于MRAS的自适应转 速辨识方法则是其中较优的一种特例,并且对于 基于MRAS的转速辨识方法的稳定性分析提出 [12]RIBEIRO L A S,JACOBINA C B,LIMA M N.dy— namic estimation of the induction machine parameters and speed[C]//PESC95,26th Annual IEEE:1281— 1287. 更有力的理论证明。仿真结果验证了基于绝对稳 定性所设计的转速估计算法的稳定性和稳定条件 都是有效的。 [13] 王丽敏,王明德.无速度传感器转差频率控制系统 的研究[J].电工技术学报,2000(2):70—72. [14]GARCIA G,MENDES E,REZAK A.Adaptive varible structure rotor flux observer for induction no— 【参考文献】 曾岳南,冯垛生,陈伯时.速度推算转差频率矢量 tor[C]//Powerel Ectrics and Varible Speed drivers, conference publication 1,1998:318-323. [15] 夏超英.交直流传动系统的自适应控制[M].北 京:机械工业出版社,1999. 控制[J].电气传动,2000(6):12—15. [2] 林峰.新型无速度传感器矢量控制交流调速系统 [J].浙江大学学报,2001(1):67-71. 收稿日期:2006-01—10 欢迎订阅 欢迎投稿 欢迎评刊 欢迎刊登广告 26一 

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