阅读说明：本技术 异步电机负载转矩估算方法 (Asynchronous motor load torque estimation method ) 是由 许小龙 王胜勇 卢家斌 王傲能 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：公开了一种异步电机负载转矩估算方法,包括：建立异步电机的机械运动方程；将所述机械运动方程变换为状态方程；根据所述状态方程构建降阶负载转矩观测器；根据所述负载转矩观测器对期望极点进行设计,从而观测出负载转矩值；验证所述负载转矩观测器的可行性。利用该方法估测到的负载转矩进行前馈补偿,可提高系统对负载扰动的响应速度。(Disclosed is an asynchronous motor load torque estimation method, comprising: establishing a mechanical motion equation of the asynchronous motor; transforming the mechanical equation of motion into an equation of state; constructing a reduced-order load torque observer according to the state equation; designing an expected pole according to the load torque observer, and observing a load torque value; verifying the feasibility of the load torque observer. The load torque estimated by the method is used for feedforward compensation, and the response speed of the system to the load disturbance can be improved.)

异步电机负载转矩估算方法

技术领域

本发明公开了一种用于工程实际中异步电机负载转矩估算的方法，利用估测到的负载转矩进行前馈补偿，提高系统对负载扰动的响应速度。

背景技术

在工业变频器的很多应用场景中，抗扰性是控制系统的一项重要指标，而负载扰动则是最常见的扰动源，提高控制系统对负载扰动的抗扰性成为高性能工业变频器的必要性能。特别是在冶金轧钢等工业领域，由于加工工艺对动态速降以及速度响应等有着极高的要求，因此提高驱动系统对负载扰动的响应速度，增强系统的抗扰性成为了系统的关键点。

提高系统对负载扰动的响应速度的主要思路是，利用负载转矩进行前馈补偿。这种思路的关键点在于负载转矩的获得。由于负载转矩的直接测量成本较高且响应速度较慢，因此一般采用间接观测的方法获得负载转矩。而常采用的降阶观测器对负载转矩的观测由于是纯积分的输出，造成估算的负载转矩收敛速度慢。

发明内容

本发明公开了异步电机负载转矩估算方法，对负载转矩观测器的结构进行改进，与传统的降阶负载转矩观测器相比，负载转矩的观测由原来的积分改进为比例+积分，有效提高负载转矩观测收敛速度，增强补偿效果，提高系统的抗扰性。

根据本发明实施例的一方面，一种异步电机负载转矩估算方法包括：

步骤1，建立异步电机的机械运动方程；

步骤2，将所述机械运动方程变换为状态方程；

步骤3，根据所述状态方程构建降阶负载转矩观测器；

步骤4，根据所述负载转矩观测器对期望极点进行设计，从而观测出负载转矩值；

步骤5，验证所述负载转矩观测器的可行性。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细说明。

图1示出了降阶负载观测器闭环观测法框图。

图2示出了在没有使用负载转矩估算功能的情况下，突加、突卸负载时的转矩波形图。

图3示出了在利用负载转矩观测器法得到负载转矩并进行前馈补偿的情况下，突加、突卸负载时的转矩波形图。

具体实施方式

本发明公开了异步电机负载转矩估算方法，负载转矩的观测由原来的积分改进为比例+积分，有效提高负载转矩观测收敛速度，增强补偿效果，提高系统的抗扰性。所述方法参见下文步骤1-4。

步骤1：在电气传动中，电机通过其传动轴向负载提供电磁转矩，通过对电机传动轴上电磁转矩的控制就可以完成对负载运动的控制，根据动力学原理，建立异步电机的机械运动方程：

式(1)(2)中，T_e为电磁转矩；J为系统转动惯量；ω_m为转子机械角速度；b_m为摩擦系数；θ_m为机械角度；T_l为负载转矩。

步骤2：将式(1)，式(2)写成式(3)所示的状态方程形式，其中控制器采样周期很小，采样频率很高时，可近似认为在一个采样周期中负载转矩T_l是一个恒定值，即

式(3)中,

u＝T_e，C＝[1 0 0]，y＝θ_m。

步骤3：根据式(3)采用降阶方法构建负载转矩观测器状态方程：

式(4)中,

u＝T_e，C＝[1 0]，y＝ω_m；

构建式(5)所示的降阶负载转矩观测器：

其中：C＝[1 0]，u＝T_e，

为状态变量的估计值，y＝ω_m，K₁＝[k₁ k₂]^T，k₁和k₂为反馈系数。

步骤4：根据式(5)建立降阶负载转矩观测器特征方程：det(sI-(A-KC))＝0，即：

I是一个单位矩阵；矩阵A,K,C参见上文；s为自动控制学科中的复数概念，是一个约定俗成的复数变量。

选取合适的K₁值以满足(A-KC)合适的极点配置，从而满足

逼近x的要求，根据期望极点α,β，观测器的期望特征多项式为：

s²-(α+β)s+αβ＝0 (7)

对比式(6)和式(7)，且忽略摩擦系数b_m，则：

由式(5)，式(8)可得：降阶负载转矩观测值为：

图1示出了降阶负载观测器闭环观测法框图。如图1，降阶转矩观测器逻辑为速度给定n与反馈速度n_ob通过一个PI控制器得到估测的负载转矩T_Lob，负载转矩T_Lob与电磁转矩T_e相减再通过一个一阶惯性环节得出反馈速度n_ob，从而构建一个闭环控制。

用一台额定功率为7.5kW的异步电机在拖机组上进行对比测试。图2示出了在没有使用负载转矩估算功能的情况下，突加、突卸负载时的转矩波形。图3示出了利用负载转矩观测器法得到负载转矩并进行前馈补偿的效果。

对比图2和图3可见，直接计算法和负载转矩观测器法都能很好地减小突加负载时的转速跌落、突卸负载时的转速上升。例如，没有负载转矩估算功能时，突加负载条件下，电机转速跌落了40rpm；突卸负载条件下，电机转速上升了90rpm。而使用了负载转矩估算并进行前馈补偿后，突加同样大小的负载时，电机转速跌落幅度为15～20rpm；突卸负载时，电机转速上升幅度为60rpm。

另外，负载转矩前馈功能可以显著减小负载变化时的调节时间。例如，没有使用该功能的条件下，突加负载后，转速恢复需要约0.4s，突卸负载后的转速恢复需要约0.2s；使用负载转矩前馈后，突加同样大小的负载时，电机转速恢复时间为0.2s，突卸负载后的转速恢复时间为0.1s。可见，应用了负载转矩前馈补偿功能后，控制系统对负载变化的响应速度明显更快，抗扰性显著增强，具体见表1所示。

表1.同工况条件测试对比结果