張婉瑩,王長(zhǎng)江,于大洋
(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)
間接矢量控制(indirect field oriented control,IFOC)在感應(yīng)電機(jī)高性能控制系統(tǒng)中因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制性能優(yōu)越而受到越來越多的青睞[1]。為了降低成本、提高系統(tǒng)可靠性,采用無速度傳感器技術(shù)的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)也日趨成熟。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)之間存在深度耦合,且溫度、磁飽和等因素的影響會(huì)造成轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)值不準(zhǔn)[2],從而導(dǎo)致全轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速估計(jì)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。除此以外,轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)不準(zhǔn)還會(huì)造成磁場(chǎng)定位偏差,從而惡化控制性能[3]。當(dāng)系統(tǒng)只有基波激勵(lì)且不改變轉(zhuǎn)子磁鏈幅值時(shí),無法通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)律同時(shí)在線實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計(jì)和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)[4]。針對(duì)這一難題,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究,并提出一些有效的解決方案。
感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器技術(shù)可被分為基于轉(zhuǎn)子磁不對(duì)稱性的方法和基于數(shù)學(xué)模型的方法兩類。第一類是通過檢測(cè)局部磁飽和、轉(zhuǎn)子槽效應(yīng)以及漏感變化等電氣現(xiàn)象來獲取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信息;第二類是基于PI閉環(huán)控制構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號(hào),包括模型參考自適應(yīng)(model reference adaptive system,MRAS)[5]、狀態(tài)觀測(cè)器[6]等。轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的在線辨識(shí)有信號(hào)注入、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑模觀測(cè)器等,更為常用的是基于q軸轉(zhuǎn)子磁鏈、d軸定子電壓模型、無功功率模型、電磁轉(zhuǎn)矩模型等模型參考自適應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)[7]。對(duì)于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)問題,文獻(xiàn)[8]通過提取轉(zhuǎn)子槽諧波信息估計(jì)轉(zhuǎn)速的同時(shí)利用優(yōu)化粒子群法跟蹤轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù),文獻(xiàn)[9]利用自適應(yīng)觀測(cè)器檢測(cè)低頻正弦信號(hào)并使用模型參考自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)在線更新,文獻(xiàn)[10]提出采用考慮參數(shù)攝動(dòng)的新型滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)并行辨識(shí)。除了上述方法以外,智能控制算法和卡爾曼濾波也有解決此問題的可行性。
擴(kuò)展卡爾曼濾波(extended Kalman filter,EKF)屬于一種在非線性領(lǐng)域最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)遞推算法[11],通過將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)看作系統(tǒng)中的一個(gè)狀態(tài)量來估計(jì)準(zhǔn)確值。多新息辨識(shí)方法是系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的一種基本方法,采用間斷迭代的方法克服壞數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)估計(jì)的影響,不僅可以跟蹤時(shí)變參數(shù)且具有較強(qiáng)的魯棒性[12]。文獻(xiàn)[13]將兩種方法融合提出多新息擴(kuò)展卡爾曼濾波(multi-innovation extended Kalman filter,MI-EKF),只在時(shí)間維度上擴(kuò)展迭代歷史數(shù)據(jù),并沒有劃分新舊數(shù)據(jù)的重要性。
目前關(guān)于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)的方法中,轉(zhuǎn)速時(shí)間常數(shù)的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的數(shù)量級(jí),會(huì)造成轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)誤差帶明顯增大。為了進(jìn)一步提高并行辨識(shí)精度,提出一種基于遺忘因子改進(jìn)多新息擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(multi-innovation extended Kalman filter based on forgetting factor,F(xiàn)MI-EKF)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)策略。通過對(duì)歷史信息的重復(fù)使用來改進(jìn)原EKF辨識(shí)效果,同時(shí)引入遺忘因子削弱對(duì)距離較遠(yuǎn)的歷史數(shù)據(jù)的依賴,提高不同工況下的辨識(shí)準(zhǔn)確度并增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。
基于間接矢量控制的感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可表示為
其中
式中:us,is,Ψr分別為定子電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈;ωe,ωr,ωs分別為電機(jī)同步電角速度、轉(zhuǎn)子電角速度和轉(zhuǎn)差電角速度;Ls,Lr,Lm,Lσs分別為定子電感、轉(zhuǎn)子電感、勵(lì)磁電感、漏感;Rs為定子電阻;τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。
將式(1)~式(3)線性化寫為狀態(tài)方程形式:
其中
式中:A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;B為控制輸入矩陣;x為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣;y為狀態(tài)矩陣的觀測(cè)量。
由于EKF算法要求在離散域中進(jìn)行,需要對(duì)感應(yīng)電機(jī)狀態(tài)方程進(jìn)行離散化處理,設(shè)定采樣周期為Ts。采用公式的方式進(jìn)行離散化:
可以近似為
離散化后的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為
式中:隨機(jī)變量w(k)為過程噪聲;隨機(jī)變量v(k+1)為測(cè)量噪聲。
針對(duì)時(shí)變的參數(shù)系統(tǒng),考慮如下辨識(shí)模型:
式中:X(k+1)為狀態(tài)方程;Y(k+1)為輸出方程。
結(jié)合最小二乘法或者隨機(jī)梯度等算法,通過滑動(dòng)窗口的形式,利用一定范圍內(nèi)的歷史數(shù)據(jù),采用單新息修正待辨識(shí)參數(shù)。單新息更新表達(dá)式如下式:
式中:θ(k)為待辨識(shí)的參數(shù)向量;“?”表示變量辨識(shí)值;L(k)為增益向量;e(k)為單新息標(biāo)量。
為了提高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確性和收斂性,對(duì)歷史參數(shù)重復(fù)利用,將單新息擴(kuò)展為多新息,即
其中
式中:p為新息長(zhǎng)度,p≥ 1;Γ(p,k)為增益矩陣;E(p,k)為新息向量。
Γ(p,k)和E(p,k)的乘積是對(duì)參數(shù)的修正。
為了保證數(shù)據(jù)矩陣維度的兼容性,擴(kuò)展增益矩陣為
新息更新步驟如圖1所示,以滑動(dòng)窗口的形式,挑選需要的數(shù)據(jù),每個(gè)離散狀態(tài)下的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相同,向下一個(gè)離散狀態(tài)前進(jìn)的步長(zhǎng)也相同。
圖1 新息更新步驟圖Fig.1 Innovation update step diagram
為了消除陳舊數(shù)據(jù)帶來的累積干擾造成數(shù)據(jù)飽和的問題,考慮對(duì)多新息辨識(shí)引入遺忘因子以削弱數(shù)據(jù)更新時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的依賴。在多新息擴(kuò)展的增益矩陣前乘遺忘因子α,擴(kuò)展增益矩陣變?yōu)?/p>
為了保證新數(shù)據(jù)的重要性,對(duì)遺忘因子做如下約束:
在滿足約束的條件下,考慮參數(shù)新息歷史數(shù)據(jù)離當(dāng)前數(shù)據(jù)越遠(yuǎn),被遺忘的概率越大。為盡量使得算法能夠在有效修正和抑制累計(jì)干擾之間達(dá)到相對(duì)平衡,設(shè)定遺忘因子的取值如下:
FMI-EFK算法將式(12)和式(14)引入MIEKF中,若α1=1,其余αi=0,則所提算法退化為原MI-EKF算法。
由于EKF只使用當(dāng)前時(shí)刻前一時(shí)刻的新息來修正當(dāng)前時(shí)刻,若初始值不準(zhǔn)確或者過程噪聲的協(xié)方差Q和測(cè)量噪聲的協(xié)方差R不準(zhǔn)確,容易造成參數(shù)不收斂或者收斂較慢,增加參數(shù)辨識(shí)的難度,因此將多新息辨識(shí)引入卡爾曼濾波。
基于改進(jìn)多新息擴(kuò)展卡爾曼濾波的算法步驟總結(jié)如下:
1)狀態(tài)預(yù)測(cè):
2)誤差協(xié)方差預(yù)測(cè):
其中
式中:G為雅可比系數(shù)矩陣。
3)增益矩陣更新:
4)多新息擴(kuò)展增益矩陣更新見式(12);
5)狀態(tài)修正更新:
6)誤差協(xié)方差修正:
文獻(xiàn)[14]證明了當(dāng)遺忘因子存在上界時(shí),F(xiàn)MI-EKF算法的辨識(shí)結(jié)果可以有界收斂。將FMI-EKF算法運(yùn)用到IFOC系統(tǒng)中,便得到了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)系統(tǒng)。
基于改進(jìn)的多新息擴(kuò)展卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)策略如圖2所示。使用滑??刂频姆绞酱鍼I電流調(diào)節(jié)器,可以改善感應(yīng)電機(jī)三相定子電流波形。IFOC系統(tǒng)中α軸和β軸的定子電壓和定子電流經(jīng)過巴特沃斯濾波器濾波以及相位補(bǔ)償后輸入到磁鏈觀測(cè)模塊中,選取文獻(xiàn)[15]所述方法獲取定子磁鏈,進(jìn)而得到的轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考模型:
圖2 基于改進(jìn)多新息擴(kuò)展卡爾曼濾波的并行辨識(shí)系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of parallel identification system based on improved multi-innovation extended Kalman filter
其中
式中:esα,esβ分別為定子反感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)α,β軸的分量。
得到的轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電壓電流一起輸入到FMI-EKF完成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí),得到的辨識(shí)值輸入角度計(jì)算模塊完成感應(yīng)電機(jī)的間接矢量控制。整個(gè)感應(yīng)電機(jī)并行辨識(shí)系統(tǒng)的具體流程如圖3所示。
圖3 感應(yīng)電機(jī)并行辨識(shí)系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of induction motor parallel identification system
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性,在Matlab-Simulink中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。感應(yīng)電機(jī)參數(shù)設(shè)置為:額定功率Pe=15 kW,額定電壓Ue=400 V,最大轉(zhuǎn)速ωmax=2 500 r/min,定子漏感Lσs=0.000 991 H,勵(lì)磁電感Lm=0.064 19 H,定子電阻Rs=0.220 5 Ω,轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.441 0 Ω,定子電感Ls=0.065 18 H,轉(zhuǎn)子電感Lr=0.065 18 H,采樣周期Ts=5×10-6s。FMI-EKF參數(shù)設(shè)置為:狀態(tài)變量初始值x0=0,初始誤差協(xié)方差P0=I,過程噪聲方差Q=diag([0.01,0.01,0.000 000 000 2,0.000 000 000 2,1,0.000 1]),測(cè)量噪聲方差R=diag([0.01,0.01,0.01,0.01])。初始狀態(tài)均設(shè)置為0,噪聲方差矩陣符合協(xié)方差矩陣規(guī)律,由試湊得到。
給定初始ωr=500 r/min,1/τr=6.76 s-1,TL=40 N·m以及轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr=0.8 Wb,在t=3 s時(shí)轉(zhuǎn)速ωr階躍到1 300 r/min。圖4和圖5分別為FMI-EKF和MI-EKF的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速的真實(shí)值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比。從圖中可以看出,F(xiàn)MI-EKF在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都具有良好的靜態(tài)性能,穩(wěn)定后MI-EKF的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)低于FMI-EKF。當(dāng)ωr=1 300 r/min時(shí),轉(zhuǎn)速發(fā)生了階躍而引起定子電流等物理量的突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值也發(fā)生了突變,而當(dāng)系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后,新數(shù)據(jù)被舊數(shù)據(jù)淹沒,遞推算法無法使用,從而無法辨識(shí)出轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的值,因此MI-EKF并行辨識(shí)系統(tǒng)在某些數(shù)據(jù)點(diǎn)不具有可信度。為了避免這種情況的出現(xiàn),需要降低舊數(shù)據(jù)的權(quán)重,增加新數(shù)據(jù)的作用,即引入遺忘因子。當(dāng)轉(zhuǎn)速指定值發(fā)生正向階躍或者負(fù)向階躍時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值均表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生階躍時(shí),1/τr的辨識(shí)值會(huì)出現(xiàn)一定的超調(diào)量,且速度的瞬時(shí)變化量越大,1/τr辨識(shí)值的超調(diào)量也會(huì)越大,調(diào)節(jié)時(shí)間也就越長(zhǎng)。對(duì)于轉(zhuǎn)速的辨識(shí)值而言,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在轉(zhuǎn)速指令值發(fā)生正向階躍時(shí)呈現(xiàn)出過阻尼調(diào)節(jié)的狀態(tài),在轉(zhuǎn)速指令值發(fā)生負(fù)向階躍時(shí)呈現(xiàn)出欠阻尼調(diào)節(jié)的狀態(tài),無論正向階躍還是負(fù)向階躍,調(diào)節(jié)時(shí)間基本保持一致,速度穩(wěn)定后的精度也基本相同。FMI-EKF和MI-EKF相比而言,前者動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)速度更快,穩(wěn)態(tài)誤差更小,誤差帶帶寬更窄,且不存在因數(shù)據(jù)飽和而出現(xiàn)參數(shù)無法辨識(shí)的問題,因此FMI-EKF算法優(yōu)于改進(jìn)之前的MIEKF算法。
圖4 FMI-EKF和MI-EKF轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值與真實(shí)值對(duì)比Fig.4 Comparison betwen estimatied value and actual value of 1/τrof FMI-EKF and MI-EKF
圖5 FMI-EKF和MI-EKF轉(zhuǎn)速辨識(shí)值與真實(shí)值對(duì)比Fig.5 Comparison betwen estimatied value and actual value of speedof FMI-EKF and MI-EKF
選取轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速并行辨識(shí)領(lǐng)域基于MRAS方法以及EKF算法共同與FMI-EKF做對(duì)比,給定ωr=1 500 r/min,1/τr=6.76 s-1,TL=40 N·m,轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr=0.8 Wb,仿真結(jié)果如圖6所示??梢钥闯觯現(xiàn)MI-EKF和EKF在達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后,F(xiàn)MIEKF的辨識(shí)值更接近真實(shí)值,而對(duì)于MRAS而言,短時(shí)間內(nèi)無法收斂到穩(wěn)定值,對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感,實(shí)時(shí)跟蹤能力不強(qiáng)。表1給出了圖6仿真結(jié)果在2~3 s內(nèi)三種方法的每個(gè)采樣周期內(nèi)的均方根誤差(root mean square error,RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(mean absolute percentage error,MAPE)值,F(xiàn)MI-EKF的RMSE,MAPE值相較于其它兩種方法都更小,因此具有更高的準(zhǔn)確度。
圖6 MRAS,EKF和FMI-EKF仿真結(jié)果Fig.6 MRAS,EKF and FMI-EKF simulation results
表1 三種方法的RMSE和MAPE值Tab.1 RMSE and MAPE values for the three methods
給定初始ωr=1 000 r/min,TL=40 N·m,Ψr=0.8 Wb,改變轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的真實(shí)值,分別取1/τr為3.88 s-1,6.76 s-1和10 s-1,圖7給出了轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值跟蹤真實(shí)值的情況。可以看出,1/τr的辨識(shí)值在全范圍內(nèi)都可以向真實(shí)值收斂,但1/τr的真實(shí)值越大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)的阻尼比就越大;1/τr的真實(shí)值越小,超調(diào)量就會(huì)越大,調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。在1/τr的真實(shí)值發(fā)生變化時(shí),轉(zhuǎn)速辨識(shí)值仍可以準(zhǔn)確快速地跟蹤上轉(zhuǎn)速實(shí)際值。因此,全轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)范圍都可以準(zhǔn)確辨識(shí),只是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)隨轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)真實(shí)值的不同而變化。
圖7 不同轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值與真實(shí)值對(duì)比Fig.7 Comparison of estimated value and actual value of different rotor time constants
為了研究FMI-EKF適用的轉(zhuǎn)速區(qū)間,給定TL=40 N·m,Ψr=0.8 Wb,1/τr=6.76 s-1,仿真實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。在轉(zhuǎn)速處于200~2 000 r/min區(qū)間內(nèi)IFOC控制算法可以控制感應(yīng)電機(jī)定子電壓和電流波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波狀態(tài),并輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩,但在此范圍以外各物理量的波形將出現(xiàn)畸變。因此分別取ωr=200 r/min,ωr=2 000 r/min進(jìn)行極限轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)。從圖8可以看出,低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行區(qū)間誤差帶比較大,穩(wěn)定之后會(huì)有較大的轉(zhuǎn)速干擾,相對(duì)誤差也會(huì)更大;而高轉(zhuǎn)速區(qū)間穩(wěn)態(tài)性能高于低轉(zhuǎn)速區(qū)間,穩(wěn)定后誤差帶較小,辨識(shí)值跟蹤實(shí)際值的能力也強(qiáng)于低轉(zhuǎn)速區(qū)間。因此,F(xiàn)MI-EKF算法可以實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速范圍并行辨識(shí),且中高轉(zhuǎn)速區(qū)間的辨識(shí)值跟蹤效果更好。
圖8 FMI-EKF高低速仿真試驗(yàn)Fig.8 Simulation test of FMI-EKF high and low speed
為了研究FMI-EKF抗外部干擾的性能,給定ωr=500 r/min,1/τr=6.76 s-1,TL=40 N·m,Ψr=0.8 Wb。在t=2 s時(shí)給iα加一個(gè)幅值為3 A的脈沖干擾信號(hào),從圖9和圖10可以看出,對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)倒數(shù)的辨識(shí)值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的波動(dòng)干擾,波動(dòng)幅度不大且很快能夠恢復(fù)干擾加入之前的辨識(shí)狀態(tài);對(duì)轉(zhuǎn)速的辨識(shí)值并未受到明顯的影響。在t=4 s時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈給定值從0.8 Wb階躍到0.9 Wb,對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)倒數(shù)的辨識(shí)值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下更大的波動(dòng)干擾,波動(dòng)幅度可達(dá)0.7 s-1左右,但波動(dòng)之后仍能夠恢復(fù)到原穩(wěn)態(tài)的誤差帶內(nèi);對(duì)轉(zhuǎn)速的辨識(shí)值仍未受到明顯的影響。因此,無論是外部脈沖干擾,還是參數(shù)指令值發(fā)生突變,F(xiàn)MI-EKF都具有優(yōu)越的抗干擾性能。
圖9 FMI-EKF轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)抗干擾性測(cè)試Fig.9 FMI-EKF rotor time constant immunity test
本文提出一種基于改進(jìn)多新息卡爾曼濾波的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)并行辨識(shí)系統(tǒng)。通過引入遺忘因子能夠降低對(duì)歷史數(shù)據(jù)的依賴性,避免數(shù)據(jù)飽和?;贔MI-EKF并行辨識(shí)策略可以在各種運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的同時(shí)辨識(shí),避免了低轉(zhuǎn)速辨識(shí)困難的問題,并且對(duì)于外部電流干擾以及磁鏈突變也有較強(qiáng)的抵抗能力。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提策略的有效性;相較于傳統(tǒng)EKF并行辨識(shí)系統(tǒng),F(xiàn)MI-EKF具有更高的準(zhǔn)確性和魯棒性。