CN100557942C - 基于转差线性控制的异步电机调速方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转差线性控制的异步电机调速方法，属异步电机调速方法。包括转速环、目标定子磁链矢量生成环节、空间矢量调制环节、定子磁链辨识环节、三相全桥逆变器、异步电机组成。在异步电机维持定子磁链幅值不变的情况下，通过直接线性的调节异步电机的转差来控制转矩。本发明结合了矢量控制对转矩线性调节和直接转矩控制直接调节转差、无电流环、无坐标变换的特点，实现简单，仅须辨识定子磁链，参数鲁棒性强，电流谐波小，转矩脉动小，磁链波动小，具有良好的调速性能。

Description

基于转差线性控制的异步电机调速方法

一、技术领域

本发明的基于转差线性控制的异步电机调速方法，属交流电机类的异步电机调速方法。

二、背景技术

目前异步电机常用的控制系统为矢量控制系统和直接转矩控制系统。20世纪70年代初期德国西门子公司的F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，奠定了矢量控制的基础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换建立的电机模型就可等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行调速。矢量控制的缺点如下：(1)观测转子磁链需要知道转子电阻和电感，控制性能受参数变化较大；(2)转矩动态响应性能不高；(3)坐标变换和电流环的存在，使得控制系统实现比较复杂。

1985年，德国学者M.Depenbrock首次提出了直接转矩控制的理论，随后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案。直接转矩控制系统的特点如下：(1)在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的转矩和磁链，避免了复杂的静止旋转坐标变换；(2)控制系统所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，参数鲁棒性好；(3)将转矩和磁链直接作为被控量，没有电流控制环节，实现简单；(4)对转矩直接控制，转矩控制的动态性能高。直接转矩控制的缺点如下：对定子磁链和电磁转矩采用的是滞环控制，磁链幅值、转矩存在脉动，定子电流谐波含量较高，它的稳态控制性能不如矢量控制。

三、发明内容

本发明的目的在于提出一种参数鲁棒性好，控制简单易实现，系统动态、静态性能均优良的异步电机控制方法。

一种基于转差线性控制的异步电机调速方法，其特征在于，包括转速环、目标定子磁链矢量生成环节、空间矢量调制环节、定子磁链辨识环节、三相全桥逆变器、异步电机。转速环将异步电机的给定转速N^*与异步电机实际转速N的差值进行比例和积分环节，然后再经过限幅环节得到电机瞬时转差角频率w_sl ^*。其中异步电机的实际转速N由速度传感器得到；通过电机瞬时转差角频率w_sl ^*、电机瞬时转速角频率w_r、异步电机的定子磁链给定幅值ψ^*来确定异步电机目标定子磁链矢量

，先将异步电机当前定子磁链矢量

旋转θ＝w_r*T角度，其中w_r为电机瞬时转速角频率，得到异步电机零转差定子磁链矢量

，异步电机零转差定子磁链矢量

的长度为给定定子磁链幅值ψ^*；再将异步电机零转差定子磁链矢量

旋转δ＝w_sl*T角度得到异步电机目标定子磁链矢量

，异步电机目标定子磁链矢量

的长度为异步电机定子磁链给定幅值ψ^*，其中异步电机瞬时转速角频率 $w_r=\frac{2\mathrm{\πpN}}{60},$ p为异步电机极对数，N为异步电机实际转速，T为中断周期时间；由异步电机目标定子磁链矢量

与异步电机当前定子磁链矢量

作矢量差得到定子磁链变化量，其中异步电机当前定子磁链矢量的求取过程如下：

(1)利用电压传感器获得三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的占空比(D_A、D_B、D_C)组合计算得出异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_C-D_B-D_A)\end{array}\right.---\left(1\right)$

将异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc进行磁势不变的3/2变换，得到在异步电机在静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)利用电流传感器检测得到异步电机在静止abc坐标下的三相相电流i_sa、i_sb、i_sc，进行磁势不变的3/2变换，得到异步电机在静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2i_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)利用式(1)、式(3)计算得出的电压、电流求得电机在异步电机在静止αβ坐标系下的定子磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right)$

再将式(4)经过αβ坐标到极坐标的变换求得异步电机当前定子磁链矢量

的幅值和相角：

${\mathrm{\ψ}}_k=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_k=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}---\left(5\right)$

将异步电机目标定子磁链矢量

与异步电机当前定子磁链矢量

作矢量差得到定子磁链变化量

。定子磁链变化量

由空间矢量调制环节生成，将

通过矢量合成可得：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V3*t_3+V4*t_4$

由V3和V4的作用时间t₃和t₄进一步求得三相全桥逆变器的占空比D_A、D_B、D_C：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=0\\ D_B=\frac{t_3+t_4}{T}\\ D_C=\frac{t_4}{T}\end{array}\right.---\left(7\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V1*t_1+V2*t_2,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_1+t_2}{T}\\ D_B=\frac{t_2}{T}\\ D_C=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V2*t_2+V3*t_3,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_2}{T}\\ D_B=\frac{t_2+t_3}{T}\\ D_C=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V4*t_4+V5*t_5,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=0\\ D_B=\frac{t_4}{T}\\ D_C=\frac{t_4+t_5}{T}\end{array}\right.---\left(10\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V5*t_5+V6*t_6,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_6}{T}\\ D_B=0\\ D_C=\frac{t_5+t_6}{T}\end{array}\right.---\left(11\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V6*t_6+V1*t_1,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_6+t_1}{T}\\ D_B=0\\ D_C=\frac{t_6}{T}\end{array}\right..---\left(12\right)$

在静态时，通过线性调节w_sl ^*可以线性调节转矩，减小了转矩脉动，减小了定子电流谐波；在动态过程中，通过直接调节w_sl ^*来迅速改变转矩，具有良好的动态性能。该系统中无坐标变换，无电流环，实现简单；只需辨识定子磁链(直接转矩控制要同时辨识定子磁链与电磁转矩)；没有用到任何转子参数，无需辨识任何转子量，参数鲁棒性好。本发明在异步电机调速场合将有广泛的应用前景。

附图说明

附图1基于转差线性控制的异步电机调速系统框图

附图2目标定子磁链矢量计算示意图

具体实施方式

本发明的核心思想是通过直接线性的调节异步电机的转差来控制转矩。在异步电机维持定子磁链幅值不变的情况下，忽略漏感，电机的电磁转矩如下式所示：

$T_e=\frac{3}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_s}{L_s}\right)}^2\frac{{L_m}^2{w}_{\mathrm{sl}}}{R_r}$

由上式可见，电机的电磁转矩与转差成线性关系。通过直接线性地调节异步电机的瞬时转差就可以迅速线性地调节转矩。

附图1给出了基于转差线性控制的异步电机调速方法的原理框图，它由转速环、目标定子磁链矢量生成环节、空间矢量调制环节、定子磁链辨识环节、三相全桥逆变器、异步电机组成。

一种基于转差线性控制的异步电机调速方法，其特征在于，包括转速环、目标定子磁链矢量生成环节、空间矢量调制环节、定子磁链辨识环节、三相全桥逆变器、异步电机。转速环将异步电机的给定转速N^*与异步电机实际转速N的差值进行比例和积分环节，然后再经过限幅环节得到电机瞬时转差角频率w_sl ^*。其中异步电机的实际转速N由速度传感器得到；通过瞬时转差角频率w_sl ^*、电机瞬时转速角频率w_r、异步电机的定子磁链给定幅值ψ^*来确定异步电机目标定子磁链矢量

，先将异步电机当前定子磁链矢量

旋转θ＝w_r*T角度(其中w_r为电机瞬时转速角频率)得到异步电机零转差定子磁链矢量

，异步电机零转差定子磁链矢量

的长度为给定定子磁链幅值ψ^*；再将异步电机零转差定子磁链矢量

旋转δ＝w_sl*T角度得到异步电机目标定子磁链矢量

，异步电机目标定子磁链矢量的长度为异步电机定子磁链给定幅值ψ^*，其中异步电机瞬时转速角频率 $w_r=\frac{2\mathrm{\πpN}}{60},$ p为异步电机极对数，N为异步电机实际转速，T为中断周期时间；由异步电机目标定子磁链矢量

与异步电机当前定子磁链矢量

作矢量差得到定子磁链变化量

，其中异步电机当前定子磁链矢量

的求取过程如下：

(1)利用电压传感器获得三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的占空比(D_A、D_B、D_C)组合计算得出异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_C-D_B-D_A)\end{array}\right.---\left(1\right)$

将异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc进行磁势不变的3/2变换，得到在异步电机在静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)利用电流传感器检测得到异步电机在静止abc坐标下的三相相电流i_sa、i_sb、i_sc，进行磁势不变的3/2变换，得到异步电机在静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2i_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)利用式(1)、式(3)计算得出的电压、电流求得电机在异步电机在静止αβ坐标系下的定子磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right)$

再将式(4)经过αβ坐标到极坐标的变换求得异步电机当前定子磁链矢量

的幅值和相角：

${\mathrm{\ψ}}_k=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}^2}$

${\mathrm{\θ}}_k=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}---\left(5\right)$

将异步电机目标定子磁链矢量

与异步电机当前定子磁链矢量

作矢量差得到定子磁链变化量

。定子磁链变化量

由空间矢量调制环节生成，将

通过矢量合成可得：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V3*t_3+V4*t_4$

结合附图(2)得出，k+1时刻电机的目标电磁转矩为：

${T_{e(k+1)}}^{*}=\frac{3}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_s}{L_s}\right)}^2\frac{{L_m}^2}{R_r}\left(\frac{\∠1+\∠2-w_{r}T}{T}\right)$

$=\frac{3}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_s}{L_s}\right)}^2\frac{{L_m}^2}{R_r}\left(\frac{{w_{\mathrm{sl}}}^{*}T+w_{r}T-w_{r}T}{T}\right)$

$=\frac{3}{2}{\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_s}{L_s}\right)}^2\frac{{L_m}^2}{R_r}{w_{\mathrm{sl}}}^{*}$

由上式可以看出，电机的电磁转矩由转速PI环的输出w_sl ^*决定。

在静态时，通过线性调节w_sl ^*可以线性调节转矩，减小了转矩脉动，减小了定子电流谐波；在动态过程中，通过直接调节w_sl ^*来迅速改变转矩，具有良好的动态性能。该系统中无坐标变换，无电流环，实现简单；只需辨识定子磁链(直接转矩控制要同时辨识定子磁链与电磁转矩)；没有用到任何转子参数，无需辨识任何转子量，参数鲁棒性好。本发明在异步电机调速场合将有广泛的应用前景。

Claims (1)

1、一种基于转差线性控制的异步电机调速方法，其特征在于，包括转速环、目标定子磁链矢量生成环节、空间矢量调制环节、定子磁链辨识环节、三相全桥逆变器、异步电机，转速环将异步电机的给定转速N^*与异步电机实际转速N的差值进行比例和积分环节，然后再经过限幅环节得到电机瞬时转差角频率w_sl ^*，其中异步电机的实际转速N由速度传感器得到；通过电机瞬时转差角频率w_sl ^*、电机瞬时转速角频率w_r、异步电机的定子磁链给定幅值ψ^*来确定异步电机目标定子磁链矢量

先将异步电机当前定子磁链矢量

旋转θ＝w_r*T角度，其中w_r为电机瞬时转速角频率，得到异步电机零转差定子磁链矢量

异步电机零转差定子磁链矢量

的长度为给定定子磁链幅值ψ^*；再将异步电机零转差定子磁链矢量

旋转δ＝w_sl*T角度得到异步电机目标定子磁链矢量

异步电机目标定子磁链矢量

的长度为异步电机定子磁链给定幅值ψ^*，其中异步电机瞬时转速角频率 $w_r=\frac{2\mathrm{\πpN}}{60},$ p为异步电机极对数，N为异步电机实际转速，T为中断周期时间；由异步电机目标定子磁链矢量与异步电机当前定子磁链矢量作矢量差得到定子磁链变化量

其中异步电机当前定子磁链矢量

的求取过程如下：

(1)利用电压传感器获得三相全桥逆变器的直流母线电压U_dc，直流母线电压U_dc与三相全桥逆变器的占空比(D_A、D_B、D_C)组合计算得出异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{sb}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_B-D_A-D_C)\\ u_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2D_C-D_B-D_A)\end{array}\right.---\left(1\right)$

将异步电机在静止abc坐标下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc进行磁势不变的3/2变换，得到在异步电机在静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}(2D_A-D_B-D_C)\\ u_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{2}(D_B-D_C)\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)利用电流传感器检测得到异步电机在静止abc坐标下的三相相电流i_sa、i_sb、i_sc，进行磁势不变的3/2变换，得到异步电机在静止αβ坐标系下的定子电流i_sα、i_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}(2i_{\mathrm{sa}}-i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\\ i_{\mathrm{s\β}}=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{dc}}}{3}(i_{\mathrm{sb}}-i_{\mathrm{sc}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)利用式(1)、式(3)计算得出的电压、电流求得电机在异步电机在静止αβ坐标系下的定子磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R{i}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R{i}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right)$

再将式(4)经过αβ坐标到极坐标的变换求得异步电机当前定子磁链矢量

的幅值和相角：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_k=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_k=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}\end{array}---\left(5\right)$

将异步电机目标定子磁链矢量

与异步电机当前定子磁链矢量

作矢量差得到定子磁链变化量定子磁链变化量

由空间矢量调制环节生成，将

通过矢量合成可得：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V3*t_3+V4*t_4---\left(6\right)$

由V3和V4的作用时间t₃和t₄进一步求得三相全桥逆变器的占空比D_A、D_B、D_C：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=0\\ D_B=\frac{t_3+t_4}{T}\\ D_C=\frac{t_4}{T}\end{array}\right.---\left(7\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V1*t_1+V2*t_2,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_1+t_2}{T}\\ D_B=\frac{t_2}{T}\\ D_C=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V2*t_2+V3*t_3,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_2}{T}\\ D_B=\frac{t_2+t_3}{T}\\ D_C=0\end{array}\right.---\left(9\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V4*t_4+V5*t_5,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=0\\ D_B=\frac{t_4}{T}\\ D_C=\frac{t_4+t_5}{T}\end{array}\right.---\left(10\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V5*t_5+V6*t_6,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_6}{T}\\ D_B=0\\ D_C=\frac{t_5+t_6}{T}\end{array}\right.---\left(11\right)$

若 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}=V6*t_6+V1*t_1,$ 则

$\left\{\begin{array}{c}{D}_A=\frac{t_6+t_1}{T}\\ D_B=0\\ D_C=\frac{t_6}{T}\end{array}\right..---\left(12\right)$

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