CN102025313B - 基于反电势前馈控制的矢量控制方法 - Google Patents

基于反电势前馈控制的矢量控制方法 Download PDF

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Abstract

基于反电势前馈控制的矢量控制方法，包括以下步骤：求电机V/F比，得到所需异步牵引电机反电势幅值；给定励磁电流和转矩电流；由逆变器输出频率积分得反电势相位角；采样得电机三相定子电流，计算定子电流矢量幅值和相位角；求定子阻抗上补偿电压矢量幅值及相位角；将定子电流矢量解耦成转矩电流和励磁电流；解耦励磁电流和给定励磁电流构成PI调节器，其输出为反电势幅值调节值；解耦转矩电流和给定转矩电流构成PI调节器，其输出直接控制电机转差；逆变器输出的定子电压幅值为电机反电势的幅值、补偿电压矢量和反电势幅值的调节值之和；逆变器输出的电机定子频率为转子旋转速度和电机转差之和。本发明控制精度高，适用范围广。

Description

基于反电势前馈控制的矢量控制方法
技术领域
本发明涉及一种异步牵引电机的矢量控制方法，尤其是涉及一种基于反电势前馈控制的矢量控制方法。
背景技术
由于异步牵引电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此，如何对异步牵引电机进行精确的控制一直受人关注。上世纪70年代，西门子工程师F.Blaschke首先提出使用异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩的控制问题。矢量控制实现的基本原理是，测量异步电动机定子电流矢量，根据矢量变换原理将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (称之为励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (称之为转矩电流) 两个部分，通过同时控制两个分量的幅值和相位，达到控制异步电动机转矩的目的。这种方法可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，获得与直流调速系统同样的静、动态性能。简单的说，矢量控制就是将异步电动机定子电流解耦为励磁电流和转矩电流，从而对转矩和磁场两个分量进行独立控制，实现对交流电机的高性能调速。
矢量控制方法包括基于转差频率控制的矢量控制方法、基于转子磁链的矢量控制方法和无速度传感器矢量控制方法等。矢量控制方法一般需要对定子磁链或转子磁链进行观测，为了克服电机参数的变换和电机本身的非线性，在高速区和低速区控制结构往往需要进行变换。尤其在低速区，控制系统需要进行死区补偿和电机参数实时识别，控制结构过于复杂，需要大量的控制运算，往往会导致控制精度变差。另外，对于轨道交通等电动车辆的牵引控制，由于其交流传动系统的特殊性，其调制方法需要进行异步调制和同步调制之间的变换，且其需采用过调制以提高电压利用率。另外，牵引电机恒电压区通常采用方波调制，若采用传统矢量控制方法容易导致电流或电压过饱和，转矩容易产生脉动，控制精度较低。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种控制精度高的基于反电势前馈控制的矢量控制方法。
本发明的技术方案是：其包括如下步骤：
（1）通过异步牵引电机特性曲线得到电机V/F比，根据逆变器输出频率和V/F比的乘积得到所需异步牵引电机反电势的幅值；
（2）给定励磁电流和转矩电流；
（3）由逆变器输出频率的积分得到异步牵引电机反电势的相位角；
（4）通过电流传感器采样得到异步牵引电机三相定子电流，并计算得出异步牵引电机定子电流矢量的幅值和相位角；
（5）由定子电流矢量得到电流在异步牵引电机定子阻抗上的补偿电压矢量幅值及相位角；
（6）然后利用反电势相位角对异步牵引电机定子电流矢量进行矢量变换，使之解耦成转矩电流和励磁电流；
（7）解耦的励磁电流和步骤（2）中给定的励磁电流构成PI调节器，PI调节器输出为反电势幅值的调节值；
（8）解耦的转矩电流和给定转矩电流构成PI调节器，此PI调节器输出直接控制异步牵引电机的转差；
（9）逆变器输出的异步牵引电机定子电压幅值为步骤（1）所决定的异步牵引电机反电势的幅值、步骤（5）所决定的补偿电压矢量以及步骤（7）所决定的反电势幅值的调节值之和；
（10）逆变器输出的异步牵引电机定子频率为转子旋转速度和步骤（8）所决定的电机转差之和；
(11)在电机的恒转矩区和恒功率区的转矩控制采用不同的控制策略：在电机恒转矩区采用恒转矩电流控制，在电机恒功率区采用电压限制和转差限制。
本发明控制精度高，适用范围广。低频段通过恒电流控制可以自动补偿死区和电机参数变化产生的压降，高频段通过电压限制和转差限制实现恒压转差矢量控制，自动实现电机恒转矩区向恒功率区及弱磁区平滑过渡。本发明之采用基于反电势前馈控制的矢量控制方法，通过对转矩电流和励磁电流的控制，实现全速度区间的转矩控制，实现包含低速和高速的宽区域连续控制而不用更换控制结构。
附图说明
图1 为电机等效电路图；
图2 为电机电压电流矢量图；
图3 为矢量控制调制方式图；
图4为本发明一实施例控制策略框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例包括如下步骤：
（1）通过异步牵引电机特性曲线得到电机V/F比，根据逆变器输出频率和V/F比的乘积得到所需异步牵引电机反电势的幅值；
（2）给定励磁电流和转矩电流；
（3）由逆变器输出频率的积分得到异步牵引电机反电势的相位角；
（4）通过电流传感器采样得到异步牵引电机三相定子电流，并计算得出异步牵引电机定子电流矢量的幅值和相位角；
（5）由定子电流矢量得到电流在异步牵引电机定子阻抗上的补偿电压矢量幅值及相位角；
（6）然后利用反电势相位角对异步牵引电机定子电流矢量进行矢量变换，使之解耦成转矩电流和励磁电流；
（7）解耦的励磁电流和步骤（2）中给定的励磁电流构成PI调节器，PI调节器输出为反电势幅值的调节值；
（8）解耦的转矩电流和给定转矩电流构成PI调节器，此PI调节器输出直接控制异步牵引电机的转差；
（9）逆变器输出的异步牵引电机定子电压幅值为步骤（1）所决定的异步牵引电机反电势的幅值、步骤（5）所决定的补偿电压矢量以及步骤（7）所决定的反电势幅值的调节值之和；
（10）逆变器输出的异步牵引电机定子频率为转子旋转速度和步骤（8）所决定的电机转差之和； 
(11)在电机的恒转矩区和恒功率区的转矩控制采取不同的控制策略。
异步牵引电机转矩控制方法在电机恒转矩区采用恒转矩电流控制，在电机恒功率区采用电压限制和转差限制。
感应电机转矩                                                
Figure 255856DEST_PATH_IMAGE001
由下式表示： 
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE002
                                （1）
式中，
Figure 564476DEST_PATH_IMAGE003
为电机参数，为定子磁链幅值，
Figure 614788DEST_PATH_IMAGE005
为转差。
从式（1）可以得知，为了得到恒定的
Figure 429161DEST_PATH_IMAGE006
，必须对定子磁链幅值
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE007
和转差
Figure 625524DEST_PATH_IMAGE008
分别进行控制。在实际系统的应用中，转差
Figure 705607DEST_PATH_IMAGE008
可以根据牵引电机的转速在确定逆变器的基波电压频率时控制实现。
在异步电机中，如果忽略定子漏磁通，则定子磁链可以认为是和气隙磁链相等的。此时，感应电动势有效值
Figure 966824DEST_PATH_IMAGE010
和定子磁链幅值的关系为：
Figure 2968DEST_PATH_IMAGE011
                                    （2）
式中，
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE012
为定子频率，
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE014
分别表示电机匝数和电机结构参数，
Figure 632664DEST_PATH_IMAGE004
为定子磁链幅值。
在稳态运行时，根据牵引电机的等效电路（参见图1），其电压电流矢量如图2所示，从而感应电动势有效值
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE009
可以通过下式计算得到：
               (3)
式中，
Figure 80011DEST_PATH_IMAGE016
为感应电动势有效值，
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE017
为定子电压矢量，
Figure 889616DEST_PATH_IMAGE018
为定子电流矢量，
Figure 193559DEST_PATH_IMAGE020
为定子每相电阻，
Figure 281732DEST_PATH_IMAGE022
为定子电压矢量旋转角频率，
Figure 925203DEST_PATH_IMAGE024
为定子每相自感。
进一步考察牵引电机的等效电路图以及各矢量关系，在不考虑定子漏磁通时，异步电机运行时转子电流极小且可忽略不计的情况下，将定子电流解耦为两部分：有功电流
Figure 322686DEST_PATH_IMAGE026
和无功电流
Figure 363192DEST_PATH_IMAGE028
。其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
是激磁电流且落后
Figure 317373DEST_PATH_IMAGE030
90度，与定子磁链
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE031
重合（忽略定子漏感）；而有功电流
Figure 189251DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE033
重合。考虑电磁转矩
Figure 23215DEST_PATH_IMAGE006
和定子磁链的另外一种表达方式：
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE034
      (4)
式中，
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE035
为定子电流矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为定子磁链矢量，
Figure 2011100055918100002DEST_PATH_IMAGE038
为有功电流，
Figure 980993DEST_PATH_IMAGE007
为定子磁链幅值。
Figure DEST_PATH_IMAGE039
      (5)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为无功电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为互感。
式（4）表明，在
Figure 514568DEST_PATH_IMAGE007
恒定的情况下，转矩恒定亦可表现为恒定。结合式（1）可以得知，系统可以根据
Figure DEST_PATH_IMAGE045
来修正转差
Figure 893335DEST_PATH_IMAGE005
，即相当于在系统中加入了一个有功电流调节环。而根据式（5），在系统运行过程中，可以根据无功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE046
来微调定子电压，构成一个无功电流调节坏，进一步保证
Figure 206635DEST_PATH_IMAGE007
的恒定。
矢量控制的关键就是定向准确，实现励磁和转矩的准确解耦。利用磁链模型估算磁链的方法进行定向是小功率逆变器常用方法，由于受到电机参数变化和大功率逆变系统采样和控制误差的影响，利用磁链模型估算磁链的方法常常造成定向不准确，控制效果不理想。
本发明采用磁链开环控制，直接对感应电动势
Figure 938837DEST_PATH_IMAGE009
进行补偿，使得系统控制简单。两个电流环的控制采用PI调节，有利于提高系统转矩响应速度，提高系统可靠性，保证系统的动态性能。
在进行转矩的精确控制时，矢量控制策略优于转差频率控制。特别是，转差频率控制在开始时和低频率区间的性能不好。但是在电机进入恒功率区后，一般要进行过调制，最终可能要过渡到方波调制，在过调制和方波调制时，因为缺乏输出电压矢量的自由度，只能进行转差频率控制。所以本发明采用了矢量控制和转差频率控制两种控制模式的结合。
图3为矢量控制调制方式图。在低速的线型调制区域，矢量控制被激活，可以对转矩进行精确的瞬时控制；在高速的过调制和方波调制模式下，转差频率控制激活，通过对电压和转差进行限制，实现恒压转差矢量控制，自动实现电机恒转矩区向恒功率区及弱磁区平滑过渡。这样，在启动和加速阶段矢量控制能达到良好的特性，而在方波模式时也能通过转差频率控制达到比较好的性能。
图4为一控制策略框图。电流传感器3采集电机4三相电流，经CLARK变换8和PARK变换7变换成有功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE047
和无功电流
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；转矩电流给定
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE051
经电流控制单元5进行PI运算，将输出结果直接输出为转差
Figure DEST_PATH_IMAGE053
；电机速度由速度频率变换12转换成转子旋转频率，转差
Figure DEST_PATH_IMAGE056
和旋转频率
Figure DEST_PATH_IMAGE057
相加得到逆变器输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE059
（），该频率输出到SVPWM调制单元6。
Figure DEST_PATH_IMAGE060
经由积分器11得到Park变换的相位角。
逆变器的输出频率经VF比变换器10变换为电机反电势
Figure 904617DEST_PATH_IMAGE030
，该反电势和
Figure 892164DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE061
一起被输入到电压计算单元9，计算出逆变器输出电压。
逆变器输出电压
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、逆变器输出频率
Figure DEST_PATH_IMAGE064
后，当前直流母线电压VDC采集信号1输入到SVPWM调制单元6，SVPWM调制单元6进行相关运算输出逆变器功率单元2所需要的驱动脉冲、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，完成整个矢量控制过程。 

Claims (1)

1. 基于反电势前馈控制的矢量控制方法，其特征在于,包括如下步骤：
（1）通过异步牵引电机特性曲线得到电机V/F比，根据逆变器输出频率和V/F比的乘积得到所需异步牵引电机反电势的幅值；
（2）给定励磁电流和转矩电流；
（3）由逆变器输出频率的积分得到异步牵引电机反电势的相位角；
（4）通过电流传感器采样得到异步牵引电机三相定子电流，并计算得出异步牵引电机定子电流矢量的幅值和相位角；
（5）由定子电流矢量得到电流在异步牵引电机定子阻抗上的补偿电压矢量幅值及相位角；
（6）然后利用反电势相位角对异步牵引电机定子电流矢量进行矢量变换，使之解耦成转矩电流和励磁电流；
（7）解耦的励磁电流和步骤（2）中给定的励磁电流构成PI调节器的输入，PI调节器输出为反电势幅值的调节值；
（8）解耦的转矩电流和给定转矩电流构成PI调节器的输入，此PI调节器输出结果为异步牵引电机的转差；
（9）逆变器输出的异步牵引电机定子电压幅值为步骤（1）所决定的异步牵引电机反电势的幅值、步骤（5）所决定的补偿电压矢量幅值以及步骤（7）所决定的反电势幅值的调节值之和；
（10）逆变器输出频率为转子旋转频率和步骤（8）所决定的电机转差之和；
(11)在电机的恒转矩区和恒功率区的转矩控制采用不同的控制策略：电机恒转矩区采用恒转矩电流控制，在电机恒功率区采用电压限制和转差限制。
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