CN103227604A - 一种感应电机无速度传感器矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应电机无速度传感器矢量控制方法，包括如下步骤：磁链控制：设定励磁电流指令值，进行励磁电流的闭环控制；坐标变换：将检测到的感应电机定子的电流值转换为电机的励磁电流分量和转矩电流分量；速度控制：得到同步角频率；磁链估算：得到转子磁链位置；转矩电压计算：得到转矩电压的指令值；坐标变换：将励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电压驱动感应电机运行。从实验结果来看，无速度传感器感应电机控制系统具有良好的动态性能，突加减负载情况下电流响应快速，整个调速范围内带载能力强，对参数依赖性小，系统稳定可靠，鲁棒性强。

Description

一种感应电机无速度传感器矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种矢量控制方法，尤其涉及一种感应电机无速度传感器矢量控制方法，属于电机控制的技术领域。

背景技术

当前感应电机的变频调速控制方法主要有恒压频比控制（V/F）、矢量控制（VC）以及直接转矩控制（DTC）。V/F方法广泛应用于风机、泵类等对于转速及动态响应要求不高的场合。但该方法是一种基于电机稳态模型的电压源型开环控制策略，并无电流控制环，因此无法实现电磁转矩的高动态响应以及转速的高稳态精度。VC方法来源于直流电机的控制原理，基于转子磁链定向，实现了电磁转矩与转子磁通的解耦控制，极大地改善了系统的调速精度和动态响应能力。传统的无速度传感器矢量控制系统为了获得转子磁场的位置，需要进行转子磁链的辨识。现在转子磁链的辨识方法主要有利用转子磁链的电压或电流模型、模型参考自适应方法、全阶状态观测器等，但这些方法存在着辨识精度不高或算法复杂等种种问题，对处理器的运算速度要求较高，工程实现难度较大。此外在构成转速闭环时需要进行转子转速的估算，进一步加大的工程实现的难度。

目前国内外对无速度传感器的矢量控制的方法已进行过很多广泛深入的研究，也取得了很多成果，发表过一些专利和论文。但是，这些方法的共同问题是控制算法中所使用的电机模型复杂、所需要的电机参数过多且依赖性大，PI调节器过多，实际应用时调试极为复杂。针对风机和泵类负载调速系统来说，性价比不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于风机和泵类负载调速系统的感应电机无速度传感器矢量控制方法，简化控制算法，提高工程可实施性，解决现有技术存在的缺憾。

本发明采用如下技术方案实现：

一种感应电机无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，该矢量控制方法包括如下步骤：

（1）磁链控制：根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值，然后通过PI调节器ACR进行励磁电流的闭环控制；

（2）坐标变换：根据转子磁链角度，利用3S/2S Clark变换和2S/2RPark变换，将检测到的感应电机定子的电流值转换为电机的励磁电流分量和转矩电流分量；

（3）根据上述励磁电流计算与设定励磁电流指令值的偏差，将该偏差经过PI调节器ACR进行计算，得到的输出值为励磁电压的指令值；

（4）速度控制：根据上述转矩电流，计算出电机的滑差角频率，然后根据电机设定运行频率得到电角频率，将电角频率与滑差角频率相加，得到同步角频率；

（5）磁链估算：使上述同步角频率对时间积分得到转子磁链位置；

（6）转矩电压计算：根据上述转矩电流滤波值和同步角频率，由感应电机的稳态电压模型，得到转矩电压的指令值；

（7）坐标变换：根据上述转子磁链角度，利用2R/2S Park反变换和2S/3S Clark反变换，将励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系的电压指令值，据此进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电压驱动感应电机运行。

本发明具备的有益技术效果是：从实验结果来看，利用本发明控制方法的无速度传感器感应电机控制系统具有良好的动态性能，突加减负载情况下电流响应快速，整个调速范围内带载能力强，对参数依赖性小，系统稳定可靠，鲁棒性强。

附图说明

图1是矢量控制的原理框图。

图2是利用本发明在向系统空载稳态运行时突加突减100%额定负载后的转速特性。

图3是利用本发明在向系统空载稳态运行时突加突减100%额定负载后的电磁转矩特性。

图4是利用本发明在向系统空载稳态运行时突加突减100%额定负载后的三相电流特性。

图5是利用本发明在向系统空载稳态运行时突加突减100%额定负载后的励磁特性。

图6是利用本发明在向系统空载稳态运行时突加突减100%额定负载后的转矩电流特性。

图7是利用本发明方法在系统按风机泵类平方转矩负载转速特性曲线，速度指令从0Hz升速到50Hz带载运行的特性。

图8是利用本发明方法在系统按风机泵类平方转矩负载电磁转矩特性曲线，速度指令从0Hz升速到50Hz带载运行的特性。

图9是利用本发明方法在系统按风机泵类平方转矩负载三相电流特性曲线，速度指令从0Hz升速到50Hz带载运行的特性。

图10是利用本发明方法在系统按风机泵类平方转矩负载励磁特性曲线，速度指令从0Hz升速到50Hz带载运行的特性。

图11是利用本发明方法在系统按风机泵类平方转矩负载转矩电流波形特性曲线，速度指令从0Hz升速到50Hz带载运行的特性。

图12是利用本发明方法在考虑预设电机参数不准确时（偏差20%）的转速运行特性。

图13是利用本发明方法在考虑预设电机参数不准确时（偏差20%）的电磁转矩运行特性。

图14是利用本发明方法在考虑预设电机参数不准确时（偏差20%）的三相电流运行特性。

图15是利用本发明方法在考虑预设电机参数不准确时（偏差20%）的励磁运行特性。

图16是利用本发明方法在考虑预设电机参数不准确时（偏差20%）的转矩电流运行特性。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

本实施例中，感应电机无速度传感器矢量控制方法包括如下步骤：

（1）磁链控制：根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值，然后通过PI调节器ACR进行励磁电流的闭环控制；

（2）坐标变换：根据转子磁链角度，利用3S/2S Clark变换和2S/2RPark变换，将检测到的感应电机定子的电流值转换为电机的励磁电流分量和转矩电流分量；

（3）根据上述励磁电流计算与设定励磁电流指令值的偏差，将该偏差经过PI调节器ACR进行计算，得到的输出值为励磁电压的指令值；

（4）速度控制：根据上述转矩电流，计算出电机的滑差角频率，然后根据电机设定运行频率得到电角频率，将电角频率与滑差角频率相加，得到同步角频率；

（5）磁链估算：使上述同步角频率对时间积分得到转子磁链位置；

（6）转矩电压计算：根据上述转矩电流滤波值和同步角频率，由感应电机的稳态电压模型，得到转矩电压的指令值；

（7）坐标变换：根据上述转子磁链角度，利用2R/2S Park反变换和2S/3S Clark反变换，将励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系的电压指令值，据此进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电压驱动感应电机运行。

结合图1进一步详述本发明的矢量控制方法：

磁链控制：根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值

。然后通过PI调节器ACR进行励磁电流的闭环控制，从而实现整个调速过程中的励磁恒定；

坐标变换：根据转子磁链角度θ_r，3S/2S Clark变换和2S/2R Park变换，将检测到的感应电机定子的电流值I_Sabc转换为电机的励磁电流分量i_sM和转矩电流分量i_sT；根据上述励磁电流i_sM，计算与设定励磁电流指令值

的偏差，将该偏差经过PI调节器ACR进行计算，得到的输出值为励磁电压的指令值；

速度控制：根据上述转矩电流i_sT，经过低通滤波器LPF得到

，从而计算出电机的滑差角频率ω_s，

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{1}{T_r{i}_{sM}^{*}}{i}_{sT}^{*}$

上式中，T_r为转子时间常数，T_r＝转子全电感L_r/转子电阻R_r；然后根据电机设定运行频率

得到电角频率

，将其与上述滑差角频率ω_s相加，得到同步角频率ω₁；

磁链估算：使上述同步角频率ω₁对时间积分得到转子磁链位置。矢量控制系统在启动时开始计算，积分的初值为零，确保了转子磁链角度的精确可靠。进而也保证了定子电流的励磁和转矩分量的精确解耦。

转矩电压计算：根据上述转矩电流滤波值

和同步角频率ω₁，由感应电机的稳态电压模型，得到转矩电压的指令值

：

$u_{sT}^{*}=R_s{i}_{sT}^{*}+{\mathrm{\ω}}_1{L}_s{i}_{sM}^{*}$

上式中，R_s为交流异步电机的定子电阻，L_s为交流异步电机的定子全电感；

坐标变换：根据上述转子磁链角度θ_r，利用2R/2S Park反变换和2S/3S Clark反变换，将上述励磁电压的指令值

和转矩电压的指令值

变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系的电压指令值

。据此进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电压驱动感应电机运行。

以下结合图2至图16说明本发明的控制效果，实施例中的电机为400V、7.5kW、4极的鼠笼式感应电机。

基于本发明的控制方法搭建基于MATLAB的仿真模型系统后，所得到的实验结果如下：

（1）向系统空载稳态运行于50Hz时突加100%额定负载后再突减100%额定负载的特性如图2至图6所示，图中分别为转速、电磁转矩、三相电流、励磁和转矩电流波形，可以看出加载后稳态时转速基本无变化，励磁电流恒定，转矩电流与转矩保持线性关系。

（2）让系统从0Hz带载运行至50Hz，负载曲线按照风机和泵类的平方转矩关系设定，调制增益使50Hz时正好达到额定负载，转速、电磁转矩、三相电流、励磁和转矩电流波形如图7至图11所示。

（3）修改仿真参数，使定转子电感、电阻值偏离真实值20%，同样在50Hz空载稳态运行时突加100%额定负载。转速、电磁转矩、三相电流、励磁和转矩电流波形如图12至图16所示，与图2至图6做对比可知，控制性能基本无差别，对参数依赖性较小，参数鲁棒性强。

从实验结果来看，利用本发明控制方法的无速度传感器感应电机控制系统具有良好的动态性能，突加减负载情况下电流响应快速，整个调速范围内带载能力强，对参数依赖性小，系统稳定可靠，鲁棒性强。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种感应电机无速度传感器矢量控制方法，其特征在于，该矢量控制方法包括如下步骤：

（1）磁链控制：根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值，然后通过PI调节器ACR进行励磁电流的闭环控制；

（2）坐标变换：根据转子磁链角度，利用3S/2S Clark变换和2S/2RPark变换，将检测到的感应电机定子的电流值转换为电机的励磁电流分量和转矩电流分量；

（3）根据上述励磁电流计算与设定励磁电流指令值的偏差，将该偏差经过PI调节器ACR进行计算，得到的输出值为励磁电压的指令值；

（4）速度控制：根据上述转矩电流，计算出电机的滑差角频率，然后根据电机设定运行频率得到电角频率，将电角频率与滑差角频率相加，得到同步角频率；

（5）磁链估算：使上述同步角频率对时间积分得到转子磁链位置；

（6）转矩电压计算：根据上述转矩电流滤波值和同步角频率，由感应电机的稳态电压模型，得到转矩电压的指令值；

（7）坐标变换：根据上述转子磁链角度，利用2R/2S Park反变换和2S/3S Clark反变换，将励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系的电压指令值，据此进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电压驱动感应电机运行。

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