CN103326656B - 异步电机转子磁场定向角度修正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异步电机转子磁场定向角度修正系统，包括采样单元、第一计算单元、极性判断单元、积分调节器、第二计算单元以及角度修正单元，其中：所述第一计算单元用于根据采样单元采样获得的转矩电流反馈值和励磁电流反馈值，通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值；所述积分调节器用于将d轴电压理论值与电流调节器的输出电压之差进行积分获得转差修正增益；所述第二计算单元用于根据转差修正增益获得修正后的转差；所述角度修正单元用于使用修正后的转差修正磁场定向角度。本发明还提供了一种对应的方法。本发明通过将d轴电压理论值作为转差修正增益计算的依据，并通过转差修正增益计算转差，从而进行控制角度修正。
Description
技术领域
本发明涉及异步电机控制领域，更具体地说，涉及一种异步电机转子磁场定向角度修正系统及方法。
背景技术
异步电机由于结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低，是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动力的机械中，约有90％左右为异步电机。
当前技术条件下，在异步电机控制中，无法从零速到最大转速的整个速度控制范围通过软件估计方式得到无相位延迟且精度较高的磁场角度，因此异步电机矢量控制通常采用间接磁场定向作为磁场的定向控制方案。与直接磁场定向控制方式不同，间接磁场定向控制不能直接获得磁场角度。它的磁场角度通过电机转子速度和电机转差积分间接计算得到的。以最常见的转子间接磁场定向控制为例，转子速度是从编码器直接采集得到，而电机转差则由电机的转矩电流反馈和电机当前磁通幅度计算得到。
在实际工程实现中，由于电流闭环控制的存在，转矩电流指令和转矩电流反馈相等，一般采用转矩电流指令和磁场强度指令代替根据磁场角度分解的转矩电流反馈和电机当前磁通幅度。然而异步电机运行进入弱磁区后，由于驱动器的输出电压饱和，导致转矩电流指令和转矩电流反馈不相等。根据转子磁场定向控制的基本原理，若此时电机转差仍然通过转矩电流指令和磁通幅度计算转差，将导致当前控制的磁场角度偏离当前电机的实际角度，从而使得电机的实际最大输出转矩能力下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述异步电机在弱磁区转子磁场定向角度偏离实际角度的问题，提供一种异步电机转子磁场定向角度修正系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种异步电机转子磁场定向角度修正系统，包括采样单元、第一计算单元、极性判断单元、积分调节器、第二计算单元以及角度修正单元，其中：所述采样单元，用于采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id；所述第一计算单元，用于根据转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*；所述积分调节器，用于将所述d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差进行积分获得转差修正增益k；所述极性判断单元，用于在转矩电流反馈值Iq>＝0时，使输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；在转矩电流反馈值Iq<0时，使输入积分调节器的值＝Vd-Vd*；所述第二计算单元，用于根据所述转差修正增益k获得修正后的转差；所述角度修正单元，用于使用修正后的转差修正磁场定向角度；
所述系统还包括输入死区调整单元，用于在电流幅度比|iq|/id<0.2，使输入积分调节器的值＝0。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统中，所述第一计算单元通过以下转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值：
Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq
其中，Rs为定子电阻，σLs为电机漏感，We为同步频率。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统中，所述第二计算单元通过以下计算式计算获得修正后的转差Wsl：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd)
Wsl＝(1+k)×Wsl0
其中，Wsl0为理论转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统中，所述角度修正单元通过对修正后的转差与理论转速之和积分实现磁场定向角度修正。
本发明还提供一种异步电机转子磁场定向角度修正方法，包括以下步骤：
(a)采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id，并通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*；
(b)将所述d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差输入积分调节器获得转差修正增益k，并且在转矩电流反馈值Iq>＝0时，输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；在转矩电流反馈值Iq<0时，输入积分调节器的值＝Vd-Vd*；
(c)根据所述转差修正增益k获得修正后的转差并使用修正后的转差修正磁场定向角度；
所述步骤(b)中，当电流幅度比|iq|/id<0.2时，使输入积分调节器的值＝0。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法中，所述步骤(a)中的转子磁场定向电压方程为：
Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq
其中，Rs为定子电阻，σLs为电机漏感，We为同步频率。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法中，所述步骤(c)中，所述修正后的转差通过以下计算式计算获得：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd)
Wsl＝(1+k)×Wsl0
其中，Wsl0为理论转差，Wsl为修正后的转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
在本发明所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法中，所述步骤(c)中，通过对修正后的转差与理论转速之和积分实现磁场定向角度修正。
本发明的异步电机转子磁场定向角度修正系统及方法，通过将d轴电压理论值作为转差修正增益计算的依据，并通过转差修正增益计算转差，从而进行控制角度修正。通过本发明，可保证异步电机弱磁区转子磁场定向角度精确，从而提高异步电机的控制精度。
附图说明
图1是本发明异步电机转子磁场定向角度修正系统实施例的示意图。
图2是图1中异步电机转子磁场定向角度修正系统实现的原理示意图。
图3是图1中异步电机转子磁场定向角度修正系统应用的示意图。
图4是本发明异步电机转子磁场定向角度修正方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由稳态情况下异步电机转子磁场定向控制的电压方程可知：在转子磁场定向准确的情况下，励磁电流调节器输出的d轴电压Vd与采用电机参数计算获得的理论输出电压(即理论计算值)相等。反之，若当前控制的磁场角度偏离电机当前的实际磁场角度，则励磁电流调节器输出的d轴电压Vd与理论计算值存在一定的偏差。本发明通过上述偏差关系在线修正磁场的控制角度(即定向角度)，从而异步电机实现精确控制。
以下为稳态条件下，转子磁场定向控制的电压方程：
Vq*＝Rs×Iq+We×σLs×Id+We×Lr×λd/Lm； (1)
Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq； (2)
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σLs为电机漏感，Lr为转子电感，Lm为电机互感，Iq为转矩电流反馈值，Id为励磁电流反馈值，λd为磁通幅度反馈值，We为同步频率，Vq*为q轴电压理论值，Vd*为d轴电压理论值。
由式(1)可知，q轴电压理论值Vq*与磁通幅度λd相关，即计算q轴电压理论值Vq*时需再线估计磁通幅度λd。由于采用软件算法估计，很难计算得到较高精度的磁通幅度λd，因此不宜选取q轴电压作为角度修正的参考方程。而式(2)中的d轴电压理论值Vd*与反馈电流Iq、Id相关，该两个值都可以直接测量得到，电压的计算精度明显高于式(1)，因此本发明采用式(2)所示的d轴电压作为角度修正的参考方程。
如图1所示，是本发明异步电机转子磁场定向角度修正系统实施例的示意图。本实施例中的异步电机转子磁场定向角度修正系统包括采样单元11、第一计算单元12、极性判断单元13、积分调节器14、第二计算单元15以及角度修正单元16。上述采样单元11、第一计算单元12、极性判断单元13、积分调节器14、第二计算单元15以及角度修正单元16集成到控制电机运行的变频器中，并由软件结合相应的硬件实现，当然在实际应用中，也可由独立于变频器的硬件和软件实现。
采样单元11用于采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id。具体地，该采样单元11可通过设置于变频器输出端口的传感器实现电流采样。
第一计算单元12用于根据采样单元11采样获得的转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id，并通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*。具体地，该第一计算单元12可通过以下转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值：Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq，其中Rs为定子电阻，σLs为电机漏感。
积分调节器14用于将第一计算单元12计算获得的d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差进行积分，从而获得转差修正增益k。
极性判断单元13用于调整输入积分调节器14的值的极性，即在转矩电流Iq>＝0时，使输入积分调节器14的值＝Vd*-Vd；在转矩电流Iq<0时，使输入积分调节器的值＝Vd-Vd*。通过极性判断单元13，可对不同转矩方向导致的不同角度偏差进行调整。
第二计算单元15用于根据积分调节器14输出的转差修正增益k获得修正后的转差Wsl。
角度修正单元16用于使用修正后的转差Wsl修正磁场定向角度，即通过转差的调整达到修正当前磁场定向角度的目的。具体地，该角度修正单元16可通过对修正后的转差与理论转差Wr之和积分实现磁场定向角度修正，如图3所示。
如图2所示，上述异步电机转子磁场定向角度修正系统在实现磁场定向角度修正时，首先根据转矩电流反馈和励磁电流反馈计算的d轴电压理论值Vd*，然后用d轴电压理论值Vd*与当前电流调节器输出电压Vd做差值比较作为积分调节器的输入(需根据不同转矩方向，通过条件判断对送入积分调节器的值进行极性判断和反向)。
此外，考虑到电压中零飘和干扰的影响，为了提高角度修正的稳定性，避免积分缓慢偏向上下边界的问题，可对积分调节器14的输入量进行额外的限制判断。具体地，上述异步电机转子磁场定向角度修正系统可进一步包括一个输入死区调整单元，用于对极性判断单元13输出的值做进一步调整。该输入死区调整单元在电流幅度比|iq|/id<0.2，使输入积分调节器的值＝0(在电流幅度比|iq|/id>＝0.2时，输入死区调整单元直接将极性判断单元13的处理结果输出到积分调节器14)。
特别地，上述第二计算单元15可通过以下计算式计算修正后的转差Wsl：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd) (3)
Wsl＝(1+k)×Wsl0 (4)
其中，Wsl0为理论转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
如图4所示，是本发明异步电机转子磁场定向角度修正方法实施例的流程示意图。该方法可运行于控制异步电机运行的变频器或与变频器连接的计算设备中，具体包括以下步骤：
步骤S41：采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id，并通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*。
具体地，上述转子磁场定向电压方程可以为：Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq，其中Rs为定子电阻，σLs为电机漏感。
步骤S42：将步骤S42计算获得的d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差输入积分调节器获得转差修正增益k，并且在转矩电流Iq>＝0时，输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；在转矩电流Iq<0时，输入积分调节器的值＝Vd-Vd*。
在该步骤中，为了避免电压中零飘和干扰的影响，提高角度修正的稳定性，避免积分缓慢偏向上下边界的问题，可进一步对积分调节器的输入值进行限制：当电流幅度比|iq|/id>＝0.2，使输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；当电流幅度比|iq|/id<0.2，使输入积分调节器的值＝0。
步骤S43：根据转差修正增益k获得修正后的转差并使用修正后的转差修正磁场定向角度。具体地，可通过对修正后的转差与理论转速之和积分实现磁场定向角度修正。
该步骤中，修正后的转差可通过以下计算式计算获得：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd)
Wsl＝(1+k)×Wsl0
其中，Wsl0为理论转差，Wsl为修正后的转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种异步电机转子磁场定向角度修正系统，其特征在于：包括采样单元、第一计算单元、极性判断单元、积分调节器、第二计算单元以及角度修正单元，其中：所述采样单元，用于采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id；所述第一计算单元，用于根据转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*；所述积分调节器，用于将所述d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差进行积分获得转差修正增益k；所述极性判断单元，用于在转矩电流反馈值Iq>＝0时，使输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；在转矩电流反馈值Iq<0时，使输入积分调节器的值＝Vd-Vd*；所述第二计算单元，用于根据所述转差修正增益k获得修正后的转差；所述角度修正单元，用于使用修正后的转差修正磁场定向角度；
所述系统还包括输入死区调整单元，用于在电流幅度比|iq|/id<0.2，使输入积分调节器的值＝0。
2.根据权利要求1所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统，其特征在于：所述第一计算单元通过以下转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值：
Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq
其中，Rs为定子电阻，σLs为电机漏感，We为同步频率。
3.根据权利要求1所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统，其特征在于：所述第二计算单元通过以下计算式计算获得修正后的转差Wsl：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd)
Wsl＝(1+k)×Wsl0
其中，Wsl0为理论转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
4.根据权利要求1所述的异步电机转子磁场定向角度修正系统，其特征在于：所述角度修正单元通过对修正后的转差与理论转速之和积分实现磁场定向角度修正。
5.一种异步电机转子磁场定向角度修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)采样转矩电流反馈值Iq和励磁电流反馈值Id，并通过转子磁场定向电压方程计算d轴电压理论值Vd*；
(b)将所述d轴电压理论值Vd*与电流调节器的输出电压Vd之差输入积分调节器获得转差修正增益k，并且在转矩电流反馈值Iq>＝0时，输入积分调节器的值＝Vd*-Vd；在转矩电流反馈值Iq<0时，输入积分调节器的值＝Vd-Vd*；
(c)根据所述转差修正增益k获得修正后的转差并使用修正后的转差修正磁场定向角度；
所述步骤(b)中，当电流幅度比|iq|/id<0.2时，使输入积分调节器的值＝0。
6.根据权利要求5所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法，其特征在于：所述步骤(a)中的转子磁场定向电压方程为：
Vd*＝Rs×Id-We×σLs×Iq
其中，Rs为定子电阻，σLs为电机漏感，We为同步频率。
7.根据权利要求5所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法，其特征在于：所述步骤(c)中，所述修正后的转差通过以下计算式计算获得：
Wsl0＝Lm×Iq/(Tr×λd)
Wsl＝(1+k)×Wsl0
其中，Wsl0为理论转差，Wsl为修正后的转差，Lm为电机互感，Tr为电机转子时间常数，λd为磁通幅度反馈。
8.根据权利要求5所述的异步电机转子磁场定向角度修正方法，其特征在于：所述步骤(c)中，通过对修正后的转差与理论转速之和积分实现磁场定向角度修正。
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