CN103475298A - 一种异步电机矢量控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步电机矢量控制装置及方法，该控制方法以Buck-Boost矩阵变换器作为异步电机变频调速用变频器，首先根据异步电机的转速给定并基于矢量控制原理获得异步电机定子电压给定值，并将该电压给定作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输入；再以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流为系统控制变量，并针对这两个系统控制变量分别构建两个控制闭环使其按确定的参考值变化，由此可在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输入基本一致的输出电压，从而实现异步电机的实际转速对给定转速的准确跟踪，达到对异步电机进行变频调速控制的目的。

Description

一种异步电机矢量控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种异步电机矢量控制领域，特别涉及一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机矢量控制装置及方法。

背景技术

变频调速目前已成为交流调速发展的主流，而作为其核心装置的变频器更是成为研究的重点。目前在交流传动领域采用的变频器主要为“交直交双PWM变流器”的结构形式，该结构虽具有网侧功率因数高、谐波含量小、可四象限运行等特点，但同时也由于其直流侧存在大容量滤波电容及输入输出侧存在滤波电抗器等而造成装置体积大、成本高、寿命短等不足，为变频器的推广应用带来了不利的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、性能好的异步电机矢量控制装置，并提供一种异步电机矢量控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种异步电机矢量控制装置，包括整流模块、逆变模块、整流控制模块、逆变控制模块、矢量控制模块和转速检测模块，所述整流模块的输入端与网侧电压检测模块的输入端相连，网侧电压检测模块的输出端与整流控制模块的输入端相连，整流控制模块的输出端与整流模块相连，所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端、直流电压检测模块的输入端相连，直流电压检测模块的输出端与逆变控制模块的输入端相连，逆变模块的输出端与异步电机、状态变量检测模块的输入端、输出电流检测模块的输入端、输出电压检测模块的输入端相连，状态变量检测模块的输出端与逆变控制模块相连，输出电流检测模块的输出端分别与逆变控制模块、矢量控制模块相连，输出电压检测模块的输出端与矢量控制模块相连，所述转速检测模块的输入端与异步电机相连，输出端与矢量控制模块相连，所述矢量控制模块与逆变控制模块、转速给定模块、参数设置模块相连。

一种异步电机矢量控制方法，包括以下步骤：

1）利用传感器分别检测异步电机的实际转速与定子电流；

2）根据异步电机的实际转速、定子电流及异步电机的给定转速，利用矢量控制原理获得异步电机定子电压的给定值，并以该电压给定值作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输入电压；

3）以Buck-Boost矩阵变换器参考输入电压幅值的1.5倍作为直流偏置电压，将参考输入电压与直流偏置电压进行叠加得到电容电压的参考值u_C1ref；

4）将电容电压的参考值u_C1ref与电容电压的实际值u_C1进行比较得到电容电压的偏差，电容电压的偏差经PID运算得到电容电流的参考值i_C1ref；

5）检测Buck-Boost矩阵变换器的直流侧电压及其逆变模块输出电流i₁，计算电感电流的参考值i_L1ref， $i_{L1\mathrm{ref}}=(i_{C1\mathrm{ref}}-i_1)(u_{C1}+{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{dc}})/{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{dc}};$

6）将电感电流的参考值i_L1ref与其实际值i_L1进行比较，其偏差经PID运算得到电感电压的参考值u_L1ref；

7）根据公式计算得到占空比d₁，控制器根据占空比d₁及相应的开关周期输出控制信号控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，由此在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输入基本一致的输出电压，实现异步电机的实际转速对给定转速的跟踪。

本发明的技术效果在于：本发明首先根据异步电机的转速给定并基于矢量控制原理获得异步电机定子电压给定值，并将该电压给定作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输入；再以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流为系统控制变量，并针对这两个系统控制变量分别构建两个控制闭环使其按确定的参考值变化，由此可在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输入基本一致的输出电压，从而实现异步电机的实际转速对给定转速的准确跟踪，达到对异步电机进行变频调速控制的目的。本发明具有原理简单、控制精度高、动态性能好的优点，可大大提高基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机矢量控制系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的Buck-Boost矩阵变换器拓扑结构。

图3为本发明中电容电压控制外环的原理框图。

图4为本发明中电感电流控制内环的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括整流模块、逆变模块、整流控制模块、逆变控制模块、矢量控制模块和转速检测模块，所述整流模块的输入端与网侧电压检测模块的输入端相连，网侧电压检测模块的输出端与整流控制模块的输入端相连，整流控制模块的输出端与整流模块相连，所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端、直流电压检测模块的输入端相连，直流电压检测模块的输出端与逆变控制模块的输入端相连，逆变模块的输出端与异步电机、状态变量检测模块的输入端、输出电流检测模块的输入端、输出电压检测模块的输入端相连，状态变量检测模块的输出端与逆变控制模块相连，输出电流检测模块的输出端分别与逆变控制模块、矢量控制模块相连，输出电压检测模块的输出端与矢量控制模块相连，所述转速检测模块的输入端与异步电机相连，输出端与矢量控制模块相连，所述矢量控制模块与逆变控制模块、转速给定模块、参数设置模块相连。

参见图2，Buck-Boost矩阵变换器的逆变级是由三个结构相同的Buck-Boost DC/DC变换器构成，因而其控制系统将针对每相Buck-Boost DC/DC变换器构建一个单独的控制单元，每个控制单元又包括分别针对电容电压与电感电流的两个控制闭环。鉴于其中电容电压因与Buck-Boost矩阵变换器的输出电压直接相关联（电容电压的交流分量即为Buck-Boost矩阵变换器要求输出的交流电压），对其进行有效的控制可使Buck-Boost矩阵变换器的输出电压实现对其参考输入的准确跟踪，因而将其作为控制外环；而电感在Buck-Boost矩阵变换器中起中间能量传输作用，对其电流进行直接控制可有效提高系统的可靠性及动态性能，故将其作为控制内环；然而这两个控制闭环的控制对象都是Buck-Boost DC/DC变换器，只是对其中的两个状态变量分别进行闭环控制而已，且对这两个状态变量的控制都是通过改变变换器中功率开关的占空比（即导通时间）来实现；其控制关系在于，通过电容电压控制外环来确定电感电流的参考值，再通过电感电流控制内环改变占空比，从而达到使电容电压与电感电流均按其参考值变化，实现这两个状态变量对其参考值的准确跟踪。

参见图3，图3为本发明Buck-Boost矩阵变换器的电容电压控制外环原理图。该控制环的作用在于通过确定电感电流控制内环的参考值，并由该参考值经限幅后作用于控制内环，进而通过改变占空比d₁来调节电感电流和电容电压，使电容电压按设定的参考值变化，从而达到控制输出电压的目的。

其中电容电压的参考值由矢量控制模块确定，其基本原理是：矢量控制模块根据异步电机的转速给定，同时通过检测该电机的实际转速与定子电流的实际值，并结合该电机的额定转速、额定转子磁链以及额定定子电压幅值等参数，应用矢量控制原理得到该异步电机定子电压的给定值，并以该电压给定幅值的1.5倍作为直流偏置，再与该电压给定信号进行叠加得到电容电压的参考值u_C1ref。

将电容电压的参考值u_C1ref与其实际值u_C1进行比较，其偏差经PID运算后得到电容电流的参考值i_C1ref，再通过检测Buck-Boost矩阵变换器的直流侧电压

其逆变模块的输出电流i₁以及电容电压实际值u_C1，由公式：

即可计算出电感电流的参考值i_L1ref。将该参考值限幅后即成为电感电流控制内环的控制参考值（限幅的目的在于避免电感电流出现异常值）。

参见图4，图4为本发明Buck-Boost矩阵变换器的电感电流控制内环原理图。该控制环由于通过对电感电流的直接控制而达到了提高系统可靠性的目的。其控制原理是：将由电容电压控制外环产生的电感电流参考值i_L1ref与其实际值i_L1进行比较，其偏差经PID运算得到电感电压的参考值u_L1ref，再根据公式

即可计算出占空比d₁，控制器根据该占空比d₁及相应的开关周期输出控制信号控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，由此在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输入基本一致的输出电压，从而实现异步电机的实际转速对其给定转速的准确跟踪，达到对异步电机进行变频调速控制的目的。图中对占空比进行限幅的目的也在于避免电感电流出现异常值。

Claims (2)

1.一种异步电机矢量控制装置，其特征在于：包括整流模块、逆变模块、整流控制模块、逆变控制模块、矢量控制模块和转速检测模块，所述整流模块的输入端与网侧电压检测模块的输入端相连，网侧电压检测模块的输出端与整流控制模块的输入端相连，整流控制模块的输出端与整流模块相连，所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端、直流电压检测模块的输入端相连，直流电压检测模块的输出端与逆变控制模块的输入端相连，逆变模块的输出端与异步电机、状态变量检测模块的输入端、输出电流检测模块的输入端、输出电压检测模块的输入端相连，状态变量检测模块的输出端与逆变控制模块相连，输出电流检测模块的输出端分别与逆变控制模块、矢量控制模块相连，输出电压检测模块的输出端与矢量控制模块相连，所述转速检测模块的输入端与异步电机相连，输出端与矢量控制模块相连，所述矢量控制模块与逆变控制模块、转速给定模块、参数设置模块相连。

2.一种异步电机矢量控制方法，包括以下步骤：

1）利用传感器分别检测异步电机的实际转速与定子电流；

2）根据异步电机的实际转速、定子电流及异步电机的给定转速，利用矢量控制原理获得异步电机定子电压的给定值，并以该电压给定值作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输入电压；

3）以Buck-Boost矩阵变换器参考输入电压幅值的1.5倍作为直流偏置电压，将参考输入电压与直流偏置电压进行叠加得到电容电压的参考值u_C1ref；

4）将电容电压的参考值u_C1ref与电容电压的实际值u_C1进行比较得到电容电压的偏差，电容电压的偏差经PID运算得到电容电流的参考值i_C1ref；

5）检测Buck-Boost矩阵变换器的直流侧电压

及其逆变模块输出电流i₁，计算电感电流的参考值i_L1ref， $i_{L1\mathrm{ref}}=(i_{C1\mathrm{ref}}-i_1)(u_{C1}+{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{dc}})/{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{dc}};$

6）将电感电流的参考值i_L1ref与其实际值i_L1进行比较，其偏差经PID运算得到电感电压的参考值u_L1ref；

7）根据公式计算得到占空比d₁，控制器根据占空比d₁及相应的开关周期输出控制信号控制Buck-Boost DC-DC变换器中对应功率开关的开通时间，从而调节电容电压使其按确定的参考值变化，由此在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输入基本一致的输出电压，实现异步电机的实际转速对给定转速的跟踪。

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