CN103516282A - 异步电机开环矢量控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种异步电机开环矢量控制方法和装置，方法步骤包括计算三相定子电流，通过Clarke变换将三相定子电流变换成两相静止坐标系电流，计算电机的定子电压矢量电角度，采用Park变换，将两相静止坐标系电流变换成旋转坐标系电流，获取磁通电流，通过实时跟踪磁通电流的大小来控制电机在整个频率段范围内的重载启动和快速响应运行；计算直轴电压；采用相应的逆变换将旋转坐标系电流变换成三相电压，无需获取电机的参数和转速，在整个频段也能获得很好的控制效果。

Description

异步电机开环矢量控制方法和装置

技术领域

本发明涉及一种异步电机控制方法和装置，尤其涉及一种异步电机开环矢量控制方法和装置。

背景技术

异步电机在调速系统中的应用越来越广泛，因为它具有系统容易启动、维护方便等特点，现有的异步电机的调速方式一般采用压频比恒值（V/F）控制调速和矢量控制调速，其中压频比恒值控制调速的原理是：保持电压和频率的比值是恒值，在调节电机转速时同步的调节输出电压，保证压频比恒定就能保证磁场恒定；无速度传感器的矢量控制调速包括VC矢量控制和DTC矢量控制，VC矢量控制是在获取电压电流后进行矢量坐标变换，同时进行转速和电流的双闭环处理来控制电机的运行，DTC矢量控制采用的是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

压频比恒值控制存在的问题是：由于异步电机定子绕组电阻的影响，在低频段V/F值很难保持电机的磁通为额定值，造成在低频段电机转矩很小、没有足够的启动力矩等问题，如果简单的增加输出电压加补偿，则容易造成电机过流或者低速电机震荡；VC矢量控制和DTC矢量控制都需要准确的获取电机的转速和电机参数，电机低速时很难估算电机的转速，因此控制效果并不理想。

发明内容

本发明提供一种异步电机开环矢量控制方法和装置，解决现有的压频比恒值控制方式下低频段力矩小、VC矢量控制和DTC矢量控制需获取电机参数和转速的控制算法复杂且控制效果不理想的问题。

一种异步电机开环矢量控制方法，包括以下步骤：

步骤S10、计算三相定子电流；

步骤S20、采用Clarke变换，将三相定子电流变换成两相静止坐标系电流；

步骤S30、计算定子电压矢量电角度；

步骤S40、采用Park变换，将两相静止坐标系电流变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流和交轴电流；

步骤S50、计算直轴电压；

步骤S60、采用Park逆变换将直轴电压和交轴给定电压转换成两相静止坐标系电压；

步骤S70、采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压变换成三相电压。

一种异步电机开环矢量控制装置，包括：

三相定子电流确定模块，用于计算三相定子电流；

Clarke变换模块，用于Clarke变换，将三相定子电流变换成两相静止坐标系电流；

电角度确定模块，用于计算定子电压矢量电角度；

Park变换模块，用于Park变换，将两相静止坐标系电流变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流和交轴电流；

直轴电压确定模块，用于计算直轴电压；

两相静止坐标系电压确定模块，用于Park逆变换将直轴电压和交轴给定电压转换成两相静止坐标系电压；

三相电压确定模块，用于采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压变换成三相电压。

本发明提供的一种异步电机开环矢量控制方法和装置，通过计算得到直轴电压和直轴电流再进行坐标变换，无需获取电机转速，在低频段也能很好的控制转矩。

附图说明

图1为本发明提供的异步电机开环矢量控制方法的流程图。

图2为本发明提供的异步电机开环矢量控制方法的矢量控制逻辑图。

图3为本发明涉及的Clarke变换示意图。

图4为本发明涉及的Park变换示意图。

图5为本发明涉及的Park逆变换示意图。

图6为本发明涉及的Clarke逆变换示意图。

图7为本发明提供的异步电机开环矢量控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参考图1和图2，一种异步电机开环矢量控制方法，包括以下步骤：

步骤S10、计算三相定子电流Ia、Ib、Ic；

步骤S20、如图3所示，采用Clarke变换，将三相定子电流Ia、Ib、Ic变换成两相静止坐标系电流iα、iβ；

步骤S30、计算定子电压矢量电角度θ；

步骤S40、如图4所示，采用Park变换，将两相静止坐标系电流iα、iβ变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流id和交轴电流iq；

步骤S50、计算直轴电压Vd；

步骤S60、如图5所示，采用Park逆变换将直轴电压Vd和交轴给定电压Vq转换成两相静止坐标系电压Vα、Vβ；

步骤S70、如图6所示，采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc。

具体的，三相定子电流Ia、Ib、Ic的计算公式为：

Ia=I_s sin(ωe×t)

$\mathrm{Ib}=I_s\sin (\mathrm{\ωe}\×t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$\mathrm{Ic}=I_s\sin (\mathrm{\ωe}\×t-\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

其中，Is为异步电机铭牌标识的额定电流，ωe为异步电机的角速度，通过采集异步电机的角速度ωe以计算三相定子电流。

三相定子电流Ia、Ib、Ic变换成两相静止坐标系电流iα、iβ的变换（Clarke变换）方程为：

iα=Ia

$\mathrm{i\β}=\frac{1}{\sqrt{3}}\×\mathrm{Ia}+\frac{2}{\sqrt{3}}\×\mathrm{Ib}$

Ia+Ib+Ic=0

计算电机的定子电压矢量电角度θ的方法为：对异步电机的给定频率ω进行积分得到定子电压矢量电角度θ。

其中给定频率ω即为操作者想要运行的目标频率。

电机的定子电压矢量电角度θ作为矢量变换进行运算的参考矢量角，一路用于进行电流的旋转坐标变换Park变换，另一路用于进行电压的旋转坐标变换Park逆变换。

两相静止坐标系电流iα、iβ变换成旋转坐标系电流（Park变换），得到直轴电流id和交轴电流iq的方程为：

id=iα×cosθ+iβ×sinθ

iq=-iα×sinθ+iβ×cosθ

将直轴电流id和参考励磁电流id^＊进行积分调节（PI调节）输出第一电压V1，第二电压V2通过以下压频比（V/F）公式计算得出：

$\mathrm{\Ω}=\frac{V}{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{V}{F}$

其中Ω为额定磁通，ω为给定频率，V2=（Vr/Fr）×ω，Vr为电机的额定电压，Fr为电机的额定频率。

直轴电压Vd为第一电压V1和第二电压V2之和。

Vd=V1+V2

参考励磁电流id^＊的计算方法有两种，一种是根据电机的铭牌参数获得，参考励磁电流id^＊为额定电流Is的三分之一；另一种是在V/F控制下将电机空载运行至额定频率，采集此时的定子电流作为参考励磁电流id^＊。

将直轴电压Vd、交轴给定电压Vq以及电机的定子电压矢量电角度θ转换成两相静止坐标系电压Vα、Vβ（Park逆变换）的方程为：

Vα=Vq×cosθ+Vd×sinθ

Vβ=-Vq×sinθ+Vd×cosθ

其中，交轴给定电压Vq为0V。

将两相静止坐标系电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc（Clarke逆变换）的方程为：

Va=Vβ

$\mathrm{Vb}=(-\mathrm{V\β}+\sqrt{3}\×\mathrm{V\α})/2$

$\mathrm{Vc}=(-\mathrm{V\β}-\sqrt{3}\×\mathrm{V\α})/2$

本发明提供的异步电机开环矢量控制方法还包括：

步骤S80、将三相电压Va、Vb、Vc发送给PWM逆变器以实现对异步电机的控制。

直轴电流id相当于直流电动机的励磁电流，交轴电流iq相当于与转矩成正比的电枢电流，经过相应的逆变换，最终得出三相电压实现对异步电机的控制。

本发明提供的一种异步电机开环矢量控制方法，通过矢量变换计算得出电机的磁通电流（即直轴电流）并实时跟踪该磁通电流使得系统无需获取电机转速和参数，在整个频段都能获得满意的重载启动和恒转矩运行效果。

如图7所示，一种异步电机开环矢量控制装置，包括：

三相定子电流确定模块1，用于计算三相定子电流Ia、Ib、Ic；

Clarke变换模块2，用于Clarke变换，将三相定子电流Ia、Ib、Ic变换成两相静止坐标系电流iα、iβ；

电角度确定模块3，用于计算定子电压矢量电角度θ；

Park变换模块4，用于Park变换，将两相静止坐标系电流iα、iβ变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流id和交轴电流iq；

直轴电压确定模块5，用于计算直轴电压Vd；

两相静止坐标系电压确定模块6，用于Park逆变换将直轴电压Vd和交轴给定电压Vq转换成两相静止坐标系电压Vα、Vβ；

三相电压确定模块7，用于采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc。

电角度确定模块3，具体用于对异步电机的给定频率进行积分得到定子电压矢量电角度θ。

直轴电压确定模块5包括：

第一电压确定单元51，用于将直轴电流id和参考励磁电流id^＊进行积分调节输出第一电压；

第二电压确定单元52，用于通过额定频率经压频比计算得到第二电压；

直轴电压确定单元53，用于将第一电压V1和第二电压V2相加得到直轴电压Vq。

本实施例提供的异步电机开环矢量控制装置，用于实现上述异步电机开环矢量控制方法实施例，在物理设备形态上可为但不限于变频器，在低压、中压、高压变频器上都可以实现并带来良好的控制效果。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S10、计算三相定子电流；

步骤S20、采用Clarke变换，将三相定子电流变换成两相静止坐标系电流；

步骤S30、计算定子电压矢量电角度；

步骤S40、采用Park变换，将两相静止坐标系电流变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流和交轴电流；

步骤S50、计算直轴电压；

步骤S60、采用Park逆变换将直轴电压和交轴给定电压转换成两相静止坐标系电压；

步骤S70、采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压变换成三相电压。

2.根据权利要求1所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述计算定子电压矢量电角度的方法为：对异步电机的给定频率进行积分得到定子电压矢量电角度。

3.根据权利要求1所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述计算直轴电压的方法包括：

将所述直轴电流和参考励磁电流进行积分调节输出第一电压；

通过额定频率经压频比计算得到第二电压；

将第一电压和第二电压相加得到直轴电压。

4.根据权利要求3所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述参考励磁电流为额定电流的三分之一。

5.根据权利要求3所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述参考励磁电流的获取方法为：将异步电机空载运行到额定频率，采集此时的定子电流作为参考励磁电流。

6.根据权利要求1所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述交轴给定电压为0V。

7.根据权利要求1所述的异步电机开环矢量控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S80、将三相电压发送给PWM逆变器以控制异步电机。

8.一种异步电机开环矢量控制装置，其特征在于，包括：

三相定子电流确定模块，用于计算三相定子电流；

Clarke变换模块，用于Clarke变换，将三相定子电流变换成两相静止坐标系电流；

电角度确定模块，用于计算定子电压矢量电角度；

Park变换模块，用于Park变换，将两相静止坐标系电流变换成旋转坐标系电流，得到直轴电流和交轴电流；

直轴电压确定模块，用于计算直轴电压；

两相静止坐标系电压确定模块，用于Park逆变换将直轴电压和交轴给定电压转换成两相静止坐标系电压；

三相电压确定模块，用于采用Clark逆变换将两相静止坐标系电压变换成三相电压。

9.根据权利要求8所述的异步电机开环矢量控制装置，其特征在于，

所述电角度确定模块，具体用于对异步电机的给定频率进行积分得到定子电压矢量电角度。

10.根据权利要求8所述的异步电机开环矢量控制装置，其特征在于，所述直轴电压确定模块包括：

第一电压确定单元，用于将所述直轴电流和参考励磁电流进行积分调节输出第一电压；

第二电压确定单元，用于通过额定频率经压频比计算得到第二电压；直轴电压确定单元，用于将第一电压和第二电压相加得到直轴电压。

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