CN103888039B - 一种基于转矩估算的感应电机转子磁场定向偏差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于转矩估算的感应电机转子磁场定向偏差校正方法,本分明分别采用两种方式计算感应电机的输出转矩，一种是利用矢量控制系统中，两相静止坐标系下的电压和电流计算感应电机的输出功率，进而估算得到感应电机的输出转矩，二是利用矢量控制系统旋转坐标系下的d轴和q轴电流指令值，以及磁场定向偏差角度，计算得到感应电机的输出转矩，然后利用两种方式计算得到转矩构成包含磁场定向偏差角度的方程，进而通过该方程求解磁场定向偏差角，并实现偏差校正，该发明提高了传统感应电机矢量控制方法磁场定向的准确性，尤其是弱磁区速度运行的定向精度。

Description

一种基于转矩估算的感应电机转子磁场定向偏差校正方法

技术领域

本发明属于交流感应电机控制技术领域，具体涉及一种对感应电机矢量控制系统磁场定向偏差角度进行校正的方法。

背景技术

交流电机变频调速方法主要包括开环V/f调速和闭环调速，闭环调速又被称为矢量控制方法，具体包含间接转子磁场定向、直接转子磁场定向、直接定子磁场定向等。其中间接转子磁场定向由于需要的硬件少，控制性能高而得到广泛的应用。

感应电机间接转子磁场定向矢量控制的原理为：将旋转坐标系建立在转子磁场方向上，并通过该坐标，将定子电流分解为转矩电流（q轴电流）和励磁电流（d轴电流）分量，从而分别实现输出转矩和转子磁场的大小控制，因此，转子磁场定向角度对矢量控制系统的性能和稳定性有着至关重要的影响。实际系统中转子磁场定向角度的计算涉及电机部分参数以及旋转坐标系下的d轴和q轴指令电流，那么计算过程中所使用的参数不准确将会导致磁场定向的角度产生较大偏差，尤其当电机工作在弱磁高速区时，由于温升和弱磁所导致的磁场变化，电机参数变化更加明显，若不能进行实时准确的参数更新，磁场定向的误差变化将进一步加剧，与此同时，由于磁场定向不准确和弱磁区电流控制性能的下降，d轴和q轴电流指令值与实际值并不相同，这同样会导致磁场定向出现偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算磁场定向偏差角度的方法，以实现磁场定向角度偏差的实时校正，提高系统尤其是弱磁高速区的控制性能和稳定性。

本发明的实施对象为采用矢量控制的感应电机驱动系统，一种感应电机转子磁场定向偏差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据两相静止坐标系下的电压和电流计算感应电机输出转矩其中，v_αs和v_βs为两相静止坐标系下的两电压分量，i_αs和i_βs为两相静止坐标系下的两电流分量，poles为电机磁极个数；

（2）根据旋转坐标系下的电流计算感应电机输出转矩 $T_e^{\′}=L_m(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}-i_{\mathrm{qs}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}})(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}+i_{\mathrm{qs}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}),$ 其中，L_m为电机互感，为d轴电流指令值，为q轴电流指令值，磁场定向偏差角度θ_err为转子磁场定向角度目标值与电机转子磁场的实际角度的差值；

（3）利用输出转矩构T_e＝T_e′的关系构建得到包含磁场定向偏差角度θ_err的方程式，求解所述方程式得到磁场定向偏差角度θ_err；

（4）计算当前所需的磁场定向角度 为前一次校正得到的磁场定向角度。

本发明的具体技术效果体现如下：

1）通过计算磁场偏差角度，实现实时磁场定向校正，保证磁场定向的准确性；

2）通过对磁场定向的校正，使得转矩电流能够准确放映实际转矩的大小，提高系统的动态响应能力，增强系统性能；

3）通过对磁场定向的校正，使得电机实际磁场与系统所要求的磁场保持一致，有利于弱磁过程中对磁场大小的有效控制，提高电流的利用率，增强转矩输出能力。

附图说明

图1是本发明整体实施框图；

图2是两相静止坐标系下电压、电流矢量关系图；

图3是感应电机磁场定向存在偏差时，旋转坐标系下d轴和q轴电流与实际电流之间的矢量关系图；

图4是温度变化导致电机参数变化时应用本发明校正前后的输出转矩对比图，图4（a）为没有校正算法的试验结果示意图，图4（b）是采用本发明校正算法的实验结果示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明校正方法具体包括以下步骤：

1、利用两相静止坐标系下的电压和电流计算输出转矩。

感应电机输出机械功率为P_mech＝(1-s)P_gap，其中P_mech为机械功率，s为转差率，P_gap为气隙功率，而输出转矩则可通过式（1）计算：

$T_e=\frac{P_{\mathrm{mech}}}{{\mathrm{\ω}}_m}=\frac{(1-s)P_{\mathrm{gap}}}{{\mathrm{\ω}}_m}---\left(1\right)$

式中，T_e为输出转矩，ω_m为电机机械角速度，可以通过速度传感器获得，它与转子磁场旋转电角速度ω_e之间存在下列关系：

${\mathrm{\ω}}_m=\frac{2(1-s){\mathrm{\ω}}_e}{\mathrm{poles}}---\left(2\right)$

式中，poles为电机磁极个数，可通过电机铭牌获得，ω_e可通过转子角速度和转差角速度相加获得。因此，输出转矩T_e可进一步表示为：

$T_e=\frac{P_{\mathrm{gap}}}{{\mathrm{\ω}}_e}\×\frac{\mathrm{poles}}{2}---\left(3\right)$

式（3）中的P_gap可通过两相静止坐标系下的电压和电流分量计算获得，参考图2所示矢量图，如下式所示：

$P_{\mathrm{gap}}=v_{\mathrm{\αs}}{i}_{\mathrm{\αs}}+v_{\mathrm{\βs}}{i}_{\mathrm{\βs}}-\frac{3}{2}{\left|\hat{I}\right|}^2{R}_s---\left(4\right)$

式中，v_αs和v_βs为两相静止坐标系下的电压分量，可通过PWM信号和直流母线电压重构三相电压后，再通过3/2变换获得，i_αs和i_βs是两相静止坐标系下的电流分量，可通过电流传感器获得三相电流信号后，再通过3/2变换获得。当电机转速较高时，如处于弱磁速度区域，则式（4）可简化为：

P_gap＝v_αsi_αs+v_βsi_βs（5）

结合式（3），可得输出转矩计算方法为：

$T_e=\frac{v_{\mathrm{\αs}}{i}_{\mathrm{\αs}}+v_{\mathrm{\βs}}{i}_{\mathrm{\βs}}}{{\mathrm{\ω}}_s}\×\frac{\mathrm{poles}}{2}---\left(6\right)$

2、利用旋转坐标系下的电流计算输出转矩。

矢量控制系统旋转坐标系下的输出转矩具有如下关系：

T_e′＝L_mi_dsi_qs（7）

式中，L_m为电机互感，i_ds为实际d轴电流分量，也即磁场电流分量，i_qs为q轴电流分量，也即转矩电流分量。当磁场定向准确时，通常d轴电流指令值与i_ds基本相等，而q轴电流指令值与i_qs基本相等，但当磁场定向不准确时，参考图3，有如下关系存在：

$i_{\mathrm{ds}}=i_{\mathrm{ds}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}-i_{\mathrm{qs}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}---\left(8\right)$

$i_{\mathrm{qs}}=i_{\mathrm{ds}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}+i_{\mathrm{qs}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}---\left(9\right)$

其中，θ_err为磁场定向偏差角度， 是矢量控制算法中使用的转子磁场定向角度，θ_r为电机转子磁场的实际角度。

综合式（7），（8）和（9），可得：

$T_e^{\′}=L_m(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}-i_{\mathrm{qs}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}})(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}+i_{\mathrm{qs}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}})---\left(10\right)$

3、磁场定向角度校正。

利用式（10）和（6）可构建如下等式：

$L_m=(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}-i_{\mathrm{qs}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}})(i_{\mathrm{ds}}^{*}{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}+i_{\mathrm{qs}}^{*}{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}})=\frac{v_{\mathrm{\αs}}{i}_{\mathrm{\αs}}+v_{\mathrm{\βs}}{v}_{\mathrm{\βs}}}{{\mathrm{\ω}}_e}\×\frac{\mathrm{poles}}{2}---\left(11\right)$

将上式整理为： $i_{\mathrm{ds}}^{*}{i}_{\mathrm{qs}}^{*}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}^2-({i_{\mathrm{ds}}^{*}}^2-{i_{\mathrm{qs}}^{*}}^2){\mathrm{\θ}}_{\mathrm{err}}-i_{\mathrm{ds}}^{*}{i}_{\mathrm{qs}}^{*}+\tilde{k}\frac{P_{\mathrm{gap}}}{{\mathrm{\ω}}_e}=0---\left(12\right)$

其中，该参数为固定参数，可通过电机铭牌上参数经过简单计算获得，是额定磁场电流分量，是额定转矩电流分量，ω_{e_rated}为额定同步旋转角速度，P_{gap_rated}为额定气隙功率。

通过迭代法求解方程（12），即可求出θ_err，最终，通过积分方法，实时迭代调整磁场的定向角度： 为当前需要使用的磁场定向角度，为上次校正后的磁场定向角度。

图4为7.5kW感应电机在4000rpm时，在不同转矩时的电流曲线，最上方的曲线为18.3Nm负载时的电流曲线，中间曲线为15.8Nm负载时的电流曲线，最下方的曲线为13.4Nm负载时的电流曲线。对于矢量控制系统而言，若磁场定向准确，则在相同转速相同负载下，电流基本保持不变，但由于电机运行过程中，温度会不断的发生变化，进而导致电机参数有变化，从而使得磁场定向不准确，那么这种情况下，在相同转速相同负载时，电流会出现波动，如图4（a）所示，由于没有采用校正算法，使得电流随着温度的上式而出现波动，但经过本发明所提出的校正算法后，波动明显变小，基本可以保持不变，如图4（b）所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种感应电机转子磁场定向偏差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据两相静止坐标系下的电压和电流计算感应电机输出转矩其中，v_αs和v_βs为两相静止坐标系下的两电压分量，ω_e转子磁场旋转电角速度，i_αs和i_βs为两相静止坐标系下的两电流分量，poles为电机磁极个数；

(2)根据旋转坐标系下的电流计算感应电机输出转矩 $T_e^{\′}=L_m(i_{ds}^{*}{\mathrm{cos\θ}}_{err}-i_{qs}^{*}{\mathrm{sin\θ}}_{err})(i_{ds}^{*}{\mathrm{sin\θ}}_{err}+i_{qs}^{*}{\mathrm{cos\θ}}_{err}),$ 其中，L_m为电机互感，为d轴电流指令值，为q轴电流指令值，磁场定向偏差角度θ_err为转子磁场定向角度目标值与电机转子磁场的实际角度的差值；

(3)利用输出转矩构T_e＝T_e′的关系构建得到包含磁场定向偏差角度θ_err的方程式，求解所述方程式得到磁场定向偏差角度θ_err；

(4)计算当前所需的磁场定向角度 为前一次校正得到的磁场定向角度。