CN104022702A - 交流永磁同步电动机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流永磁同步电动机控制系统，包括转速调节器、电流指令发生器、矢量旋转变换模块、矢量旋转反变换模块、空间矢量脉宽调制模块、Clarke变换模块、电压型逆变器、三相电机、位置传感器、速度计算器以及比例积分控制器；其中电流指令发生器包括预处理模块、优化控制策略模块、电流极限值计算模块以及比例积分控制器。采用本发明控制系统可以对包括直流电压变化、电动机定子电阻和电感等参数发生变化的扰动产生有效的抑制作用，从而可将电动机定子电流处于可控之中，提高系统工作的可靠性和稳定性。

Description

交流永磁同步电动机控制系统
技术领域
本发明涉及电动机技术领域，尤其是交流永磁同步电动机的控制系统。
背景技术
交流永磁同步电动机由于其效率高、调速性能好的特点被越来越多的行业所采用，交流永磁同步电动机的调速主要采用变频调速，此时转差功率基本不变，随着输出功率的变化，系统从电网吸收的有功功率也随之变化，始终保持较高的运行效率，并且调速性能也最好。目前采用电压型逆变器供电的交流永磁同步电动机工作在高速区域以后，由于定子电压接近极限，所以电流调节器可能会出现饱和以至于电流处于开环控制之中，从而导致系统进入了非可控状态，此时电动机的转矩也处于非可控状态，存在着一定的隐患。为此，在电动机运行于高速区域的时候，需要对定子电压进行恰当的处理。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可将电动机定子电流处于可控之中，提高系统工作的可靠性和稳定性的交流永磁同步电动机控制系统。
本发明的技术方案如下：
一种交流永磁同步电动机控制系统，包括转速调节器、电流指令发生器、矢量旋转变换模块、矢量旋转反变换模块、空间矢量脉宽调制模块、Clarke变换模块、电压型逆变器、三相电机、位置传感器、速度计算器以及比例积分控制器；转速标幺值与测得的电机速度叠加后输入转速调节器，转速调节器输出电磁转矩标幺值至电流指令发生器，电流指令发生器输出的d轴电流指令值和q轴电流指令值分别与矢量旋转变换模块输出的d轴电流和q轴电流叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器输出d轴电压指令值和q轴电压指令值至矢量旋转反变换模块，矢量旋转反变换模块输出二轴直角坐标系中的电压α分量与电压β分量至空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块的输出连接至电压型逆变器；电动机d轴电压输入电压型逆变器，电压型逆变器连接电机定子三相电压，电机定子A、B相电流经过Clarke变换模块输出二轴直角坐标系中的电流α分量与电流β分量至矢量旋转变换模块；三相电机连接位置传感器，位置传感器输出转子位置角度至矢量旋转变换模块、矢量旋转反变换模块以及速度计算器，速度计算器输出测得的电机速度；矢量旋转反变换模块输出的Park逆变换信号和电动机d轴电压叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器输出调节后的定子电压至电流指令发生器。
所述电流指令发生器包括预处理模块、优化控制策略模块、电流极限值计算模块以及比例积分控制器；电磁转矩标幺值经预处理模块、优化控制策略模块输出d轴电流指令值的标幺值和q轴电流指令值的标幺值；电动机d轴电压和调节后的定子电压经叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器的输出信号和d轴电流指令值的标幺值经叠加后输出d轴电流指令值，q轴电流指令值的标幺值和d轴电流指令值经电流极限值计算模块后输出q轴电流指令值。
本发明的有益技术效果是：
本发明控制系统中的电压闭环可以有效提高系统的性能。采用本发明控制系统后可以对包括直流电压变化、电动机定子电阻和电感等参数发生变化的扰动产生有效的抑制作用，从而可将电动机定子电流处于可控之中，提高系统工作的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明控制系统框图。
图2是电流指令发生器图。
图3是电压闭环控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
图1所示为本发明控制系统框图，其中包含一路速度闭环、两路电流闭环，以及一路电压闭环。电压闭环可以抵消电动机运行时对定子电压的额外要求，从而使定子电流调节器不进入深度饱和状态，进而对定子电流实施有效的闭环控制，提高系统的可控性。
图1中，ASR为转速调节器，FG为电流指令发生器，VR为矢量旋转变换模块，VR-1为矢量旋转反变换模块，SVPWM为空间矢量脉宽调制模块，VSI为电压型逆变器，ɑβ/abc为Clarke变换模块,PI为比例积分控制器。矢量旋转变换模块VR用于完成Park变换，将直角坐标系变换为旋转坐标系。矢量旋转反变换模块VR-1用于完成Park逆变换，将旋转坐标系变换为直角坐标系。Clarke变换模块用于完成Clarke变换，将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理变量变换到2轴的定子静止坐标系中。
图1中，n*为转速标幺值,Te*为电磁转矩标幺值,Ud、Ld、Lq分别为电动机d轴电压、d轴电感、q轴电感，idref、iqref分别为d轴电流指令值、q轴电流指令值，udref、uqref分别为d轴电压指令值、q轴电压指令值，uɑ、uβ分别为二轴直角坐标系中的电压ɑ分量与电压β分量，iɑ、iβ分别为二轴直角坐标系中的电流ɑ分量与电流β分量,uA、uB、uC分别为电机定子三相电压，iA、iB分别为电机定子A、B相电流，iq、id分别为q轴电流、d轴电流，θ为转子位置角度，n为测得的电机速度，U1为PI调节后的定子电压。
从输入idref到输出udref的部分，以及从输入iqref到输出uqref的部分，可称为两个电流调节器，其输入是电流指令值，其输出是电压指令值。
关于与ABC坐标系与d、q坐标系的定义说明：三相交流电动机的定子的三相绕组按120。间隔均布，以这三个方向轴线建立的3轴、2维静止坐标轴就是ABC坐标系(固定在定子上，始终保持静止)。而在电磁分析中常用转子的永磁体磁极轴线d轴以及与其垂直的方向确定的一个2轴平面直角坐标系为d、q坐标系(固定在转子上)。
根据电动机稳态运行时的电压分量(忽略定子电阻影响)，见下式：
ud＝-ωLqiq
                  （1）
uq＝ω(Ψf+Ldid)
式(1)中，ud、uq是旋转坐标系中d轴、q轴电压，而udref、uqref是特指经运算后的参考d轴、q轴电压，Ld、Lq是旋转坐标系中d轴、q轴电感，id、iq是旋转坐标系中d轴、q轴电流，ω是电动机旋转的电角速度，ψf是转子匝链定子绕组的磁链分量，与定子电流无关。
降低电动机定子电压需求的有效措施是增加弱磁电流，因此在式(1)中的uq会有较大程度的下降，从而可以允许有较大的ud存在(控制id)，进而有较大的iq，从而使电动机可以工作在较大的电流极限状态下以提高电动机的输出能力。
本控制系统的工作过程为：当电动机运行于高速情况下，电动机对定子电压提出了较高的要求(例如电动机电流指令值设置不合理、电动机定子电阻变化、d和q轴励磁电感变化等)，或者逆变器直流侧电源电压降低，则图1中的电压闭环单元将会输出一个具有弱磁效果的电流分量连同原有的电流指令值一起成为电动机运行时真正的id电流指令值。在电流调节器的作用下，电动机的弱磁电流增加了，弱磁作用得以加强，从而降低了对电压的要求，提高了系统的控制裕量。当电动机的参数恢复到先前的情况或者逆变器直流侧电源逐步提高时，那么电压闭环的调节器输出的弱磁电流就会慢慢减小，最终限制其为0，那么就可以使系统重新运行在先前没有电压闭环作用的状态下，电压闭环也不再起作用。
电流指令发生器框图如图2所示。图2的电流指令发生器即图1中的FG单元，是根据电动机参数(ω、Te*、Ud、U1)将电磁转矩标幺值Te*(标幺值：工程计算中，为了计算方便，往往不用各物理量的实际值，而是用实际值和相同单位的某一选定的基值的比值即标幺值来进行计算。标幺值＝实际值/基值。)转化为电流指令值。
在图2所示的电流指令发生器框图中，电动机电磁转矩标幺值Te*首先经过预处理：一方面考虑在不同运行区域内的转矩最大值有限；另一方面考虑到电压的限制，当电压降低时，转矩指令需要相应减小。转矩标幺值按照优化控制策略(如MTPA)进行调节。其次根据运行中的不同优化控制策略，将转矩转化为定子电流指令值的标幺值i*dref、i*qref，然后增加了电流指令补偿环节(电压闭环单元)得到idref，再以此为基础并根据电流极限值求出iq的限幅值，从而产生iqref命令值。该电流指令发生器可以提高系统的可控性与运行的可靠性。
本发明针对上述的电压闭环在定子电阻以及励磁电感等参数变化时的抑制效果用SIMULINK进行了仿真。电压闭环控制效果如图3所示。图3的a)、b)分别是id、iq的仿真曲线。
在电动机负载运行于高速的情况下，图3中的不同部分对应的干扰分别是：1是定子电阻逐渐增加；2是定子电感缓慢减小；3是定子电感快速减小；4是定子电阻逐渐减小，恢复正常。从中可以看出，随着电动机参数的变化，由于电流指令同步发生变化，所以电流调节器可以保持对电流的闭环控制作用。
综上，该控制系统中的电压闭环可以有效提高系统的性能。采用该控制系统后可以对包括直流电压变化、电动机定子电阻和电感等参数发生变化的扰动产生有效的抑制作用，从而可将电动机定子电流处于可控之中，提高系统工作的可靠性和稳定性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种交流永磁同步电动机控制系统，其特征在于：包括转速调节器、电流指令发生器、矢量旋转变换模块、矢量旋转反变换模块、空间矢量脉宽调制模块、Clarke变换模块、电压型逆变器、三相电机、位置传感器、速度计算器以及比例积分控制器；转速标幺值与测得的电机速度叠加后输入转速调节器，转速调节器输出电磁转矩标幺值至电流指令发生器，电流指令发生器输出的d轴电流指令值和q轴电流指令值分别与矢量旋转变换模块输出的d轴电流和q轴电流叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器输出d轴电压指令值和q轴电压指令值至矢量旋转反变换模块，矢量旋转反变换模块输出二轴直角坐标系中的电压α分量与电压β分量至空间矢量脉宽调制模块，空间矢量脉宽调制模块的输出连接至电压型逆变器；电动机d轴电压输入电压型逆变器，电压型逆变器连接电机定子三相电压，电机定子A、B相电流经过Clarke变换模块输出二轴直角坐标系中的电流α分量与电流β分量至矢量旋转变换模块；三相电机连接位置传感器，位置传感器输出转子位置角度至矢量旋转变换模块、矢量旋转反变换模块以及速度计算器，速度计算器输出测得的电机速度；矢量旋转反变换模块输出的Park逆变换信号和电动机d轴电压叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器输出调节后的定子电压至电流指令发生器。
2.根据权利要求1所述交流永磁同步电动机控制系统，其特征在于：所述电流指令发生器包括预处理模块、优化控制策略模块、电流极限值计算模块以及比例积分控制器；电磁转矩标幺值经预处理模块、优化控制策略模块输出d轴电流指令值的标幺值和q轴电流指令值的标幺值；电动机d轴电压和调节后的定子电压经叠加后输入比例积分控制器，比例积分控制器的输出信号和d轴电流指令值的标幺值经叠加后输出d轴电流指令值，q轴电流指令值的标幺值和d轴电流指令值经电流极限值计算模块后输出q轴电流指令值。
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