CN104135203A - 基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，根据具体应用工况和试验情况，得到特殊值系数、，以此确定异步电机三相电压合成矢量的特殊值和；当和确定后，确定带隙宽度，初始步长既被确定；再通过实际应用工况以及试验情况确定约束系数、、、；然后通过直流母线电压和控制电压矢量，确定变步长系数和方向系数，再确定异步电机的励磁电流给定值，最后通过对励磁电流分量进行重新给定；本发明避开了电机参数对控制的影响，算法简单，弱磁响应时间快，且算法实现了在异步电机全转速范围内的平滑过渡，满足异步电机的弱磁控制要求。

Description

基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机的控制技术，具体是指一种基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法。

背景技术

异步电机因其结构简单，成本低廉，可靠性高的特点，被广泛的用于汽车驱动以及工业传动系统中。为了实现异步电机全转速范围内的高性能控制要求，一般对其采用矢量控制算法。异步电机在运行时，其线电压会受到供电电压的限制，所以在异步电机的矢量控制算法中，在高转速时采用弱磁控制方法，以便获得高性能的控制效果。

异步电机矢量控制算法中，其转子磁场是通过定子电流励磁而来，弱磁控制就是通过减小定子励磁电流以达到减小转子磁场的目的。目前，异步电机弱磁控制中比较常用的方法有：

一是直接减小定子励磁电流，即随着转速的升高而人为的减小磁通的弱磁控制方法，该方法由于励磁电流是通过人为给定或者是通过转速的反比例函数获取得到，造成不同工况下的控制性能较差；

二是根据异步电机稳态电压方程进行的弱磁控制，该方法严格依赖于电机的参数，而在实际情况下，电机的参数尤其是转子参数的变化很大，因此该方法不能实现最优的控制性能；

三是基于电压闭环的控制方式进行电机的弱磁控制，该方法避开了电机参数的影响，但该方法需要对电压进行闭环调节，且只是在需要弱磁时切入运行，算法实现比较复杂。

所以，如何实现异步电机的良好弱磁控制，是异步电机控制策略中的关键技术。

发明内容

本发明旨在提供一种基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，该方法避开了电机参数对控制的影响，算法简单，弱磁响应时间快，且算法实现了在异步电机全转速范围内的平滑过渡，满足异步电机的弱磁控制要求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：

首先，根据具体的应用工况，采样得到异步电机控制器的直流母线电压UDC，并根据试验情况，确定异步电机三相电压合成矢量                                                的特殊值和的系数、，以此确定异步电机三相电压合成矢量的特殊值和；当异步电机三相电压合成矢量的特殊值和确定后，确定带隙宽度，初始步长既被确定；

其次，根据实际应用工况以及试验情况，确定约束系数、、、；然后通过直流母线电压和控制电压矢量，确定变步长系数和方向系数；当约束系数、、、、变步长系数和方向系数都确定后，确定异步电机的励磁电流给定值；

最后，在实际运用中，初始励磁电流通过异步电机空载额定电流进行获取，具体取值根据试验情况进行确定，然后通过公式：对励磁电流分量进行重新给定，其中：且为整数，为k时刻的步长，为上一时刻的步长，为变步长系数，为k时刻的励磁电流给定值，为上一时刻的励磁电流给定值，为方向系数。

所述异步电机三相电压合成矢量的特殊值和的系数、的确定取决于具体的应用工况。但在实际过程中，特殊值和的确定除了取决于工况应用外，还会根据实际经验值进行获取。

所述异步电机三相电压合成矢量也表示为异步电机矢量控制算法中dq轴系输出的控制电压和的合成矢量大小，具体的表达式为：。

对于异步电机三相电压合成矢量而言，当异步电机的励磁电流分量不变时，随着异步电机的转速的增加，异步电机三相电压合成矢量增大，即异步电机三相电压合成矢量随着异步电机的转速和励磁电流的乘积的增大而增大。

所述异步电机三相电压合成矢量的特殊值、的具体表现为：

。

 

所述变步长系数是指根据约束条件所确定的k时刻的步长系数，以便获得k时刻的步长，进而得到k时刻的输出值，约束条件如下：

上式中，、、、为不同约束条件下具体的步长系数值；、、、是约束系数，约束系数的具体数值是根据试验以及实际应用工况进行获取。

所述k时刻的步长是指k时刻的励磁电流增减值，其中当k=0时，是初始步长，即是带隙宽度，k=0时的带隙是指异步电机三相电压合成矢量的特殊值和之间的区域，带隙宽度是指的大小：

所述方向系数是指k-1时刻的输出值变化到k时刻的输出值的变化趋势，其具体的确定原则为：

，。

另外，其中，当异步电机的转速较低时，异步电机三相电压合成矢量较小，励磁电流分量会不断增大，此时需要对励磁电流分量进行最大值限幅输出，保证控制合理；而当异步电机的转速不断增大时，需要不断减小励磁电流分量，为了控制安全，需要对励磁电流分量进行最小值限幅输出；其中，所述最大值限幅根据空载电流来确定，而所述最小值限幅则根据异步电机的最高转速进行试验获取。

本发明的有益效果是：

1、该方法避开了异步电机参数对控制的影响，保证了弱磁控制在不同工况下的控制效果；

2、采用带隙变步长的方法，在弱磁的时候将电机的线电压保证在一个电压带隙范围内，根据不同的应用场合确定带隙的宽度，保证了直流母线的电压利用率，保证了控制的裕量，使转矩输出更平稳；

3、该方法在异步电机的全转速范围内均切入运行，保证了弱磁时的平稳过渡，且算法简单，实现方便。

附图说明

图1是利用本发明的异步电机矢量控制框图；

图2是本发明的弱磁方法控制框图；

图3是本发明的算法流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，该异步电机用于城市公交纯电动大巴驱动系统中，额定功率100kW，峰值功率250kW，电机的额定线电压为400V，空载电流为122A，额定转速1000r/min，峰值转速2400r/min。异步电机控制器的直流母线电压为576V，采用转子磁场定向的矢量控制方法，通过坐标变换，将定子三相电流分解成按转子磁场定向的两个直流分量、（其中为励磁电流分量，为转矩电流分量）并对其分别加以控制，控制相当于控制磁通，控制相当于控制转矩。其中d轴和q轴的电流给定值是通过指令转矩校准计算公式进行分配获得，对q环而言，其给定电流直接参与控制；而针对d环，需要通过弱磁控制单元，然后得到新的电流指令值参与矢量控制；

如图2所示，根据实际应用工况以及试验情况，确定约束系数，然后通过直流母线电压和控制电压矢量，确定变步长系数和方向系数；针对该车用工况，为了最大限度利用直流母线电压，并满足车用异步电机的控制需求，根据线性过调制算法，确定特殊值系数。当特殊值系数确定后，根据采样得到的直流母线电压，则可以确定带隙宽度，初始步长，最终获得需要的d轴电流给定值，进行限幅后输出；

如图3所示，根据异步电机的空载电流确定车用异步电机的d轴电流的初始给定值；根据直流母线电压的大小以及试验情况，确定约束系数：

当弱磁方法启动后，采集直流母线电压，为了最大限度利用直流母线电压，根据线性过调制算法，确定特殊值系数：

以此进行确定的值，当时，根据算法公式可以得到：

随着电机转速的上升或者是电机负载的加大，控制电压合成矢量也增大，根据控制电压的合成电压矢量进行变步长系数的确定以及方向系数的确定，根据公式即可得到d轴的控制电流给定值，最后进行限幅输出。

Claims (7)

1.基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：

首先，根据具体的应用工况，采样得到异步电机控制器的直流母线电压UDC，并根据试验情况，确定异步电机三相电压合成矢量                                               的特殊值和的系数、，以此确定异步电机三相电压合成矢量的特殊值和，其中特殊值和分别表示弱磁时允许的异步电机三相电压合成电压矢量的最大值和最小值；当异步电机三相电压合成矢量的特殊值和确定后，确定带隙宽度，初始步长既被确定；

其次，确定约束系数、、、；然后通过直流母线电压和控制电压矢量，确定变步长系数和方向系数；当约束系数、、、、变步长系数和方向系数都确定后，确定异步电机的励磁电流给定值；

最后，初始励磁电流通过异步电机空载额定电流进行获取，然后通过公式：对励磁电流分量进行重新给定，其中：且为整数，为k时刻的步长，为上一时刻的步长，为变步长系数，为k时刻的励磁电流给定值，为上一时刻的励磁电流给定值，为方向系数；

其中，当异步电机的转速较低时，异步电机三相电压合成矢量较小，励磁电流分量会不断增大，此时需要对励磁电流分量进行最大值限幅输出，保证控制合理；而当异步电机的转速不断增大时，需要不断减小励磁电流分量，为了控制安全，需要对励磁电流分量进行最小值限幅输出；其中，所述最大值限幅根据空载电流来确定，而所述最小值限幅则根据异步电机的最高转速进行试验获取。

2.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：所述异步电机三相电压合成矢量表示为异步电机矢量控制算法中dq轴系输出的d轴控制电压和q轴的控制电压的合成矢量大小，具体的表达式为：。

3.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：对于异步电机三相电压合成矢量，当异步电机的励磁电流分量不变时，随着异步电机的转速的增加，异步电机三相电压合成矢量增大，即异步电机三相电压合成矢量随着异步电机的转速和励磁电流的乘积的增大而增大。

4.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：所述异步电机三相电压合成矢量的特殊值、的具体表现为：

。

5.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：所述变步长系数是指根据约束条件确定的k时刻的步长系数，以获得k时刻的步长，进而得到k时刻的输出值，所述约束条件如下：

上式中，、、、为不同约束条件下具体的步长系数值；、、、是约束系数，约束系数的具体数值是根据试验以及实际应用工况进行获取。

6.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：所述k时刻的步长是指k时刻的励磁电流增减值，其中当k=0时，是初始步长，即是带隙宽度，k=0时的带隙是指异步电机三相电压合成矢量的特殊值和之间的区域，所述带隙宽度是指的大小：。

7.根据权利要求1所述的基于带隙变步长法的异步电机弱磁控制方法，其特征在于：所述方向系数是指k-1时刻的输出值变化到k时刻的输出值的变化趋势，其具体的确定原则为：

，。