CN104320035B - 交流异步电机自动转矩补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法。该方法能够依据实际负载状况，自动计算输出电压补偿值，经过一阶，实现自动转矩提升；自动计算电机动态滑差频率，实现自动滑差补偿。

Description

交流异步电机自动转矩补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于通用变频驱动设备的交流异步电机自动转矩补偿控制方法。属于电机驱动控制方法技术领域。

背景技术

交流异步电机V/F控制，面临低速带载能力低、重载滑差大、控制精度低等缺点。应用过程中，需要用户手动设置转矩补偿参数与滑差补偿参数，而这种手动控制方式可能会导致电机空载电流增大、效率降低等问题的发生。

交流异步电机无感矢量控制，存在对电机参数依赖性大、鲁棒性差等缺点。为了获得最佳的控制性能，一般需要将电机与负载脱开，以便进行旋转参数辨识。由于电机特性、旋转参数辨识精度以及实际负载工况的限制，该控制方法的推广与应用也受到了很大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中V/F控制与无感矢量控制的不足，提供一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法。该方法能够基于通用变频器硬件实现，在不增加硬件成本的前提下，实现自动转矩提升与自动滑差补偿，具有控制性能高、鲁棒性好的优势。

本发明的技术方案如下：

一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法，其特征在于：依据实际负载状况，自动计算输出电压补偿值U_Δ，经过一阶LPF后叠加V/F曲线输出电压U_f，实现自动转矩提升；并自动计算电机动态滑差频率f_slip，叠加给定频率f^*，实现自动滑差补偿；

具有控制方法如下：

首先依据电机V、W采样线电流I_v、I_w与电流矢量角θ_cur，通过坐标变换，按照公式(1)获得反馈励磁电流I_sd与反馈转矩电流I_sq；

$\left[\begin{array}{c}{I}_{sd}\\ I_{sq}\end{array}\right]=\frac{2}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}-\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}+\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}+\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}-\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_v\\ I_w\end{array}\right];---\left(1\right)$

并依据实际负载状况，按照公式(2)计算得到输出电压补偿值U_Δ；

$U_{\mathrm{\Δ}}=\sqrt{{\left(\frac{U_N}{f_N}{f}_{ord}{\mathrm{sin\θ}}_{vol}+K_2{R}_s{I}_{sq}\right)}^2+{\left(\left(K_{pd}+\frac{K_{id}}{S}\right)I_{\mathrm{\Δ}sd}\right)}^2}-\frac{U_N}{f_N}{f}_{ord};---\left(2\right)$

公式(2)中，U_N代表电机铭牌额定电压，f_N代表电机铭牌额定频率，f_ord代表V/F曲线指令频率，θ_vol代表电压矢量角，K₂代表随负载动态变动的比例系数，R_s代表电机定子电阻，K_pd代表PI比例增益，K_id代表PI积分增益，S代表拉普拉斯算子，I_Δsd代表励磁电流偏差；

然后按照公式(3)，U_Δ经过一阶LPF并叠加V/F输出电压U_f，实现自动转矩提升；

$U_s=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{s}S+1}{U}_{\mathrm{\Δ}}+U_f;---\left(3\right)$

公式(3)中，U_s代表输出电压矢量模值，τ_s代表LPF时间常数。

依据实际负载状况，按照公式(4)计算电机动态滑差频率f_slip；

$f_{slip}=\frac{\frac{3}{4}{p}_N\frac{U_s{I}_{sq}{\mathrm{sin\θ}}_{vol}+U_s{I}_{sd}{\mathrm{cos\θ}}_{vol}+R_s(I_{sd}^2-I_{sq}^2)}{2{\mathrm{\πf}}_{ord}}}{\frac{9549{\mathrm{Pow}}_N}{n_N}}\×\left(f_N-\frac{p_N{n}_N}{120}\right);---\left(4\right)$

公式(4)中，p_N代表电机铭牌极数，Pow_N代表电机铭牌额定功率；

并通过电机动态滑差频率f_slip叠加给定频率f^*，实现自动滑差补偿。

本发明的积极效果在于：能够依据实际负载状况，自动计算输出电压补偿值U_Δ与电机动态滑差频率f_slip，实现自动转矩提升与自动滑差补偿；无需用户手动设置转矩补偿参数与滑差补偿参数；所需电机参数可以通过电机铭牌和静态辨识获得，无需将电机与负载脱开；相对于V/F控制与无感矢量控制具有控制性能高、鲁棒性好的优势。

附图说明

图1为本发明控制方法的控制原理示意图。

图2为本发明涉及的矢量位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图、实施例和实验数据，对交流异步电机自动转矩补偿控制方法进行详细阐述。应当强调的是，下述说明仅仅是示例性的，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法。该方法能够依据实际负载状况，自动计算输出电压补偿值U_Δ，经过一阶LPF后叠加V/F曲线输出电压U_f，实现自动转矩提升；自动计算电机动态滑差频率f_slip，叠加给定频率f^*，实现自动滑差补偿。

图1展示了一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法的实施示意图。本实施例通过F01至F12共十二个控制单元，实现自动转矩提升与自动滑差补偿。下面将依次对各个单元进行详细说明：

1)、F01单元：首先通过给定频率f^*与滑差频率f_slip，获得实际V/F曲线指令频率f_ord；然后依据f_ord与电机铭牌额定电压U_N、额定频率f_N，获得V/F曲线输出电压U_f和两相旋转坐标系o-dq的d轴相位θ_sd。d轴相位θ_sd参见图2。

公式1：

2)、F02单元：根据V/F曲线输出电压U_f和电压矢量角θ_vol，计算两相旋转坐标系o-dq的q轴分量U_fq。

公式2：U_fq＝U_f sinθ_vol；

3)、F03单元：通过q轴V/F曲线输出电压U_fq叠加动态补偿电压获得两相旋转坐标系o-dq的q轴指令电压

公式3：

4)、F04单元：根据q轴指令电压d轴指令电压和d轴相位θ_sd，计算指令输出电压矢量模值U_m与电压矢量角θ_vol。电压矢量夹角θ_su参见图2。

公式4：

5)、F05单元：通过指令输出电压矢量模值U_m，减去V/F曲线输出电压U_f，获得输出电压补偿值U_Δ。

公式5：U_Δ＝U_m-U_f；

6)、F06单元：输出电压补偿值U_Δ，经过一阶LPF后叠加V/F曲线输出电压U_f，获得实际输出电压矢量模值U_s。

公式6：

7)、F07单元：指令励磁电流减去反馈励磁电流I_sd，获得励磁电流偏差I_Δsd。励磁电流系数K₁可以依据电机空载电流选取。此处暂时选定指令励磁电流约为电机额定电流I_N的30％。

公式7：

8)、F08单元：通过励磁电流偏差I_Δsd，并选择符合电机特性的比例增益K_pd与积分增益K_id，经过PI调节器，便可以获得两相旋转坐标系o-dq的d轴指令电压

公式8：

9)、F09单元：d轴相位θ_sd叠加电流矢量夹角θ_sc，可以获得电流矢量角θ_cur。电流矢量夹角θ_sc参见图2。

公式9：θ_cur＝θ_sd+θ_sc；

10)、F10单元：根据电机定子电阻R_s、反馈转矩电流I_sq，及随负载波动而动态变动的比例系数K₂，可以计算两相旋转坐标系o-dq的q轴动态补偿电压

公式10：

11)、将上述公式进行合并整合处理。

公式11：

12)、F11单元：依据电机V、W采样线电流I_v、I_w与电流矢量角θ_cur，经坐标变换后，可以获得反馈励磁电流I_sd、反馈转矩电流I_sq和电流矢量I_s与d轴夹角θ_sc。电流矢量夹角θ_sc参见图2。

公式12：

13)、F12单元：根据电机铭牌额定额定频率f_N、额定转速n_N、额定功率Pow_N、极数p_N，与实际输出电压矢量模值U_s、实际V/F曲线指令频率f_ord和电压矢量角θ_vol，可以计算随电机实际负载变化的动态滑差频率f_slip。

公式13：

以下是实验数据举例：

选择4.0KW、22KW两台交流异步电机，根据本发明实施示意图进行实验数据采集，采集到的实验数据详见表2。两台电机的铭牌参数详见表1。

表1：交流异步电机铭牌参数

表2：本发明方法驱动4.0KW、22.0KW电机实验数据

从表2可见，本发明提供的自动转矩补偿控制方法具有低速带负载能力强、鲁棒性好、控制性能高等突出特点。

Claims (2)

1.一种交流异步电机自动转矩补偿控制方法，其特征在于：依据实际负载状况，自动计算输出电压补偿值U_Δ，经过一阶LPF后叠加V/F曲线输出电压U_f，实现自动转矩提升；并自动计算电机动态滑差频率f_slip，叠加给定频率f^*，实现自动滑差补偿；

具有控制方法如下：

首先依据电机V、W采样线电流I_v、I_w与电流矢量角θ_cur，通过坐标变换，按照公式(1)获得反馈励磁电流I_sd与反馈转矩电流I_sq；

$\left[\begin{array}{c}{I}_{sd}\\ I_{sq}\end{array}\right]=\frac{2}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}-\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}+\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}+\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_{cur}-\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_v\\ I_w\end{array}\right];---\left(1\right)$

并依据实际负载状况，按照公式(2)计算得到输出电压补偿值U_Δ；

$U_{\mathrm{\Δ}}=\sqrt{{(\frac{U_N}{f_N}{f}_{ord}{\mathrm{sin\θ}}_{vol}+K_2{R}_s{I}_{sq})}^2+{\left(\right(K_{pd}+\frac{K_{id}}{S}\left)I_{\mathrm{\Δ}sd}\right)}^2}-\frac{U_N}{f_N}{f}_{ord};---\left(2\right)$

公式(2)中，U_N代表电机铭牌额定电压，f_N代表电机铭牌额定频率，f_ord代表V/F曲线指令频率，θ_vol代表电压矢量角，K₂代表随负载动态变动的比例系数，R_s代表电机定子电阻，K_pd代表PI比例增益，K_id代表PI积分增益，S代表拉普拉斯算子，I_Δsd代表励磁电流偏差；

然后按照公式(3)，U_Δ经过一阶LPF并叠加V/F输出电压U_f，实现自动转矩提升；

$U_s=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{s}S+1}{U}_{\mathrm{\Δ}}+U_f;---\left(3\right)$

公式(3)中，U_s代表输出电压矢量模值，τ_s代表LPF时间常数。

2.根据权利要求1所述的交流异步电机自动转矩补偿控制方法，其特征在于：依据实际负载状况，按照公式(4)计算电机动态滑差频率f_slip；

$f_{slip}=\frac{\frac{3}{4}{p}_N\frac{U_s{I}_{sq}{\mathrm{sin\θ}}_{vol}+U_s{I}_{sd}{\mathrm{cos\θ}}_{vol}+R_s(I_{sd}^2-I_{sq}^2)}{2{\mathrm{\πf}}_{ord}}}{\frac{9549{\mathrm{Pow}}_N}{n_N}}\×(f_N-\frac{p_N{n}_N}{120});---\left(4\right)$

公式(4)中，p_N代表电机铭牌极数，Pow_N代表电机铭牌额定功率；

并通过电机动态滑差频率f_slip叠加给定频率f^*，实现自动滑差补偿。