CN105099316A - 一种电励磁同步电机的电流协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电机控制领域的一种电励磁同步电动机的电流协调控制方法。该方法定义了电励磁同步电机控制系统中的励磁电流、转矩电流、补偿电流。在电流协调控制下，定子q轴电流作为励磁电流，用于产生气隙磁场，维持定子气隙磁链恒定；转子电流作为转矩电流，与气隙磁场作用产生电磁转矩；定子d轴电流作为补偿电流，该电流与转子电流保持一定比例关系，使得d轴方向定、转子气隙磁动势对消。该方法实现方式简单，一方面能克服重载下的磁路饱和问题，输出多倍过载转矩下能基本维持电磁转矩与转矩电流之间的线性关系，大大提高了输出转矩能力；另一方面转矩响应速度得到大幅度提升，同时解决了重载工况下逆变器输出电压不足的问题。

Description

一种电励磁同步电机的电流协调控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种电励磁同步电机的电流协调控制方法。

背景技术

在一些重要应用场合，如电梯驱动、重型机床、矿山机械、船舶电力推进，为了提高控制精度和运行可靠性，低速大转矩直接驱动方式使用较多，同时，在电动汽车驱动中，短时间歇性过载运行方式期望电机能够输出高倍数的过载转矩。在转速及位置动态响应要求极高的场合，如高压断路器电动机驱动操动机构，有效动作时间为数十ms，要求电机不但能输出多倍过载转矩，并且转矩响应速度能达到ms量级。因此，提高电机稳态输出转矩能力与动态过程中的转矩响应速度是电机调速系统所面临的两大问题。对永磁电机而言，电枢反应会引起转矩分量方向上的磁路饱和，限制了电机的过载能力，而转矩响应速度则取决于定子电压能力和电枢电感。异步电机没有永磁同步电机重载运行下的磁路饱和问题，同时转矩响应速度快，气隙磁链恒定控制下，最大转矩受制于转子漏感，同时异步电机磁链定向准确性一直是控制中的难题。电励磁同步电机由于转子绕组电压可控，理论上不存在转子电流大小受限制的问题，重载下可以通过定、转子电流的协调控制克服磁路饱和问题，过载能力更强，同时能获得漏感对应的电流响应速度，转矩响应速度快。在电励磁同步电动机已有的研究中，有阻尼绕组电励磁同步电机使用更为广泛，阻尼绕组可以加快转矩电流响应速度，但动态过程中气隙磁链定向矢量控制十分复杂，并且随着动态过程的结束，阻尼绕组电流逐步衰减，无法抵消定子电流电枢反应作用，单纯依靠阻尼绕组的作用难以输出多倍过载转矩。而针对无阻尼绕组的电励磁同步电机相关研究较少，主要围绕传统基本控制策略的改善而展开，几乎没有相应研究同时解决输出转矩能力和转矩响应速度两个问题。本发明意在通过提出相应的控制策略同时解决输出转矩能力和转矩响应速度两个问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，其特征在于，该方法是基于q轴气隙磁链定向的电流协调控制方法；包括：

1)首先dq轴定义如下，d轴方向为转子直流绕组轴线所在方向，q轴方向为超前于d轴电角度90°方向；

2)以定子交流绕组的q轴电流作为励磁电流，用于产生气隙磁场，维持定子气隙磁链为恒定值，该气隙磁链恒定值决定定子q轴电流大小；

3)转子直流绕组位于d轴方向，转子电流作为转矩电流，与气隙磁场共同作用，产生电磁转矩，转矩指令及气隙磁链指令决定转子电流指令；

4)定子交流绕组的d轴电流作为补偿电流，使得d轴方向上的定、转子气隙磁动势对消，据此得到定子d轴电流指令；电流协调控制是指定子q轴电流基本维持恒定，而转子电流与定子d轴电流之间维持固定的比例，随转矩指令快速调节；

5)根据电流传感器检测到的定子三相电流i_a、i_b、i_c及进行abc/dq坐标变换，以转子位置角θ计算得到三相电流的同步旋转坐标系下的值i_sd,i_sq。

所述气隙磁链指令值ψ_δ ^*与转矩指令值T_e ^*通过矢量控制器完成电流协调控制；从而得到定、转子电流指令部分的计算内容，即：根据气隙磁链指令值，按照公式计算定子q轴电流指令值，并按照公式计算定子d轴电流指令值；根据转矩指令值按照公式计算转子电流指令值；根据定子d轴电流与转子电流的d轴方向，确定定、转子气隙磁动势对消；

其中，为转子电流指令值，ψ_δ ^*为定子气隙磁链指令值，为转矩指令，L_dδ为定子d轴电枢反应电感，M_afd为定子A相绕组轴线与转子绕组d轴轴线对齐时定子A相绕组与转子绕组之间的互感,n_p为电机极对数。

所述电流指令i_sd ^*、i_sq ^*、i_f ^*分别与坐标变换后的定子dq轴电流i_sd、i_sq与检测的转子电流i_f经过差运算，经过PI调节器，得到定子dq轴电压指令u_sd ^*、u_sq ^*和转子电压指令u_f ^*。

根据气隙磁链指令值，按照公式计算定子q轴电流指令值。

本发明的有益效果是通过采用q轴气隙磁链定向的电流协调控制方法，使得d轴方向定、转子气隙磁动势对消，克服了重载情况下转矩电流方向磁路的饱和，基本维持了输出转矩与转矩电流之间的线性关系，提高了电机的输出转矩能力，同时加快了转矩响应速度。此外，气隙磁链恒定控制不会造成重载下定子电压进一步提升，降低了对变频器输出电压容量的要求。使输出转矩能力和转矩响应速度两个问题得到解决。

附图说明

图1电励磁同步电机电流协调控制方法框图

图2电励磁同步电机主电路结构示意图

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，通过d轴方向定转子气隙磁动势对消，克服了重载情况下转矩电流方向磁路的饱和，提高了电机的输出转矩能力，同时加快了转矩响应速度。

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述：具体实施方式如下：

如图1所示为本发明电流协调控制方法框图，图2为电励磁同步电机主电路结构示意图。

具体实施方式如下：

根据图1所示电流协调控制系统框图，控制系统给定为气隙磁链指令值ψ_δ ^*与转矩指令值T_e ^*，输入到电流协调控制运算器，得到定子d轴电流指令值i_sd ^*、定子q轴电流指令值i_sq ^*、转子电流指令值i_f ^*。定子三相绕组电流检测值i_a、i_b、i_c、转子电流检测值i_f和旋变或码盘检测到的电励磁同步电机转子位置角θ输入到dq/abc坐标变换模块，输出为定子d轴电流检测值i_sd,定子q轴电流检测值i_sq。定子d轴电流指令值i_sd ^*与定子d轴电流检测值i_sd经过减法运算器，输入到d轴PI调节器，输出为d轴电压指令u_sd ^*；定子q轴电流指令值i_sq ^*与定子q轴电流检测值i_sq经过减法运算器，输入到q轴PI调节器，输出为q轴电压指令u_sq ^*；转子电流指令值i_f ^*与转子电流检测值i_f经过减法运算器，输入到转子PI调节器，输出为转子电压指令u_f ^*。电压指令u_sd ^*、u_sq ^*输入到dq/αβ坐标变换模块，得到两相静止坐标系下的电压指令u_sα ^*、u_sβ ^*，再输入到SVPWM模块，得到定子三相逆变全桥的控制信号，驱动定子三相逆变全桥为定子三相绕组提供电源。转子电压指令u_f ^*输入到DC/DC模块，得到转子H桥控制信号，驱动转子H桥为转子绕组提供电源。详细过程如下：

电流协调控制运算器环节包括：根据气隙磁链指令值ψ_δ ^*，按照公式计算定子q轴电流指令值，根据转矩指令值按照公式计算转子电流指令值，根据定子d轴电流与转子电流使得d轴方向定、转子气隙磁动势对消，按照公式计算定子d轴电流指令值。

abc/dq为坐标变换环节，该环节包括：根据电流传感器检测到的定子三相电流i_a、i_b、i_c及转子位置角θ计算得到三相电流的同步旋转坐标系下的值i_sd,i_sq。

三个PI调节器实现由电流指令及检测电流得到输出电压指令u_sd ^*、u_sq ^*、u_f ^*，具体如下：电流指令i_sd ^*、i_sq ^*、i_f ^*分别与坐标变换后的定子dq轴电流i_sd、i_sq与检测的转子电流i_f经过差运算，经过PI调节器，得到定子dq轴电压指令u_sd ^*、u_sq ^*和转子电压指令u_f ^*。

dq/αβ变换环节为电压指令u_sd ^*、u_sq ^*结合转子位置角θ变换到两相静止坐标系下指令u_sα ^*、u_sβ ^*。

u_sα ^*、u_sβ ^*与检测到的直流母线电压值U_dc得到定子三相全桥逆变环节的PWM控制信号，调制方式为框图中所示SVPWM调制方式，用来控制定子三相全桥逆变电路。

u_f ^*与检测到的直流母线电压值U_dc得到转子两相全桥的PWM控制信号，即为框图中的DC/DC环节，用来控制转子两相全桥电路。

根据图2所示电励磁同步电机主电路结构示意图，储能系统作为直流母线，为整个主电路正常工作提供能量。定子三相全桥逆变器输入端为直流母线，三相全桥逆变器由三组桥臂上的六个开关管S1-S6组成，三个桥臂输出端引出线分别与电励磁同步电机定子三相绕组A、B、C连接。转子H桥DC/DC变换器由两组桥臂上的四个开关管S7-S10组成，H桥DC/DC变换器两个桥臂的输出端引出线分别与电励磁同步电机转子相绕组F两端连接。

综上所述，本发明提出一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，可以实现多倍转矩过载及转矩的快速响应，可用于电梯驱动、重型机床、矿山机械、船舶电力推进、电动汽车驱动场合，对于高压断路器电动机驱动操动机构这类要求电机短时过载运行的场合具有良好的应用前景。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理进行了阐述，以上实施例的说明只用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明不受上述实施例的限制。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，其特征在于，该方法是基于q轴气隙磁链定向的电流协调控制方法；包括：

1)首先dq轴定义如下，d轴方向为转子直流绕组轴线所在方向，q轴方向为超前于d轴电角度90°方向；

2)以定子交流绕组的q轴电流作为励磁电流，用于产生气隙磁场，维持定子气隙磁链为恒定值，该气隙磁链恒定值决定定子q轴电流大小；

3)转子直流绕组位于d轴方向，转子电流作为转矩电流，与气隙磁场共同作用，产生电磁转矩，转矩指令及气隙磁链指令决定转子电流指令；

4)定子交流绕组的d轴电流作为补偿电流，使得d轴方向上的定、转子气隙磁动势对消，据此得到定子d轴电流指令；电流协调控制是指定子q轴电流基本维持恒定，而转子电流与定子d轴电流之间维持固定的比例，随转矩指令快速调节；

5)根据电流传感器检测到的定子三相电流i_a、i_b、i_c及进行abc/dq坐标变换，以转子位置角θ计算得到三相电流的同步旋转坐标系下的值i_sd,i_sq。

2.根据权利要求1所述一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，其特征在于，所述气隙磁链指令值ψ_δ ^*与转矩指令值T_e ^*通过电流协调控制运算器完成电流协调控制；从而得到定、转子电流指令部分的计算内容，即：根据气隙磁链指令值，按照公式计算定子q轴电流指令值，并按照公式计算定子d轴电流指令值；根据转矩指令值T_e ^*，按照公式计算转子电流指令值；根据定子d轴电流与转子电流的d轴方向，确定定、转子气隙磁动势对消；

其中，ψ_δ ^*为定子气隙磁链指令值，T_e ^*为转矩指令，L_qδ为定子q轴电枢反应电感，M_afd为定子A相绕组轴线与转子绕组d轴轴线对齐时定子A相绕组与转子绕组之间的互感,n_p为电机极对数；i_sd ^*为定子d轴电流的指令值，i_sq ^*为定子q轴电流的指令值，i_f ^*为转子电流指令值。

3.根据权利要求1所述一种电励磁同步电机的电流协调控制方法，其特征在于，所述电流指令i_sd ^*、i_sq ^*、i_f ^*分别与坐标变换后的定子dq轴电流i_sd、i_sq与检测的转子电流i_f经过差运算，经过PI调节器，得到定子dq轴电压指令u_sd ^*、u_sq ^*和转子电压指令u_f ^*。