CN105406794B - 异步电机的最大转矩控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种异步电机的最大转矩控制方法及控制器，所述异步电机的最大转矩控制方法，包括：当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；进一步地，根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax；其中，所述转矩电流限幅值i_qmax等于转矩电流给定值即保证从而使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值。

Description

异步电机的最大转矩控制方法及控制器

技术领域

本发明实施例涉及电力电子与电力传动技术，尤其涉及一种异步电机的最大转矩控制方法及控制器。

背景技术

应用于电动汽车、高速机床等场合的异步电机通常运行在弱磁区域内的恒功率区(亦称为弱磁I区)；随着异步电机的转速提高，当达到预设条件时，异步电机由恒功率区切换为降功率区(亦称为弱磁II区或者恒电压区)并以极高转速运行。进一步地，根据异步电机弱磁区域的理论分析可知：异步电机在降功率区能达到最大转矩的关键在于需要保持异步电机的实际励磁电流与异步电机的实际转矩电流之比恒等于异步电机实际的漏磁系数。

现有的异步电机弱磁控制中广泛采用电压闭环控制方法，如单比例积分(proportional integral，简称PI)控制方法，当异步电机由恒功率区切换为降功率区时令其中，为异步电机的转矩电流给定值、为已获取的异步电机的励磁电流给定值以及σ₀为异步电机的初始漏磁系数(σ₀为根据异步电机的初始参数计算得到的值)。由于异步电机实际的漏磁系数会随着异步电机的温度、工作频率等因素的影响发生变化，因此，当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，所述异步电机实际的漏磁系数早已偏离异步电机的初始漏磁系数σ₀，从而现有技术中异步电机在降功率区所能达到的最大输出转矩与理论最大输出转矩的差值较大。

发明内容

本发明实施例提供一种异步电机的最大转矩控制方法及控制器，最大程度地使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值。

第一方面，本发明实施例提供一种异步电机的最大转矩控制方法，包括：

当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的q轴转矩电流；

根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}；其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_{q max}为转速调节器的限幅值。

可选地，所述根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}，包括：

根据确定转矩电流限幅值i_{q max}。

可选地，所述当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q，包括：

当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，获取由电流传感器检测到的三相定子电流；

对所述三相定子电流经过坐标转换后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q。

可选地，所述坐标变换包括：克拉克变换和帕克变换。

可选地，所述根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax之前，还包括：

确定所述励磁电流给定值

可选地，所述确定所述励磁电流给定值包括：

根据预设的励磁电流给定初始值i_d-base以及比例积分控制器的输出值确定所述

第二方面，本发明实施例提供一种控制器，包括：

第一确定单元，用于当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的q轴转矩电流；

第二确定单元，用于根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}；其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_{q max}为转速调节器的限幅值。

本发明中，当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；进一步地，根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}(其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值即保证)，从而使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值，同时可保证实际电流矢量轨迹最大程度地沿着理论最优电流矢量运行轨迹BO运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为异步电机运行于弱磁区域内的电压限制圆与电流限制圆的示意图；

图1B为本发明异步电机转差频率矢量控制框图；

图2为本发明异步电机的最大转矩控制方法实施例一的流程示意图；

图3A为本发明异步电机的最大转矩控制方法实施例二的流程示意图；

图3B为本发明异步电机的最大转矩控制流程示意图；

图3C为单PI电压闭环弱磁控制结构示意图；

图4为本发明控制器实施例一的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，随着异步电机的转速提高，当达到预设条件时，异步电机由恒功率区切换为降功率区，其中，U_d为异步电机的d轴定子电压，U_max为异步电机的相电压幅值。图1A为异步电机运行于弱磁区域内的电压限制圆与电流限制圆的示意图，如图1A所示，异步电机进入降功率区后，电压限制圆继续向内收缩，当电压限制圆缩小至电流限制圆内部时，异步电机的运行只受到电压限制圆的限制，而不受电流限制圆的限制。根据异步电机弱磁区域运行的理论分析可知：异步电机在只受电压限制圆限制时，要想使异步电机的输出转矩最大化，就要满足：

当异步电机的转速较高时，定子电压方程可表示为：

U_d＝-ω₁σL_si_q (2)

U_q＝ω₁L_si_d (3)

联立方程(1)(2)(3)得到：

i_d/i_q＝σ (4)

其中，U_q为异步电机的q轴定子电压，ω₁为同步磁场旋转角速度，σ为漏磁系数，L_s为定子电感，i_q为转矩电流，i_d为励磁电流。根据上述4个式子可获知：保证式(4)的成立即保证式(1)的成立，因此，在降功率区要想使异步电机的输出转矩达到最大化，则要使i_d/i_q＝σ。现有技术中，采用根据异步电机的初始参数(如异步电机互感L_m、L_s和转子电感L_r)计算得到的σ₀，确定异步电机的转矩电流给定值但由于异步电机实际的漏磁系数会随着异步电机的温度、工作频率等因素的影响发生变化，从而现有技术中异步电机在降功率区所能达到的最大输出转矩与理论最大输出转矩的差值较大(即难以保证异步电机在降功率区能达到理论最大输出转矩)。可见，保证异步电机的实际励磁电流与实际转矩电流之比等于实际漏磁系数，成为提升异步电机在降功率区的输出转矩达到最大的关键。

本发明实施例中，通过将异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的异步电机的实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'，作为异步电机在降功率区的漏磁系数(该漏磁系数比现有的σ₀更加接近降功率区的实际漏磁系数)；进一步地，根据所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}(由于在异步电机加速阶段，转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值即保证)，从而最大程度地使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值。

图1B为本发明异步电机转差频率矢量控制框图，如图1B所示，该控制框图分为如下部分：转速调节器、弱磁控制、励磁电流调节器、转矩电流调节器、Park逆变换、空间矢量脉宽调制、逆变器、Clark变换和Park变换、转差率及坐标变换角度计算等部分。本发明以下实施例主要对图1B中的弱磁控制部分进行详细描述。

图2为本发明异步电机的最大转矩控制方法实施例一的流程示意图。本实施例的执行主体可以为异步电机的控制器，该控制器可以通过软件或硬件实现。如图2所示，本实施例的方法可以包括：

S201、当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q。

其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的q轴转矩电流。

本发明实施例中，结合图1A所示的异步电机运行于弱磁区域内的电压限制圆与电流限制圆的示意图，图1A中预设的励磁电流给定值i_d-b，ω_b为异步电机基速，i'_d即为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时的实际励磁电流，i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时的实际转矩电流，ω‘为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时的异步电机转速；A-B-O为理论最优电流矢量运行轨迹，其中，A-B段为恒功率区电流矢量最优运行轨迹，B-O段为降功率区电流矢量最优运行轨迹。当异步电机由恒功率区切换为降功率区时(如图1A中的B点，此刻)，确定并记录此刻异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q，以便根据所述实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q确定异步电机在降功率区的漏磁系数。

可选地，步骤S201包括：当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，获取由电流传感器检测到的三相定子电流；对所述三相定子电流经过坐标转换后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q。

本发明实施例中，当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，获取电流传感器检测到的三相定子电流(如i_a、i_b和i_c，其中，i_a为异步电机a相定子电流、i_b为异步电机b相定制电流和i_c为异步电机c相定子电流)；对所述三相定子电流经过坐标转换后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q；可选地，另一种可实现方式中，在对所述三相定子电流经过坐标转换后还可进行低通滤波，然后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q；可选地，所述坐标变换包括：克拉克(Clarke)变换和帕克(Park)变换，如通过Clarke变换将三相定子a-b-c坐标系转换到两相定子α-β坐标系，进一步地，通过Park变换将两相定子α-β坐标系转换到两相d-q坐标系，从而得到所述实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q。

S202、根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}；其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_{q max}为转速调节器的限幅值。

本发明实施例中，将所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'作为异步电机在降功率区的漏磁系数(该漏磁系数约等于降功率区的实际漏磁系数)；进一步地，根据所述σ'以及已获知的降功率区的励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}(可选地，所述i_{q max}作为转速调节器的限幅值)，由于异步电机在加速阶段该转速调节器一直饱和输出，则转矩电流限幅值i_{q max}等于异步电机加速阶段的转矩电流给定值即保证从而最大程度地使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值。可选地，根据确定所述转矩电流限幅值i_{q max}。

可选地，可根据电压限制圆确定所述励磁电流给定值当然还可通过其他方式确定，本发明实施例中对此并不作限制。可选地，σ'值还可通过i'_d/i'_q的其它变形公式确定，本发明实施例中对此并不作限制。

本发明实施例中，当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；进一步地，根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}(其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值即保证)，从而减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值，同时可保证实际电流矢量轨迹最大程度地沿着理论最优电流矢量运行轨迹BO运行。

图3A为本发明异步电机的最大转矩控制方法实施例二的流程示意图，图3B为本发明异步电机的最大转矩控制流程示意图，图3C为单PI电压闭环弱磁控制结构示意图。本发明实施例在上述实施例一的基础上，进一步地，如图3A所示，该方法包括：

S301、当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q。

结合图3B和图3C所示，异步电机在运行过程中包括：恒转矩区、恒功率区及降功率区；其中，1)恒转矩区中：当异步电机从静止开始启动，由于转速较低，参考电压小于电压限制U_max，因此，异步电机一启动，转速调节器(ASR)便迅速正饱和输出，通过设定该转速调节器的输出限幅值i_{q max}保证异步电机的转矩电流i_q不会超出i_{q max}；2)恒功率区中：随着转速上升，异步电机所需电压逐渐升高，当大于等于电压限制U_max时，PI控制器输入为负，该PI控制器开始退饱和，从而励磁电流给定值降低，异步电机进入弱磁运行，其中，因为恒转矩区和恒功率区的励磁电流给定值还比较大，因此，转矩区和恒功率区的小于则在转矩区和恒功率区时3)降功率区中，若异步转速在弱磁区域内继续增加，当时，PI控制器输入为负并退饱和，此区域内由于降功率区的励磁电流给定值降到非常小(小于)，则

本发明实施例中，结合图3B和图3C所示，当异步电机由恒功率区切换为降功率区(即)时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q。

S302、确定所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值

本发明实施例中，结合图3B和图3C所示，可选地，根据预设的励磁电流给定初始值i_d-base以及PI控制器的输出值确定所述如当PI控制器的输出值为负值时，则直接根据当PI控制器的输出值为正数时，由于限幅器的上限为0则PI控制器的输出值经过该限幅器后输出为零，则根据

S303、根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及所述励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}；其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值

本发明实施例中，根据确定电流限幅值i_{q max}；由于异步电机在加速阶段转速调节器(ASR)一直饱和输出，则转速调节器的限幅值(转矩电流限幅值i_{q max})即为异步电机加速阶段的转矩电流给定值从而保证

综上所述，本发明实施例可使异步电机的最大输出转矩达到降功率区的理论最大输出转矩，减小了异步电机在降功率区的最大输出转矩与理论最大转矩的差值，同时可保证实际电流矢量轨迹最大程度地沿着理论最优电流矢量运行轨迹BO运行；并且通过一个PI控制器进行控制，从而还减少了PI参数整定的工作量。

图4为本发明控制器实施例一的结构示意图，本实施例提供的控制器用于控制异步电机运行。如图4所示，本实施例提供的控制器40包括：第一确定单元401及第二确定单元402。

其中，第一确定单元401用于当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区时对应的q轴转矩电流；

第二确定单元402用于根据所述实际励磁电流i'_d与所述实际转矩电流i'_q的比值σ'以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_{q max}；其中，所述转矩电流限幅值i_{q max}等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_{q max}为转速调节器的限幅值。

可选地，所述第二确定单元具体用于：根据确定转矩电流限幅值i_{q max}。

可选地，所述第一确定单元具体用于：

当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，获取由电流传感器检测到的三相定子电流；

对所述三相定子电流经过坐标转换后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q。

可选地，所述控制器40还包括：第三确定单元，第三确定单元用于确定所述励磁电流给定值

可选地，所述第三确定单元具体用于：根据预设的励磁电流给定初始值i_d-base以及比例积分控制器的输出值确定所述

本实施例的控制器可以用于执行本发明上述异步电机的最大转矩控制方法任意实施例中的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种异步电机的最大转矩控制方法，其特征在于，包括：

当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区的切换时刻对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区的切换时刻对应的q轴转矩电流；

根据所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'，确定降功率区的漏磁系数，并根据所述降功率区的漏磁系数以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax；其中，所述转矩电流限幅值i_qmax等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_qmax为转速调节器的限幅值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'，确定降功率区的漏磁系数，并根据所述降功率区的漏磁系数以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax，包括：

根据确定转矩电流限幅值i_qmax。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q，包括：

当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，获取由电流传感器检测到的三相定子电流；

对所述三相定子电流经过坐标转换后得到所述实际励磁电流i'_d以及所述实际转矩电流i'_q。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述坐标变换包括：克拉克变换和帕克变换。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'，确定降功率区的漏磁系数，并根据所述降功率区的漏磁系数以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax之前，还包括：

确定所述励磁电流给定值

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述励磁电流给定值包括：

根据预设的励磁电流给定初始值i_d-base以及比例积分控制器的输出值确定所述

7.一种控制器，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于当异步电机由恒功率区切换为降功率区时，确定所述异步电机的实际励磁电流i'_d以及实际转矩电流i'_q；其中，所述实际励磁电流i'_d为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区的切换时刻对应的d轴励磁电流；所述实际转矩电流i'_q为所述异步电机由恒功率区切换为降功率区的切换时刻对应的q轴转矩电流；

第二确定单元，用于根据所述实际励磁电流i'_d与实际转矩电流i'_q的比值σ'，确定降功率区的漏磁系数，并根据所述降功率区的漏磁系数以及励磁电流给定值确定转矩电流限幅值i_qmax；其中，所述转矩电流限幅值i_qmax等于转矩电流给定值

其中，所述励磁电流给定值为所述异步电机在降功率区的励磁电流给定值；所述转矩电流给定值为所述异步电机在降功率区的转矩电流给定值；所述转矩电流限幅值i_qmax为转速调节器的限幅值。