CN105703685B - 一种用于异步电机的控制系统及采用此系统的控制方法 - Google Patents

一种用于异步电机的控制系统及采用此系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的第一目的在于提供一种用于异步电机的控制系统，包括转矩给定模块、弱磁查表模块、坐标变换模块、转矩电流修正模块、PI运算和解耦模块以及坐标变换及SVPWM模块。本发明具有结构精简、适用于异步电机且操作方便的优势。本发明的第二目的在于提供一种控制方法，具有转矩动态响应时间短和不存在电压饱和现象的特点，具体包括以下步骤：第一步：获取弱磁表；第二步：转矩电流修正模块输出修正后的交轴电流给定值；坐标变换模块输出直轴电流实际值和交轴电流实际值；第三步：PI运算和解耦模块输出直轴电压给定值和交轴电压给定值；第四步：坐标变换及SVPWM模块对异步电机的运行进行控制。

Description

一种用于异步电机的控制系统及采用此系统的控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种用于异步电机的控制系统及采用此系统的控制方法。
背景技术
随着空气污染治理压力加剧，国家越来越重视新能源汽车的推广。纯电动汽车零排放的优点使其成为新能源汽车主力军。其中纯电动物流车以其独特的使用环境备受关注。异步电机以其低成本优势占据着低端车大部分市场。为了获得较宽的调速范围，异步电机只能通过弱磁控制调节直轴励磁电流来维持高速时的电压平衡。
现有的异步电机弱磁控制方法主要有：
1、传统弱磁法，传统弱磁法即励磁电流与转速成反比，该方法往往会使电压提前达到饱和而限制进一步升速。
2、电压闭环PI弱磁法，电压闭环PI弱磁法无法避免由于瞬间干扰或者抖动导致的错误控制，且由于电压环积分环节的存在会导致转矩动态响应时间较长。
综上所述，急需一种适用于异步电机且具有转矩动态响应快和系统稳定性好的控制系统及其控制方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种结构精简、适用于异步电机且操作方便的控制系统，具体技术方案如下：
一种用于异步电机的控制系统，包括转矩给定模块、分别与异步电机连接的弱磁查表模块和坐标变换模块、同时与所述转矩给定模块和所述弱磁查表模块两者连接的转矩电流修正模块、同时与所述弱磁查表模块、坐标变换模块和转矩电流修正模块三者连接的PI运算和解耦模块以及同时与异步电机和所述PI运算和解耦模块两者连接的坐标变换及SVPWM模块；
所述转矩给定模块根据转矩给定值输出交轴电流给定值；
所述弱磁查表模块根据输入的电机实际转速和弱磁前直轴电流给定值得到直轴电流给定值进行输出；
所述坐标变换模块根据输入的A相电流值和B相电流值，经clark变换和park变换得到同步旋转坐标系下的直轴电流实际值和交轴电流实际值进行输出；
所述转矩电流修正模块根据输入的交轴电流给定值和直轴电流给定值，对比弱磁前的直轴电流给定值和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，最后输出修正后的交轴电流给定值；
所述PI运算和解耦模块根据输入的修正后的交轴电流给定值、直轴电流给定值、交轴电流实际值以及直轴电流实际值输出直轴电压给定值和交轴电压给定值；
所述坐标变换及SVPWM模块根据输入的直轴电压给定值和交轴电压给定值输出连异步电机，实现对异步电机的运行进行控制。
以上技术方案中优选的，所述PI运算和解耦模块采用PI调节器，实现解耦。
本发明的第二目的在于提供一种异步电机的控制方法，具有因不存在电压闭环的积分环节而使其转矩动态响应时间非常短以及不存在电压饱和现象的特点，具体技术方案是：
一种控制方法，包括以下步骤：
第一步：获取弱磁表，并将弱磁表置入所述弱磁查表模块中，所述弱磁查表模块根据电机实际转速和弱磁前直轴电流给定值得到直轴电流给定值进行输出；通过所述转矩给定模块根据转矩给定值通过分段拟合的方法得到交轴电流给定值进行输出；
第二步：所述转矩电流修正模块根据第一步中输出的直轴电流给定值和交轴电流给定值对比弱磁前的直轴电流给定值和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，输出修正后的交轴电流给定值；
所述坐标变换模块根据异步电机的A相电流值和B相电流值，经clark变换和park变换输出同步旋转坐标系下的直轴电流实际值和交轴电流实际值；
第三步：所述PI运算和解耦模块根据第二步中输出的修正后的交轴电流给定值、交轴电流实际值和直轴电流实际值以及第一步中输出的直轴电流给定值输出直轴电压给定值和交轴电压给定值；
第四步：所述坐标变换及SVPWM模块根据第三步中输出的直轴电压给定值和交轴电压给定值对异步电机的运行进行控制。
以上技术方案中优选的，所述第一步中弱磁表的具体获得方法是：采用恒压频比开环控制异步电机，使异步电机在额定转速和额定电压下空载运行，记录此时三相电流的有效值，取三相电流的有效值的平均值作为额定励磁电流；等比例系数k2减小给定电压值，记录相应的三相电流平均值，其中：电压取点为U、(1-k2)U、(1-2*k2)U、……、(1-n*k2)U，对应的转速取点为n、n/(1-k2)、n/(1-2*k2)、……、n/(1-n*k2)；取每相邻两点拟合成直线即得弱磁表。
以上技术方案中优选的，所述第一步中分段拟合的方法具体是：给定额定励磁电流，直轴电流给定值从0开始以步长为2A逐渐增加至异步电机的最大输出扭矩，记录相应的扭矩值；采用最小二乘法得到拟合直线；将该拟合直线置入所述转矩给定模块中，给定直轴电流给定值从0开始，步长为2逐渐增加直至异步电机的最大输出扭矩，记录实际扭矩值，计算各点相应的扭矩偏差；以扭矩偏差超过3牛米的点为端点，将直线分成依次连接的若干段，同一段内除去端点外其他各点的扭矩偏差不超过3牛米。
以上技术方案中优选的，所述第二步中输出修正后的交轴电流给定值具体通过以下方法获得：获取系数K，系数K为弱磁前的直轴电流给定值与弱磁后的直轴电流给定值的比值；输出修正后的交轴电流给定值为交轴电流给定值的K倍。
本发明的控制方法与电压闭环PI弱磁法相比，避免了积分环节带来的系统延时，提高了转矩动态响应时间；本发明的控制方法与传统弱磁法相比不存在电压饱和现象，增加了系统稳定性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的用于异步电机的控制系统的结构示意图；
其中，1、异步电机；
2.1、转矩给定模块，2.2、弱磁查表模块，2.3、坐标变换模块，2.4、转矩电流修正模块，2.5、PI运算和解耦模块，2.6、坐标变换及SVPWM模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1，一种用于异步电机的控制系统，适用于型号为YBQ132-15-108V02的异步电机(还可以适合其他型号的异步电机)，具体包括转矩给定模块2.1、分别与异步电机1连接的弱磁查表模块2.2和坐标变换模块2.3、同时与所述转矩给定模块2.1和所述弱磁查表模块2.2两者连接的转矩电流修正模块2.4、同时与所述弱磁查表模块2.2、坐标变换模块2.3和转矩电流修正模块2.4三者连接的PI运算和解耦模块2.5以及同时与异步电机1和所述PI运算和解耦模块2.5两者连接的坐标变换及SVPWM模块2.6。
所述转矩给定模块2.1根据转矩给定值得到交轴电流给定值输出给转矩电流修正模块2.4。
所述弱磁查表模块2.2根据输入的电机实际转速和弱磁前直轴电流给定值得到直轴电流给定值输出给转矩电流修正模块2.4。
所述坐标变换模块2.3根据输入的A相电流值和B相电流值，经clark变换和park变换得到同步旋转坐标系下的直轴电流实际值和交轴电流实际值输出给PI运算和解耦模块2.5。
所述转矩电流修正模块2.4根据输入的交轴电流给定值和直轴电流给定值，对比弱磁前的直轴电流给定值和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，最后输出修正后的交轴电流给定值给PI运算和解耦模块2.5。
所述PI运算和解耦模块2.5采用PI调节器，实现解耦，具体是：根据输入的修正后的交轴电流给定值、直轴电流给定值、交轴电流实际值以及直轴电流实际值输出直轴电压给定值和交轴电压给定值给坐标变换及SVPWM模块2.6。
所述坐标变换及SVPWM模块2.6根据输入的直轴电压给定值和交轴电压给定值输出连异步电机，实现对异步电机的运行进行控制。
采用上述系统的具体控制方法如下：
第一步：获取弱磁表，并将弱磁表置入所述弱磁查表模块2.2中，所述弱磁查表模块2.2根据电机实际转速(n)和弱磁前直轴电流给定值Id_ref得到直轴电流给定值Id_ref1进行输出；弱磁表的具体获得方法是：采用变频调速技术(VVVF)开环控制异步电机，使异步电机在额定转速和额定电压下空载运行，记录此时三相电流的有效值，取三相电流的有效值的平均值作为额定励磁电流；等比例系数k2＝0.02减小给定电压值，记录相应的三相电流平均值，其中：电压取点为U、(1-k2)U、(1-2*k2)U、……、(1-n*k2)U，对应的转速取点为n、n/(1-k2)、n/(1-2*k2)、……、n/(1-n*k2)，(额定转速、额定电压、三相电流的有效值、给定电压值、对应转速、三相电流平均值等等数据)详见表1；取每相邻两点拟合成直线即得弱磁表；
表1弱磁表获得数据统计表
通过所述转矩给定模块2.1根据转矩给定值Te_ref通过分段拟合的方法得到交轴电流给定值Iq_ref进行输出，所述分段拟合的方法具体是：给定额定励磁电流，交轴电流给定值从0开始以步长为2A逐渐增加至异步电机的最大输出扭矩，记录相应的扭矩值，详见表2和表3；采用最小二乘法得到拟合直线，得到拟合直线方程为Te＝0.425*Iq_ref+0.0333；将该拟合直线方程置入所述转矩给定模块2.1中，给定直轴电流给定值从0开始，步长为2逐渐增加直至异步电机的最大输出扭矩，记录实际扭矩值，计算各点相应的扭矩偏差，详见表2和表3；以扭矩偏差超过3牛米的点为端点，将直线分成依次连接的3段，同一段内除去端点外其他各点的扭矩偏差不超过3牛米；
表2电流和扭矩统计表
交轴电流给定值(A) 2 4 6 …… 350
实际扭矩值(Nm) 0.9 1.7 2.6 …… 170
表3扭矩偏差计算表
扭矩给定值(Nm) 1 2 3 …… 170
实际扭矩值(Nm) 0.9 1.9 2.9 …… 168
扭矩偏差(Nm) 0.1 0.1 0.1 …… 2
第二步：所述转矩电流修正模块2.4根据第一步中输出的直轴电流给定值Id_ref1和交轴电流给定值Iq_ref对比弱磁前的直轴电流给定值Id_ref(弱磁前直轴电流给定为额定励磁电流Isn，该参数由电机生产商给出，本例为132A)和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，输出修正后的交轴电流给定值Iq_ref1，具体方法是：获取系数K，系数K为弱磁前的直轴电流给定值与弱磁后的直轴电流给定值的比值；输出修正后的交轴电流给定值为交轴电流给定值的K倍；
所述坐标变换模块2.3根据异步电机的A相电流值IA和B相电流值IB，经clark变换和park变换输出同步旋转坐标系下的直轴电流实际值Iq和交轴电流实际值Id；
第三步：所述PI运算和解耦模块2.5(采用PI调节器)根据第二步中输出的修正后的交轴电流给定值Iq_ref1、交轴电流实际值Id和直轴电流实际值Iq以及第一步中输出的直轴电流给定值Id_ref1输出直轴电压给定值Udref和交轴电压给定值Uqref，具体是：具体来说交轴电流给定值Iq_ref1和直轴电流实际值Iq求差值得Iq_err经PI运算得交轴电压给定值Uqref1，直轴电流给定值Id_ref1和交轴电流实际值Id求差值得Id_err经PI运算得Udref1，再经解耦运算得直轴电压给定值Udref和交轴电压给定值Uqref；
第四步：所述坐标变换及SVPWM模块2.6根据第三步中输出的直轴电压给定值Udref和交轴电压给定值Uqref对异步电机的运行进行控制。
采用本发明的控制方法与现有技术的方法相比较，详见表4。
表4本发明方法控制结果和现有技术控制方法的比较表
参数\方法 传统弱磁法 电压闭环PI弱磁法 本发明方法
系统延时/us 0 200 0
转矩动态响应时间/ms 5 10 5
是否存在电压饱和现象 是 否 否
从表4中可以看出，本发明的控制方法与电压闭环PI弱磁法相比，避免了积分环节带来的系统延时，提高了转矩动态响应时间；本发明的控制方法与传统弱磁法相比不存在电压饱和现象，增加了系统稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于异步电机的控制系统，其特征在于，包括转矩给定模块(2.1)、分别与异步电机(1)连接的弱磁查表模块(2.2)和坐标变换模块(2.3)、同时与所述转矩给定模块(2.1)和所述弱磁查表模块(2.2)两者连接的转矩电流修正模块(2.4)、同时与所述弱磁查表模块(2.2)、坐标变换模块(2.3)和转矩电流修正模块(2.4)三者连接的PI运算和解耦模块(2.5)以及同时与异步电机(1)和所述PI运算和解耦模块(2.5)两者连接的坐标变换及SVPWM模块(2.6)；
所述转矩给定模块(2.1)根据转矩给定值输出交轴电流给定值；
所述弱磁查表模块(2.2)根据输入的电机实际转速和弱磁前直轴电流给定值输出直轴电流给定值；
所述坐标变换模块(2.3)根据输入的A相电流值和B相电流值，经clark变换和park变换输出同步旋转坐标系下的直轴电流实际值和交轴电流实际值；
所述转矩电流修正模块(2.4)根据输入的交轴电流给定值和由所述弱磁查表模块(2.2)得到的直轴电流给定值，对比弱磁前的直轴电流给定值和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，最后输出修正后的交轴电流给定值；
所述PI运算和解耦模块(2.5)根据输入的修正后的交轴电流给定值、由所述弱磁查表模块(2.2)得到的直轴电流给定值、交轴电流实际值以及直轴电流实际值输出直轴电压给定值和交轴电压给定值；
所述坐标变换及SVPWM模块(2.6)输入直轴电压给定值和交轴电压给定值，输出连异步电机，实现对异步电机的运行进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于异步电机的控制系统，其特征在于，所述PI运算和解耦模块(2.5)采用PI调节器，实现解耦。
3.一种用如权利要求1-2任意一项所述系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：获取弱磁表，并将弱磁表置入所述弱磁查表模块(2.2)中，所述弱磁查表模块(2.2)根据电机实际转速和弱磁前直轴电流给定值得到直轴电流给定值进行输出；通过所述转矩给定模块(2.1)根据转矩给定值通过分段拟合的方法得到交轴电流给定值进行输出；
第二步：所述转矩电流修正模块(2.4)根据第一步中输出的直轴电流给定值和交轴电流给定值对比弱磁前的直轴电流给定值和弱磁后的直轴电流给定值来确定弱磁系数，输出修正后的交轴电流给定值；
所述坐标变换模块(2.3)根据异步电机的A相电流值和B相电流值，经clark变换和park变换输出同步旋转坐标系下的直轴电流实际值和交轴电流实际值；
第三步：所述PI运算和解耦模块(2.5)根据第二步中输出的修正后的交轴电流给定值、交轴电流实际值和直轴电流实际值以及第一步中输出的直轴电流给定值输出直轴电压给定值和交轴电压给定值；
第四步：所述坐标变换及SVPWM模块(2.6)根据第三步中输出的直轴电压给定值和交轴电压给定值对异步电机的运行进行控制。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一步中弱磁表的具体获得方法是：采用恒压频比开环控制异步电机，使异步电机在额定转速和额定电压下空载运行，记录此时三相电流的有效值，取三相电流的有效值的平均值作为额定励磁电流；等比例系数k2减小给定电压值，记录相应的三相电流平均值，其中：电压取点为U、(1-k2)U、(1-2*k2)U、……、(1-n*k2)U，对应的转速取点为n、n/(1-k2)、n/(1-2*k2)、……、n/(1-n*k2)；取每相邻两点拟合成直线即得弱磁表。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述第一步中分段拟合的方法具体是：给定额定励磁电流，交轴电流给定值从0A开始，以步长为2A逐渐增加，直至异步电机的最大输出扭矩，记录每个点的交轴电流给定值和实际扭矩值；采用最小二乘法得到拟合直线；将该拟合直线置入所述转矩给定模块(2.1)中，交轴电流给定值从0A开始，以步长为2A逐渐增加，直至异步电机的最大输出扭矩，记录每个点的扭矩给定值和实际扭矩值，计算各点相应的扭矩偏差；以扭矩偏差超过3牛米的点为端点，将直线分成依次连接的若干段，同一段内除去端点外其他各点的扭矩偏差不超过3牛米。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述第二步中输出修正后的交轴电流给定值具体通过以下方法获得：获取系数K，系数K为弱磁前的直轴电流给定值与弱磁后的直轴电流给定值的比值；输出修正后的交轴电流给定值为交轴电流给定值的K倍。
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