CN106505921B - 一种电机调速的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机调速的控制方法及系统。该方法基于功率侧定子磁链定向，利用简化数学模型，建立了转速和无功功率外环、控制侧定子电流内环的双闭环级联结构，通过前馈控制抵消了电流交叉耦合项的影响，实现了无刷双馈感应电机的速度与无功功率的解耦控制。同时，本发明采用锁相环的设计思路，构造了功率侧定子磁链观测器来获取定子磁链幅值、频率和相角等信息，以便完成相关电量的坐标变换。采用本发明方法，对参数依赖性小，实现了电磁转矩与无功功率的解耦控制，不仅可以保证无刷双馈感应电机调速系统的静态性能，在负载、速度突变的情况下也能保证良好的动态响应性能，且该技术方案实现简单，计算量少，对参数的依赖性小。

Description

一种电机调速的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机调速的控制方法及系统。

背景技术

电机，俗称“马达”，是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，按转子的结构可划分为：笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。无刷双馈感应电机继承了笼型、绕线转子感应电机的优点，能够实现自起动、异步、同步和双馈等多种运行方式，具有良好的起动特性和运行性能。较之于普通双馈感应电机，该电机无电刷和滑环结构，大大降低了系统成本，提高了系统稳定性。然而，由于无刷双馈感应电机具有两个定子绕组和一个转子绕组，两个定子绕组的旋转磁势对转子绕组均有耦合，但只有一个定子绕组可以控制，使得系统解耦难度和控制难度增加。

在现有的电机调速控制方法及系统中，标量控制方法是根据电机稳态关系，通过控制侧磁链幅值和相位角达到控制电机的目的，虽然该方案较易于实现，但是存在稳态和动态性能差的缺点，难以适用于转速突变和系统动态性能要求较高的场合；直接转矩控制方法，由于磁链的观测依赖于电机参数，开关表的建立规则受限于磁链和电磁转矩的大小，且存在零点漂移等问题，该控制方法使得开关频率不稳定，会导致电磁转矩脉动，且低速性能较差。

相比之下，通过选择合适的磁场定向控制方法，矢量控制方法能够克服上述缺点。目前，基于转子磁场定向和综合磁链定向的矢量控制方法存在dq轴电流耦合现象，无法实现系统有功和无功的完全解耦；基于功率侧磁场的矢量控制方法，以速度环为外环、以功率侧定子电流和控制侧定子电流为内环的三环控制策略能够实现解耦控制，但是控制器个数增加，前馈项计算复杂，对电机参数的依赖性很高；而在无交叉耦合补偿器的控制方法中，由于没有电流的闭环控制及其幅值限制，系统的控制性能难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机调速的控制方法及系统，通过基于功率侧定子磁链定向控制方法，以解决传统的电机调速控制方法中由于转子电阻的影响，使得控制过程对电机参数依赖性强且无法实现电磁转矩和无功功率的解耦控制的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电机调速的控制方法，所述方法包括：

获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc和所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc；获取所述电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ；将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p；

根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c；

以所述电机功率侧定子相角θ_p为定向角，建立两相坐标系；将所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；

以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角，将所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq；

获取转速给定值n_r ^*、所述电机功率侧无功功率给定值；获取所述电机功率侧无功功率实际测得值；

根据所述转速给定值n_r ^*、所述电机的转子速度n_r和由所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

根据由所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式得到的i_cd值、所述电机功率侧无功功率给定值与所述电机功率侧无功功率实际测得值，生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

根据所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*和所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*分别获取所述两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*和q轴电压分量u_cq ^*；

将所述u_cd ^*和u_cq ^*以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角进行帕克反变换和克拉克反变换，得到静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号，利用载波调制或空间矢量调制策略产生调制信号，通过驱动电路作用于所述电机控制侧变换器，将所述电机控制侧变换器的输出电压施加到所述电机控制侧定子绕组上。

可选的，所述根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p具体包括：

利用公式计算所述电机功率侧定子磁链在两相静止坐标系下的分量和其中R_p为功率侧定子电阻阻值；

将和进行克拉克反变换，得到所述电机功率侧三相定子磁链和

利用磁链角θ_p0将所述电机功率侧三相定子磁链和进行克拉克和帕克变换得到和其中θ_p0为对所述电机进行测量时前一时刻的所述电机功率侧定子磁链角值，初始值为0；

将零与的偏差送入PI调节器，获取所述电机功率侧定子磁链的频率ω_p；

将ω_p积分得到所述电机功率侧定子相角θ_p；

将的值确定为所述电机功率侧定子磁链幅值

可选的，所述根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c具体包括：

利用公式θ_c＝θ_p-(P_p+P_c)θ_r计算所述电机控制侧定子磁链角θ_c，其中θ_p为所述电机功率侧定子绕组相角，θ_r为所述电机转子位置角，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数。

可选的，所述生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*具体包括：

根据所述转速给定值n_r ^*和所述电机的转子速度n_r获取所述电磁转矩的信号T_e ^*；

根据所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*。

可选的，所述生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*具体包括：

根据所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得i_cd，将i_cd确定为用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴第一分量值i_cd1 ^*；

根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*；

利用公式i_cd*＝i_cd1*+i_cd2*生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*。

可选的，所述获取所述电机功率侧无功功率实际测得值具体包括：

利用公式计算所述电机功率侧无功功率实际测得值Q_p，其中u_pα、u_pβ为两相静止坐标系下电压，电流i_pα、i_pβ为两相静止坐标系下电流。

可选的，所述获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*具体包括：

根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，利用公式获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*，其中K_Qp为无功功率PI调节器的比例系数，K_QI为无功功率PI调节器的积分系数，Q_p为所述电机功率侧无功功率实际测得值，Q_p*为所述电机功率侧无功功率给定值。

一种电机调速的系统，所述系统包括：

电压采集模块，用于获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc；

电流采集模块，用于获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc和所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_c；

转子监测模块，用于获取所述电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

克拉克变换模块，用于将所述电机功率侧定子绕组的三相电压变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ，将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流变换得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

磁链观测模块，用于根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p；还用于根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c；

克拉克变换与帕克变换模块，用于根据所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；根据所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq；

给定值获取模块，用于获取转速给定值n_r ^*、所述电机功率侧无功功率给定值；

无功功率获取模块，用于获取所述电机功率侧无功功率实际测得值；

q轴指令信号生成模块，用于根据所述转速给定值n_r ^*、所述电机的转子速度n_r和由所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

d轴指令信号生成模块，用于根据由所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式得到的i_cd值、所述电机功率侧无功功率给定值与所述电机功率侧无功功率实际测得值，生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

电压分量获取模块，用于根据所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*和所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*分别获取所述两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd*和q轴电压分量u_cq*；

帕克反变换和克拉克反变换模块，用于将所述u_cd ^*和u_cq ^*以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角进行帕克反变换和克拉克反变换，得到静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号。

可选的，所述q轴指令信号生成模块具体包括：

电磁转矩信号生成单元，用于根据所述转速给定值n_r ^*和所述电机的转子速度n_r获取所述电磁转矩的信号T_e ^*；

q轴指令信号生成单元，用于根据所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*。

可选的，所述d轴指令信号生成模块具体包括：

d轴第一分量值生成单元，用于根据所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得i_cd，将i_cd确定为用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴第一分量值i_cd1 ^*；

d轴第二分量值生成单元，用于根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*；

d轴指令信号生成单元，用于利用公式i_cd*＝i_cd1*+icd2*生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*。

根据本发明提供的具体实施例，本发明的有益效果为：

针对现有无刷双馈感应电机的控制方案解耦复杂、动态性能差等缺点，本发明采用功率侧定子磁链定向控制算法，利用转速和无功功率外环、电流内环的双闭环级联结构实现了利用低压变频器控制高压电机的目的，本发明技术方案与转子电阻无关，对参数依赖性小，实现了电磁转矩与无功功率的解耦控制，不仅可以保证无刷双馈感应电机调速系统的静态性能，在负载、速度突变的情况下也能保证良好的动态响应性能，且该技术方案实现简单，计算量少，对参数的依赖性小，有助于推动无刷双馈感应电机的工业应用进程。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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1为本发明电机调速的控制方法实施例1的流程图；

图2为本发明电机调速的系统结构图；

图3为本发明电机调速的系统示意图；

图4为本发明电机调速控制方法实施例2的流程图；

图5为本发明电机的功率侧定子磁链观测器结构图；

图6为本发明电机调速控制方法验证实验1的波形图；

图7为本发明电机调速控制方法验证实验2的波形图；

图8为本发明电机调速控制方法验证实验3的波形图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种电机调速的控制方法及系统，通过基于功率侧定子磁链定向控制方法，以解决传统的电机调速控制方法中由于转子电阻的影响，使得控制过程对电机参数依赖性强且无法实现电磁转矩和无功功率的解耦控制的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明电机调速的控制方法实施例1的流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤101：获取静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc和所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc及电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

步骤102：建立两相坐标系。将静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行Clarke(克拉克)变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ；将静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc进行Clarke(克拉克)变换，得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

根据功率侧定子电压方程，利用公式计算所述电机功率侧定子磁链在两相静止坐标系下的分量和其中R_p为电阻阻值；

将和进行Clarke(克拉克)反变换，得到所述电机功率侧三相定子磁链和借助锁相环思想，利用磁链角θ_p0将所述电机功率侧三相定子磁链和进行Clarke和Park变换得到和其中θ_p0为对所述电机进行测量时前一时刻的所述电机功率侧定子磁链角值，初始值为0；

将零与的偏差送入PI调节器，获取所述电机功率侧定子磁链的频率ω_p；

将ω_p积分得到所述电机功率侧定子相角θ_p；

将的值确定为所述电机功率侧定子磁链幅值

根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，利用公式θ_c＝θ_p-(P_p+P_c)θ_r计算所述电机控制侧定子磁链角θ_c，其中θ_p为所述电机功率侧定子绕组相角，θ_r为所述电机转子位置角，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数；

以所述电机功率侧定子相角θ_p为定向角，建立两相旋转坐标系。

步骤103：将电机功率侧定子绕组的三相电压和控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行Clarke和Park坐标变换。

将电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行Clarke和Park坐标变换得到电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角，将电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行Clarke和Park坐标变换得到电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq。

Clarke变换是将电量从三相静止坐标变换到两相静止坐标系的变换矩阵，

公式为：

Park变换为将电量从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换矩阵

θ为变换角。

因此，以功率侧定子电压为例，首先Clark变换再进行park变换得到电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq。

步骤104：获得电机控制侧定子电流的q轴指令信号和d轴信号。

将转速给定值n_r ^*和所述电机的转子速度n_r的偏差作为转速调节器的输入，转速调节器的输出信号确定为电磁转矩的信号T_e ^*；根据电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

根据所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得i_cd，将i_cd确定为用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴第一分量值i_cd1 ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感

根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，利用公式获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*，其中K_Qp为无功功率PI调节器的比例系数，K_QI为无功功率PI调节器的积分系数，Q_p为所述电机功率侧无功功率实际测得值，Q_p*为所述电机功率侧无功功率给定值，其中利用公式计算所述电机功率侧无功功率实际测得值Q_p，其中u_pα、u_pβ为两相静止坐标系下电压，电流i_pα、i_pβ为两相静止坐标系下电流；

利用公式i_cd*＝i_cd1*+i_cd2*生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*。

步骤105：获取电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量和q轴电压分量。根据所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*和所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*分别获取所述两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*和q轴电压分量u_cq ^*

步骤106：将控制侧绕组定子电压的d轴电压分量和q轴电压分量进行Park反变换和Clarke反变换。以所述电机功率侧定子磁链角θ_c为变换角，将所述u_cd ^*和u_cq ^*进行Park反变换和Clarke反变换。

步骤107：获取静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号，利用载波调制或空间矢量调制策略产生调制信号，通过驱动电路作用于所述电机控制侧变换器，将所述电机控制侧变换器的输出电压施加到所述电机控制侧定子绕组上，实现对电机电磁转矩和功率侧无功功率的控制。

图2为本发明电机调速的系统结构图。如图2所示，所述系统包括：电压采集模块201、电流采集模块202、转子监测模块203，Clarke变换模块204、磁链观测模块205、Clarke变换与park变换模块206、给定值获取模块207、无功功率获取模块208、q轴指令信号生成模块209、d轴指令信号生成模块2010、电压分量获取模块2011和Park反变换和Clarke反变换模块2012。

电压采集模块201采集静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc；

电流采集模块202采集静止坐标系下的电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc和电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_c；

转子监测模块203采集电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

Clarke变换模块204将电压采集模块201采集的电机功率侧定子绕组的三相电压变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ，将电流采集模块202采集的电机功率侧定子绕组的三相电流变换得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

磁链观测模块205根据Clarke变换模块204变换得到的两相电压u_pα、u_pβ和两相电流i_pα、i_pβ与转子监测模块203采集的电机转子速度n_r和转子位置角θ_r构造功率侧定子磁链观测器，获取电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p；并且根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，利用公式θ_c＝θ_p-(P_p+P_c)θ_r计算所述电机控制侧定子磁链角θ_c，其中θ_p为所述电机功率侧定子绕组相角，θ_r为所述电机转子位置角，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数；

以功率侧定子磁链角θ_p为定向角，建立两相同步旋转坐标系；以控制侧定子磁链角θ_c为变换角，利用Clarke变换与park变换模块206将电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行Clarke和Park坐标变换，得到电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；以控制侧定子磁链角θ_c为变换角，根据电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行Clarke和Park坐标变换得到所述电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq；

给定值获取模块207采集转速给定值n_r ^*(设定值)、电机功率侧无功功率给定值(设定值)；

无功功率获取模块208采集电机功率侧无功功率实际测得值；

q轴指令信号生成模块209根据给定值模块采集的电机转速给定值n_r ^*与转子检测模块采集的转子速度n_r和电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

d轴指令信号生成模块2010根据由所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式得到的i_cd值、给定值获取模块207采集的电机功率侧无功功率给定值和无功功率获取模块208采集的电机功率侧无功功率实际测得值，生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

电压分量获取模块2011根据q轴指令信号生成模块209生成的控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*与实测电流做差比较，并送入到q轴电流调节器，获取两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的q轴电压分量u_cq ^*；根据d轴指令信号生成模块2010生成的电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*与实测电流做差比较，并送入到d轴电流调节器，获取两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*；

Park反变换和Clarke反变换模块2012将电压分量获取模块2011获取的电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*和q轴电压分量u_cq ^*以电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角进行Park反变换和Clarke反变换，得到静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号利用载波调制或空间矢量调制策略产生调制信号，通过驱动电路作用于控制侧变换器，从而将变换器的输出电压施加到电机控制侧定子绕组上，实现对电机电磁转矩和功率侧无功功率的控制。

图3为本发明电机调速系统示意图。如图3所示，所述系统主要包括上位机系统，DSP控制系统，功率开关驱动电路、功率变换器、无刷双馈感应电机和鼠笼式感应电机调速系统构成，其中模数转换电路ADC、接口电路和信号调理电路PWM为典型电路，图中未作标示。无刷双馈感应电机的功率侧定子绕组“PW”与电网直接相连，而控制侧定子绕组“CW”与功率变换器的输出端相连，功率变换器的输入端经输入滤波器连接到电网上。鼠笼式感应电机与无刷双馈感应电机同轴连接，用于提供负载转矩，并由DSP控制器系统提供感应电机调速系统的期望转矩指令。利用电流、电压传感器测量控制侧定子绕组和功率侧定子绕组的电压和电流信号，以及电机机械转速和转子位置角，并通过信号调理电路送到DSP控制器系统。在DSP控制器系统中，进行相关的控制算法和调制算法，获得的PWM调制信号通过驱动电路作用于功率变换器，以产生期望的控制侧定子电压，实现对整个驱动系统的控制。

图4为电机调速控制方法实施例2的流程图，硬件系统主要包括磁链观测器、无功功率观测器、转速调节器、无功功率调节器、电流调节器以及PWM调制器等几个部分。实施例2实施的具体步骤如下：

通过电压、电流传感器检测静止坐标系下的功率侧定子绕组三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc，并将其进行Clarke变换得到两相静止坐标系下的变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ、两相电流i_pα和i_pβ。利用电流传感器检测静止坐标系下的控制侧绕组三相电流i_ca、i_cb、i_cc。

据功率侧定子电压方程，利用u_pα和u_pβ、i_pα和i_pβ设计功率侧磁链观测器如下：

定子磁链在两相静止坐标系下的分量为其中R_p为功率侧定子电阻阻值。

将和进行Clarke反变换，得到电机功率侧三相定子磁链和然后利用图5中磁链观测器的锁相环结构，估计功率侧定子磁链的幅值相角θ_p以及频率ω_p。

由θ_p和θ_r计算控制侧定子磁链的角度为θ_c＝θ_p-(P_p+P_c)θ_r。以θ_c为变换角，将控制侧三相定子电流同步旋转坐标系下的电流分量i_cd、i_cq；利用θ_p为变换角，将功率侧三相定子电压进行Clarke和Park变换，得到电压分量u_pd、u_pq。

在功率侧定子磁链定向的同步坐标系下，忽略转子电阻的影响，推到出电磁转矩和功率侧无功功率与控制侧定子电流的关系表达式，分别为：

其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

利用增量式编码器检测无刷双馈感应电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r。将给定转速n_r ^*与实测转速n_r相减，得到的转速偏差经过转速调节器后，输出得到电磁力矩的参考值T_e ^*。

根据电磁转矩和控制侧定子电流q轴分量的表达关系式，得到指令电流i_cq ^*为：

根据无功功率和控制侧定子电流d轴分量的函数关系式，得到控制侧d轴定子电流分量一i_cd1 ^*为：

利用两相静止坐标系下的功率侧定子电压和电流信息，计算功率侧无功功率为

将给定无功功率与上式计算值做差，经过PI控制器调节后，得到控制侧d轴定子电流的补偿值为其中K_Qp为无功功率PI调节器的比例系数，K_QI为无功功率PI调节器的积分系数，Q_p为所述电机功率侧无功功率实际测的值，Q_p*为所述电机功率侧无功功率给定值；

根据i_cd1 ^*和i_cd2 ^*，得到功率侧d轴定子电流指令为i_cd ^*＝i_cd1 ^*+i_cd2 ^*。

将控制侧定子电流的dq轴指令与实测dq轴电流分量做差，分别送入dq轴电流PI调节器，并将交叉耦合项进行前馈补偿，从而得到控制侧绕组的定子电压指令值为

其中K_dp、K_dI、K_qp、K_qI分别为控制侧定子绕组d轴和q轴电流PI调节器的比例系数和积分系数，δ_L＝L_cL_pL_r-M_c ²L_p-M_p ²L_c。

对dq两相旋转坐标系下的参考电压矢量u_cd ^*、u_cq ^*利用θ_c进行坐标变换后，得到三相静止坐标系下下的调制电压u_ca ^*、u_cb ^*和u_cc ^*，然后采用空间矢量调制策略或载波调制策略产生逆变器的开关驱动信号，并通过驱动电路作用于控制侧变换器，完成对无刷双馈感应电机的控制。

图5为本发明电机的功率侧定子磁链观测器结构图。

采用本发明电机调速控制方法及系统，进行以下实验，电机参数如下：额定功率为30kW；功率侧定子绕组极对数为1；控制侧定子绕组极对数为3；功率侧定子电阻为0.403Ω；控制侧定子绕组为0.268Ω；转子电阻为0.785Ω；功率侧定子电感为0.710H；控制侧定子电感为0.0476H；转子电感为0.760H；功率侧定子绕组与转子绕组互感为0.706H；控制侧定子绕组与转子绕组互感为0.0462H；电机转动惯量为0.75kg.m2。

图6为本发明电机调速控制方法验证实验1的波形图，给定转速900r/min、给定无功功率为0Var时的实验波形，可见转速和无功功率均达到理想值，且转速的稳态误差在±2r/min以内，控制侧定子电流基本稳定。

图7为本发明电机调速控制方法验证实验2的波形图，转速由650r/min增加到850/min时的实验波形图，可见转子速度可以很好地跟踪给给定值，且上升时间为1.2s，具有良好的动态性能；在暂态过程中，控制侧定子电流q轴分量出现短时增加以产生较大的电磁转矩；因此，利用上述控制策略，无刷双馈感应电机可以从亚同步运行模式平滑地切换到超同步运行模式。

图8为本发明电机调速控制方法验证实验3的波形图，负载转矩从27N.m增加到180N.m时的实验波形，此时电机转速和无功功率出现暂时波动，但很快达到稳定状态，控制侧定子电流q轴分量增加以补偿负载转矩，且功率侧有功功率增加。

因此，实验结果验证了本发明公开的无刷双馈感应电机矢量控制方案的可行性和有效性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电机调速的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc和三相电流i_pa、i_pb、i_pc和所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc；获取所述电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ；将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc进行克拉克变换，得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p；

根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c；

以所述电机功率侧定子相角θ_p为定向角，建立两相坐标系；将所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；

以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角，将所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq；

获取转速给定值n_r ^*、所述电机功率侧无功功率给定值；获取所述电机功率侧无功功率实际测得值；

根据所述转速给定值n_r ^*、所述电机的转子速度n_r和由所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

根据由所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式得到的i_cd值、所述电机功率侧无功功率给定值与所述电机功率侧无功功率实际测得值，生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

根据所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*和所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*分别获取所述两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*和q轴电压分量u_cq ^*；

将所述u_cd ^*和u_cq ^*以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角进行帕克反变换和克拉克反变换，得到静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号，利用载波调制或空间矢量调制策略产生调制信号，通过驱动电路作用于所述电机控制侧变换器，将所述电机控制侧变换器的输出电压施加到所述电机控制侧定子绕组上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p具体包括：

利用公式计算所述电机功率侧定子磁链在两相静止坐标系下的分量和其中R_p为功率侧定子电阻阻值；

将和进行克拉克反变换，得到所述电机功率侧三相定子磁链和

利用磁链角θ_p0将所述电机功率侧三相定子磁链和进行克拉克和帕克变换得到和其中θ_p0为对所述电机进行测量时前一时刻的所述电机功率侧定子磁链角值，初始值为0；

将零与的偏差送入PI调节器，获取所述电机功率侧定子磁链的频率ω_p；

将ω_p积分得到所述电机功率侧定子相角θ_p；

将的值确定为所述电机功率侧定子磁链幅值

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c具体包括：

利用公式θ_c＝θ_p-(P_p+P_c)θ_r计算所述电机控制侧定子磁链角θ_c，其中θ_p为所述电机功率侧定子绕组相角，θ_r为所述电机转子位置角，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*具体包括：

根据所述转速给定值n_r ^*和所述电机的转子速度n_r获取所述电磁转矩的信号T_e ^*；

根据所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*具体包括：

根据所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得i_cd，将i_cd确定为用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴第一分量值i_cd1 ^*；

根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*；

利用公式i_cd*＝i_cd1*+i_cd2*生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述电机功率侧无功功率实际测得值具体包括：

利用公式计算所述电机功率侧无功功率实际测得值Q_p，其中u_pα、u_pβ为两相静止坐标系下电压，电流i_pα、i_pβ为两相静止坐标系下电流。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*具体包括：

根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，利用公式获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*，其中K_Qp为无功功率PI调节器的比例系数，K_QI为无功功率PI调节器的积分系数，Q_p为所述电机功率侧无功功率实际测得值，Q_p*为所述电机功率侧无功功率给定值。

8.一种电机调速的系统，其特征在于，所述系统包括：

电压采集模块，用于获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc；

电流采集模块，用于获取静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流i_pa、i_pb、i_pc和所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_c；

转子监测模块，用于获取所述电机的转子速度n_r和转子位置角θ_r；

克拉克变换模块，用于将所述电机功率侧定子绕组的三相电压变换得到两相静止坐标系下的两相电压u_pα和u_pβ，将所述静止坐标系下的所述电机功率侧定子绕组的三相电流变换得到两相静止坐标系下的两相电流i_pα和i_pβ；

磁链观测模块，用于根据所述两相电压u_pα、u_pβ和所述两相电流i_pα、i_pβ，获取所述电机功率侧定子磁链幅值相角θ_p和频率ω_p；还用于根据所述电机的转子位置角θ_r与所述相角θ_p，获取所述电机控制侧定子磁链角θ_c；

克拉克变换与帕克变换模块，用于根据所述电机功率侧定子绕组的三相电压u_pa、u_pb、u_pc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机功率侧定子电压的d轴分量u_pd和q轴分量u_pq；根据所述电机控制侧定子绕组的三相电流i_ca、i_cb、i_cc进行克拉克和帕克坐标变换得到所述电机控制侧定子电流的d轴分量i_cd和q轴分量i_cq；

给定值获取模块，用于获取转速给定值n_r ^*、所述电机功率侧无功功率给定值；

无功功率获取模块，用于获取所述电机功率侧无功功率实际测得值；

q轴指令信号生成模块，用于根据所述转速给定值n_r ^*、所述电机的转子速度n_r和由所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式生成用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*，其中T_e ^*为电磁转矩，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感，P_p为所述电机功率侧定子绕组的极对数，P_c为所述电机控制侧定子绕组的极对数，L_r为所述电机转子绕组的自感，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值；

d轴指令信号生成模块，用于根据由所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式得到的i_cd值、所述电机功率侧无功功率给定值与所述电机功率侧无功功率实际测得值，生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*，其中Q_p ^*为无功功率给定值，L_r为所述电机转子绕组的自感，u_pq为所述电机功率侧定子电压的q轴分量，L_p为所述电机功率侧定子绕组的自感，为所述电机功率侧定子磁链幅值，M_p为所述电机功率侧定子绕组与转子绕组的互感，M_c为所述电机控制侧定子绕组与转子绕组的互感；

电压分量获取模块，用于根据所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*和所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*分别获取所述两相坐标系下所述电机控制侧绕组定子电压的d轴电压分量u_cd ^*和q轴电压分量u_cq ^*；

帕克反变换和克拉克反变换模块，用于将所述u_cd ^*和u_cq ^*以所述电机控制侧定子磁链角θ_c为变换角进行帕克反变换和克拉克反变换，得到静止坐标系下所述电机控制侧变换器的三相调制电压信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述q轴指令信号生成模块具体包括：

电磁转矩信号生成单元，用于根据所述转速给定值n_r ^*和所述电机的转子速度n_r获取所述电磁转矩的信号T_e ^*；

q轴指令信号生成单元，用于根据所述电机电磁转矩与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得用于控制所述电机控制侧定子电流的q轴指令信号i_cq ^*。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述d轴指令信号生成模块具体包括：

d轴第一分量值生成单元，用于根据所述电机无功功率与所述电机控制侧定子电流的稳态关系表达式获得i_cd，将i_cd确定为用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴第一分量值i_cd1 ^*；

d轴第二分量值生成单元，用于根据所述电机功率侧无功功率给定值与实际测得值的差值，获得所述电机控制侧定子电流的d轴第二分量值i_cd2 ^*；

d轴指令信号生成单元，用于利用公式i_cd*＝i_cd1*+i_cd2*生成用于控制所述电机控制侧定子电流的d轴指令信号i_cd ^*。