CN107231110B - 一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，包括信号采集、转子磁链观测、电磁转矩纹波观测、电磁转矩纹波前馈补偿、转速外环控制、预测电流内环控制、逆变器驱动，通过预测控制输出结果生成开关信号以驱动开关管，无需调制，减少了调制控制过程中的某些不必要的开关变化，从而大大降低开关损耗，通过独立IO控制方式对开关状态进行控制，而取代一般的脉宽调制波控制开关状态方式，从而在容差范围内能够有效的减少开关次数，大大降低了大功率异步电机在低频开关信号控制下的谐波电流含量和转矩脉动，提高了大功率异步电机的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种异步电机控制技术领域，尤其是一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法。
背景技术
电力能源是现代最清洁的能源，目前我国总电量中超过60％是通过异步电机消耗的，因此，提高异步电机运行效率对节约能源具有重要意义，在工业领域中大功率异步电机运行效率过低问题也是电机控制领域的核心问题，在提高运行效率的同时能够满足电机系统的安全性和可靠性要求，具有很高的市场应用价值。
现有技术主要是利用电机大惯性的属性，忽略脉动转矩，实现低开关频率控制，以此提高大功率电机的运行效率，然而，该技术只能应用于某些对电机系统转矩性能要求不高的场合，并且低开关频率控制势必会造成电机系统高谐波含量，在大功率异步电机系统中高谐波含量电流会产生过高的额外铜耗，制约电机运行效率的提升，提高开关频率可实现低畸变电流，但是这会造成变流器的高开关损耗；
若采用常规的PWM(如空间矢量PWM)控制，实现低开关频率控制大功率电机，则会导致谐波电流增大，铜耗增加，造成过高脉动转矩，从而加大电机轴系机械谐振的可能性，影响与电机耦合的设备的安全，降低电机系统的可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法。
本发明的技术方案为：一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、信号采集：实时采集变流器的直流侧电压异步电机定子电流并通过编码器采集异步电机的转速ω(k)；
S2)、转子磁链观测：利用预测电流内环控制得到的开关信号Sa,b,c(k)和直流侧电压合成电机的定子电压矢量其计算表达式为：
在静止坐标系中，异步电机转子磁链矢量为：
并根据得到的转子磁链矢量求得其幅值ψr(k)和定向角度θ(k)；
其中，Lr为转子电感，Lm为定转子间互感，Ls为定子电感，Rs为定子电阻；
S3)、电磁转矩观测：利用异步电机全阶状态自适应滑膜观测器可得到异步电机转矩为：
对上述等式两边求导得到电磁转矩纹波的观测，具体为：
其中，np为电机极对数，isq(k)为定子电流q轴分量，Δisq(k)为转矩电流变化量，
S4)、电磁转矩纹波前馈补偿：通过采用双闭环控制，外环分为速度环与磁链环，其中磁链环的磁链控制器输出的控制量isdf(k)与电磁转矩纹波ΔTe(k)产生的前馈补偿控制量进行叠加作为励磁电流的给定控制isd(k)，而可知控制isd(k)补偿isq(k)可使得趋于稳定，实现低谐波电流控制，其中，所述的前馈补偿控制量：
磁链控制器输出的控制量其中，Kψp，Tψi、TψD、ψr *分别为磁链控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数、磁链给定量，isq(k)与isd(k)分别为经过clarke与park变换之后的q轴分量和d轴分量；
S5)、转速外环控制：将给定转速ω*和采集到的转速信号ω(k)作差值后进行PI控制得到电磁转矩电流给定量具体为：
其中，Kp、Ti、TD分别为PI控制器的比例系数、积分时间常数、为微分时间常数；
S6)、电流内环预测控制：以电磁转矩电流给定量与励磁电流的给定作为内环控制器给定量，通过采集到的当前时刻的电流矢量并根据简化电机模型：
对其进行离散化，从而预测得到下一时刻的电流矢量
其中，Rr为转子电阻，σ为电机漏磁系数，np为电机极对数，Ts为采样周期；
S7)、通过给定价值函数分别计算8组开关状态下的价值函数值大小，并选取价值函数值最小的开关状态作为控制输出；
S8)、开关信号控制：通过采用变步长开关信号给定法，设定容差范围，具体为：
其中，b是容差边界圆半径，
若电流不在容差边界圆内时，则将上述计算的价值函数的最小值对应的开关状态作为控制输出，否则保持原有开关状态。
本发明的有益效果为：通过预测控制输出结果生成开关信号以驱动开关管，无需调制，减少了调制控制过程中的某些不必要的开关变化，从而大大降低开关损耗，通过独立IO控制方式对开关状态进行控制，而取代一般的脉宽调制波控制开关状态方式，从而在容差范围内能够有效的减少开关次数，大大降低了大功率异步电机在低频开关信号控制下的谐波电流含量和转矩脉动，提高了大功率异步电机的运行效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的控制框架图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1和图2所示，一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、信号采集：实时采集变流器的直流侧电压异步电机定子电流并通过编码器采集异步电机的转速ω(k)；
S2)、转子磁链观测：利用预测电流内环控制得到的开关信号Sa,b,c(k)和直流侧电压合成电机的定子电压矢量其计算表达式为：
在静止坐标系中，异步电机转子磁链矢量为：
并根据得到的转子磁链矢量求得其幅值ψr(k)和定向角度θ(k)；
其中，Lr为转子电感，Lm为定转子间互感，Ls为定子电感，Rs为定子电阻；
S3)、电磁转矩纹波观测：利用异步电机全阶状态自适应滑膜观测器可得到异步电机转矩为：
对上述等式两边求导得到电磁转矩纹波的观测，具体为：
其中，np为电机极对数，isq(k)为定子电流q轴分量，Δisq(k)为转矩电流变化量，
S4)、电磁转矩纹波前馈补偿：通过采用双闭环控制，外环分为速度环与磁链环，其中磁链环的磁链控制器输出的控制量isdf(k)与电磁转矩纹波ΔTe(k)产生的前馈补偿控制量进行叠加作为励磁电流的给定使得趋于稳定，实现低谐波电流控制，其中，所述的前馈补偿控制量：
磁链控制器输出的控制量其中，Kψp，Tψi、TψD、ψr *分别为磁链控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数、磁链给定量，isq(k)与isd(k)分别为经过clarke与park变换之后的q轴分量和d轴分量；
S5)、转速外环控制：将给定转速ω*和采集到的转速信号ω(k)作差值后进行PI控制得到电磁转矩电流给定量具体为：
其中，Kp、Ti、TD分别为PI控制器的比例系数、积分时间常数、为微分时间常数；
S6)、电流内环预测控制：以电磁转矩电流给定量与励磁电流的给定作为内环控制器给定量，通过采集到的当前时刻的电流矢量并根据简化电机模型：
对其进行离散化，从而预测得到下一时刻的电流矢量
其中，Rr为转子电阻，σ为电机漏磁系数，np为电机极对数，Ts为采样周期；
S7)、通过给定价值函数分别计算8组开关状态下的价值函数值大小，并选取价值函数值最小的开关状态作为控制输出；
S8)、开关信号控制：通过采用变步长开关信号给定法，设定容差范围，
其中，b是容差边界圆半径，
若电流不在容差边界圆内时，则将上述计算的价值函数的最小值对应的开关状态作为控制输出，否则保持原样。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (3)
1.一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、信号采集：实时采集变流器的直流侧电压异步电机定子电流并通过编码器采集异步电机的转速ω(k)；
S2)、转子磁链观测：利用预测电流内环控制得到的开关信号Sa,b,c(k)和直流侧电压合成电机的定子电压矢量其计算表达式为：
在静止坐标系中，异步电机转子磁链矢量为：
并根据得到的转子磁链矢量求得其幅值ψr(k)和定向角度θ(k)；
其中，Lr为转子电感，Lm为定转子间互感，Ls为定子电感，Rs为定子电阻；
S3)、电磁转矩观测：利用异步电机全阶状态自适应滑模观测器可得到异步电机转矩为：
对上述等式两边求导得到电磁转矩纹波的观测，具体为：
其中，np为电机极对数，isq(k)为定子电流q轴分量，Δisq(k)为转矩电流变化量，
S4)、电磁转矩纹波前馈补偿：通过采用双闭环控制，外环分为速度环与磁链环，其中磁链环的磁链控制器输出的控制量isdf(k)与电磁转矩纹波ΔTe(k)产生的前馈补偿控制量进行叠加作为励磁电流的给定使得趋于稳定，实现低谐波电流控制，
其中，isq(k)与isd(k)分别为经过clarke与park变换之后的q轴分量和d轴分量；S5)、转速外环控制：将给定转速ω*和采集到的转速信号ω(k)作差值后进行PI控制得到电磁转矩电流给定量具体为：
其中，Kp、Ti、TD分别为PI控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数；
S6)、电流内环预测控制：以电磁转矩电流给定量与励磁电流的给定作为内环控制器给定量，通过采集到的当前时刻的电流矢量并根据简化电机模型：
对其进行离散化，从而预测得到下一时刻的电流矢量
其中，Rr为转子电阻，σ为电机漏磁系数，np为电机极对数，Ts为采样周期；
S7)、通过给定价值函数分别计算8组开关状态下的价值函数值大小，并选取价值函数值最小的开关状态作为控制输出；
S8)、开关信号控制：通过采用变步长开关信号给定法，设定容差范围，
其中，b是容差边界圆半径，
若电流不在容差边界圆内时，则将上述计算的价值函数的最小值对应的开关状态作为控制输出，否则保持原样。
2.根据权利要求1所述的一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，其特征在于：所述的前馈补偿控制量为：
3.根据权利要求1所述的一种大功率异步电动机前馈补偿抑制定子电流谐波方法，其特征在于：所述磁链控制器输出的控制量：
其中，Kψp，Tψi、TψD、ψr *分别为磁链控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数、磁链给定量。
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