CN107565866B - 基于预测的感应电机间接转子磁场定向偏差校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于预测方法的感应电机转子磁场定向校正方法,属于交流感应电机控制技术领域。该方法预测获得感应电机旋转坐标系下的转矩电流和磁场电流，并与矢量控制系统获得的旋转坐标系下的转矩电流和磁场电流进行比较，然后利用两者之间的偏差，通过调节器获得磁场定向偏差角，实现偏差校正。本发明提高了传统感应电机矢量控制方法磁场定向的准确性，尤其是弱磁区速度运行的定向精度。

Description

基于预测的感应电机间接转子磁场定向偏差校正方法
技术领域
本发明属于交流感应电机控制技术领域，具体涉及一种感应电机间接转子磁场定向控制方法，用于对磁场定向偏差角度进行校正。
背景技术
交流电机变频调速方法主要包括开环V/f调速和闭环调速，闭环调速又被称为矢量控制方法，具体包含间接转子磁场定向、直接转子磁场定向、直接定子磁场定向等。其中间接转子磁场定向由于需要的硬件少，控制性能高而得到广泛的应用。
感应电机间接转子磁场定向矢量控制的原理为：将旋转坐标系建立在转子磁场方向上，并通过该坐标，将定子电流分解为转矩电流(q轴电流)和励磁电流(d轴电流)分量，从而分别实现输出转矩和转子磁场的大小控制，因此，转子磁场定向角度对矢量控制系统的性能和稳定性有着至关重要的影响。实际系统中转子磁场定向角度的计算涉及电机部分参数以及旋转坐标系下的d轴和q轴指令电流，那么计算过程中所使用的参数不准确将会导致磁场定向的角度产生较大偏差，尤其当电机工作在弱磁高速区时，由于温升和弱磁所导致的磁场变化，电机参数变化更加明显，若不能进行实时准确的参数更新，磁场定向的误差变化将进一步加剧，与此同时，由于磁场定向不准确和弱磁区电流控制性能的下降，d轴和q轴电流指令值与实际值并不相同，这同样会导致磁场定向出现偏差。
发明内容
针对现有技术的迫切技术需求，本发明的目的是提供一种计算磁场定向偏差角度的方法，以实现磁场定向角度偏差的实时校正，提高系统尤其是弱磁高速区的控制性能和稳定性。
本发明的实施对象为采用矢量控制的感应电机驱动系统，一种感应电机转子磁场定向偏差校正方法，包括以下步骤：
一种感应电机转子磁场定向偏差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依据感应电机旋转坐标系下k时刻转矩电流iqs(k)和磁场电流ids(k)，预测k+1时刻转矩电流
Figure GDA0002227021650000021
和磁场电流
(2)依据k+1时刻预测电流和k+1时刻实际通过矢量控制获得的旋转坐标系下电流，计算磁场电流价值函数
Figure GDA0002227021650000023
以及转矩电流价值函数
Figure GDA0002227021650000024
将两电流价值进行线性加权得到最终电流价值函数g(k+1)＝p1g1(k+1)+p2g2(k+1)，p1和p2为权重系数,；
(3)若最终电流价值函数不为0，则进入步骤(4)，否则结束；
(4)对磁场角度进行补偿，具体如下：
先令k+1时刻的补偿角度θerr(k+1)＝θerr(k)+△θerr，△θerr为计算周期内变化值；将θerr(k+1)加入磁场角度中，返回步骤(1)和(2)，得到新的电流价值函数g+；
再令k+1时刻的θerr(k+1)＝θerr(k)-△θerr，将θerr(k+1)加入磁场角度中，返回步骤(1)和(2)，得到新的电流价值函数g-；
比较g+和g-的大小，若g+小，则将θerr(k)+△θerr加入磁场定向角度中即为最终磁场定向角度，反之，则将θerr(k)-△θerr加入磁场定向角度中即为最终磁场定向角度。
本发明的具体技术效果体现如下：
1)通过计算磁场偏差角度，实现实时磁场定向校正，保证磁场定向的准确性；
2)通过对磁场定向的校正，使得转矩电流能够准确反映实际转矩的大小，提高系统的动态响应能力，增强系统性能；
3)通过对磁场定向的校正，使得电机实际磁场与系统所要求的磁场保持一致，有利于弱磁过程中对磁场大小的有效控制，提高电流的利用率，增强转矩输出能力。
附图说明
图1是本发明整体实施框图；
图2是预测值计算流程图；
图3是温度变化导致电机参数变化时应用本发明校正前后的输出转矩对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，本发明校正方法具体包括以下步骤：
1、旋转坐标下预测模型。
在间接转子磁场定向控制中，具有如下方程：
Figure GDA0002227021650000031
Figure GDA0002227021650000032
其中，vqs和vds是旋转坐标系下的转矩电压和磁场电压分量，ids和iqs是旋转坐标系下转矩电流和磁场电流分量，ψr是转子磁链，ωe是同步旋转角速度，Rs是定子电阻，Ls是定子电感，Lr是转子电感，Lm是互感，δ为漏感系数，
Figure GDA0002227021650000041
在间接转子磁场定向中，转子磁链ψr可表示为
Figure GDA0002227021650000042
将(3)代入(1)可得：
将(2)进一步展开，可得到：
Figure GDA0002227021650000044
实际实现过程中，需要将连续过程离散化，其中微分项常用离散化方法如(6)所示
Figure GDA0002227021650000045
将式(6)代入(4)和(5)中，离散数学模型可表示为：
Figure GDA0002227021650000046
Figure GDA0002227021650000047
其中，k代表离散时刻，转子磁场相较于电流而言变化比较缓慢，其微分可近似为0，因此，(7)和(8)可简化为：
vqs(k)＝(Rs+δLs)iqs(k)+ωeLsids(k)-δLsiqs(k-1) (9)
vds(k)＝(Rs+δLs)ids(k)-ωeδLsiqs(k)-δLsids(k-1) (10)
根据(9)和(10)，可以得到k+1时刻离散数学模型：
vqs(k+1)＝(Rs+δLs)iqs(k+1)+ωeLsids(k+1)-δLsiqs(k) (11)
vds(k+1)＝(Rs+δLs)ids(k+1)-ωeδLsiqs(k+1)-δLsids(k) (12)
通过方程(11)和(12)，即可计算得到k+1时刻的预测电流
Figure GDA0002227021650000051
和
2、建立价值函数。
价值函数目的在于使预测电流和实际控制电流大小保持一致，因此，建立如下价值函数：
磁场电流价值函数为
Figure GDA0002227021650000053
其目的在于使磁场电流偏差最小，而转矩电流价值函数为
Figure GDA0002227021650000054
使转矩电流偏差最小，其中和
Figure GDA0002227021650000056
为k+1时刻预测获得的转矩电流和磁场电流。
为便于计算，将价值函数进行线性加权：
g(k+1)＝p1g1(k+1)+p2g2(k+1) (13)
其中，p1和p2为权重系数，可根据需要进行调整，通常都取为0.5即可。
如果磁场定向角度准确，则通过数学模型预测得到的电流和实际k+1时刻的电流保持一致，价值函数计算结果应该为0。
3、角度偏差补偿。
如果价值函数计算结果不为0，则需要对磁场角度进行补偿，补偿方法如下：
令θerr(k+1)＝θerr(k)+△θerr，其中θerr(k+1)为k+1时刻的补偿角度，△θerr为计算周期内变化值，可依据工程经验取一较小值。将得到的θerr(k+1)加入磁场角度中，重新依据方程(11)和(12)进行计算得到预测电流，并利用(13)得到新的价值函数g+。再令θerr(k+1)＝θerr(k)-△θerr，重复上述步骤，再得到一个价值函数g-。比较g+和g-大小，若g+小，则将θerr(k)+△θerr补偿进磁场定向角，反之，则将θerr(k)-△θerr补偿进磁场定向角。如图2所示。
图3为7.5kW感应电机在不同速度段的最大转矩曲线，在基速以下时，由于磁场定向不准确可能会出现磁场偏大的情况，此时最大输出转矩会偏大，但在弱磁区，由于电压限制，不具备充足的电流，则输出转矩无法达到最大值，如图3中颜色较深的曲线所示，经过本发明所提出的校正方法后，转矩输出明显增强。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种感应电机转子磁场定向偏差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)依据感应电机旋转坐标系下k时刻转矩电流iqs(k)和磁场电流ids(k)，预测k+1时刻转矩电流
Figure FDA0002198374260000011
和磁场电流
Figure FDA0002198374260000012
2)依据k+1时刻预测电流和k+1时刻实际通过矢量控制获得的旋转坐标系下电流，计算磁场电流价值函数
Figure FDA0002198374260000013
以及转矩电流价值函数
Figure FDA0002198374260000014
将两电流价值函数进行线性加权得到最终电流价值函数g(k+1)＝p1g1(k+1)+p2g2(k+1)，p1和p2为权重系数；
3)若最终电流价值函数不为0，则进入步骤(4)，否则结束；
4)对磁场角度进行补偿，具体如下：
先令k+1时刻的补偿角度θerr(k+1)＝θerr(k)+△θerr，△θerr为计算周期内变化值；将θerr(k+1)加入磁场角度中，返回步骤1)和2)，得到新的电流价值函数g+；
再令k+1时刻的θerr(k+1)＝θerr(k)-△θerr，将θerr(k+1)加入磁场角度中，返回步骤(1)和(2)，得到新的电流价值函数g-；
比较g+和g-的大小，若g+小，则将θerr(k)+△θerr加入磁场定向角度中即为最终磁场定向角度，反之，则将θerr(k)-△θerr加入磁场定向角度中即为最终磁场定向角度；所述步骤(1)的具体实现过程为：
在间接转子磁场定向控制中，具有如下方程：
Figure FDA0002198374260000015
Figure FDA0002198374260000016
其中，vqs和vds是旋转坐标系下的转矩电压和磁场电压分量，ids和iqs是旋转坐标系下转矩电流和磁场电流分量，ψr是转子磁链，ωe是同步旋转角速度，Rs是定子电阻，Ls是定子电感，Lr是转子电感，Lm是互感，δ为漏感系数，
Figure FDA0002198374260000021
在间接转子磁场定向中，转子磁链ψr表示为
将(3)代入(1)可得：
Figure FDA0002198374260000023
将(2)进一步展开，可得到：
Figure FDA0002198374260000024
将连续过程离散化，其中微分项常用离散化方法如(6)所示
Figure FDA0002198374260000025
将式(6)代入(4)和(5)中，离散数学模型可表示为：
Figure FDA0002198374260000026
Figure FDA0002198374260000027
其中，k代表离散时刻，转子磁场相较于电流而言变化比较缓慢，其微分可近似为0，因此，(7)和(8)简化为：
vqs(k)＝(Rs+δLs)iqs(k)+ωeLsids(k)-δLsiqs(k-1) (9)
vds(k)＝(Rs+δLs)ids(k)-ωeδLsiqs(k)-δLsids(k-1) (10)
根据(9)和(10)，可以得到k+1时刻离散数学模型：
vqs(k+1)＝(Rs+δLs)iqs(k+1)+ωeLsids(k+1)-δLsiqs(k) (11)
vds(k+1)＝(Rs+δLs)ids(k+1)-ωeδLsiqs(k+1)-δLsids(k) (12)
通过方程(11)和(12)，计算得到k+1时刻的预测电流
Figure FDA0002198374260000031
和
Figure FDA0002198374260000032
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