CN108768231A - 一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法，具体为：单PWM周期内对两相电流多次采用，并进行d/q轴解耦，得到d/q轴下的电流i_ds和i_qs；计算i_ds和i_qs与d/q轴电流给定值之间的偏差△i_ds和△i_qs；考虑定子电阻对温度比较敏感，建立定子电阻基于温度的估算模型，从而计算得到当前电压裕度下，d/q轴电流允许变化范围△i’_ds和△i’_qs；比较△i_ds和△i’_ds以及△i_qs和△i’_qs之间的大小，并与d/q轴电流的电流失控阀值△d和△q相比较，从而预测电流是否会失控。本发明给出了电流可能失控的预测方法，显著提升电机和驱动装置运行的可靠性，避免由于过流而导致的功率装置或电机损坏。

Description

一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法及系统

技术领域

本发明属于交流感应电机及其控制技术领域，具体涉及一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法及系统。

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，实际输出转矩大小与转矩电流和励磁电流的乘积成线性关系。

感应电机矢量控制系统包含两个电流调节器，分别是q轴电流调节器和d轴电流调节器，由于d/q轴电流之间存在交叉耦合，使得常规的PI调节器带宽会随着电流频率的提高而下降，并且当电机转速较高时，由于反电动势的不断升高，使得d/q轴电流调节器更易饱和，因此，电流调节器可能难以达到设计要求，从而导致电流失控，甚至损坏功率装置和电机。因此，有必要对感应电机电流失控进行预测，以便在失控前采取措施，避免由于电流失控而导致的功率装置和电机的损坏。

发明专利《一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法》中采用了预测控制方法对电流状态进行了估计，从而实现对电流失控的有效处理，其预测方法需要利用电机电压和电流模型，模型中的关键参数之一即是电机定子电阻，而该参数会随着电机运行状态变化而引起的温度变化出现较大波动，进而导致预测电流与实际状况不符，出现电流失控的预测失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应电机电流失控的预测方法，考虑定子电阻对温度比较敏感，建立定子电阻基于温度的估算模型，适应电机运行状态变化而引起的温度变化出现的电阻波动，从而提高电流失控预测方法的可靠性。

一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法，具体为：

单PWM周期内对两相电流采样，对采样电流进行d/q轴解耦，得到d轴电流i_ds和q轴电流i_qs；

计算d轴电流i_ds与d轴电流给定值之间的偏差△i_ds，q轴电流i_qs与q轴电流给定值之间的偏差△i_qs；

计算当前电压裕度下d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs；

计算|Δi_ds|与|Δi'_ds|之间的差值△i_d，及|Δi_qs|和|Δi'_qs|之间的差值△i_q；

若差值△i_d小于d轴电流失控阀值△d，则说明d轴电流失控，若差值△i_q小于q轴电流失控阀值△q，则说明q轴电流失控；

所述d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs的计算方法为：

其中，ΔV_ds＝V_{ds_limit}-V_ds(k)，ΔV_qs＝V_{qs_limit}-V_qs(k)，

V_ds(k)和V_qs(k)分别为第k个采样点的d轴和q轴电压，V_{ds_limit}和V_{qs_limit}分别为d轴和q轴电流调节器的输出饱和值，L_s为定子电感，ω_e为同步角速度，σ为总漏感系数，k为采样点序号；

R_s为定子相电阻，其阻值会随着电机温度变化而出现显著波动，其估算方法如下：其中，为电机定子电阻在常温时的阻值，T_s为电机温度，该函数关系f()可以通过实验获得若干温度点下的电阻，进而通过数据拟合方法获得。

一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测系统，包括：

第一模块，用于单PWM周期内对两相电流采样，对采样电流进行d/q轴解耦，得到d轴电流i_ds和q轴电流i_qs；

第二模块，用于计算d轴电流i_ds与d轴电流给定值之间的偏差△i_ds，q轴电流i_qs与q轴电流给定值之间的偏差△i_qs；

第三模块，用于计算当前电压裕度下d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs；

第四模块，用于计算|Δi_ds|与|Δi'_ds|之间的差值△i_d，及|Δi_qs|和|Δi'_qs|之间的差值△i_q；

第五模块，用于若差值△i_d小于d轴电流失控阀值△d，则说明d轴电流失控，若差值△i_q小于q轴电流失控阀值△q，则说明q轴电流失控；

所述d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs的计算方法为：

其中，ΔV_ds＝V_{ds_limit}-V_ds(k)，ΔV_qs＝V_{qs_limit}-V_qs(k)，

V_ds(k)和V_qs(k)分别为第k个采样点的d轴和q轴电压，V_{ds_limit}和V_{qs_limit}分别为d轴和q轴电流调节器的输出饱和值，L_s为定子电感，ω_e为同步角速度，σ为总漏感系数，k为采样点序号；

R_s为定子相电阻，其阻值会随着电机温度变化而出现显著波动，其估算方法如下：其中，为电机定子电阻在常温时的阻值，T_s为电机温度，该函数关系f()可以通过实验获得若干温度点下的电阻，进而通过数据拟合方法获得。

进一步地，还计算综合判定值Y_dq＝λ_d(Δi_d-Δd)+λ_q(Δi_q-Δq)，0＜λ_d≤1，0＜λ_q≤1，λ_d和λ_q分别为d轴和q轴的权重系数；若Y_dq＜0，则说明电流调节器失控。

进一步地，所述函数关系表示为：R_s＝aT_s ³+bT_s ²+cT_s，a，b，和c为多项式系数。

本发明定子电阻对温度比较敏感，建立定子电阻基于温度的估算模型，给出了电流可能失控的预测方法，显著提升电机和驱动装置运行的可靠性，避免由于过流而导致的功率装置或电机损坏。

附图说明

图1是矢量控制电流调节器框图；

图2是本发明所采用的电流采样方法，图2(a)是常规电流采样方法，图2(b)是本发明所提出的采样方法；

图3是本发明方法流程图；

图4是应用本发明物理实验波形图，其中，图4(a)是电流失控，图4(b)是采用本发明方法电流受控情况。

具体实施方式

下面结合附图详细说明。

矢量控制系统中，d/q轴下的电压、电流满足如下关系：

V_ds＝i_dsR_s-i_qsσL_sω_e (1)

V_qs＝i_qsR_s+i_dsL_sω_e (2)

其中：R_s：定子相电阻；L_s：定子电感；σ：总漏感系数；i_ds：d轴电流；i_qs；q轴电流；V_ds：d轴电压；V_qs：q轴电压；ω_e：同步角速度。

式(1)和(2)说明d/q轴电流和电压之间存在交叉耦合，因此，常规矢量控制所使用的PI调节器1和2难以保证设计带宽，其带宽随着电流频率的上升而下降，并且参考式(2)，由于反电动势随着频率的升高而升高，电流调节器1和2更易饱和，从而使得电流调节器1和2对于电流的调节能力进一步下降，在感应电机的高速运行区，电流的快速相应过程中极易导致电流失控，甚至损坏驱动装置和电机。

为了避免由于电流失控而导致的功率装置和电机的损坏，本发明提出了一种基于矢量控制的电流失控预测方法。

设电流调节器1的输出饱和值为V_{qs_limit}，电流调节器2的输出饱和值为V_{ds_limit}，当前d/q轴电压为V_ds(k)和V_qs(k)，则根据式(1)和式(2)，得到：

V_{ds_limit}-V_ds(k)＝Δi'_dsR_s-Δi'_qsσL_sω_e(3)

V_{qs_limit}-V_qs(k)＝Δi'_qsR_s+Δi'_dsL_sω_e(4)

其中：△i’_ds：d轴电流允许变化范围；△i’_qs：q轴电流允许变化范围。

根据式(3)和(4)，可以求出△i’_ds和△i’_qs：

其中，ΔV_ds＝V_{ds_limit}-V_ds(k)，ΔV_qs＝V_{qs_limit}-V_qs(k)

V_ds(k)和V_qs(k)分别为第k个采样点的d轴和q轴电压，V_{ds_limit}和V_{qs_limit}分别为d轴和q轴电流调节器的输出饱和值，L_s为定子电感，ω_e为同步角速度，σ为总漏感系数，k为采样点序号。

R_s为定子相电阻，其阻值会随着电机温度变化而出现显著波动，其估算方法如下：R_s＝f(R_s,T_s)，其中，R_s为电机定子电阻的阻值，T_s为电机温度，通过实验获得若干温度点下的电阻，进而通过三阶函数关系，利用数据拟合方法获得，具体过程如下：

选取函数关系如下所示，

R_s＝aT_s ³+bT_s ²+cT_s (7)

定子在常温(25°)的阻值即为铭牌电阻阻值，可以作为一组数值，另外根据试验获得T₁和T₂温度下的两组数据(T₁，R_s)和(T₂，R_s)，利用这三组解，即可求出式(7)下的a，b，和c三个多项式系数，进而得到温度与电阻的函数关系。

常规的电流采样如图2(a)所示，在每个PWM(脉冲宽度调制)周期的下溢时刻启动AD转换，每个PWM周期采样一次，或者在每个PWM周期的下溢和中点采样，每个PWM周期采样两次。本方法考虑处理器的运算能力和AD转换的速度，将单PWM周期划分为若干个更小的采样和计算周期，如图2(b)所示，考虑处理器和AD转换器件的转换速度，将PWM周期划分为N(N≥1)个采样和转换周期，通过本采样方法可以显著提高系统对过流的响应速度。

设通过图2(b)采样得到的a相电流为i_as，b相电流为i_bs，c相电流可以通过下式得到：

i_cs＝-i_as-i_bs(7)

通过坐标变换，转换为d/q轴电流：

其中，为转子磁场的旋转角度，可以通过磁场定向算法获得。结合电流调节器d/q轴电流的给定，可得：

为d轴电流给定值，为q轴电流给定值，

依据电机电气参数和电机模型，计算当前电压裕度下d轴电流允许变化范围Δi'_ds和q轴电流允许变化范围Δi'_qs，

设Y_d＝|Δi_ds|-|Δi'_ds|-Δd(11)

Y_q＝|Δi_qs|-|Δi'_qs|-Δq(12)

Δd为d轴电流失控阀值,Δq为q轴电流失控阀值。

若Y_d＜0则d轴电流可能失控，若Y_q＜0则q轴电流可能失控。调节d/q轴电流失控的阀值Δd和Δq可以改变该判别方法的灵敏度，Δd和Δq越小，灵敏度越高，反之，则灵敏度越低。

由于d/q轴电流之间存在交叉耦合，如式(1)和式(2)所示，因此，d轴或者q轴电流的失控会相互影响，因此，增加两个权重系数λ_d和λ_q，则有：

Y_dq＝λ_dY_d+λ_qY_q(13)

并且0＜λ_d≤1，0＜λ_q≤1。

不同工况下，设计不同的λ_d和λ_q，然后通过式(13)求出Y_dq，若Y_dq＜0，则可判定系统电流调节器可能会失控，进而可以引导程序做出相应措施。

算法实现流程图如图3所示。根据敏感度要求，设置Δd和Δq；利用传感器获得的任意两相电流，通过式(7)计算出另一相电流，进而通过式(8)获得d/q轴电流；通过式(9)和(10)计算Δi_ds和Δi_qs；通过式(3)和式(4)计算△i’_ds和△i’_qs；通过式(11)和式(12)计算Y_d和Y_q；根据工况不同，设置不同的权重λ_d和λ_q，进而根据式(13)计算Y_dq，根据Y_dq的大小判断电流是否会失控。

图4是物理试验结果。该物理试验中，为了验证算法的有效性，给出了没有控制和控制的情况下的电流情况，当失控信号给出时，经过处理，电流得到有效控制，如图中a，c曲线所示，b和d曲线为没有控制情况下的曲线。

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 (6)

1.一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测方法，其特征在于，具体为：

单PWM周期内对两相电流采样，对采样电流进行d/q轴解耦，得到d轴电流i_ds和q轴电流i_qs；

计算d轴电流i_ds与d轴电流给定值之间的偏差△i_ds，q轴电流i_qs与q轴电流给定值之间的偏差△i_qs；

计算当前电压裕度下d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs；

计算|Δi_ds|与|Δi'_ds|之间的差值△i_d，及|Δi_qs|和|Δi'_qs|之间的差值△i_q；

若差值△i_d小于d轴电流失控阀值△d，则说明d轴电流失控，若差值△i_q小于q轴电流失控阀值△q，则说明q轴电流失控；

所述d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs的计算方法为：

其中，ΔV_ds＝V_{ds_limit}-V_ds(k)，ΔV_qs＝V_{qs_limit}-V_qs(k)，

V_ds(k)和V_qs(k)分别为第k个采样点的d轴和q轴电压，V_{ds_limit}和V_{qs_limit}分别为d轴和q轴电流调节器的输出饱和值，L_s为定子电感，ω_e为同步角速度，σ为总漏感系数，k为采样点序号；

R_s为定子相电阻，其阻值会随着电机温度变化而出现显著波动，其估算方法如下：其中，为电机定子电阻在常温时的阻值，T_s为电机温度，该函数关系f()可以通过实验获得若干温度点下的电阻，进而通过数据拟合方法获得。

2.根据权利要求1所述的感应电机电流失控预测方法，其特征在于，还计算综合判定值Y_dq＝λ_d(Δi_d-Δd)+λ_q(Δi_q-Δq)，0＜λ_d≤1，0＜λ_q≤1，λ_d和λ_q分别为d轴和q轴的权重系数；若Y_dq＜0，则说明电流调节器失控。

3.根据权利要求1或2所述的感应电机电流失控预测方法，其特征在于，所述函数关系表示为：R_s＝aT_s ³+bT_s ²+cT_s，a，b，和c为多项式系数。

4.一种基于矢量控制的感应电机电流失控预测系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于单PWM周期内对两相电流采样，对采样电流进行d/q轴解耦，得到d轴电流i_ds和q轴电流i_qs；

第二模块，用于计算d轴电流i_ds与d轴电流给定值之间的偏差△i_ds，q轴电流i_qs与q轴电流给定值之间的偏差△i_qs；

第三模块，用于计算当前电压裕度下d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs；

第四模块，用于计算|Δi_ds|与|Δi'_ds|之间的差值△i_d，及|Δi_qs|和|Δi'_qs|之间的差值△i_q；

第五模块，用于若差值△i_d小于d轴电流失控阀值△d，则说明d轴电流失控，若差值△i_q小于q轴电流失控阀值△q，则说明q轴电流失控；

所述d轴电流允许变化范围△i’_ds和q轴电流允许变化范围△i’_qs的计算方法为：

其中，ΔV_ds＝V_{ds_limit}-V_ds(k)，ΔV_qs＝V_{qs_limit}-V_qs(k)，

V_ds(k)和V_qs(k)分别为第k个采样点的d轴和q轴电压，V_{ds_limit}和V_{qs_limit}分别为d轴和q轴电流调节器的输出饱和值，L_s为定子电感，ω_e为同步角速度，σ为总漏感系数，k为采样点序号；

R_s为定子相电阻，其阻值会随着电机温度变化而出现显著波动，其估算方法如下：其中，为电机定子电阻在常温时的阻值，T_s为电机温度，该函数关系f()可以通过实验获得若干温度点下的电阻，进而通过数据拟合方法获得。

5.根据权利要求4所述的感应电机电流失控预测系统，其特征在于，所述第五模块还用于计算综合判定值Y_dq＝λ_d(Δi_d-Δd)+λ_q(Δi_q-Δq)，0＜λ_d≤1，0＜λ_q≤1，λ_d和λ_q分别为d轴和q轴的权重系数；若Y_dq＜0，则说明电流调节器失控。

6.根据权利要求4或5所述的感应电机电流失控预测系统，其特征在于，所述函数关系表示为：R_s＝aT_s ³+bT_s ²+cT_s，a，b，和c为多项式系数。