CN110365267A - 基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，它属于电机控制技术领域。本发明解决了基于电压闭环的弱磁控制器参数选取局限于试凑法，以及不适当的弱磁控制器参数选取会造成系统震荡甚至失稳的问题。本发明首先重新设置电压给定与电压反馈，其次，依据影响电流调节器输出电压指令u_sq ^*和u_sd ^*的信号，从基于电压闭环的弱磁控制系统结构中得到电压闭环I和电压闭环II的控制结构，并对获得的电压闭环I和电压闭环II的控制结构进行简化；最后，设计弱磁控制器为PI结构，通过低频段校正原则对系统响应进行校正。本发明可以应用于感应电机弱磁控制器的设计。

Description

基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法。

背景技术

高端工业应用场合对高精度、高效率、高质量的要求，促使电机驱动系统朝着高速化方向发展。感应电机以其价格优势、高可靠性、宽调速范围和良好的过载能力得到广泛应用。目前，高速化的感应电机变频驱动已应用在电动汽车、电力机车、压缩机、数控机床主轴驱动、电力机车等场合。以数控机床为例，作为驱动系统的核心部件，主轴驱动控制性能的优劣直接决定了数控机床的整体水平。采用直驱方式能够达到高效率、高精度和高可靠性的要求，这也就使得驱动电机逐渐向着高速化方向发展。在攻丝钻孔中，从表面光洁度方面考虑，需要电机在高速下保持平稳运行，同时由于工艺和效率方面的需求，对加减速时间以及输出转矩方面也有更高要求。因此，高性能控制场合对电机调速提出的要求包括：调速范围宽(尤其是高速区)，高速稳定运行能力，最大转矩输出能力，充分利用有限的电压电流资源，高动态响应等。

感应电机驱动系统在实际运行中，受最大电压和最大电流的限制。最大电压由直流母线电压和变频器调制策略决定，最大电流取决于电机和逆变器所能允许的最大电流。此外，为确保系统稳定，驱动系统应满足最大转差率的要求。为保证电机的最大转矩输出能力、满足快速启停能力，应在受限运行条件下合理分配电机的励磁电流和转矩电流，以充分在弱磁区实现转矩的最大化输出能力。目前，基于电压闭环的弱磁控制策略具有参数敏感性低的优点，同时可实现转矩最大化输出，被认为是一个有效的控制方案。

然而，基于电压闭环的控制策略需要额外的弱磁控制器来实现自动地弱磁目的。弱磁控制包括利用最大电压约束条件减小励磁电流，以及弱磁二区中最大转差率约束条件下的d轴电压和q轴电压相等的轨迹控制。这些弱磁控制器通过分配励磁电流和转矩电流的比例，实现了转矩最大化输出的弱磁控制。弱磁控制器参数的选取直接影响控制系统性能。不适当的弱磁控制器参数及易造成系统震荡，甚至失稳问题。而目前的设计方法仅仅局限于试凑法，并未有合理有效的理论设计方案来指导参数选取，在实际工业应用场合中，一旦电机参数发生改变，弱磁控制器参数需要重新进行繁杂的调试工作。

发明内容

本发明的目的是为解决基于电压闭环的弱磁控制器的参数选取局限于试凑法，以及不适当的弱磁控制器参数选取会造成系统震荡甚至失稳的问题，而提出了一种基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、重新设置基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中的电压给定和电压反馈；根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响q轴电压指令u_sq ^*的信号，获得电压闭环I的结构模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响d轴电压指令u_sd ^*的信号，获得电压闭环II结构模型；

步骤二、对电压闭环I的结构进行简化：即忽略反电动势项u_sq,EMF，忽略q轴电流差值Δi_sq对输出电压指令信号u_sq ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环I；其中：i_sq为实际转矩电流，L_s为定子自感，ω_e为电角度同步转速；

步骤三、简化的电压闭环I中的控制对象为G_fi(s)，设计简化的电压闭环I中的弱磁控制器I为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器I的参数设计准则；

步骤四、对电压闭环II进行简化：即忽略反电动势项u_sd,EMF，忽略d轴电流差值Δi_sd对输出电压指令信号u_sd ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环II；其中：σ为漏感因子；

步骤五、简化的电压闭环II中的控制对象为G_ffi(s)，设计简化的电压闭环II中的弱磁控制器II为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器II的参数设计准则。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，本发明基于提出的电压闭环I和电压闭环II的控制结构图，可由期望的系统响应设计参数，设计准则有理论可依，从而避免不适当的弱磁控制器参数选取引起的系统震荡甚至失稳现象。本发明的参数设计方法可由两种方式实现：一种是弱磁控制器参数设计为固定参数，建议计算转速值选取为系统可运行的最高转速值；另一种是弱磁控制器参数设计为转速自适应形式，参数与电机转速时时相关，保证期望的电压环带宽恒定，从而可以减小电流纹波。

附图说明

图1：为感应电机弱磁控制的最优电流和电流矢量轨迹图；

ω₁、ω₂、ω₃、ω₄、ω₅和ω₆分别代表不同的转速，i_sd,rated为额定励磁电流，u_sd为实际加在电机上的d轴定子电压分量，u_sq为实际加在电机上的q轴定子电压分量；

图2：为感应电机基于电压闭环的弱磁控制策略结构图；

i_sq,lim为转矩电流限制，i_sd,lim为励磁电流限制，PI为比例积分环节；u^* _sdq为复矢量电流调节器输出的电压指令，i_max为最大定子电流，i_sq,lim1为由最大电流限制确定的q轴电流信号，i_sq,lim2为由最大转差率限制确定的q轴电流信号，min为取最小；

图3：为基于所发明方法的感应电机电压闭环弱磁控制系统结构图；

u_EMF为反电动势，ω_r为转子频率，ω_s为转差频率，θ为磁场定向角，e^jθ为反park变换，SVM为电压空间矢量调制；abc为三相坐标系，αβ为两相静止坐标系，IM为感应电机；

图4：为电压闭环I结构图；

图5：为简化的电压闭环I结构图；

图6：为电压闭环II结构图；

图7：为简化的电压闭环II结构图；

图8：为所发明方法与传统方法在4倍基速转速阶跃给定下的电流矢量轨迹和d、q轴电流波形图；

图9(a)：为所发明方法与传统方法在转速为2倍基速时，转矩阶跃变化的系统响应图；

图9(b)：为所发明方法与传统方法在转速为3倍基速时，转矩阶跃变化的系统响应图；

图9(c)：为所发明方法与传统方法在转速为4倍基速时，转矩阶跃变化的系统响应图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、重新设置基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中的电压给定和电压反馈；根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响q轴电压指令u_sq ^*的信号，获得电压闭环I的结构模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响d轴电压指令u_sd ^*的信号，获得电压闭环II结构模型；

步骤二、对电压闭环I的结构进行简化：即忽略反电动势项u_sq,EMF，忽略q轴电流差值Δi_sq对输出电压指令信号u_sq ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环I，如图5所示；其中：i_sq为实际转矩电流信号，L_s为定子自感，ω_e为电角度同步转速；

步骤三、简化的电压闭环I中的控制对象为G_fi(s)，设计简化的电压闭环I中的弱磁控制器I为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器I的参数设计准则；

步骤四、对电压闭环II进行简化：即忽略反电动势项u_sd,EMF，忽略d轴电流差值Δi_sd对输出电压指令信号u_sd ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环II，如图7所示；其中：σ为漏感因子；

步骤五、简化的电压闭环II中的控制对象为G_ffi(s)，设计简化的电压闭环II中的弱磁控制器II为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器II的参数设计准则。

本发明方法为弱磁控制器的参数设计提供了完整的理论体系，避免了调试法中繁杂的调试工作。本发明基于传统的电压闭环弱磁控制策略，下面首先对传统的电压闭环弱磁控制策略进行阐述：

在基于转子磁场定向的矢量控制系统中，感应电机的数学模型为：

式中，u_sd，u_sq分别为d轴和q轴系定子电压分量；i_sd，i_sq分别为d轴和q轴系定子电流分量；R_s为定子电阻；L_s，L_r为定转子自感；L_m为互感；λ_r为转子磁链ω_e为电角度同步转速；σ为漏感因子，p为微分算子。

在高速时，可忽略定子电阻压降，则感应电机稳态电压方程为：

感应电机的电磁转矩表达式为：

在感应电机运行过程中，可输出的最大电磁转矩主要受最大电压、最大电流以及最大转差频率的限制。最大电流限制取决于电机绕组所允许的最大电流值和逆变器可输出的最大电流值，可描述为：

最大电压限制取决于直流母线电压、采用的过调制策略、电机的耐压等级等，可表示为：

将式(10)代入式(12)，则电流限制可表式为电压形式，将式(10)代入式(13)，则电压限制可表式为电流形式：

电流限制

电压限制

同时，转差率限制也可描述为电流形式或电压形式：

i_sd≥σi_sq (16)

在两相旋转坐标系下，为实现转矩最大化输出，感应电机弱磁控制的最优电流和电流矢量轨迹如图1所示。由图1可知，在恒转矩区，电流应该被控制在点A，此时，电压指令快速地从点O运行至点C。在弱磁I区，最优运行点应位于电压限制和电流限制的交点。因此，最优的电流和电压矢量轨迹应分别为弧线AB和CD。在弱磁II区，为了保证系统稳定性，转差率应被限制在最大值内。相应地，最优的电流和电压矢量轨迹分别为线段BO和点D。

基于电压闭环的弱磁控制策略可实现最大转矩输出。感应电机基于电压闭环的弱磁控制策略结构图如图2所示。图2中，最大电压和转差率限制均需PI调节器实现，而最大电流限制通过平方运算直接获得。弱磁控制器I与电流控制器是级联结构，此外，弱磁控制器II通过转速调节器限幅和电流控制器也是级联的。电流控制器决定了系统的响应性能，而弱磁控制器决定了励磁电流给定以及转矩电流给定。这些控制器决定了系统性能，理论的参数设计对电机控制系统具有重要的指导意义。

对于电流控制器，复矢量电流调节器因其良好的解耦性能，是最有效的参数设计方法。复矢量电流调节器可表达为：

其中，K_p为复矢量电流调节器的比例项系数K_p＝Lω_cb ^*,L＝σL_s；K_i为复矢量电流调节器的积分项系数K_i＝Rω_cb ^*,R＝R_s+R_r(L_m/L_r)².ω_cb ^*为电流环期望带宽。

对于弱磁控制器，传统的方法局限于调试法，调试工作繁杂。本发明针对这一问题，对弱磁控制器参数进行理论设计。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述重新设置基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中的电压给定和电压反馈；根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型，其具体为：

将基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的电压给定重新设置为u_sq,ref ^*，其中：其中u_sq,ref ^*为弱磁电压给定，u_sd ^*为复矢量电流调节器输出的d轴电压指令，u_max为基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的原始励磁电压给定，即系统运行所允许的最大电压值；

将基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的电压反馈重新设置为u_sq ^*，u_sq ^*为复矢量电流调节器输出的q轴电压指令；

根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型；

改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的控制过程为：复矢量电流调节器的输出电压指令u_sd ^*和u_sq ^*反馈到弱磁控制器I用于产生励磁电流信号，以进一步拓展转速范围，同时，输出电压指令u_sd ^*和u_sq ^*输入电压空间矢量调制产生逆变器触发脉冲控制感应电机运行；

在基速区时，感应电机电压(即定子电压)未达到最大电压值(最大电压限制值)，弱磁控制器I和弱磁控制器II均不作用，实际励磁电流信号额定，转速调节器的限幅值受最大定子电流i_max限幅控制；

随着转速升高，感应电机电压超过最大电压值时，弱磁控制器I作用，弱磁控制器II还未作用，实际励磁电流减小，转速调节器的限幅值受最大定子电流i_max限幅控制，实际转矩电流增大，同时，d轴电压指令u_sd ^*逐渐增大，q轴电压指令u_sq ^*逐渐减小；

当转速进一步升高时，d轴电压指令则弱磁控制器II开始作用，并控制转速调节器的限幅值，感应电机将一直维持这种运行状态直到感应电机实际转速达到给定值，之后退出弱磁控制状态。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中，在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响q轴电压指令u_sq ^*的信号，获得电压闭环I的结构模型；在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响d轴电压指令u_sd ^*的信号，获得电压闭环II结构模型；具体为：

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，如图3所示，分析影响复矢量电流调节器输出电压指令信号u_sq ^*的有：反电动势项u_sq,EMF、d轴电流误差Δi_sd通过复矢量电流调节器的耦合项、q轴电流误差Δi_sq通过复矢量电流调节器的比例积分项，获得电压闭环I的结构模型；如图4所示；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，输出为u_sq ^*的电压闭环I由以下部分组成：通过电压给定u_sq,ref ^*与电压指令u_sq ^*的差值经弱磁控制器I输出励磁电流给定信号i_sd ^*，励磁电流给定信号i_sd ^*与实际励磁电流信号i_sd的差值Δi_sd经复矢量电流调节器的耦合项输出到电压指令信号u_sq ^*；给定转速ω^*与实际转速ω的差值经转速调节器输出转矩电流给定信号i_sq ^*，转矩电流给定i_sq ^*与实际转矩电流信号i_sq的差值Δi_sq经复矢量电流调节器的比例积分项输出到电压指令信号u_sq ^*；反电动势项u_sq,EMF与复矢量电流调节器的调节输出信号叠加在一起输出到电压指令信号u_sq ^*；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响复矢量电流调节器输出电压指令信号u_sd ^*的有：反电动势项u_sd,EMF、q轴电流差值Δi_sq通过复矢量电流调节器的耦合项、d轴电流差值Δi_sd通过复矢量电流调节器的比例积分项，获得电压闭环II的结构模型；如图6所示；

转速调节器的输出限幅在弱磁II区由最大转差率限制确定，为了确保最大转差率限制，设置电压闭环II的电压给定为电压指令为u_sd ^*，电压给定与电压指令的差值通过弱磁控制器II调节输出至转速调节器限幅值；在转速的动态调节过程中，由于实际转速ω不能瞬时追踪给定指令ω^*，转速误差累积使转速调节器输出达到限幅值，此时，在弱磁II区时，转矩电流的给定信号i_sq ^*由弱磁控制器II确定；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，输出为u_sd ^*的电压闭环II由以下部分组成：通过电压给定与d轴电压指令u_sd ^*的差值经弱磁控制器II的调节，通过转速调节器限幅值设置输出转矩电流给定信号i_sq ^*，转矩电流给定与实际转矩电流信号i_sq的差值Δi_sq经复矢量电流调节器的耦合项输出到电压指令信号u_sd ^*；经弱磁控制器I输出的励磁电流给定i_sd ^*与实际励磁电流信号i_sd的差值Δi_sd经复矢量电流调节器的比例积分项输出到电压指令信号u_sd ^*；反电动势项u_sd,EMF与复矢量电流调节器的调节输出信号叠加在一起输出到电压指令信号u_sd ^*。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤三的具体过程为：

简化的电压闭环I中控制对象G_fi(s)的表达式为：

其中：K_p为复矢量电流调节器的耦合项系数， 为电流环期望带宽，中间变量L＝σL_s，L_s为定子自感，σ为漏感因子，ω_e为电角度同步转速；s为时域变量；

设计简化的电压闭环I中的弱磁控制器I为PI结构：

其中：G_fc(s)为PI结构的弱磁控制器I，K_fp为弱磁控制器I的比例项参数，T_fi为弱磁控制器I的积分项参数；

依据低频段(在本发明中指100HZ以下，实际使用时根据设置的带宽确定)校正原则对系统响应进行校正，获得弱磁控制器I的参数设计准则为：

其中，ω_c ^*为电压闭环I的期望带宽，应小于电流环的期望带宽值；建议设计电压闭环I的期望带宽为ω_c ^*＝0.1ω_cb ^*；j代表时域转换到频域的运算符；

进一步推导，获得弱磁控制器I的参数设计准则为：

可以得到，弱磁控制器I的参数与转速相关。实际设计参数时，可分为两种情况，设计为固定值时，设计准则中的转速按照最高转速进行运算最佳；设计为转速自适应形式时，弱磁控制器I的参数应时时与转速相关。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述所述步骤五的具体过程为：

简化的电压闭环II中控制对象G_ffi(s)的表达式为：

其中：K_p为复矢量电流调节器的耦合项系数， 为电流环期望带宽，中间变量L＝σL_s，L_s为定子自感，σ为漏感因子，ω_e为电角度同步转速；s为时域变量；

设计简化的电压闭环II中的弱磁控制器II为PI结构：

其中：G_ffc(s)为PI结构的弱磁控制器II，K_ffp为弱磁控制器II的比例项参数，T_ffi为弱磁控制器II的积分项参数；

依据低频段校正原则对系统响应进行校正，获得弱磁控制器II的参数设计准则为：

其中，ω_c ^*为电压闭环II的期望带宽，电压闭环II的期望带宽与电压闭环I的期望带宽设置相同；

进一步推导，获得弱磁控制器II的参数设计准则为：

同理，可以得到，弱磁控制器II的参数与转速相关。实际设计参数时，可分为两种情况，设计为固定值时，设计准则中的转速按照最高转速进行运算最佳；设计为转速自适应形式时，弱磁控制器II的参数应时时与转速相关。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三不同的是：在弱磁区中，可对电压闭环I的控制结构进行化简：(1)反电动势u_sq,EMF作为系统扰动项可忽略；(2)在弱磁区中，转速很高，复矢量电流调节器中的耦合项Δi_sdω_eσL_s对输出电压指令信号u_sq ^*的影响大于比例积分项的影响，因此在电压闭环I中可忽略q轴电流误差Δi_sq对输出电压指令信号u_sq ^*的影响，仅考虑d轴电流误差Δi_sd对输出电压指令信号u_sq ^*的影响；(3)实际的电流反馈信号可由感应电机稳态电压方程获得：i_sd＝u_sq/ω_eL_s。同时，在调制策略中，认为没有发生过调制问题，则：u_sq＝u_sq ^*。因而，实际的电流反馈信号可由输出电压指令信号u_sq ^*得到：i_sd＝u_sq ^*/ω_eL_s。因此，可得到输入信号为u_sq,ref ^*，反馈信号为u_sq ^*的简化的电压闭环I控制结构图，如图5所示。

在弱磁区中，可对电压闭环II的控制结构图进行化简：(1)反电动势作为系统扰动项u_sd,EMF可忽略；(2)在弱磁区中，转速很高，复矢量电流调节器中的耦合项Δi_sqω_eσL_s对输出电压指令信号u_sd ^*的影响大于比例积分项的影响，因此在电压闭环II中可忽略d轴电流误差Δi_sd对输出电压指令信号u_sd ^*的影响，仅考虑q轴电流误差Δi_sq对输出电压指令信号u_sd ^*的影响；(3)实际的电流反馈信号可由感应电机稳态电压方程获得：i_sq＝u_sd/ω_eσL_s。同时，在调制策略中，认为没有发生过调制问题，则：u_sd＝u_sd ^*。因而，实际的电流反馈信号可由输出电压指令信号u_sd ^*得到：i_sq＝u_sd ^*/ω_eσL_s。因此，可得到输入信号为反馈信号为u_sd ^*的简化的电压闭环II控制结构图，如图7所示。

实验效果：图8为所发明方法与传统方法在4倍基速转速阶跃给定下的电流矢量轨迹和d、q轴电流波形图。图8描述了采用传统弱磁控制器和所发明方法的转速自适应弱磁控制器的系统响应。根据图8，从d轴电流、q轴电流和相电流可知，传统方法和本发明方法均可实现最大转矩输出的弱磁控制。相比于传统方法，本发明方法在瞬态过程中的波形更加平滑。从电流矢量轨迹可知，在弱磁II区，本发明方法有效减小了电流波动。此外，从稳态电流波形可得，本发明方法可有效减小电流纹波。

图9(a)至9(c)分别为所发明方法与传统方法在转速为2倍基速、3倍基速和4倍基速时，转矩阶跃变化的系统响应。由图9(a)至9(c)可知，传统方法和本发明方法在带载35％情况下均无转速跌落。在传统方法中，随着转速的升高，转矩纹波增大。而所发明方法无论转速值大小如何，都可以有效减小转矩纹波，验证了本发明的有效性。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、重新设置基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中的电压给定和电压反馈；根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响q轴电压指令u_sq ^*的信号，获得电压闭环I的结构模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响d轴电压指令u_sd ^*的信号，获得电压闭环II结构模型；

步骤二、对电压闭环I的结构进行简化：即忽略反电动势项u_sq,EMF，忽略q轴电流差值Δi_sq对输出电压指令信号u_sq ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环I；其中：i_sq为实际转矩电流，L_s为定子自感，ω_e为电角度同步转速；

步骤三、简化的电压闭环I中的控制对象为G_fi(s)，设计简化的电压闭环I中的弱磁控制器I为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器I的参数设计准则；

步骤四、对电压闭环II进行简化：即忽略反电动势项u_sd,EMF，忽略d轴电流差值Δi_sd对输出电压指令信号u_sd ^*的影响，并认为以获得简化的电压闭环II；其中：σ为漏感因子；

步骤五、简化的电压闭环II中的控制对象为G_ffi(s)，设计简化的电压闭环II中的弱磁控制器II为PI结构，再对系统响应进行校正，获得弱磁控制器II的参数设计准则。

2.根据权利要求1所述的基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，其特征在于，所述重新设置基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中的电压给定和电压反馈；根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型，其具体为：

将基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的电压给定重新设置为u_sq,ref ^*，其中：其中u_sq,ref ^*为弱磁电压给定，u_sd ^*为复矢量电流调节器输出的d轴电压指令，u_max为基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的原始励磁电压给定，即系统运行所允许的最大电压值；

将基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的电压反馈重新设置为u_sq ^*，u_sq ^*为复矢量电流调节器输出的q轴电压指令；

根据重新设置的电压给定和电压反馈，获得改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型；

改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型的控制过程为：复矢量电流调节器的输出电压指令u_sd ^*和u_sq ^*反馈到弱磁控制器I用于产生励磁电流信号，同时，输出电压指令u_sd ^*和u_sq ^*输入电压空间矢量调制产生逆变器触发脉冲控制感应电机运行；

在基速区时，感应电机电压未达到最大电压值，弱磁控制器I和弱磁控制器II均不作用，实际励磁电流信号额定，转速调节器的限幅值受最大定子电流i_max限幅控制；

随着转速升高，感应电机电压超过最大电压值时，弱磁控制器I作用，弱磁控制器II还未作用，实际励磁电流减小，转速调节器的限幅值受最大定子电流i_max限幅控制，实际转矩电流增大，同时，d轴电压指令u_sd ^*逐渐增大，q轴电压指令u_sq ^*逐渐减小；

当转速进一步升高时，d轴电压指令则弱磁控制器II开始作用，并控制转速调节器的限幅值，感应电机将一直维持这种运行状态直到感应电机实际转速达到给定值，之后退出弱磁控制状态。

3.根据权利要求1或2所述的基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响q轴电压指令u_sq ^*的信号，获得电压闭环I的结构模型；在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响d轴电压指令u_sd ^*的信号，获得电压闭环II结构模型；具体为：

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响复矢量电流调节器输出电压指令信号u_sq ^*的有：反电动势项u_sq,EMF、d轴电流误差Δi_sd通过复矢量电流调节器的耦合项、q轴电流误差Δi_sq通过复矢量电流调节器的比例积分项，获得电压闭环I的结构模型；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，输出为u_sq ^*的电压闭环I由以下部分组成：通过电压给定u_sq,ref ^*与电压指令u_sq ^*的差值经弱磁控制器I输出励磁电流给定信号i_sd ^*，励磁电流给定信号i_sd ^*与实际励磁电流信号i_sd的差值Δi_sd经复矢量电流调节器的耦合项输出到电压指令信号u_sq ^*；给定转速ω^*与实际转速ω的差值经转速调节器输出转矩电流给定信号i_sq ^*，转矩电流给定i_sq ^*与实际转矩电流信号i_sq的差值Δi_sq经复矢量电流调节器的比例积分项输出到电压指令信号u_sq ^*；反电动势项u_sq,EMF与复矢量电流调节器的调节输出信号叠加在一起输出到电压指令信号u_sq ^*；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，分析影响复矢量电流调节器输出电压指令信号u_sd ^*的有：反电动势项u_sd,EMF、q轴电流差值Δi_sq通过复矢量电流调节器的耦合项、d轴电流差值Δi_sd通过复矢量电流调节器的比例积分项，获得电压闭环II的结构模型；

转速调节器的输出限幅在弱磁II区由最大转差率限制确定，为了确保最大转差率限制，设置电压闭环II的电压给定为电压指令为u_sd ^*，电压给定与电压指令的差值通过弱磁控制器II调节输出至转速调节器限幅值；在转速的动态调节过程中，由于实际转速ω不能瞬时追踪给定指令ω^*，转速误差累积使转速调节器输出达到限幅值，此时，在弱磁II区时，转矩电流的给定信号i_sq ^*由弱磁控制器II确定；

在改进的基于电压闭环的感应电机弱磁控制模型中，输出为u_sd ^*的电压闭环II由以下部分组成：通过电压给定与d轴电压指令u_sd ^*的差值经弱磁控制器II的调节，通过转速调节器限幅值设置输出转矩电流给定信号i_sq ^*，转矩电流给定与实际转矩电流信号i_sq的差值Δi_sq经复矢量电流调节器的耦合项输出到电压指令信号u_sd ^*；经弱磁控制器I输出的励磁电流给定i_sd ^*与实际励磁电流信号i_sd的差值Δi_sd经复矢量电流调节器的比例积分项输出到电压指令信号u_sd ^*；反电动势项u_sd,EMF与复矢量电流调节器的调节输出信号叠加在一起输出到电压指令信号u_sd ^*。

4.根据权利要求3所述的基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

简化的电压闭环I中控制对象G_fi(s)的表达式为：

其中：K_p为复矢量电流调节器的耦合项系数， 为电流环期望带宽，中间变量L＝σL_s，L_s为定子自感，σ为漏感因子，ω_e为电角度同步转速；s为时域变量；

设计简化的电压闭环I中的弱磁控制器I为PI结构：

其中：G_fc(s)为PI结构的弱磁控制器I，K_fp为弱磁控制器I的比例项参数，T_fi为弱磁控制器I的积分项参数；

依据低频段校正原则对系统响应进行校正，获得弱磁控制器I的参数设计准则为：

其中，ω_c ^*为电压闭环I的期望带宽，j代表时域转换到频域的运算符；

进一步推导，获得弱磁控制器I的参数设计准则为：

5.根据权利要求3所述的基于电压环结构化简的感应电机弱磁控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：

简化的电压闭环II中控制对象G_ffi(s)的表达式为：

其中：K_p为复矢量电流调节器的耦合项系数， 为电流环期望带宽，中间变量L＝σL_s，L_s为定子自感，σ为漏感因子，ω_e为电角度同步转速；s为时域变量；

设计简化的电压闭环II中的弱磁控制器II为PI结构：

其中：G_ffc(s)为PI结构的弱磁控制器II，K_ffp为弱磁控制器II的比例项参数，T_ffi为弱磁控制器II的积分项参数；

依据低频段校正原则对系统响应进行校正，获得弱磁控制器II的参数设计准则为：

其中，ω_c ^*为电压闭环II的期望带宽，电压闭环II的期望带宽与电压闭环I的期望带宽设置相同；

进一步推导，获得弱磁控制器II的参数设计准则为：