CN111082722A - 一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法 - Google Patents

一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法 Download PDF

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CN111082722A CN202010001826.5A CN202010001826A CN111082722A CN 111082722 A CN111082722 A CN 111082722A CN 202010001826 A CN202010001826 A CN 202010001826A CN 111082722 A CN111082722 A CN 111082722A
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Abstract

本发明公开了一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，包括信号采集、定子电阻辨识、磁链观测、标准化转矩和无功转矩计算、转速和定子磁链外环控制、标准化转矩和无功转矩内环控制、电压前馈补偿及SVPWM调制模块。本发明提出无功转矩，其相应于电磁转矩沿磁通方向的无功作用分量，对应着无功功率，将快变的无功转矩调节器与转矩调节器置于内环，慢变的转速和磁链调节器置于外环，实现系统多时间尺度分层控制；根据无功功率与电阻的无关性，结合基于机端的物理测量和数学模型的计算方法，将无功转矩η引入定子电阻辨识过程，使控制更加精准；采用转矩及无功转矩的反馈线性化，对内环控制器输出uτ1 *进行前馈补偿，减小转矩纹波。

Description

一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制 方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级 电压控制方法。
背景技术
电机是电动汽车、高铁、工业机器人、航空航天、风力发电等高端装备的动力来源和核 心运动部件，其品质是国家核心竞争力的重要体现。源于1971年西门子公司提出的磁场定向 控制(field oriented control,FOC)方法，经过近五十年的改进和发展，基于矢量控制思想的多 种控制结构已日趋成熟和完善，主要包括转子磁链定向控制、直接转矩控制和模型预测控制 等。
这些控制方法存在的主要问题是：长期忽视时变磁场和磁链幅值的精准调制(例如转差 型FOC采用开环励磁控制，DTC的磁链控制采用与转矩控制相同的时间尺度)；电机磁场空 间谐波与时间谐波交互融合的内在机理、调制行为与低谐波电磁转矩的内在关系，气隙磁场 调制统一理论，高品质电机的磁场精确调制没有得到深入的挖掘和分析。
定子磁链的观测过程需要定子电阻参数的参与，在异步电机运行过程中，定子电阻会随 着绕组温度的上升而缓慢上升，在参数失配的情况下，定子电阻的不确定性会给磁链观测器 带来误差，而其观测精度极大地影响着系统的控制性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压 控制方法，本发明提出了无功转矩η的概念，借鉴电力电子化电力系统幅相动力学的思想， 通过标准化转矩τ和无功转矩η完整描述转矩和磁链动力学特性，标准化转矩τ相应于有功 功率，无功转矩η相应于无功功率。控制系统由双层闭环构成，内环控制器同时控制标准化 转矩τ和无功转矩η，将内环控制量统一为快时间尺度且具有相同量纲的τ和η，外环为慢 时间尺度的定子磁链和机械转速，对不同时间尺度变量采用了分层控制，实现了高动态、解 耦的磁链和转矩控制。
本发明的技术方案为：一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法， 所述的方法具体包括以下步骤：
S1)、信号采集，实时获取变流器直流侧电压Udc、异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、 isc(k)和转速ω(k)；
S2)、根据变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压Udc计算三相电压usa(k)、usb(k)、usc(k)；并通过Clark变化得到αβ轴下的定子电压usα(k)、usβ(k)和定子电流isα(k)、isβ(k)；
S3)、定子电阻辨识，计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的 无功转矩值
Figure BDA0002353775560000021
及两者误差Δη，判断误差是否在辨识阈值范围内，根据误差符号判断迭代方向， 输出当前时刻定子电阻辨识值；
S4)、磁链观测，根据αβ坐标系下的定子电流isα(k)、isβ(k)、电压usα(k)、usβ(k)以及辨识所得定子电阻，通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链，通过机端电压估算出机端虚拟 磁链；
S5)、标准化转矩和无功转矩计算，通过定子电流与定子磁链的叉积计算得到标准化转矩 τ，并将系数归一化处理；无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，当定子电阻辨识值
Figure BDA0002353775560000024
与实际值Rs相等时，η通过定子电流与定子磁链的点积计算，不相等时，η通过定子电流与 机端虚拟磁链的点积计算；
S6)、转速和定子磁链外环控制，将转速ω与给定转速ω*做差后通过PI调节器输出得 到标准化转矩参考值τ*，将给定定子磁链
Figure BDA0002353775560000022
和定子磁链观测值
Figure BDA0002353775560000023
做差后通过PI调节器得到 无功转矩参考值η*；
S7)、标准化转矩和无功转矩内环控制，将外环控制器输出的标准化转矩参考值τ*和无 功转矩参考值η*分别与估算的标准化转矩τ和无功转矩η做差，通过PI调节后得到分别得到 uτ1 *和uη *；
S8)、电压前馈补偿，采用转矩及无功转矩的反馈线性化，对uτ1 *进行前馈补偿得到uτ *；
S9)、将前馈补偿后的电压uτ *和uη *经过Park反变换得到αβ轴分量usα和usβ，将usα和usβ送入SVPWM调制模块，得到相应的开关驱动信号Sa、Sb、Sc控制开关管的通断，实现 变流器对电机的控制。
优选的，步骤S1)中，使用电压传感器获取所述的变流器直流侧电压Udc，并使用电流 传感器实时获取异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)，并使用编码器获取转速ω(k)。
优选的，步骤S2)中，所述的三相电压usa(k)、usb(k)、usc(k)的计算式如下：
Figure BDA0002353775560000031
优选的，步骤S2)中，所述的αβ轴下的定子电压usα(k)、usβ(k)和定子电流isα(k)、isβ(k) 的计算式如下：
Figure BDA0002353775560000032
Figure BDA0002353775560000033
优选的，步骤S3)中，所述的基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv的计算式为：
Figure BDA0002353775560000034
基于模型方法下的无功转矩值
Figure BDA0002353775560000035
的计算式为：
Figure BDA0002353775560000036
Figure BDA0002353775560000037
误差
Figure BDA0002353775560000038
其中，
Figure BDA0002353775560000039
为虚拟磁链矢量，
Figure BDA00023537755600000310
为定子磁链矢量，
Figure BDA00023537755600000311
为机端定子电流矢量，
Figure BDA00023537755600000312
为机端定子 电压矢量；
迭代方向判断及更新率为：
Figure BDA0002353775560000041
Figure BDA0002353775560000042
Figure BDA0002353775560000043
其中，ηv(k+1)和
Figure BDA0002353775560000044
分别为k+1时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，ηv(k)和
Figure BDA0002353775560000045
分别为k时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，
Figure BDA0002353775560000046
为k+1时刻的定子电阻观测 值，
Figure BDA0002353775560000047
为k时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向，ΔRs为迭代步长，ηth为误差阈 值。
优选的，步骤S4)中，所述的αβ坐标系下的定子磁链的计算式如下：
Figure BDA0002353775560000048
根据定子磁链矢量
Figure BDA0002353775560000049
求出其幅值|ψs|和定向角度θ，计算公式为：
Figure BDA00023537755600000410
Figure BDA00023537755600000411
其中，
Figure BDA00023537755600000412
为定子电阻辨识值，j为虚数符号；
通过机端电压估算出机端虚拟磁链，其计算式如下：
Figure BDA00023537755600000413
优选的，步骤S5)中，所述的标准化转矩τ的计算式如下：
Figure BDA00023537755600000414
所述的无功转矩η的计算式为：
Figure BDA0002353775560000051
优选的，步骤S8)中，前馈补偿后的电压为：
Figure BDA0002353775560000052
或；
Figure BDA0002353775560000053
式中，所述的
Figure BDA0002353775560000054
为带前馈补偿的电压信号，
Figure BDA0002353775560000055
uτ1 *和uη *分别为前馈补偿项、转矩PI 调节器输出和无功转矩PI调节器输出，ω为转速，σ为漏磁系数，
Figure BDA0002353775560000056
Ls为定子自感，τ为标准化转矩、η为无功转矩、ψs为定子磁链、Rγ＝RrLs/Lr+Rs，Rγ为等 效电阻，Rs、Rr分别为定、转子电阻，Lr为转子自感。
优选的，步骤S9)中，所述的Park反变换的计算公式为：
Figure BDA0002353775560000057
其中，
Figure BDA0002353775560000058
为定子磁链定向角。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出一种新的状态变量，即无功转矩，其相应于电磁转矩沿磁通方向(径向) 的无功作用分量，对应着无功功率，将快变的无功转矩调节器与转矩调节器置于内环，慢变 的转速和磁链调节器置于外环，实现系统多时间尺度分层控制；
2、本发明根据无功功率与电阻的无关性，结合基于机端的物理测量和数学模型的计算方 法，将无功转矩η引入定子电阻辨识过程，使控制更加精准；
3、本发明通过采用转矩及无功转矩的反馈线性化，对内环控制器输出uτ1 *进行前馈补偿， 减小转矩纹波；不仅实现了磁链和转矩的解耦控制，还提高了系统转矩响应、参数辨识的快 速性和控制的鲁棒性，改进了控制的稳态精度。
附图说明
图1为本发明控制方法的流程图；
图2为本发明控制方法的结构示意图；
图3为本发明定子电阻辨识结构框图。
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-图3所示，本发明提供一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制 方法，所述的方法具体包括以下步骤：
S1)、信号采集，实时获取变流器直流侧电压Udc、异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、 isc(k)和转速ω(k)；本实施例中，使用电压传感器获取所述的变流器直流侧电压Udc，并使 用电流传感器实时获取异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)，并使用编码器获取 转速ω(k)。
S2)、根据变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压Udc计算三相电压usa(k)、usb(k)、usc(k)；其计算式如下：
Figure BDA0002353775560000061
并通过Clark变化得到αβ轴下的定子电压usα(k)、usβ(k)和定子电流isα(k)、isβ(k)；其计算式如下：
Figure BDA0002353775560000062
Figure BDA0002353775560000071
S3)、定子电阻辨识，计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的 无功转矩值
Figure BDA0002353775560000072
观测值及两者误差Δη，判断误差是否在辨识阈值范围内，根据误差符号判断迭 代方向，输出当前时刻定子电阻辨识值。
其中，所述的虚拟无功转矩值ηv的计算式为：
Figure BDA0002353775560000073
基于模型方法下的无功转矩值
Figure BDA0002353775560000074
的计算式为：
Figure BDA0002353775560000075
Figure BDA0002353775560000076
误差
Figure BDA0002353775560000077
其中，
Figure BDA0002353775560000078
为虚拟磁链矢量，
Figure BDA0002353775560000079
为磁链观测值矢量，
Figure BDA00023537755600000710
为机端定子电流矢量，
Figure BDA00023537755600000711
为机端定 子电压矢量；
式中，机端定子电流矢量
Figure RE-GDA00024070778500000712
与定子电流isα(k)、isβ(k)的关系为：
Figure RE-GDA00024070778500000713
机端定子 电压矢量
Figure RE-GDA00024070778500000714
与定子电压usα(k)、usβ(k)的关系为
Figure RE-GDA00024070778500000715
其中，j为虚数符号；
迭代方向判断及更新率为：
Figure BDA00023537755600000716
Figure BDA00023537755600000717
Figure BDA00023537755600000718
其中，ηv(k+1)和
Figure BDA00023537755600000719
分别为k+1时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，ηv(k)和
Figure BDA00023537755600000720
分别为k时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，
Figure BDA00023537755600000721
为k+1时刻的定子电阻观测 值，
Figure BDA0002353775560000081
为k时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向，ΔRs为迭代步长，ηth为误差阈值。
S4)、磁链观测，根据αβ坐标系下的定子电流isα(k)、isβ(k)、电压usα(k)、usβ(k)以及辨识所得定子电阻
Figure BDA0002353775560000082
通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链，通过机端电压估算出机端虚拟磁链。
其中，所述的αβ坐标系下的定子磁链的计算式如下：
Figure BDA0002353775560000083
根据定子磁链矢量
Figure BDA0002353775560000084
求出其幅值|ψs|和定向角度θ，计算公式为：
Figure BDA0002353775560000085
Figure BDA0002353775560000086
其中，
Figure BDA0002353775560000087
为定子电阻辨识值，j为虚数符号；
通过机端电压估算出机端虚拟磁链，其计算式如下：
Figure BDA0002353775560000088
S5)、标准化转矩和无功转矩计算，通过定子电流与定子磁链的叉积计算得到标准化转矩 τ，并将系数归一化处理；无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，当定子电阻辨识值与 实际值相等时，η通过定子电流与定子磁链的点积计算，不相等时，η通过定子电流与机端 虚拟磁链的点积计算；具体为：
所述的标准化转矩τ的计算式如下：
Figure BDA0002353775560000089
所述的无功转矩η的计算式为：
Figure BDA00023537755600000810
S6)、转速和定子磁链外环控制，将转速ω与给定转速ω*做差后通过PI调节器输出得 到标准化转矩参考值τ*，将给定定子磁链和定子磁链观测值做差后通过PI调节器得到无功 转矩参考值η*；
S7)、标准化转矩和无功转矩内环控制，将外环控制器输出的标准化转矩参考值τ*和无 功转矩参考值η*分别与估算的标准化转矩和无功转矩做差，通过PI调节后得到分别得到uτ1 *和uη *；
S8)、电压前馈补偿，采用转矩及无功转矩的反馈线性化，对uτ1 *进行前馈补偿得到uτ *； 具体为：
Figure BDA0002353775560000091
或；
Figure BDA0002353775560000092
式中，所述的
Figure BDA0002353775560000093
为带前馈补偿的电压信号，
Figure BDA0002353775560000094
uτ1 *和uη *分别为前馈补偿项、转矩PI 调节器输出和无功转矩PI调节器输出，ω为转速，σ为漏磁系数，
Figure BDA0002353775560000095
Ls为定子自感，τ为标准化转矩、η为无功转矩、ψs为定子磁链、Rγ＝RrLs/Lr+Rs，Rγ为等 效电阻，Rs、Rr分别为定、转子电阻，Lr为转子自感。
S9)、将前馈补偿后的电压uτ *和uη *经过Park反变换得到αβ轴分量usα和usβ，将usα和usβ送入SVPWM调制模块，得到相应的开关驱动信号Sa、Sb、Sc控制开关管的通断，实现 变流器对电机的控制。其中，所述的Park反变换的计算公式为：
Figure BDA0002353775560000096
其中，
Figure BDA0002353775560000097
为定子磁链定向角。
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 (9)

1.一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
S1)、信号采集，实时获取变流器直流侧电压Udc、异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)和转速ω(k)；
S2)、根据变流器驱动信号Sa，Sb，Sc和直流侧电压Udc计算三相电压usa(k)、usb(k)、usc(k)；并通过Clark变化得到αβ轴下的定子电压usα(k)、usβ(k)和定子电流isα(k)、isβ(k)；
S3)、定子电阻辨识，计算基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv和基于模型方法下的无功转矩观测值
Figure FDA0002353775550000011
及两者误差Δη，判断误差是否在辨识阈值范围内，根据误差符号判断迭代方向，输出当前时刻定子电阻辨识值；
S4)、磁链观测，根据αβ坐标系下的定子电流isα(k)、isβ(k)、电压usα(k)、usβ(k)以及辨识所得定子电阻
Figure FDA0002353775550000012
通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链，通过机端电压估算出机端虚拟磁链；
S5)、标准化转矩和无功转矩计算，通过定子电流与定子磁链的叉积计算得到标准化转矩τ，并将系数归一化处理；无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，当定子电阻辨识值
Figure FDA0002353775550000013
与实际值Rs相等时，η通过定子电流与定子磁链的点积计算，不相等时，η通过定子电流与机端虚拟磁链的点积计算；
S6)、转速和定子磁链外环控制，将转速ω与给定转速ω*做差后通过PI调节器输出得到标准化转矩参考值τ*，将给定定子磁链
Figure FDA0002353775550000014
和定子磁链观测值
Figure FDA0002353775550000015
做差后通过PI调节器得到无功转矩参考值η*；
S7)、标准化转矩和无功转矩内环控制，将外环控制器输出的标准化转矩参考值τ*和无功转矩参考值η*分别与估算的标准化转矩τ和无功转矩η做差，通过PI调节后得到分别得到uτ1 *和uη *；
S8)、电压前馈补偿，采用转矩及无功转矩的反馈线性化，对uτ1 *进行前馈补偿得到uτ *；
S9)、将前馈补偿后的电压uτ *和uη *经过Park反变换得到αβ轴分量usα和usβ，将usα和usβ送入SVPWM调制模块，得到相应的开关驱动信号Sa、Sb、Sc控制开关管的通断，实现变流器对电机的控制。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S1)中，使用电压传感器获取所述的变流器直流侧电压Udc，并使用电流传感器实时获取异步电机三相定子电流isa(k)、isb(k)、isc(k)，并使用编码器获取转速ω(k)。
3.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S2)中，所述的三相电压usa(k)、usb(k)、usc(k)的计算式如下：
Figure FDA0002353775550000021
4.根据权利要求3所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S2)中，所述的αβ轴下的定子电压usα(k)、usβ(k)和定子电流isα(k)、isβ(k)的计算式如下：
Figure FDA0002353775550000022
Figure FDA0002353775550000023
5.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S3)中，所述的基于物理测量方法的虚拟无功转矩值ηv的计算式为：
Figure FDA0002353775550000024
基于模型方法下的无功转矩值
Figure FDA0002353775550000025
的计算式为：
Figure FDA0002353775550000026
Figure FDA0002353775550000031
误差
Figure FDA0002353775550000032
其中，
Figure FDA0002353775550000033
为虚拟磁链矢量，
Figure FDA0002353775550000034
为定子磁链矢量，
Figure FDA0002353775550000035
为机端定子电流矢量，
Figure FDA0002353775550000036
为机端定子电压矢量；
迭代方向判断及更新率为：
Figure FDA0002353775550000037
Figure FDA0002353775550000038
Figure FDA0002353775550000039
其中，ηv(k+1)和
Figure FDA00023537755500000310
分别为k+1时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，ηv(k)和
Figure FDA00023537755500000311
分别为k时刻虚拟无功转矩和无功转矩观测值，
Figure FDA00023537755500000312
为k+1时刻的定子电阻观测值，
Figure FDA00023537755500000313
为k时刻的定子电阻观测值，μ(k)为迭代方向，ΔRs为迭代步长，ηth为误差阈值。
6.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S4)中，所述的αβ坐标系下的定子磁链的计算式如下：
Figure FDA00023537755500000314
根据定子磁链矢量
Figure FDA00023537755500000315
求出其幅值|ψs|和定向角度θ，计算公式为：
Figure FDA00023537755500000316
Figure FDA00023537755500000317
其中，
Figure FDA00023537755500000318
为定子电阻辨识值，j为虚数符号；
通过机端电压估算出机端虚拟磁链，其计算式如下：
Figure FDA0002353775550000041
7.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S5)中，所述的标准化转矩τ的计算式如下：
Figure FDA0002353775550000042
所述的无功转矩η的计算式为：
Figure FDA0002353775550000043
8.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S8)中，前馈补偿后的电压为：
Figure FDA0002353775550000044
式中，所述的
Figure FDA0002353775550000045
为带前馈补偿的电压信号，
Figure FDA0002353775550000046
uτ1 *和uη *分别为前馈补偿项、转矩PI调节器输出和无功转矩PI调节器输出，ω为转速，σ为漏磁系数，
Figure FDA0002353775550000047
Ls为定子自感，τ为标准化转矩、η为无功转矩、ψs为定子磁链、Rγ＝RrLs/Lr+Rs，Rγ为等效电阻，Rs、Rr分别为定、转子电阻，Lr为转子自感。
9.根据权利要求1所述的一种异步电机定子磁链与转矩多时间尺度双层级电压控制方法，其特征在于：步骤S9)中，所述的Park反变换的计算公式为：
Figure FDA0002353775550000048
其中，
Figure FDA0002353775550000049
为定子磁链定向角。
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