CN115378340A - 一种基于转子磁链定向的vf控制方法 - Google Patents

一种基于转子磁链定向的vf控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于转子磁链定向的VF控制方法，基于感应电机反τ模型，基于转子磁链定向，计算感应电机的d轴、q轴电流，实现了压降补偿和转差频率补偿。本发明基于转子磁链定向，通过给定输出电压计算定向角的方案，定向角计算更准确，实现了恒转子磁通控制，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。本发明的压降补偿方法，考虑了定转子漏感的影响，与现有的定子电阻压降补偿方法相比，在带载时的转速精度有所提高。该方法能够实现极低速运行，如30rpm。仿真表明，该方法有良好的性能。

Description

一种基于转子磁链定向的VF控制方法
技术领域
本发明属于智能控制领域，尤其涉及一种基于转子磁链定向的VF控制方法。
背景技术
在工业领域，感应电机因其耐久度高、成本低、维护成本低而得到广泛应用。VF控制方法需要的参数信息少、控制结构简单，因而适合风机、泵、鼓风机等不需要高动态性能的无速度传感器场合。现有的VF控制方案通常基于定子磁链定向，在定子磁链定向时由于定子漏感的存在，定向角与真实的磁链角并不一致，这就导致isq并非真实的励磁电流，isd也并非真实的力矩电流，从而导致转差频率ωs计算的时候存在误差，引起转速降落。在压降补偿时只考虑定子电阻，忽略了定子漏感与转子漏感，在带载时会出现转速降落，尤其是在低速带载时甚至会出现停转的现象。因此本发明提出一种基于转子磁链定向的VF控制方法，以提高感应电机在带载时的转速性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于转子磁链定向的VF控制方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于转子磁链定向的VF控制方法，包括如下步骤：
S1、依据预设的频率参考值及步骤七计算得到的转差频率计算得到频率给定值ωe；转差频率的初始值为0；
S2、依据得到的频率给定值及预设的压频比得到转子电压给定值Em *；
S3、依据的频率给定值计算得到输出电压的相角θU；
S4、依据接收到的a相定子电流、b相定子电流、c相定子电流及输出电压的相角计算得到α轴定子电流isα和β轴定子电流isβ；
S5、依据转子电压给定值Em *、α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ及事先知道的电机参数得到输出电压值Us；所述事先知道的电机参数包括定子电阻Rs、定子电感Ls、互感Lm、转子电感Lr；
S6、依据输出电压值及输出电压的相角生成三相输出电压并得到α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ；
S7、依据计算得到的α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ、α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ及事先知道的电机参数计算得到更新后的转差频率；
S8、循环步骤S1-S7，并且根据更新后的转差频率对感应电机进行补偿。
进一步的改进，所述S1中，频率给定值通过下式计算得到：
ωe＝ω*+ωs
其中，ωe是频率给定值，ω*是预设的频率参考值，ωs是转差频率。
进一步的改进，所述S2中，转子电压给定值通过下式计算：
Em *＝Kωe
其中，Em *是转子电压给定值，K是预设的压频比，ωe是频率给定值。
进一步的改进，所述步骤S3中，输出电压的相角通过下式计算：
θU＝∫ωedt
其中，θU表示输出电压的相角，ωe是频率给定值，dt表示对时间t进行求导。
进一步的改进，所述S4中，α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ通过以下方法得到：
Figure BDA0003812576270000021
其中，ia为a相定子电流，ib为b相定子电流，ic为c相定子电流。
进一步的改进，所述S5中，输出电压值Us通过以下步骤得到：
S5.1、依据α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ及事先知道的电机参数计算得到α轴电压降落、β轴电压降落：
ΔUα＝Rsisα-ωeLσisβ，ΔUβ＝Rsisβ+ωeLσisα
其中，ΔUα为α轴电压降落，ΔUβ为β轴电压降落，Rs为定子电阻，
Figure BDA0003812576270000022
为定子瞬态电感，Ls为定子电感，Lm为互感，Lr为转子电感，isα为α轴定子电流，isβ为β轴定子电流；
5.2、依据α轴电压降落、β轴电压降落计算得到电压降落与输出电压之间的夹角、电压降落的幅：
Figure BDA0003812576270000031
其中，
Figure BDA0003812576270000032
为电压降落与输出电压之间的夹角，|ΔU|为电压降落的幅值。
S5.3、依据转子电压给定值、电压降落与输出电压之间的夹角及电压降落的幅值计算得到输出电压补偿值：
Figure BDA0003812576270000033
其中，UΔ为输出电压补偿值；
S5.4、依据计算得到的输出电压补偿值与转子电压给定值计算得到输出电压值：
Figure BDA0003812576270000034
其中，Us为输出电压值，
Figure BDA0003812576270000035
为一阶滤波器，τ为滤波时间常数，p为拉普拉斯算子。
进一步的改进，所述步骤S6中，α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ通过以下方法得到：
S6.1、得到三相输出电压：
Figure BDA0003812576270000036
其中，Ua为a相输出电压，Ub为b相输出电压，Uc为c相输出电压，θU为输出电压的相角；
S6.2、α轴输出电压、β轴输出电压如下：
Figure BDA0003812576270000041
其中，Usα为α轴输出电压，Usβ为β轴输出电压。
进一步的改进，所述步骤S7中，更新后的转差频率通过如下方法得到：
S7.1、依据的α轴定子电流、β轴定子电流、α轴输出电压、β轴输出电压及事先知道的电机参数计算得到α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值；
具体地，α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000042
其中，Emα为α轴转子电压实际值，Emβ为β轴转子电压实际值；Lσ为定子瞬态电感；
S7.2、依据计算得到的α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值计算得到转子电压的相角；
Figure BDA0003812576270000043
其中，θE为转子电压的相角；
S7.3、依据α轴定子电流、β轴定子电流及转子电压的相角计算得到d轴定子电流、q轴定子电流：
Figure BDA0003812576270000044
其中，isd为d轴定子电流，isq为q轴定子电流；
S7.4、依据计d轴定子电流、q轴定子电流及事先知道的电机参数计算得到更新后的转差频率：
Figure BDA0003812576270000045
其中，
Figure BDA0003812576270000046
为转子时间常数，Rr为转子电阻。
本发明的优点：
相对于现有技术，本发明的一种新型的基于转子磁链定向的VF控制方法，基于感应电机反τ模型，基于转子磁链定向，计算感应电机的d轴、q轴电流，实现了压降补偿和转差频率补偿。本发明基于转子磁链定向，基于感应电机反τ模型，在此模型下转子磁链定向角与真实转子磁链角完全吻合，isq刚好是励磁电流，isd也刚好是力矩电流，因此，转差频率ωs计算非常准确，能够完全补偿转速降落，且实现了恒转子磁通控制，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。本发明的压降补偿方法，考虑了定转子漏感的影响，在计算电压降落时，不仅减去了定子电阻的压降，也减去了漏感上的电压降落，与现有的单纯的定子电阻压降补偿方法相比，电压降落计算更加准确，在带载时的转速精度有所提高。该方法能够实现极低速运行，如30rpm。仿真表明，该方法有良好的性能。
附图说明
图1为本发明实施例所述的基于转子磁链定向的VF控制方法的流程图；
图2为图1中步骤S3的具体流程图；
图3为图1中步骤S7的具体流程图；
图4为本发明提出的基于转子磁链定向的VF控制方法的异步电机控制系统图；
图5为现有VF控制方法的仿真结果；
图6为本发明所提VF控制方法的仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种新型的基于转子磁链定向的VF控制方法，用于电机控制，请参阅图1，为本发明实施例提供的VF控制方法的流程图。该控制方法包括：
步骤S1、依据预设的频率参考值及计算得到的转差频率计算得到频率给定值；
具体地，频率给定值通过下式计算：
ωe＝ω*+ωs
其中，ωe是频率给定值，ω*是预设的频率参考值，ωs是转差频率。
步骤S2、依据计算得到的频率给定值及预设的压频比计算得到转子电压给定值；
具体地，转子电压给定值通过下式计算：
Em *＝Kωe
其中，Em *是转子电压给定值，K是预设的压频比，ωe是频率给定值。
步骤S3、依据计算得到的转子电压给定值、α轴定子电流、β轴定子电流及事先知道的电机参数计算得到输出电压值；
请参阅图2，为步骤S3的具体流程图。步骤S3包括：
子步骤S3.1、依据计算得到的α轴定子电流、β轴定子电流及事先知道的电机参数计算得到α轴电压降落、β轴电压降落；
具体地，α轴电压降落、β轴电压降落通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000061
其中，ΔUα为α轴电压降落，ΔUβ为β轴电压降落，Rs为定子电阻，
Figure BDA0003812576270000062
为定子瞬态电感，Ls为定子电感，Lm为互感，Lr为转子电感，isα为α轴定子电流，isβ为β轴定子电流。
子步骤S3.2、依据计算得到的α轴电压降落、β轴电压降落计算得到电压降落与输出电压之间的夹角、电压降落的幅值；
具体地，电压降落与输出电压之间的夹角、电压降落的幅值通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000063
其中，
Figure BDA0003812576270000064
为电压降落与输出电压之间的夹角，|ΔU|为电压降落的幅值。
子步骤S3.3、依据计算得到的转子电压给定值、电压降落与输出电压之间的夹角及电压降落的幅值计算得到输出电压补偿值；
具体地，输出电压补偿值通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000065
其中，UΔ为输出电压补偿值。
子步骤S3.4、依据计算得到的输出电压补偿值与转子电压给定值计算得到输出电压值；
具体地，输出电压值通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000071
其中，Us为输出电压值，
Figure BDA0003812576270000072
为一阶滤波器，τ为滤波时间常数。
步骤S4、依据计算得到的输出电压值及输出电压的相角计算得到α轴输出电压、β轴输出电压并生成三相输出电压；
具体地，三相输出电压通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000073
其中，Ua为a相输出电压，Ub为b相输出电压，Uc为c相输出电压，θU为输出电压的相角。
具体地，α轴输出电压、β轴输出电压通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000074
其中，Usα为α轴输出电压，Usβ为β轴输出电压。
步骤S5、依据计算得到的频率给定值计算得到输出电压的相角；
具体地，输出电压的相角通过下式计算：
θU＝∫ωedt
步骤S6、依据接收到的a相定子电流、b相定子电流、c相定子电流及计算得到的输出电压的相角计算得到α轴定子电流和β轴定子电流；
具体地，α轴定子电流和β轴定子电流通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000081
其中，isα为α轴定子电流，isβ为β轴定子电流，ia为a相定子电流，ib为b相定子电流，ic为c相定子电流。
步骤S7、依据计算得到的α轴定子电流、β轴定子电流、α轴输出电压、β轴输出电压及事先知道的电机参数计算得到转差频率；
请参阅图3，为步骤S7的具体流程图。步骤S7包括：
子步骤S7.1、依据计算得到的计算得到的α轴定子电流、β轴定子电流、α轴输出电压、β轴输出电压及事先知道的电机参数计算得到α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值；
具体地，α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000082
其中，Emα为α轴转子电压实际值，Emβ为β轴转子电压实际值。
子步骤S7.2、依据计算得到的α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值计算得到转子电压的相角；
具体地，转子电压的相角通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000083
其中，θE为转子电压的相角。
子步骤S7.3、依据计算得到的α轴定子电流、β轴定子电流及转子电压的相角计算得到d轴定子电流、q轴定子电流；
具体地，d轴定子电流、q轴定子电流通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000084
其中，isd为d轴定子电流，isq为q轴定子电流。
子步骤S7.4、依据计算得到的d轴定子电流、q轴定子电流及事先知道的电机参数计算得到转差频率；
具体地，转差频率通过下式计算：
Figure BDA0003812576270000091
其中，
Figure BDA0003812576270000092
为转子时间常数，Rr为转子电阻。
采用图4所示的本发明提出的基于转子磁链定向的VF控制方法的电机控制系统进行仿真。当采用传统VF控制方案时，仿真结果如图5所示，可以看到，当逐步增加负载之后，稳定时电机有明显的转速降落，无法回到给定值。负载越大，转速降落越大。当采用本发明提出的基于转子磁链定向的VF控制方法时，仿真结果如图6所示，可以看到，当逐步增加负载之后，稳定时电机转速能很到的回到给定值，即使加了满载，也能跟踪给定速度。可见本发明保证了电机在带载时也能够很好地跟踪速度给定值，且实现了电机极低速运行。
至此，便完成本发明的基本操作，本发明提出了一种新的基于转子磁链定向的VF控制方法，基于转子磁链定向能够使定向更加准确，压降补偿考虑了定转子漏感，从而保证电机在带负载时也能够很好的跟踪速度给定值，实现几乎无速度降落，使得工业电机能够更稳定的运行。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、依据预设的频率参考值及步骤七计算得到的转差频率计算得到频率给定值ωe；转差频率的初始值为0；
S2、依据得到的频率给定值及预设的压频比得到转子电压给定值Em *；
S3、依据频率给定值计算得到输出电压的相角θU；
S4、依据接收到的a相定子电流、b相定子电流、c相定子电流及输出电压的相角计算得到α轴定子电流isα和β轴定子电流isβ；
S5、依据转子电压给定值Em *、α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ及事先知道的电机参数得到输出电压补偿值UΔ和输出电压值Us；所述事先知道的电机参数包括定子电阻Rs、定子电感Ls、互感Lm、转子电感Lr；
S6、依据输出电压值及输出电压的相角生成三相输出电压并得到α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ；
S7、依据计算得到的α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ、α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ及事先知道的电机参数计算得到更新后的转差频率；
S8、循环步骤S1-S7。
2.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述S1中，频率给定值通过下式计算得到：
ωe＝ω*+ωs
其中，ωe是频率给定值，ω*是预设的频率参考值，ωs是转差频率。
3.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述S2中，转子电压给定值通过下式计算：
Em *＝Kωe
其中，Em *是转子电压给定值，K是预设的压频比，ωe是频率给定值。
4.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，输出电压的相角通过下式计算：
θU＝∫ωedt
其中，θU表示输出电压的相角，ωe是频率给定值，dt表示对时间t进行求导。
5.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述S4中，α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ通过以下方法得到：
Figure FDA0003812576260000021
其中，ia为a相定子电流，ib为b相定子电流，ic为c相定子电流。
6.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述S5中，输出电压值Us通过以下步骤得到：
S5.1、依据α轴定子电流isα、β轴定子电流isβ及事先知道的电机参数计算得到α轴电压降落、β轴电压降落：
ΔUα＝Rsisα-ωeLσisβ，ΔUβ＝Rsisβ+ωeLσisα
其中，ΔUα为α轴电压降落，ΔUβ为β轴电压降落，Rs为定子电阻，
Figure FDA0003812576260000022
为定子瞬态电感，Ls为定子电感，Lm为互感，Lr为转子电感，isα为α轴定子电流，isβ为β轴定子电流；
5.2、依据α轴电压降落、β轴电压降落计算得到电压降落与输出电压之间的夹角、电压降落的幅：
Figure FDA0003812576260000023
其中，
Figure FDA0003812576260000024
为电压降落与输出电压之间的夹角，|ΔU|为电压降落的幅值。
S5.3、依据转子电压给定值、电压降落与输出电压之间的夹角及电压降落的幅值计算得到输出电压补偿值：
Figure FDA0003812576260000025
其中，UΔ为输出电压补偿值；
S5.4、依据计算得到的输出电压补偿值与转子电压给定值计算得到输出电压值：
Figure FDA0003812576260000031
其中，Us为输出电压值，
Figure FDA0003812576260000032
为一阶滤波器，τ为滤波时间常数，p为拉普拉斯算子。
7.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，α轴输出电压Usα、β轴输出电压Usβ通过以下方法得到：
S6.1、得到三相输出电压：
Figure FDA0003812576260000033
其中，Ua为a相输出电压，Ub为b相输出电压，Uc为c相输出电压，θU为输出电压的相角；
S6.2、α轴输出电压、β轴输出电压如下：
Figure FDA0003812576260000034
其中，Usα为α轴输出电压，Usβ为β轴输出电压。
8.如权利要求1所述的基于转子磁链定向的VF控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，更新后的转差频率通过如下方法得到：
S7.1、依据的α轴定子电流、β轴定子电流、α轴输出电压、β轴输出电压及事先知道的电机参数计算得到α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值；
具体地，α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值通过下式计算：
Figure FDA0003812576260000035
其中，Emα为α轴转子电压实际值，Emβ为β轴转子电压实际值，Rs为定子电阻，Lσ为定子瞬态电感；
S7.2、依据计算得到的α轴转子电压实际值、β轴转子电压实际值计算得到转子电压的相角；
Figure FDA0003812576260000041
其中，θE为转子电压的相角；
S7.3、依据α轴定子电流、β轴定子电流及转子电压的相角计算得到d轴定子电流、q轴定子电流：
Figure FDA0003812576260000042
其中，isd为d轴定子电流，isq为q轴定子电流；
S7.4、依据计d轴定子电流、q轴定子电流及事先知道的电机参数计算得到更新后的转差频率：
Figure FDA0003812576260000043
其中，
Figure FDA0003812576260000044
为转子时间常数，Rr为转子电阻。
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