CN116191951A - 一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，涉及异步电机控制领域，该方法包括：当异步电机从正常状态进入弱磁状态时，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V作为电流环在弱磁状态下的初值输出；当异步电机从弱磁状态进入正常状态时，将矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，作为电流环在正常状态下的初值输出；该方法易于实现，且能平滑切换异步电机运行状态，并且对电机参数要求较低。

Description

一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制领域，尤其是一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法。

背景技术

异步电机弱磁是异步电机控制中经常会遇到的问题。当输入电压很低时，或者运行转速超过额定转速时，异步电机就需要进入弱磁状态，否则会不能升速，或者运行抖动。弱磁即减小异步电机控制时产生磁场的电流分量，从而使磁场降低。

在CN201711048066.8一种异步电机弱磁控制方法和装置中，需要实时确定异步电机的电流矢量轨迹，并根据设定值和反馈值之间的偏差程度的变化，调节异步电机定子电流矢量，使异步电机定子电流矢量沿着所述调节轨迹移动。这种方法很难理解与实现，并且计算复杂，对CPU性能要求很高。

目前现有的多数研究方案只考虑弱磁时的运行，没有考虑到弱磁状态的退出，导致在弱磁退出时会有速度的波动。比如电压波动很大时，电机会在弱磁和正常运行之间反复切换，造成速度的波动。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，该方法易于实现，且能平滑切换异步电机运行状态，并且对电机参数要求较低。本发明的技术方案如下：

一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，包括如下步骤：

当异步电机从正常状态进入弱磁状态时，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V作为电流环在弱磁状态下的初值输出；

当异步电机从弱磁状态进入正常状态时，将矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，作为电流环在正常状态下的初值输出。

其进一步的技术方案为，矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm的方法包括：

当矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算输出夹角θ和输出电压V后，根据T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm分别与夹角θ和输出电压V之间的关系，计算得到T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，表达式为：

U^* _sm＝V*cosθ，U^* _st＝V*sinθ。

其进一步的技术方案为，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V的方法包括：

当矢量控制系统的电流环在正常状态时计算输出T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm后，根据T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm分别与夹角θ和输出电压V之间的关系，计算得到夹角θ、输出电压V，表达式为：

U^* _sm＝V*cosθ，U^* _st＝V*sinθ。

其进一步的技术方案为，该方法还包括，当异步电机处于弱磁状态时：

控制输入给电流环的励磁电流i^* _sm减小，则电流环输出的输出电压V减小，使得计算得到的M轴电压U^* _sm减小，从而降低磁场；

电机输出转矩不足时，控制输入给电流环的转矩电流i^* _st增大，且不超过上限值，则电流环输出的夹角θ增大，使得计算得到的T轴电压U^* _st增大，从而获得最大输出转矩。

其进一步的技术方案为，计算转矩电流i^* _st上限值的方法包括：

获取异步电机反向T等效模型的简化电压方程：

由于

因此在弱磁状态时，当/>

时，输出转矩最大，将简化电压方程代入/>

得到：

式中，ω为电机转子电角速度，G为总漏感系数，L_s为定子自感，U_max为最大输出电压。

其进一步的技术方案为，计算励磁电流i^* _st的方法包括：

将简化电压方程代入

得到：

其进一步的技术方案为，矢量控制系统的电流环在弱磁状态或正常状态时的输入分别为：转矩电流i^* _st的给定值和反馈值的误差、励磁电流i^* _sm的给定值和反馈值的误差。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

当电机频率大于最大设定频率f_max，且输出电压大于最大输出电压U_max时，异步电机从正常状态进入弱磁状态，直到电机频率不大于最大设定频率f_max，且输出电压不大于最大输出电压时，异步电机则退出弱磁状态，进入正常状态；

其中，

式中：Ua为电机额定电压，fa为电机额定频率，Ud为母线电压。

本发明的有益技术效果是：

本申请提供的异步电机弱磁控制方法没有复杂的数学计算，易于理解和实现，且对CPU的性能要求很低，可降低硬件成本；对于弱磁状态的进入和退出都有处理，可平滑的实现电机状态切换，无速度波动；通过动态调整输入至电流环的励磁电流i^* _sm和转矩电流i^* _st的大小可保证弱磁状态下输出足够大的转矩，该方法仅在计算转矩电流上限时使用了部分电机参数，并且不涉及铁耗，对电机参数依赖度较低。

附图说明

图1是本申请提供的异步电机弱磁控制方法流程图。

图2是本申请提供的异步电机矢量控制原理图。

图3是本申请提供的正常状态电流环示意图。

图4是本申请提供的弱磁状态电流环示意图。

图5是本申请提供的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm、夹角θ和输出电压V的向量关系图。

图6是本申请提供的异步电机反向T等效模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本实施例提供了一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其方法流程图如图1所示，该方法主要在异步电机矢量控制的基础上调整电流环，异步电机矢量控制原理图如图2所示。该方法包括如下步骤：

步骤2：当电机频率大于最大设定频率f_max，且输出电压大于最大输出电压U_max时，异步电机从正常状态进入弱磁状态。

其中，

式中：Ua为电机额定电压，fa为电机额定频率，Ud为母线电压。

其中，在正常状态下，矢量控制系统的电流环如图3所示，输入一为转矩电流i^* _st的给定值和反馈值，得到两者之间的误差，再经PI控制器输出T轴电压U^* _st；输入二为励磁电流i^* _sm的给定值和反馈值，得到两者之间的误差，再经PI控制器输出M轴电压U^* _sm。在弱磁状态下，矢量控制系统的电流环如图4所示，输入一为转矩电流i^* _st的给定值和反馈值，得到两者之间的误差，再经PI控制器输出M轴与输出电压V的夹角θ；输入二为励磁电流i^* _sm的给定值和反馈值，得到两者之间的误差，再经PI控制器输出输出电压V。

步骤4：当异步电机从正常状态进入弱磁状态时，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V作为电流环在弱磁状态下的初值输出。

步骤6：实时监测电机频率和电压，当电机频率不大于最大设定频率f_max，且输出电压不大于最大输出电压U_max时，异步电机则退出弱磁状态，进入正常状态。

步骤8：当异步电机从弱磁状态进入正常状态时，将矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，作为电流环在正常状态下的初值输出。

在步骤4和8中，均利用了T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm分别与夹角θ和输出电压V之间的关系，四者关系如图5所示。因此，在步骤4中，将矢量控制系统的电流环(即PI控制器)在正常状态时计算输出的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，代入到关系式(1)中，反推得到夹角θ、输出电压V，后续计算方式与正常状态相同；同理，在步骤8中，将矢量控制系统的电流环(即PI控制器)在弱磁状态时计算输出的夹角θ和输出电压V，代入到关系式(1)中，计算得到T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm。

U^* _sm＝V*cosθ，U^* _st＝V*sinθ(1)

在本实施例中，通过将在上一状态下计算的输出作为下一状态的初值，能够保证电机在弱磁和正常状态之间切换的稳定性，即状态切换时速度不会产生波动，提升了异步电机的性能。

在现有的异步电机控制方式中，通常采用VF控制方式使异步电机进入弱磁状态，即电压不再升高、频率升高，这是最简单的弱磁方法。但是VF控制方式没有考虑磁场电流和转矩电流的最优分配，及电流利用率的问题，因此不能获得最大的输出转矩，使得电机的恒功率区缩短，升速时间加长。为了避免出现这种问题，本实施例提供的方法还包括如下步骤：

步骤5：当异步电机处于弱磁状态时，控制输入给电流环的励磁电流i^* _sm减小，则电流环输出的输出电压V减小，使得计算得到的M轴电压U^* _sm减小，从而降低磁场。电机输出转矩不足时，控制输入给电流环的转矩电流i^* _st增大，且不超过上限值，则电流环输出的夹角θ增大，使得计算得到的T轴电压U^* _st增大，从而获得最大输出转矩。

其中，计算转矩电流i^* _st上限值的方法包括：

如图6所示，根据异步电机反向T等效模型，得到模型的电压方程为：

式(2)中，U_s为输出电压，R_s为定子电阻，i_s为输出电流，ω为电机转子电角速度，G为总漏感系数，L_s为定子自感。

展开式(2)得到：

式(3)左右两边的实部相等、虚部相等，则得到：

由于GL_s+L_m＝L_s，因此U_st＝R_si_st+ωi_smL_s。

由于在高速区域，电阻压降忽略不计，则式(4)进一步简化为：

输出转矩

当输出转矩T最大时，励磁电流i_sm、转矩电流i_st为最大值，对应的M轴电压U_sm、T轴电压U_st也为最大值。

由于

因此在弱磁状态时，当/>

时，输出转矩最大，将式(5)分别代入/>

得到：

/>

与VF控制方式相比，本方法通过动态调整输入至电流环的励磁电流i^* _sm和转矩电流i^* _st的大小可保证弱磁状态下输出足够大的转矩，该方法仅在计算转矩电流上限时使用了部分电机参数，并且不涉及铁耗，对电机参数依赖度较低。本方法没有复杂的数学计算，易于理解和实现，且对CPU的性能要求很低，可降低硬件成本。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，所述方法包括：

当异步电机从正常状态进入弱磁状态时，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V作为电流环在弱磁状态下的初值输出；

当异步电机从弱磁状态进入正常状态时，将矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，作为电流环在正常状态下的初值输出。

2.根据权利要求1所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm的方法包括：

当矢量控制系统的电流环在弱磁状态时计算输出夹角θ和输出电压V后，根据T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm分别与夹角θ和输出电压V之间的关系，计算得到所述T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，表达式为：

U^* _sm＝V*cosθ，U^* _st＝V*sinθ。

3.根据权利要求1所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，矢量控制系统的电流环根据其在正常状态时计算的T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm，得到M轴与输出电压V的夹角θ，以及输出电压V的方法包括：

当矢量控制系统的电流环在正常状态时计算输出T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm后，根据T轴电压U^* _st、M轴电压U^* _sm分别与夹角θ和输出电压V之间的关系，计算得到所述夹角θ、输出电压V，表达式为：

U^* _sm＝V*cosθ，U^* _st＝V*sinθ。

4.根据权利要求2所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，所述方法还包括，当异步电机处于所述弱磁状态时：

控制输入给电流环的励磁电流i^* _sm减小，则电流环输出的输出电压V减小，使得计算得到的所述M轴电压U^* _sm减小，从而降低磁场；

电机输出转矩不足时，控制输入给电流环的转矩电流i^* _st增大，且不超过上限值，则电流环输出的夹角θ增大，使得计算得到的所述T轴电压U^* _st增大，从而获得最大输出转矩。

5.根据权利要求4所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，计算转矩电流i^* _st上限值的方法包括：

获取异步电机反向T等效模型的简化电压方程：

由于

因此在所述弱磁状态时，当/>

时，输出转矩最大，将所述简化电压方程代入/>

得到：

式中，ω为电机转子电角速度，G为总漏感系数，L_s为定子自感，U_max为最大输出电压。

6.根据权利要求5所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，计算励磁电流i^* _st的方法包括：

将所述简化电压方程代入

得到：

7.根据权利要求1所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，矢量控制系统的电流环在弱磁状态或正常状态时的输入分别为：转矩电流i^* _st的给定值和反馈值的误差、励磁电流i^* _sm的给定值和反馈值的误差。

8.根据权利要求1-7任一所述的基于矢量控制的异步电机弱磁控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当电机频率大于最大设定频率f_max，且输出电压大于最大输出电压U_max时，异步电机从正常状态进入弱磁状态，直到电机频率不大于最大设定频率f_max，且输出电压不大于最大输出电压时，异步电机则退出弱磁状态，进入正常状态；

其中，

式中：Ua为电机额定电压，fa为电机额定频率，Ud为母线电压。

Images