CN1283040C - 采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法 - Google Patents

Abstract

采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法，属于异步电机调速技术领域，其特征在与：它通过电压闭环直接调节观测的转子磁场与实际转子磁场之间的夹角，即通过校正同步坐标d轴位置角，使其定向于转子磁场方向上。它是用DSP来实现的。本发明解决了由于电机参数不准等原因导致的转子磁场定向不准的问题，克服了矢量控制严重依懒电机参数这一主要缺点，大大提高了矢量控制系统对电机参数的鲁棒性，为异步电机矢量控制系统的解耦控制找到了有效的解决途经。

Description

采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法

技术领域

本发明涉及异步电机调速技术领域，尤其涉及异步电机转子磁场定向矢量控制技术领域。

背景技术

异步电机转子磁场定向矢量控制可实现定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制，所以可以获得象直流电机一样的控制性能。只有当d轴坐标与转子磁链方向一致时，d轴电流与q轴电流才是解耦的。当d轴坐标与转子磁链方向不一致时，会导致电机电压升高或下降，电机转矩下降，电机功率下降。但是要实现异步电机转子磁场准确定向不是一件容易的事。目前通常的办法是根据异步电机的数学模型来对异步电机的转子磁场进行观测，为了提高观测的精度，低速下采用电流模型，高速下采用电压模型。利用电机的数学模型来观测转子磁场要依懒电机的参数，若参数不准，定向不可能准确。另外，在数字控制中，存在计算精度和时间滞后问题，这些对磁场定向也会产生影响。尤其在高速弱磁区，准确磁场定向的难度更大。

发明内容

本发明提出了采用电压闭环来实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法。该方法通过电压闭环直接调节观测的转子磁场与实际转子磁场之间的夹角，即通过校正同步坐标d轴的位置角，使其定向于转子磁场方向上。本发明对异步电机转子磁场定向矢量控制的主要贡献是：解决了由于电机参数不准等原因导致的转子磁场定向不准的一大难题，创造性地提出了采用电压反馈控制的方法使得观测的转子磁链方向与实际转子磁链方向保持一致，克服了矢量控制严重依懒电机参数这一主要缺点，大大提高了矢量控制系统对电机参数的鲁棒性，为异步电机矢量控制系统实现真正的解耦控制找到了一条有效的解决途经。

本发明的特征在于：

采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法，其特征于，它是在DSP内实现的，依次含有以下步骤：

第1步：

基于异步电机电流模型和电压模型的转子磁链观测是根据输入的定子三相电压u_a，b，c、定子三相电流i_a，b，c和实测转速n计算出转子磁链观测值Ψ_R和转子磁链空间位置角的观测值θ，同时，转速——定子激磁电流把转速n变换为定子激磁电流i_d ^*，转速——电压变换器把转速n变换为电压u^*；

第2步：

第一坐标变换器输出的定子三相反馈值u_a，b，c即u与第1步得到的作为电压闭环给定瞬时值的u^*经负反馈比较器又经PI调节器得到观测的转子磁链空间位置角θ与实际的转子磁链空间位置角之差Δθ；

第3步：

第2步得到的Δθ和第一步得到的θ相减后得到实际转子磁链空间位置角的估算值θ-Δθ；

第4步：

定子三相电流i_a，b，c和第三步得到的θ-Δθ角经第二坐标变换器后得到同步坐标系下的定子励磁电流i_d和定子转矩电流i_q；

第5步：

第5.1步：第4步得到的i_d和第1步得到的i_d ^*相减后再给PI调节器得到定子d轴电压的给定值u_d ^*；

第5.2步：第4步得到的i_q和在DSP内事先设定的i_q ^*相减后再给PI调节器得到定子q轴电压的给定值u_q ^*；

第6步：

上述第一坐标变换器把输入的同步坐标系下的u_d ^*、u_q ^*和θ-Δθ变换为补偿后的定子三相电压u_a，b，c即u；

第7步：

重复步骤2～6，进行第二次运算，一直到反馈电压u等于给定电压u^*为止。

采用这种电压闭环的控制方法，能自动校正观测的转子磁链方向，使其与实际转子磁链的方向保持一致。

附图说明

图1当d轴领先转子磁链一个角度时，i_d大于i_dψ。

图2当d轴落后转子磁链一个角度时，i_d大于i_dψ。

图3采用电压闭环来校正转子磁链观测角度偏差的控制框图。

图4没有电压反馈时的运行曲线

图5有电压反馈时的运行曲线，

具体实施方式

在转子磁链定向的矢量控制系统中，准确定向时，同步坐标系的d轴方向与转子磁链方向一致。转子磁链靠观测得到，观测得到的磁链方向就是d轴的正方向。转子磁场定向不准时，说明观测得到的磁链方向并不是实际磁链的方向，也即d轴坐标没有与实际转子磁链的方向一致。方向不一致存在两种情况：

1、观测磁链领先实际磁链，如图1所示。从图1中我们看到，由于d轴坐标领先转子磁链ψ_R一个空间电角度，所以定子电流i_s的实际励磁分量i_dψ要比观测值i_d小。由此可以得出以下结论：当观测磁链领先实际磁链时，定子每相实际电压小于观测电压，即实际电压小于给定值。

2、观测磁链落后实际磁链，如图2所示。从图2中我们看到，由于d轴坐标落后转子磁链ψ_R一个空间电角度，所以定子电流i_s的实际励磁分量i_dψ要比观测值i_d大。由分析可知，当观测磁链落后实际磁链时，定子每相实际电压大于观测值，即实际电压大于给定值。

综合上面的分析可以得出以下结论：当观测磁链超前实际磁链一个角度时，电机励磁电流减小，电机电压下降；当观测磁链滞后实际磁链一个角度时，电机励磁电流增加，电机电压上升。于是我们找到了反映转子磁链定向准确与否的一个容易检测的间接物理量——电机电压。当实际电压小于指令电压时，说明观测磁链领先实际磁链；当实际电压大于指令电压时，说明观测磁链落后实际磁链；实际电压与指令电压的差值越大，说明观测磁链与实际磁链之间的角度越大。于是我们就找到了消除观测磁链与实际磁链之间角度的方法，即采用电压闭环，利用电压误差来对定向偏差的角度进行校正，使观测磁链(d轴)与实际磁链(ψ_R)方向趋于一致。

图3为采用电压闭环来调节观测磁链角度的异步电机转子磁场准确定向的控制框图。下面对图3作简要说明。

异步电机转子磁链观测器的输入为三相定子电流、三相定子电压和电机转速。可采用电流模型或电压模型来观测出转子磁链的幅值ψ’_R和空间位置角θ，若模型参数不准，则观测的转子磁链空间位置角θ与实际转子磁链的空间位置角之间会存在误差。通常，电机在恒转矩调速范围内保持磁链恒定，即励磁电流恒定，而电压与转速成正比；在恒功率调速范围电压保持恒定，励磁电流随转速上升而下降。由电机无载试验可得

$i_d^{*}=f\left(n\right)---\left(1\right)$

                           u^*＝f(n)                          (2)

其中，式(1)为给定励磁电流与电机转速的函数，用转速-定子激磁电流变换器表示，式(2)为电机定子电压与电机转速的函数，用转速-电压变换器表示。电机三相定子电流经坐标变换可得到同步坐标系下的i_d和i_q。励磁电流i_d的闭环控制可以使实际励磁电流跟随给定值。转矩电流i_q的闭环控制使转矩电流跟随给定值。给定电压u^*与反馈电压u进行比较，其误差值经PI调节后对观测到的转子磁链位置角进行调节。其调节过程如下：若反馈电压小于给定电压，则说明观测磁链领先于实际磁链了，应将观测磁链后退一个角度，也即将d轴坐标后退一个角度。在数字控制系统中，运算一次，同步旋转的d轴坐标就后退一个角度Δθ，直到反馈电压等于给定电压。当反馈电压等于给定电压时，说明d轴坐标与实际转子磁链同方向了。若反馈电压大于给定电压，则说明观测磁链领落后实际磁链了，电压调节器将观测磁链往前移一个角度，直到d轴坐标与转子磁链方向一致。

图4是没有电压反馈时的运行曲线，给定转矩是350Nm，图中U1*是指令电压，U1是实际电压，P是输出功率，T是输出转矩，I1是电机相电流。从图中曲线可以看到：当电机转速到每分钟2000多转时，电机电压U1，输出转矩，输出功率都开始下降，到4000多转时，电机已输不出多大转矩了。表明电机转子磁场定向太不准了。

图5是应用本发明专利后的运行曲线，从中可以看到，从2000多到6000转/分的范围内，电机基本上输出恒定功率，电机电压基本与指令电压一致。表明电机转子磁场定向是准确的。

Claims (1)

1、采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法，其特征在于，它是在DSP内实现的，依次含有以下步骤：

第1步：

基于异步电机电流模型和电压模型的转子磁链观测是根据输入的定子三相电压u_a，b，c、定子三相电流i_a，b，c和实测转速n计算出观测的转子磁链的幅值Ψ’_R和观测的转子磁链空间位置角θ，同时，转速——定子激磁电流变换器把实测转速n变换为给定励磁电流i^* _d，转速——电压变换器把实测转速n变换为给定电压u^*；

第2步：

第一坐标变换器输出定子三相电压反馈值u’_a，b，c经负反馈比较器与第1步得到的给定电压u^*进行比较，将比较结果送至PI调节器，得到观测的转子磁链空间位置角θ与实际的转子磁链空间位置角之差Δθ；

第3步：

第2步得到的Δθ与第1步得到的θ相减后得到实际转子磁链空间位置角的估算值θ-Δθ；

第4步：

定子三相电流i_a，b，c和第3步得到的θ-Δθ经第二坐标变换器后得到同步坐标系下的定子励磁电流i_d和定子转矩电流i_q；

第5步：

第4步得到的i_d和第1步得到的i^* _d相减后再给PI调节器得到定子d轴电压的给定值u^* _d；

第4步得到的i_q和在DSP内事先设定的i^* _q相减后再给PI调节器得到定子q轴电压给定值u^* _q；

第6步：

上述第一坐标变换器把输入的u^* _d、u^* _q和θ-Δθ变换为u’_a，b，c；

第7步：

重复步骤2～6，进行第二次运算，一直到u’_a，b，c等于u^*为止。

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