一种感应电机高速弱磁控制方法
阅读：1016发布：2020-11-05
专利汇可以提供一种感应电机高速弱磁控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种感应 电机 高速弱磁控制方法，由电机转速、基速、设定值确定励磁 电流 初始值，通过 电压 闭环得到弱化系数，进而得到励磁电流给定值；由励磁电流给定值对转矩电流 限幅 ；电流调节器由复矢量方法实现，其中d轴复矢量电流调节器 输出电压 限幅值为最大值电压值的该方案解决了传统控制方法中励磁偏高导致的转矩不足或无法长时间满载运行的问题，同时改善了各速度区间无法平滑过渡、恒电压区电流抗扰性较差问题，并实现 算法 控制器 的简化。，下面是一种感应电机高速弱磁控制方法专利的具体信息内容。
1.一种感应电机高速弱磁控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：通过测速码盘得到电机转速ωr，确定励磁电流给定初始值
其中 ωb为基速，满足ωb＝2πf/p，p为所使用电机的极对数，工频下f
＝50Hz，isdn为一设定值，在速度环内，由电机转速ωr与给定转速ωr,ref经速度环的电流调节器得到转矩电流给定值isq,ref；
步骤2：当实际电压us随着转速升高而大于最大电压usmax时，电压调节器起作用，恒功率区开始工作，将实际电压us与最大电压usmax输入电压调节器进行闭环，经限幅，输出一个数值在0～1区间的弱化系数kweaken，将其施加至励磁电流给定初始值 从而得到励磁电流给定值isd,ref，并将其通过电流约束对转矩电流给定值isq,ref进行限幅，其中us在dq轴系下电流约束为
步骤3：由电流采样得到电机实际励磁电流和转矩电流值isd、isq，将所述实际励磁电流和转矩电流值分别与励磁电流给定值和转矩电流给定值经复矢量调节器得到dq轴实际电压usd、usq，复矢量调节器内部d轴电压限幅值为
步骤4：将usd、usq经坐标变换后通过变频器实现对电机高速控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在电压调节器的作用下，弱化系数kweaken始终作用于 isd跟随isd,ref的减小而减小，使d轴磁链始终保持理想弱磁状态，此时转矩电流值isq受 作用而增大，根据电压方程知转速ωr和转矩电流值isq同时增大使得usd迅速上升，由于最大电压的约束，usq则开始下降，整个恒功率区电机同时受到最大电压和最大电流双重约束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
当usd趋近于 时，电压调节器继续作用，usq也调整到 处，此时随
着转速的上升，isd、isq将按照isd＝σisq的线性关系降低，直到转速跟随给定，其中，σ为漏感因子， Ls为定子电感，Lr为转子电感，Lm为互感。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电流调节器由复矢量方法实现，d轴复矢量电流调节器输出电压限幅值为最大值电压值的
一种感应电机高速弱磁控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 高性能工业应用场合对高精度高效率高质量的要求促使感应电机驱动变频调速系统朝着高速化方向发展，如电动汽车、数控机床主轴驱动以及电力机车等领域。这些场合对感应电机调速提出的具体要求包括：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。以电动汽车领域为例：面对复杂的道路交通状况，电动汽车的驱动需要具有运行于多种工况下的能力。在低/常速区域能够输出恒定且足够大的转矩以适应包括快速启动制动，快速加减速以及爬坡等情况，在中/高速区域能够实现平稳高速行驶，以满足人们对于舒适安全性的需求。在实际使用中，电池的输出电压往往运行在一个可变的电压区间，因此要求电机控制能够充分利用有限的电压，并在很宽的调速范围以及整个电压区间始终保持良好运行特性，最大转矩输出以及较高的效率。可以看到，设计并实现一种满足上述要求的高速弱磁整体设计方法对于相关工业应用的技术提升很有意义。
[0003] 现有方法中以1/ωr方法最为常用。此方法尽管可一定程度拓宽电机转速范围，但远远无法满足人们提出的上述要求。如图1所示，1/ωr方法即设定具体的转速区间切换点ωb(也称基速)，在基速以下，保持励磁电流为恒值，在基速以上，励磁电流与转速成反比变化。该方法是在一定的近似条件下推导出的，在空载情况下,电机输出力矩小，转差ωsl≈0，可得isq≈0，ωe≈ωr，us＝ωeσLsisd≈ωeψr。为了维持定子电压us≤usmax，要求转子磁场和转速的乘积应保持一定，所以励磁电流isd的给定与转速ωr成反比。弱磁区具体方程如下：
[0004] 励磁电流给定值为：
[0005]
[0006] 转矩电流给定为：
[0007]
[0008] 电机按传统方法运行的电流轨迹为：
[0009]
[0010] 一方面，通过具体的切换点ωb调节励磁电流给定并不合理，往往无法充分利用有限的电压；另一方面，随着转速的进一步升高或施加一定的负载，近似条件便不再成立。因此这种方法对转速的拓宽有限，且无法实现转矩最大化。如图2,3所示，为使用不同电流调节器下的传统弱磁方法对应的转速波形以及电流电压波形，可以看到，当电机升高到一定转速，都会使q轴电压处于最大值状态，调节器失效，而无法实现转矩最大化。
[0011] 目前针对传统弱磁方法的不足，诸多文献探究并提出了各类改进方法，大都解决了传统控制方法中励磁偏高导致的转矩不足或无法长时间满载运行的问题。但又大多存在着或算法实现复杂或参数鲁棒性差或各速度区间无法平滑过渡或电流抗扰性差等问题。
[0012] 本发明旨在解决传统控制方法中励磁偏高导致的转矩不足或无法长时间满载运行问题的同时，改善有关方法中存在的上述包括算法复杂、参数鲁棒性差、各速度区间无法平滑过渡、电流抗扰性差的问题。
发明内容
[0013] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种感应电机高速弱磁控制方法，改善各速度区间无法平滑过渡、恒电压区电流抗扰性较差问题，实现算法控制器的简化。
[0014] 本发明的目的通过以下技术方案实现：一种感应电机高速弱磁控制方法，包括如下步骤：
[0015] 步骤1：通过测速码盘得到电机转速ωr，确定励磁电流给定初始值
[0016]
[0017] 其中 ωb为基速，满足ωb＝2πf/p，p为所使用电机的极对数，工频下f＝50Hz，isdn为一设定值，在速度环内，由电机转速ωr与给定转速ωr,ref经速度环的电流调节器得到转矩电流给定值isq,ref；
[0018] 步骤2：当实际电压us随着转速升高而大于最大电压usmax时，电压调节器起作用，恒功率区开始工作，将实际电压us与最大电压usmax输入电压调节器进行闭环，经限幅，输出一个数值在0～1区间的弱化系数kweaken，将其施加至励磁电流给定初始值 从而得到励磁电流给定值isd,ref，并将其通过电流约束对转矩电流给定值isq,ref进行限幅，其中us在dq轴系下 电流约束为
[0019] 步骤3：由电流采样得到电机实际励磁电流和转矩电流值isd、isq，将所述实际励磁电流和转矩电流值分别与励磁电流给定值和转矩电流给定值经复矢量调节器得到dq轴实际电压usd、usq，复矢量调节器内部d轴电压限幅值为
[0020] 步骤4：将usd、usq经坐标变换后通过变频器实现对电机高速控制。
[0021] 进一步地，在电压调节器的作用下，弱化系数kweaken始终作用于 isd跟随isd,ref的减小而减小，使d轴磁链始终保持理想弱磁状态，此时转矩电流值isq受作用而增大，根据电压方程知转速ωr和转矩电流值isq同时增大使得usd迅速上升，由于最大电压的约束，usq则开始下降，整个恒功率区电机同时受到最大电压和最大电流双重约束。
[0022] 进一步地，当usd趋近于 时，电压调节器继续作用，usq也调整到处，此时随着转速的上升，isd、isq将按照isd＝σisq的线性关系降低，直到转速跟随给定。
[0024] 图1：传统方法励磁电流与转速关系；
[0025] 图2：传统弱磁方法下的转速波形；
[0026] 图3：dq轴系下传统弱磁方法下电流电压波形；
[0027] 图4：感应电动机特性示意图；
[0028] 图5：感应电机在dq坐标系下运行理想的最优电压电流矢量运行轨迹；
[0029] 图6：感应电机高速弱磁控制整体设计方法框图；
[0030] 图7：恒功率区相同带载转速响应；
[0031] 图8：恒电压区相同带载转速响应；
[0032] 图9：本方法与其他方法相关波形对比图；
具体实施方式
[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 结合图4，将感应电机运行范围划分为三个速度区间，得到各区间下电机电流、电压及电机转差率构成的约束条件。额定转速以下为恒转矩区，在此区域，励磁电流isd给定，转矩电流与输出转矩成正比，反电动势小于最大电压usmax，此时电机的带载运行能力只受最大电流ismax的限制，可以输出最大转矩Temax。额定转速以上为弱磁区，随着转速的升高，反电动势不断增大并逼近最大电压usmax，电机运行同时受最大电压usmax和最大电流ismax的限制。为了保证最大转矩的输出，不得不减小励磁电流isd，即弱磁，电机运行于弱磁I区，可以输出恒定功率，因此弱磁I区也称为恒功率区，输出转矩与转速成反比。随着转速的继续升高，受最大电压usmax限制，无法提供更多的电压维持满电流运行，输出转矩和功率均随着转速的升高急剧减小，电机运行于弱磁II区，由于此区域可以始终保持电压的恒定，故此区域也称为恒电压区或降功率区。
[0035] 感应电机运行过程中将受到三方面的约束条件：最大电流约束，最大电压约束，最大转差约束。其中，最大电流ismax考虑感应电机绕组限定电流和逆变器限定电流两个条件；最大电压usmax为考虑感应电机绝缘等级和耐压条件的前提下，由可获得的最大直流母线电压和PWM控制策略决定，本处采用SVPWM控制方式，最大电压usmax限定为 最大转差为保证电机稳定运行的转差率的最大值。
[0036] 由转差ωsl(ωsl＝sωe，其中s为转差率)与电磁转矩Te的关系：
[0037]
[0038] 其中，Rs为定子电阻；Rr为转子电阻；Ls为定子电感；Lr为转子电感；Lm为互感。
[0039] 与下式联立：
[0040]
[0041] 得：
[0042]
[0044] 由感应电机在dq坐标系下转子磁链定向的定子电压方程：
[0045]
[0046] 其中ψr为转子磁链。
[0047] 在电机进入稳态后，有pψr＝0，pisd＝0，pisq＝0，所以上式化简为：
[0048]
[0049] 由于在转速很高的情况下，上式中的定子电阻上的压降相对于反电动势的压降比较小，故可以忽略，式(9)化为：
[0050]
[0051] 将isd≥σisq代入上式，又 从而得到电压形式下转差率约束条件：
[0052] 到此汇总得到感应电机约束方程如下：
[0053]
[0054] 根据电机运行特性，在不同速度区间对上述约束条件进行选取：在恒转矩区，约束条件为(1)；恒功率区，约束条件为(1)(2)；恒电压区，约束条件为(2)(3)，并由此得到电机在dq坐标系下运行理想的最优电压电流矢量运行轨迹如图5。即若控制电机电流按ABO顺序运行或控制电机电压按OCD顺序运行，即可达到理想的电机运行效果。
[0055] 基于电压闭环思想以及上述电机运行过程中的约束条件，本发明提供一种感应电机高速弱磁控制方法，参见图6，一种感应电机高速弱磁控制方法，包括如下步骤：
[0056] 步骤1：通过测速码盘得到电机转速ωr，确定励磁电流给定初始值
[0057]
[0058] 其中 ωb为基速，满足ωb＝2πf/p，p为所使用电机的极对数，工频下f＝50Hz，isdn为一设定值，在速度环内，由电机转速ωr与给定转速ωr,ref经速度环的电流调节器得到转矩电流给定值isq,ref；
[0059] 步骤2：当实际电压us随着转速升高而大于最大电压usmax时，电压调节器起作用，恒功率区开始工作，将实际电压us与最大电压usmax输入电压调节器进行闭环，经限幅，输出一个数值在0～1区间的弱化系数kweaken，将其施加至励磁电流给定初始值 从而得到励磁电流给定值isd,ref，并将其通过电流约束对转矩电流给定值isq,ref进行限幅，其中us在dq轴系下 电流约束为
[0060] 步骤3：由电流采样得到电机实际励磁电流和转矩电流值isd、isq，将所述实际励磁电流和转矩电流值分别与励磁电流给定值和转矩电流给定值经复矢量调节器得到dq轴实际电压usd、usq，复矢量调节器内部d轴电压限幅值为
[0061] 步骤4：将usd、usq经坐标变换后通过变频器实现对电机高速控制。
[0062] 在传统弱磁中，往往直接将ωb设为切换点(如两对极对应1500rpm)，而通过理论分析可知ωb不仅与漏感因子σ有关，还与最大电流电压都有关系，显然传统方法的切换点选择是不合适的。若切换值小于理论值，则在电压还未到达最大电压时，就进入弱磁区，这就浪费了电压资源；若切换值大于理论值，则电压将超出最大电压范围，这也是不允许的。如在本发明中，按照电机参数算得ωb理论值为2010rpm，因此需要乘以适当系数，适当调高切换点，故设置 保证切换点大小，isdn为一设定值，为按不同感应电机的特
性一般选取为允许电流最大值35％～45％。在速度环内，由电机转速ωr与给定转速ωr,ref经速度环的电流调节器得到转矩电流给定isq,ref，其中电流环PI由参数计算得到，速度环PI及其他电压控制器PI均由工程调试得到，且均加入anti-windup结构实现快速退饱和。
性一般选取为允许电流最大值35％～45％。在速度环内，由电机转速ωr与给定转速ωr,ref经速度环的电流调节器得到转矩电流给定isq,ref，其中电流环PI由参数计算得到，速度环PI及其他电压控制器PI均由工程调试得到，且均加入anti-windup结构实现快速退饱和。
[0063] 在电压调节器的作用下，弱化系数kweaken始终作用于 isd跟随isd,ref的减小而减小，使d轴磁链始终保持理想弱磁状态，此时转矩电流值isq受 作用而增大，根据电压方程知转速ωr和转矩电流值isq同时增大使得usd迅速上升，由于最大电压的约束，usq则开始下降，整个恒功率区电机同时受到最大电压和最大电流双重约束。当usd趋近于时，电压调节器继续作用，usq也调整到 处，此时随着转速的上升，isd、isq将按照isd＝σisq的线性关系降低，直到转速跟随给定。电流调节器由复矢量实现，d轴复矢量电流调节器输出电压限幅值为最大值电压值的
[0064] 以上方案可解决以下问题：
[0065] 1、通过适当选取的符合范围要求的 与弱化系数kweaken的配合，始终保证给定的isd,ref为最合适的值，同时避免了由于设定固定的切换点ωb而出现的电流波动问题，实现了恒转矩区到恒功率区的平滑过渡。
[0066] 2、通过 对转矩电流给定值isq,ref进行限幅，保证了转矩电流始终处于理想最大状态，保证了转矩的最大化。
[0067] 3、使用复矢量电流调节器实现电流的解耦。
[0068] 4、在复矢量电流调节器的d轴电流调节器中加入 的限幅，这带来三个好处：①避免了使用波动较大的电流(isd＝σisq)作为电机进入恒电压区的标志，提高了系统的抗扰性；②限幅的本身对于电压控制器在恒电压区有进一步作用，从而在整个控制中只使用了一个电压控制器，实现了算法控制器的简化；③依然采用闭环反馈的的方式，实现由恒功率区到恒电压区的平滑过渡。
[0069] 5、整个控制方案无需使用复杂的方程算式或精确参数，提高了系统鲁棒性。
[0070] 实验效果：
[0071] 结合图7，给定阶跃转速为4500rpm(3倍基速)，1.4s时，突加负载转矩7.5N·m。在起动阶段，改进型弱磁方法在快速响应与超调上明显优于传统弱磁方法，在突加负载后，由放大图可以看到，传统弱磁转速有较大跌落与振荡，且无法实现转速跟随，而优化弱磁方法在一个较小的跌落后便很快恢复稳态运行。因此，优化弱磁方法具有更好的带载能力。
[0072] 结合图8，给定阶跃转速为9000rpm(6倍基速)，4s时，突加负载转矩2.3N·m。提升效果相比图7更为明显，在转速响应方面，速度较传统方法提升近16％，同时在带载能力上，传统方法因突加负载而转速跌落，本方法则可以继续保持平稳运行，可见实现良好的升速快速性提升及转矩提升。
[0073] 结合图9，图9对比了使用本发明方法和其他两种方法的电机电流电压波形。对比本发明方法与方法I，虚线①可以看到，从基速区(恒转矩区)到弱磁I区(恒功率区)，方法I出现严重的过渡区抖动问题，而本发明方法则过渡自然，这与基速切换点的选取及电压闭环策略有关；对比本发明方法与方法II，可以看到，从弱磁I区到弱磁II区，方法II的dq轴电流出现较大纹波，这与约束条件选取有关，方法II电机进入恒电压区的标志是isd＝σisq，由于电流的鲁棒性较差，微小的波动和纹波的影响都会导致转矩电流iq变差，而本发明方法的电流纹波则小很多，同时从虚线②可以看到，突加负载后，方法II电流扰动非常剧烈，严重影响系统带载能力，而使用本发明方法的电流波形则得到明显改善。
[0074] 以上对本发明所提供的一种感应电机高速弱磁控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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