本發(fā)明屬于感應(yīng)電動機領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁場定向控制的感應(yīng)電機控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，感應(yīng)電動機交流傳動技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)葒窠?jīng)濟的調(diào)速領(lǐng)域，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)至數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，幾乎都可釆用交流調(diào)速技術(shù)。這些應(yīng)用包括風(fēng)機、造紙廠、紡織廠、地鐵和機車牽引、電動和混合汽車、機床和機器人、家用電器和風(fēng)力發(fā)電等諸多領(lǐng)域。交流調(diào)速傳動系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及其迅猛發(fā)展趨勢表明，交流傳動系統(tǒng)已成為當(dāng)前電力傳動控制的主要發(fā)展方向，并在大多數(shù)場合取代了直流傳動系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代初，德國西門子公司的工程師發(fā)表了“感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”美國P.C.Custman與A.A.Clarke申請了專利“感應(yīng)電機定子電壓的坐標(biāo)變換控制”。矢量控制的提出標(biāo)志著交流調(diào)速理論的重大突破。矢量控制又稱磁場定向控制其基本思想是把交流電機空間磁場矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，將電機定子電流的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量獨立開來分別進行控制，這樣，通過坐標(biāo)變換就可等效為直流電機，從而實現(xiàn)和他勵直流電機一樣快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。

在工業(yè)領(lǐng)域，磁場定向控制在感應(yīng)電動機的調(diào)速上具有廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的磁場定向控制方法在電流解耦的過程中只考慮了感應(yīng)電動機的模型，而沒有考慮逆變器對輸出電流、輸出電壓和輸出轉(zhuǎn)矩的影響。因此，傳統(tǒng)的磁場定向控制方法在控制小功率感應(yīng)電動機且逆變器的開通和關(guān)斷的頻率高時具有良好的控制性能，但當(dāng)所控制的電機為大功率感應(yīng)電動機或逆變器的開通和關(guān)斷的頻率低時，系統(tǒng)的控制性能則會下降，尤其是在感應(yīng)電動機起動或變負載時，輸出電流、電壓和轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定。因此，對于大功率感應(yīng)電動機、逆變器的開通和關(guān)斷的頻率低且對電機的調(diào)速有較高精度和穩(wěn)定性要求的應(yīng)用場合則將無法采用傳統(tǒng)的磁場定向控制方法。本發(fā)明為一種新型的基于磁場定向控制的感應(yīng)電動機控制方法，通過補償逆變器的影響提高了感應(yīng)電動機的調(diào)速性能，并且適用范圍更廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于磁場定向控制的感應(yīng)電機控制方法，該方法對感應(yīng)電動機的調(diào)速具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，并且本發(fā)明較傳統(tǒng)磁場定向控制具有更高的精度、穩(wěn)定性和可靠性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于磁場定向控制的感應(yīng)電機控制方法，包括如下步驟，

步驟S1：將所測得的感應(yīng)電動機三相電流i_sa、i_sb、i_sc進行abc-dq變換獲得實際的定子電流d軸、q軸分量i_sd、i_sq；

步驟S2：根據(jù)實際的定子電流分量i_sd、i_sq、轉(zhuǎn)子的電角速度ω_m以及感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型計算獲得電磁轉(zhuǎn)矩T_em、轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量λ_rd以及轉(zhuǎn)子磁場磁鏈d軸與定子a相軸線的夾角θ_da；感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型為：

λ_rd＝L_mi_sd

其中，p為電動機的極對數(shù)，L_m為定轉(zhuǎn)子互感，L_r為轉(zhuǎn)子自感，R_r為轉(zhuǎn)子阻抗，

步驟S3：轉(zhuǎn)子磁鏈參考值等于額定值，轉(zhuǎn)子磁鏈額定值通過式λ_rd＝L_mi_sd將額定電流代入求得；轉(zhuǎn)子參考磁鏈d軸分量與步驟S2中獲得計算值經(jīng)磁鏈控制器獲得定子參考電流的d軸分量

步驟S4：光電編碼器檢測獲得的感應(yīng)電動機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器獲得定子參考電流的q軸分量

步驟S5：將步驟S3和步驟S4中獲得的定子參考電流分量和與步驟S1中的實際定子電流分量i_sd、i_sq通過同步電流控制器輸出定子參考電壓考慮到PWM逆變器的器件的開通和關(guān)斷會對系統(tǒng)控制性能造成影響，需要進行優(yōu)化，因此同步電流控制器的數(shù)學(xué)模型為：

其中漏磁系數(shù)K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，L_m為定轉(zhuǎn)子互感，L_r為轉(zhuǎn)子自感，L_s為定子自感，T_VSI為輸出PWM波的周期，v_sd和v_sq為實際輸出電壓值，ω_d為轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)電角速度；

步驟S6：將步驟S5中獲得的定子參考電壓和進行dq-abc變換獲得定子三相參考電壓通過脈寬調(diào)制技術(shù)將定子三相參考電壓轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的PWM電壓脈沖，通過輸出的PWM電壓脈沖控制DC/AC逆變器的輸出電壓，從而實現(xiàn)對感應(yīng)電動機的調(diào)速控制。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、減輕了PWM逆變器對控制性能的不利影響；

2、具有良好的動態(tài)性能，穩(wěn)定性，較傳統(tǒng)磁場定向控制具有更高的精度和可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明為磁場定向控制流程圖。

圖2為本發(fā)明的感應(yīng)電動機磁場定向控制的原理圖。

圖3為本發(fā)明的同步電流控制器的框圖。

圖4為傳統(tǒng)磁場定向控制方法在感應(yīng)電動機起動、穩(wěn)態(tài)運行和變負載時的定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩實驗結(jié)果圖。

圖5為本發(fā)明方法在感應(yīng)電動機起動、穩(wěn)態(tài)運行和變負載時的定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩實驗結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1-5，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行具體說明。

本發(fā)明的一種基于磁場定向控制的感應(yīng)電機控制方法，包括如下步驟，

步驟S1：將所測得的感應(yīng)電動機三相電流i_sa、i_sb、i_sc進行abc-dq變換獲得實際的定子電流d軸、q軸分量i_sd、i_sq；

步驟S2：根據(jù)實際的定子電流分量i_sd、i_sq、轉(zhuǎn)子的電角速度ω_m以及感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型計算獲得電磁轉(zhuǎn)矩T_em、轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量λ_rd以及轉(zhuǎn)子磁場磁鏈d軸與定子a相軸線的夾角θ_da；感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型為：

λ_rd＝L_mi_sd

其中，p為電動機的極對數(shù)，L_m為定轉(zhuǎn)子互感，L_r為轉(zhuǎn)子自感，R_r為轉(zhuǎn)子阻抗，

步驟S3：轉(zhuǎn)子磁鏈參考值等于額定值，轉(zhuǎn)子磁鏈額定值通過式λ_rd＝L_mi_sd將額定電流代入求得；轉(zhuǎn)子參考磁鏈d軸分量與步驟S2中獲得計算值經(jīng)磁鏈控制器獲得定子參考電流的d軸分量

步驟S4：光電編碼器檢測獲得的感應(yīng)電動機實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定的參考轉(zhuǎn)速經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器獲得定子參考電流的q軸分量

步驟S5：將步驟S3和步驟S4中獲得的定子參考電流分量和與步驟S1中的實際定子電流分量i_sd、i_sq通過同步電流控制器輸出定子參考電壓考慮到PWM逆變器的器件的開通和關(guān)斷會對系統(tǒng)控制性能造成影響，需要進行優(yōu)化，因此同步電流控制器的數(shù)學(xué)模型為：

其中漏磁系數(shù)K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，L_m為定轉(zhuǎn)子互感，L_r為轉(zhuǎn)子自感，L_s為定子自感，T_VSI為輸出PWM波的周期，v_sd和v_sq為實際輸出電壓值，ω_d為轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)電角速度；

步驟S6：將步驟S5中獲得的定子參考電壓和進行dq-abc變換獲得定子三相參考電壓通過脈寬調(diào)制技術(shù)將定子三相參考電壓轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的PWM電壓脈沖，通過輸出的PWM電壓脈沖控制DC/AC逆變器的輸出電壓，從而實現(xiàn)對感應(yīng)電動機的調(diào)速控制。

以下為本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程。

如圖1為磁場定向控制流程。通過感應(yīng)電動機數(shù)學(xué)模型獲得電磁轉(zhuǎn)矩T_em、轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量λ_rd以及轉(zhuǎn)子磁場磁鏈d軸與定子a相軸線的夾角θ_da，再通過磁鏈控制器和轉(zhuǎn)速控制器獲得定子參考電流的最后通過同步電流控制器和DC/AC逆變器調(diào)節(jié)電壓控制電機轉(zhuǎn)速。

如圖2為本發(fā)明的感應(yīng)電動機磁場定向控制的原理圖。感應(yīng)電動機的磁場定向控制通過坐標(biāo)變化、磁鏈控制、轉(zhuǎn)速控制、同步電流控制、DC/AC逆變器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流的解耦，從而實現(xiàn)了對感應(yīng)電動機的調(diào)速，其中同步電流控制器通過補償逆變器開關(guān)元器件的開通與關(guān)斷對電機控制帶來的影響來改善系統(tǒng)的控制性能，提高調(diào)速的精確度和穩(wěn)定性。

如圖3為本發(fā)明的同步電流控制器的框圖。其數(shù)學(xué)模型為：

傳統(tǒng)的同步電流控制器模型為：

模型中的耦合項為：

其中K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)，且K_p、K_i＞0。這種模型是假設(shè)電機直接由電網(wǎng)供電，但實際應(yīng)用中電動機是通過PWM逆變器連接電網(wǎng)。傳統(tǒng)模型忽略了PWM逆變器對控制系統(tǒng)的影響。因此在大功率設(shè)備應(yīng)用中逆變器開關(guān)頻率較低時，對控制系統(tǒng)的影響大。PWM逆變器在控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

由上式可得當(dāng)T_VSI的取值使ω_daT_VSIv_sd和ω_daT_VSIv_sq無法忽略不計時，對控制器的輸出電壓將會造成影響。因此通過補償PWM逆變器的影響構(gòu)建出新的同步電流控制器的數(shù)學(xué)模型為：

如圖4、圖5為傳統(tǒng)磁場定向控制方法與本發(fā)明方法的起動、穩(wěn)態(tài)以及變負載時輸出定子電流和輸出轉(zhuǎn)矩對比圖。實驗采用的感應(yīng)電動機的額定功率為4000W，額定電壓為400V，極對數(shù)為2，定子電阻為1.405Ω，轉(zhuǎn)子電阻為1.395Ω，定子漏感為5.8mH，轉(zhuǎn)子漏感為5.8mH，定轉(zhuǎn)子互感為172mH，轉(zhuǎn)動慣量為0.0131kg.m²，調(diào)頻范圍為10Hz到50Hz；使用的PWM逆變器載波頻率為1kHz。通過對比圖4、圖5的實驗結(jié)果可以看出當(dāng)使用傳統(tǒng)磁場定向控制方法時，定子電流d軸分量在變負載時出現(xiàn)了過沖電流；當(dāng)使用本發(fā)明方法時，,過沖電流受到限制，并且采用本發(fā)明方法的感應(yīng)電動機在穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)矩輸出更為穩(wěn)定，且輸出轉(zhuǎn)矩和定子電流在變負載的過程中波動相對傳統(tǒng)磁場定向控制方法小，動態(tài)性能更為優(yōu)秀。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。