一种基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法

摘要

本发明公布了一种基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，属于异步电机调速领域。包括励磁电流环、转矩电流环、转子磁场定向环节、定子磁链辨识环节、转矩观测环节、空间矢量调制环节、三相全桥逆变器、异步电机。利用dq和αβ坐标系下的转矩观测差值实现磁场定向矫正。本发明直接观测定子磁链，而无需观测转子磁链；因此转子侧的参数变化对磁场定向矫正系统无影响，参数鲁棒性好。定向矫正模型原理明确，结构简单。本发明在异步电机矢量控制调速场合将有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明的基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，属于交流电机类的异步电机调速方法。

背景技术

目前异步电机矢量控制以其良好的控制性能及动态响应，广泛地应用于电动汽车驱动系统、及交流传动领域当中。20世纪70年代，德国西门子公司F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的变换控制”，奠定了矢量控制的基础。其基本出发点是，以旋转的空间转子磁通矢量为参考方向，利用静止坐标到旋转坐标之间的变换，将旋转的定子电流矢量分解成励磁直流分量和转矩直流分量，分别进行磁场和转矩控制，从而将异步电机多变量、强耦合、非线性的时变参数系统等效成直流电机那样调速。然而观测转子磁链需要知道转子电感和转子电阻，参数的时变对矢量控制的性能影响较大。

针对如何降低矢量控制对参数的敏感性，目前的主要方法主要分为两类：一类是直接辨识电机参数，包括离线测量技术、状态观测器、模型参考自适应、滑模观测器等，但是这类方法不仅计算量较为复杂而且辨识精度低，辨识参数的精度易受其他未辨识的参数误差影响。另一类方法是略过参数辨识环节而直接保证磁场定向的准确，建立磁场定向矫正系统。利用模型参考自适应的原理，通过两个模型对同一个量的输出偏差对参考系统进行调节，其具有简单原理，计算量较少，辨识精度较高等特点，较多的被用于控制系统中。主要方法有：通过电压模型观测转子磁链，进而利用转子磁链q轴分量为零对转差频率进行校正确保磁场定向准确；或者是通过构造基于无功功率的转子磁场定向矫正系统，通过保证无功功率与给定值相等进而保证转子的励磁水平恒定确保磁场定准确。显然以上两种方法直接观测转子磁链，观测的精度易受转子侧参数的影响。定向的精度不仅受到互感的影响，而且引入了漏感系数，电机漏感的测定通常较为困难。

发明内容

本发明的目的在于提出一种对电机本身参数依赖性小，控制简单易实现、辨识精度高的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，其特征在于，包括励磁电流环、转矩电流环、转子磁场定向环节、定子磁链辨识环节、转矩观测环节、空间矢量调制环节、三相全桥逆变器、异步电机。励磁电流环将给定励磁电流i_sd^*与实际励磁电流                                                的差值进行比例和积分环节，调节出励磁电压u_sd^*，进而维持异步电机的转子磁链恒定。转矩环将异步电机的给定转速角频率ω_r^*，与异步电机实际转速角频率ω_r的差值经过PI调节出给定转矩电流i_sq^*，再与实际转矩电流的差值经过PI调节得到转矩电压u_sq^*，进而实现电机的转矩控制。通过电机的转矩电流i_sq^*、励磁电流i_sd^*，得到给定转差角频率ω_sl^*，其中异步电机给定转差角频率ω_sl^*= i_sq^*/τ_ri_sd^*，τ_r=L_r/R_r为转子时间常数、L_r为转子电感，R_r转子电阻；给定转差角频率ω_sl^*与补偿转差角频率Δω_sl^*之和ω_s^*加转子电角频率p_nω_r再经过积分即可得到观测转子磁场定向角。转矩观测环节分别在dq坐标系和αβ坐标系下观测出转矩估值和，测转矩与观测转子磁场定向角有关，而与观测转子磁场定向角无关。如果当前观测的磁场定向角度存在偏差，则在两个坐标系下观测的转矩值和必然存在偏差。其中补偿转差角频率由坐标系估测转矩和dq坐标系估测转矩的差值经过PI调节器得到。和的具体求解过程如下：

（1）利用电流传感器检测得到异步电机定子三相相电流i_sa、i_sb、i_sc，经过磁势不变的3/2变换，得到在静止αβ坐标系中的定子电流i_sα、i_sβ；

(1)

再将(1)式经过变换得到dq旋转坐标系下异步电机当前的励磁分量i_sd和转矩分量i_sq：

(2)

其中角即为当前观测的转子磁场定位角。再由励磁电流i_sd和转矩电流i_sq进一步求得异步电机在当前观测旋转坐标系下的转矩：

(3)

（2）利用电压传感器获得三相全桥逆变器的直流母线电压u_dc，u_dc与三相全桥逆变器的占空比（D_A、D_B、D_C）组合计算得出异步电机在静止abc坐标系下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc；

(4)

将异步电机在静止abc坐标系下的三相相电压u_sa、u_sb、u_sc进行磁势不变的3/2变换，得到异步电机在静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ；

(5)

利用式（5）、式（1）计算得出的异步电机在静止αβ坐标系下的定子电压u_sα、u_sβ和定子电流i_sα、i_sβ，求得在静止αβ坐标系下的定子磁链：

(6)

结合式(1)式(6)可进一步求得异步电机在dq旋转坐标系下的转矩：

(7)

可以看出由式(7)估测的转矩与定向角度无关，而式(3)得到的转矩与定向角度有关。这样根据定向准确时，两个坐标系下观测的转矩相等，即可利用PI调节器调节出补偿转差频率。该系统中直接观测定子磁链，而无需观测转子磁链；因此转子侧的参数变化对矫正系统无影响，参数鲁棒性好。定向矫正模型原理明确，结构简单。本发明在异步电机矢量控制调速场合将有广泛的应用前景。

附图说明

图1附图1 基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正系统框图

图1中符号名称：U_dc是电源电压，ω_r^*、ω_r分别是给定反馈转子角频率和反馈转子角频率；为观测转子磁链位置角；i_sa、i_sb分别是采样异步电机A、B相电流；i_sd^*、 i_sq^*、、分别是给定励磁电流、转矩电流和观测励磁电流、转矩电流；u_sd^*、u_sq^*分别为dq轴电压；、分别是dq轴观测转矩和轴观测转矩。

具体实施方式

本发明的核心思想是利用dq和αβ坐标系下的转矩观测差值实现磁场定向矫正。在异步电机矢量控制磁场定向准确的情况下，异步电机的在dq坐标系下的转矩公式可以简化为：

由上式可见，转矩观测的准确性依赖于励磁电流和转矩电流的准确，由上式(2)可知，励磁电流和转矩电流是由定子电流经过坐标变换得到，准确性依赖磁场定向角度的准确性。如果转子磁场定向存在偏差，磁场定向角度不准确，励磁电流、转矩电流会产生偏差，此时观测的转矩值就不准确。

而在异步电机的在坐标系下的转矩公式可以表示为：

的观测的准确性完全不依赖磁场定向角度。此时时即可由构成参考模型，由构成可调模型，进而实现磁场定向的矫正。