一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法

摘要

本发明涉及一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，属于电机控制技术领域。本发明首先利用转子磁场定向的同步旋转变换得到励磁电流和转矩电流，然后利用转矩电流计算电机的滑差角频率并估算电机的转速，再利用指令转速与估算的电机转速的误差来调整同步角频率，最后根据电机模型直接计算得到要施加于电机的控制电压。其中转子磁通的位置由对同步角频率积分得到。本发明的优点是：实现简单、可移植性好，计算量少、对处理器要求低；控制参数少，易于参数的选取和系统的调试；本方法稳定可靠、对系统参数的鲁棒性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

当前异步电动机的变频调速控制方法主要有恒压频比控制、矢量控制以及直接转矩控制。其中恒压频比控制方法由于控制简单，已得到广泛应用。但该方法是一种基于电机稳态模型的平均值控制方法，无法实现电动机电磁转矩的高动态控制，因此系统调速范围、带载能力以及动态响应都较差。

矢量控制技术是一种基于电动机转子磁场定向，以实现电磁转矩与转子磁通的解耦控制，从而极大改善系统动态响应能力的高性能变频调速控制技术。但矢量控制在构成转速闭环时，需要安装测量电机转速的测速电机或光电编码器。这不仅增加了成本、安装维护的困难，也使系统易受干扰，降低了系统的稳定性，且不适合在恶劣的环境中工作。而在无速度传感器的矢量控制中，为了获得转子磁场的位置，需要进行转子磁链的辨识。现在转子磁链的辨识方法主要有利用转子磁链的电压或电流模型、模型参考自适应方法、全阶状态观测器等，但这些方法存在着辨识精度不高或算法复杂等种种问题，对处理器的运算速度要求较高，工程实现难度较大。

目前国内外对无速度传感器的矢量控制技术的研究已取得很多成果，一些具有代表性的专利如下：

1、交流异步电机的无速度传感器逆控制器.专利号为200510040417，申请日为2005年6月7日。

2、无速度传感器感应电动机的控制系统、观测器及控制方法.专利号为01124701，申请日为2001年7月25日。

3、一种测定无传感器的磁场定向运转感应电动机的转子角速度的方法和装置.专利号为98802451，申请日为1998年1月19日。

但是，这些专利的共同问题是控制算法中所使用的电机模型复杂、所需要的电机参数过多，实际应用时调试复杂。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，对已有的控制方法进行改进，简化控制算法，减少控制参数。

本发明提出的用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，包括以下步骤：

(1)根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值

(2)根据转子磁链位置，利用3/2变换和同步旋转坐标变换，将检测到的交流异步电机定子的电流值由三相静止坐标系变换成转子磁场定向的同步旋转坐标系，得到电机的励磁电流值i_sM和转矩电流值i_sT；

(3)根据上述转矩电流值i_sT，计算电机的滑差角频率ω_s，同时估算电机的转速，

${\omega }_s=\frac{1}{T_r{i}_{\mathrm{sM}}^{*}}{i}_{\mathrm{sT}}$

${\hat{\omega }}_r={\omega }_1-{\omega }_s$

上式中，T_r为转子时间常数，T_r＝转子侧的全电感L_r/转子电阻R_r，ω₁为同步角频率；

(4)计算设定的交流异步电机的转速指令与上述估算的电机转速的误差，将该误差与比例系数Kp相乘得到比例项，将该误差与积分系数Ki相乘并积分得到积分项，将积分项与比例项相加得到滑差角频率指令值将该滑差角频率指令值与上述实际转速相加，得到同步角频率ω₁；

(5)使上述同步角频率ω₁对时间积分得到转子磁链位置；

(6)根据上述励磁电流指令值转矩电流值i_sT和同步角频率ω₁，由交流异步电机的电压模型，得到交流异步电机在同步旋转坐标系下的励磁电压的指令值和转矩电压的指令值

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sM}}^{*}=R_s{i}_{\mathrm{sM}}^{*}-{\omega }_1\sigma L_s{i}_{\mathrm{sT}}\\ u_{\mathrm{sT}}^{*}=R_s{i}_{\mathrm{sT}}+{\omega }_1{L}_s{i}_{\mathrm{sM}}^{*}\end{array},\right)$

上式中，R_s为交流异步电机的定子电阻，L_s为交流异步电机的定子全电感；σ由下式定义

$\sigma =1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r}$

其中，L_r为交流异步电机的转子全电感，L_m为交流异步电机的互感。

(7)根据上述转子磁链位置，利用同步旋转坐标逆变换和2/3变换，将上述励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系的电压指令值。

本发明提出的用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，其优点是：

1、本发明控制方法中只有一个速度闭环，控制系统稳定可靠、鲁棒性强；

2、本发明控制方法需要设置的控制参数少，参数的选取简单，系统的调试容易，因此有利于本发明方法的推广应用；

3、本发明控制方法的控制算法简单、计算量少，对实现控制所需的数字处理器的要求较低，也有利于本发明方法的推广应用。

附图说明

图1是本发明提出的异步电动机无速度传感器矢量控制原理框图。

图2是图1中速度控制的详细过程。

图3是利用本发明在向系统施加了100％额定负载后进行加减速的特性。

图4是利用本发明方法在系统速度指令为2Hz运行中突加突减100％额定负载特性。

图5是利用本发明方法的系统机械特性曲线。

具体实施方式

本发明提出的用于交流异步电机的无速度传感器的矢量控制方法，其原理框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)磁链控制：根据交流异步电机的磁通量，设定励磁电流指令值在系统运转指令下达后，首先需要进行励磁控制，待磁动势稳定之后再进行图1中的转速闭环控制。否则在启动系统的时候，会使得速度发生振荡。另外在励磁过程中，励磁电流指令值不能发生突变，所以需要以斜坡函数从零增大到设定的指令值。

(2)坐标变换：根据转子磁链位置，利用3/2变换和同步旋转坐标变换，将检测到的交流异步电机定子的电流值由三相静止坐标系变换成转子磁场定向的同步旋转坐标系，得到电机的励磁电流值i_sM和转矩电流值i_sT。

(3)转速估算：根据上述转矩电流值i_sT，计算电机的滑差角频率ω_s，同时估算电机的转速

${\omega }_s=\frac{1}{T_r{i}_{\mathrm{sM}}^{*}}{i}_{\mathrm{sT}}$

${\hat{\omega }}_r={\omega }_1-{\omega }_s$

上式中，T_r为转子时间常数，T_r＝转子侧的全电感L_r/转子电阻R_r，ω₁为同步角频率。

(4)速度控制：使用一个比例加积分调节器(以下简称PI调节器)根据估算的电机转速与指令转速的误差调整同步角频率ω₁，其具体过程如图2所示：首先计算设定的转速指令与上述估算的电机转速的误差，将该误差与比例系数Kp相乘得到比例项，将该误差与积分系数Ki相乘并积分得到积分项，将积分项与比例项相加得到滑差角频率指令值再将该滑差角频率指令值与上述实际转速相加，得到同步角频率ω₁。其中Kp与Ki作为系统设置的控制参数需要通过仿真或实验进行调试选取。如果采取传统的PI调节器，在数字系统中有可能会遇到溢出和过饱和的问题，需要进行相应的考虑。

(5)角度积分：使上述同步角频率ω₁对时间积分得到转子磁链位置。系统在转速闭环控制启动时开始积分，积分的初值为零。此处得到的转子磁链位置用于进行坐标变换。

(6)根据上述励磁电流指令值转矩电流值i_sT和同步角频率ω₁，由交流异步电机的电压模型，得到交流异步电机在同步旋转坐标系下的励磁电压的指令值和转矩电压的指令值

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sM}}^{*}=R_s{i}_{\mathrm{sM}}^{*}-{\omega }_1\sigma L_s{i}_{\mathrm{sT}}\\ u_{\mathrm{sT}}^{*}=R_s{i}_{\mathrm{sT}}+{\omega }_1{L}_s{i}_{\mathrm{sM}}^{*}\end{array},\right)$

上式中，R_s为交流异步电机的定子电阻，L_s为交流异步电机的定子全电感；σ由下式定义

$\sigma =1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r}$

其中，L_r为交流异步电机的转子全电感，L_m为交流异步电机的互感。

(7)坐标变换：根据上述转子磁链位置，利用同步旋转坐标逆变换和2/3变换，将上述励磁电压的指令值和转矩电压的指令值变换到三相静止坐标系，得到三相静止坐标系下的电压指令值。得到三相静止坐标系的电压指令值后，就可以据此进行相应的脉宽调制，驱动功率逆变单元产生三相交流电驱动电机运行。

上述的步骤中，坐标变换、转速估算、速度控制、指令电压计算等步骤是一个循环过程，在循环中不断地更新发出的电压指令。而对同步角速度ω₁进行积分获取转子磁链角度的步骤则需要利用中断等方法与上述循环并行执行，实时地更新转子磁链的角度，这样才能在坐标变换中得到准确的励磁电流值和转矩电流值，保证本发明控制方法的精确与稳定。

以下介绍利用本发明控制方法的一个实施例的控制效果，实施例中的电机为380V、3.7kW、4极的鼠笼式异步电动机。

基于本发明的控制方法构成系统后，所得到的实验结果如下：

(1)向系统施加了100％额定负载后进行加减速的特性如图3所示。可以看到在施加了100％额定负载(如图3中的上图所示)后，系统在速度指令为2Hz下的加减速动态响应良好，系统稳定，如图3中的下图所示。

(2)系统速度指令为2Hz运行中突加突减100％额定负载的特性如图4所示。可以看到系统在速度指令为2Hz下稳定运行时，突然增加100％额定负载，然后再变为空载，如图4中的上图所示，整个过程中稳态误差很小，系统稳定，只是超调较大，动态特性稍差，如图4中的下图所示。

(3)系统机械特性曲线如图5所示。可以看到系统在速度指令从2Hz到50Hz变化的整个调速范围内，机械特性很硬，带载能力强。

从实验结果来看，利用本发明控制方法的无速度传感器的异步电机控制系统具有良好的动态性能，加减速快速灵活，整个调速范围内带载能力强，系统稳定可靠，鲁棒性强。