一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，主要包括整流部分、逆变器控制策略部分、软硬件平台部分；其中整流部分采用了不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略；逆变器控制策略部分采用了直线感应电机动态边端效应补偿法、模糊PI矢量控制法、改进的SVPWM算法；软硬件平台部分采用了基于LabVIEW的串口通信控制系统。本发明将不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略、直线感应电机动态边端效应补偿法、模糊PI矢量控制法、改进的SVPWM算法、基于LabVIEW的串口通信控制系统结合在一起，提高了不平衡电网电压条件下的直线感应电机的运行性能和可控制性。
【专利说明】—种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，属于电工技术。
【背景技术】
[0002]直线感应电机具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、牵引性能优越、通过曲线半径小、能耗低、污染小、安全性能高等优点，通过对直线感应电机进行驱动控制可以使其在日常中扮演重要角色。
[0003]现在的应用于直线感应电机调速的三相电压型PWM整流器，由于大功率单相负载的接入、单相负荷在三相系统中的不均衡分配以及单相负载用电的随机性等因素，会造成电网三相电压不平衡，在电网三相电压不平衡的条件下，采用传统矢量控制策略的三相电压型PWM整流器的输出功率将出现二次谐波，严重影响整流器的输出品质；传统的直线感应电机控制系统并没有考虑到补偿动态纵向边端效应引起的推力的衰减；传统的直线感应电机中使用的PI调节器有着调节速度不够快，鲁棒性不够好的缺点；传统的SVPWM技术有着算法结构比较复杂的缺点；单纯用DSP进行电机控制有着可视化程度不高应用性不强的特点。
[0004]现在工程上采用的直线感应电机控制策略在要求不高的场合下可以实行有效的控制，但对于不平衡电网条件下、高调节速度和良好的鲁棒性以及可视化等方面传统的直线感应电机控制策就不能够满足要求了。因此，发明一种更高性能的直线感应电机控制系统成为亟需解决的课题。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，以有效地提高系统的调节速度和鲁棒性。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，整流器控制模块采用不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略，逆变器控制模块采用直线感应电机动态边端效应补偿法、模糊PI矢量控制法和改进的SVPWM算法相结合的控制策略，同时整流器控制模块和逆变器控制模块的软硬件控制平台采用基于LabVIEW的串口通信控制系统，以有效提高系统的调节速度和鲁棒性；具体包括如下步骤:
[0008](I)不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略:首先通过三相电压和三相电流计算出实时功率值，包括瞬时有功功率和瞬时无功功率；然后将得到的实时功率值与功率2倍频参考值进行比较，经PR控制器后得到谐振补偿参考电压；最后将谐振补偿参考电压与矢量控制得到的参考电压进行合成，得到整流器参考电压；
[0009](2)直线感应电机动态边端效应补偿法:在同步速坐标系dqO下，将次级磁链定向于d轴，列出直线感应电机的微分方程，再用直轴励磁回路的串联电阻来模拟动态纵向边端效应引起的损耗和去磁作用，最后对推力衰减进行补偿；
[0010](3)模糊PI矢量控制法:将模糊控制调节和PI调节相结合以实现动、静态性能的平衡；矢量通过推力与次级磁链解耦控制，使次级磁链跟随其参考值保持不变，而推力跟随推力指令；磁链调节器采用普通PI调节；推力调节器采用模糊与PI相结合的模糊PI调节，该模糊PI调节器将PI调节器中的比例环节用模糊调节器代替，模糊调节器为单输入单输出、解模糊化的方法为重心法，模糊PI调节器的输入为给定电机转速和反馈速度之差Δ ?r、输出为推力指4厂
[0011](4)改进的SVP画算法:改进的SVPWM算法包括扇区模块A、基础矢量作用时间模块、三相时间比较模块和调制模块四部分；三相信号经过坐标变换正交信号X轴分量Ua、y轴分量Ue同时输入到扇区模块A和基础矢量作用时间模块，经扇区模块A确定出合成矢量Uref所在扇区值A ;基础矢量作用时间模块结合扇区值A和正交信号Ua、Ue，确定出不同扇区中相邻两个基础矢量的作用时间值h和t2 ;将h和t2输入到三相时间比较模块，以确定出三相时间比较值Ta、Tb和T。；将Ta、Tb和T。输入到调制模块，与给定的载波相比较以生产磁链PWM脉冲波；
[0012](5)基于LabVIEW的串口通信控制系统:硬件采用串行通信设计，上位机与DSP控制系统的通信方式采用RS232全双工模式、异步传输，利用LabVIEW-VISA控件实现串口通?目。
[0013]所述步骤(1)具体包括如下步骤:
[0014](11)采集电网的三相电压uga, ugb, Uge和三相电流iga, igb, ig。,通过锁相环计算出电网电压角度Θ ;
[0015](12)将三相电压uga, ugb, Ugc和三相电流iga, igb, igc进行abc/dq坐标变换，得到三相电压和三相电流的直轴分量和交轴分量ugd, ugq, igd, iM,再由直轴分量和交轴分量ugd, ugq, igd, igq计算出瞬时有功功率Pg和瞬时无功功率Qg ；
【权利要求】
1.一种不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，其特征在于:整流器控制模块采用不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略，逆变器控制模块采用直线感应电机动态边端效应补偿法、模糊PI矢量控制法和改进的SVPWM算法相结合的控制策略，同时整流器控制模块和逆变器控制模块的软硬件控制平台采用基于LabVIEW的串口通信控制系统；具体包括如下步骤: (1)不平衡电网电压条件下的PWM整流器功率谐振补偿控制策略:首先通过三相电压和三相电流计算出实时功率值，包括瞬时有功功率和瞬时无功功率；然后将得到的实时功率值与功率2倍频参考值进行比较，经PR控制器后得到谐振补偿参考电压；最后将谐振补偿参考电压与矢量控制得到的参考电压进行合成，得到整流器参考电压； (2)直线感应电机动态边端效应补偿法:在同步速坐标系dqO下，将次级磁链定向于d轴，列出直线感应电机的微分方程，再用直轴励磁回路的串联电阻来模拟动态纵向边端效应引起的损耗和去磁作用，最后对推力衰减进行补偿； (3)模糊PI矢量控制法:将模糊控制调节和PI调节相结合以实现动、静态性能的平衡；矢量通过推力与次级磁链解耦控制，使次级磁链跟随其参考值保持不变，而推力跟随推力指令；磁链调节器采用普通PI调节；推力调节器采用模糊与PI相结合的模糊PI调节，该模糊PI调节器将PI调节器中的比例环节用模糊调节器代替，模糊调节器为单输入单输出、解模糊化的方法为重心法，模糊PI调节器的输入为给定电机转速和反馈速度之差Λ ωρ输出为推力指 (4)改进的SVPWM算法:改进的SVPWM算法包括扇区模块Α、基础矢量作用时间模块、三相时间比较模块和调制模块四部分；三相信号经过坐标变换正交信号X轴分量Ua、y轴分量Ue同时输入到扇区模块A和基础矢量作用时间模块，经扇区模块A确定出合成矢量Uref所在扇区值A ;基础矢量作用时间模块结合扇区值A和正交信号Ua、Ue，确定出不同扇区中相邻两个基础矢量的作用时间值h和t2 ;将&和t2输入到三相时间比较模块，以确定出三相时间比较值Ta、Tb和T。；将Ta、Tb和T。输入到调制模块，与给定的载波相比较以生产磁链PWM脉冲波； (5)基于LabVIEW的串口通信控制系统:硬件采用串行通信设计，上位机与DSP控制系统的通信方式采用RS232全双工模式、异步传输，利用LabVIEW-VISA控件实现串口通信。
2.根据权利要求1所述的不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，其特征在于:所述步骤(I)具体包括如下步骤: (11)采集电网的三相电压和三相电流，通过锁相环计算出电网电压角度Θ； (12)将三相电压和三相电流进行abc/dq坐标变换，得到三相电压和三相电流的直轴分量和交轴分量，再由直轴分量和交轴分量计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率； (13)将得到的实时功率值与功率2倍频参考值进行比较，经PR控制器后得到两个谐振补偿参考电压； (14)将谐振补偿参考电压与矢量控制得到的参考电压经过dq/αβ坐标变换得到整流器参考电压，经限幅和支持向量机调制后输出。
3.根据权利要求1所述的不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，其特征在于:所述步骤(2)中的直线感应电机动态边端效应补偿法，具体为: 在同步速坐标系dqO下，将次级磁链定向于d轴，直线感应电机的微分方程为:
Uds = RsIds+Rrf (Q) (ids+idr) +P Ψ ds- ω ! Ψ qs
Uqs = Rsiqs+P Vqs+wI^ds
0 = Rridr+Rrf (Q) (ids+idr) +p Ψ dr
0 = Rriqr+
Vds= (Ls-Lmf(Q))ids+Lm(l-f(Q))idr
ψ =Li +L i Y qsqs m qr
Vdr= (Lr-Lmf(Q))idr+Lm(l-f(Q))ids
0— Lriqr+Lmiqs
Fe = kf iydriqs_kfkeidsiqs
dv _ Fe-Fload
dt — M 其中: Q = ^,f (Q)=1-^ ZvVQ ω =Q1-QiV = τω/ji sI r， vr/
Ls — Lm+Ls o, Lr — Lm+Lr 0 kk _?π /(O) 、2r L1-LJ(Q) ' e Lr 1-/.(0 其中:ids，iqs, idr, 分别为初级直轴电流、初级交轴电流、次级直轴电流、次级交轴电流，Rs, Rr, Lso, Lro, Lm, uds, uqs, ￥ds, ￥qs, ￥dr, 分别为初级电阻、次级电阻、初级漏感、次级漏感、初次级间互感、初级直轴电压、初级交轴电压、初级直轴磁链、初级交轴磁链、次级直轴磁链、次级交轴磁链，P为微分算子，V为电机速度，O1为初级电角速度，为次级电角速度，M为电机质量，D为电机有效长度，τ为电机极距，FltjadS负载； 用直轴励磁回路的串联电阻Rrf(Q) &Lm(l-f (Q))来分别模拟动态纵向边端效应引起的损耗和去磁作用； 对推力衰减进行补偿。
4.根据权利要求1所述的不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，其特征在于:所述步骤(3)中，模糊PI调节器中使用的模糊调节器为单输入单输出类型的，输入与输出之间的模糊推理规则如下表所示: 模糊控制规则
输入 |NB~[m~[NS~fo fps~f?~[PB
NB~NM~NS~O PS~PM~PB 其中:NB表示负大，匪表示负中；NS表示负小，O表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。
5.根据权利要求1所述的不平衡电网电压条件下的直线感应电机控制方法，其特征在于:所述步骤(4)具体包括如下步骤:(41)确定扇区值A:SUa、Ue为合成矢量Uref某一时刻在x-y坐标轴上的正交分解量，令B1, B2, B3为3个中间变量，使得:
B1 = Ua
B2 = Ua sin (/3) -U0 sin (/6)
B3 = -Ua sin ( π/3)-U0 sin ( π/6) 令Μ、N、P为3个逻辑变量，使得: 如B1X),则M = I ;否则M = O 如B2>0，则N = I ;否则N = O 如B3>0，则P = I ;否则P = O 扇区值A的确定方式如下:MNP为001时，扇区值A为IV ;MNP为010时，扇区值A为VI ;MNP为011时，扇区值A为V ;MNP为100时，扇区值A为II ;MNP为101时，扇区值A为III ;MNP为110时，扇区值A为I ; (42)确定出不同扇区中相邻两个基础矢量的作用时间值&和12:将某一扇区中两个相邻基础矢量的作用时间值定义为h和t2，则有:
其中:ti和t2分别为基础矢量仏和U6的作用时间，h和t7为零矢量的作用时间，相邻两个基础矢量作用时间的比例系数，Tpwm为载波周期，Ud。为逆变器输入端的直流电压山和t2与扇区值A的关系如下:
(43)由扇区模块A和基础矢量作用时间模块确定出某一扇区中h和t2的值后，在此基础上由三相时间比较模块确定出每相所对应的时间比较值Ta、Tb和T。，令中间变量分别为 T讓、Tbon 和 Tcon,由 PWM 调制原理可得 Taon = (Tpwm-Vt2) /4、Tbon = T贿+t/4 和 Tcon =Tbon+t2/2 ;不同扇区对应的比较值Ta、Tb和T。如下: 扇区I的比较值Ta、Tb和T。分别为T_、Tbon和τ_ ； 扇区II的比较值Ta、Tb和T。分别为Tbm、Taon和τ_ ； 扇区III的比较值Ta、Tb和Tc分别为Tcon, Taon和Tbon ； 扇区IV的比较值Ta、Tb和Tc分别为Tcon, Tbon和Taon ； 扇区V的比较值Ta、Tb和T。分别为Tbm、Tcon和τ_ ； 扇区VI的比较值Ta、Tb和T。分别为T_、Tcon和Tbm ； (44)将Ta、Tb和T。输入到调制模块，与给定的载波相比较以生产磁链PWM脉冲波。
【文档编号】H02P21/00GK104167967SQ201410439242
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】胡敏强, 徐鸣飞, 余海涛, 黄磊 申请人:东南大学