一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及感应电动机变频调速领域，尤其涉及利用矢量控制技术的一种感应电动机变频调速系统及控制方法。

背景技术：

感应电动机被广泛地应用于工业应用中，由于其可靠性、鲁棒性、低成本和较低的维护等原因。电机驱动的电力消耗占在工业中总电力的50％以上，而电机驱动的电力消耗的65％以上是由感应电动机消耗的。尽管感应电动机的原理早在100年前就被人们掌握，但仍有相当大的进展正在实现。这是由于材料、电力电子技术和高速数字控制器的进步。高性能的电机驱动应用需要快速的转矩响应。而电力电子设备和高速控制器的进步，可以提供快速的感应电机转矩响应控制。

矢量控制是一种高动态性能的感应电动机变频控制方法。矢量控制通过控制电压、电流和磁链矢量的频率、幅值和瞬时位置，实现转矩与磁链的解耦控制，从而获得快速的转矩响应控制。矢量控制，也称磁场定向控制，于1972年被提出。达姆施塔特工业大学的K.Hasse教授提出了间接矢量控制，西门子公司的F.Blaschke工程师于提出了直接矢量控制。尽管都是矢量控制，但二者的实现方法有所不同。

直接矢量控制采用磁链闭环控制方式，依靠测量或磁链观测器获得转子磁链矢量的幅值与空间位置信息，实现转矩与磁链的解耦控制；间接矢量控制采用磁链开环控制方式，依靠矢量控制方程中的转差频率计算公式求得转差频率，在与电机转速相加后，通过积分来计算转子磁链矢量的空间位置，实现转矩与磁链的解耦控制。

间接矢量控制方法结构比较简单，而且可以消除动态过程中转矩电流的波动，提高调速系统的动态性能。同时，间接矢量控制在全速范围内具有更高的控制精度，尤其是在低速时。因此早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用间接矢量控制方式。间接矢量控制方法有两种，其中常用的一种是前馈型间接矢量控制，就是利用给定输入信号实现转子磁链矢量空间位置的计算，从而实现对感应电动机的控制。

异步电动机在mt同步旋转坐标系下的数学模型描述如下：

式中，L_r为转子电感，L_m为定、转子之间互感，L_s为定子电感，R_r为转子电阻，R_s为定子电阻，T_r为转子时间常数，ω_s为转差角速度，ω_r为转子角速度，ω₁为同步角速度，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩，J为转动惯量，n_p为极对数。

ψ_r为转子磁链矢量的幅值，i_sm为定子电流励磁分量，i_st为定子电流转矩分量，u_sm为定子电压m轴分量，u_st为定子电压t轴分量。

通过转子磁场定向，定子电流被分解为定子电流励磁分量i_sm和定子电流转矩分量i_st。对式(1)整理可得

由式(7)可知，转子磁链矢量的幅值ψ_r仅有定子电流励磁分量i_sm产生，与定子电流转矩分量i_st无关。

由式(5)可知，在转子磁链矢量的幅值ψ_r不变的情况下，电磁转矩T_e由定子电流转矩分量i_st唯一决定。从而像直流电动机一样，实现磁链和电磁转矩的解耦控制。

由式(2)可知，在转子磁链矢量的幅值ψ_r不变的情况下，通过控制转差角速度ω_s就可以控制定子电流转矩分量i_st，从而控制感应电动机的电磁转矩。间接矢量控制就是利用矢量控制方程中的转差公式(2)构成转差型的矢量控制系统，实现转子磁链矢量的间接矢量控制。

图1为感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统原理图。它的工作原理就是利用转速给定信号和反馈信号ω_r的差值通过速度控制器得到定子电流转矩分量的给定信号利用转子磁链矢量幅值的给定信号通过L_m参数除法运算器得到定子电流励磁分量的给定信号

利用转子磁链矢量幅值的给定信号和定子电流转矩分量的给定信号通过L_m参数乘法运算器、T_r参数除法运算器和除法运算控制器得到出转差角速度的给定信号再利用转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号通过加法运算控制器得到同步转速的给定信号并通过积分控制器得到转子磁链矢量的空间位置信号

利用转子磁链矢量的空间位置信号通过两相旋转/三相静止坐标变换电路，把定子电流转矩分量的给定信号和定子电流励磁分量的给定信号转换成三相定子电流的给定信号并与三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc相比较，通过电流滞环跟踪PWM信号发生器得到驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c，利用控制信号S_a、S_b、S_c去驱动逆变器工作，从而实现对转矩和磁链的解耦控制。

图2-5分别是感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的转子磁链幅值波形、定子电流转矩分量波形、电磁转矩波形和转速波形。从图2-5可以看出，在感应电动机加速起动阶段，由于转子磁链矢量幅值振荡剧烈，致使转子磁链与电磁转矩不能很好地解耦，所以，虽然定子电流转矩分量保持恒定最大值，但电磁转矩却不能一直保持恒定最大值，从而导致感应电动机加速起动阶段不能像直流双闭环调速系统那样恒加速起动，降低了感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的控制性能。

有鉴于上述现有的感应电动机前馈型间接矢量控制系统存在的缺陷，本发明人基于多年的丰富经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新型的感应电动机前馈型间接矢量控制系统及其控制方法，能够改进一般现有控制系统存在的缺陷，使其更具有实用性，经过不断的研究、设计，终于创设出确具实用价值的本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统及其控制方法，以解决感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的转子磁链矢量幅值振荡剧烈、转子磁链与电磁转矩不能很好地解耦和感应电动机加速起动阶段不能恒加速起动等难题，使得感应电动机转子磁链矢量幅值振荡大大减小，真正实现感应电动机磁链与转矩的解耦控制，使系统的控制性能达到直流双闭环调速系统的水平。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统，其中包括速度控制器、L_m参数除法运算器、T_r参数除法运算器、低截止频率低通滤波器、除法运算控制器、加法运算控制器、积分控制器、两相旋转/三相静止坐标变换电路、电流滞环跟踪PWM信号发生器、电压源型逆变器和感应电动机；

所述低截止频率低通滤波器的输入端与L_m参数除法运算器连接，T_r参数除法运算器的输入端与速度控制器连接；所述除法运算控制器的第一输入端与T_r参数除法运算器连接，第二输入端与低截止频率低通滤波器连接；所述加法运算控制器的第一输入端与除法运算控制器连接，第二输入端与速度测量电路连接；所述积分控制器的输入端与加法运算控制器连接；

所述两相旋转/三相静止坐标变换电路的第一输入端与速度控制器连接，第二输入端与L_m参数除法运算器连接，第三输入端与积分控制器连接；所述电流滞环跟踪PWM信号发生器的第一、二、三输入端与两相旋转/三相静止坐标变换电路连接，第四、五、六输入端与电流测量电路连接；所述电流滞环跟踪PWM信号发生器通过电压源型逆变器与感应电动机连接。

前述的一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统，其中，所述低截止频率低通滤波器是把阶跃突变的定子电流励磁分量的给定信号变成缓慢变化的给定电流的m轴分量信号的一种滤波器。

前述的一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统，其中，所述T_r参数除法运算器就是把定子电流转矩分量的给定信号除以转子时间常数T_r得到给定电流的t轴分量信号的一种运算器。

前述的一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统，其中，所述除法运算控制器就是把给定电流的t轴分量信号除以给定电流的m轴分量信号得到转差角速度的给定信号的一种控制器。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案进一步实现。

一种前述控制系统的控制方法，其具体包括以下步骤：

(1)、设定参数，具体包括：设定转子磁链矢量幅值的给定信号和速度的给定信号设定速度控制器的比例参数K_p和积分参数K_I，设定L_m参数除法运算器的参数L_m，设定T_r参数除法运算器的参数T_r，设定低截止频率低通滤波器的截止频率ω_c，设定电流滞环跟踪PWM信号发生器的滞环宽度h；

(2)、通过速度测量电路得到转速的反馈信号ω_r；

(3)、通过电流测量电路得到三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc；

(4)、利用速度控制器获得定子电流转矩分量的给定信号

(5)、利用L_m参数除法运算器计算出定子电流励磁分量的给定信号

整理式(7)得到转子磁链矢量幅值的给定信号和定子电流励磁分量的给定信号的关系式：

由于转子磁链矢量幅值的给定信号是常数，因此，式(8)还可以变为

(6)、利用T_r参数除法运算器计算出给定电流的t轴分量信号

定子电流转矩分量的给定信号和给定电流的t轴分量信号的关系式为

(7)、利用低截止频率低通滤波器获得给定电流的m轴分量信号

定子电流励磁分量的给定信号与给定电流的m轴分量信号的关系式为

(8)、利用除法运算控制器计算出转差角速度的给定信号

转差角速度的给定信号与给定电流的t轴分量信号和给定电流的m轴分量信号的关系式为

(9)、利用加法运算控制器计算出同步转速的给定信号

同步转速的给定信号与转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号的关系式为

(10)、利用积分控制器计算出转子磁链矢量的空间位置信号

转子磁链矢量的空间位置信号与同步转速的给定信号关系式为

(11)、利用两相旋转/三相静止坐标变换电路获得三相定子电流的给定信号

把定子电流励磁分量的给定信号和定子电流转矩分量的给定信号根据转子磁链矢量的空间位置信号转换成三相定子电流的给定信号的两相旋转/三相静止坐标变换电路的表达式为

(12)、利用电流滞环跟踪PWM信号发生器生成驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c；

把三相定子电流的给定信号分别与三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc相比较：

A相：当时，S_a＝1；当时，S_a＝0。

B相：当时，S_b＝1；当时，S_b＝0。

C相：当时，S_c＝1；当时，S_c＝0。

(13)、利用驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c驱动电压源型逆变器工作，实现对感应电动机的控制。

本发明的特点在于：利用低截止频率低通滤波器把定子电流励磁分量的给定信号(而不是转子磁链矢量幅值的给定信号)变为给定电流的m轴分量信号同时只需利用T_r参数除法运算器(而不再利用L_m参数乘法运算器)把定子电流转矩分量的给定信号变为给定电流的t轴分量信号利用除法运算控制器把给定电流的t轴分量信号和给定电流的m轴分量信号相除得到转差角速度的给定信号利用加法运算控制器把转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号相加得到同步转速的给定信号再利用积分控制器把同步转速的给定信号变为转子磁链矢量的空间位置信号根据转子磁链矢量的空间位置信号利用两相旋转/三相静止坐标变换电路和电流滞环跟踪PWM信号发生器生成驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c；最后利用驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c去驱动逆变器工作，从而实现对感应电动机转矩和磁链的解耦控制。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，借由上述技术方案，本发明一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统的控制装置可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本发明省略了L_m参数乘法运算器，只需利用T_r参数除法运算器把定子电流转矩分量的给定信号变为给定电流的t轴分量信号不再采用转子磁链矢量幅值的给定信号作为输入信号，而是采用定子电流励磁分量的给定信号作为输入信号，增加一个低截止频率低通滤波器把定子电流励磁分量的给定信号变为给定电流的m轴分量信号然后利用除法运算控制器、加法运算控制器和积分控制器计算出转子磁链矢量的空间位置信号实现对感应电动机的控制。

(2)与感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统相比，本发明使得感应电动机转子磁链矢量幅值振荡大大减小，加快了定子电流转矩分量i_st的动态响应，保证了在转速起动阶段电磁转矩一直保持恒定最大值，从而保证了感应电动机的恒加速起动，最终真正实现感应电动机磁链与转矩的解耦控制，使得系统的控制性能达到直流双闭环调速系统的水平。仿真实验证明达到了预期的目的。

综上所述，本发明一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统及其控制方法在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1.感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的结构示意图。

图2.感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的转子磁链幅值波形。

图3.感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的定子电流转矩分量波形。

图4.感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的电磁转矩波形。

图5.感应电动机传统前馈型间接矢量控制系统的转速波形。

图6.感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的结构示意图。

图7.感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的转子磁链幅值波形。

图8.感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的定子电流转矩分量波形。

图9.感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的电磁转矩波形。

图10.感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的转速波形。

【主要元件符号说明】

M:感应电动机

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统及其控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明一种感应电动机前馈型间接矢量控制系统，包括速度控制器、L_m参数除法运算器、T_r参数除法运算器、低截止频率低通滤波器、除法运算控制器、加法运算控制器、积分控制器、两相旋转/三相静止坐标变换电路、电流滞环跟踪PWM信号发生器、电压源型逆变器和感应电动机；

其中，低截止频率低通滤波器的输入端与L_m参数除法运算器连接，T_r参数除法运算器的输入端与速度控制器连接；除法运算控制器的第一输入端与T_r参数除法运算器连接，第二输入端与低截止频率低通滤波器连接；加法运算控制器的第一输入端与除法运算控制器连接，第二输入端与速度测量电路连接；积分控制器的输入端与加法运算控制器连接；

两相旋转/三相静止坐标变换电路的第一输入端与速度控制器连接，第二输入端与L_m参数除法运算器连接，第三输入端与积分控制器连接；所述电流滞环跟踪PWM信号发生器的第一、二、三输入端与两相旋转/三相静止坐标变换电路连接，第四、五、六输入端与电流测量电路连接；电流滞环跟踪PWM信号发生器通过电压源型逆变器与感应电动机连接。

对速度控制器、L_m参数除法运算器、T_r参数除法运算器、低截止频率低通滤波器、除法运算控制器、加法运算控制器、积分控制器、两相旋转/三相静止坐标变换电路和电流滞环跟踪PWM信号发生器分别说明如下：

(1)速度控制器

速度控制器通过对转速的给定信号和转速的反馈信号ω_r的差值进行调节输出定子电流转矩分量的给定信号速度控制器采用比例积分控制器，利用下式实现：

经过转子磁场定向后的的感应电动机电磁转矩可以表示为：

由式(17)可知，在转子磁链幅值恒定的条件下，电磁转矩与定子电流转矩分量成正比，因此只要能够随心所欲控制好定子电流转矩分量就能控制好感应电动机的电磁转矩，从而获得高性能的交流调速系统。

(2)L_m参数除法运算器

L_m参数除法运算器把转子磁链矢量幅值的给定信号除以感应电动机的定转子互感L_m得到定子电流励磁分量的给定信号

整理式(7)得到转子磁链矢量幅值的给定信号和定子电流励磁分量的给定信号的关系式：

式中，s为微分算子，由于转子磁链矢量幅值的给定信号是常数，

因此，式(8)还可以变为

(3)T_r参数除法运算器

T_r参数除法运算器就是把定子电流转矩分量的给定信号除以转子时间常数T_r得到给定电流的t轴分量信号

定子电流转矩分量的给定信号和给定电流的t轴分量信号的关系式为

(4)低截止频率低通滤波器

低截止频率低通滤波器就是把阶跃突变的定子电流励磁分量的给定信号变成缓慢变化的给定电流的m轴分量信号

定子电流励磁分量的给定信号与给定电流的m轴分量信号的关系式为

(5)除法运算控制器

除法运算控制器就是把给定电流的t轴分量信号除以给定电流的m轴分量信号得到转差角速度的给定信号

转差角速度的给定信号与给定电流的t轴分量信号和给定电流的m轴分量信号的关系式为

(6)加法运算控制器

加法运算控制器就是把转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号相加得到同步转速的给定信号

同步转速的给定信号与转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号的关系式为

(7)积分控制器

积分控制器就是把同步转速的给定信号积分得到转子磁链矢量的空间位置信号

转子磁链矢量的空间位置信号与同步转速的给定信号关系式为

(8)两相旋转/三相静止坐标变换电路

两相旋转/三相静止坐标变换电路就是根据转子磁链矢量的空间位置信号把定子电流励磁分量的给定信号和定子电流转矩分量的给定信号转换成三相定子电流的给定信号

两相旋转/三相静止坐标变换电路的表达式为

(9)电流滞环跟踪PWM信号发生器

电流滞环跟踪PWM信号发生器就是把三相定子电流的给定信号与三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc相比较得到驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c。

把三相定子电流的给定信号分别与三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc相比较：

A相：当时，S_a＝1；当时，S_a＝0。

B相：当时，S_b＝1；当时，S_b＝0。

C相：当时，S_c＝1；当时，S_c＝0。

最后，利用驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c驱动电压源型逆变器工作，实现对感应电动机的控制。

本发明感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的结构示意图如图6所示。

首先利用速度控制器把转速的偏差信号变为定子电流转矩分量的给定信号利用L_m参数除法运算器把转子磁链矢量幅值的给定信号变为定子电流励磁分量的给定信号其次利用T_r参数除法运算器把定子电流转矩分量的给定信号变为给定电流的t轴分量信号利用低截止频率低通滤波器把定子电流励磁分量的给定信号变为给定电流的m轴分量信号再次利用除法运算控制器把给定电流的t轴分量信号和给定电流的m轴分量信号相除得到转差角速度的给定信号利用加法运算控制器把转速的反馈信号ω_r和转差角速度的给定信号相加得到同步转速的给定信号再利用积分控制器把同步转速的给定信号变为转子磁链矢量的空间位置信号然后利用两相旋转/三相静止坐标变换电路根据转子磁链矢量的空间位置信号把定子电流转矩分量的给定信号和定子电流励磁分量的给定信号转换成三相定子电流的给定信号利用电流滞环跟踪PWM信号发生器把三相定子电流的给定信号和三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc相比较得到驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c；最后利用驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c去驱动逆变器工作，从而实现对转矩和磁链的解耦控制。

具体而言，它依次含有以下步骤：

1：设定转子磁链矢量幅值的给定信号和速度的给定信号

2：设定速度控制器的比例参数K_p和积分参数K_I；

3：设定L_m参数除法运算器的参数L_m；

4：设定T_r参数除法运算器的参数T_r；

5：设定低截止频率低通滤波器的截止频率ω_c；

6：设定电流滞环跟踪PWM信号发生器的滞环宽度h；

7：通过速度测量电路得到转速的反馈信号ω_r；

8：通过电流测量电路得到三相定子电流的反馈信号i_sa、i_sb、i_sc；

9：利用速度控制器获得定子电流转矩分量的给定信号

10：利用L_m参数除法运算器计算出定子电流励磁分量的给定信号

11：利用T_r参数除法运算器计算出给定电流的t轴分量信号

12：利用低截止频率低通滤波器获得给定电流的m轴分量信号

13：利用除法运算控制器计算出转差角速度的给定信号

14：利用加法运算控制器计算出同步转速的给定信号

15：利用积分控制器计算出转子磁链矢量的空间位置信号

16：利用两相旋转/三相静止坐标变换电路获得出三相定子电流的给定信号

17：利用电流滞环跟踪PWM信号发生器生成驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c；

18：利用驱动逆变器的控制信号S_a、S_b、S_c驱动逆变器工作，实现对感应电动机的控制。

为验证本发明方法，采用MATLAB2010a进行仿真验证。速度控制器参数整定后，K_p＝10.3，K_I＝21.4。

图7为感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的转子磁链幅值波形，图8为感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的定子电流转矩分量波形；图9为感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的电磁转矩波形；图10为感应电动机新型前馈型间接矢量控制系统的转速波形。

比较图2-5与图7-10可知，本发明使得感应电动机转子磁链矢量幅值振荡大大减小，加快了定子电流转矩分量i_st的动态响应，保证了在转速起动阶段电磁转矩一直保持恒定最大值，从而保证了感应电动机的恒加速起动，最终真正实现感应电动机磁链与转矩的解耦控制，使得系统的控制性能达到直流双闭环调速系统的水平。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。