一种基于磁链补偿的异步电机控制方法与流程

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于磁链补偿的异步电机控制方法。

背景技术：

节能环保、持续发展已经成为当今世界两大主题。为应对日益严峻的能源消耗，各国都在调整能源政策。据统计，我国电网总负荷的60％为感应电机，而大部分电机运行在额定负载以下，大量的电能被浪费。此外，大功率的异步电机在各种工程机械得到了广泛的应用，使用发电机和电动机的组合替代汽柴油发动机，去掉复杂的齿轮变速箱，并提升系统低速硬特性，“油改电”正是一个大的趋势。为此，各国都大力推广和应用变频调速技术。

对异步电机进行分析时，可用Clarke变换，将异步电机定转子电流、电压、磁链等信号变换成静止坐标系下的分量。利用“功率等效”原则，得到静止坐标系下的异步电机模型。

异步电机标量控制方式。异步电机标量控制方式以“恒压频比”即V/F控制方式为代表。它利用电机运行时，电机的定子电压幅值和频率之比近似为定值，因此，根据电机输出频率线性的调节输出电压即可对电机进行控制。其常见的控制方式为：给定的电机输出频率经过V/F曲线得到电机输出电压和频率给定值，逆变器通过调制单元控制IGBT开关器件将输出电压和频率给定值输出至电机。电机根据逆变器输出电压和频率进行运行。

异步电机矢量控制方式。异步电机利用两相电机模型，将静止两相坐标系下的电机变量通过PARK变换，变换到转子磁链旋转坐标系。从而得到与直流电机类似的转矩表达式，而定子电流在此旋转坐标系下的两个分量电流也表现出相互独立的特性，从而获得媲美直流调速系统的快速转矩响应。而在工程应用上，一般也使用基于转差控制的“间接矢量控制”方式。其控制方式为：给定电机在同步旋转坐标系下的励磁电流和转矩电流分量，励磁电流给定值和励磁电流反馈值通过电流调节器得到励磁电压给定值分量；转矩电流给定值和转矩电流反馈值由另一个电流调节器得到转矩电压给定值分量。励磁电压给定值与转矩电压给定值可确定逆变器的输出电压幅值。励磁电流与转矩电流反馈值通过磁链转矩观测器计算得到。磁链观测器利用输入的电机电流和电机电压，通过静止坐标系下的电机模型，计算出电机的转子磁链的相位角以及转差频率给定值。此转差频率给定值与实际电机频率之和为逆变器的输出频率给定值。逆变器通过调制单元控制IGBT开关器件将输出电压幅值和频率给定值输出至电机。电机根据逆变器输出电压和频率进行运行。

目前针对异步电机的主要控制方法有以“V/F”为代表的标量控制和转差矢量控制方式。V/F控制由于其控制简单可靠，对电机参数不敏感，在低成本、对转矩特性要求不高的调速场合得到了大量的应用。但其低速性能较差，转矩响应较慢。矢量控制控制性能好，但其严重依赖于电机参数，在电机温度变化较大的应用情形下，电机参数会发生较大偏移，造成转子磁链矢量的相位角与转差频率很难计算准确，从而引起控制性能下降。可见，这两种常见控制方式在工程应用上均互有优劣。

技术实现要素：

本发明的目的为结合以上两种控制方式的优点，提供一种简单可靠、转矩响应好，对参数依赖性低的基于磁链补偿的异步电机控制方法。

为了达到此目的，本发明的技术方案是：一种基于磁链补偿的异步电机控制方法，其步骤为：

步骤1、将直流电压、电机电流、电机电压、电机角频率经矢量变换输入至磁链转矩观测器，磁链转矩观测器根据异步电机静止坐标系模型和以上输入参数计算出电机转矩、气隙磁链幅值；

步骤2、将计算得到的实际电机转矩和气隙磁链幅值送至转矩调节器和磁链调节器，经限幅后，分别得到转差频率给定值与电压补偿值；

步骤3、电机角频率与转差频率给定值之和即为逆变器输出频率给定值，根据逆变器输出频率给定值得到V/F曲线上的逆变器的基础输出电压给定值；

步骤4、逆变器的基础输出电压给定值与磁链幅值调节器得到的电压补偿值之和即为逆变器的输出电压给定值；

步骤5、将逆变器的输出电压给定值和逆变器输出频率给定值输入至调制单元，逆变器通过调制单元控制IGBT的开关状态将输出电压给定值和频率给定值输出至电机。

优选的，所述步骤1的电机电压是根据直流电压与逆变器的开关状态进行重构得到的。

优选的，所述步骤5的调制单元为空间矢量调制单元SVPWM。

本发明的有益技术效果是，利用磁链幅值调节器结合V/F控制曲线可大幅改善电机输出转矩响应速度；磁链幅值调节器使用磁链幅值，而非矢量控制方式的解耦后的磁链值，大大降低了对电机参数的依赖性，控制性能较高；利用转矩调节器结合电机转速实现电机转差控制，使电机输出转矩波动小。

附图说明

图1为异步电机每相近似等效电路；

图2为本发明实施例控制原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

参照附图，一种基于磁链补偿的异步电机控制方法，其步骤为：

步骤1、将直流电压、电机电流、电机电压、电机角频率经矢量变换6输入至磁链转矩观测器3，磁链转矩观测器3根据异步电机8静止坐标系模型和以上输入参数计算出电机转矩、气隙磁链幅值，所述电机电压是根据直流电压与逆变器的开关状态进行重构得到的；

步骤2、将计算得到的实际电机转矩和气隙磁链幅值送至转矩调节器1和磁链调节器2，经限幅4后，分别得到转差频率给定值与电压补偿值；

步骤3、电机角频率与转差频率给定值之和即为逆变器输出频率给定值，根据逆变器输出频率给定值得到V/F曲线5上的逆变器的基础输出电压给定值；

步骤4、逆变器的基础输出电压给定值与磁链幅值调节器得到的电压补偿值之和即为逆变器的输出电压给定值；

步骤5、将逆变器的输出电压给定值和逆变器输出频率给定值输入至调制单元，逆变器通过调制单元控制IGBT的开关状态将输出电压给定值和频率给定值输出至电机，所述调制单元为空间矢量调制SVPWM7。

本发明附图1为异步电机8每相近似等效电路，其中Rs、L1s、Lm、L1r、Rr、s分别为定子电阻、定子漏感、互感、转子漏感、转子电阻和转差率。电机的电磁转矩计算公式为：其中Te为电机电磁转矩、P为极对数、Ir为转子电流，Rr为转子电阻、s为转差率，w_e为电机角频率。由等效电路可得电机转子电流为其中，Vs为定子电压，代入电磁转矩计算公式，可得考虑到Ψ_m＝V_s/w_e，R_r²>>w_sl²L_1r²，s²≈0，其中Ψ_m为气隙磁链，w_sl为转差频率，上式可化简为：该公式为本发明的理论依据。上式表明，在磁链Ψ_m幅值恒定时，转矩T_e与转差频率w_sl成正比。因此，可通过补偿V/F曲线5来稳定Ψ_m，通过转差控制来调节电机转矩。

本发明通过磁链幅值和转矩的双闭环对电机进行控制。磁链幅值控制中结合了V/F曲线5，因为要保持电机磁链恒定，逆变器输出电压必然在输出频率对应的V/F曲线5附近，因此，结合磁链幅值调节器补偿V/F曲线5，不但可以使电机的磁链大致保持稳定，更重要的是大大减少了稳定磁链调节所需要的时间，进而改善了转矩响应速度。而转矩闭环后得到转差频率的给定值，通过加上电机实际速度，即可得到逆变器输出频率。

本发明除了利用磁链幅值调节器结合V/F曲线5大幅改善电机输出转矩响应速度以外，还通过磁链幅值调节器使用磁链幅值，而非矢量控制方式的解耦后的磁链值，大大降低了对电机参数的依赖性，控制性能较高；利用转矩调节器1结合电机转速实现电机转差控制，使电机输出转矩波动小。

以上只是本发明的一种实施方式，一个优选示范例。本发明申请请求保护的范围并不只限于所述实施方式。凡与本实施例等效的技术方案均属于本发明的保护范围。