一种基于磁场定向控制的感应电机控制方法与流程

本发明属于感应电动机领域，具体涉及一种基于磁场定向控制的感应电机控制方法。

背景技术：

近年来，随着现代电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展，感应电动机交流传动技术已广泛应用于工农业、交通运输等国民经济的调速领域，现在从数百瓦的伺服系统至数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，几乎都可釆用交流调速技术。这些应用包括风机、造纸厂、纺织厂、地铁和机车牵引、电动和混合汽车、机床和机器人、家用电器和风力发电等诸多领域。交流调速传动系统的广泛应用及其迅猛发展趋势表明，交流传动系统已成为当前电力传动控制的主要发展方向，并在大多数场合取代了直流传动系统。

20世纪70年代初，德国西门子公司的工程师发表了“感应电机磁场定向的控制原理”美国P.C.Custman与A.A.Clarke申请了专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。矢量控制的提出标志着交流调速理论的重大突破。矢量控制又称磁场定向控制其基本思想是把交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，将电机定子电流的励磁电流分量与转矩电流分量独立开来分别进行控制，这样，通过坐标变换就可等效为直流电机，从而实现和他励直流电机一样快速的转矩和磁通控制。

在工业领域，磁场定向控制在感应电动机的调速上具有广泛的应用，但是传统的磁场定向控制方法在电流解耦的过程中只考虑了感应电动机的模型，而没有考虑逆变器对输出电流、输出电压和输出转矩的影响。因此，传统的磁场定向控制方法在控制小功率感应电动机且逆变器的开通和关断的频率高时具有良好的控制性能，但当所控制的电机为大功率感应电动机或逆变器的开通和关断的频率低时，系统的控制性能则会下降，尤其是在感应电动机起动或变负载时，输出电流、电压和转矩不稳定。因此，对于大功率感应电动机、逆变器的开通和关断的频率低且对电机的调速有较高精度和稳定性要求的应用场合则将无法采用传统的磁场定向控制方法。本发明为一种新型的基于磁场定向控制的感应电动机控制方法，通过补偿逆变器的影响提高了感应电动机的调速性能，并且适用范围更广。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁场定向控制的感应电机控制方法，该方法对感应电动机的调速具有良好的动态性能和稳定性，并且本发明较传统磁场定向控制具有更高的精度、稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于磁场定向控制的感应电机控制方法，包括如下步骤，

步骤S1：将所测得的感应电动机三相电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq变换获得实际的定子电流d轴、q轴分量i_sd、i_sq；

步骤S2：根据实际的定子电流分量i_sd、i_sq、转子的电角速度ω_m以及感应电动机数学模型计算获得电磁转矩T_em、转子磁链d轴分量λ_rd以及转子磁场磁链d轴与定子a相轴线的夹角θ_da；感应电动机数学模型为：

λ_rd＝L_mi_sd

其中，p为电动机的极对数，L_m为定转子互感，L_r为转子自感，R_r为转子阻抗，

步骤S3：转子磁链参考值等于额定值，转子磁链额定值通过式λ_rd＝L_mi_sd将额定电流代入求得；转子参考磁链d轴分量与步骤S2中获得计算值经磁链控制器获得定子参考电流的d轴分量

步骤S4：光电编码器检测获得的感应电动机实际转速与设定的参考转速经转速控制器获得定子参考电流的q轴分量

步骤S5：将步骤S3和步骤S4中获得的定子参考电流分量和与步骤S1中的实际定子电流分量i_sd、i_sq通过同步电流控制器输出定子参考电压考虑到PWM逆变器的器件的开通和关断会对系统控制性能造成影响，需要进行优化，因此同步电流控制器的数学模型为：

其中漏磁系数K_p为比例系数，K_i为积分系数，L_m为定转子互感，L_r为转子自感，L_s为定子自感，T_VSI为输出PWM波的周期，v_sd和v_sq为实际输出电压值，ω_d为转子磁场旋转电角速度；

步骤S6：将步骤S5中获得的定子参考电压和进行dq-abc变换获得定子三相参考电压通过脉宽调制技术将定子三相参考电压转变成对应的PWM电压脉冲，通过输出的PWM电压脉冲控制DC/AC逆变器的输出电压，从而实现对感应电动机的调速控制。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、减轻了PWM逆变器对控制性能的不利影响；

2、具有良好的动态性能，稳定性，较传统磁场定向控制具有更高的精度和可靠。

附图说明

图1为本发明为磁场定向控制流程图。

图2为本发明的感应电动机磁场定向控制的原理图。

图3为本发明的同步电流控制器的框图。

图4为传统磁场定向控制方法在感应电动机起动、稳态运行和变负载时的定子电流和输出转矩实验结果图。

图5为本发明方法在感应电动机起动、稳态运行和变负载时的定子电流和输出转矩实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种基于磁场定向控制的感应电机控制方法，包括如下步骤，

步骤S1：将所测得的感应电动机三相电流i_sa、i_sb、i_sc进行abc-dq变换获得实际的定子电流d轴、q轴分量i_sd、i_sq；

步骤S2：根据实际的定子电流分量i_sd、i_sq、转子的电角速度ω_m以及感应电动机数学模型计算获得电磁转矩T_em、转子磁链d轴分量λ_rd以及转子磁场磁链d轴与定子a相轴线的夹角θ_da；感应电动机数学模型为：

λ_rd＝L_mi_sd

其中，p为电动机的极对数，L_m为定转子互感，L_r为转子自感，R_r为转子阻抗，

步骤S3：转子磁链参考值等于额定值，转子磁链额定值通过式λ_rd＝L_mi_sd将额定电流代入求得；转子参考磁链d轴分量与步骤S2中获得计算值经磁链控制器获得定子参考电流的d轴分量

步骤S4：光电编码器检测获得的感应电动机实际转速与设定的参考转速经转速控制器获得定子参考电流的q轴分量

步骤S5：将步骤S3和步骤S4中获得的定子参考电流分量和与步骤S1中的实际定子电流分量i_sd、i_sq通过同步电流控制器输出定子参考电压考虑到PWM逆变器的器件的开通和关断会对系统控制性能造成影响，需要进行优化，因此同步电流控制器的数学模型为：

其中漏磁系数K_p为比例系数，K_i为积分系数，L_m为定转子互感，L_r为转子自感，L_s为定子自感，T_VSI为输出PWM波的周期，v_sd和v_sq为实际输出电压值，ω_d为转子磁场旋转电角速度；

步骤S6：将步骤S5中获得的定子参考电压和进行dq-abc变换获得定子三相参考电压通过脉宽调制技术将定子三相参考电压转变成对应的PWM电压脉冲，通过输出的PWM电压脉冲控制DC/AC逆变器的输出电压，从而实现对感应电动机的调速控制。

以下为本发明的具体实现过程。

如图1为磁场定向控制流程。通过感应电动机数学模型获得电磁转矩T_em、转子磁链d轴分量λ_rd以及转子磁场磁链d轴与定子a相轴线的夹角θ_da，再通过磁链控制器和转速控制器获得定子参考电流的最后通过同步电流控制器和DC/AC逆变器调节电压控制电机转速。

如图2为本发明的感应电动机磁场定向控制的原理图。感应电动机的磁场定向控制通过坐标变化、磁链控制、转速控制、同步电流控制、DC/AC逆变器，实现了转矩电流和励磁电流的解耦，从而实现了对感应电动机的调速，其中同步电流控制器通过补偿逆变器开关元器件的开通与关断对电机控制带来的影响来改善系统的控制性能，提高调速的精确度和稳定性。

如图3为本发明的同步电流控制器的框图。其数学模型为：

传统的同步电流控制器模型为：

模型中的耦合项为：

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，且K_p、K_i＞0。这种模型是假设电机直接由电网供电，但实际应用中电动机是通过PWM逆变器连接电网。传统模型忽略了PWM逆变器对控制系统的影响。因此在大功率设备应用中逆变器开关频率较低时，对控制系统的影响大。PWM逆变器在控制系统的数学模型为：

由上式可得当T_VSI的取值使ω_daT_VSIv_sd和ω_daT_VSIv_sq无法忽略不计时，对控制器的输出电压将会造成影响。因此通过补偿PWM逆变器的影响构建出新的同步电流控制器的数学模型为：

如图4、图5为传统磁场定向控制方法与本发明方法的起动、稳态以及变负载时输出定子电流和输出转矩对比图。实验采用的感应电动机的额定功率为4000W，额定电压为400V，极对数为2，定子电阻为1.405Ω，转子电阻为1.395Ω，定子漏感为5.8mH，转子漏感为5.8mH，定转子互感为172mH，转动惯量为0.0131kg.m²，调频范围为10Hz到50Hz；使用的PWM逆变器载波频率为1kHz。通过对比图4、图5的实验结果可以看出当使用传统磁场定向控制方法时，定子电流d轴分量在变负载时出现了过冲电流；当使用本发明方法时，,过冲电流受到限制，并且采用本发明方法的感应电动机在稳定运行时转矩输出更为稳定，且输出转矩和定子电流在变负载的过程中波动相对传统磁场定向控制方法小，动态性能更为优秀。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。