基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法与流程

本发明属于异步电机领域，具体涉及一种基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法。

背景技术：

在电机启动性能中的两个重要指标，一般都希望启动尖峰电流较小，同时输出转矩响应速度较快，常规的电机启动方式有直接启动、自耦变压器降压启动、Y－△降压启动、软启动、变频启动等。以上启动方式虽然在提高电机启动性能的某些方面能达到要求，但对大功率电机有时不能同时兼顾这两个指标，主要是由于异步电机的动态数学模型是一个非线性、高阶、强耦合的多变量系统，启动时刻磁链幅值的波动以及整个系统的强耦合性使得启动性能降低。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法，以实现电机启动时减小启动电流，抑制尖峰电流的产生且能够产生较快的转矩响应速度。

为了解决以上技术问题，本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法通过设置采样模块、磁链补偿模块、偏差解耦模块、预磁励模块及逆变器模块实现，包括以下步骤：

步骤一：采样模块采集异步电机的转子角速度ω，将其与给定的转子角速度ω^*输入采样模块的转速调节器，转速调节器输出转差ω_s；采集异步电机的三相电流值i_A、i_B及i_C，使其经数字信号处理模块通过3s/2r变换得到转矩电流值i_sq及励磁电流值i_sd的模拟信号，最后将转矩电流值i_sq及励磁电流值i_sd的模拟信号输入采样模块的A/D转换器，A/D转换器输出异步电机定子磁链ψ_s的数字信号；

步骤二：利用磁链误差补偿模块将步骤一中采集到的异步电机定子磁链ψ_s的数字信号的波动进行补偿，其转矩电流期望值i_sq^*通过公式i_sq^* =k_aω_s-k_bψ_s^*/ψ_s计算得到，其中k_a、k_b为比例系数，ψ_s^*为异步电机定子磁链期望值；励磁电流期望值i_sd^*通过公式i_sd^*=ψ_r^*/L_m计算得到，其中ψ_r^*为转子磁链期望值，L_m为异步电机互感值；

步骤三：将步骤二所得的转矩电流期望值i_sq^*与励磁电流期望值i_sd^*输入数字信号处理模块，从异步电机给定电流期望值和反馈电流的偏差处引入异步电机的外部解耦支路K₁及K₂来抵消异步电机交叉耦合电压的耦合作用，按照完全解耦的条件即d轴电流只受其d轴给定期望电流值i_sd^*的控制，故可以得出K₁、K₂的表达式，，，其中ω₁为转子同步角速度，σ为异步电机漏感系数且σ=1-（L_m²/L_rL_s），L_s为异步电机定子漏感，R_s为异步电机定子电阻，p为微分算子，P_I为解耦模块的电流控制器的传递函数且P_I=k_p+k_i/p，其中k_p和ki分别为电流控制器的p和i参数，再由整个偏差解耦的原理图得到偏差解耦电压Δu_sd及Δu_sq，最终得到解耦后的转矩电流期望值i_sq^’及励磁电流期望值i_sd^’；

步骤四：将步骤一中采集的转子角速度ω与转差ω_s求和后的积分及步骤三得到的转矩电流期望值i_sq^’及励磁电流期望值i_sd^’输入预励磁模块中的矢量运算控制器，将矢量运算控制器输出的异步电机三相电流期望值i_A^*、i_B^*及i_C^*通入预励磁模块中的滞环比较控制器，得到控制脉冲；

步骤五：将步骤四中得到的脉冲来控制逆变器模块中IGBT开关的通断来驱动异步电机的启动。

优选的，所述从电机采集的角速度ω以及电机三相电流值i_A、i_B及i_c经过检测回路进行滤波处理，并去除干扰的毛刺信号。

有益效果

采用本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法，通过预励磁控制设置励磁电流与转矩电流，并加以限幅环节，使电机在启动前提前建立励磁磁场，整个动态过程利用磁链误差补偿来保持磁链的稳定，偏差解耦可以实现整个控制系统的良好解耦效果，本方法在减小电机启动电流，提高转矩响应速度上获得了更好的效果。

附图说明

图1为本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法的示意图；

图2为本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法的偏差解耦控制的原理图；

图3为本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法的电机矢量控制示意图；

图中标记：1、采样模块，2、磁链补偿模块，3、偏差解耦模块，4、直流预磁励模块，5、逆变器模块。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的基于磁链补偿及偏差解耦的异步电机直流预励磁启动方法通过设置采样模块、磁链补偿模块、偏差解耦模块、预磁励模块、逆变器模块及数字信号处理模块实现，包括以下步骤：

步骤一：采样模块采集异步电机的转子角速度ω，将其与给定的转子角速度ω^*输入采样模块的转速调节器，转速调节器输出转差ω_s；采集异步电机的三相电流值i_A、i_B及i_C，使其经数字信号处理模块通过3s/2r变换得到转矩电流值i_sq及励磁电流值i_sd的模拟信号，最后将转矩电流值i_sq及励磁电流值i_sd的模拟信号输入采样模块的A/D转换器，A/D转换器输出电机定子磁链ψ_s的数字信号；在本实施例中，从异步电机采集的角速度ω以及异步电机的三相电流值i_A、i_B及i_c经过检测回路进行滤波处理，并去除干扰的毛刺信号；

步骤二：利用磁链误差补偿模块将步骤一中采集到的异步电机定子磁链ψ_s的数字信号的波动进行补偿，其转矩电流期望值i_sq^*通过公式i_sq^* =k_aω_s-k_bψ_s^*/ψ_s计算得到，其中k_a、k_b为比例系数，ψ_s^*为异步电机定子磁链期望值；励磁电流期望值i_sd^*通过公式i_sd^*=ψ_r^*/L_m计算得到，其中ψ_r^*为转子磁链期望值，L_m为异步电机互感值；

步骤三：针对前馈解耦与反馈解耦对电机参数有较强的依赖性，并且在较低的开关频率时也不能完全解耦，根据异步电机的数学模型可以得到其基本框图，而加上偏差解耦后的整个控制框图就如图2所示。为了消除异步电机交叉耦合电压项，同时根据控制理论的不变性原理，其引入的外部支路即为K₁及K₂支路，并且引入后d、q虚线左右相等，将步骤二所得的转矩电流期望值i_sq^*与励磁电流期望值i_sd^*输入数字信号处理模块，从电机给定电流期望值和反馈电流的偏差处引入异步电机的外部解耦支路K₁及K₂来抵消异步电机交叉耦合电压的耦合作用，按照完全解耦的条件即d轴电流只受其d轴给定期望电流值i_sd^*的控制，故可以得出K₁及K₂的表达式，，，其中ω₁为转子同步角速度，σ为异步电机漏感系数且σ=1-（L_m²/L_rL_s），L_s为异步电机定子漏感，R_s为异步电机定子电阻，p为微分算子，P_I为解耦模块的电流控制器的传递函数且P_I=k_p+k_i/p，其中k_p和ki分别为电流控制器的p和i参数，再由整个偏差解耦的原理图得到偏差解耦电压Δu_sd及Δu_sq，最终得到解耦后的转矩电流期望值i_sq^’及励磁电流期望值i_sd^’；

步骤四：将步骤一中采集的转子角速度ω与转差ω_s求和后的积分及步骤三得到的转矩电流期望值i_sq^’及励磁电流期望值i_sd^’输入预励磁模块中的矢量运算控制器，将矢量运算控制器输出的异步电机三相电流期望值i_A^*、i_B^*及i_C^*通入预励磁模块中的滞环比较控制器，得到控制脉冲；

步骤五：将步骤四中得到的脉冲来控制逆变器模块中IGBT开关的通断来驱动异步电机的启动。

首先对电机磁链的波动进行磁链幅值误差补偿。其补偿主要是在低频段起作用，电机在低频段运行时，定子电阻上消耗了大部分定子端电压，同时由于电机在运行过程中定子电阻并不是一个固定值，它会随着电机温度升高而变化，不可避免使得励磁电压波动降低，磁链幅值会减小而波动，这样可以通过磁链补偿环节对磁链波动经行补偿。磁链幅值误差的补偿由i_sq^* =k_aω_s-k_bψ_s^*/ψ_s确定，其中ka、kb为比例系数，由于磁链是通过定子电压电流来控制的，保持d轴分量不变，则磁链d轴分量不变，但磁链幅值还受q轴分量的影响，由于电压的波动而引入磁链幅值误差补偿，实际上就是在控制过程中抵消q轴分量的影响，保证磁链的稳定。

其次，在解耦方法上前馈解耦需要电机的参数计算值与实际值高度吻合；反馈解耦虽然提高了电机的解耦控制能力，但是电机转速变化较大时将会产生一个较大的扰动，将会影响系统的解耦效果。偏差解耦采用电流的偏差进行耦合电压项的计算，避免了解耦电压计算的定子电流的延迟，且电流值是根据电机解耦所需的电流来提供，并且对电机参数的变化有较强的鲁棒性。

电机预励磁启动方法即在电机启动前通过预励磁控制对励磁电流i_sd设定，使电机启动前提前建立所需的励磁磁场，然后再控制转矩电流i_sq的变化达到所需要求来控制电机启动，而由MTPA原则可知，当控制转矩电流i_sq与励磁电流i_sd相等时启动电机能够使启动电流最小。最终提前建立的磁场使旋转磁链快速稳定地建立，能够减小启动尖峰电流，同时转矩随着转矩电流i_sq快速响应，当控制励磁电压与励磁电流正交能够使转矩变化率最大，即转矩有较快的响应速度。