一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制方法及电路与流程

本发明涉及交流电机的全频率段控制，具体为一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制方法及电路。

背景技术：

随着社会的发展和技术进步，目前工业领域大量使用变频器来控制电机运行，vf控制也叫恒压频比控制，它是按照电动机稳态关系进行控制的开环系统，是标量控制中的一种。由于没有转矩电流环控制以及是建立在稳态控制的基础上，因此具有动态性能差，启动性能差，磁场建立慢等缺点，但是由于其简单，易用，受参数变化影响小，性能也能满足一般的调速要求，因此应用最广泛，深受广大用户青睐。

但是由于定子电阻和死区的影响，导致低速时vf带载能力差，严重时运行不稳定。另外，无编码器矢量控制，虽然低速负载能力强，但是受参数影响大，不稳定。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制方法及电路，低速和高速控制切换平滑，拓宽了稳定范围，调速范围大，应用广泛。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制方法，包括，

将根据设定频率生成的给定电流idref与采集交流电机电流生成的反馈电流idfed进行偏差处理；

对得到的偏差进行pid控制生成初始给定直轴电压；

根据交流电机的运转方向对初始给定直轴电压进行幅值限定得到给定直轴电压udref；

根据设定频率得到对应的设定转速，由设定转速得到给定交轴电压uqref；

将给定直轴电压udref和给定交轴电压uqref进行合成，输出交流电机控制电压的值和角度。

优选的，根据交流电机的运转方向来对电流pid控制器生成的初始给定直轴电压进行变方向限幅，正转时，限定到-n～0，反转时，限定到0～n，n为额定电压的25％～100％。

优选的，根据设定频率即设定转速，以及额定转速生成给定电流idref时，由如下生成公式得到，

其中，in为电机额定电流，ωn为电机额定转速，ωr为电机当前设定电机转速，ω＝60f/p，p为电机极对数。

优选的，采集交流电机电流后依次进行克拉克变换和帕克变换后生成反馈电流idfed。

优选的，对得到的偏差进行电流pid控制时的公式如下，并进行抗饱和处理；

其中，kp为比例参数，ti为积分参数，td为微分参数，e(t)为偏差。

优选的，给定交轴电压uqref生成公式如下式，

其中，un为电机额定电压，ωn为电机额定转速，ωs为电机实际转速。

优选的，将给定直轴电压udref和给定交轴电压uqref通过帕克反变换进行合成后经pwm调制，输出交流电机控制电压的值和角度；帕克反变换的公式如下，

uαref＝udrefcosθ-uqrefsinθ

uβref＝udrefsinθ+uqrefcosθ’

其中，θ为设定转速经积分转化后的角度，uαref和uβref是α-β坐标系下的电压，是pwm调制器的输入值；udref和uqref是d-q坐标系下的电压。

一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制电路，包括，

用于根据设定频率生成给定电流idref的第一谐波函数发生器rfg1；

用于采集交流电机电流生成的反馈电流idfed的采集单元；

用于对给定电流idref和反馈电流idfed偏差进行pid控制的电流pid控制器；

用于根据交流电机的运转方向对pid控制得到的初始给定直轴电压进行幅值限定的限幅器，得到给定直轴电压udref；

用于根据设定频率得到对应的设定转速的第二谐波函数发生器rfg2；

用于根据设定转速得到给定交轴电压uqref的uq生成器；

用于将给定直轴电压udref和给定交轴电压uqref进行合成的帕克反变换单元；

帕克反变换单元的输出端经pwm调制器和逆变器连接交流电机控制端。

优选的，采集单元包括依次连接的电流采样单元、克拉克变换单元和帕克变换单元；

第二谐波函数发生器rfg2输出的设定转速经积分器转化为角度，与经测量得到的三相电流通过克拉克变换单元转化为两相电流iα和iβ，一同提供给帕克变换单元，经帕克变换得到反馈电流idfed；

第二谐波函数发生器rfg2输出的设定转速经积分器转化为角度，提供给帕克反变换单元。

优选的，第二谐波函数发生器rfg2输出的设定转速经方向生成器确定交流电机的运转方向提供给限幅器，电流pid控制器输出的初始给定直轴电压经限幅器得到给定直轴电压udref。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用限幅来完成低速和高速的平滑切换，拓宽了稳定范围，使其调速范围扩展，通过第一谐波函数发生器rfg1生成给定电流idref值，用来控制定子磁场的大小，解决低频vf控制下输出电压计算效果差导致运行不稳定，负载能力差等问题；随着频率的升高，其给定电流idref减小到零，由于高速vf运行稳定，其定子磁场在额定磁场附近，因此通过电流pid控制器和限幅器后，能够平滑限制给定直轴电压udref给定值为0，平滑切换到vf控制。其所需控制无需增加其他参数，能够根据电机铭牌所提供的参数进行计算和控制，使vf在各个领域得到更广泛的应用，能够同时适用于异步电机和同步电机在不损失vf控制优势的前提下，克服其缺点，能够更好的推广。

进一步的，随着频率的升高，设定转速升高，给定电流idref减小到零，由于高速vf控制(恒压频比控制)运行稳定，其定子磁场在额定磁场附近，因此通过电流pid控制器和限幅器后，能够平滑限制给定直轴电压udref值为0，平滑切换到vf控制。

进一步的，通过电流pid控制器限制定子磁场最大值，即使设置较大的转矩提升也不会发生过流现象，增加算法易用性。

附图说明

图1为本发明实例中所述控制方法的结构原理框图。

图2为本发明实例中所述第一谐波函数发生器rfg1的控制波形图。

图3为本发明实例中所述第二谐波函数发生器rfg2的设定波形图。

图4为本发明实例中所述限幅器的控制波形图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明可以控制交流电机全频率段稳定运行，避免了无编码器反馈控制不稳定运行现象，采用低频电流闭环控制，带载能力强，以及高频vf控制，充分利用vf控制优势，实现两种方式平滑切换。

一种交流电机全频率段稳定运行的电机控制电路，如图1所示，包括第一谐波函数发生器rfg1，电流pid控制器，限幅器，积分器，uq生成器，park反变换单元，pwm调制器，帕克(park)变换单元，克拉克(clarke)变换单元，第二谐波函数发生器rfg2和给定直轴电压udref方向计算生成器。

第一谐波函数发生器rfg1生成idref电流给定值，用于产生电机定子磁场。第二谐波函数发生器rfg2生成转速后与积分器连接，计算出角度后，该角度输入到park变换器单元进行park变换，生成反馈电流idfed与给定电流idref，求出偏差后，与电流pid控制器相连接，得出结果经过限幅器根据方向生成器通过设定转速得到的运转方向进行限幅后，得到给定直轴电压udref给定值。第二谐波函数发生器rfg2生成的转速在uq生成器中与电机额定电压和额定频率计算出给定交轴电压uqref值。将给定直轴电压udref和给定交轴电压uqref连接到park反变换，结合角度完成反变换后，与pwm调制器相连，经过逆变器完成电机的驱动。

所述clark变换单元是通过电流采样将三相相电流转换成两相定子虚拟电流。所述park变换单元是将两相定子虚拟电流转换到两相旋转坐标虚拟电流。所述park反变换单元是将两相旋转坐标虚拟电流转换成两相定子虚拟电流。

所述pwm调制器可以采用svpwm调制方法，也可以采取spwm调制方法，svpwm调制方法使用较多。为了提高spwm调制方法的电压利用率，一般增加三次谐波的累加。

本发明一种交流电机全频率段稳定运行电机的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：如图2所示，第一谐波发生器rfg1生成给定电流idref，与经过坐标变换后生成的反馈电流idfed的偏差进行pid控制，生成初始给定直轴电压。

步骤二：如图4所示，根据电机的运转方向对初始给定直轴电压进行限幅，得到给定直轴电压udref。

步骤三：如图3所示，通过第二谐波生成器rfg2生成电机设定转速，并经由uq生成器生成给定交轴电压uqref。

步骤四：对电机设定转速进行积分，计算出角度，进行坐标变换后生成反馈电流idfed，并与给定电流idref进行偏差计算。

步骤五：根据给定直轴电压udref和给定交轴电压uqref，以及步骤四中得到的角度，最终合成输出电压值和角度。

其中给定交轴电压uqref与普通vf控制一样，可以对其进行转矩提升控制。给定直轴电压udref的限制来源于电机电压方程，随着频率的提高最终限制到0，完成平滑切换。

电机电流采样完成后，需要经过clarke变换和park变换得到反馈电流iqfed。

第一谐波发生器rfg1生成的idref给定电流，在低频时需要根据电机设定转速以及额定转速进行设置，uq生成器的截止频率为vf的正常带载频率以上，具体的如下公式(1)所示。

第二谐波发生器rfg2生成的转速根据负载惯量进行设置，达到最好的效果。

具体的，第一谐波函数发生器rfg1中，产生的是给定电流idref，其产生的原则是，当设定转速低于百分之五电机额定转速以下时，设定电流为电机额定电流或者根据现场应用进行设定；高于百分之十电机额定转速时，设定电流为零；在百分之五和百分之十额定转速时，根据线性平滑设定电机的额定电流，其设定公式如式(1)为：

式(1)中，in为电机额定电流，ωn为电机额定转速，ωr为电机当前设定电机转速。根据电机设定转速能够得到电机设定频率，因此能够方便的对电机进行控制。

电流pid控制器为对给定电流idref和反馈电流idfed的偏差量进行pid控制，达到使反馈电流idfed快速跟随给定电流idref的目的。其中pid的控制公式如下式(2)所示：

其中，kp为比例参数，ti为积分参数，td为微分参数，e(t)为偏差，u(t)为经pid控制输出值。

同时，需要进行抗饱和处理，其原理是，当输出达到限幅时，积分值只能往相反方向进行积分，不能往相同方向进行积分，达到不深度饱和，能快速退出饱和的目的。

限幅器是对电流pid控制器进行限幅，其正负方向来源于电机转速方向，本优选实例中，我们限幅值取电机额定电压的一半进行限幅，也就是上限值的取值。

在交流电机中，在定子同步频率旋转坐标系下，定子电压方程如式(3)：

ud＝rsid+pψd-ωsψq

uq＝rsiq+pψq+ωsψd(3)

其中，ud，uq是d-q坐标系下的电压，id，iq是d-q坐标系下的电流，ψd,ψq是d-q坐标系下的磁通，pψ是对ψ进行微分计算，ωs为电机实际转速，rs为定子电阻。

由式(3)中可以看出，按定子磁场定向时，即ψq＝0，式(3)可以转变为如下式(4)所示：

ud＝rsid+pψd

uq＝rsiq+ωsψd(4)

其中，ud和uq是d-q坐标系下的电压，id和iq是d-q坐标系下的电流，ψd是d-q坐标系下的磁通，pψ是对ψ进行微分计算，ωs为电机实际转速，rs为定子电阻。

在定子磁场定向下，如式(4)所示，ud是由定子电阻的压降和引起磁场变化率所需的电压共同产生，不考虑动态电压，因此其是由定子电阻压降产生的，其大小与id的大小有关，随着同步频率的升高，uq越来越大，ud所产生的作用越来越小，可以忽略，但是在低速时，定子电阻的压降不可忽略，严重影响输出带载能力。由于在本控制系统里面，电压角度为同步频率累加角度，因此电流方向会根据转速的方向的改变而不同，因此需要根据转速来对电流pid控制器进行变方向限幅。即保证了输出电压角度方向不突变，由于电流定向角度需要突变，因此限幅方向需要突变。

积分器为对设定转速进行积分得到角度，提供给帕克变换单元，用于坐标变换。经测量得到的三相电流通过克拉克变换单元转化为两相电流iα和iβ，提供给帕克变换单元，经帕克变换得到反馈电流idfed。

第二谐波函数发生器rfg2输出的设定转速经方向生成器确定交流电机的运转方向提供给限幅器，电流pid控制器输出的电压经限幅器得到给定直轴电压udref。

uq生成器作为普通vf的控制方法，其uq生成公式如下式(5)所示：

其中，un和ωn为电机额定电压和额定角速度，从电机铭牌可以得到，ωs为电机实际转速。低频时可以进行手动转矩提升来提高uq。

park反变换单元是指从旋转坐标系转换成静止坐标系的过程，通过park反变换能转换成电压幅值进行发波，其公式如式(6)所示：

uα＝udcosθ-uqsinθ

uβ＝udsinθ+uqcosθ(6)

其中，θ为设定转速经积分器转化得到的角度，ud和uq是d-q坐标系下的电压，uα和uβ是α-β坐标系下的电压。

pwm调制器为了有效利用母线电压以及保证圆形磁场，本发明采取的是svpwm发波方式。

park变换单元，为了将两相静止坐标系电流转换成旋转坐标系，需要进行park变换，其公式如下式(7)所示：

id＝idcosθ+iqsinθ

iq＝-idsinθ+iqcosθ(7)

其中，θ为设定转速经积分器转化得到的角度，id,iq是d-q坐标系下的电流，iα,iβ是α-β坐标系下的电流。

clarke变换单元将三相电流转变成两相静止电流，其转换公式如下式(8)所示，

其中，iα,iβ是α-β坐标系下的电流，iu，iv，iw是u-v-w坐标系下的电流。

通过以上的pid函数和普通vf的配合，可以完成控制的平滑切换，利用了vf的高频优势，同时提高了低频负载能力，降低手动转矩提升的不可控性，并且，该方法实现了两种控制的平滑切换，做到无冲击切换，具有较大的应用价值。