一种基于转差自动优化的三相异步电机控制器及控制方法与流程

本发明属于异步电机控制技术领域，涉及一种基于转差自动优化的三相异步电机控制器及控制方法。

背景技术

目前，在三相异步电机矢量控制中，通常采取三类控制策略：一类是转子磁场定位；第二类是定子磁链跟踪；第三类是转差频率控制。

转子磁场定位控制方式中，通过在转子上加装传感器或者根据电机的电阻、电感等参数进行转子角度估算，然后将定子电流折算到转子坐标系中进行解耦，经pid控制得到所需的电压并折算到定子侧。该控制方式计算量大，控制框架复杂，受电机参数影响大，特别是电机的电阻参数。定子磁链跟踪控制方式中，同样存在受电机电阻参数影响大的问题，在定子磁链跟踪控制方式中，电流容易超调，存在不稳定因素，需要增加电流检测环节来保证系统的正常可靠运行。

转差频率控制是一种相对比较简单的矢量控制方式，但是有一定局限性，需要有气隙磁场恒定的条件。如果磁场不恒定，那么电机输出转矩和转差频率之间的线性关系也将不再保持。中国专利文献公开了申请号为201410507248.7的一种基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，包括励磁电流环、转矩电流环、转子磁场定向环节、定子磁链辨识环节、转矩观测环节、空间矢量调制环节、三相全桥逆变器、异步电机。利用dq和αβ坐标系下的转矩观测差值实现磁场定向矫正。该方法通过直接观测定子磁链，而无需观测转子磁链；因此转子侧的参数变化对磁场定向矫正系统无影响，参数鲁棒性好。但该技术中因直接观测转矩变化未对各参数进行多次循环处理使得稳定性和矫正精度有待提高。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种基于转差自动优化的三相异步电机控制器及控制方法。该控制器及控制方法解决了如何实现提高电机效率的同时提高稳定性的问题。

本发明通过下列技术方案来实现：一种基于转差自动优化的三相异步电机控制器，包括

pid调节器二：用于获取角频率指令ω^*与转子旋转角频率ωr的差值errω并通过调节后生成对应的定子参考电压us；

速度积分器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωs进行积分后获得相应的控制角度θ；

正余弦坐标转换器：与pid调节器二和速度积分器的输出端相连，用于根据定子参考电压us和定子控制角度θ生成并输出对应在α-β坐标系下的参考电压，即定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ；

svm调制器：与正余弦坐标转换器的输出端相连，用于根据定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ进行相应的空间矢量调制，并输出三相占空比数据tatbtc；

pwm逆变器：与svm调制器的输出端相连，用于根据三相占空比数据tatbtc生成并输出相应的pwm驱动波形，用于驱动电机工作。

其特征在于，还包括

abc/αβ变换器：用于将采集的电机三相电流信号进行abc/αβ坐标变换生成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ；

aso观测器：连接正余弦坐标转换器、abc/αβ变换器的输出端相连，aso观测器输入端还连接有pid调节器一和转子旋转角频率传感器，用于根据定子α轴电流值iα、定子α轴电压值uα、定子β轴电流值iβ、定子β轴电压值uβ、反馈的定子电压矢量旋转角频率ωs，结合相应转子旋转角频率ωr确定电机参数和控制约束要求生成并输出a值给pid调节器一；

pid调节器一：用于将aso观测器的输出a值通过调节后生成相应的定子电压矢量旋转角频率ωs并反馈到速度积分器和aso观测器。

aso观测器接收abc/αβ变换器、正余弦坐标转换器、转子旋转角频率传感器和pid调节器一输出的数据，根据定子α轴电流值iα、定子α轴电压值uα、定子β轴电流值iβ、定子β轴电压值uβ、pid调节器一调制后反馈的定子电压矢量旋转角频率ωs和转子旋转角频率ωr结合电机参数和控制约束要求生成对应的a值，同时又发送给pid调节器一。pid调节器一和aso观测器之间形成第一个闭环反馈电路，aso观测器、pid调节器一、速度积分器和正余弦坐标转换器形成第二个闭环回路。aso观测器、pid调节器一、速度积分器、正余弦坐标转换器、svm调制器、pwm逆变器和电流采用又形成第三个闭环回路。基于上述三个闭环回路的不停反馈矫正调制自动调整定子电压矢量旋转角频率ωs，并反馈至控制节点，实现闭环控制。保证三相异步电机控制的效率的基础上，提高系统的鲁棒性和稳定性。同时用于根据三相占空比数据tatbtc生成并输出相应的pwm驱动波形使得三相异步电机能够根据控制约束的要求稳定运行。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制器中，所述pid调节器二连接用于获得转子旋转角频率ωr值的转子旋转角频率传感器，pid调节器二接收的差值errω为获取角频率指令ω^*与转子旋转角频率ωr的差值。根据转子旋转角频率和指令角频率的差值进行pid调节，能够更接近事实所生成的定子参考电压us更接近实际数据，使得后期的计算更加精确。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制器中，所述aso观测器基于公式a＝usβisα-usαisβ-ωs[lsis²+lr(usαisα+usβisβ-rsis²)/(rr/s)]，计算a值；pid调节器一控制调节使得a→0，计算生成定子电压矢量旋转角频率ωs；

式中：a为aso观测器输出值，rs为电机定子电阻，ls为电机定子电感值，rr为电机转子电阻值，lr为电机转子电感值，s为电机定转子转差，ωs为定子电压矢量旋转角频率，is为定子电流，iα为定子α轴电流值，iβ为定子β轴电流值，uα为定子α轴电压值，uβ为定子β轴电压值。

只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。从而进一步提高系统的鲁棒性和稳定性。

一种基于转差自动优化的三相异步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得电机定子电感值ls、定子电阻值rs、电机转子电感值lr、电机转子电阻rr和电机定转子转差s，并对三相异步电机的电流、电压进行采样；

(2)将采样的电流值折算到定子α、β坐标系；

(3)根据公式：a＝usβisα-usαisβ-ωs[lsis²+lr(usαisα+usβisβ-rsis²)/(rr/s)]，使得a→0，计算ωs；

式中：a为aso观测器输出值，rs为电机定子电阻，ls为电机定子电感值，rr为电机转子电阻值，lr为电机转子电感值，s为电机定转子转差，ωs为定子电压矢量旋转角频率，is为定子电流，iα为定子α轴电流值，iβ为定子β轴电流值，uα为定子α轴电压值，uβ为定子β轴电压值；

(4)将计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωs反馈给控制电路，以满足电机在相应控制约束条件下的稳定运行。

只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。当a＜0时，电机处于弱磁控制状态；当a＞0时，电机处于增磁控制状态。而且|a|越大，相对应的增磁或者弱磁效果越强。由表达式可见a值与电机定子电阻rs，电机定子电感值ls，电机转子电阻值rr，电机转子电感值lr，电机定转子转差s和电流、电压的测量精度有关，aso观测器计算无需求取转子角度。从而进一步提高系统的鲁棒性和稳定性。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制方法中，计算得到的a值通过pid调节器一调制后获得定子电压矢量旋转角频率ωs反馈给控制节点。只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制方法中，还包括通过转子旋转角频率传感器采集转子旋转角频率ωr，转子旋转角频率ωr与角频率指令ω^*形成差值errω，差值errω通过pid调节器二生成定子参考电压us。根据转子旋转角频率和指令角频率的差值进行pid调节，能够更接近事实所生成的定子参考电压us更接近实际数据，使得后期的计算更加精确。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制方法中，定子电压矢量旋转角频率ωs通过速度积分器生成定子控制角度θ；定子控制角度θ和定子参考电压us通过正余弦坐标转换器生成定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ；定子α轴电压值uα、定子β轴电压值uβ通过svm调制器进行相应的空间矢量调制生成并输出三相占空比数据tatbtc；三相占空比数据tatbtc通过pwm逆变器生成并输出相应的pwm驱动波形驱动电机。通过对定子电压矢量旋转角频率ωs的控制实现电机稳定运行，且弱磁区运行的控制更加合理便捷。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制方法中，电机三相电流采样信号进行abc/αβ坐标变换生成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ并发送给aso观测器。采集电机相电流折算到α-β坐标系中得到定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ为aso观测器提供数据支持。

在上述的基于转差自动优化的三相异步电机控制方法中，所述定子电压矢量旋转角频率ωs、定子α轴电压值uα、定子β轴电压值uβ、定子α轴电流值iα、定子β轴电流值iβ和转子旋转角频率ωr通过aso观测器生成并输出a值给pid调节器一。aso观测器简化算法和控制框架，降低控制算法的复杂性，提高系统可靠性。异步电机的转速会随负载的不同，略有改变，且转子转速是低于定子磁场的转速。因此基于异步电机原理需要对转子旋转角频率ωr进行aso观测器使其得出的数据更加可靠。

与现有技术相比，本基于转差自动优化的三相异步电机控制器及控制方法具有以下优点：

1、本发明基于上述三个闭环回路的不停反馈矫正调制自动调整定子电压矢量旋转角频率ωs，并反馈至控制节点，实现闭环控制。保证三相异步电机控制的效率的基础上，提高系统的鲁棒性和稳定性。同时用于根据三相占空比数据tatbtc生成并输出相应的pwm驱动波形使得三相异步电机能够根据控制约束的要求稳定运行。

2、本发明基于异步电机原理需要对转子旋转角频率ωr进行aso观测器和使用pid调节器二调节生成定子参考电压us使其得出的后期数据更加可靠，贴近异步电机实际工作数据，控制更加稳定。

3、本发明pid调节器一和pid调节器二双控制调节使得数据更加精确，调整更加迅速，控制更加稳定。

附图说明

图1是本发明控制框图。

图2是电机启动过程转速及转矩波形。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-2所示，本基于转差自动优化的三相异步电机控制器，包括

pid调节器二：用于获取角频率指令ω^*与转子旋转角频率ωr的差值errω并通过调节后生成对应的定子参考电压us；

速度积分器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωs进行积分后获得相应的控制角度θ；

正余弦坐标转换器：与pid调节器二和速度积分器的输出端相连，用于根据定子参考电压us和定子控制角度θ生成并输出对应在α-β坐标系下的参考电压，即定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ；

svm调制器：与正余弦坐标转换器的输出端相连，用于根据定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ进行相应的空间矢量调制，并输出三相占空比数据tatbtc；

pwm逆变器：与svm调制器的输出端相连，用于根据三相占空比数据tatbtc生成并输出相应的pwm驱动波形，用于驱动电机工作。

abc/αβ变换器：用于将采集的电机三相电流信号进行abc/αβ坐标变换生成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ；

aso观测器：连接正余弦坐标转换器、abc/αβ变换器的输出端相连，aso观测器输入端还连接有pid调节器一和转子旋转角频率传感器，用于根据定子α轴电流值iα、定子α轴电压值uα、定子β轴电流值iβ、定子β轴电压值uβ、反馈的定子电压矢量旋转角频率ωs，结合相应转子旋转角频率ωr确定电机参数和控制约束要求生成并输出a值给pid调节器一；

pid调节器一：用于将aso观测器的输出a值通过调节后生成相应的定子电压矢量旋转角频率ωs并反馈到速度积分器和aso观测器。

pid调节器二连接用于获得转子旋转角频率ωr值的转子旋转角频率传感器，pid调节器二接收的差值errω为获取角频率指令ω^*与转子旋转角频率ωr的差值。根据转子旋转角频率和指令角频率的差值进行pid调节，能够更接近事实所生成的定子参考电压us更接近实际数据，使得后期的计算更加精确。

aso观测器基于公式a＝usβisα-usαisβ-ωs[lsis²+lr(usαisα+usβisβ-rsis²)/(rr/s)]，计算a值；pid调节器一控制调节使得a→0，计算生成定子电压矢量旋转角频率ωs；

式中：a为aso观测器输出值，rs为电机定子电阻，ls为电机定子电感值，rr为电机转子电阻值，lr为电机转子电感值，s为电机定转子转差，ωs为定子电压矢量旋转角频率，is为定子电流，iα为定子α轴电流值，iβ为定子β轴电流值，uα为定子α轴电压值，uβ为定子β轴电压值。

只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。从而进一步提高系统的鲁棒性和稳定性。

aso观测器接收abc/αβ变换器、正余弦坐标转换器、转子旋转角频率传感器和pid调节器一输出的数据，根据定子α轴电流值iα、定子α轴电压值uα、定子β轴电流值iβ、定子β轴电压值uβ、pid调节器一调制后反馈的定子电压矢量旋转角频率ωs和转子旋转角频率ωr结合电机参数和控制约束要求生成对应的a值，同时又发送给pid调节器一。pid调节器一和aso观测器之间形成第一个闭环反馈电路，aso观测器、pid调节器一、速度积分器和正余弦坐标转换器形成第二个闭环回路。aso观测器、pid调节器一、速度积分器、正余弦坐标转换器、svm调制器、pwm逆变器和电流采用又形成第三个闭环回路。基于上述三个闭环回路的不停反馈矫正调制自动调整定子电压矢量旋转角频率ωs，并反馈至控制节点，实现闭环控制。保证三相异步电机控制的效率的基础上，提高系统的鲁棒性和稳定性。同时用于根据三相占空比数据tatbtc生成并输出相应的pwm驱动波形使得三相异步电机能够根据控制约束的要求稳定运行。图中ac表示异步三相电机，iuiy表示采集的电机电流，pg转子旋转角频率传感器用于采集转子旋转角频率ωr。abc/αβ变换器根据采集的电机三相电流进行坐标变换形成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ。

只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。当a＜0时，电机处于弱磁控制状态；当a＞0时，电机处于增磁控制状态。而且|a|越大，相对应的增磁或者弱磁效果越强。由表达式可见a值与电机定子电阻rs，电机定子电感值ls，电机转子电阻值rr，电机转子电感值lr，电机定转子转差s和电流、电压的测量精度有关，aso观测器计算无需求取转子角度。从而进一步提高系统的鲁棒性和稳定性。图2为根据本控制器和控制方法实现的电机运行结果，l1表示电机启动过程转速波形，l2表示电机启动过程转矩波形。对应l1与l2如图显示可以直观的看出：根据本控制器和控制方法实现的电机启动过程转速及转矩波形可以看出，在弱磁控制状态也能运行，控制合理，并且快速稳定，后期稳定性高。

一种基于转差自动优化的三相异步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得电机定子电感值ls、定子电阻值rs、电机转子电感值lr、电机转子电阻rr和电机定转子转差s，并对三相异步电机的电流、电压进行采样；

(2)将采样的电流值折算到定子α、β坐标系；

(3)根据公式：a＝usβisα-usαisβ-ωs[lsis²+lr(usαisα+usβisβ-rsis²)/(rr/s)]，使得a→0，计算ωs；

式中：a为aso观测器输出值，rs为电机定子电阻，ls为电机定子电感值，rr为电机转子电阻值，lr为电机转子电感值，s为电机定转子转差，ωs为定子电压矢量旋转角频率，is为定子电流，iα为定子α轴电流值，iβ为定子β轴电流值，uα为定子α轴电压值，uβ为定子β轴电压值；

(4)将计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωs反馈给控制电路，以满足电机在相应控制约束条件下的稳定运行。

步骤3中公式的具体推到过程如下：

其中λ为磁链，p为微分算子。

如式(1)-(4)所示三相异步电机方程：

其中在三相异步电机中，在α-β静止坐标系下，ω＝0；从而公式(1)又可以简化为：

将(3)代入(5)得：

其中

将(4)代入(2)得：

(7)的上式乘以irα加上(7)式的下式乘以irβ得：

(6)式上式乘以isα再加下式乘以isβ得：

usαisα+usβisβ

＝rsis²-ωslm(isαirβ-isβirα)

＝＞ωslm(isαirβ-isβirα)＝rsis²-(usαisα+usβisβ)(9)

将(9)代入(8)得：

rrir²/s+rsis²-(usαisα+usβisβ)＝0(10)

(7)的下式乘以irα再减去(7)的上式乘以irβ得：

＝＞0＝(ωs-ωr)[(lmisα+lrirα)irα+(lmisβ+lrirβ)irβ]

＝＞0＝sωslm(isαirα+isβirβ)+sωslrir²

＝＞0＝ωslm(isαirα+isβirβ)+ωslrir²(11)

(6)的下式乘以isα再减去(6)的上式乘以isβ得：

usβisα-usαisβ

＝ωslsis²+ωslm(irαisα+irβisβ)

＝＞ωslm(irαisα+irβisβ)＝usβisα-usαisβ-ωslsis²(12)

将式(12)代入式(11)得：

usβisα-usαisβ-ωslsis²+ωslrir²＝0(13)

又由式(10)得：

ir²＝s[(usαisα+usβisβ)-rsis²]/rr(14)

将(14)代入式(13)得：

a＝usβisα-usαisβ-ωs[lsis²+lr(usαisα+usβisβ-rsis²)/(rr/s)]＝0(15)

式(15)即为针对三相异步电机在静止坐标系下的控制目标函数。

如上述，只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。当a＜0时，电机处于弱磁控制状态；当a＞0时，电机处于增磁控制状态。而且|a|越大，相对应的增磁或者弱磁效果越强。

由表达式可见a值与电机定子电阻rs，电机定子电感值ls，电机转子电阻值rr，电机转子电感值lr，电机定转子转差s和电流、电压的测量精度有关，aso观测器计算无需求取转子角度。

计算得到的a值通过pid调节器一调制后获得定子电压矢量旋转角频率ωs反馈给控制节点。只要根据a值，通过pid调节器一控制定子电压矢量旋转角频率ωs，使得a→0，即可控制电机按照相应的约束要求稳定运行。

还通过转子旋转角频率传感器采集转子旋转角频率ωr，转子旋转角频率ωr与角频率指令ω^*形成差值errω，差值errω通过pid调节器二生成定子参考电压us。根据转子旋转角频率和指令角频率的差值进行pid调节，能够更接近事实所生成的定子参考电压us更接近实际数据，使得后期的计算更加精确。

定子电压矢量旋转角频率ωs通过速度积分器生成定子控制角度θ；定子控制角度θ和定子参考电压us通过正余弦坐标转换器生成定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ；定子α轴电压值uα、定子β轴电压值uβ通过svm调制器进行相应的空间矢量调制生成并输出三相占空比数据tatbtc；三相占空比数据tatbtc通过pwm逆变器生成并输出相应的pwm驱动波形驱动电机。通过对定子电压矢量旋转角频率ωs的控制实现电机稳定运行，且弱磁区运行的控制更加合理便捷。电机三相电流采样信号进行abc/αβ坐标变换生成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ并发送给aso观测器。采集电机相电流折算到α-β坐标系中得到定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ为aso观测器提供数据支持。定子电压矢量旋转角频率ωs、定子α轴电压值uα、定子β轴电压值uβ、定子α轴电流值iα、定子β轴电流值iβ和转子旋转角频率ωr通过aso观测器生成并输出a值给pid调节器一。aso观测器简化算法和控制框架，降低控制算法的复杂性，提高系统可靠性。异步电机的转速会随负载的不同，略有改变，且转子转速是低于定子磁场的转速。因此基于异步电机原理需要对转子旋转角频率ωr进行aso观测器使其得出的数据更加可靠。

角频率指令ω^*与转子旋转角频率ωr的差值errω通过pid调节器二后生成对应的定子电压us，定子电压矢量旋转角频率ωs通过速度积分器后生成定子电压矢量角θ；定子电压us经正弦余弦变换后得到定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ；定子α轴电压值uα和定子β轴电压值uβ经svm调制以及pwm逆变换器为电机提供相应的驱动电压，电机的三相电流采样后经变换器转换成定子α轴电流值iα和定子β轴电流值iβ,定子α轴电压值uα、定子β轴电压值uβ、定子α轴电流值iα、定子β轴电流值iβ、定子电压矢量旋转角频率ωs和转子旋转角频率ωr分别送至aso自动功率调节观测器，根据aso观测器输出的a值，自动调整定子电压矢量旋转角频率ωs，并反馈至控制节点，实现闭环控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。