一种异步电机矢量控制磁场定向矫正方法及其系统与流程

本申请涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种异步电机矢量控制磁场定向矫正方法及其系统。

背景技术：

目前的三相交流异步电机，由于具有良好的控制性能和动态响应，被广泛应用于交流传动领域中。在实施异步电机矢量控制过程中，其中一个关键的步骤是要计算电机的转差频率。

计算转差频率需要获取准确的电机转子参数。在实际应用中，一方面电机转子参数难以准确获取，尤其是对于大功率电机，由于其转子电阻电感参数很小，电机参数辨识误差更大；另一方面电机转子电阻受电机温度的影响较大，电机转差频率会在较大范围变化。转差频率如果计算不准确，会直接造成磁场定向不准，进而导致定子电流偏离设计值，电机运行在欠励磁或过励磁状态。

针对上述问题，科技人员提出了一系列解决方案，其中利用模型参考自适应原理构造磁场定向矫正系统被广泛采用，主要包括以下方法：

(1)构造基于磁链观测的转子磁场定向矫正方法；

(2)构造基于无功功率的转子磁场定向矫正方法；

(3)构造基于转矩观测的转子磁场定向矫正方法；

(4)构造基于d轴电压观测的转子磁场定向矫正方法。

其中，方法(1)和(2)需要直接观测转子磁链，观测的精度易受转子参数影响，且计算过程复杂；

方法(3)虽然不需要直接观测转子磁链，但在计算转矩过程中需要使用转子电感和定子磁链，而转子电感和定子磁链在实际应用中均难以准确计算，故此方法的实用性不强；

方法(4)只需计算d轴电压，计算简单。但此方法只对d轴电压进行观测，没有兼顾q轴电压，故在实际应用中容易导致磁场定向不准，且此方法的自适应律引入了基于同步频率的开关信号，在低频无法进行磁场定向矫正。

综上可知，现有技术的磁场定向矫正方法均存在不足之处，从而不能够很好地满足社会的广大需求。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种异步电机矢量控制磁场定向矫正方法及其系统，其主要目的是克服现有技术缺陷，以解决现有异步电机由于电机转子参数难以实时准确获取导致磁场定向不准的技术问题。

一种异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，所述方法包括以下步骤：

s1、获取异步电机三相定子电流ia、ib和ic，以及获取电机角速度ωr；

s2、将异步电机三相定子电流ia、ib和ic经过3s/2r变换，得到d轴电流isd和q轴电流isq，并通过异步电机的电压方程计算输出电压幅值us；

s3、将us作为参考，计算异步电机转差角速度增量系数kslip和转差角速度ωslip；

s4、计算异步电机d轴控制电压q轴控制电压和dq轴合成电压并根据和进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，以控制电机运行。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤s1中，获取异步电机三相定子电流ia、ib和ic，以及获取电机角速度ωr具体包括：

通过电流传感器获取电机两相定子电流ia、ib，通过速度传感器获取电机角速度ωr；

通过合成公式计算出第三相定子电流ic，计算公式如下：

ic＝-(ia+ib)(1)

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤s2中，异步电机三相定子电流ia、ib和ic经过3s/2r变换，得到d轴电流isd和q轴电流isq具体包括：

利用获取的三相定子电流ia、ib和ic，经过3s/2r变换，得到静止αβ坐标系中的定子电流isα和isβ，再经过αβ/dq变换得到dq旋转坐标系下异步电机的d轴电流isd和q轴电流isq，计算公式如下：

其中，θ为磁链角度。

作为本发明的进一步优选方案，所述磁链角度θ的计算公式如下：

其中，ω0为同步角速度，ωslip为电机转差角速度，ωr为电机电角速度，1/s为积分因子。

作为本发明的进一步优选方案，步骤s2中通过以下电压方程计算输出电压幅值us：

其中，usd、usq分别为d轴、q轴定子电压，isd、isq分别为d轴、q轴定子电流，ω0为同步角速度，rs为定子电阻，ls为定子电感，σ为漏感系数。

作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算计算异步电机转差角速度增量系数kslip：

其中，为dq轴合成电压，1/s为积分因子，kp为比例增益，ki为积分增益。

作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算异步电机转差角速度ωslip：

其中，tr为转子时间常数，为速度环调节模块输出的设定转矩电流，为设定励磁电流。

作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算异步电机d轴控制电压q轴控制电压和dq轴合成电压

计算公式如下：

其中，kpd、kid分别为d轴电流调节比例、积分增益，kpq、kiq分别为q轴电流调节比例、积分增益。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种执行上述任一项所述异步电机矢量控制磁场定向矫正方法的系统，该系统包括d轴电流环调节模块、q轴电流环调节模块、磁场定向矫正模块、转差速度计算模块、svpwm模块和坐标系变换模块，其中：

坐标系变换模块，用于将获取的异步电机三相定子电流ia、ib和ic并通过3s/2r变换得到d轴电流isd和q轴电流isq；

磁场定向矫正模块，用于根据d轴电流isd和q轴电流isq计算得到电机转差角速度增量系数kslip；

转差速度计算模块，用于根据设定励磁电流和设定转矩电流并通过转差公式计算理论转差角速度

d轴电流环调节模块，用于根据和isd计算得到d轴定子电压

q轴电流环调节模块，用于根据和isq计算得到q轴控制电压

svpwm模块，用于根据和进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，以控制电机运行。

上述异步电机矢量控制磁场定向矫正方法及其系统，基于电压观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正，通过计算d、q轴控制电压进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，从而控制电机运行，解决了现有技术中由于电机转子参数难以实时准确获取导致磁场定向不准的问题，与传统方法相比，该方法无需计算电机磁链和转矩，计算简单，便于工程运用，且同时兼顾d、q轴电压观测，可在全速度范围实现准确的磁场定位，具有很好的实用价值。

附图说明

图1为一个实施例中异步电机矢量控制磁场定向矫正方法提供的方法流程图；

图2为一个实施例中异步电机矢量控制磁场定向矫正系统提供的结构框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种异步电机矢量控制磁场定向矫正方法，该方法包括以下步骤：

步骤s1、获取异步电机三相定子电流ia、ib和ic，以及获取电机角速度ωr；

该步骤s1中，获取异步电机三相定子电流ia、ib和ic，以及获取电机角速度ωr具体包括：

通过电流传感器获取电机两相定子电流ia、ib，以及通过速度传感器获取电机角速度ωr；

通过合成公式计算出第三相定子电流ic，计算公式如下：

ic＝-(ia+ib)(1)

当然，此处提供的仅是一种优选实施方式，通过电流传感器获取两相电流，再通过简单算法得到第三相定子电流，算法简单，操作简便。在具体实施中，也可以通过电流传感器获取异步电机三相定子电流ia、ib和ic。

步骤s2、将异步电机三相定子电流ia、ib和ic经过3s/2r变换，得到d轴电流isd和q轴电流isq，并通过异步电机的电压方程计算输出电压幅值us；

该步骤s2中，异步电机三相定子电流ia、ib和ic经过3s/2r变换，得到d轴电流isd和q轴电流isq具体包括：

利用获取的三相定子电流ia、ib和ic，经过3s/2r变换，得到静止αβ坐标系中的定子电流isα和isβ，再经过αβ/dq变换得到dq旋转坐标系下异步电机的d轴电流isd和q轴电流isq，计算公式如下：

其中，θ为磁链角度，磁链角度θ的计算公式如下：

其中，ω0为同步角速度，1/s为积分因子。

在上述方法中，所述同步角速度ω0的计算公式如下：

ω0＝ωr+ωslip

其中，ωr为异步电机电角速度。

该步骤s2中的电压方程计算公式如下：

其中，usd、usq分别为d轴、q轴定子电压，isd、isq分别为d轴、q轴定子电流，ω0为同步角速度，rs为定子电阻，ls为定子电感，σ为漏感系数；

步骤s3、将us作为参考，计算异步电机转差角速度增量系数kslip和转差角速度ωslip，其中，异步电机转差角速度增量系数kslip的计算公式如下：

异步电机转差角速度ωslip的计算公式如下：

其中，为dq轴合成电压，1/s为积分因子，kp为比例增益，ki为积分增益，tr转子时间常数，为速度环调节模块输出的设定转矩电流，为设定励磁电流；

步骤s4、计算异步电机d轴控制电压q轴控制电压和dq轴合成电压并根据和进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，以控制电机运行；

其中，通过以下方式计算异步电机d轴控制电压q轴控制电压和dq轴合成电压

其中，kpd、kid分别为d轴电流调节比例、积分增益，kpq、kiq分别为q轴电流调节比例、积分增益。

本发明的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法及其系统，基于电压观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正，通过计算d、q轴控制电压进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，从而控制电机运行，解决了现有技术中由于电机转子参数难以实时准确获取导致磁场定向不准的问题，与传统方法相比，该方法无需计算电机磁链和转矩，计算简单，便于工程运用，且同时兼顾d、q轴电压观测，可在全速度范围实现准确的磁场定位，具有很好的实用价值。

如图2所示，本发明还提供了一种异步电机矢量控制磁场定向矫正系统，该系统包括d轴电流环调节模块、q轴电流环调节模块、磁场定向矫正模块、转差速度计算模块、svpwm模块和坐标系变换模块，为设定角速度，ωr为电机转子角速度，为设定励磁电流，为速度环调节模块输出的设定转矩电流，isd为d轴定子电流，isq为q轴定子电流，为d轴电流环调节模块输出的d轴控制电压，为通过q轴电流环调节模块输出的q轴控制电压，为理论转差角速度，ωslip为电机转差角速度，kslip为通过磁场定向矫正模块计算出的电机转差角速度增量系数，ω0表示同步角速度，θ为磁链角度。

其中：

坐标系变换模块，用于将获取的异步电机三相定子电流ia、ib和ic并通过3s/2r变换得到d轴电流isd和q轴电流isq；

该坐标系变换模块中，通过以下公式计算得到d轴电流isd和q轴电流isq：

其中，θ为磁链角度，所述磁链角度θ的计算公式如下：

其中，ω0为同步角速度，ωslip为电机转差角速度，ωr为电机电角速度，1/s为积分因子。

磁场定向矫正模块，用于根据d轴电流isd和q轴电流isq计算得到电机转差角速度增量系数kslip；

所述磁场定向矫正模块，通过以下公式计算计算异步电机转差角速度增量系数kslip：

其中，为dq轴合成电压，1/s为积分因子，kp为比例增益，ki为积分增益。

转差速度计算模块，用于根据设定励磁电流和设定转矩电流并通过转差公式计算理论转差角速度

该转差速度计算模块中，通过以下公式计算异步电机转差角速度ωslip：

其中，tr为转子时间常数，为速度环输出的设定转矩电流，为设定励磁电流。具体实施中，可根据设定角速度和电机转子角速度ωr计算得到。

d轴电流环调节模块，用于根据和isd计算得到d轴定子电压

q轴电流环调节模块，用于根据和isq计算得到q轴控制电压

上述d轴电流环调节模块和q轴电流环调节模块通过以下方式获得：

其中，kpd、kid分别为d轴电流调节比例、积分增益，kpq、kiq分别为q轴电流调节比例、积分增益。

svpwm模块，用于根据和进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，以控制电机运行。

上述异步电机矢量控制磁场定向矫正系统，基于电压观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正，通过计算d、q轴控制电压进行svpwm空间矢量脉宽调制的发波处理，从而控制电机运行，解决了现有技术中由于电机转子参数难以实时准确获取导致磁场定向不准的问题，与传统方法相比，该方法无需计算电机磁链和转矩，计算简单，便于工程运用，且同时兼顾d、q轴电压观测，可在全速度范围实现准确的磁场定位，具有很好的实用价值。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。