專利名稱：采用電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及異步電機(jī)調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制可實(shí)現(xiàn)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦控制，所以可以獲得象直流電機(jī)一樣的控制性能。只有當(dāng)d軸坐標(biāo)與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致時(shí)，d軸電流與q軸電流才是解耦的。當(dāng)d軸坐標(biāo)與轉(zhuǎn)子磁鏈方向不一致時(shí)，會導(dǎo)致電機(jī)電壓升高或下降，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)功率下降。但是要實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向不是一件容易的事。目前通常的辦法是根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來對異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場進(jìn)行觀測，為了提高觀測的精度，低速下采用電流模型，高速下采用電壓模型。利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來觀測轉(zhuǎn)子磁場要依懶電機(jī)的參數(shù)，若參數(shù)不準(zhǔn)，定向不可能準(zhǔn)確。另外，在數(shù)字控制中，存在計(jì)算精度和時(shí)間滯后問題，這些對磁場定向也會產(chǎn)生影響。尤其在高速弱磁區(qū)，準(zhǔn)確磁場定向的難度更大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了采用電壓閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制方法。該方法通過電壓閉環(huán)直接調(diào)節(jié)觀測的轉(zhuǎn)子磁場與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁場之間的夾角，即通過校正同步坐標(biāo)d軸的位置角，使其定向于轉(zhuǎn)子磁場方向上。本發(fā)明對異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的主要貢獻(xiàn)是解決了由于電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)等原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)子磁場定向不準(zhǔn)的一大難題，創(chuàng)造性地提出了采用電壓反饋控制的方法使得觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈方向與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈方向保持一致，克服了矢量控制嚴(yán)重依懶電機(jī)參數(shù)這一主要缺點(diǎn)，大大提高了矢量控制系統(tǒng)對電機(jī)參數(shù)的魯棒性，為異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的解耦控制找到了一條有效的解決途經(jīng)。
本發(fā)明的特征在于采用電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制方法，其特征于，它是在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，依次含有以下步驟第1步基于異步電機(jī)電流模型和電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測是根據(jù)輸入的定子三相電壓ua，b，c、定子三相電流ia，b，c和實(shí)測轉(zhuǎn)速n計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值ΨR和轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角的觀測值θ，同時(shí)，轉(zhuǎn)速——定子激磁電流把轉(zhuǎn)速n變換為定子激磁電流id*，轉(zhuǎn)速——電壓變換器把轉(zhuǎn)速n變換為電壓u*；第2步第一坐標(biāo)變換器輸出的定子三相反饋值u’a，b，c即u與第1步得到的作為電壓閉環(huán)給定瞬時(shí)值的u*經(jīng)負(fù)反饋比較器又經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ與實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角之差Δθ；第3步第2步得到的Δθ和第一步得到的θ相減后得到實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角的估算值θ-Δθ；第4步定子三相電流ia，b，c和第三步得到的θ-Δθ角經(jīng)第二坐標(biāo)變換器后得到同步坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電流id和定子轉(zhuǎn)矩電流iq；第5步第5.1步第4步得到的id和第1步得到的id*相減后再給PI調(diào)節(jié)器得到定子d軸電壓的給定值ud*；第5.2步第4步得到的iq和在DSP內(nèi)事先設(shè)定的iq*相減后再給PI調(diào)節(jié)器得到定子q軸電壓的給定值uq*；第6步上述第一坐標(biāo)變換器把輸入的同步坐標(biāo)系下的ud*、uq*和θ-Δθ變換為補(bǔ)償后的定子三相電壓u’a，b，c即u；第7步重復(fù)步驟2～6，進(jìn)行第二次運(yùn)算，一直到反饋電壓u等于給定電壓u*為止。
采用這種電壓閉環(huán)的控制方法，能自動(dòng)校正觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈方向，使其與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈的方向保持一致。


圖1當(dāng)d軸領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁鏈一個(gè)角度時(shí)，id大于idψ。
圖2當(dāng)d軸落后轉(zhuǎn)子磁鏈一個(gè)角度時(shí)，id大于idψ。
圖3采用電壓閉環(huán)來校正轉(zhuǎn)子磁鏈觀測角度偏差的控制框圖。
圖4沒有電壓反饋時(shí)的運(yùn)行曲線圖5有電壓反饋時(shí)的運(yùn)行曲線，具體實(shí)施方式
在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中，準(zhǔn)確定向時(shí)，同步坐標(biāo)系的d軸方向與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致。轉(zhuǎn)子磁鏈靠觀測得到，觀測得到的磁鏈方向就是d軸的正方向。轉(zhuǎn)子磁場定向不準(zhǔn)時(shí)，說明觀測得到的磁鏈方向并不是實(shí)際磁鏈的方向，也即d軸坐標(biāo)沒有與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈的方向一致。方向不一致存在兩種情況1、觀測磁鏈領(lǐng)先實(shí)際磁鏈，如圖1所示。從圖1中我們看到，由于d軸坐標(biāo)領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁鏈ψR一個(gè)空間電角度，所以定子電流is的實(shí)際勵(lì)磁分量idψ要比觀測值id小。由此可以得出以下結(jié)論當(dāng)觀測磁鏈領(lǐng)先實(shí)際磁鏈時(shí)，定子每相實(shí)際電壓小于觀測電壓，即實(shí)際電壓小于給定值。
2、觀測磁鏈落后實(shí)際磁鏈，如圖2所示。從圖2中我們看到，由于d軸坐標(biāo)落后轉(zhuǎn)子磁鏈ψR一個(gè)空間電角度，所以定子電流is的實(shí)際勵(lì)磁分量idψ要比觀測值id大。由分析可知，當(dāng)觀測磁鏈落后實(shí)際磁鏈時(shí)，定子每相實(shí)際電壓大于觀測值，即實(shí)際電壓大于給定值。
綜合上面的分析可以得出以下結(jié)論當(dāng)觀測磁鏈超前實(shí)際磁鏈一個(gè)角度時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁電流減小，電機(jī)電壓下降；當(dāng)觀測磁鏈滯后實(shí)際磁鏈一個(gè)角度時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁電流增加，電機(jī)電壓上升。于是我們找到了反映轉(zhuǎn)子磁鏈定向準(zhǔn)確與否的一個(gè)容易檢測的間接物理量——電機(jī)電壓。當(dāng)實(shí)際電壓小于指令電壓時(shí)，說明觀測磁鏈領(lǐng)先實(shí)際磁鏈；當(dāng)實(shí)際電壓大于指令電壓時(shí)，說明觀測磁鏈落后實(shí)際磁鏈；實(shí)際電壓與指令電壓的差值越大，說明觀測磁鏈與實(shí)際磁鏈之間的角度越大。于是我們就找到了消除觀測磁鏈與實(shí)際磁鏈之間角度的方法，即采用電壓閉環(huán)，利用電壓誤差來對定向偏差的角度進(jìn)行校正，使觀測磁鏈(d軸)與實(shí)際磁鏈(ψR)方向趨于一致。
圖3為采用電壓閉環(huán)來調(diào)節(jié)觀測磁鏈角度的異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制框圖。下面對圖3作簡要說明。
異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的輸入為三相定子電流、三相定子電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刹捎秒娏髂Ｐ突螂妷耗Ｐ蛠碛^測出轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值ψR和空間位置角θ，若模型參數(shù)不準(zhǔn)，則觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈的空間位置角之間會存在誤差。通常，電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)保持磁鏈恒定，即勵(lì)磁電流恒定，而電壓與轉(zhuǎn)速成正比；在恒功率調(diào)速范圍電壓保持恒定，勵(lì)磁電流隨轉(zhuǎn)速上升而下降。由電機(jī)無載試驗(yàn)可得id*=f(n)---(1)]]>u*＝f(n) (2)其中，式(1)為給定勵(lì)磁電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，式(2)為電機(jī)定子電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。電機(jī)三相定子電流經(jīng)坐標(biāo)變換可得到同步坐標(biāo)系下的id和iq。勵(lì)磁電流id的閉環(huán)控制可以使實(shí)際勵(lì)磁電流跟隨給定值。轉(zhuǎn)矩電流iq的閉環(huán)控制使轉(zhuǎn)矩電流跟隨給定值。給定電壓u*與反饋電壓u進(jìn)行比較，其誤差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后對觀測到的轉(zhuǎn)子磁鏈位置角進(jìn)行調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)過程如下若反饋電壓小于給定電壓，則說明觀測磁鏈領(lǐng)先于實(shí)際磁鏈了，應(yīng)將觀測磁鏈后退一個(gè)角度，也即將d軸坐標(biāo)后退一個(gè)角度。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，運(yùn)算一次，同步旋轉(zhuǎn)的d軸坐標(biāo)就后退一個(gè)角度Δθ，直到反饋電壓等于給定電壓。當(dāng)反饋電壓等于給定電壓時(shí)，說明d軸坐標(biāo)與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈同方向了。若反饋電壓大于給定電壓，則說明觀測磁鏈領(lǐng)落后實(shí)際磁鏈了，電壓調(diào)節(jié)器將觀測磁鏈往前移一個(gè)角度，直到d軸坐標(biāo)與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致。
圖4是沒有電壓反饋時(shí)的運(yùn)行曲線，給定轉(zhuǎn)矩是350Nm，圖中U1*是指令電壓，U1是實(shí)際電壓，P是輸出功率，T是輸出轉(zhuǎn)矩，I1是電機(jī)相電流。從圖中曲線可以看到當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速到每分鐘2000多轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電壓U1，輸出轉(zhuǎn)矩，輸出功率都開始下降，到4000多轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)已輸不出多大轉(zhuǎn)矩了。表明電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向太不準(zhǔn)了。
圖5是應(yīng)用本發(fā)明專利后的運(yùn)行曲線，從中可以看到，從2000多到6000轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)，電機(jī)基本上輸出恒定功率，電機(jī)電壓基本與指令電壓一致。表明電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向是準(zhǔn)確的。
權(quán)利要求
1.采用電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制方法，其特征于，它是在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，依次含有以下步驟第1步基于異步電機(jī)電流模型和電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測，它是根據(jù)輸入的定子三相電壓ua，b，c、定子三相電流ia，b，c和實(shí)測轉(zhuǎn)速n計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值ΨR和轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角的觀測值θ，同時(shí)，轉(zhuǎn)速——定子激磁電流變換器把轉(zhuǎn)速n變換為定子激磁電流id*，轉(zhuǎn)速——電壓變換器把轉(zhuǎn)速n變換為電壓u*；第2步第一坐標(biāo)變換器輸出的定子三相反饋值ua，b，c即u與第1步得到的作為電壓閉環(huán)給定瞬時(shí)值的u*經(jīng)負(fù)反饋比較器又經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角θ與實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角之差Δθ；第3步第2步得到的Δθ和第一步得到的θ相減后得到實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置角的估算值θ-Δθ第4步定子三相電流ia，b，c和第三步得到的θ-Δθ角經(jīng)第二坐標(biāo)變換器后得到同步坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電流id和定子轉(zhuǎn)矩電流iq；第5步第4步得到的同步坐標(biāo)系下的定子勵(lì)磁電流id和第1步得到的定子激磁電流id*相減后再給PI調(diào)節(jié)器得到定子d軸電壓的給定值ud*；第4步得到的定子轉(zhuǎn)矩電流iq和在DSP內(nèi)事先設(shè)定的iq*相減后再給PI調(diào)節(jié)器得到定子q軸電壓的給定值uq*；第6步上述第一坐標(biāo)變換器把輸入的同步坐標(biāo)系下的ud*、uq*和θ-Δθ變換為補(bǔ)償后的定子三相電壓ua，b，c即u；第7步重復(fù)步驟2～6，進(jìn)行第二次運(yùn)算，一直到反饋電壓u等于給定電壓u*為止。
全文摘要
采用電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制方法，屬于異步電機(jī)調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域，其特征在與它通過電壓閉環(huán)直接調(diào)節(jié)觀測的轉(zhuǎn)子磁場與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁場之間的夾角，即通過校正同步坐標(biāo)d軸位置角，使其定向于轉(zhuǎn)子磁場方向上。它是用DSP來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明解決了由于電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)等原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)子磁場定向不準(zhǔn)的問題，克服了矢量控制嚴(yán)重依懶電機(jī)參數(shù)這一主要缺點(diǎn)，大大提高了矢量控制系統(tǒng)對電機(jī)參數(shù)的魯棒性，為異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的解耦控制找到了有效的解決途經(jīng)。
文檔編號H02P21/00GK1604457SQ200410009718
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者陸海峰, 瞿文龍 申請人:清華大學(xué)