專利名稱：采用電壓閉環實現異步電機轉子磁場準確定向的控制方法
技術領域：
本發明涉及異步電機調速技術領域，尤其涉及異步電機轉子磁場定向矢量控制技術領域。
背景技術：
異步電機轉子磁場定向矢量控制可實現定子電流的勵磁分量和轉矩分量的解耦控制，所以可以獲得象直流電機一樣的控制性能。只有當d軸坐標與轉子磁鏈方向一致時，d軸電流與q軸電流才是解耦的。當d軸坐標與轉子磁鏈方向不一致時，會導致電機電壓升高或下降，電機轉矩下降，電機功率下降。但是要實現異步電機轉子磁場準確定向不是一件容易的事。目前通常的辦法是根據異步電機的數學模型來對異步電機的轉子磁場進行觀測，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。利用電機的數學模型來觀測轉子磁場要依懶電機的參數，若參數不準，定向不可能準確。另外，在數字控制中，存在計算精度和時間滯后問題，這些對磁場定向也會產生影響。尤其在高速弱磁區，準確磁場定向的難度更大。
發明內容
本發明提出了采用電壓閉環來實現異步電機轉子磁場準確定向的控制方法。該方法通過電壓閉環直接調節觀測的轉子磁場與實際轉子磁場之間的夾角，即通過校正同步坐標d軸的位置角，使其定向于轉子磁場方向上。本發明對異步電機轉子磁場定向矢量控制的主要貢獻是解決了由于電機參數不準等原因導致的轉子磁場定向不準的一大難題，創造性地提出了采用電壓反饋控制的方法使得觀測的轉子磁鏈方向與實際轉子磁鏈方向保持一致，克服了矢量控制嚴重依懶電機參數這一主要缺點，大大提高了矢量控制系統對電機參數的魯棒性，為異步電機矢量控制系統實現真正的解耦控制找到了一條有效的解決途經。
本發明的特征在于采用電壓閉環實現異步電機轉子磁場準確定向的控制方法，其特征于，它是在DSP內實現的，依次含有以下步驟第1步基于異步電機電流模型和電壓模型的轉子磁鏈觀測是根據輸入的定子三相電壓ua，b，c、定子三相電流ia，b，c和實測轉速n計算出轉子磁鏈觀測值ΨR和轉子磁鏈空間位置角的觀測值θ，同時，轉速——定子激磁電流把轉速n變換為定子激磁電流id*，轉速——電壓變換器把轉速n變換為電壓u*；第2步第一坐標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給定瞬時值的u*經負反饋比較器又經PI調節器得到觀測的轉子磁鏈空間位置角θ與實際的轉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相減后得到實際轉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角經第二坐標變換器后得到同步坐標系下的定子勵磁電流id和定子轉矩電流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調節器得到定子d軸電壓的給定值ud*；第5.2步第4步得到的iq和在DSP內事先設定的iq*相減后再給PI調節器得到定子q軸電壓的給定值uq*；第6步上述第一坐標變換器把輸入的同步坐標系下的ud*、uq*和θ-Δθ變換為補償后的定子三相電壓u’a，b，c即u；第7步重復步驟2～6，進行第二次運算，一直到反饋電壓u等于給定電壓u*為止。
采用這種電壓閉環的控制方法，能自動校正觀測的轉子磁鏈方向，使其與實際轉子磁鏈的方向保持一致。
圖1當d軸領先轉子磁鏈一個角度時，id大于idψ。
圖2當d軸落后轉子磁鏈一個角度時，id大于idψ。
圖3采用電壓閉環來校正轉子磁鏈觀測角度偏差的控制框圖。
圖4沒有電壓反饋時的運行曲線圖5有電壓反饋時的運行曲線，具體實施方式
在轉子磁鏈定向的矢量控制系統中，準確定向時，同步坐標系的d軸方向與轉子磁鏈方向一致。轉子磁鏈靠觀測得到，觀測得到的磁鏈方向就是d軸的正方向。轉子磁場定向不準時，說明觀測得到的磁鏈方向并不是實際磁鏈的方向，也即d軸坐標沒有與實際轉子磁鏈的方向一致。方向不一致存在兩種情況1、觀測磁鏈領先實際磁鏈，如圖1所示。從圖1中我們看到，由于d軸坐標領先轉子磁鏈ψR一個空間電角度，所以定子電流is的實際勵磁分量idψ要比觀測值id小。由此可以得出以下結論當觀測磁鏈領先實際磁鏈時，定子每相實際電壓小于觀測電壓，即實際電壓小于給定值。
2、觀測磁鏈落后實際磁鏈，如圖2所示。從圖2中我們看到，由于d軸坐標落后轉子磁鏈ψR一個空間電角度，所以定子電流is的實際勵磁分量idψ要比觀測值id大。由分析可知，當觀測磁鏈落后實際磁鏈時，定子每相實際電壓大于觀測值，即實際電壓大于給定值。
綜合上面的分析可以得出以下結論當觀測磁鏈超前實際磁鏈一個角度時，電機勵磁電流減小，電機電壓下降；當觀測磁鏈滯后實際磁鏈一個角度時，電機勵磁電流增加，電機電壓上升。于是我們找到了反映轉子磁鏈定向準確與否的一個容易檢測的間接物理量——電機電壓。當實際電壓小于指令電壓時，說明觀測磁鏈領先實際磁鏈；當實際電壓大于指令電壓時，說明觀測磁鏈落后實際磁鏈；實際電壓與指令電壓的差值越大，說明觀測磁鏈與實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際磁鏈之間角度的方法，即采用電壓閉環，利用電壓誤差來對定向偏差的角度進行校正，使觀測磁鏈(d軸)與實際磁鏈(ψR)方向趨于一致。
圖3為采用電壓閉環來調節觀測磁鏈角度的異步電機轉子磁場準確定向的控制框圖。下面對圖3作簡要說明。
異步電機轉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轉速。可采用電流模型或電壓模型來觀測出轉子磁鏈的幅值ψR和空間位置角θ，若模型參數不準，則觀測的轉子磁鏈空間位置角θ與實際轉子磁鏈的空間位置角之間會存在誤差。通常，電機在恒轉矩調速范圍內保持磁鏈恒定，即勵磁電流恒定，而電壓與轉速成正比；在恒功率調速范圍電壓保持恒定，勵磁電流隨轉速上升而下降。由電機無載試驗可得id*=f(n)---(1)]]>u*＝f(n) (2)其中，式(1)為給定勵磁電流與電機轉速的函數，式(2)為電機定子電壓與電機轉速的函數。電機三相定子電流經坐標變換可得到同步坐標系下的id和iq。勵磁電流id的閉環控制可以使實際勵磁電流跟隨給定值。轉矩電流iq的閉環控制使轉矩電流跟隨給定值。給定電壓u*與反饋電壓u進行比較，其誤差值經PI調節后對觀測到的轉子磁鏈位置角進行調節。其調節過程如下若反饋電壓小于給定電壓，則說明觀測磁鏈領先于實際磁鏈了，應將觀測磁鏈后退一個角度，也即將d軸坐標后退一個角度。在數字控制系統中，運算一次，同步旋轉的d軸坐標就后退一個角度Δθ，直到反饋電壓等于給定電壓。當反饋電壓等于給定電壓時，說明d軸坐標與實際轉子磁鏈同方向了。若反饋電壓大于給定電壓，則說明觀測磁鏈領落后實際磁鏈了，電壓調節器將觀測磁鏈往前移一個角度，直到d軸坐標與轉子磁鏈方向一致。
圖4是沒有電壓反饋時的運行曲線，給定轉矩是350Nm，圖中U1*是指令電壓，U1是實際電壓，P是輸出功率，T是輸出轉矩，I1是電機相電流。從圖中曲線可以看到當電機轉速到每分鐘2000多轉時，電機電壓U1，輸出轉矩，輸出功率都開始下降，到4000多轉時，電機已輸不出多大轉矩了。表明電機轉子磁場定向太不準了。
圖5是應用本發明專利后的運行曲線，從中可以看到，從2000多到6000轉/分的范圍內，電機基本上輸出恒定功率，電機電壓基本與指令電壓一致。表明電機轉子磁場定向是準確的。
權利要求
1.采用電壓閉環實現異步電機轉子磁場準確定向的控制方法，其特征于，它是在DSP內實現的，依次含有以下步驟第1步基于異步電機電流模型和電壓模型的轉子磁鏈觀測，它是根據輸入的定子三相電壓ua，b，c、定子三相電流ia，b，c和實測轉速n計算出轉子磁鏈觀測值ΨR和轉子磁鏈空間位置角的觀測值θ，同時，轉速——定子激磁電流變換器把轉速n變換為定子激磁電流id*，轉速——電壓變換器把轉速n變換為電壓u*；第2步第一坐標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給定瞬時值的u*經負反饋比較器又經PI調節器得到觀測的轉子磁鏈空間位置角θ與實際的轉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相減后得到實際轉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角經第二坐標變換器后得到同步坐標系下的定子勵磁電流id和定子轉矩電流iq；第5步第4步得到的同步坐標系下的定子勵磁電流id和第1步得到的定子激磁電流id*相減后再給PI調節器得到定子d軸電壓的給定值ud*；第4步得到的定子轉矩電流iq和在DSP內事先設定的iq*相減后再給PI調節器得到定子q軸電壓的給定值uq*；第6步上述第一坐標變換器把輸入的同步坐標系下的ud*、uq*和θ-Δθ變換為補償后的定子三相電壓ua，b，c即u；第7步重復步驟2～6，進行第二次運算，一直到反饋電壓u等于給定電壓u*為止。
全文摘要
采用電壓閉環實現異步電機轉子磁場準確定向的控制方法，屬于異步電機調速技術領域，其特征在與它通過電壓閉環直接調節觀測的轉子磁場與實際轉子磁場之間的夾角，即通過校正同步坐標d軸位置角，使其定向于轉子磁場方向上。它是用DSP來實現的。本發明解決了由于電機參數不準等原因導致的轉子磁場定向不準的問題，克服了矢量控制嚴重依懶電機參數這一主要缺點，大大提高了矢量控制系統對電機參數的魯棒性，為異步電機矢量控制系統的解耦控制找到了有效的解決途經。
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 優先權日2004年10月29日
發明者陸海峰, 瞿文龍 申請人:清華大學