一種異步電機矢量控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種異步電機矢量控制裝置及方法，該控制方法以Buck-Boost矩陣變換器作為異步電機變頻調速用變頻器，首先根據異步電機的轉速給定并基于矢量控制原理獲得異步電機定子電壓給定值，并將該電壓給定作為Buck-Boost矩陣變換器的參考輸入；再以Buck-Boost矩陣變換器中電容電壓與電感電流為系統控制變量，并針對這兩個系統控制變量分別構建兩個控制閉環使其按確定的參考值變化，由此可在Buck-Boost矩陣變換器輸出端獲得與其參考輸入基本一致的輸出電壓，從而實現異步電機的實際轉速對給定轉速的準確跟蹤，達到對異步電機進行變頻調速控制的目的。
【專利說明】一種異步電機矢量控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種異步電機矢量控制領域,特別涉及一種基于Buck-Boost矩陣變換器的異步電機矢量控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]變頻調速目前已成為交流調速發展的主流，而作為其核心裝置的變頻器更是成為研究的重點。目前在交流傳動領域采用的變頻器主要為“交直交雙PWM變流器”的結構形式，該結構雖具有網側功率因數高、諧波含量小、可四象限運行等特點，但同時也由于其直流側存在大容量濾波電容及輸入輸出側存在濾波電抗器等而造成裝置體積大、成本高、壽命短等不足，為變頻器的推廣應用帶來了不利的影響。
【發明內容】
[0003]為了解決上述技術問題，本發明提供一種成本低、性能好的異步電機矢量控制裝置，并提供一種異步電機矢量控制方法。
[0004]本發明解決上述問題的技術方案是:一種異步電機矢量控制裝置，包括整流模塊、逆變模塊、整流控制模塊、逆變控制模塊、矢量控制模塊和轉速檢測模塊，所述整流模塊的輸入端與網側電壓檢測模塊的輸入端相連，網側電壓檢測模塊的輸出端與整流控制模塊的輸入端相連，整流控制模塊的輸出端與整流模塊相連，所述整流模塊的輸出端與逆變模塊的輸入端、直流電壓檢測模塊的輸入端相連，直流電壓檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊的輸入端相連，逆變模塊的輸出端與異步電機、狀態變量檢測模塊的輸入端、輸出電流檢測模塊的輸入端、輸出電壓檢測模塊的輸入端相連，狀態變量檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊相連，輸出電流檢測模塊的輸出端分別與逆變控制模塊、矢量控制模塊相連，輸出電壓檢測模塊的輸出端與矢量控制模塊相連，所述轉速檢測模塊的輸入端與異步電機相連，輸出端與矢量控制模塊相連，所述矢量控制模塊與逆變控制模塊、轉速給定模塊、參數設置模塊相連。
[0005]一種異步電機矢量控制方法，包括以下步驟:
[0006]I)利用傳感器分別檢測異步電機的實際轉速與定子電流；
[0007]2)根據異步電機的實際轉速、定子電流及異步電機的給定轉速，利用矢量控制原理獲得異步電機定子電壓的給定值，并以該電壓給定值作為Buck-Boost矩陣變換器的參考輸入電壓；
[0008]3)以Buck-Boost矩陣變換器參考輸入電壓幅值的1.5倍作為直流偏置電壓，將參考輸入電壓與直流偏置電壓進行疊加得到電容電壓的參考值Uaref ；
[0009]4)將電容電壓的參考值Uaref與電容電壓的實際值Ua進行比較得到電容電壓的偏差，電容電壓的偏差經PID運算得到電容電流的參考伉i,:lref ；
[0010]5)檢測Buck-Boost矩陣變換器的直流側電圧K及其逆變模塊輸出電流I1，計算電感電流的參考值 iLlref, iLlref = U XMcl +4) ATrfc ；[0011]6)將電感電流的參考值iUMf與其實際值iu進行比較，其偏差經PID運算得到電感電壓的參考值uUMf ；
[0012]7)根據公式4 =("(.丨+"/」,? )/("n十t.)計算得到占空比Cl1，控制器根據占空比Cl1
及相應的開關周期輸出控制信號控制Buck-Boost DC-DC變換器中對應功率開關的開通時間，從而調節電容電壓使其按確定的參考值變化，由此在Buck-Boost矩陣變換器輸出端獲得與其參考輸入基本一致的輸出電壓，實現異步電機的實際轉速對給定轉速的跟蹤。
[0013]本發明的技術效果在于:本發明首先根據異步電機的轉速給定并基于矢量控制原理獲得異步電機定子電壓給定值，并將該電壓給定作為Buck-Boost矩陣變換器的參考輸入；再以Buck-Boost矩陣變換器中電容電壓與電感電流為系統控制變量，并針對這兩個系統控制變量分別構建兩個控制閉環使其按確定的參考值變化，由此可在Buck-Boost矩陣變換器輸出端獲得與其參考輸入基本一致的輸出電壓，從而實現異步電機的實際轉速對給定轉速的準確跟蹤，達到對異步電機進行變頻調速控制的目的。本發明具有原理簡單、控制精度高、動態性能好的優點，可大大提高基于Buck-Boost矩陣變換器的異步電機矢量控制系統的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的結構框圖。
[0015]圖2為本發明的Buck-Boost矩陣變換器拓撲結構。
[0016]圖3為本發明中電容電壓控制外環的原理框圖。
[0017]圖4為本發明中電感電流控制內環的原理框圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0019]如圖1所示，本發明包括整流模塊、逆變模塊、整流控制模塊、逆變控制模塊、矢量控制模塊和轉速檢測模塊，所述整流模塊的輸入端與網側電壓檢測模塊的輸入端相連，網側電壓檢測模塊的輸出端與整流控制模塊的輸入端相連，整流控制模塊的輸出端與整流模塊相連，所述整流模塊的輸出端與逆變模塊的輸入端、直流電壓檢測模塊的輸入端相連，直流電壓檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊的輸入端相連，逆變模塊的輸出端與異步電機、狀態變量檢測模塊的輸入端、輸出電流檢測模塊的輸入端、輸出電壓檢測模塊的輸入端相連，狀態變量檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊相連，輸出電流檢測模塊的輸出端分別與逆變控制模塊、矢量控制模塊相連，輸出電壓檢測模塊的輸出端與矢量控制模塊相連，所述轉速檢測模塊的輸入端與異步電機相連，輸出端與矢量控制模塊相連，所述矢量控制模塊與逆變控制模塊、轉速給定模塊、參數設置模塊相連。
[0020]參見圖2,Buck-Boost矩陣變換器的逆變級是由三個結構相同的Buck-Boost DC/DC變換器構成，因而其控制系統將針對每相Buck-Boost DC/DC變換器構建一個單獨的控制單元，每個控制單元又包括分別針對電容電壓與電感電流的兩個控制閉環。鑒于其中電容電壓因與Buck-Boost矩陣變換器的輸出電壓直接相關聯(電容電壓的交流分量即為Buck-Boost矩陣變換器要求輸出的交流電壓)，對其進行有效的控制可使Buck-Boost矩陣變換器的輸出電壓實現對其參考輸入的準確跟蹤，因而將其作為控制外環；而電感在Buck-Boost矩陣變換器中起中間能量傳輸作用，對其電流進行直接控制可有效提高系統的可靠性及動態性能，故將其作為控制內環；然而這兩個控制閉環的控制對象都是Buck-Boost DC/DC變換器，只是對其中的兩個狀態變量分別進行閉環控制而已，且對這兩個狀態變量的控制都是通過改變變換器中功率開關的占空比(即導通時間)來實現；其控制關系在于，通過電容電壓控制外環來確定電感電流的參考值，再通過電感電流控制內環改變占空比，從而達到使電容電壓與電感電流均按其參考值變化，實現這兩個狀態變量對其參考值的準確跟蹤。
[0021]參見圖3，圖3為本發明Buck-Boost矩陣變換器的電容電壓控制外環原理圖。該控制環的作用在于通過確定電感電流控制內環的參考值，并由該參考值經限幅后作用于控制內環，進而通過改變占空比Cl1來調節電感電流和電容電壓，使電容電壓按設定的參考值變化，從而達到控制輸出電壓的目的。
[0022]其中電容電壓的參考值由矢量控制模塊確定，其基本原理是:矢量控制模塊根據異步電機的轉速給定，同時通過檢測該電機的實際轉速與定子電流的實際值，并結合該電機的額定轉速、額定轉子磁鏈以及額定定子電壓幅值等參數，應用矢量控制原理得到該異步電機定子電壓的給定值，并以該電壓給定幅值的1.5倍作為直流偏置，再與該電壓給定信號進行疊加得到電容電壓的參考值
[0023]將電容電壓的參考值Uaref與其實際值Ua進行比較，其偏差經PID運算后得到電容電流的參考值ieiMf，再通過檢測Buck-Boost矩陣變換器的直流側電壓^、其逆變模塊的
輸出電流I1以及電容電壓實際值ucl，由公式:
【權利要求】
1.一種異步電機矢量控制裝置，其特征在于:包括整流模塊、逆變模塊、整流控制模塊、逆變控制模塊、矢量控制模塊和轉速檢測模塊，所述整流模塊的輸入端與網側電壓檢測模塊的輸入端相連，網側電壓檢測模塊的輸出端與整流控制模塊的輸入端相連，整流控制模塊的輸出端與整流模塊相連，所述整流模塊的輸出端與逆變模塊的輸入端、直流電壓檢測模塊的輸入端相連，直流電壓檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊的輸入端相連，逆變模塊的輸出端與異步電機、狀態變量檢測模塊的輸入端、輸出電流檢測模塊的輸入端、輸出電壓檢測模塊的輸入端相連，狀態變量檢測模塊的輸出端與逆變控制模塊相連，輸出電流檢測模塊的輸出端分別與逆變控制模塊、矢量控制模塊相連，輸出電壓檢測模塊的輸出端與矢量控制模塊相連，所述轉速檢測模塊的輸入端與異步電機相連，輸出端與矢量控制模塊相連，所述矢量控制模塊與逆變控制模塊、轉速給定模塊、參數設置模塊相連。
2.一種異步電機矢量控制方法，包括以下步驟: 1)利用傳感器分別檢測異步電機的實際轉速與定子電流； 2)根據異步電機的實際轉速、定子電流及異步電機的給定轉速，利用矢量控制原理獲得異步電機定子電壓的給定值，并以該電壓給定值作為Buck-Boost矩陣變換器的參考輸入電壓； 3)以Buck-Boost矩陣變換器參考輸入電壓幅值的1.5倍作為直流偏置電壓，將參考輸入電壓與直流偏置電壓進行疊加得到電容電壓的參考值Uaref ； 4)將電容電壓的參考值Uaref與電容電壓的實際值Ua進行比較得到電容電壓的偏差，電容電壓的偏差經PID運算得到電容電流的參考值iaref ； 5)檢測Buck-Boost矩陣變換器的直流側電圧K及其逆變模塊輸出電流I1，計算電感電流的參考值
【文檔編號】H02P21/14GK103475298SQ201310460536
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】張小平, 尹翔, 黃毅 申請人:湖南科技大學