CN100377492C - 一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法 - Google Patents

Abstract

一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，通过控制运动电动势，实现磁场定向，以及控制异步电动机转速，该方法包括以下步骤：将速度调节器的输出作为运动电动势的期望值；利用运动电动势的期望值除以定向磁通的期望值得出转差频率时期望值；利用定向磁通的期望值、转差频率的期望值、运动电动势的期望值和电动机的参数计算出电动机的定子电流励磁分量和转矩分量。本发明控制结构和计算简单易行，既可实现转子磁场定向，又可实现气隙磁场定向和定子磁场定向，甚至任意磁场定向；既可用于恒转矩控制，也可用于恒功率控制；当用于恒功率控制时，不需要增加另外的控制，就可避免传统的磁场定向控制时常出现的电流和电压的饱和问题。

Description

一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法

技术领域

本发明涉及异步电动机调速方法，特别是涉及一种通过控制运动电势以实现异步电机速度控制的方法。

背景技术

异步电动机是工农业生产的主要动力，随着科学的发展和人类的进步，对异步电动机的速度控制提出了越来越高的要求，传统的异步电动机的调速方法是通过直接控制电动机的电磁转矩来实现的。在实际的工业应用中，传统的调速方法一般包括两种：即，用于较低动态性能的标量控制和用于高动态性能的磁场定向控制(又称矢量控制)。而其中的磁场定向控制通常包括转子磁场定向、定子磁场定向和气隙磁场定向三种不同的控制方式，其对异步电动机转速进行控制的基本方法是：由定向磁场期望值得到定子电流励磁(或直轴)分量；由速度调节器得出转矩期望值，进而得出定子电流转矩(或交轴)分量，从而实现转矩和磁通的解耦。

另一方面，在现有技术中，根据上述三种磁场定向控制中定向磁场的位置角的获取方式，一般又将磁场定向控制分为间接磁场定向控制方式和直接磁场定向控制方式；在间接磁场定向方式中，转差频率由定子电流转矩(或交轴)分量期望值、定子电流励磁(或直轴)分量期望值、定向磁通期望值和电动机的参数计算求得，再将其与通过速度传感器(或观测器)得到的速度相加，得到期望的定子电流频率，并由该频率积分后，得到定向磁场的位置角；在直接磁场定向控制方式中，则可通过直接测量或采用观测器得到定向磁场的位置角。结合以上获得的电流和磁场定向位置角，即可实现异步电机的速度控制。

现有技术所采用的调速方法，大都是直接从转矩来设计控制器，其缺点为当采用矢量控制进行恒功率(或弱磁)运行时常常会出现电流和电压的饱和问题，这增加了控制的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，而提供一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，通过控制异步电动机的运动电动势，实现异步电动机的速度控制。

本发明提供一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，通过控制运动电动势，实现磁场定向，以及控制异步电动机转速，该方法包括以下步骤：

将速度调节器的输出作为运动电动势的期望值；

利用运动电动势的期望值除以定向磁通的期望值得出转差频率的期望值；

利用定向磁通的期望值、转差频率的期望值、运动电动势的期望值和电动机的参数计算得出电动机的定子电流励磁分量和转矩分量。

与现有技术相比，本发明提出的基于运动电动势控制的异步电动机的调速方法，其控制结构和计算简单易行，可以达到传统矢量控制的性能，既可以实现转子磁场定向，又可以实现气隙磁场定向和定子磁场定向，甚至任意磁场定向，并可以通过改变系数的值实现转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向之间的转换；既可用于恒转矩运行，也可用于恒功率(或弱磁)运行，特别是在用于恒功率(或弱磁)运行时，不需特别的控制，就可避免传统的矢量控制用于恒功率运行时常出现的电流和电压的饱和问题。

下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。

附图说明

图1为本发明所构成的任意磁场定向***的电流解耦框图；

图2为本发明所构成的间接转子磁场定向控制***；

图3为本发明所构成的间接气隙磁场定向控制***；

图4为本发明所构成的间接定子磁场定向控制***。

具体实施方式

本发明所提出的基于运动电动势控制的异步电动机的调速方法，其主要的工作原理是：将速度调节器的输出作为运动电动势的期望值；由运动电动势的期望值除以定向磁通的期望值得出转差频率的期望值；定子电流励磁(或直轴)分量和转矩(或交轴)分量则由定向磁通的期望值、转差频率的期望值、运动电动势的期望值和电动机的参数计算得出。

异步电动机在任意同步旋转坐标系中，将任意磁通定向后的数学模型为：

$\left.\begin{array}{c}{u}_d^a=R_s{i}_d^a+(L_s-a{L}_m)p{i}_d^a+p{\mathrm{\ψ}}_m^a-{\mathrm{\ω}}_1(L_s-a{L}_m)i_q^a\\ u_q^a=R_s{i}_q^a+(L_s-a{L}_m)p{i}_q^a+{\mathrm{\ω}}_1(L_s-a{L}_m)i_d^a+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_m^a\end{array}\right\}---\left(1\right)$

$\left.\begin{array}{c}0=-(R_r^a+a(a{L}_r-L_m)p)i_d^a+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{si}}a(a{L}_r-L_m)i_q^a+(\frac{R_r^a}{a{L}_m}+\frac{a{L}_r}{L_m}p){\mathrm{\ψ}}_m^a\\ 0=-(R_r^a+a(a{L}_r-L_m)p)i_q^a-{\mathrm{\ω}}_{s1}a(a{L}_r-L_m)i_d^a+{\mathrm{\ω}}_{s1}\frac{a{L}_r}{L_m}{\mathrm{\ψ}}_m^a\end{array}\right\}---\left(2\right)$

式中，a为一实常数，u_d ^a为定子绕组电压d轴分量；u_q ^a为定子绕组电压q轴分量；i_d ^a为任意磁场定向时定子绕组电流d轴(或励磁电流)分量；i_q ^a为任意磁场定向时定子绕组电流q轴(或转矩电流)分量；ψ_m ^a为任意定向磁通；ω₁为定子绕组电流频率；ω_sl为转差角频率；R_s为定子绕组电阻；L_s为定子绕组电感；L_m为励磁电感；L_r为折算到定子绕组的转子绕组电感； $R_r^a=a^2{R}_r,$ R_r为折算到定子绕组的转子绕组电阻。

根据a的取值不同，本发明所提出的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法既可以构成独立的转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向控制，也可构成能在转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向之间相互转换的复合控制；既可用于电流源逆变器控制，也可用于电压源逆变器控制；既可构成间接矢量控制，也可构成直接矢量控制；此外，还可以构成无速度传感器控制。

以下结合本发明附图及在各种磁场定向***中的具体实施例，对本发明的技术方案作详细的描述。

根据上述工作原理提到的公式(1)和(2)构成的基于运动电动势控制的异步电动机任意磁场定向的电流解耦框图如图1所示，图1中，ω^*为电动机转动速度的期望值，ω为异步电动机的实际转速，1为速度调节器，其输出是所控制的运动电动势的期望值e_r ^*，速度调节器可以是PI、PID、模糊或神经网络等调节器；2为函数发生器，其输出为任意定向磁通的期望值ψ_m ^a；4为除法运算，其表示的关系是运动电动势的期望值除以定向磁通的期望值得出转差频率的期望值ω_sl ^*；T_r＝L_r/R_r为转子时间常数，p为求导符号， ${\mathrm{\σ}}_a=1-\frac{L_m}{a{L}_r},$ 励磁电流分量的期望值i_d ^a*和转矩电流分量的期望值i_q ^a*由任意定向磁通的期望值和运动电动势的期望值计算得出，该图中的5、8为加法运算，6、7为乘法运算，参与上述运算，分别得到定子电流励磁分量的期望值i_d ^a*和定子电流转矩分量的期望值i_q ^a*。

下面分别说明本发明基于运动电动势控制的异步电动机在转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向三种不同控制***的框图。

如果将a＝L_m/L_r代入图1可构成基于运动电动势控制的异步电动机转子磁场定向控制，其构成的间接转子磁场定向控制***如图2所示。

在图2中，i_d ^r*为转子磁场定向时定子绕组电流d轴(或励磁电流)分量的期望值；i_q ^r*为转子磁场定向时定子绕组电流q轴(或转矩电流)分量的期望值；ψ_r ^*为转子磁通定向的期望值；其它物理量同前。9实现转差频率与转子转速相加得到定子电流频率；10为积分运算，将定子电流频率进行积分后得到转子磁通角θ；11将定子电流励磁分量和转矩分量进行坐标变换，计算定子电流或定子电压，以便通过12的电流源逆变器或电压源逆变器给异步电动机馈电，其方法与传统的矢量控制相同。13为三相异步电动机；14为速度传感器。

如果将a＝1代入图1可构成基于运动电动势控制的异步电动机气隙磁场定向控制，其构成的间接气隙磁场定向控制***如图3所示。

在图3中， ${\mathrm{\σ}}_m=1-\frac{L_m}{L_r},$ i_d ^m*为气隙磁场定向时定子绕组电流d轴(或励磁电流)分量的期望值；i_q ^m*为气隙磁场定向时定子绕组电流q轴(或转矩电流)分量的期望值；ψ_m ^*为气隙磁通定向的期望值；其它物理量同前。9实现转差频率与转子转速相加得到定子电流频率；10为积分运算，将定子电流频率进行积分后得到气隙磁通角θ；通过加法器5、8和乘法器6、7计算定子电流励磁分量期望值和转矩分量期望值；11将定子电流励磁分量和转矩分量进行坐标变换，计算定子电流或定子电压，以便通过12的电流源逆变器或电压源逆变器给异步电动机馈电，其方法与传统的矢量控制相同。13为三相异步电动机；14为速度传感器。

如果将a＝L_s/L_m代入图1可构成基于运动电动势控制的异步电动机定子磁场定向控制，其构成的间接定子磁场定向控制***如图4所示。

在图4中， ${\mathrm{\σ}}_s=1-\frac{L_m^2}{{L_{s}L}_r},$ i_d ^s*为定子磁场定向时定子绕组电流d轴(励磁电流)分量的期望值；i_q ^s*为定子磁场定向时定子绕组电流q轴(转矩电流)分量的期望值；ψ_s ^*为定子磁通定向的期望值；其它物理量同前。9实现转差频率与转子转速相加得到定子电流频率；10为积分运算，将定子电流频率进行积分后得到定子磁通角θ；通过加法器5、8和乘法器6、7计算定子电流励磁分量期望值和转矩分量期望值；11将定子电流励磁分量和转矩分量进行坐标变换，计算定子电流或定子电压，以便通过12的电流源逆变器或电压源逆变器给异步电动机馈电，其方法与传统的矢量控制相同。13为三相异步电动机；14为速度传感器。

上述方法只是所构成方法的一部分，此外，还可以构成磁通闭环，运动电动势闭环，电流闭环，直接磁场定向控制等，除了前面指出的不同外，其他方法与传统的磁场定向控制基本相同。

以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的***及方法的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，在磁场定向控制***中，通过控制运动电动势，实现磁场定向，以及控制异步电动机转速，该方法包括以下步骤：

将速度调节器的输出作为运动电动势的期望值；

利用运动电动势的期望值除以定向磁通的期望值得出转差频率的期望值；

利用定向磁通的期望值、转差频率的期望值、运动电动势的期望值和电动机的参数计算得出电动机的定子电流励磁分量和转矩分量。

2.如权利要求1所述的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，其中还包括所述磁场定向控制***的电流解耦过程，该过程包括以下步骤：

将转差频率与转子转速相加后，得到定子电流频率；

将定子电流频率进行积分后得到定向磁通角；

将定子电流励磁分量和转矩分量进行坐标变换，计算定子电流或定子电压，通过电流源逆变器或电压源逆变器给异步电动机馈电。

3.如权利要求1所述的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，其中所述磁场定向控制***为转子磁场定向控制***。

4.如权利要求1所述的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，其中所述磁场定向控制***为气隙磁场定向控制***。

5.如权利要求1所述的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，其中所述磁场定向控制***为定子磁场定向控制***。

6.如权利要求1所述的基于运动电动势控制的异步电动机调速方法，其中的异步电动机为三相异步电动机。

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