CN102868352A - 具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***及方法。所述控制***包括无功功率修正器和无功功率调节器；磁链发生器通过无功功率修正器与无功功率调节器相连，无功功率调节器输出端和积分器输出端通过比较器与Park变换器和Park反变换器相连。控制方法包括利用d轴给定电流

计算给定无功功率Q^*；利用转子电角速度ω_r计算反馈无功功率Q；将给定无功功率Q^*和反馈无功功率Q的差值进行比例积分无功功率调节运算得到转子位置角的修正项θ_s2，并计算得到转子位置角为θ_s=θ_s1+θ_s2。本发明可以校准转子磁场定向，从而消除在运行过程中转子电阻变化对转子磁场定向控制性能的影响。

Description

具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***及方法

技术领域

本发明涉及一种感应电机转子磁场定向控制***及方法，具体涉及一种具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***及方法。

背景技术

感应电机由于其坚固耐用、维护量小等优点被广泛应用于各种领域，产生了很好的社会效益和经济效益。现代感应电机控制大多采用磁场定向控制。磁场定向控制包括转子磁场定向控制、定子磁场定向控制和气隙磁场定向控制。它实现了定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，从而提高了感应电机的动态响应和交流传动***的性能。其中实现感应电机转子磁场定向控制的前提是实现转子磁场的准确定向，这需要准确计算感应电机的参数。感应电机转子磁场定向控制***中电机参数一般采用通过参数整定获得。而感应电机在运行过程中，它的参数由于受到温度、磁场饱和等因素的影响会发生很大的变化，其中转子电阻的变化最大，这严重的影响了转子磁场定向控制的性能。

实用新型内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***及方法，可以校准转子磁场定向，从而消除在运行过程中转子电阻变化对转子磁场定向控制性能的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***，包括：比较器，转速调节器，转矩电流计算器，转矩电流调节器，Park反变换器，空间矢量PWM逆变器，感应电机，磁链发生器，励磁电流调节器，Clarke变换器，Park变换器，转差角速度计算器，相位角计算器，无功功率修正器，无功功率调节器，转速测量器。

转速调节器和转矩电流计算器相连，转矩电流计算器输出端和Park变换器输出端通过比较器与转矩电流调节器和Park反变换器相连；

磁链发生器与转矩电流计算器和转差角速度计算器相连，并且磁链发生器输出端和Park变换器输出端通过比较器与励磁电流调节器和Park反变换器相连；

Park反变换器通过空间矢量PWM逆变器与感应电机相连；

在空间矢量PWM逆变器和感应电机之间接入Clarke变换器，且Clarke变换器和Park变换器相连；

感应电机通过转速测量器与转速调节器输入端的比较器相连；

转差角速度计算器输出端和转速测量器输出端通过比较器与相位角计算器相连；

磁链发生器通过无功功率修正器与无功功率调节器相连，无功功率调节器输出端和相位角计算器输出端通过比较器与Park变换器和Park反变换器相连。

上述的具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***中，磁链发生器包括函数发生器和励磁电流计算器。函数发生器与转速测量器相连，函数发生器输出端分别与转差角速度计算器和励磁电流计算器相连，励磁电流计算器与转矩电流计算器和无功功率修正器相连，并且励磁电流计算器输出端和Park变换器输出端通过励磁电流调节器与Park反变换器相连。

上述的具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***中，无功功率修正器包括给定无功功率计算器和反馈无功功率计算器。给定无功功率计算器与磁链发生器相连，反馈无功功率计算器与转速测量器相连，给定无功功率计算器输出端与反馈无功功率计算器输出端通过比较器与无功功率调节器相连。

本发明还提供了一种具有转子位置角无功功率修正的感应电机转子磁场定向控制方法，包括：

通过转速测量器测量转子电角速度ω_r；

通过电流传感器得到A相电流i_a和B相电流i_b；

将A相电流i_a和B相电流i_b通过Clarke变换和Park变换得到d、q轴反馈电流i_sd和i_sq；

将给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值进行比例积分转速调节运算得到给定转矩

将转子电角速度ω_r通过磁链发生器得到转子磁链ψ_r和d轴给定电流

利用给定转矩

和d轴给定电流

计算得到q轴给定电流

利用q轴给定电流

和转子磁链ψ_r计算给定转差角速度

给定转差角速度

与转子电角速度ω_r之和为定向磁场电角速度，并对定向磁场电角速度进行积分得到相位角 ${\mathrm{\θ}}_{s1}=\∫({\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}^{*})\mathrm{dt};$

利用d轴给定电流

计算给定无功功率Q^*；

利用转子电角速度ω_r计算反馈无功功率Q；

将给定无功功率Q^*和反馈无功功率Q的差值进行比例积分无功功率调节运算得到转子位置角的修正项θ_s2，由此得到转子位置角为θ_s=θ_s1+θ_s2；

将d、q轴给定电流

和

与d、q轴反馈电流i_sd和i_sq进行比较，将其差值分别进行比例积分转矩电流调节运算和比例积分励磁电流调节运算得到d、q轴电压

和

并将d、q轴电压

和

进行Park反变换得到α、β轴电压

利用空间矢量调制技术产生逆变器开关导通状态的PWM波形。

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，给定无功功率

其中L_s为定子电阻，σ为漏感系数。

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，反馈无功功率 $Q=u_{\mathrm{s\β}}^{*}{i}_{\mathrm{s\α}}-u_{\mathrm{s\α}}^{*}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ω}}_r\mathrm{\σ}{L}_s(i_{\mathrm{s\α}}^2+i_{\mathrm{s\β}}^2).$

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，d轴给定电流

其中L_m为电机互感。

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，q轴给定电流

其中K_m为电机转矩系数。

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，给定转差角速度

其中T_r为转子时间常数。

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，Park反变换为 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}^{*}\\ u_{\mathrm{s\β}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}^{*}\\ u_{\mathrm{sd}}\end{array}\right].$

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，Clarke变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].$

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，Park变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right].$

上述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法中，比例积分转速调节运算、比例积分转矩电流调节运算、比例积分励磁电流调节运算和比例积分无功功率调节运算的表达式通式为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中：

K_p为比例调节系数，

K_I为积分调节系数，

e(t)分别为给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值、d轴给定电流与d轴反馈电流i_sd的差值、q轴

与q轴反馈电流i_sq的差值和给定无功功率Q^*与反馈无功功率Q的差值，

u(t)为分别为给定转矩

d轴电压

q轴电压

和转子位置角的修正项θ_s2。

本发明的技术效果在于：本发明将感应电机的给定无功功率和反馈无功功率进行比较，通过PI调节校准转子磁场定向，从而消除转子电阻对转子磁场定向控制的性能的影响。本发明不仅对转子电阻具有很强的鲁棒性而且使得感应电机的控制性能尤其是动态性能得到很大的提高，满足了***对传动***性能的要求。

附图说明

图1是本发明的控制***框图。

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，图1为本发明的控制***框图。本发明的控制***包括：

比较器，转速调节器，转矩电流计算器，转矩电流调节器，Park反变换器，空间矢量PWM逆变器，感应电机，磁链发生器，励磁电流调节器，Clarke变换器，Park变换器，转差角速度计算器，相位角计算器，无功功率修正器，无功功率调节器，转速测量器。磁链发生器包括函数发生器和励磁电流计算器。无功功率修正器包括给定无功功率计算器和反馈无功功率计算器。

其中，转速调节器和转矩电流计算器相连，转矩电流计算器输出端和Park变换器输出端通过比较器与转矩电流调节器和Park反变换器相连；

函数发生器与转速测量器相连，函数发生器输出端分别与转差角速度计算器和励磁电流计算器相连，励磁电流计算器与转矩电流计算器和给定无功功率计算器相连，并且励磁电流计算器输出端和Park变换器输出端通过比较器与励磁电流调节器和Park反变换器相连；

Park反变换器通过空间矢量PWM逆变器与感应电机相连；

在空间矢量PWM逆变器和感应电机之间接入Clarke变换器，且Clarke变换器和Park变换器相连；

感应电机通过转速测量器与转速调节器输入端的比较器相连；

转差角速度计算器输出端和转速测量器输出端通过比较器与相位角计算器相连；

转速测量器与反馈无功功率计算器相连，给定无功功率计算器输出端与反馈无功功率计算器输出端通过比较器与无功功率调节器相连；

无功功率调节器输出端和相位角计算器输出端通过比较器与Park变换器和Park反变换器相连。

参见图2，图2为本发明的控制流程图。其控制步骤包括：

通过转速测量器测量转子电角速度ω_r；

通过电流传感器得到A相电流i_a和B相电流i_b；

将A相电流i_a和B相电流i_b通过Clarke变换和Park变换得到d、q轴反馈电流i_sq和i_sd；

将给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值进行比例积分转速调节运算得到给定转矩

将转子电角速度ω_r通过磁链发生器得到转子磁链ψ_r和d轴给定电流

利用给定转矩

和d轴给定电流

计算得到q轴给定电流

利用q轴给定电流

和转子磁链ψ_r计算给定转差角速度

给定转差角速度

与转子电角速度ω_r之和为定向磁场电角速度，并对定向磁场电角速度进行积分得到相位角 ${\mathrm{\θ}}_{s1}=\∫({\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}^{*})\mathrm{dt};$

利用d轴给定电流

计算给定无功功率Q^*；

利用转子电角速度ω_r计算反馈无功功率Q；

将给定无功功率Q^*和反馈无功功率Q的差值进行比例积分无功功率调节运算得到转子位置角的修正项θ_s2，由此得到转子位置角为θ_s=θ_s1+θ_s2；

将d、q轴给定电流和

与d、q轴反馈电流i_sd和i_sq进行比较，将其差值分别进行比例积分转矩电流调节运算和比例积分励磁电流调节运算得到d、q轴电压

和并将d、q轴电压

和

进行Park反变换得到α、β轴电压

利用空间矢量调制技术产生逆变器开关导通状态的PWM波形。

其中，给定无功功率L_s为定子电阻，σ为漏感系数。。

反馈无功功率 $Q=u_{\mathrm{s\β}}^{*}{i}_{\mathrm{s\α}}-u_{\mathrm{s\α}}^{*}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ω}}_r\mathrm{\σ}{L}_s(i_{\mathrm{s\α}}^2+i_{\mathrm{s\β}}^2).$

d轴给定电流

L_m为电机互感。

q轴给定电流

K_m为电机转矩系数。

给定转差角速度

T_r为转子时间常数。

Park反变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& -\sin {\mathrm{\θ}}_s\\ \sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right].$

Clarke变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].$

Park变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right].$

比例积分转速调节运算、比例积分转矩电流调节运算、比例积分励磁电流调节运算和比例积分无功功率调节运算的表达式通式为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中：

K_p为比例调节系数，

K_I为积分调节系数，

e(t)分别为给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值、d轴给定电流与d轴反馈电流i_sd的差值、q轴

与q轴反馈电流i_sq的差值和给定无功功率Q^*与反馈无功功率Q的差值，

u(t)为分别为给定转矩

d轴电压

q轴电压

和转子位置角的修正项θ_s2。

本说明中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。对本发明所描述的具体实施方案做出的各种修改、补充，或者采用类似的方式代替，只要不偏离本发明的结构，或者不超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***，包括：比较器，转速调节器，转矩电流计算器，转矩电流调节器，Park反变换器，空间矢量PWM逆变器，感应电机，磁链发生器，励磁电流调节器，Clarke变换器，Park变换器，转差角速度计算器，相位角计算器，转速测量器；

转速调节器和转矩电流计算器相连，转矩电流计算器输出端和Park变换器输出端通过比较器与转矩电流调节器和Park反变换器相连；

磁链发生器与转矩电流计算器和转差角速度计算器相连，并且磁链发生器输出端和Park变换器输出端通过比较器与励磁电流调节器和Park反变换器相连；

Park反变换器通过空间矢量PWM逆变器与感应电机相连；

在空间矢量PWM逆变器和感应电机之间接入Clarke变换器，且Clarke变换器和Park变换器相连；

感应电机通过转速测量器与转速调节器输入端的比较器相连；

转差角速度计算器输出端和转速测量器输出端通过比较器与相位角计算器相连；

其特征在于：还包括无功功率修正器和无功功率调节器；磁链发生器与无功功率修正器与无功功率调节器相连，无功功率调节器输出端和积分器输出端通过比较器与Park变换器和Park反变换器相连。

2.根据权利要求1所述的具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***，其特征在于：磁链发生器包括函数发生器和励磁电流计算器；

函数发生器与转速测量器相连，函数发生器输出端分别与转差角速度计算器和励磁电流计算器相连；

励磁电流计算器与转矩电流计算器和无功功率修正器相连，并且励磁电流计算器输出端和Park变换器输出端通过励磁电流调节器与Park反变换器相连。

3.根据权利要求1或2所述的具有转子电阻鲁棒性的感应电机矢量控制***，其特征在于：无功功率修正器包括给定无功功率计算器和反馈无功功率计算器；

给定无功功率计算器与磁链发生器相连，反馈无功功率计算器与转速测量器相连，给定无功功率计算器输出端与反馈无功功率计算器输出端通过比较器与无功功率调节器相连。

4.一种具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，包括：

通过转速测量器测量转子电角速度ω_r；

通过电流传感器得到A相电流i_a和B相电流i_b；

将A相电流i_a和B相电流i_b通过Clarke变换和Park变换得到d、q轴反馈电流i_sq和i_sd；

将给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值进行比例积分转速调节运算得到给定转矩

将转子电角速度ω_r通过磁链发生器得到转子磁链ψ_r和d轴给定电流

利用给定转矩

和d轴给定电流

计算得到q轴给定电流

利用q轴给定电流

和转子磁链ψ_r计算给定转差角速度

给定转差角速度

与转子电角速度ω_r之和为定向磁场电角速度，并对定向磁场电角速度进行积分得到相位角θ_s1；

利用d轴给定电流

计算给定无功功率Q^*；

利用转子电角速度ω_r计算反馈无功功率Q；

将给定无功功率Q^*和反馈无功功率Q的差值进行比例积分无功功率调节运算得到转子位置角的修正项θ_s2，并计算得到转子位置角为θ_s=θ_s1+θ_s2；

将d、q轴给定电流

和

与d、q轴反馈电流i_sd和i_sq进行比较，将其差值分别进行比例积分转矩电流调节运算和比例积分励磁电流调节运算得到d、q轴电压

和

并将d、q轴电压

和

进行Park反变换得到α、β轴电压利用空间矢量调制技术产生逆变器开关导通状态的PWM波形。

5.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：给定无功功率

其中L_s为定子电阻，σ为漏感系数。

6.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：反馈无功功率

其中L_s为定子电阻，σ为漏感系数。

7.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：

d轴给定电流

q轴给定电流

其中L_m为电机互感，K_m为电机转矩系数。

8.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：给定转差角速度

其中T_r为转子时间常数。

9.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：

Park反变换为 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{s\α}}^{*}\\ u_{\mathrm{s\β}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}^{*}\\ u_{\mathrm{sd}}\end{array}\right];$

Clarke变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right];$

Park变换为 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{sd}}\\ i_{\mathrm{sq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& \cos {\mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right].$

10.根据权利要求4所述的具有转子位置角无功功率校正的感应电机转子磁场定向控制方法，其特征在于：比例积分转速调节运算、比例积分转矩电流调节运算、比例积分励磁电流调节运算和比例积分无功功率调节运算的表达式通式为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中：

K_p为比例调节系数，

K_I为积分调节系数，

e(t)分别为给定转子电角速度

与转子电角速度ω_r的差值、d轴给定电流与d轴反馈电流i_sd的差值、q轴

与q轴反馈电流i_sq的差值和给定无功功率Q^*与反馈无功功率Q的差值，

u(t)为分别为给定转矩

d轴电压

q轴电压

和转子位置角的修正项θ_s2。

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