CN102710205B - 异步电机定向控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异步电机定向控制系统，包括磁通计算单元、转差计算单元、磁通角度计算单元以及驱动单元，其中：所述磁通计算单元，用于根据励磁电流计算所述异步电机的磁通幅度估计值；所述转差计算单元，用于根据所述磁通幅度估算值计算转差；所述磁通角度计算单元，用于根据所述转差及电机转子的转速计算磁通角度；所述驱动单元，用于根据所述磁通角度控制电机转子运行。本发明还提供了一种对应的方法。本发明通过磁通幅度估算以及电感矫正，使得转差计算更为精确，从而保证异步电机在启动、加减速过程中的磁场定向精度，使得电机转子加速或减速力矩最大，电机加速或减速明效果显提高。

Description

异步电机定向控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种异步电机定向控制系统及方法。

背景技术

异步电机矢量控制技术中，转子磁场定向控制方案因为技术实现简单，转矩响应快等优点，在异步电机驱动技术领域中得到了广泛应用。在转子磁场定向控制技术实现过程中，为了实现转子的准确磁场定向，必须得到转差的准确计算结果，然后利用该结果进行同步角度计算和累加，从而分别解耦异步电机的转矩控制和磁场控制。

如图1所示，是现有的转子磁场定向控制技术的示意图。在该方案中，仅考虑异步电机磁通处于稳态过程，即认为电机的磁通是恒定。磁通幅度λ计算采用以下公式：

λ＝Lm×Isd(1)

其中Lm为电机互感，Isd为电机控制的励磁电流。

将上述公式(1)代入转差Wsl的计算公式Wsl＝Lm×Isq/(Tr×λ)得：

Wsl＝Isq/(Tr×Isd)(2)

其中Isq为电机控制的转矩电流，Tr为电机转子时间常数。

根据异步电机原理可知，异步电机的磁场是随着励磁电流的变化而缓慢变化的，变化快慢由电机的转子时间常数决定。如图2所示，采用恒定励磁电流启动过程中，磁通幅度是从零缓慢增加的。而采用现有的近似估计异步电机当前磁通幅度仅适用于电机磁通处于稳定状态。当电机磁场建立或者变化过程采用已有方案得到的磁通幅度与电机实际磁通幅度误差较大。由于转差是由磁通幅度等参数计算得到的，磁通幅度的误差导致了转差计算的较大误差，最终影响了异步电机的磁场定向精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述在异步电机启动时，异步电机定向控制中因磁通幅度误差而影响异步电机的磁场定向精度的问题，提供一种异步电机定向控制系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种异步电机定向控制系统，包括磁通计算单元、转差计算单元、磁通角度计算单元以及驱动单元，其中：所述磁通计算单元，用于根据励磁电流计算所述异步电机的磁通幅度估计值；所述转差计算单元，用于根据所述磁通幅度估算值计算转差；所述磁通角度计算单元，用于根据所述转差及电机转子的转速计算磁通角度；所述驱动单元，用于根据所述磁通角度控制电机转子运行；

所述系统还包括电感矫正单元，用于根据所述磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数；所述转差计算单元根据所述磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差；

所述电感矫正单元包括电感矫正子单元以及时间常数矫正子单元，其中：所述电感矫正子单元，用于根据所述磁通幅度估计值矫正电机转子电感，所述电机转子电感随着磁通幅度增加不断减小；所述时间常数矫正子单元，用于使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，所述电机转子的时间常数Tr＝Lr/Rr，其中Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻，所述转差计算单元根据以下公式计算转差：转差Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))，其中Isq为电机控制的转矩电流，s为拉普拉斯算子。

在本发明所述的异步电机定向控制系统中，所述磁通计算单元包括低通滤波子单元，所述低通滤波子单元用于根据以下公式计算磁通幅度估计值λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)，其中Lm为电机互感，Isd为励磁电流，s为拉普拉斯算子，Tr为电机转子时间常数。

在本发明所述的异步电机定向控制系统中，所述磁通计算单元还包括幅度限制子单元，所述幅度限制子单元用于对低通滤波子单元计算获得的磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定。

本发明还提供一种异步电机定向控制方法，包括以下步骤：

(a)根据励磁电流计算所述异步电机的磁通幅度估计值；

(b)根据所述磁通幅度估算值计算转差；

(c)根据所述转差计算磁通角度并根据所述磁通角度驱动电机运转；

根据所述磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数；所述步骤(b)中，根据所述磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差；

所述步骤(b)包括：

(b1)根据所述磁通幅度估计值矫正电机转子电感，所述电机转子电感随着磁通幅度增加而不断减小；

(b2)使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，所述电机转子的时间常数Tr＝Lr/Rr，其中Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻；

所述步骤(c)中转差Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))，其中Isq为电机控制的转矩电流，s为拉普拉斯算子。

所述步骤(a)中通过以下公式计算磁通幅度估计值λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)，其中Lm为电机互感，Isd为励磁电流，s为拉普拉斯算子，Tr为电机转子时间常数。

在本发明所述的异步电机定向控制方法中，所述步骤(a)中包括对所述磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定。

本发明的异步电机定向控制系统及方法，通过磁通幅度估算以及电感矫正，使得转差计算更为精确，从而保证异步电机在启动、加减速过程中的磁场定向精度，使得电机转子加速或减速力矩最大，电机加速或减速明效果显提高。

附图说明

图1是现有转子磁场定向控制方案的示意图。

图2是现有转子磁场定向控制方案中励磁电流与实际磁通的示意图。

图3本发明异步电机定向控制系统实施例的示意图。

图4是图3中的磁通计算单元的实施例的示意图。

图5是图3中的磁通计算单元的磁通幅度估计值的示意图。

图6是本发明异步电机定向控制方法实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，是本发明异步电机定向控制系统实施例的示意图。在本实施例中，系统包括磁通计算单元31、电感矫正单元32、转差计算单元33、磁通角度计算单元34以及驱动单元36。上述磁通计算单元31、电感矫正单元32、可集成到变频器或电机伺服驱动器中，也可位于独立的设备并与变频器或电机伺服驱动器通信。

磁通计算单元31用于根据励磁电流计算异步电机的磁通幅度估计值。具体地，如图2所示，上述磁通计算单元31可包括一个低通滤波子单元311，该低通滤波子单元311利用低通滤波模拟磁场变化过程，以计算磁通幅度估计值，其将输入的励磁电流代入以下公式计算磁通幅度估计值λ：

λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)(3)

其中Lm为电机互感，Isd为电机控制的励磁电流，Tr为电机转子时间常数，s为拉普拉斯算子。

由电机磁场特性可知，磁通幅度与励磁电流在磁场变化和稳态过程同时满足公式(3)，即低通滤波子单元311可较为准确地获得在动态和稳态两种情况下的磁通幅度。因此在异步电机启动、加减速时，低通滤波子单元311获得的磁通幅度估计值λ更接近磁通幅度的实际值，如图5所示。

在实际工程实现过程中，由于低通滤波后磁通幅度估计值λ最开始一段时间输出值为零及一些很小数值。此时用该值计算转差会出现超出现实情况的异常值，因此必须对估计的磁通幅度进行最大和最小边界的限定。可在磁通计算单元21中增加一个幅度限制子单元312，该幅度限制子单元312用于对低通滤波子单元311计算获得的磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定，例如在公式(3)计算获得的磁通幅度估计值λ小于第一设定值时λ等于该第一设定值，当λ大于第二设定值时λ等于该第二设定值。上述经过幅度限制子单元312处理后的磁通幅度估计值λ再送入电感矫正单元32和转差计算单元33，作为其输入值。

电感矫正单元32用于根据磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数。具体地，该电感矫正单元32包括电感矫正子单元以及时间常数矫正子单元。电感矫正子单元用于根据磁通幅度估计值矫正电机转子电感，其中电机转子电感随着磁通幅度增加而不断减小(电机学上称之为磁饱和效应)。

时间常数矫正子单元用于使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，该电机转子的时间常数Tr满足以下公式：

Tr＝Lr/Rr(4)

其中Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻。

由于电机转子电感Lr随电机磁通幅度呈非线性变化。为了提高转差Wsl计算精度，本发明在磁通幅度变化的过程中，根据磁通幅度估计值λ对电感Lr进行了矫正。

转差计算单元33用于根据磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差。具体地，该转差计算单元33将公式(3)和(4)代入转差计算公式Wsl＝Isq/(Tr×Isd)即得到精确的转差Wsl：

Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))(5)

其中Isq为电机控制的转矩电流。

磁通角度计算单元34用于根据转差及电机转子的转速计算磁通角度。驱动单元36用于根据磁通角度控制电机转子运行。磁通角度计算和转子控制方法与现有方案相同。

在实际应用中，上述系统也可省略电感矫正单元32，相应地，磁通计算单元31仅根据磁通幅度估算值计算转差。当然，该方式较公式(5)计算获得的转差效果稍差。

如图6所示，是本发明异步电机定向控制方法实施例的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S61：在异步电机启动(或加减速)时，根据励磁电流计算异步电机的磁通幅度估计值。具体地，可通过利用低通滤波模拟磁场变化过程，采用以下公式计算磁通幅度估计值λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)，其中Lm为电机互感，Isd为励磁电流，s为拉普拉斯算子，Tr为电机转子时间常数。

并且，由于低通滤波后磁通幅度估计值λ最开始一段时间输出值为零及一些很小数值，因此可对低通滤波获得的磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定，例如在公式(3)计算获得的磁通幅度估计值λ小于第一设定值时λ等于该第一设定值，当λ大于第二设定值时λ等于该第二设定值。上述经过幅度限制处理后的磁通幅度估计值λ再送入后续步骤作为新的磁通幅度估计值λ。

步骤S62：根据磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数。具体地，该步骤首先根据磁通幅度估计值矫正电机转子电感，其中电机转子电感随着磁通幅度增加而不断减小；然后使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，其中电机转子的时间常数Tr＝Lr/Rr，Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻。

步骤S63：根据磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差。具体地，转差Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))，其中Isq为电机控制的转矩电流。

步骤S64：根据转差计算磁通角度并根据磁通角度驱动电机运转。

利用本发明的系统及方法，在异步电机刚启动到磁场建立过程中，由于转差计算准确，磁场准确定向在转子上，使得电机加速力矩最大，电机加速最快。并且在异步电机电机进入弱磁区域的加速和减速过程中，由于转差计算准确，磁场准确定向在转子上，使得电机加速力矩最大，电机加速最快。

此外，由于磁场定向准确，电压控制更精准，本发明可有效抑制磁场定向不准引起的电压饱和问题。

在实际应用中，上述方法也可省步骤S62，相应地，步骤S63中仅根据磁通幅度估算值计算转差。当然，采用该方法的电机控制效果稍差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种异步电机定向控制系统，其特征在于：包括磁通计算单元、转差计算单元、磁通角度计算单元以及驱动单元，其中：所述磁通计算单元，用于根据励磁电流计算所述异步电机的磁通幅度估计值；所述转差计算单元，用于根据所述磁通幅度估算值计算转差；所述磁通角度计算单元，用于根据所述转差及电机转子的转速计算磁通角度；所述驱动单元，用于根据所述磁通角度控制电机转子运行；

所述系统还包括电感矫正单元，用于根据所述磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数；所述转差计算单元根据所述磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差；

所述电感矫正单元包括电感矫正子单元以及时间常数矫正子单元，其中：所述电感矫正子单元，用于根据所述磁通幅度估计值矫正电机转子电感，所述电机转子电感随着所述磁通幅度估计值增加不断减小；所述时间常数矫正子单元，用于使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，所述电机转子的时间常数Tr＝Lr/Rr，其中Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻；所述转差计算单元根据以下公式计算转差：转差Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))，其中Isq为电机控制的转矩电流，s为拉普拉斯算子。

2.根据权利要求1所述的异步电机定向控制系统，其特征在于：所述磁通计算单元包括低通滤波子单元，所述低通滤波子单元用于根据以下公式计算磁通幅度估计值λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)，其中Lm为电机互感，Isd为励磁电流，s为拉普拉斯算子，Tr为电机转子时间常数。

3.根据权利要求2所述的异步电机定向控制系统，其特征在于：所述磁通计算单元还包括幅度限制子单元，所述幅度限制子单元用于对低通滤波子单元计算获得的磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定。

4.一种异步电机定向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)根据励磁电流计算所述异步电机的磁通幅度估计值；

(b)根据所述磁通幅度估算值计算转差；

(c)根据所述转差计算磁通角度并根据所述磁通角度驱动电机运转；

所述步骤(a)之后包括：根据所述磁通幅度估计值修正电机转子的时间常数；所述步骤(b)中，根据所述磁通幅度估算值和修正的电机转子的时间常数计算转差；

所述步骤(b)包括：

(b1)根据所述磁通幅度估计值矫正电机转子电感，所述电机转子电感随着磁通幅度增大而不断减小；

(b2)使用矫正后的电机转子电感修正电机转子的时间常数，所述电机转子的时间常数Tr＝Lr/Rr，其中Lr为矫正后的电机转子电感，Rr为电机转子电阻；

所述步骤(c)中转差Wsl＝Isq×Rr/((Lr×Isd)/(Lr×s/Rr+1))，其中Isq为电机控制的转矩电流，s为拉普拉斯算子。

5.根据权利要求4所述的异步电机定向控制方法，其特征在于：所述步骤(a)中通过以下公式计算磁通幅度估计值λ＝Lm×Isd/(Tr×s+1)，其中Lm为电机互感，Isd为励磁电流，s为拉普拉斯算子，Tr为电机转子时间常数。

6.根据权利要求5所述的异步电机定向控制方法，其特征在于：所述步骤(a)中包括对所述磁通幅度估计值进行最大和最小边界限定。