异步电机间接磁场定向校正方法及其校正系统

1.本发明属于异步电机控制技术领域，更具体地，涉及一种异步电机间接磁场定向校正方法及其校正系统。


背景技术：

2.间接磁场定向控制(foc)是交流电机的一种重要的控制方法，其定向的准确度影响着整个控制系统的性能。对于异步电机来说，常基于转子磁链进行定向。而对于转子磁链的观测，随着电机运行时温度、磁场、以及外部环境等的变化，无论是直接观测法还是间接观测法，均会受电机参数变化的影响，导致转子磁链计算出现偏差，引起定向不准，使得控制性能下降，严重时甚至影响系统稳定运行。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种异步电机间接磁场定向校正方法及其校正系统，其目的在于提高间接磁场定向控制的精准度。
4.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种异步电机间接磁场定向校正方法，包括：
5.基于电磁转矩与定转子磁链间的叉乘成正比的关系，以当前时刻定转子磁链夹角γ
*
为待求量，构建当前时刻的电磁转矩t
e1
和经时间间隔δt后的电磁转矩t
e2
的方程组，其中，经时间间隔δt后的定转子磁链夹角为γ
*-δγ-δγs，δγ为经过时间间隔δt后转子磁链向定子磁链靠拢的角度，δγs是经过时间间隔δt后定子磁链改变的角度；
6.求解方程组，计算得求得当前时刻的夹角γ
*
；
7.计算间接磁场定向得到的定转子磁链的夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差；
8.通过pi控制在转子电阻rr叠加补偿电阻δrr，以反馈调节减小夹角偏差。
9.在其中一个实施例中，在时间间隔δt内，转子磁链的幅值不变。
10.在其中一个实施例中，在时间间隔δt内只有零矢量作用，期间定子电压为零，定子电流不为零。
11.在其中一个实施例中，方程组为
[0012][0013]
其中，n
p
表示电机极对数，lm表示励磁电感，ls表示定子漏感，lr表示转子漏感，ψ
s1
和ψ
s2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的定子磁链幅值，ψ
r1
和ψ
r2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的转子磁链幅值，σ表示漏感系数。
[0014]
在其中一个实施例中，
[0015][0016]
其中,k
p
、ki分别表示pi控制器的比例、积分调节系数，s表示微分算子。
[0017]
在其中一个实施例中，间接磁场定向得到转子磁链和定子磁链的夹角γ的过程包括：
[0018]
通过对转差角频率和转子角频率积分得到转子磁链的角度；
[0019]
通过观测器观测出定子磁链的角度；
[0020]
计算转子磁链的角度与定子磁链的角度的差值，得到夹角γ。
[0021]
在其中一个实施例中，补偿电阻δrr叠加于计算转差角频率ω2的转子电阻rr上。
[0022]
在其中一个实施例中，
[0023][0024]
其中，id和iq分别表示电机d轴和q轴的电流，lr表示转子漏感，s表示微分算子。
[0025]
按照本发明的另一方面，提供了一种异步电机间接磁场定向校正系统，包括：
[0026]
转子磁链角度获取模块，用于通过间接磁场定向方法获取转子磁链的角度θ；
[0027]
定子磁链角度获取模块，用于获取定子磁链的角度∠ψs；
[0028]
第一夹角计算模块，用于计算定转子磁链夹角γ＝∠ψ
s-θ；
[0029]
第二夹角计算模块，用于根据以下公式计算定转子磁链夹角γ
*
，
[0030][0031]
其中，t
e1
和t
e2
分别为当前时刻和经过时间间隔δt后的电磁转矩，ψ
s1
和ψ
s2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的定子磁链幅值，ψ
r1
和ψ
r2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的转子磁链幅值，δγ为经过时间间隔δt后转子磁链向定子磁链靠拢的角度，δγs是经过时间间隔δt后定子磁链改变的角度；
[0032]
夹角偏差计算模块，用于间接磁场定向输出的夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差；
[0033]
pi调节控制模块，用于通过pi控制在转子电阻rr叠加补偿电阻δrr，以反馈调节减小夹角偏差。
[0034]
在其中一个实施例中，
[0035]
转子磁链角度获取模块用于通过对转差角频率ω2和转子角频率积分得到转子磁链的角度；
[0036]
定子磁链角度获取模块用于通过观测器观测出定子磁链的角度；
[0037]
pi调节控制模块用于将补偿电阻δrr叠加于计算转差角频率ω2的转子电阻rr上，以反馈调节减小夹角偏差。
[0038]
总体而言，本发明采集间接磁场定向输出的定转子磁链夹角γ，基于该夹角γ实现对异步电机的间接磁场定向控制。由于定转子磁链夹角γ可能存在偏差，为了进行校正，本发明基于电磁转矩与定转子磁链间的叉乘成正比的关系，采用两个间隔时间很短的状态下的电磁转矩之比来计算当前时刻电机定转子磁链间的夹角γ
*
，计算夹角γ与求得的夹
角γ
*
的夹角偏差，通过pi控制将引起角度偏差的因素归结于转子电阻上，通过对转子电阻进行补偿来减小角度偏差，实现磁场定向的校正。
附图说明
[0039]
图1为一实施例的异步电机间接磁场定向校正方法的步骤流程图；
[0040]
图2为一实施例的定转子磁链在空间中的运动示意图；
[0041]
图3为一实施例的在一个开关周期所使用的开关序列示意图；
[0042]
图4为一实施例的异步电机间接磁场定向校正系统示意图；
[0043]
图5为一实施例的异步电机间接磁场定向校正系统具体电路结构图；
[0044]
图6(a)为一实施例的电机真实定转子磁链夹角波形示意图；
[0045]
图6(b)为一实施例的通过本发明计算方法计算出的电机定转子磁链夹角γ
*
波形示意图；
[0046]
图7(a)为一实施例的电机实际定转子磁链间的夹角波形示意图；
[0047]
图7(b)为一实施例的间接磁场定向方法计算出的定转子磁链的夹角γ示意图；
[0048]
图7(c)为一实施例的pi输出的用于计算ω2的rr的补偿量δrr波形示意图；
[0049]
图7(d)为一实施例的电机的电磁转矩波形示意图。
具体实施方式
[0050]
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0051]
如图1所示，在一实施例中，异步电机间接磁场定向校正方法包括以下步骤：
[0052]
步骤s100：基于电磁转矩与定转子磁链间的叉乘成正比的关系，以当前时刻定转子磁链夹角γ
*
为待求量，构建当前时刻的电磁转矩t
e1
和经时间间隔δt后的电磁转矩t
e2
的方程组。
[0053]
如图2所示为定转子磁链在空间中的运动示意图，其中，t
e1
、ψ
s1
、ψ
r1
为当前时刻的电机电磁转矩、定子磁链幅值和转子磁链幅值；t
e2
、ψ
s2
、ψ
r2
为经过δt时间后的电机电磁转矩、定子磁链幅值和转子磁链幅值；δγ＝ω1δt，表示经过δt时间后，转子磁链向定子磁链靠拢δγ角度,ω1是电机电气量的空间同步旋转速度；δγs是经过δt时间后定子磁链改变的角度，可以由定子磁链观测器观测出来。因此，当前时刻的定转子磁链夹角为γ
*
，经时间间隔δt后的定转子磁链夹角为γ
*-δγ-δγs。
[0054]
基于电磁转矩与定转子磁链间的关系，构建方程组：
[0055][0056]
其中，n
p
表示电机极对数，lm表示励磁电感，ls表示定子漏感，lr表示转子漏感，ψ
s1
和ψ
s2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的定子磁链幅值，ψ
r1
和ψ
r2
分别为当前时刻和经时
间间隔δt后的转子磁链幅值，σ表示漏感系数。
[0057]
步骤s200：求解方程组，计算得求得当前时刻的夹角γ
*
。
[0058]
基于上述方程组，将两方程式相除，可消除算式中的参数，得到夹角γ
*
，即
[0059][0060]
其中，上述公式中各参数均为已知量。
[0061]
在一实施例中，为了简化计算，控制时间间隔δt，使在时间间隔δt内，转子磁链的幅值不变，即ψ
r1
＝ψ
r2
。此时，夹角γ
*
为
[0062][0063]
在一具体的实施例中，磁链被分解为αβ轴分量，因此，在具体计算时，
[0064][0065]
其中，ψ
sα1
和ψ
sβ1
分别为当前时刻的定子磁链ψ
s1
的αβ轴分量，ψ
sα2
和ψ
sβ2
分别为经时间间隔δt后的定子磁链ψ
s2
的αβ轴分量。
[0066]
在一实施例中，在稳态时，定子磁链的表达式为：
[0067]
ψs＝∫(u
s-r
sis
)dt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0068]
其中，us为定子电压，is为定子电流，rs为定子电阻。在零矢量作用时，定子电压us为零，但由于定子电流is不为零，所以(-r
sis
)项将使得定子磁链与转子磁链间的夹角减小，并且定子磁链的幅值也会减小。因此，考虑实现的简便性，假设某段很短的时间δt内只有零矢量作用，如图3所示。异步电机间接磁场定向控制系统采用空间矢量脉宽调制策略，图3为在一个开关周期所使用的开关序列，其中sa为逆变器a相桥臂的控制信号，sb为逆变器b相桥臂的控制信号，sc为逆变器c相桥臂的控制信号。结合公式(5)和公式(3)可知，计算式消去了电机其他参数，所以理论上说此算法不受除定子电阻外的电机参数的影响。而对于定子电阻，一方面是其变化没有转子电阻变化大，另一方面是其位于定子侧，可对其进行测量和补偿。故此算法的鲁棒性强。
[0069]
步骤s300：计算间接磁场定向输出的定转子磁链的夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差。
[0070]
其中，夹角γ为系统输出的间接磁场定向的定转子磁链夹角，由于系统参数的不稳定或环境的影响，输出的夹角γ会存在偏差，从而导致间接磁场定向不准确。因此，利用上述方式求解得到夹角γ
*
后，以夹角γ
*
为参考，计算夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差为γ-γ
*
。
[0071]
步骤s400：通过pi控制在转子电阻rr叠加补偿电阻δrr，以反馈调节减小夹角偏差。
[0072]
由于系统输出的夹角γ与转子电阻rr相关，因此，在本发明中，通过对电阻rr进行补偿，基于pi控制反馈调节夹角偏差，以减小角度偏差，使系统输出的夹角γ尽量接近求得的参考夹角γ
*
，从而提高磁场定向控制的精度。
[0073]
具体的，可以构建补偿电阻与夹角偏差的关系式，来通过电阻反馈调节夹角偏差，
该关系式可以为
[0074][0075]
其中,k
p
、ki分别表示pi控制器的比例、积分调节系数，s表示微分算子。可以理解的，该pi控制的关系式是可以灵活设置的，只要满足能够通过反馈调节减少夹角偏差即可。
[0076]
在一实施例中，采用如图5所示的系统进行校正，其中，夹角γ为基于电路当前参数直接计算得到，具体是通过对转差角频率ω2和转子角频率ωr积分得到转子磁链的角度θ，此为本领域常规技术，在此不再赘述。而定子磁链的角度∠ψs则可以通过观测器观测出，将两者相减即得到夹角γ＝∠ψ
s-θ。其中，转差角频率ω2与转子电阻rr相关，因此，在一实施例中，仅将补偿电阻δrr叠加于计算转差角频率ω2的转子电阻rr上。例如，转差角频率的计算公式如下：
[0077][0078]
其中，id和iq分别表示电机d轴和q轴的电流，lr表示转子漏感，s表示微分算子。
[0079]
可以理解的，不同的系统设置，夹角γ与转子电阻rr的具体关系式将有所区别，在此对两者的具体关系式不做限定，只要基于夹角偏差，通过pi控制在转子电阻rr叠加补偿电阻δrr后，能够反馈调节减小夹角偏差即可。
[0080]
相应的，本技术还涉及一种异步电机间接磁场定向校正系统，如图4所示，该系统包括转子磁链角度获取模块、定子磁链角度获取模块、第一夹角计算模块、第二夹角计算模块、夹角偏差计算模块和pi调节控制模块。
[0081]
其中，转子磁链角度获取模块用于通过间接磁场定向方法获取转子磁链的角度θ。具体的，如图5所示，转子磁链角度获取模块用于通过对转差角频率ω2和转子角频率积分得到转子磁链的角度θ。具体的，该模块包括求和单元和积分单元，其中，求和单元用于对转差角频率ω2和n
p*
ωr求和，其中，ωr为所采集的电机转子角频率，n
p
表示电机极对数。积分单元用于对求和结果进行积分，得到转子磁链的角度θ＝∫(ω2 n
p*
ωr)dt。
[0082]
定子磁链角度获取模块用于获取定子磁链的角度∠ψs。具体地，定子磁链角度获取模块用于通过观测器观测出定子磁链的幅值ψs和对应的角度∠ψs。
[0083]
第一夹角计算模块用于计算定转子磁链夹角γ＝∠ψ
s-θ。具体的，该计算模块为减法单元，用于获取定子磁链角度∠ψs和转子磁链角度θ并进行减法运算。
[0084]
第二夹角计算模块用于根据以下公式计算定转子磁链夹角γ
*
，
[0085][0086]
其中，t
e1
和t
e2
分别为当前时刻和经过时间间隔δt后的电磁转矩，ψ
s1
和ψ
s2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的定子磁链幅值，定子磁链幅值可以通过观测器直接获取，且电磁转矩也可以根据观测值直接计算得到。ψ
r1
和ψ
r2
分别为当前时刻和经时间间隔δt后的转子磁链幅值，认为在δt内转子磁链幅值不变。δγ为经过时间间隔δt后转子磁链向定子磁链靠拢的角度，δγs是经过时间间隔δt后定子磁链改变的角度，δγ和δγs均为可以直接计算得到的参数；
[0087]
夹角偏差计算模块用于间接磁场定向输出的夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差。具体的，夹角偏差计算模块包括减法单元，用于对夹角γ和夹角γ
*
做减法运算。
[0088]
pi调节控制模块用于通过pi控制在转子电阻rr叠加补偿电阻δrr，以反馈调节减小夹角偏差。具体的，pi调节控制模块用于根据夹角偏差在转子磁链角度获取模块内的转子电阻rr叠加补偿电阻δrr，pi调节的目的是反馈调节减小夹角偏差。
[0089]
在一实施例中，该异步电机间接磁场定向校正系统还包括磁场定向控制模块，如图5所示，根据给定的电机转速以及采集的转子角频率ωr的转速偏差，通过转速环pi控制器sr生成q轴参考电流计算q轴参考电流和采集的电机q轴电流iq的电流偏差，通过电流环pi控制器cr得到q轴参考电压根据给定的d轴参考电流和采集的电机d轴电流id的电流偏差，通过电流环pi控制器cr得到d轴参考电压将dq轴参考电压转换为αβ轴参考电压再经svpwm控制，生成控制电机的驱动信号。其中，采集电机dq轴电流id、iq，具体是先采集电机的三相电流ia、ib、ic，然后结合转子磁链角度θ将三相电流ia、ib、ic转换为dq轴电流id、iq。
[0090]
为了验证本发明的校正效果，以下基于图5中的系统框图进行验证，设定异步电机额定容量为18.45kva，额定电压400v，额定频率50hz，2对极，定子电阻rs＝0.5968ω,转子电阻rr＝0.6258ω，定子漏感ls＝0.0003495h，转子漏感lr＝0.005473h，励磁电感lm＝0.0354h。
[0091]
图6(a)为电机真实定转子磁链夹角波形，图6(b)为通过本发明计算方法计算出的电机定转子磁链夹角γ
*
波形。电机带50nm的负载起动，在0.3s时负载变为30nm，0.6s时负载变为10nm。可以看出，计算出的电机定转子磁链夹角γ
*
与实际吻合，结果正确。
[0092]
假设电机转子电阻rr变化了 0.3ω(原本大小为0.6258ω)，电机带30nm的负载起动，在0.5s时开始校正。图7(a)为电机实际定转子磁链间的夹角波形，图7(b)为间接磁场定向方法计算出的定转子磁链的夹角γ，图7(c)为pi输出的用于计算ω2的rr的补偿量δrr波形，图7(d)为电机的电磁转矩波形。通过对比可以看出，在最开始没有加入磁场定向校正的0.5s内，定转子磁链间的夹角实际值与间接磁场定向方法计算出的定转子磁链的夹角γ差别很大，有10
°
左右，说明没有经过校正的夹角γ存在较大偏差。0.5s加入磁场定向校正后，转子电阻rr逐渐增加，最终接近真实变化值 0.3ω。由图可知，经过校正的夹角γ和实际的磁链间的夹角趋于相等，校正后的电机电磁转矩波动更小，校正准确有效。
[0093]
总体而言，本发明采集间接磁场定向输出的定转子磁链夹角γ，基于该夹角γ实现对异步电机的间接磁场定向控制。由于定转子磁链夹角γ可能存在偏差，为了进行校正，本发明基于电磁转矩与定转子磁链间的叉乘成正比的关系，采用两个间隔时间很短的状态下的电磁转矩之比来计算当前时刻电机定转子磁链间的夹角γ
*
，计算夹角γ与求得的夹角γ
*
的夹角偏差，通过pi控制将引起角度偏差的因素归结于转子电阻上，通过对转子电阻进行补偿来减小角度偏差，实现磁场定向的校正。
[0094]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。