一种异步电机的矢量控制调速系统

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种异步电机的矢量控制调速系统。

背景技术

目前较为成熟的变频调速系统包括转差频率控制、恒压频比控制、矢量控制以及直接转矩控制等。其中较为先进的是矢量控制策略，这种具有新颖性与实用性的方法已经成为了现代交流电动机调速系统的重要研究方向之一。得益于大规模集成电路的快速发展与电力电子器件的进步，近些年来产生了众多诸如DSP、MSP等微处理器，使得我们能够通过软件来实现冗杂的控制算法，因此交流电动机的调速可以通过数字驱动系统实现。通过数字途径实现调速，可以根据需要实现异步电动机的速度控制，并且系统效率能得以提升、能量损耗能得以减少、系统的噪声也可以有效抑制。数字与软件控制的灵活性，可迅速修改性，使其在未来电机调速方面终将占据重要的地位。

目前交流电机矢量控制系统仍然是以坐标变换、SVPWM、转子磁链计算、转速调节器、励磁电流调节器、转矩电流调节器为核心。代表有直接转矩控制，直接转矩控制因其将转速环中反馈的转矩用于直接控制电动机电磁转矩得名，这种控制系统是一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，但因为磁链计算采用带积分环节的电压模型，因此误差的累积与定子电阻的变化都会影响到磁链计算的准确性。

按转子磁链定向的矢量控制方式通常使用的是间接定向，即根据给定磁链、给定转矩电流以及反馈角频率进行计算。间接定向的方法较直接定向的方法更依赖于电机参数。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种异步电机的矢量控制调速系统，以提高效率，降低能量损耗和系统噪声。

为解决上述技术问题，本发明提供一种异步电机的矢量控制调速系统，包括：

励磁电流计算模块，用于根据输入的磁链参考值，输出d轴电流参考值；

转速调节器模块，用于根据输入的转速参考值与实际转速的差值，输出q轴电流参考值；

励磁电流调节器，用于根据输入的d轴电流参考值与实际d轴电流的差值，输出d轴电压调制波；

转矩电流调节器，用于根据输入的q轴电流参考值与实际q轴电流的差值，输出q轴电压调制波；

坐标变换模块，用于将两相正交旋转坐标系的值转换为两相静止坐标系的值；

电流值转换模块，用于将三相静止坐标系的电流值转换为两相静止坐标系的值；

空间电压矢量调制模块，用于将电压调制波转换为PWM波并输出至三相异步电动机的端口进行驱动；

转子磁链空间角计算模块，用于通过测量三相异步电动机的实际转速和实际d轴、q轴电流，计算得到实时的转子磁链空间角，作为转速调节器中的坐标变换相角输入。

进一步地，所述转子磁链空间角计算模块具体用于：

联立磁链方程和电压方程，并代入转矩方程与运动方程，得到状态方程；

令同步旋转的正交坐标系的d轴与转子磁链矢量重合，由d-q坐标系改为m-t坐标系，其中d轴对应m轴，q轴对应t轴，m轴与转子磁链始终重合；

通过定子m轴电流、t轴电流计算得到m-t坐标系的转子磁链与旋转角速度；

根据转子磁链与旋转角速度计算得到转子磁链的空间角。

进一步地，所述磁链方程为：

其中，ψ

所述电压方程为：

其中，R

进一步地，所述状态方程为：

其中，T

进一步地，由d-q坐标系改为m-t坐标系时，有：

代入到状态方程中得到：

进一步地，由状态方程第三行公式得到：

则m-t坐标系的旋转角速度表示为：

进一步地，根据转子磁链ψ

其中，通过i

进一步地，所述SVPWM模块进一步包括：扇区计算模块、变量计算模块、作用时间计算模块、时间切换点计算模块和SVPWM产生模块。

进一步地，所述系统采用PI调节器用于转速、转矩电流以及励磁电流闭环控制。

进一步地，所述系统通过改变输入侧的磁链、转速参考值来控制电动机的转速。

实施本发明具有如下有益效果：本发明采用按转子磁链定向的磁链开环转差型矢量控制系统，模型简单，应用广，能够将实现将电流励磁分量和转矩分量完全解耦的目的；利用坐标变换，将三相静止坐标系转换为同步旋转的坐标系，可以按照控制直流电动机的方法来控制异步电动机的转矩电流与励磁电流，使得系统效率得以提升、能量损耗得以减少、系统的噪声也可以有效抑制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种异步电机的矢量控制调速系统的构成示意图。

图2是本发明实施例中在m-t坐标系上的转子磁链计算模型示意图。

图3是本发明实施例一种异步电机的矢量控制调速系统的工作流程示意图。

图4是本发明实施例中扇区的示意图。

图5是本发明实施例中扇区计算模块的拓扑图。

图6是本发明实施例中变量计算模块的拓扑图。

图7是本发明实施例中作用时间计算模块的拓扑图。

图8是本发明实施例中饱和处理模块的拓扑图。

图9是本发明实施例中时间切换点计算模块的拓扑图。

图10是本发明实施例中SVPWM产生模块的拓扑图。

图11是本发明实施例中转矩电流内环传递函数图。

图12是本发明实施例中等效励磁电流内环传递函数图。

图13是本发明实施例中转矩电流内环传递函数图。

图14是本发明实施例中等效转矩电流内环传递函数图。

图15是本发明实施例中转速环传递函数图。

图16是本发明实施例中等效转速环传递函数图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

本发明实施例对异步电机的矢量控制调速系统进行改进，采用按转子磁链定向的磁链开环转差型矢量控制系统。

请参照图1所示，本发明实施例提供一种异步电机的矢量控制调速系统，包括：

励磁电流计算模块，用于根据输入的磁链参考值，输出d轴电流参考值；

转速调节器模块，用于根据输入的转速参考值与实际转速的差值，输出q轴电流参考值；

励磁电流调节器，用于根据输入的d轴电流参考值与实际d轴电流的差值，输出d轴电压调制波；

转矩电流调节器，用于根据输入的q轴电流参考值与实际q轴电流的差值，输出q轴电压调制波；

坐标变换模块，用于将两相正交旋转坐标系的值转换为两相静止坐标系的值；

电流值转换模块，用于将三相静止坐标系的电流值转换为两相静止坐标系的值；

空间电压矢量调制模块，用于将电压调制波转换为PWM波并输出至三相异步电动机的端口进行驱动；

转子磁链空间角计算模块，用于通过测量三相异步电动机的实际转速和实际d轴、q轴电流，计算得到实时的转子磁链空间角，作为转速调节器中的坐标变换相角输入。

由上可知，本发明实施例通过实时测量的转速以及d-q坐标系下的电流量来计算当前磁链的空间位置，从而实现转子磁链定向的功能，能够实现快速动态响应，并且空间电压矢量调制SVPWM的控制使得系统的效率得以提高，从而达到降低能耗的作用。

具体地，本实施例中，转子磁链空间角计算模块的计算原理及过程如下所述：

磁链方程为：

其中，ψ

电压方程为：

其中，R

联立以上两个式子并代入转矩方程与运动方程，可以整理得到以下状态方程：

其中，T

在按转子磁链定向需要令同步旋转的正交坐标系的d轴与转子磁链矢量重合，此时，d-q坐标系改称为m-t坐标系，其中d轴对应m轴，q轴对应t轴。此时：

若要使得m轴与转子磁链始终重合，还要保证：

将以上两个式子代入到状态方程中可以得到：

由状态方程第三行公式可以得到：

则m-t坐标的旋转角速度可以表示为：

转差率表示为：

因此可以通过i

转换为传递函数的形式即如图2所示。

本发明实施例的工作过程如图3所示：

(1)首先输入给定的磁链、转速参考值；

分别由励磁电流计算模块根据输入的磁链参考值，计算并输出d轴电流参考值；由转速调节器模块根据输入的转速参考值与实际转速的差值，计算并输出q轴电流参考值；

(2)再分别由励磁电流调节器根据输入的d轴电流参考值与实际d轴电流的差值，输出d轴电压调制波；由转矩电流调节器根据输入的q轴电流参考值与实际q轴电流的差值，输出q轴电压调制波；

(3)接着通过SVPWM模块将d轴和q轴电压调制波转换为PWM波，并输出至三相异步电动机的端口进行驱动；

(4)最后由转子磁链空间角计算模块测量三相异步电动机的实际转速和实际d轴、q轴电流，计算得到实时电机的转子磁链空间角，作为速度调节器中的坐标变换相角输入。

可以理解的是，如果测量得到的三相异步电动机的实际转速和实际d轴、q轴电流与给定值不一致，则重复(2)-(4)的流程直至测量值与给定值一致，再由转子磁链空间角计算模块计算得到实时电机的转子磁链空间角。

本实施例中，SVPWM模块进一步包括：扇区计算模块、变量计算模块、作用时间计算模块、时间切换点计算模块和SVPWM产生模块，以下分别进行说明。

a.扇区计算模块

定义矢量电压定位变量U

式(11)中U

b.变量计算模块

本实施例定义了三个方便计算的变量X，Y，Z，所有的电压矢量中，相邻两个基本电压矢量的作用时间都可以采用X，Y，Z或者-X，-Y，-Z表征。可以看到除了U

c.作用时间计算模块

本实施例用T

表1不同扇区中T

考虑到可能会出现的饱和情况，按照理论中的公式增添饱和处理模块如图8所示。

d.时间切换点计算模块

定义开关顺序切换时刻T

即可得到不同扇区开关切换的时刻T

表2各个扇区开关切换时刻

T

e.SVPWM产生模块

将T

需要说明的是，本发明研究的矢量控制系统是磁链开环的，因此不需要对转子磁链使用调节器。除此以外，其余均需要使用到调节器，如：在转速外环通过减法器得到转速差，输入至转速外环闭环调节器，在内环有两个电流调节器，励磁电流调节器与转矩电流调节器。

转速外环由于其时间常数比较大，调节速度慢，故增加电流内环调节器，可以快速跟随给定电流，加快调节速度。同时，电流内环的存在使得系统抗干扰能力增强。在工程上一般使用PI调节器，其具有消除静差、调速快的作用，故引入PI调节器用于转速、转矩电流以及励磁电流闭环控制。

(1)励磁电流内环PI调节器K

励磁电流环的等效传递函数如图11所示，可以看出，励磁电流反馈信号i

令PI调节器的传递函数为K

由于T

则闭环传递函数为：

由一一对应法可以得到：

按工程设计“调节器最佳整定”方法的“二阶最佳系统”，使ξ＝0.707，KT＝0.5；再根据电机参数即可计算出K

(2)转矩电流内环PI调节器K

与励磁电流环类似，转矩电流环的等效传递函数如图13所示。令PI调节器的传递函数为((K

令K

则闭环传递函数为：

同理可以得到K

(3)转速外环PI调节器K

转速环的等效传递函数如图15所示。可以看出，在计算角速度w前有传递函数1/s，表示积分环节；在电气传动理论中要想实现无静差，需要考虑将系统设计成为II型系统。

为了简化转速环的传递函数，将电流环等效为一个传递函数并代入转速环。将KT＝0.5代入到转矩电流闭环传递函数中得到：

忽略式中的高阶小量，可以得到：

同样地，转速外环反馈量存在延迟，计该迟滞环节的时间常数为T

其中，T

校正后的等效转速环传递函数如图16所示。

按照典型Ⅱ型系统参数选择方法，有如下公式：

式中h为中频带宽，需要按照系统动态性能要求决定，一般情况下令h＝5。需要说明的是，计算出的PI参数有时候并不是最优值，在仿真过程中可以进行调试，达到最优控制效果。

以下再对本发明实施例的鼠笼异步电动机物理模型测试进行说明。具体地，使用Simulink平台中自带的异步电动机模型Asynchronous Machine SI Units，对其参数进行设置。由于该模型输出的是机械角速度即ω

三相异步电动机仿真模型参数为：额定电压u

通过仿真可以获知，电机在外加50Hz，380V线电压三相交流电时，空载启动的时间为1s左右，转速到达1500n/s时保持稳定。三相定子电流在启动阶段较大，然后逐渐减小，当转速稳定后定子电流幅值也保持稳定。磁链曲线近似为圆，这是三相交流电形成的旋转磁动势产生的。

在SVPWM波形产生后还涉及到三相逆变电路，本实施例使用Simulink中的全桥模块，其中电力电子器件选用IGBT，其他参数保持默认，外加直流电压源为600V。

本发明实施例的异步电机的矢量控制调速系统可应用于异步电动机服务的各种领域，如工业中的中小型轧钢设备、各种金属机床、矿井提升机，农业中的水泵、造粒机，医学中的各种医疗机械等。

通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用按转子磁链定向的磁链开环转差型矢量控制系统，模型简单，应用广，能够将实现将电流励磁分量和转矩分量完全解耦的目的；利用坐标变换，将三相静止坐标系转换为同步旋转的坐标系，可以按照控制直流电动机的方法来控制异步电动机的转矩电流与励磁电流，使得系统效率得以提升、能量损耗得以减少、系统的噪声也可以有效抑制。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。