三相异步电机弱磁控制策略研究-张海燕
异步电机弱磁区转矩最大化策略
异步电机弱磁区转矩最大化策略摘要异步电机因其结构简单、控制方便及其鲁棒性，使其在电机驱动系统中占据重要的地位。
异步电机一个非常重要的应用是在高速区，比如机床、主轴驱动和牵引驱动中，这就要求异步电机在整个运行区域内都能获得高转矩，实现高性能控制。
电动汽车运行过程中频繁的启停、加减速等各种复杂工况的相互切换对异步电机的控制提出更高的要求，既要适应稳态运行，又要兼顾动态需求。
本文针对异步电机弱磁区的控制进行了深入的分析和研究。
本文首先讨论了异步电机矢量控制系统的基本原理。
将三相A-B-C坐标系下具有非线性、多参量、强耦合、高阶时变微分方程的电机模型转化到两相d-q 同步旋转坐标系下，完成对复杂数学方程的简化，实现磁链与转矩的解耦，方便系统的分析和控制。
之后，本文讨论了异步电机运行过程中发生过压、过流、过载时的电压、电流限制方法，并根据电机运行约束条件将电机运行划分为三个区域，根据三个区域的不同特点，提出了能同时适应弱磁区稳态运行和瞬态波动，实现转矩最大化的控制策略。
在弱磁区，充分利用电机和逆变器电压、电流容限，无需d轴电流控制器，通过控制定子电流转矩分量，稳定异步电机高速失步状态，实现稳态工作时转矩最大化。
当电机工作在最大电压的动态需求时，根据速度波动的大小输出一个旋转角，旋转定子电压矢量，产生瞬态电压边缘，确保驱动系统的迅速响应。
同时分析整个驱动系统的能量流动和损耗发生，考虑铁损对电机运行全区域的影响，尤其是在弱磁区，引入铁损补偿机制，提高系统的响应和转矩输出能力，从而提高电机的工作效率。
最后，在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，并在LEVDEO电动汽车专用72V/5KW交流异步电机上测试。
仿真和实验证明，该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化，能同时适应稳态运行和瞬态波动，具有很强的鲁棒性。
关键词：异步电机, 弱磁区, 转矩最大化, 瞬态响应, 铁损Torque-maximizing field-weakening control of induction motorsAbstractThe induction motor plays an important role in variable drive systems, which owes to its simple construction, convenient control and ruggedness. Operation at field weakening is required for applications like machine tools, spindle drives and traction drives. So i t’s necessary for induction motor to obtain high torque and achieve high performance in all ranges. Frequent start-stop, accelerate-decelerate and many other complicated situations often occur in electric vehicle, which calls for higher demands to the control system. We should consider both the steady-state and transient requirement. The paper focuses on the key control techniques of high drives for induction motors.Firstly, the paper discusses the basic principles of vector control for induction motor. In A-B-C coordinate system, the motor model equations are series of multi-variable, nonlinear, strong-coupling, high-order, and time-varying differential equations. So we transform the three-phase static coordinate system to d-q coordinate system, which realizes the decoupling between the flux linkage and torque, brings convenience to the analysis and control of the system.Then, the paper discusses the limiting methods when over-current, over-voltage, over-load occurs. The current and voltage limiting conditions permit defining three different operating regions. Based on the different characters of three regions, we present the control scheme. The proposed method fully exploit the machine and converter capabilities without the use of d-axis current controller. Maximum torque production in a higher speed range of field weakening is achieved by stabilizing the operating point at the pullout point through the q-axis component of the current applied across the stator. Operation at the voltage limit to dynamic changes, a temporary voltage margin is therefore created in a dynamic condition by deviating the trajectory of stator voltage vector which improves the transient response of the system. Iron losses, which are traditionally ignored in the vector control scheme, increase rapidly in the high speed ranges and affect the magnitude of rotor flux and outputtorque. The compensation of iron losses is necessary to ensure the torque maximized and promote the work efficiency of induction motor.Lastly, the paper builds up the model in MATLAB/Simulink and tests on the LEVDEO 72V/5KW induction motor. Simulation and experiments results prove that the proposed scheme provides good performance on the steady-state and transient，get the torque maximized in the field weakening ranges.KEY WORDS:Induction Motor, Field Weakening, Maximum Torque, Dynamic Requirement, Iron Loss目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景与意义 (1)1.2 异步电机弱磁区控制研究现状 (2)1.3 本文提出的异步电机弱磁区控制策略 (3)第二章异步电机数学模型及矢量控制系统 (4)2.1 三相坐标系下数学模型 (4)2.2 两相坐标系下数学模型 (6)2.2.1 三相转两相坐标变换 (6)2.2.2 任意两相旋转坐标系下数学模型 (7)2.2.3 两相静止坐标系下数学模型 (8)2.2.4 两相同步旋转坐标系下数学模型 (10)2.3 异步电机转子磁场定向控制 (10)2.4 本章小结 (12)第三章异步电机运行约束分析 (14)3.1 异步电机电流约束 (14)3.2 异步电机电压约束 (14)3.3 异步电机运行区域划分 (16)3.3.1 定子电阻对电压限制的影响 (16)3.3.2 电机运行区域的划分 (17)3.4 本章小结 (18)第四章异步电机弱磁区转矩最大化策略 (19)4.1 弱磁区稳态转矩最大化策略 (19)4.1.1 弱磁一区控制策略 (19)4.1.2 弱磁二区控制策略 (20)4.2 基于瞬态响应的鲁棒性设计 (23)4.3 考虑铁损的补偿机制 (24)4.3.1 驱动系统损耗分析 (24)4.3.2 考虑铁损的补偿方案 (25)4.3.3 等效铁损电阻的测量 (28)4.4 整体控制架构 (30)4.5 本章小结 (30)第五章仿真及实验分析 (31)5.1仿真研究 (31)5.1.1 仿真模型概况 (31)5.1.2 考虑瞬态响应的控制仿真 (34)5.1.3 考虑铁损补偿的控制仿真 (35)5.2 实验研究 (37)5.2.1 系统硬件测试平台 (37)5.2.2 系统软件测试平台 (39)5.2.3 瞬态响应系统测试 (42)5.2.3 铁损补偿机制系统测试 (42)5.3 本章小结 (43)第六章总结与展望 (44)参考文献 (45)作者简介 (48)致谢 (49)图表清单图2.1 A-B-C坐标系下的异步电机等效物理模型 (4)图2.2 3s-2s变换 (6)图2.3 2s-2r变换 (7)图2.4 异步电机T e- s曲线 (12)图3.1 定子电流参考矢量限制 (14)图3.2 定子电压参考矢量限制 (15)图3.3 电机全运行范围内的约束条件及R s对电压限制的影响 (16)图3.4 异步电机全运行区域内的参数特性 (18)图4.1 弱磁一区控制策略 (19)图4.2 高速时编码器信号图 (20)图4.3 失步转矩T ep示意图 (21)图4.4 不同工作区域的视在功率轨迹 (21)图4.5 弱磁二区控制策略 (22)图4.6 瞬态响应机制控制框图 (24)图4.7 驱动系统的能量转换和损耗分析 (24)图4.8 考虑铁损的异步电机等效电路 (26)图4.9 铁损补偿机制控制框图 (28)图4.10 异步电机T型等效电路 (29)图4.11 P′-V s2曲线 (29)图4.12 考虑暂态响应的异步电机弱磁区转矩最大化控制架构.. 30 图5.1 仿真模型整体结构 (31)图5.2 MotorControl模块图 (32)图5.3 FOC模块图 (32)图5.4 Motor模块图 (33)图5.5 仿真模型中异步电机参数 (33)图5.6 考虑瞬态响应的仿真模型 (34)图5.7 角度补偿对速度阶跃命令的瞬态响应仿真 (34)图5.8 角度补偿前后的电角度示意图 (35)图5.9 考虑铁损补偿机制的仿真模型 (36)图5.10 铁损补偿对速度的影响仿真图 (36)图5.11 铁损补偿对转矩、转子磁链影响仿真图 (37)图5.12 硬件测试平台 (37)图5.13 控制系统模型框架 (39)图5.14 底层程序框架 (41)图5.15 监控设备 (41)图5.16 角度补偿前后速度响应实验图 (42)图5.17 铁损补偿前后电机外特性曲线实验图 (43)表5.1 实验用控制器技术参数表 (38)表5.2 实验用异步电机参数表 (38)表5.3 电涡流测功机参数表 (39)第一章绪论1.1 课题研究背景与意义传统汽车所带来的尾气污染和能源减少使其发展受到严重阻碍，新能源汽车已逐渐成为世界汽车领域的发展方向。
异步电机直接转矩弱磁控制研究
异步电机直接转矩弱磁控制研究
在高速列车用感应电机直接转矩控制系统中，有时需要电机工作在高
于额定转速的情况，对于感应电机，可以通过弱磁控制达到比较高的速度要求。
在弱磁阶段，电机的转矩性能主要取决于电机的控制策略,其方法和基速也有所不同。
其一，在弱磁范围内不是恒转矩调速，而是恒功率调节; 其二，在弱磁范围内，都是全电压工作，没有零电压状态，工作电压在整个区段中起作用。
传统的直接转矩控制弱磁方法是在弱磁区将定子磁链参考值与转速成反
比变化。
定子磁链参考值的过高过低，都会导致输出转矩的下降。
传统的弱磁
方法不能在已有的限制条件下获得电机的最大转矩输出能力[ 2] 。
文献[ 3] 提出了基于电压闭环控制的弱磁方法,是基于转子磁链定向的方案，不适合于定子磁链定向的方案。
文献[4] 提出了最大转矩弱磁控制算法，但是其算法过多的依赖于电机参数，如电机电阻、漏感和互感,这些参数都有可能影响弱磁的性能。
文献[ 5] 提出了鲁棒弱磁控制算法，但是只针对转子磁链进行给定的，而且对于一些低惯性的电机很难取得很好的电机性能。
越来越多的研究正在向定子磁场定向方面进行转移，电机的性能受电机
参数的影响很小，定子磁链相对于转子磁链易观测。
论文在深入分析异步电机
直接转矩控制系统弱磁控制原理的基础上，提出了一种弱磁控制策略，保证升
速过程中输出最大转矩，实现快速升速。
并通过仿真研究进行验证。
1 异步电机的数学关系
定子磁链下的电机方程如下所示:
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仅供参阅！。
三相永磁电机伺服系统弱磁控制方法的研究
三相永磁电机伺服系统弱磁控制方法的研究摘要：随着现代工业的发展，永磁电机在伺服系统中得到了广泛应用。
然而，由于永磁电机在运行过程中可能会出现磁场弱化的现象，这对于伺服系统的稳定性和性能提出了挑战。
本文通过研究三相永磁电机伺服系统的弱磁控制方法，旨在提高系统的稳定性和响应速度。
关键词：三相永磁电机；伺服系统；弱磁控制；稳定性；响应速度一、引言永磁电机作为一种高效、节能、体积小的电机，广泛应用于伺服系统中。
然而，在运行过程中，由于各种因素的影响，永磁电机的磁场可能会发生弱化，导致系统性能下降。
因此，研究三相永磁电机伺服系统的弱磁控制方法具有重要意义。
二、弱磁控制方法1. 磁场观测补偿法：通过传感器对永磁电机磁场进行实时观测，当发现磁场弱化时，通过增加控制器的输出电流来补偿磁场，以维持系统的性能。
这种方法可以有效提高系统的稳定性，但对传感器的要求较高。
2. 电流反馈补偿法：通过测量电机的相电流，通过控制器重新计算输出电流，以补偿磁场的弱化。
这种方法不需要额外的传感器，成本较低，但需要较高的精度来保证补偿效果。
3. 磁场观测与电流反馈相结合法：将磁场观测补偿法和电流反馈补偿法相结合，综合利用两种方法的优点，以达到更好的弱磁控制效果。
三、实验结果与讨论通过对比实验，我们可以发现，采用磁场观测与电流反馈相结合的方法，可以显著提高系统的稳定性和响应速度。
实验结果表明，当永磁电机磁场发生弱化时，系统能够快速响应并进行补偿，保持良好的控制性能。
同时，该方法对于传感器的要求较低，降低了系统的成本。
四、结论本文研究了三相永磁电机伺服系统的弱磁控制方法，并进行了实验验证。
结果表明，采用磁场观测与电流反馈相结合的方法可以有效提高系统的稳定性和响应速度。
这对于永磁电机伺服系统的应用具有重要意义，可以提高系统的控制性能，提升工业生产效率。
三相异步电机弱磁
三相异步电机弱磁三相异步电机弱磁控制：原理、问题与解决方案一、弱磁控制的原理三相异步电机是一种广泛应用于工业和家庭用电动机的设备。
其工作原理基于电磁感应定律，通过气隙中的磁场与转子电流相互作用产生转矩，从而驱动转子旋转。
在异步电机中，磁场是由电源电压产生的，因此调节磁通也就意味着调节电压。
然而，单独改变磁通是不可能的，因此需要采用弱磁控制来达到调速的目的。
弱磁控制主要是通过调节电机的磁通来达到调速的目的。
当电机转速升高时，反电动势也会随之增加，导致定子电流减小。
此时，如果保持电压不变，则磁通会相应减小，导致电机转速进一步升高。
为了保持电机的转速稳定，可以通过降低电源电压来减小磁通，从而实现弱磁控制。
二、弱磁控制的问题在进行弱磁控制时，电压扩展区域可能存在两个问题：过调制导致的转矩脉动和电压裕度不足导致的电机动态性能下降。
过调制是指电机在低速时产生的转矩脉动过大，这会影响电机的平稳运行。
而电压裕度不足则是指在电机高速运行时，逆变器的母线电压已经达到极限值，无法再继续升高，从而限制了电机的动态性能。
三、解决方案为了解决这些问题，通常会通过降低异步电动机的磁链来实现弱磁控制。
降低磁链可以减小反电动势，从而降低定子电流和转矩脉动。
此外，电机的运行状态主要受限于逆变器的母线电压与逆变器所能承受的最大电流。
因此，需要进行相关的技术控制，使电机的运行状态束缚在有限的范围内，同时又能满足转矩和转速的输出需求。
四、总结三相异步电机弱磁控制是电机调速中的一种重要方法。
通过降低电源电压来减小磁通，可以实现电机的调速。
然而，在弱磁控制过程中，需要注意过调制和电压裕度不足等问题，并采取相应的解决方案来提高电机的性能和稳定性。
三相感应异步电机在弱磁区的电流解耦控制
统，需要运用状态方程进行建模，这给系统设计和
性能分析带来了不便。
为了简化系统模型，引入复平面的矢量表示
法。定义同步坐标系下的电流和电压矢量为
“：一“：。＋ｊ“；ｌ
（５）
《一ｉ：。＋ｊ缘
（６）
根据式（３）～式（６）可得，复平面内矢量形式表示
的感应电机电压方程为
“：＝（Ｒ：＋吐。夕）《＋ｊ∞。也，《
（７）
电气传动 ２００８年 第３８卷 第８期
ＥＩ。ＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ２００８ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．８
感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究
刘军锋，李叶松 （华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉４３００７４）
摘要：为了实现感应电机的宽范围调速，针对按转子磁场定向时，ｄ，ｑ轴电流的耦合效应，引入复平面矢
了■ｃ．Ｉｌ，ｌｏＺｏｇｙ，矾＾ｎ刀４３００７４，ＨＭ６旧ｉ，Ｃ施ｉ，＾口）
Ａｂｓｔｍｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｖｅｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ 、＾倔ｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｉｍｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｄ，口ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｏｒｉｅｎｔａ— ｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｓｙｎｃｈｍｎｏｕｓ ｆｒａｍｅ ＰＩ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｖｅｒｄｉｃｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ａ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏ玑 Ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｔｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏＵｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒ— ｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．
基于改进型趋近律与负载观测器的永磁同步电机滑模速度控制器设计
基于改进型趋近律与负载观测器的永磁同步电机滑模速度控制器设计周旋;张海燕【摘要】为了提高三相永磁同步电机(PMSM)调速系统的动态品质,改善传统滑模速度控制器的控制性能,抑制系统抖振,提高控制精度,设计了基于新型趋近律与负载观测器的改进型滑模速度控制器.利用MATLAB/Simulink仿真软件,搭建控制系统模型并进行仿真分析.仿真验证了所设计的改进型PMSM速度控制器的有效性.该控制器可获得较好的速度跟踪精度和抗负载扰动能力,提高系统的稳定性和鲁棒性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2019(046)001【总页数】6页(P34-39)【关键词】永磁同步电机;矢量控制;滑模控制;趋近律;负载观测器【作者】周旋;张海燕【作者单位】上海电机学院电气学院,上海201306;上海电机学院电气学院,上海201306;上海交通大学电气工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、运行可靠、损耗少、效率高、电机尺寸灵活多样等优点，广泛应用于各种场合，因而对其控制性能的要求越来越高[1]。
传统的PI控制器算法简单，易于实现，可满足PMSM矢量控制系统一定范围内的控制要求。
由于PMSM调速系统的非线性、多变量、强耦合、变参数等特性，PI控制器的性能易受系统参数变化、外部扰动等影响,进而影响系统运行的可靠性以及动、静态性能,所以常规PI控制方法显然不能满足高精度场合的应用要求[2-3]。
因此,非线性的控制方法被应用于PMSM的控制系统中,包括自适应控制[4-5]、自抗扰控制[6]、预测控制[7-8]、滑模控制(SMC)[9-13]、Back-Stepping方法[14]、神经网络控制[15]、智能控制[16]等。
SMC以其动态响应快、鲁棒性强和简单可行等优点而被广泛应用。
文献[9-11]采用新型趋近律有效抑制了系统抖振，但其控制器结构复杂，参数不易整定，且起动电流较大。
异步电机弱磁控制的研究
异步电机弱磁控制的研究蔡钿;陆炳良;康乐【摘要】本文针对异步电机要求低速时能输出较大转矩且有较宽调速范围的要求,通过对弱磁控制的原理分析提出异步电机弱磁控制的设计,系统采用实现全数字化系统的矢量控制,以保证电机输出最大转矩.通过对定、转子弱磁控制方法的分析优化弱磁控制策略以提高异步电机的调速范围.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2014(034)005【总页数】4页(P70-73)【关键词】异步电机;弱磁控制;矢量控制【作者】蔡钿;陆炳良;康乐【作者单位】中海油田服务股份有限公司,北京101149;中海油田服务股份有限公司,北京101149;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM343电机在额定转速以上运行时，由于电压不能再升高，只能通过减小磁通而达到提高转速的目的，即弱磁升速。
在间接矢量控制中，将磁场电流或磁场与速度成反比是最普通的弱磁策略，但这种方法并没有考虑磁场电流和转矩电流的最优分配，即电流利用率的问题，因此不能获得最大的输出转矩，使得电机的恒功率区缩短，升速时间加长。
国内、外已有的以矢量控制为基础的弱磁控制方法基本可分为以下三类：1.1 弱磁[1]如式(1)所示，该方法是在电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定为与速度成反比。
式中：ψrd——额定转子磁链；ωn——额定转速；ωr——电机转速。
这种方法是基于转子磁链闭环观测的矢量控制中，不适用于其它矢量控制策略。
这类方法也有采用d轴电流与速度成反比的方法。
此类方法还有一种，将定子磁链参考值反比于转速变化。
即在弱磁区异步电机的转矩输出能力依赖于控制策略，通常应用于基于定子磁链定向的控制策略中，参考磁链过高或过低都将导致输出转矩下降。
传统的弱磁方法不能在已有的限制条件下获得电机的最大转矩输出能力。
但是，通过对该方法的改进，将定子参考电压与对应的限制值进行比较，通过简单计算实现了恒转矩、恒功率区和降功率区的平滑过渡，而且定子磁链参考值能适应直流母线电压波动、同步角频率和转矩给定的变化，无需转子磁链定向[2][3]。
一种考虑负载转矩的异步电机弱磁控制策略
成正比。 即只有当电机满载 (kT = 1) 时, 逆变器才需 要利用全部的直流母线电压来输出最大转矩。 而当
电机运行在非满载工况时 (k T < 1) , 只需利用部分 直流母线电压就可输出所需的电磁转矩。
在高速弱磁区内利用电压闭环进行弱磁, 由电
机转矩系数可得电压闭环给定电压大小为
u
3 s
=
k T u s,m ax.
(1. 清华大学 电机工程与应用电子技术系, 电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084; 2. 株洲电力机车研究所, 株洲 412001)
摘 要: 从高速弱磁区内电动汽车对电驱动系统的实际要 求出发, 提出一种考虑负载转矩的异步电机弱磁控制策略。 该策略根据转矩指令动态调节电机转矩电流和励磁电流大 小, 既能满足宽范围调速的需要又能提高驱动系统在高速弱 磁区内的运行效率。此外, 通过对转矩电流的补偿控制, 能够 保证转矩响应的动态性能。文中介绍了该控制策略的基本原 理、控制框图和实现方法, 并进行了计算仿真和实验验证。计 算仿真和实验结果验证了所提出的弱磁控制策略的有效性。
(3)
令实际的转矩电流给定为Fra biblioteki3sq′= k T isq,m ax = i3sq k T ,
(4)
其中 isq,m ax 表示当前母线电压、转速下电机输出最大
转矩对应的转矩电流, 其给定方法随后详述。
励磁电流给定如图 1 所示, 基速范围内令k = 1, 弱磁区内令 k = kT , 由此可得到全速度范围内的电 压给定值。 再将此给定电压与实际电压的误差经过
电 机 运 行 在 基 速 区 和 恒 功 区 时, u sd,m ax 小 于 u lim it, P I 调节器饱和, 最大转矩电流等于其限幅值。 电机运行在降功区时, 由于受电压限制而不能输出
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第29卷第6期2011年6月水 电 能 源 科 学W ater Resour ces and P ow er V o l.29N o.6Jun.2011文章编号:1000-7709(2011)06-0172-03三相异步电机弱磁控制策略研究张海燕1,尹 赟2,宋文祥2(1.上海电机学院电气学院,上海200240; 2.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:基于异步电机矢量控制弱磁方法,探讨了传统1/X r 方法、考虑转矩电流分量改进型的1/X r 弱磁方法和基于电压控制策略的转矩最大化弱磁方案,并对比分析了三种弱磁策略的关键控制量的仿真波形,同时比较验证了弱磁控制策略的有效性,以供工程应用。
关键词:异步电机;矢量控制;弱磁控制;弱磁区域划分中图分类号:T M 343文献标志码:A收稿日期:2011-02-21,修回日期:2011-04-13基金项目:上海市教委重点学科基金资助项目(J51901)作者简介:张海燕(1978-),男,工程师,研究方向为大功率交流电机变频传动和发电机静态励磁控制,E -mail:haiy ok @126.co m通讯作者:宋文祥(1973-),男,副教授,研究方向为新型电力电子变换、电机驱动控制,E -mail:w xsong2003@在整个三相异步电机的运行区间,按速度可划分为基速以下和基速以上两个区域。
当电机运行在基速以下时,稳态时整个电机磁场保持恒定,输出转矩保持不变,该区间又称恒转矩调速区。
当电机运行在基速以上时,由于直流母线电压的限制与反电动势的影响,就需转子磁通随着转速的上升而下降,即所谓弱磁运行。
异步电机弱磁控制方法主要有传统的1/X r 弱磁算法[1]、考虑转矩电流分量的改进型1/X r 弱磁算法[2]、基于电压控制策略的转矩最大化弱磁控制算法[3],但这三种方法各有优缺点。
鉴此,本文基于弱磁运行限制条件[2~4]和区域划分[3],分别研究了该三种弱磁算法,并给出了相应仿真结果,比较和验证了弱磁控制策略的有效性。
1 三种弱磁方法的分析1.1 传统1/X r 弱磁算法使电机的转子磁场与转子转速X r 成反比,即使励磁电流给定信号i *s d 与转子转速成反比。
这种控制方法往往使电压提前达到饱和,限制了转速的进一步提高。
随转子转速大于异步电动机额定同步转速X base ,交叉耦合反电动势不断增大,i *s d 保持与转速成反比,能确保磁场定向条件下的同步施转d 坐标系定子电压分量v s d 不增加,但不能确保q 坐标系定子电压分量v s q 不增加,电压往往提前达到饱和,限制了转速进一步提高,同时转速动态响应变慢。
但该方法实现简单,适用于对调速范围及转速动态响应速度要求不高的场合。
1.2 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 算法电机的输出转矩与励磁电流分量i s d 、转矩电流分量i s q 的乘积成正比,电机运行在弱磁区域,转矩的输出能力取决于i s d 和i s q 的协调控制。
而i s d 和i s q 由v s q 和v s d 决定,则转矩输出能力取决于v s q 和v s d 的协调控制。
该法通过在弱磁升速阶段改变励磁电流指令信号i *s d 平衡d 、q 轴电压分量的分配。
当将q 轴电流跟踪误差的变化引入d 轴电流并通过修正i *s d 使即使在v s q 处于限幅状态时,i s q 亦能较快地跟踪i *s q ,同时进一步改善了i s d 的跟踪特性,提高了电机转矩输出特性,使转速动态响应加快。
该算法通过减小i *s d 以改善系统的性能,但并未从根本上解决反电动势的耦合问题,也未考虑电压与电流的限制条件,使系统跟踪特性与转矩输出达不到最理想状态。
但该法简单易行、原理清晰。
1.3 基于电压控制策略的弱磁算法基于电压控制策略的系统控制结构见图1。
图2为电压控制器框图,包含两个PI 调节器:PI_1控制励磁电流i *s d 调节电机输入电压v *s d q ;PI_2控制转矩电流i *s q 调节电机d 轴输入电压v *s d ,min 为输出两个输入信号中的较小值。
该方法[3,5,6]原理清晰,转速动态响应快,调速范围宽,其显著特点是在相应运行频率下能输出最大转矩。
但由于在矢量控制的基础上增加了第29卷第6期张海燕等:三相异步电机弱磁控制策略研究图1 基于电压控制策略的弱磁控制框图Fig.1 Blo ck diag ra m o f fie ld -w e ake ning co nt ro lsy s t e m ba se d o n v o lt ag e st ra t e gy图2 电压控制器框图Fig.2 Blo ck diag ram o f vo lt ag e c ont ro lle r两个PI 调节器,因而实现较复杂,增加了系统参数整定工作量。
2 仿真对比验证采用M atlab/Simulink 构建了异步电机矢量控制系统模型,并进行了弱磁仿真。
异步电机参数为:额定功率P e =4kW ,额定电流I e =10A ,额定电压V e =400V ,额定转速n e =1500r/min (对应于转子输出角频率约为157rad/s ),额定转矩T e =25.5N #m ,极对数n p =2,转动惯量J =0.0131kg #m 2,电机摩擦系数f =0.002985。
仿真设定条件为:0~0.04s 为电机的预励磁时间,0.04s 时刻转速阶跃给定120rad/s(约为1200r/min),0.20s 时刻给定跳变为600rad/s (约为5700r/min)。
基于IGBT 的电压型逆变器开关频率2.5kH z,直流母线电压560V 。
2.1 传统1/X r 弱磁算法图3为传统1/X r 弱磁仿真结果。
由图可看出,在0.25s 进入弱磁阶段后,控制电压v *s q很快图3 传统1/X r 弱磁仿真结果Fig.3 Simula t ion re s ult s base d o n t radit io na l 1/X r达到限幅值,控制转矩电流i *s q 的电压分量|v *s d |受到限制,无足够的电压裕量产生实际需要的足够大的转矩电流i *s q ,跟踪效果较差,转矩输出能力低。
系统运行情况与理论分析相吻合。
2.2 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 算法图4为考虑转矩电流分量的改进1/X r 弱磁仿真结果。
由图4(a)可看出,进入弱磁后,即使v *s q 一直处于限幅状态,|v *s d |亦随频率的增加而增加,便有足够的电压裕量产生转矩电流分量i *s q ,转矩电流能较好地跟踪上给定,提高了转矩输出能力,加快了转速动态响应速度。
表明采用改进型1/X r 弱磁算法可实现对dq 轴电压合理分配,改善了传统1/X r 方法中转矩电流跟踪性能。
图4 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 弱磁仿真结果Fig.4 Simulat io n re sult s ba se d o n impro v e d 1/X r2.3 基于电压控制策略的弱磁算法基于电压控制策略的转矩最大化弱磁仿真结果见图5。
考虑了弱磁时电压与电流的限制条件,因而在弱磁区域控制电压|v *s d |、v *s q 不会达到限幅值。
由图可看出,进入弱磁运行后,v *s q 增加到限幅值后开始减小,同时|v *s d |一直增加。
当|v *s d |=v *s q 后,便进入了弱磁区域2阶段,在转速达到给定前维持|v *s d |=v *s q ,转矩输出为运行频率下的最大值,因而转速动态响应加快。
仿真结果与理论分析完全吻合。
2.4 结果与分析由上述三种弱磁方法的仿真结果可看出:¹基于电压控制策略的转矩最大化弱磁方法转速动态响应最快,达到给定转速时间比传统1/X r 方法快0.3s,比改进型1/X r 方法约快0.15s 。
º在同频率下电机输出转矩方面,基于电压控制策略的#173#图5 基于电压控制策略的转矩最大化弱磁仿真结果Fig.5 Simula t ion re s ult s bas ed o n vo lt a ge s t ra t eg y转矩最大化弱磁方法比传统1/X r 法提升将近30%,比改进型提升近5%。
»基于电压控制策略的功率输出最大,在较大范围内保持恒功率输出。
¼需说明的是,由于仿真中电机模型存在摩擦系数f ,所以高速稳态运行时电磁转矩不为零。
3 结语在矢量控制条件下,分析和仿真研究了三种弱磁控制策略,发现传统1/X r 法简单易行,但转速动态响应慢,不适合宽调速范围场合;改进型的1/X r 算法实现简单,动态响应速度较快,但输出转矩并非同频率下的最大值;基于电压控制策略的转矩最大化弱磁控制方法,系统调节较繁琐,但动态响应快,同时在运行频率下输出转矩能达到相应最大值,适合于调速范围和动态响应要求较高的场合。
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