用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法与流程

本发明涉及一种不依赖速度传感器、基于定子磁场定向控制技术实现的用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法，属于异步电机变频调速技术领域。

背景技术：

用于电动汽车的驱动电机日趋多样化，其中的异步电机因价格低廉、可靠性高、易于维护制造、控制技术成熟的特点，目前已在电动汽车驱动系统，尤其是大功率应用场合中占据了重要地位。在实际使用中，用于电动汽车的异步电机恒转矩区设计得较小，同时要求的调速范围又比较宽，所以经常会运行于额定转速以上，在有限的直流母线电压下只有通过弱磁才可以达到。像电动汽车这样需要频繁起停、加速、爬坡等的应用场合，异步电机的转矩输出能力十分重要。尤其在弱磁情况下，要考虑如燃料电池电动汽车中电池输出特性较软导致直流母线波动较大的特点，以确保在任何转速下都能够输出最大转矩。除了电动汽车，许多其他工业应用场合，比如数控机床的主轴电机、伺服系统的驱动电机等，也都要求电机在弱磁区域运行时能有比较宽的恒功率运行区域，并具有一定的转矩输出能力和良好的动态转矩响应性能。因此研究异步电机在弱磁区域的控制策略具有重大的现实意义。

传统的定子磁场定向控制技术只与定子电阻有关，在弱磁运行时与电机的饱和程度无关，而且弱磁运行时电机的转速足够高，可以忽略定子电阻误差的影响。因此定子磁场定向控制在弱磁区域对电机参数的依赖性更小，能在有限的电压和电流极限产生更大的转矩，相比于转子磁场定向控制，定子磁场定向控制在弱磁区域有更好的参数鲁棒性和电机利用效率。定子磁场定向控制采用与转速成反比的弱磁方法时，能得到近似最佳转矩能力，但在极高速下转矩能力有所下降。但是由于与转速成反比的弱磁方法没有考虑逆变器的电压极限和电流极限，电机不能获得最大转矩输出，而且由于没有考虑电机的失步转矩，在极高速运行时会出现不稳定。虽然可通过电机稳态数学模型计算出最佳磁链参考值，从而获得最大转矩输出能力，但这需要准确知道电机参数，失去了定子磁场定向参数鲁棒性，并且在动态过程中也不能获得最大转矩输出。

现在国外有学者提出了一种利用定子电压闭环控制器获得磁链参考值，使电机在整个弱磁区域工作在电压极限，并能保证电机稳定运行在失步转矩工作点的技术。虽然该技术能完全利用电压和电流的极限值，整个弱磁运行范围能够产生最大的稳态转矩并具有快速的动态响应能力，但是这种控制技术需要增加控制环和控制变量，需要四个PI调节器，这样会使得控制算法变得复杂。

目前，对于无速度传感器的磁场定向控制技术的研究大部分只是针对额定转速以下，而对于电机在弱磁区域工作时转速估计方法可能遇到的问题却研究得比较少。而且在非常高速的情况下，编码器的脉冲将会失去对称性，且编码器输出的脉冲频率太高的话，速度传感器的输出脉冲频率可能会超过控制芯片的处理速度，因此在弱磁区域采用无速度传感器矢量控制技术在工业应用中具有重要的意义。而基于转子磁场定向的矢量控制异步电机在弱磁区域运行时遇到的主要困难是起源于励磁电感的大范围变化，而无速度传感器的定子磁场定向控制对励磁电感的变化具有比较好的鲁棒性。因此异步电机在弱磁区域运行时，更适合采用无速度传感器的定子磁场定向控制。进一步地，为了更充分利用逆变器容量，在理想的弱磁区域工作时，异步电机的控制策略需要同时考虑电压和电流的极限。对于定子磁场定向控制异步电机还需要考虑失步转矩可能造成的不稳定现象。

由此可见，不依赖速度传感器设计出一种基于定子磁场定向控制技术的，可使异步电机以最大转矩输出的方式稳定运行在弱磁区域的控制方案，是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种不依赖速度传感器、基于定子磁场定向控制技术实现的用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法，其在考虑相关电压极限、电流极限和转矩极限的基础上，可使异步电机以最大转矩在整个弱磁区域内稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法，其特征在于，它包括步骤：

1)令异步电机进入弱磁区域运行，弱磁区域划分为第一弱磁区域和第二弱磁区域；

2)当运行在第一弱磁区域内时，将异步电机的定子磁链d轴分量控制为定子磁链d轴分量第一最佳值以及将异步电机的定子电流q轴分量控制为小于定子电流q轴分量第一极限值，以使异步电机输出最大转矩；

3)当运行在第二弱磁区域内时，令异步电机一直工作在最大转差率s_m基础上的同时，将异步电机的定子磁链d轴分量控制为定子磁链d轴分量第二最佳值以及将异步电机的定子电流q轴分量控制为小于定子电流q轴分量第二极限值，以使异步电机输出最大转矩；

其中：0至定子磁链d轴分量第二最佳值为第二弱磁区域，定子磁链d轴分量第二最佳值至定子磁链d轴分量第一最佳值为第一弱磁区域。

本发明的优点是：

本发明是一种在整个弱磁区域内，不依赖速度传感器，基于定子磁场定向控制(矢量控制)技术实现的异步电机控制策略，该控制策略把异步电机整个弱磁区域划分为两个弱磁区域。异步电机在第一弱磁区域运行时，只要保证异步电机同时工作在逆变器电压极限和电流极限下，便可确保异步电机能够输出最大转矩。异步电机在第二弱磁区域运行时，一方面异步电机一直工作在最大转差率上来保证异步电机稳定运行，另一方面为了获得最大转矩，异步电机需要同时工作在逆变器电压极限和电流极限、异步电机转矩极限下。

本发明使得异步电机在整个弱磁区域内可稳定运行，且运行时具有很好的电流控制性能和转矩输出能力，不会出现因失步转矩造成不稳定的现象，在稳态运行时异步电机的控制性能良好，不会出现稳态控制性能恶化的现象。

本发明适用于电动汽车、伺服驱动系统等，可大大提高系统参数的鲁棒性，并且不需要速度传感器，大大提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的实施流程图。

图2是异步电机的Г型等效电路示意图。

图3是定子磁场定向控制下，整个弱磁区域的划分说明图。

图4是图3的A部分放大图。

具体实施方式

本发明弱磁控制方法适用于异步电机，异步电机与逆变器相连，受逆变器(如电压型逆变器)控制。如图1，本发明用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法包括步骤：

1)令异步电机进入弱磁区域运行，弱磁区域划分为第一弱磁区域和第二弱磁区域；

2)当异步电机运行在第一弱磁区域内时，将异步电机的定子磁链d轴分量控制为定子磁链d轴分量第一最佳值以及将异步电机的定子电流q轴分量控制为小于定子电流q轴分量第一极限值，以使异步电机输出最大转矩(又称为失步转矩)；

3)当异步电机运行在第二弱磁区域内时，为保证异步电机稳定运行，令异步电机一直工作在最大转差率s_m基础上，同时将异步电机的定子磁链d轴分量控制为定子磁链d轴分量第二最佳值以及将异步电机的定子电流q轴分量控制为小于定子电流q轴分量第二极限值，以使异步电机输出最大转矩；

其中：0至定子磁链d轴分量第二最佳值为第二弱磁区域，定子磁链d轴分量第二最佳值至定子磁链d轴分量第一最佳值为第一弱磁区域，定子磁链d轴分量第二最佳值小于定子磁链d轴分量第一最佳值。

在步骤1)中，令异步电机转速增加，随之同步角速度ω_e增大，当异步电机的反电动势超过逆变器所能提供的最大电压时，将异步电机的定子磁链值减小到低于设定弱磁边界值，以使异步电机进入弱磁区域运行，设定弱磁边界值即为定子磁链d轴分量第一最佳值。

当异步电机在第一弱磁区域内运行时，定子磁链d轴分量第一最佳值通过在逆变器电压极限下的式1)求出，定子电流q轴分量第一极限值通过式2)求出：

式1)中：U_max为定子相电压极限值；R_s为定子电阻；i_sd、i_sq分别为d-q旋转坐标系下定子电流的d轴分量、q轴分量；ω_e为d-q旋转坐标系下的同步角速度(或者说定子磁链旋转角速度)；

式2)中：I_max为定子线电流的极限值；为d-q旋转坐标系下定子电流的d轴分量指令值。

定子电流的d轴分量指令值通过下述步骤求出：

d-q旋转坐标系下的定子电流d轴分量i_sd、q轴分量i_sq以及定子磁链d轴分量估计值输入解耦器，得到用于消除q轴电流对定子磁链产生影响的解耦项i_dq，具体来说，解耦项i_dq通过解耦器公式求出，式中：L_s为定子自感，σ为总漏感系数；

定子磁链d轴分量ψ_sd减去定子磁链d轴分量估计值所得结果输入磁链调节器(公知技术)，得到定子电流d轴分量中间值；

解耦项i_dq与定子电流d轴分量中间值相加，得到定子电流的d轴分量指令值

当异步电机在第二弱磁区域内运行时，定子磁链d轴分量第二最佳值通过在逆变器电压极限、异步电机转矩极限下的式3)求出，定子电流q轴分量第二极限值通过式4)求出：

式3)中：U_max为定子相电压极限值；R_s为定子电阻；L_L为异步电机Г型等效电路中的等效总漏感；ω_e为d-q旋转坐标系下的同步角速度；

式4)中：为定子磁链d轴分量估计值；L_m为定转子互感；L_s为定子自感；σ为总漏感系数；L_r为转子自感。

在实际实施时，定子磁链d轴分量估计值通过下述步骤求出：

α-β坐标系下的定子电流α轴分量i_sα、β轴分量i_sβ以及定子电压α轴分量u_sα、β轴分量u_sβ输入磁链观测器(公知技术)，得到定子磁链α轴分量估计值β轴分量估计值

定子磁链α轴分量估计值β轴分量估计值代入定子磁链坐标变换计算公式(已知公式)，得到定子磁链d轴分量估计值

在本发明中，弱磁区域的限制条件为：

异步电机在运行时受到异步电机自身或逆变器所允许的最大电压和最大电流的限制，即定子相电压极限值U_max和定子线电流极限值I_max应满足：

式5)中：u_sd、u_sq分别为d-q旋转坐标系下定子电压d轴分量、q轴分量。

式6)中：i_sd、i_sq分别为d-q旋转坐标系下定子电流的d轴分量、q轴分量。

在本发明中，电机学中通用的异步电机的T型等效电路可以转换为图2所示出的Γ型等效电路。其中，U_s和I_s以及R_s的定义在T型等效电路和Γ型等效电路中是一样的，U_s为定子电压，I_s为电机定子电流，R_s为电机定子电阻。

Γ型等效电路中的参数与T型等效电路的参数关系如下所示：

等效互感L_M：L_M＝L_s

等效总漏感L_L：

等效转子电阻R_R：

等效转子电流I_R：

其中，L_M、L_L、R_R、I_R、I_M、s为Γ型等效电路的等效互感、等效总漏感、等效转子电阻、等效转子电流、等效激磁电流、转差率。L_s、L_m、L_ls、L_lr、R_r、I_r分别为T型等效电路的定子自感、定转子互感、定子漏感、转子漏感、转子电阻、转子电流。

在步骤3)中，根据异步电机Γ型等效电路，最大转差率s_m通过下式7)求出：

式7)中：ω_e为d-q旋转坐标系下的同步角速度；R_R为异步电机Γ型等效电路中的等效转子电阻，L_L为异步电机Г型等效电路中的等效总漏感。

在本发明中，根据异步电机的Г型等效电路，忽略定子电阻压降，在逆变器电压极限和电流极限下，如图3和图4，图中给出了如何划分第一、第二弱磁区域的说明。

在电压、电流限制下的最大转矩计算条件为：电压极限设为347V(直流侧电压600V)，电流极限设为10.3A(1.5倍额定电流)。

异步电机参数为：额定功率2.2kW，额定电压380V，额定电流4.87A，额定转速1430rpm。上述异步电机参数值通过传统的空载和堵转实验得到，另外，定子电阻3.071Ω，转子电阻2.287Ω，互感254.3mH，定子漏感11.23mH，转子漏感12.18mH，总漏感26.10mH，定子磁链额定值为0.92Wb。

如图3、图4，虚线是异步电机最大转矩曲线，实线是不同定子频率下的异步电机机械特性曲线(转速标幺值-转矩曲线)。

异步电机最大转矩曲线与某一定子频率下的异步电机机械特性曲线相切产生切点，异步电机最大转矩曲线与位于切点左侧的异步电机机械特性曲线相交，从开始相交的点到切点所对应的定子磁链构成第一弱磁区域，异步电机最大转矩曲线与位于切点右侧的异步电机机械特性曲线不相交，大于切点所对应的定子磁链构成第二弱磁区域。

由图3和图4可知，逆变器电压、电流极限下的最大转矩近似与转速标幺值成反比，而失步转矩与转速标幺值的平方成反比，因此，当速度标幺值上升到某一个值以后，虚线与实线两者之间将没有交点。为了保证异步电机稳定运行，这时异步电机只能在失步转矩，即最大转差率这一点上工作。因此在本发明中定义逆变器电压、电流极限下的最大转矩曲线与失步转矩有交点的弱磁区域为第一弱磁区域，而没有交点的弱磁区域为第二弱磁区域。

本发明的优点是：

本发明为一种不依赖速度传感器、基于定子磁场定向控制技术实现的用于异步电机最大转矩输出的弱磁控制方法，其在考虑相关电压极限、电流极限和转矩极限的基础上，可使异步电机以最大转矩在整个弱磁区域内稳定运行。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。