异步电机恒定磁链反馈电压闭环控制方法与流程

本发明涉及一种根据磁链反馈进行电压幅值闭环控制的异步电机恒定磁链反馈电压闭环控制方法，属于三相感应异步电机控制。

背景技术：

1、电能以其运输速度快、消耗无污染、转化效率高、使用方便等优点广泛应用于工业领域的生产制造。在自动化领域，应用最广泛的异步电机作为电能与机械能相互转化的载体，其本体设计的优劣以及控制技术是否先进一定程度上限制着我国的经济发展。

2、现阶段，异步电机常用的矢量控制需要传感器检测电机转子速度信息，以及由电磁参数计算出的转差求取定子电角度，从而形成反馈。但速度传感器的使用不可避免的会带来一些新的问题。在电机本体设计之初，通常没有给速度传感器预留位置，因此在某些特殊场合，如船舱、矿洞等，空间狭小，安装速度传感器难以实现。同时，在这些高温、高湿度条件下，速度传感器的精度会受到影响，使用寿命也会有所下降。在一些使用场景中，电机的工作转速超过万转每分，对于动、静平衡的要求非常高，而速度传感器通常安装在电机端部，容易引起轴系的抖动，严重时，甚至会影响到系统固有频率，引发共振，从而毁坏电机。

3、采用无速度控制技术，对电机电磁参数进行计算间接获取电机转子速度信息，节约了采购、维护成本。目前适用于异步电机的无速度传感器控制技术种类繁多，原理各不相同，针对的使用场景包括低转速区域，中高转速区域。但仍没有一种方法能对电机整个转速域进行精准计算，且该控制技术的实现需要电机实时的电磁参数，运算复杂。在变频器需要维护或更换时，往往需要对电机参数进行整定，然而对于如矿车、提升机等使用场景，无法满足脱开负载的先决条件，这种情况下，异步电机采用矢量闭环控制难以保证控制精度。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提出了异步电机恒定磁链反馈电压闭环控制方法，该方法无需添加任何硬件设备，利用磁链反馈适合电机当前状态下的给定电压矢量，形成闭环控制，具有能耗低，通用性强，实现简单等优点。

2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、异步电机恒定磁链反馈电压闭环控制方法，通过以下步骤和原理实现：

4、s1，采集电机电流角频率，对其进行积分得到电机电角度，选取mod算法以2π为除数获取三相相位相差120°的正弦波，转换到静止坐标系；

5、s2，根据给定磁链及电机电角频率计算出电机在当前状态下定子绕组中存在的反电势；

6、s3，根据电机电流的矢量关系，将三相电流变换到静止的α、β轴坐标系，采用欧姆法求解当前坐标系下的定子阻抗压降；

7、s4，建立异步电机数学模型，根据电压分配到反电势的压降，形成磁链闭环以选取适合电机当前状态下的电压矢量；

8、s5，将滤波之后的给定电压矢量作为α轴、β轴电压矢量的幅值，输出到调制模块。

9、进一步的，所述s1中，电机电角度为：

10、，

11、其中，为积分符号，为电机的电流角频率， d表示微分符号， θ为电机的电角度， t为时间常数。

12、为了使电机产生旋转的电压矢量，电机三相电压的相位为：

13、，

14、其中， p为mod计算值，为a相电压相位，为b相电压相位，为c相电压相位。

15、电机初始三相电压矢量为：

16、，

17、其中，为a相电压矢量，为b相电压矢量，为c相电压矢量，为输入函数的角频率， t为时间常数，为a相电压相位，为b相电压相位，为c相电压相位。

18、利用坐标变换矩阵将三相电压矢量转移静止坐标系：

19、，

20、其中，为a相电压矢量，为b相电压矢量，为c相电压矢量，为静止坐标系α轴电压，为静止坐标系β轴电压。

21、进一步的，所述s2中，为保证系统的运行稳定性，电机磁链的给定为斜坡函数，通过设置合理的上、下限以避免电机出现磁链过饱和状态：

22、，

23、其中，为随时间变化的磁链常数， g为磁链上升的斜率， t为时间常数。

24、电机磁链切割定子绕组产生的反电势为：

25、，

26、其中，为定子绕组反电势，为随时间变化的磁链常数，是电机电角速度， t为时间常数。

27、进一步的，所述s3中，为了获取定子相电流，对其进行坐标变换：

28、，

29、其中，、、为三相初始坐标系的输出电流，静止坐标系α轴的输出电流，为静止坐标系β的输出电流。

30、根据静止坐标系下电流的矢量关系获取电机相电流值：

31、，

32、其中，为电机相电流，为静止坐标系α轴电流，为静止坐标系β轴电流。

33、根据欧姆法计算电机阻抗压降：

34、，

35、其中，为阻抗压降，为电机相电流，  为定子电阻。

36、进一步的，所述s4中，因为稳态条件下电机磁链对于时间的微分为零，因此根据异步电机数学模型，计算电机给定相电压幅值：

37、，

38、其中，为电机相电压矢量幅值，为电机相电流，是电机的电角速度，是定子电阻，为随时间变化的磁链常数， t为时间常数。

39、进一步的，所述s5中，将电压幅值赋予静止坐标系 α、 β轴正弦波，输出到空间矢量脉冲宽度调制模块参与调制，以实现系统在恒定磁链下的快速响应：

40、，

41、其中，为静止坐标系α轴电压幅值，为静止坐标系β轴电压幅值，为电机相电压矢量幅值，为输入函数的角频率， t为时间常数。

42、求取的电压矢量中还包含了高频的谐波成分，直接参与调制必将增大系统的运算量，影响电机控制精度，选用低通滤波器进行优化，一阶系统频率响应的稳态方程为：

43、，

44、其中， x( t)为一阶系统频率响应的稳态解，为节点1，为节点2， j为虚部，为输入函数的角频率， t为时间常数， e为自然常数。

45、对方程进行求解后：

46、，

47、其中， x( t)为一阶系统频率响应的稳态解， g( jω)为一阶系统振幅响应， j表示虚部， m为系统初始幅值， ψ为一阶系统相位，为输入函数的角频率， t为时间常数。

48、滤波器拉普拉斯变换式为：

49、，

50、其中， z( s)为低通滤波器传递函数， s为复数域， a为滤波系数。

51、信号经滤波器传递函数后的振幅响应为：

52、，

53、其中， l( jω)为系统的振幅响应，为输入函数的角频率， j表示虚部， a为滤波系数，高频的谐波幅值将会得到极大的抑制。

54、与现有技术相比，本发明的优势在于：根据mod算法获取三个相位相差120°的正弦波，赋予磁链反馈计算出给定的电压矢量幅值，形成闭环控制，同时避免电机出现磁链过饱和状态，系统能耗低。该方法运算量小，无需添加任何硬件设备，不需要除定子绕组外其他电机参数，维护成本低，实现简单。