[发明专利]三相异步电动机的矢量控制实现方法

摘要

一种三相异步电动机矢量控制的实现方法，其步骤如下：利用三相异步电动机的数学模型，在旋转坐标系下以为状态变量的三相鼠笼式异步电动机状态方程；构建三相异步电动机矢量控制系统、转子磁链及定子角速度计算模块、转子磁链的电压模型、转子磁链离散化计算模型、给定转子磁链的模型、带有双轴协同限幅的PID控制分为外环PID与内环PID，有益效果是：有效避免由于转差导致传统模型的转子磁链偏大的问题，进一步减小铁心损耗，提高了电机的运行效率，有效地避免了微分运算的高频噪声放大作用，保证了系统在起动或重载运行具有最大的输出能力，同时又保证了系统不会长时间的过载运行，避免电机超载过热运行，避免电机超压运行。

主权项

1.一种三相异步电动机矢量控制的实现方法，其特征是步骤如下：步骤1.利用三相异步电动机的数学模型在旋转坐标系下，以为状态变量的三相鼠笼式异步电动机状态方程：式中，i_sd、i_sq为定子电流空间矢量在旋转dq坐标系下d轴与q轴的分量；u_sd、u_sq为电子电压空间矢量在旋转dq坐标系下d轴与q轴的分量；ψ_rd、ψ_rq为定子磁链矢量在旋转dq坐标系下d轴与q轴的分量；J为转动惯量；B为粘性摩擦系数；T_l为负载转矩；p表示微分算子；σ为漏感系数，T_r为转子时间常数，T_r＝L_r/R_r；步骤2.构建三相异步电动机矢量控制系统按照转子磁链定向的矢量控制系统，包括电机本体、空间矢量控制模块、旋转/静止变换C_2r/C_2s模块、三相/二相变换C_3s/C_2s模块、静止/旋转变换C_2s/C_2r模块、转子磁链及定子角速度计算模块、设定转子磁链模块、转子磁链PID调节模块AΨR、转速PID调节模块ASR、m轴电流分量PID调节模块ACMR、t轴电流分量PID调节模块ACTR；步骤2.1转子磁链及定子角速度计算模块该模块的输入变量包括定子电流的α轴分量i_sα、定子电流的β轴分量i_sβ以及转子角度ω_r，输出变量包括转子磁链空间矢量位置角的正弦sinθ、转子磁链空间矢量位置角的余弦cosθ、转子磁链空间矢量模|ψ_r|以及电气角速度ω_r；转子磁链空间矢量位置角的正弦sinθ与余弦cosθ分别作旋转/静止变换为C_2r/C_2s模块与静止/旋转变换C_2s/C_2r模块的输入；转子磁链空间矢量模|ψ_r|作为转子磁链PID调节模块AΨR的反馈量；电气角速度ω_r作为设定转子磁链模块的输入；转子磁链的电压模型式中，ψ_rα、ψ_rβ为定子磁链矢量在静止坐标系下α轴与β轴的分量；i_sα、i_sβ为定子电流空间矢量静止坐标系下α轴与β轴的分量；u_sα、u_sβ为电子电压空间矢量在静止坐标系下α轴与β轴的分量；由转子磁链的电压模型可知，需要获得定子电压与定子电流的在静止坐标下的α轴与β轴的分量，由按照变换前后功率不变原则的三相‑两相变换关系可得到：式中，i_A、i_B、i_C分别为A、B、C三相的相电流；u_A、u_B、u_C分别为A、B、C三相绕组的相电压；C_3s/2s表示从三相静止坐标系变换到两相静止正交坐标系的变换矩阵,即步骤2.2转子磁链离散化计算模型设式(2)中的积分式如下：分别对上式进行离散化因此，转子磁链的离散化公式如下：转子磁链模转子磁链空间矢量位置角的正余弦式中，θ为转子磁链矢量的空间位置电角度；由式(9)可知，转子磁链空间矢量位置角的正切为对上式两边分别对时间求导，得解得静止坐标系下转子磁链的电流模型如下：为了解决由微分运算引入高频干扰的问题，将式(13)带入式(12)，得到步骤2.3给定转子磁链的模型为了充分利用铁心，同时为了获得与直流电动机一样的线性机械特性，基频以下采用恒转子磁链控制方式；基频以上，为了保持电压为额定值，转子磁链与定子角频率成反比；给定转子磁链的模型如下：式中，ω_N为额定电气角频率，为常值ω_N＝2πf_N；f_N为定子频率；ω为实际的电气角频率；步骤2.4带有双轴协同限幅的PID控制带有双轴协同限幅的PID控制分为外环PID与内环PID，其中外环PID包括AΨR与ASR模块；内环PID包括ACMR与ACTR模块；步骤2.4.1带有系统限幅的外环PID带有双轴协同限幅的外环PID控制过程：步骤2.4.1a：从转子磁链及定子角速度计算模块读取转子角速度ω_r与转子磁链空间矢量模|ψ_r|；步骤2.4.1b：依据下式分别计算角速度偏差与转子磁链模偏差：式中，为转子角速度的给定值；|ψ_r|^*是给定转子磁链模块的输出，作为转子磁链模的给定值；步骤2.4.1c：利用增量式PID算法，分别计算m轴与t轴的电流增量。式中，k_pj、T_ij、T_dj分别为各自PID控制器的比例系数、积分时间常数与微分时间常数；步骤2.4.1d：为循环迭代做准备，将前1时刻的误差赋值给第前2时刻的误差变量，将当前时刻的误差赋值给第前1时刻的误差变量；步骤2.4.1e：计算定子电流空间矢量m轴与t轴分量的给定值步骤2.4.1f：计算定子电流空间矢量模步骤2.4.1g：协同限幅处理步骤2.4.1g1：为了保证电机长期工作电流不超过其额定值，由两相坐标系的电流空间矢量模是相电流幅值倍，由下式确定电流空间矢量模最大值：式中，I_N为电机额定电流值；步骤2.4.1g2：判读当前的定子电流空间矢量是否超过电流空间矢量模最大值i_smax；如果是，则定子电流空间矢量的各分量按照下式进行协同限幅如果不是，则不进行处理；步骤2.4.2带有系统限幅的内环PID带有双轴协同限幅的内环PID控制，过程如下：步骤2.4.2a：从静止/旋转变换C_2s/C_2r模块读取定子电流空间矢量m轴分量i_sm与t轴分量i_st；步骤2.4.2b：依据下式分别计算d轴电流分量偏差与q轴电流分量偏差：式中，为m轴定子电流分量的给定值；为t轴定子电流分量的给定值；步骤2.4.2c：利用增量式PID算法，分别计算m轴与t轴的电压增量；式中，k_pj、T_ij、T_dj分别为各自PID控制器的比例系数、积分时间常数与微分时间常数；步骤2.4.2d：为循环迭代做准备，将前1时刻的误差赋值给第前2时刻的误差变量，将当前时刻的误差赋值给第前1时刻的误差变量。步骤2.4.2e：计算定子电压空间矢量m轴与t轴分量的给定值步骤2.4.2f：计算定子电压空间矢量模步骤2.4.2g：协同限幅处理步骤2.4.2g1：为了保证电机长期工作电压不超过其额定值，由两相坐标系的电压空间矢量模是相电压幅值倍，由下式确定电流空间矢量模最大值。式中，U_N为电机额定电流值；步骤2.4.2g2:判读当前的定子电压空间矢量是否超过电压空间矢量模最大值u_smax；如果是，则定子电压空间矢量的各分量按照下式进行协同限幅如果不是，则不进行处理。