[发明专利]一种异步电机转子磁链与转矩闭环控制方法

说明书

本发明公开了一种异步电机转子磁链与转矩闭环控制方法，包括信号采集、磁链观测、标准化转矩和无功转矩计算、转速和转子磁链外环控制、标准化转矩和无功转矩内环控制及SVPWM调制模块。本发明构建了异步电机无功作用力—无功转矩，它相应于电磁转矩沿磁通方向(径向)的无功作用分量，对应着无功功率。本发明对磁链和转矩采用分层控制的设计结构，将快变的无功转矩调节器与转矩调节器置于内环，转子磁链和转速调节器置于外环，实现了系统多时间尺度的动态稳定控制以及磁链和转矩的解耦控制，本发明设计合理、结构简洁、通用性强，相较于传统FOC方法，提高了异步电机的转矩响应速度。

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种异步电机转子磁链与转矩闭环控制方法。

背景技术

为获得高品质的控制效果，对异步电机控制系统提出如下特性要求：运行性能的可靠性和鲁棒性、快速性、高效率、快速动态响应，以及实际应用的能力和合理的硬件成本等。磁链定向控制(FOC)的思想是：把定子电流变换为旋转坐标系中的直流量，d-q电流独立调节，稳态精度高，但转矩相应速度受限于电流环带宽，电机参数变化引起定向角的计算误差，会降低转矩和磁链解耦控制的效果和系统稳定性。

一直以来，在对电机的控制系统设计中长期忽视时变磁场和磁链幅值的精准调制，FOC利用多参数(转子电阻、电感)、复杂的坐标变换(多空间)、多时间尺度实现转矩磁链的解耦控制，受限于磁链近似恒定和精确磁场定向的假设。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种异步电机转子磁链与转矩闭环控制方法，本发明通过标准化转矩τ和无功转矩η完整描述转矩和磁链动力学特性，标准化转矩τ相应于有功功率，无功转矩η相应于无功功率。将标准化转矩τ和无功转矩η置于内环控制，将内环控制量统一为快时间尺度且具有相同量纲的τ和η，外环为慢时间尺度的转子磁链和机械转速，并且内环PI调节器输出为电压而不是传统FOC的电流，从而提高了转矩响应速度，实现了高动态、解耦的磁链和转矩控制。

本发明的技术方案为：一种异步电机转子磁链与转矩闭环控制方法，所述的方法包括以下步骤：

S1)、信号采集，实时采集变流器直流侧电压U_dc、异步电机三相定子电流i_sa(k)、i_sb(k)、i_sc(k)和转速ω(k)；

S2)、根据变流器驱动信号S_a，S_b，S_c和直流侧电压U_dc计算三相电压u_sa(k)、u_sb(k)、u_sc(k)；并通过Clark变化得到αβ轴下的电压u_sα(k)、u_sβ(k)和电流i_sα(k)、i_sβ(k)；

S3)、磁链观测，在αβ坐标系中，通过电流模型观测转子磁链，并得到转子磁链的幅值和转子磁链定向角度；并通过电压模型观测αβ坐标系下定子磁链；

S4)、标准化转矩和无功转矩计算，通过定子电流与定子磁链的叉积计算得到标准化转矩τ，并将系数归一化处理，无功转矩η定义为无功功率与角频率之比，通过定子电流与定子磁链的点积计算；

S5)、转速和转子磁链外环控制，将转速ω与给定转速ω^*做差后通过PI调节器输出得到标准化转矩参考值τ^*，将给定转子磁链和观测得到的转子磁链做差后通过PI调节器得到无功转矩参考值η^*；