一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于Buck‑Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法。其步骤为：根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，经基于PI‑IP控制的矢量控制算法获得异步电机的给定电压，并以该给定电压作为Buck‑Boost矩阵变换器(BBMC)的参考输出电压；再以BBMC中电容电压与电感电流作为系统控制变量，经有限时间控制算法得到BBMC中对应功率开关的占空比；再根据该占空比及相应的开关周期输出控制信号控制BBMC中对应功率开关的开通时间，由此可在BBMC输出端获得与其参考输出一致的输出电压，从而实现异步电机实际转速对其给定转速的准确跟踪，达到对异步电机转速进行准确控制的目的。本发明专利技术具有控制精度高、鲁棒性强、跟踪误差小、动态性能好、抗干扰能力强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法
本专利技术涉及异步电机控制领域，特别涉及一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法。
技术介绍
Buck-Boost矩阵变换器是一种具有简单拓扑结构和一系列理想电气特性的“绿色”变频器，适合应用于异步电机的变频调速系统中。目前在有关Buck-Boost矩阵变换器应用于异步电机调速系统的控制方法方面，专利技术专利“一种异步电机矢量控制装置及方法”(申请号：201310460536.7)提出了一种基于PID控制的双闭环控制方法，该控制方法虽可实现异步电机的一般调速控制，但存在稳态调速控制精度及动态性能不高的问题，难以满足高性能调速系统的控制要求。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：(1)根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，得到相应的转速偏差；(2)根据异步电机的转速偏差，经PI-IP控制算法处理后，得到异步电机的参考转矩；(3)根据异步电机的参考转矩，采用矢量控制算法处理得到异步电机的给定电压uref；(4)将步骤(3)中获得的异步电机给定电压作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压，以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流作为系统控制变量，建立Buck-Boost矩阵变换器的状态微分方程；(5)根据异步电机定子单相绕组等效电路，建立异步电机定子单相绕组的状态微分方程；(6)根据Buck-Boost矩阵变换器和异步电机定子单相绕组的状态微分方程，得到系统的动态方程；(7)根据系统的动态方程设计系统的控制函数；(8)根据系统动态方程和控制函数，得到Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关的占空比；(9)根据步骤(8)中获得的Buck-Boost矩阵变换器中功率开关的占空比，对Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关进行控制，在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输出电压一致的输出电压，实现异步电机实际转速对给定转速的准确跟踪。本专利技术的有益效果在于：本专利技术根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，经基于PI-IP控制的矢量控制算法获得异步电机的给定电压，并以该给定电压作为BBMC的参考输出电压；再以BBMC中电容电压与电感电流作为系统控制变量，经有限时间控制算法得到BBMC中对应功率开关的占空比；再根据该占空比及相应的开关周期输出控制信号控制BBMC中对应功率开关的开通时间，由此可在BBMC输出端获得与其参考输出电压一致的输出电压。本专利技术可实现异步电机给定转速的准确跟踪，达到对异步电机转速的准确控制。附图说明图1为本专利技术中BBMC的主电路拓扑结构图。图2为本专利技术的流程图。图3为本专利技术基于PI-IP控制的转速控制外环的原理框图。图4为本专利技术中BBMC有限时间控制算法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，图1为本专利技术BBMC的主电路拓扑结构图。BBMC包括整流级和逆变级两部分，其整流级为一个三相PWM整流电路，它将三相交流整流成PWM调制的直流电压；而逆变级则为一个三相Buck-Boost逆变器，它由三个结构相同的Buck-BoostDC/DC变换器构成。鉴于BBMC的输出电压主要取决于对Buck-Boost逆变器进行控制，因而在针对三相Buck-Boost逆变器的控制中将针对每相Buck-BoostDC/DC变换器构建一个单独的控制单元，并以每个控制单元中电容电压与电感电流为系统控制变量，且针对这两个系统控制变量采用有限时间控制算法进行控制，从而使BBMC的实际输出电压与其参考输出电压保持一致。如图2所示，图2为本专利技术的流程图，本专利技术的控制过程如下：(1)根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，得到相应的转速偏差；(2)根据异步电机的转速偏差，经PI-IP控制算法处理后，得到异步电机的参考转矩；(3)根据异步电机的参考转矩，采用矢量控制算法处理得到异步电机的给定电压uref；(4)将步骤(3)中获得的异步电机给定电压作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压，以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流作为系统控制变量，建立Buck-Boost矩阵变换器的状态微分方程；(5)根据异步电机定子单相绕组等效电路，建立异步电机定子单相绕组的状态微分方程；(6)根据Buck-Boost矩阵变换器和异步电机定子单相绕组的状态微分方程，得到系统的动态方程；(7)根据系统的动态方程设计系统的控制函数；(8)根据系统动态方程和控制函数，得到Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关的占空比；(9)根据步骤(8)中获得的Buck-Boost矩阵变换器中功率开关的占空比，对Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关进行控制，在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输出电压一致的输出电压，实现异步电机实际转速对给定转速的准确跟踪。如图3所示，为本专利技术中基于PI-IP控制的转速控制外环原理框图。本专利技术针对异步电机采用基于PI-IP控制的矢量控制方法进行控制，包括基于PI-IP控制的转速控制外环和基于矢量控制的转矩控制内环，其中转速控制外环所采用的PI-IP控制算法具体为：1)根据异步电机的给定转速n*，同时检测其实际转速n，得到相应的转速偏差，如式(1)所示：e＝n*-n(1)2)根据式(1)所得转速偏差e，经PI-IP控制算法处理后，得到异步电机参考转矩的增量式表达式，具体步骤如下：a)根据异步电机的给定转速n*及其实际转速n，以及相应的转速偏差e，由PI-IP控制算法，得到相应的时域表达式为：b)将式(2)用增量式表示，如式(3)所示：式中：kpi、ki、kip为控制参数，可采用工程试凑法或优化算法得到。3)以式(3)所得参考转矩作为电机转矩控制内环的参考转矩，并针对转矩控制内环采用矢量控制算法进行控制，从而使电机实际转矩与该参考转矩保持一致，并由此获得电机相应的输入给定电压，并以该给定电压作为BBMC的参考输出电压。如图4所示，为本专利技术BBMC有限时间控制算法流程图。在该控制算法中，以BBMC中电容电压与电感电流作为系统控制变量，经有限时间控制算法得到BBMC中对应功率开关的占空比，再根据该占空比对BBMC中对应功率开关实施控制，由此可实现BBMC实际输出电压对其参考输出电压的准确跟踪。具体包括如下步骤：1)建立BBMC的状态微分方程。a)假设BBMC中所有电路元器件均为理想器件，输入电源为理想电源；所述电路元器件包括：功率开关管、二极管、电感及电容。b)根据BBMC中功率开关分别处于导通和关断两种状态并根据基尔霍夫定律，建立BBMC的状态微分方程，如式(4)所示：式中：uD为BBMC直流侧电压，uC为电容电压，iL为电感电流，i1为BBMC的输出电流，L和C分别为BBMC逆变级电感参数和电容参数，d为BBMC逆变级中功率开关的占空比，d∈[0,1]。2)建立异步电机定子单相绕组等效电路的状态微分方程，如式(5)所示：式中：uDZ为异步电机三相定子绕组公共端电压，R和L1分别为异步电机定子单相绕组的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Buck‑Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，得到相应的转速偏差；(2)根据异步电机的转速偏差，经PI‑IP控制算法处理后，得到异步电机的参考转矩；(3)根据异步电机的参考转矩，采用矢量控制算法处理得到异步电机的给定电压；(4)将步骤(3)中获得的异步电机给定电压作为Buck‑Boost矩阵变换器的参考输出电压，以Buck‑Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流作为系统控制变量，建立Buck‑Boost矩阵变换器的状态微分方程；(5)根据异步电机定子单相绕组等效电路，建立异步电机定子单相绕组的状态微分方程；(6)根据Buck‑Boost矩阵变换器和异步电机定子单相绕组的状态微分方程，得到系统的动态方程；(7)根据系统的动态方程设计系统的控制函数；(8)根据系统动态方程和控制函数，得到Buck‑Boost矩阵变换器中对应功率开关的占空比；(9)根据步骤(8)中获得的Buck‑Boost矩阵变换器中功率开关的占空比，对Buck‑Boost矩阵变换器中对应功率开关进行控制，在Buck‑Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输出电压一致的输出电压，实现异步电机实际转速对给定转速的准确跟踪。...

【技术特征摘要】
1.一种基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据异步电机的给定转速，同时检测其实际转速，得到相应的转速偏差；(2)根据异步电机的转速偏差，经PI-IP控制算法处理后，得到异步电机的参考转矩；(3)根据异步电机的参考转矩，采用矢量控制算法处理得到异步电机的给定电压；(4)将步骤(3)中获得的异步电机给定电压作为Buck-Boost矩阵变换器的参考输出电压，以Buck-Boost矩阵变换器中电容电压与电感电流作为系统控制变量，建立Buck-Boost矩阵变换器的状态微分方程；(5)根据异步电机定子单相绕组等效电路，建立异步电机定子单相绕组的状态微分方程；(6)根据Buck-Boost矩阵变换器和异步电机定子单相绕组的状态微分方程，得到系统的动态方程；(7)根据系统的动态方程设计系统的控制函数；(8)根据系统动态方程和控制函数，得到Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关的占空比；(9)根据步骤(8)中获得的Buck-Boost矩阵变换器中功率开关的占空比，对Buck-Boost矩阵变换器中对应功率开关进行控制，在Buck-Boost矩阵变换器输出端获得与其参考输出电压一致的输出电压，实现异步电机实际转速对给定转速的准确跟踪。2.根据权利要求1所述的基于Buck-Boost矩阵变换器的异步电机调速系统控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中Buck-Boost矩阵变换器的状态微分方程如下：式中：uD为Buck-Boost矩阵变换器直流侧电压，uC为电容电压，iL为电感电流，i1为Buck-Boost矩阵变换器输出电流，L和C分别为Buck-Boost矩阵变换器逆变级电感...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小平，刘继，张瑞瑞，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43