基于磁场饱和的非线性电机模型的异步电机优化励磁控制方法技术

基于饱和非线性电机模型异步电机优化励磁方法属于异步电机励磁调速技术领域，其特征在于：它是一种优化定子励磁电流的调整转子磁链的励磁调速方法，是在ＭＴ坐标系上通过对异步电机磁场进行有限元分析得到电机磁场饱和对电机参数的影响，在求解非线性方程后得到不同电流下定转子磁链。对此磁链表优化后可得到优化励磁表和对应于不同转速的最大转矩表。故此采用ＰＩ控制方法在给定转速下的最大转矩的条件下，在定子总电流一定下用查表得到的优化励磁电流和由此得到的转矩电流作参考值，和实际的励磁、转矩电流进行比较，再分别用ＰＩ调节和电压解耦方法得到最终给定的ＭＴ坐标系下的定子电压去控制逆变器。它通过优化励磁可以在总电流一定下提高电机的输出转矩。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
基于磁场饱和非线性电机模型异步电机优化励磁控制方法
基于磁场饱和非线性电机模型异步电机优化励磁方法属于异步电机转速的励磁控制

技术介绍
随着电力电子技术和计算机技术的发展，交流电气传动正逐步取代直流传动成为电气传动的主要潮流。交流电机中尤以异步电机应用最广。其优点在于成本低廉、结构简单、可靠性高、维护方便、转动惯量小、效率高、额定容量大等。但是交流电机特别是异步电机属于多变量、强耦合系统，控制系统很复杂且难于做到高性能的调速，往往要借助各种检测仪器来参与控制，增加了系统的复杂程度和成本，降低了系统的可靠性。目前异步电机的调速方法可分为：1.调频调压控制。这种方法实现简单，广泛应用于对调速性能要求不高的场合，缺点是带载能力差，动态响应慢，低速时性能更差。2.磁场定向矢量控制。这种方法将异步电机的励磁电流和转矩电流分量解耦，达到类似他励直流电机的控制性能。这种方法可以大大提高异步机调速的性能，是目前高性能交流调速系统中应用较多的控制方法。缺点是需要检测电机转子的磁场方向，而且控制结果容易受电机参数变化的影响。3.直接转矩控制。由于采用直接反馈的砰—砰控制方式从而省去了坐标变换，简化了控制结构，避免了电机参数变化的影响。缺点是引入低速转矩脉动，限制了调速范围，降低了调速性能。磁场定向矢量控制的异步电机是目前应用较广的高性能调速系统。通常的控制策略是保持励磁电流不变，通过改变转矩电流来控制电机的转矩，这时电机工作在稳定的磁路饱和点，电机的各种电感系数可以视为常数。但是在电力机车、电动汽车、提升机械等牵引负载场合，要求电机的最大转矩比额定转矩尽可能大，使驱动系统具有灵活的转矩控制能力。改变励磁电流将有助于这一目标的实现。但这时电机主磁路饱和程度将改变，电感参数不再是常数，必须采用新的电机数学模型和控制策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是建立适用于磁场定向控制下考虑磁场饱和的电机模型并可以实现优化励磁控制的异步电机控制方法。它不仅克服了传统模型线性化的缺点，而且在较大的运行范围内真实反映了电机的实际情况，优化励磁控制的异步电机较传统矢量控制方法在供给电机的电源最大电流一定时，可以提高异步电机的输出转矩。在电动机起动，加速等运行工况下能更好的实现转矩灵活控制。本专利技术的技术方案是：-->1.采用考虑电机磁路饱和的电机数学模型来计算电机的性能。本专利技术通过对异步电机磁场进行有限元分析，可以得到电机磁场饱和对电机参数的影响。根据电机的结构数据用AUTOCAD生成电机端部横截面图，然后将横截面进行剖分，得到剖分图，生成系数矩阵，用N—R迭代和高斯消去法求解非线性方程组得到不同定子MT轴电流下各点的磁位，根据磁位计算电机的磁密分布以及各个绕组的磁链，最后经过多相或三相到两相的变换得到定转子M、T轴的磁链。经过对不同M，T轴电流下电机磁链的分析计算，可以得到一个离散励磁表，实际应用中对这个表进行插值就可以得到任意电流下的磁链。由于异步电机是多变量强耦合的系统，在三相坐标系下电机模型中的电感是时变量，随转子位置角而变化，给电机分析和求解带来很多困难。通常采用坐标变换的方式将时变量变为常量。坐标变换的原则是在不同坐标系下电机模型所产生的磁动势完全一致，而变换的目的是将交流电机的物理模型等效为类似直流电机的模式从而简化电机的分析和求解。交流电机的物理模型和等效直流机模型如图1所示。图中A、B、C分别表示电机的三相，通过将三相的变量向旋转的MT坐标系投影可以得到电机在MT轴上的模型。由于MT轴是以电机同步转速旋转的，则在MT轴下交流电机的时变参数转化为线性变量，将交流电机模型等效为直流机模型，从而得到简化的模型方程。设ω1是同步转速，F为三相电流产生的合成磁动势。θ为M轴和定子A轴的夹角。则经过坐标变换，考虑磁路饱和影响的电机数学模型如下：对于异步电机，(1)式为以电流为状态变量的电机动态方程。方程反映的是电机定转子电流和电压以及磁链之间的微分关系。其中：p表示对时间进行微分的微分算符；iMs，iTs，iMr，iTr分别为定转子的M，T轴电流。fMs，fTs，fTr，fMr分别为定转子的M，T轴磁链。有限元计算的主要目的就是计算这些磁链。uMs，uTs为定子的M，T轴电压。Rs，Rr为定转子电阻。ω1，ω2为定转子电流频率。-->Jdωrdt=Te-Tl---(2)]]>(2)式为电机运动方程。其中Tl是负载转矩，ωr是转子机械角速度，Te为电磁转矩，J为电机和负载的转动惯量。2.在这个模型的基础上，提出优化励磁控制方法。这里采用的电机控制方法为间接转子磁场定向矢量控制。磁场定向矢量控制是将空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，将电机定子电流矢量正交分解为与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，通过对这两个分量的分别控制，使交流电机能象他励直流电机一样具有良好的控制性能。在间接转子磁场定向矢量控制系统中，取转子磁场方向为转子M轴的基准方向。则与之垂直的T轴转子磁链ψTr＝0且磁链的微分pψTr＝0以及ψTrω2＝0，则励磁电流iMs和转矩电流iTs的给定决定了异步电机的输出转矩Te。如下式所示：Te=32npiTsKsψr---(3)]]>(3)式表示电机的输出转矩由转矩电流iTs和转子磁链ψr决定。其中np为电机极对数，Ks=Lr/Lm]]>，Lm和Lr是转子的互感和自感。在考虑磁场饱和的条件下转子磁链ψr由下式决定：ψr-fMr(iMs,--pψrRr)=0---(4)]]>fMr为表征磁路饱和的非线性函数，Rr为转子电阻。上式表明转子磁链仅由定子励磁电流iMs所决定，即根据上式由已知iMs就可以求得转子磁链ψr。ωs=RriTsKsψr---(5)]]>上式为滑差频率ωs在间接转子磁场定向控制系统中的表达式。逆变器控制的异步电机的总电流和定子端电压受逆变器的性能限制。其限制条件为：is=iMs2+iTs2≤ismax]]>其中is、us为定子电流和端电压，ismax、usmax为逆变器us=uMs2+uTs2≤usmax]]>供电下的最大可能电流和电压，其值取决于逆变器所用元件的性能参数。本控制方法通过调整电机的转子磁链，使得在一定的总电流限制下电机能够输出最大的转矩。从公式(3)中可以看到转矩与转距电流和转子磁链之积成正比。则在总电流大小一定的条件下，以转距电流或是励磁电流为变量对式(3)进行寻优计算可以得到如图2所示的结果：图2中ismax为定子电流的最大限幅值。从图2中计算结果可以得到不同电机总电流下最大转距对应的励磁电流，从而得到优化励磁表(见表1)。反过来也可以从表中根据要求的电磁转矩得到最小总电流对应的励磁电流大小。-->由前面的电机方程(1)可以推导得到下式：uMs=RsiMs-(ωr+ωs)fTs(iTs,iTs/Ks)]]>可以看到转速对MT轴电压有影响。uTs＝RsiTs+(ωr+ωs)fMs(iMs，0)则根据电压电流限制条件可以计算得到在不同转速下电机在一定电流和电压限制下的最大转矩表(见表2)。上述两表的具体的计算过程见后面所附的流程图。本专利技术的特征在于：它是在总线控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于饱和非线性电机模型异步电机优化励磁控制方法，它采用了磁场定向矢量控制中把异步电机的励磁电流和转矩电流分量解耦的方法，同时也采用了下述考虑磁路饱和的电机数学模型来计算电机的相应参数：＊＊＊其中：ｐ表示对时间进行微分的微分算符； ｉ↓［Ｍｓ］，ｉ↓［Ｔｓ］分别为定子的Ｍ，Ｔ轴电流；ｉ↓［Ｍｒ］，ｉ↓［Ｔｒ］分别为转子的Ｍ，Ｔ轴电流；ｆ↓［Ｍｓ］，ｆ↓［Ｔｓ］分别为定子的Ｍ，Ｔ轴磁链；ｆ↓［Ｔｒ］，ｆ↓［Ｍｒ］分别为转子的Ｍ，Ｔ轴磁链；ｕ↓［Ｍｓ］ ，ｕ↓［Ｔｓ］为定子的Ｍ，Ｔ轴电压；Ｒ↓［ｓ］为定子电阻，Ｒ↓［ｒ］为转子电阻；ω↓［１］为定子电流频率，ω↓［２］为转子电流频率；Ｍ，Ｔ轴是以电机同步转速旋转的旋转坐标系；其特征在于：它是在总线控制式的由单片机、采样板和逆 变器构成的异步电机优化励磁控制系统中，改变励磁电流来实现定子总电流一定下电磁输出转矩最大和在转矩输出一定下总电流最小的优化励磁性能的磁场定向矢量控制方法，它依次含有如下步骤：（１）在坐标变换后要求电机模型所产生的磁动势完全一致的条件下， 把电机Ａ、Ｂ、Ｃ三相的变量投影到以电机的同步转速旋转的ＭＴ坐标系上得到在ＭＴ坐标系上的考虑磁场饱和影响的电机模型以便在ＭＴ坐标系下把交流电机的时变参数转化为线性变量，把交流电机模型等效为简化的直流电解模型；（２）输入：（２．１）不同 转速下的最大转矩表；（２．２）与输出一定转矩的最小总电流对应的优化励磁电流表；（２．３）由以下数据项构成的磁链表：ｉ↓［Ｍｓ］为定子Ｍ轴电流，ｉ↓［Ｍｒ］为转子Ｍ轴电流；ｉ↓［Ｔｓ］为定子Ｔ轴电流，ｉ↓［Ｔｒ］为转子Ｔ轴电流 ；Ψ↓［ＴＳ］为定子Ｔ轴磁链，Ψ↓［Ｔｒ］为转子Ｔ轴磁链；Ψ↓［ＭＳ］为定子Ｍ轴磁链，Ψ↓［Ｍｒ］为转子Ｍ轴磁链；定子Ａ、Ｂ、Ｃ三相磁链：Ψ↓［Ａ］，Ψ↓［Ｂ］，Ψ↓［Ｃ］；（３）根据给定角速度ω↑［＊］和实测角速度ω↓［ｒ ］经过转速ＰＩ调节器得到转矩给定值Ｔｅ↑［＊］：Ｔ↓［ｅ］↑［＊］＝（ｋ↓［ｐ］＋ｋ↓［ｑ］／ｓ）（ω↑［＊］－ω↓［ｒ］）其中ｋｐ为比例常数，ｋｑ为积分常数；（４）把Ｔｅ↑［＊］与根据转子实测转速而得到的最大转矩Ｔｅｍａｘ比较：若 ：Ｔｅ↑［＊］≥Ｔｅｍａｘ，则取Ｔｅ↑［＊］＝Ｔｅｍａｘ；若：Ｔｅ↑［＊］＜Ｔｅｍａｘ，则取Ｔｅ↑［＊］＝Ｔｅ↑［＊］；（５）...

【技术特征摘要】
1.基于饱和非线性电机模型异步电机优化励磁控制方法，它采用了磁场定向矢量控制中把异步电机的励磁电流和转矩电流分量解耦的方法，同时也采用了下述考虑磁路饱和的电机数学模型来计算电机的相应参数：其中：p表示对时间进行微分的微分算符；iMs，iTs分别为定子的M，T轴电流；iMr，iTr分别为转子的M，T轴电流；fMs，fTs分别为定子的M，T轴磁链；fTr，fMr分别为转子的M，T轴磁链；uMs，uTs为定子的M，T轴电压；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻；ω1为定子电流频率，ω2为转子电流频率；M，T轴是以电机同步转速旋转的旋转坐标系；其特征在于：它是在总线控制式的由单片机、采样板和逆变器构成的异步电机优化励磁控制系统中，改变励磁电流来实现定子总电流一定下电磁输出转矩最大和在转矩输出一定下总电流最小的优化励磁性能的磁场定向矢量控制方法，它依次含有如下步骤：(1)在坐标变换后要求电机模型所产生的磁动势完全一致的条件下，把电机A、B、C三相的变量投影到以电机的同步转速旋转的MT坐标系上得到在MT坐标系上的考虑磁场饱和影响的电机模型以便在MT坐标系下把交流电机的时变参数转化为线性变量，把交流电机模型等效为简化的直流电解模型；(2)输入：(2.1)  不同转速下的最大转矩表；(2.2)  与输出一定转矩的最小总电流对应的优化励磁电流表；(2.3)  由以下数据项构成的磁链表：iMs为定子M轴电流，iMr为转子M轴电流；iTs为定子T轴电流，iTr为转子T轴电流；ψTS为定子T轴磁链，ψTr为转子T轴磁链；ψMS为定子M轴磁链，ψMr为转子M轴磁链；定子A、B、C三相磁链：ψA，ψB，ψC；(3)根据给定角速度ω*和实测角速度ωr经过转速PI调节器得到转矩给定值Te*：Te*=(kP+kqS)(ω*-ωr)]]>其中kp为比例常数，kq为积分常数；(4)把Te*与根据转子实测转速而得到的最大转矩Temax比较：若：Te*≥Temax，则取Te*＝Temax；若：Te*＜Temax，则取Te*＝Te*；(5)根据转子实测转速和Te*从优化励磁电流表查得iMs，再由iMs从磁链表查得转子磁链ψr；(6)根据Te*、ψr从下式得到iTs：Te*=32npiTsKsψrnp]]>：电机极对数，Ks=Lr/Lm]]>：Lm：转子互感Lr：转子自感；(7)判断读入得三相定子电流大小是否在合理的范围内，若超过限幅值，则取限幅值为读入电流值；(8)根据下式计算滑差角频率ωs和转子磁场位置角θ1：ωs=RriTsKsψr]]>，再对转子磁场角速度即转子电流角频率ωl＝ωs+ωr积分得到转子磁场位置角θ1；(9)把定子相电流变成MT坐标系下的电流iMs、iTs：iMiT=23cosθ1cos(θ1-2π3)cos(θ1+2π3)-sinθ1-sin(θ1-2π3)-sin(θ1+2π3)isaisbisc;]]>(10)根据下式把定子上给定的iMs*、iTs*与实际测得的电流iMs、iTs分别进行比较后，把差值各自通过励磁电流PI调节器、转矩电流PI调节器并经过电压解耦补偿得到定子MT轴的电压给定值uMs*、uTs*：u^Ms=LmMpim-ω1ψTs]]>LmM=∂fMs∂iMr]]>M轴补偿电压u^Ts=LMTpim+ω1ψMs]]>LMT=∂fTs∂im]]>T轴补偿电压im＝iMr+iMs励磁电流PI调节器为：uM=(kdm+klmS)(iMS*-iMS),]]>转矩电流PI调节器为：uT=(kdT+klTS)(iTS*-iTS),]]>则MT轴给定电压为：uMs*=uM+u^Ms]]>uTs*=uT+u^Ts;]]>(11)再经过2/3变换得到定子三相电压给定值并送入脉宽调制器PWM产生逆变器所需的六路脉冲；(12)结束。2.根据权利要求1所述的基于饱和非线性电机模型异步电机优化励磁控制方法，其特征在于：所述的磁链表是在假设圆柱形电机沿轴线方向磁场分布均匀且忽视转子导条的集肤效应和铁心的磁滞涡流效应的条件下，把电机的空间电磁场简化为二维平面场，应用有限元单元法在不同的M，T轴电流下计算电机的电磁场和各绕组的磁链而得到的，它依次含有如下步骤：(1)取与电机轴相垂直的横截面作为被分析的二维平面恒定非线性电磁场，对包括定子和转子在内的径向对称的扇形区进行剖分；(2)对求解区域每个剖分出的三角形单元用下述电磁场方程来求解三角形单元各顶点上的矢量磁位A：(3)通过对各个三角形单元列写上述电磁场方程，把所有方程合成一个总的矩阵方程进行求解从而得到各三角形剖分单...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱东起，姜新建，宇文博，许德伟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]