本發(fā)明涉及一種不依賴速度傳感器、基于定子磁場定向控制技術實現(xiàn)的用于異步電機最大轉(zhuǎn)矩輸出的弱磁控制方法，屬于異步電機變頻調(diào)速技術領域。

背景技術：

用于電動汽車的驅(qū)動電機日趨多樣化，其中的異步電機因價格低廉、可靠性高、易于維護制造、控制技術成熟的特點，目前已在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是大功率應用場合中占據(jù)了重要地位。在實際使用中，用于電動汽車的異步電機恒轉(zhuǎn)矩區(qū)設計得較小，同時要求的調(diào)速范圍又比較寬，所以經(jīng)常會運行于額定轉(zhuǎn)速以上，在有限的直流母線電壓下只有通過弱磁才可以達到。像電動汽車這樣需要頻繁起停、加速、爬坡等的應用場合，異步電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力十分重要。尤其在弱磁情況下，要考慮如燃料電池電動汽車中電池輸出特性較軟導致直流母線波動較大的特點，以確保在任何轉(zhuǎn)速下都能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩。除了電動汽車，許多其他工業(yè)應用場合，比如數(shù)控機床的主軸電機、伺服系統(tǒng)的驅(qū)動電機等，也都要求電機在弱磁區(qū)域運行時能有比較寬的恒功率運行區(qū)域，并具有一定的轉(zhuǎn)矩輸出能力和良好的動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應性能。因此研究異步電機在弱磁區(qū)域的控制策略具有重大的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的定子磁場定向控制技術只與定子電阻有關，在弱磁運行時與電機的飽和程度無關，而且弱磁運行時電機的轉(zhuǎn)速足夠高，可以忽略定子電阻誤差的影響。因此定子磁場定向控制在弱磁區(qū)域?qū)﹄姍C參數(shù)的依賴性更小，能在有限的電壓和電流極限產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，相比于轉(zhuǎn)子磁場定向控制，定子磁場定向控制在弱磁區(qū)域有更好的參數(shù)魯棒性和電機利用效率。定子磁場定向控制采用與轉(zhuǎn)速成反比的弱磁方法時，能得到近似最佳轉(zhuǎn)矩能力，但在極高速下轉(zhuǎn)矩能力有所下降。但是由于與轉(zhuǎn)速成反比的弱磁方法沒有考慮逆變器的電壓極限和電流極限，電機不能獲得最大轉(zhuǎn)矩輸出，而且由于沒有考慮電機的失步轉(zhuǎn)矩，在極高速運行時會出現(xiàn)不穩(wěn)定。雖然可通過電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型計算出最佳磁鏈參考值，從而獲得最大轉(zhuǎn)矩輸出能力，但這需要準確知道電機參數(shù)，失去了定子磁場定向參數(shù)魯棒性，并且在動態(tài)過程中也不能獲得最大轉(zhuǎn)矩輸出。

現(xiàn)在國外有學者提出了一種利用定子電壓閉環(huán)控制器獲得磁鏈參考值，使電機在整個弱磁區(qū)域工作在電壓極限，并能保證電機穩(wěn)定運行在失步轉(zhuǎn)矩工作點的技術。雖然該技術能完全利用電壓和電流的極限值，整個弱磁運行范圍能夠產(chǎn)生最大的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩并具有快速的動態(tài)響應能力，但是這種控制技術需要增加控制環(huán)和控制變量，需要四個PI調(diào)節(jié)器，這樣會使得控制算法變得復雜。

目前，對于無速度傳感器的磁場定向控制技術的研究大部分只是針對額定轉(zhuǎn)速以下，而對于電機在弱磁區(qū)域工作時轉(zhuǎn)速估計方法可能遇到的問題卻研究得比較少。而且在非常高速的情況下，編碼器的脈沖將會失去對稱性，且編碼器輸出的脈沖頻率太高的話，速度傳感器的輸出脈沖頻率可能會超過控制芯片的處理速度，因此在弱磁區(qū)域采用無速度傳感器矢量控制技術在工業(yè)應用中具有重要的意義。而基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制異步電機在弱磁區(qū)域運行時遇到的主要困難是起源于勵磁電感的大范圍變化，而無速度傳感器的定子磁場定向控制對勵磁電感的變化具有比較好的魯棒性。因此異步電機在弱磁區(qū)域運行時，更適合采用無速度傳感器的定子磁場定向控制。進一步地，為了更充分利用逆變器容量，在理想的弱磁區(qū)域工作時，異步電機的控制策略需要同時考慮電壓和電流的極限。對于定子磁場定向控制異步電機還需要考慮失步轉(zhuǎn)矩可能造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

由此可見，不依賴速度傳感器設計出一種基于定子磁場定向控制技術的，可使異步電機以最大轉(zhuǎn)矩輸出的方式穩(wěn)定運行在弱磁區(qū)域的控制方案，是目前急需解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不依賴速度傳感器、基于定子磁場定向控制技術實現(xiàn)的用于異步電機最大轉(zhuǎn)矩輸出的弱磁控制方法，其在考慮相關電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限的基礎上，可使異步電機以最大轉(zhuǎn)矩在整個弱磁區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

一種用于異步電機最大轉(zhuǎn)矩輸出的弱磁控制方法，其特征在于，它包括步驟：

1)令異步電機進入弱磁區(qū)域運行，弱磁區(qū)域劃分為第一弱磁區(qū)域和第二弱磁區(qū)域；

2)當運行在第一弱磁區(qū)域內(nèi)時，將異步電機的定子磁鏈d軸分量控制為定子磁鏈d軸分量第一最佳值以及將異步電機的定子電流q軸分量控制為小于定子電流q軸分量第一極限值，以使異步電機輸出最大轉(zhuǎn)矩；

3)當運行在第二弱磁區(qū)域內(nèi)時，令異步電機一直工作在最大轉(zhuǎn)差率s_m基礎上的同時，將異步電機的定子磁鏈d軸分量控制為定子磁鏈d軸分量第二最佳值以及將異步電機的定子電流q軸分量控制為小于定子電流q軸分量第二極限值，以使異步電機輸出最大轉(zhuǎn)矩；

其中：0至定子磁鏈d軸分量第二最佳值為第二弱磁區(qū)域，定子磁鏈d軸分量第二最佳值至定子磁鏈d軸分量第一最佳值為第一弱磁區(qū)域。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明是一種在整個弱磁區(qū)域內(nèi)，不依賴速度傳感器，基于定子磁場定向控制(矢量控制)技術實現(xiàn)的異步電機控制策略，該控制策略把異步電機整個弱磁區(qū)域劃分為兩個弱磁區(qū)域。異步電機在第一弱磁區(qū)域運行時，只要保證異步電機同時工作在逆變器電壓極限和電流極限下，便可確保異步電機能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩。異步電機在第二弱磁區(qū)域運行時，一方面異步電機一直工作在最大轉(zhuǎn)差率上來保證異步電機穩(wěn)定運行，另一方面為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，異步電機需要同時工作在逆變器電壓極限和電流極限、異步電機轉(zhuǎn)矩極限下。

本發(fā)明使得異步電機在整個弱磁區(qū)域內(nèi)可穩(wěn)定運行，且運行時具有很好的電流控制性能和轉(zhuǎn)矩輸出能力，不會出現(xiàn)因失步轉(zhuǎn)矩造成不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在穩(wěn)態(tài)運行時異步電機的控制性能良好，不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控制性能惡化的現(xiàn)象。

本發(fā)明適用于電動汽車、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等，可大大提高系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性，并且不需要速度傳感器，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施流程圖。

圖2是異步電機的Г型等效電路示意圖。

圖3是定子磁場定向控制下，整個弱磁區(qū)域的劃分說明圖。

圖4是圖3的A部分放大圖。

具體實施方式

本發(fā)明弱磁控制方法適用于異步電機，異步電機與逆變器相連，受逆變器(如電壓型逆變器)控制。如圖1，本發(fā)明用于異步電機最大轉(zhuǎn)矩輸出的弱磁控制方法包括步驟：

1)令異步電機進入弱磁區(qū)域運行，弱磁區(qū)域劃分為第一弱磁區(qū)域和第二弱磁區(qū)域；

2)當異步電機運行在第一弱磁區(qū)域內(nèi)時，將異步電機的定子磁鏈d軸分量控制為定子磁鏈d軸分量第一最佳值以及將異步電機的定子電流q軸分量控制為小于定子電流q軸分量第一極限值，以使異步電機輸出最大轉(zhuǎn)矩(又稱為失步轉(zhuǎn)矩)；

3)當異步電機運行在第二弱磁區(qū)域內(nèi)時，為保證異步電機穩(wěn)定運行，令異步電機一直工作在最大轉(zhuǎn)差率s_m基礎上，同時將異步電機的定子磁鏈d軸分量控制為定子磁鏈d軸分量第二最佳值以及將異步電機的定子電流q軸分量控制為小于定子電流q軸分量第二極限值，以使異步電機輸出最大轉(zhuǎn)矩；

其中：0至定子磁鏈d軸分量第二最佳值為第二弱磁區(qū)域，定子磁鏈d軸分量第二最佳值至定子磁鏈d軸分量第一最佳值為第一弱磁區(qū)域，定子磁鏈d軸分量第二最佳值小于定子磁鏈d軸分量第一最佳值。

在步驟1)中，令異步電機轉(zhuǎn)速增加，隨之同步角速度ω_e增大，當異步電機的反電動勢超過逆變器所能提供的最大電壓時，將異步電機的定子磁鏈值減小到低于設定弱磁邊界值，以使異步電機進入弱磁區(qū)域運行，設定弱磁邊界值即為定子磁鏈d軸分量第一最佳值。

當異步電機在第一弱磁區(qū)域內(nèi)運行時，定子磁鏈d軸分量第一最佳值通過在逆變器電壓極限下的式1)求出，定子電流q軸分量第一極限值通過式2)求出：

式1)中：U_max為定子相電壓極限值；R_s為定子電阻；i_sd、i_sq分別為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電流的d軸分量、q軸分量；ω_e為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的同步角速度(或者說定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度)；

式2)中：I_max為定子線電流的極限值；為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電流的d軸分量指令值。

定子電流的d軸分量指令值通過下述步驟求出：

d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電流d軸分量i_sd、q軸分量i_sq以及定子磁鏈d軸分量估計值輸入解耦器，得到用于消除q軸電流對定子磁鏈產(chǎn)生影響的解耦項i_dq，具體來說，解耦項i_dq通過解耦器公式求出，式中：L_s為定子自感，σ為總漏感系數(shù)；

定子磁鏈d軸分量ψ_sd減去定子磁鏈d軸分量估計值所得結(jié)果輸入磁鏈調(diào)節(jié)器(公知技術)，得到定子電流d軸分量中間值；

解耦項i_dq與定子電流d軸分量中間值相加，得到定子電流的d軸分量指令值

當異步電機在第二弱磁區(qū)域內(nèi)運行時，定子磁鏈d軸分量第二最佳值通過在逆變器電壓極限、異步電機轉(zhuǎn)矩極限下的式3)求出，定子電流q軸分量第二極限值通過式4)求出：

式3)中：U_max為定子相電壓極限值；R_s為定子電阻；L_L為異步電機Г型等效電路中的等效總漏感；ω_e為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的同步角速度；

式4)中：為定子磁鏈d軸分量估計值；L_m為定轉(zhuǎn)子互感；L_s為定子自感；σ為總漏感系數(shù)；L_r為轉(zhuǎn)子自感。

在實際實施時，定子磁鏈d軸分量估計值通過下述步驟求出：

α-β坐標系下的定子電流α軸分量i_sα、β軸分量i_sβ以及定子電壓α軸分量u_sα、β軸分量u_sβ輸入磁鏈觀測器(公知技術)，得到定子磁鏈α軸分量估計值β軸分量估計值

定子磁鏈α軸分量估計值β軸分量估計值代入定子磁鏈坐標變換計算公式(已知公式)，得到定子磁鏈d軸分量估計值

在本發(fā)明中，弱磁區(qū)域的限制條件為：

異步電機在運行時受到異步電機自身或逆變器所允許的最大電壓和最大電流的限制，即定子相電壓極限值U_max和定子線電流極限值I_max應滿足：

式5)中：u_sd、u_sq分別為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電壓d軸分量、q軸分量。

式6)中：i_sd、i_sq分別為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電流的d軸分量、q軸分量。

在本發(fā)明中，電機學中通用的異步電機的T型等效電路可以轉(zhuǎn)換為圖2所示出的Γ型等效電路。其中，U_s和I_s以及R_s的定義在T型等效電路和Γ型等效電路中是一樣的，U_s為定子電壓，I_s為電機定子電流，R_s為電機定子電阻。

Γ型等效電路中的參數(shù)與T型等效電路的參數(shù)關系如下所示：

等效互感L_M：L_M＝L_s

等效總漏感L_L：

等效轉(zhuǎn)子電阻R_R：

等效轉(zhuǎn)子電流I_R：

其中，L_M、L_L、R_R、I_R、I_M、s為Γ型等效電路的等效互感、等效總漏感、等效轉(zhuǎn)子電阻、等效轉(zhuǎn)子電流、等效激磁電流、轉(zhuǎn)差率。L_s、L_m、L_ls、L_lr、R_r、I_r分別為T型等效電路的定子自感、定轉(zhuǎn)子互感、定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電流。

在步驟3)中，根據(jù)異步電機Γ型等效電路，最大轉(zhuǎn)差率s_m通過下式7)求出：

式7)中：ω_e為d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的同步角速度；R_R為異步電機Γ型等效電路中的等效轉(zhuǎn)子電阻，L_L為異步電機Г型等效電路中的等效總漏感。

在本發(fā)明中，根據(jù)異步電機的Г型等效電路，忽略定子電阻壓降，在逆變器電壓極限和電流極限下，如圖3和圖4，圖中給出了如何劃分第一、第二弱磁區(qū)域的說明。

在電壓、電流限制下的最大轉(zhuǎn)矩計算條件為：電壓極限設為347V(直流側(cè)電壓600V)，電流極限設為10.3A(1.5倍額定電流)。

異步電機參數(shù)為：額定功率2.2kW，額定電壓380V，額定電流4.87A，額定轉(zhuǎn)速1430rpm。上述異步電機參數(shù)值通過傳統(tǒng)的空載和堵轉(zhuǎn)實驗得到，另外，定子電阻3.071Ω，轉(zhuǎn)子電阻2.287Ω，互感254.3mH，定子漏感11.23mH，轉(zhuǎn)子漏感12.18mH，總漏感26.10mH，定子磁鏈額定值為0.92Wb。

如圖3、圖4，虛線是異步電機最大轉(zhuǎn)矩曲線，實線是不同定子頻率下的異步電機機械特性曲線(轉(zhuǎn)速標幺值-轉(zhuǎn)矩曲線)。

異步電機最大轉(zhuǎn)矩曲線與某一定子頻率下的異步電機機械特性曲線相切產(chǎn)生切點，異步電機最大轉(zhuǎn)矩曲線與位于切點左側(cè)的異步電機機械特性曲線相交，從開始相交的點到切點所對應的定子磁鏈構成第一弱磁區(qū)域，異步電機最大轉(zhuǎn)矩曲線與位于切點右側(cè)的異步電機機械特性曲線不相交，大于切點所對應的定子磁鏈構成第二弱磁區(qū)域。

由圖3和圖4可知，逆變器電壓、電流極限下的最大轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)速標幺值成反比，而失步轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速標幺值的平方成反比，因此，當速度標幺值上升到某一個值以后，虛線與實線兩者之間將沒有交點。為了保證異步電機穩(wěn)定運行，這時異步電機只能在失步轉(zhuǎn)矩，即最大轉(zhuǎn)差率這一點上工作。因此在本發(fā)明中定義逆變器電壓、電流極限下的最大轉(zhuǎn)矩曲線與失步轉(zhuǎn)矩有交點的弱磁區(qū)域為第一弱磁區(qū)域，而沒有交點的弱磁區(qū)域為第二弱磁區(qū)域。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明為一種不依賴速度傳感器、基于定子磁場定向控制技術實現(xiàn)的用于異步電機最大轉(zhuǎn)矩輸出的弱磁控制方法，其在考慮相關電壓極限、電流極限和轉(zhuǎn)矩極限的基礎上，可使異步電機以最大轉(zhuǎn)矩在整個弱磁區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行。

以上所述是本發(fā)明較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。