1電機定子磁場定向下的弱磁控制方法研究

1、，徽，合肥 230009)(合肥工業(yè)大學電氣與自動化摘要：提出一種基于無速度傳感器矢量控制的異步電機在定子磁場定向下的弱磁控制方法，充分考慮了逆變器的電壓輸出限制、電機本體的電流和轉矩限制，該方法能夠獲得全轉速范圍內的最大轉矩輸出，同時對電機參數的依賴性低。采用定子電壓閉環(huán)控制，調節(jié)器輸出作為定子磁鏈的給定，利用轉矩電流限幅將弱磁區(qū)間劃分為兩部分，從而實現電機在各運行區(qū)間的平滑過渡。通過對電機同步轉速的判斷切換定子磁鏈的估算方法，可完成電機在額定磁鏈條件下的啟動。最后通過實驗驗證了本文所提方法的有效性。：異步電機；無速度傳感器；定子磁場定向；弱磁控制Research on Field Weak

2、ening Method of an Induction Motor with SFlux-Oriented ControlWANG Jianguo, SU Jianhui, LIU Peng(School of Electrical Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)orAbstract:his pr a new field weakening method, which is based on a speed sensorless vector control an

3、d ado ing as or flux oriented scheme, for an induction motor is proed. It fully considers theum output voltage of the inverter, thecurrent constraand the torque constraof the induction motor to obtaaximum torquehe entire field weakening region.Meanwhile the proed method exhibits lower dependency to

4、motor parameters. A s or voltage control loop is ado ed whoseregulator output is set as reference value of the s or flux. Limit of the torque current is used to divide the field weakening regiono two parts and it can realize smooth transition betjudging the synchronous speed of the motor. It helps t

5、on operation regions. Estimation method for the s or flux is changed byplish the startup with the rated s or flux. Finally, experimentalresults prove the effectiveness of the proed method.Keywords: induction motor; sensorless; s or flux-oriented; field weakening control為敏感，該參數的變化會導致磁鏈觀測確，從而影引言響電機的轉矩

6、輸出，降低系統(tǒng)動態(tài)性能9。相比于轉子磁基于磁場定向的異步電機(Induction Motor，IM)矢量場定向，基于定子磁場定向的矢量控制具有更好的參數控制調速系統(tǒng)目前已廣泛應用于電力牽引、數控機床、電動汽車以及飛輪儲能等領域1-4。當采用電壓源逆變器驅動異步電機時，在額定轉速以下，電機磁鏈保持在額魯棒性，并且在相同的電壓和電流限制條件下能產生更大的轉矩10。弱磁控制的關鍵是電機磁鏈的選取，它決定著異步定值；隨著電機轉速的升高，反電動勢不斷增加，由于電機在高速狀態(tài)下能否保持最大轉矩輸出能力。傳統(tǒng)逆變器的輸出電壓有限，需要進行弱磁控制5?！?/r 法”是當電機轉速超過額定值時，按照定子磁鏈與轉速

7、成反比方式減小11，由于未考慮逆變器輸出電壓限異步電機轉子磁場定向下的弱磁控制方法已在諸多文獻中得到體現6-8,然而此類方法對電機總漏感參數較 sd Lsisd LmirdLmirq制，無法正確給出磁鏈指令，電機不能實現最大轉矩輸s出。文獻10,12-13根據電機穩(wěn)態(tài)模型，考慮電機高速運(2) L i L irdr rdm sd行時的電壓、電流和轉矩限制條件，計算出不同弱磁區(qū) rLmisq間輸出最大轉矩對應的磁鏈指令，但是該方法得出的磁Te1.5sd )(3)鏈指令表達式比較復雜，計算量大，易受電機參數變化式中，us 為定子電壓，is、ir 為定、轉子電流，s、r為定、轉子磁鏈，下標 d、q

8、表示電機狀態(tài)在 d-q 坐標系的影響，另外，文獻12-13在求解過程中還存在近似等效，無法真正實現最優(yōu)的磁鏈指令給定。文獻14利用定下的分量，L 、L 為定轉子電感，L 為互感， 為同步srms子電壓閉環(huán)改變磁鏈指令，實現了電機在弱磁區(qū)間的最角頻率，r 為轉子電氣角頻率，p 為微分算子，Te 為電磁轉矩，np 為電機極對數。若規(guī)定 d 軸沿著定子磁鏈 s 的方向，可將式(1)至式(3)改寫成大轉矩輸出，算法的魯棒性較好，但是需要對轉子磁鏈角度差進行額外的控制，使算法變得復雜。異步電機矢量控制系統(tǒng)中，通常采用速度傳感器獲Ls1 ( Ls p Rs T )isd T s Lsslisqusd取電機

9、轉速信息，不但增加了系統(tǒng)成本，同時也會降低rr(4)Lus系統(tǒng)的可靠性。本文提出一種基于無速度傳感器的異步 r s Lsslisds )r電機定子磁場定下向的弱磁控制方法，考慮了電壓、電 Ls (1 Tr流和轉矩等限制條件，實現電機最大轉矩輸出的同時，r i)ssqTpr(5)對電機參數的依賴性小，采用定子電壓閉環(huán)控制，調節(jié)isq Ls (1 Tr p) Tr ( s Lsisd )sl 器輸出作為定子磁鏈指令給定，利用轉矩電流的限幅將Te 1.5npsisq(6)弱磁區(qū)間進行劃分，確保電機在運行區(qū)間內的平滑過渡，另外，本文采用了兩種估算方法，以實現異步電機在靜式中，Tr 為轉子時間常數，Tr

10、=Lr/Rr， 為漏感系數，=1-L 2/(L L )， 為轉差頻率。由式(5)可知，定子電流止和運行兩種狀態(tài)下的定子磁鏈估算。最后在 11kW 實ms rsl驗上對所提方法進行了驗證。d 軸分量(勵磁電流)和 q 軸分量(轉矩電流)之間不能完全解耦，故引入解耦分量 idq，具體表達式為161定子磁場定向的異步電機矢量控制 L i2s sqi(7)dq Li 1.1異步電機數學模型ss sd同步旋轉(d-q)坐標系下，建立三相鼠籠式異步電機的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程分別為151.2 定子磁鏈估算基于電壓模型的定子磁鏈估算可通過對電機反電動 Rsisd p sd s squsd勢的積分獲得，如式

11、(8)所示。 p ussqs sds (us Rsis )dt0 R i p ( )(1)(8)r rdrdsrrq (s r ) rd0 R ir r 純積分環(huán)節(jié)固有的直流偏置和初值問題限制了其在實際系統(tǒng)中的應用，因此需要對磁鏈估算方法進行改進。本文利用一階低通濾波器替代純積分環(huán)節(jié)，并對造成的磁鏈幅值以及相位的偏移進行補償17。改進后的定子磁基于定子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)的失步轉矩表達式為9鏈估算表達式如式(9)所示。j(arctan s )3np (1 ) 22 21sc 2sc(9)(16) (u R i )Tee_o4 Lsss s j sscs式中，c 為截止頻率，通常令 c

12、=ks，0k1，則式(9)可簡化為上式表明異步電機能夠穩(wěn)定輸出的轉矩上限為 Te_o，若超出此界限，電機將無法穩(wěn)定運行。 s s _LPF k s _LPF3電機運行區(qū)間劃分(10) k ss _LPFs _LPF式中，s_LPF 為低通濾波器輸出的定子磁鏈，下標 、3.1恒轉矩區(qū) 表示電機狀態(tài)在(-)坐標系下的分量。利用估算出電機在此區(qū)間運行，由于電機轉速小于額定值，反電動勢小于最大定子電壓 Usmax，此時電機僅工作在電流限制條件下，定子磁鏈和勵磁電流保持在額定值，并根的定子磁鏈可進一步估算出異步電機的同步轉速、磁鏈角及實際轉速，即： (us Rsis ) s (us Rsis )s據式(

13、15)可以得出恒轉矩區(qū)轉矩電流的限幅，如式(17)所(11)s 2s示。由電磁轉矩表達式可知，電機在此區(qū)間內輸出恒定cos s轉矩。s(12) s ssin 22isq_limit0 Ismax isd_rated(17)3.2 弱磁 I 區(qū)隨著電機轉速超過額定值，電機進入弱磁 I 區(qū)，同時工作在電壓和電流限制條件下，始終保持恒定功率輸出，對應的電磁轉矩為最大輸出轉矩1012。此時，轉矩電流 (13)rssl2弱磁運行限制條件為保證異步電機在弱磁區(qū)間實現最大轉矩的穩(wěn)定輸出，需要同時考慮電壓、電流及轉矩限制條件。的限幅為2.1 電壓限制最大定子電壓 Usmax 主要由逆變器的供電電壓 Udc 和

14、脈寬調制策略決定。若采用空間矢量調制策略，Usmax 最大為Udc3 ，則 usd 和 usq 需滿足I 2 i2(18)isq_limit1smaxsd由于電機磁鏈發(fā)生改變導致勵磁電流也發(fā)生了變化，使轉矩電流的限幅不再保持恒定。U 23.3 弱磁 II 區(qū)隨著電機轉速的進一步升高，電機進入弱磁 II 區(qū)，usd usq Us max dc222(14)32.2 電流限制最大定子電流 Ismax 主要由電機繞組所能通過的最大同時工作在電壓和轉矩限制條件下，對應的電磁轉矩為最大輸出轉矩1012。聯立式(6)、式(16)轉矩電流限幅，即弱磁 II 區(qū)的電流決定，本文取電機額定電流流的峰值，則 is

15、d 和 isq 需滿足Is_rated 的2 倍，即相電(1 ) s2 Lsi2 i2 I 2 2I 2(15)isq_limit2 sdsqsmaxs_rated(19)2.3 轉矩限制綜上所述，恒轉矩區(qū)和弱磁 I 區(qū)之間的界限較為明顯，高，耦合占比例較大，將會對系統(tǒng)的控制性能產生利用定子電壓閉環(huán)控制便可實現異步電機從恒轉矩區(qū)平影響，故需要對 d、q 軸的交叉耦合電壓進行解耦，解耦滑過渡到弱磁 I 區(qū)。對于弱磁 I 區(qū)和弱磁 II 區(qū)的劃分，可項表達式為 s u通過對比轉矩電流的限幅來實現，并能保證電機在這兩 L isd_cs ls sqT(21)r個弱磁區(qū)間的平滑過渡，即 L iusq_c

16、r ss ls sd si q_limit2 , 弱磁I區(qū) s(20)i, 弱磁II區(qū)5實驗結果q_limit2顯然，當電機運行在弱磁 II 區(qū)時，不再受電流限制條件約束，隨著電機弱磁程度的進一步加強，轉矩電流為驗證本文弱磁控制方法，搭建了一套全數字的異步電機驅動系統(tǒng)實驗，該的功率器件采的限幅不斷降低，從而使電機的實際工作電流呈現出下用英飛凌的 FP75R12KT3 智能功率模塊，控制器采用 TI降趨勢，故又可稱弱磁 II 區(qū)為降功率區(qū)。另外，當定子磁鏈一定時，電機漏感系數 越小，電機恒定功率輸出的TMS320F28335DSP，設置開關頻率為 10kHz，電流環(huán)控制周期為 100s(即周期)

17、，轉速環(huán)控制周期的范圍越大，反之越小，這與轉子磁場定向下的弱磁控制結論相一致7。為 1ms，定子電壓環(huán)控制周期為 2ms，定子磁鏈環(huán)控制周期為 100s，異步電機參數見表 1。4系統(tǒng)控制方案表 1 異步電機參數列表Tab.1 Parameter list of an induction motorUsusd usq22UdcU2r-usq_c+smaxisq-* r*usqusdi*ussqPIPIPI-1 *uSV*Parks*sisdPIPI+cossinisdsq-+idq解耦計算i -usd_cis issdsU V Wisisdisqisuvws轉差計算定子磁鏈估算u* u*ii C

18、larkParkscossins scossinsr - slIM圖 1系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Control block diagram of the proed system基于無速度傳感器的異步電機定子磁場定下向的弱首先采用本文所提方法對異步電機進行 0-5100r/min磁控制系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)采用了定子電壓閉環(huán)空載階躍啟動實驗。實驗過程中，通常會在狀態(tài)下控制，調節(jié)器輸出為定子磁鏈的給定，當電機轉速超過預先建立起異步電機的額定定子磁鏈，而本文采用的磁額定值時，系統(tǒng)能自動進入弱磁控制，通過減小電機磁鏈估算方法較難在零速或極低轉速條件下準確估算出電鏈使逆變器的輸出電壓維持在 Us

19、max。除此之外，系統(tǒng)還包括了轉速環(huán)、定子磁鏈環(huán)、電流環(huán)及電壓解耦環(huán)節(jié)。機的定子磁鏈，需要借助其它方法來完成電機的預勵磁。由異步電機 - 坐標系下的轉子磁鏈方程15(式(22)可知，由式(4)可知，電機 d、q 軸電壓之間存在交叉耦合，并且當電機處于狀態(tài)時，轉子磁鏈方程可簡化為式(23)含有與電機轉速有關的耦合項，考慮到實際電機轉速較所示的形式。參數數值參數數值額定電壓 Ue/V200額定電流 Ie/A44額定功率 Pe/kW11額定轉速ne/rmin-11500極對數np2轉動慣量 kgm20.028最大轉速nmax/ rmin-15100額定定子磁鏈 se/Wb0.5定子電阻 Rs/0.1

20、8轉子電阻 Rr/0.107定(轉)子電感 Ls(Lr)/mH40互感 Ls/mH39.2Lm T0.6960.5801 p r is T r r r0.4640.3480.2320.1160rr(22)L1Tr p r m is r r rTrLm時間/(1s/格)isr1(c) 定子磁鏈r(23)Lmirs16213510881542701r聯立異步電機 - 坐標系下的磁鏈方程(式(24)，可以得出狀態(tài)下的定子磁鏈估算表達式，如式(25)所示。時間/(1s/格) s Lsis Lmir L i L i(d) 電磁轉矩ss sm r(24) Lrir Lmisr7260483624120 r

21、 Lrir LmisLs Lr L2L sm is m rLrLr(25)2L L LLm 時間/(1s/格)s rmissrLLrr(e) 勵磁電流利用式(23)、(25)可估算出狀態(tài)下的定子磁鏈，7260483624120并將其作為定子磁鏈閉環(huán)控制中的反饋信號，從而可在電機啟動前建立起額定定子磁鏈，并且假定電機同步轉速小于 3rad/s 時，均認為電機處于狀態(tài)。當電機同步時間/(1s/格)轉速升高到 3rad/s 時，再切換至式(9)所示的磁鏈估算方(f) 轉矩電流法。具體實驗結果如圖 2 所示。806040200-20-40-60-80時間/(1s/格)圖 2本文所提方法實驗波形Fig.

22、2 Experimental waveforms of the proed method由圖 2 的實驗結果可以看出，電機在三個運行區(qū)間能夠平滑過渡，并且當電機進入弱磁 II 區(qū)后，相電流幅值不斷減小，與前文的分析結果一致。電機從加速(a) U 相電流至 5100r/min 用時約 1.32s，啟動過程中定子磁鏈和電磁6960580046403480232011600轉矩的波動則是由定子磁鏈在估算過程中切換估算方法給定轉速所導致。另外，勵磁電流解耦分量 idq 的存在，使勵磁電流在電機啟動之后發(fā)生了改變，并且當電機運行至弱磁實際轉速區(qū)間時，勵磁電流主要呈上升趨勢，而轉矩電流隨著轉時間/(1s/

23、格)速的升高不斷減小。(b) 電機轉速電機轉速/(r/min)U相定子電流/A轉矩電流/A電磁轉矩/(N m)勵磁電流/A定子磁鏈/(Wb)為了對比本文弱磁方法與傳統(tǒng)弱磁方法的控渡平滑，對電機參數依賴性小，易于實現，另外，由于制性能，在實驗條件不變的前提下，進行了傳統(tǒng)弱磁方采用了無速度傳感器的矢量控制方式，系統(tǒng)的可靠性得法控制下的異步電機空載階躍啟動實驗，相應的實驗結到了。果如圖 3 所示。從圖中可以看出傳統(tǒng)弱磁方法控制下，參考文獻電機的實際定子磁鏈小于本文所提方法得出的磁鏈值，1，等轉子電阻變化對電力牽引感應電無法實現電機的最大轉矩輸出，并最終影響電機轉速的機起動轉矩的影響J電工技術學報，2

24、011，26(6)：12-17響應過程。Chen Zhenfeng, Zhong Yanru, Li Jie, et alInfluence of rotor6960580046403480232011600給定轉速variation on starting torque of induction motors inelectric tractionJTranions of China Electrotechnical Society，實際轉速2011，26(6)：12-17(in Chi)時間/(1s/格)2，曾岳南，陳主軸驅動用異步電機的弱磁控制算(a)電機轉速法研究J組合機床與自動化加工

25、技術，2014(4)：94-960.6960.5800.4640.3480.2320.1160Deng Xinjin, Zeng Yuenan, Chen KangA flux weakeningcontrol for induction motor for spindle driveJModule MachineTool & Automation Manufacturing Technique，2014(4)：94-96(in時間/(1s/格)Chi)(b)定子磁鏈3Liu, Zhao Jin, Wang Rui, et alPerformance improvement of1621351

26、088154270induction motor current controllers in field-weakening region forelectric vehiclesJIEEE Tranions oner Electronics，2013，28(5)：2468-24824，寶，等艦船綜合電力系統(tǒng)飛輪儲能控制時間/(1s/格)(c)電磁轉矩器設計J中國電機工程學報，2015，35(12)：2952-2959圖 3 傳統(tǒng)方法實驗波形Ji Feng，Fu Lijun，Wang Gongbao，et alController design ofFig.3 Experimental wa

27、veforms of the conventional methodflywheel energy storage for veegrateder systemsJProceedings of the CSEE，2015，35(12)：2952-2959(in6結論Chi)本文主要研究了異步電機在定子磁場定向下的弱磁5，陸城，等弱磁運行下異步電調速系統(tǒng)的轉控制方法。該方法采用定子電壓閉環(huán)控制，調節(jié)器輸出矩及功率特性J學報(自然科學版)，2011，51(7)：為定子磁鏈指令，考慮了逆變器的輸出電壓限制、電機873-878自身的電流和轉矩限制條件，并利用轉矩電流限幅把弱Geng, Zheng We

28、i, Lu Cheng, et alTorque ander磁區(qū)間劃分為兩個區(qū)間，與傳統(tǒng)弱磁控制方法相比，本characteristics of induction motor drive in flux weakening region文所提方法能夠獲得最大轉矩輸出，各運行區(qū)間電流過電機轉速/(r/min)定子磁鏈/(Wb)電磁轉矩/(N m)JTsinghua Univ(Sci & Tech)，2011，51(7)：873-878(in Chi)field-oriented control for low cost induction motor drives with wide6，實現感

29、應電機寬范圍最大轉矩控制的電field weakening rangeC/Proceedings of IEEE IAS AnnualMeeting，2008(1)：1-7流優(yōu)化策略J中國電機工程學報，2012，32(3)：67-74Zhao Yun, Liu, Li YesongImplemen ion of current14 H. Abu-Rub, H. Sirgel, J. Holtz Sensorless control ofo imizing strategy forum torque control of inductioninduction motors forum stead

30、y-s e torque and fastmachines over a wide speed rangeJProceedings of the CSEE，dynamics at field weakeningC/Proceedings of IEEE IAS AnnualMeeting，2006：96-1032012，32(3)：67-74(in Chi)7-Yi Lin, Yen-Shin LaiNovel voltage trajectory control for15無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的若干問題研究D華field-weakening operation of induction

31、motor drivesJIEEE技大學博士，2006Tranions on Industry Applications，2011，47(1)：122-127Chao ZeyunResearch on Some Ies of Speed Sensorless Vector8Saroj Kumar Sahoo, Tanmoy BhattacharyaField weakeningControlled SystemDPhD Disser ion of Huazhong Universitystrategy for a vector-controlled induction motor drive

32、near theof Science & Technology，2006(in Chi)six-step mode of operationJIEEE Tranions oner16銀，基于 d 軸電流直接求解的異步電機定Electronics，2016，31(4)：3043-3051子磁場定向控制J中國電機工程學報，2006，26(20)：144-1489Xu Xingyi, R. D. Doncker, D. W. NovotnySor flux orienionZhao Kuiyin, Wang Chao, Xun DayongS or flux orientedcontrol of induction machines in the field weakening region Ccontrol for induction motor drives based on direct solution of d-axis/Proceedings of IEEE IAS Annual Meeting，1988(1)：437