弱磁過程異步電機間接轉(zhuǎn)子磁場定向研究

1、弱磁過程異步電機間接轉(zhuǎn)子磁場定向研究劉洋 趙金華中科技大學摘要：詳細分析了異步電機弱磁過程參數(shù)變化對間接轉(zhuǎn)子磁場定向的影響，并且給出了校正方法，以實現(xiàn)準確定向提高系統(tǒng)性能。為了保證異步電機響應的快速性和運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，通常采用間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略，基速以下運行時，轉(zhuǎn)子磁場保持恒定，從而互感基本保持不變，鐵耗也可以忽略，但基速以上時，由于需要進行弱磁控制，互感不再保持恒定，而是非線性變化，并且隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，鐵耗也必須考慮。最后，給出了依據(jù)本方案設計的主軸驅(qū)動器的試驗結(jié)果。結(jié)果證明了本方案是可行的，系統(tǒng)性能也達到了預期目標。關鍵詞：異步電機 弱磁 間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制 互感 鐵耗Resea

2、rch of Indirect Rotor Field Oriented Control in the Field-weakening RegionLiu Yang Zhao JinAbstract: This paper explain the difference of IRFO (indirect rotor field oriented) between field-weakening region and below base speed region. And a set of method to realize exactly field oriented is given. I

3、n the below base speed region, magnetizing induction is almost constant and iron losses is neglect. But in the filed-weakening region magnetizing induction is varied. Moreover, iron losses have to be considered. Finally, the paper gives the experiment result.Keywords:induction machine field-weakenin

4、g indirect rotor field oriented magnetizing induction iron losses1 引言高性能異步電機驅(qū)動具有以下幾個特點1：高精度穩(wěn)速運行、快速的轉(zhuǎn)矩響應以及準停功能，為了滿足這些指標要求，磁場定向控制技術仍然是最好的控制方法，而間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制則是其中最利于實時實現(xiàn)的控制方案2。但是間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制對電機參數(shù)有依賴，尤其是互感和轉(zhuǎn)子電阻，電機在基速以下運行時，磁場保持恒定，互感基本保持不變，但在弱磁區(qū)間，電機互感呈非線性變化，并且隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，磁場電流越來越小，鐵耗也不能再忽略，因此在弱磁區(qū)間，為了實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)子磁場定向，對于

5、互感的變化和電機鐵耗必須考慮。2 全數(shù)字間接矢量控制系統(tǒng)簡介圖1是雙閉環(huán)間接矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。所謂全數(shù)字設計，就是將圖中所示速度環(huán)、電流解耦、磁場定向、電流環(huán)以及SVPWM都由DSP通過軟件來實現(xiàn)（即圖中方框部分）。全數(shù)字化的控制系統(tǒng)與以往出現(xiàn)的模擬控制方式或者模數(shù)混合控制方式相比，能夠有效的降低硬件成本，提高系統(tǒng)的可靠性，并且，由于它的控制都是通過軟件實現(xiàn)的，所以可以在不改變硬件的情況下，實現(xiàn)各種算法的重構(gòu)和控制，因此系統(tǒng)具有無與倫比的開放性。圖2為矢量控制電流解耦示意圖。所謂間接矢量控制，就是將Park坐標變換的d軸定義在轉(zhuǎn)子磁場方向上，并且通過轉(zhuǎn)子實際位置（）和滑差角（）來間接計算轉(zhuǎn)

6、子磁場的位置（），如圖2所示。圖1 全數(shù)字雙環(huán)間接矢量控制結(jié)構(gòu)框圖圖2 間接矢量控制中定子電流解耦示意圖圖2中，ismax為定子相電流峰值；is，is為靜止坐標系下的定子電流分量；，iqs為旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流分量。3 異步電機弱磁過程互感變化及磁場定向修正方法雖然間接矢量控制系統(tǒng)不需要額外的硬件來進行磁場位置檢測，但是這種控制方式需要一些電機參數(shù)3,4才能實現(xiàn)準確的磁場定向。因此，在控制一臺未知參數(shù)的異步電機之前，必須先辨識出控制所需要的電機參數(shù)。近幾年，電機和控制領域的學者們提出了許多感應電機參數(shù)離線辨識的方法，這些方法都是通過向電機施加各種不同形式的電壓、電流信號，同時檢測電

7、機的電壓、電流響應信號，通過它們之間的關系來計算出電機參數(shù)或者采用某種擬和算法來辨識電機參數(shù)58，但是這些算法在實現(xiàn)時都存在一些難度，文獻9給出了一種利于實時實現(xiàn)的辨識方法，通過這種方法可以離線辨識出電機的互感，但在弱磁過程中，轉(zhuǎn)子磁場不斷減小，在間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制中，認為轉(zhuǎn)子磁場與d軸電流成正比，實際轉(zhuǎn)子磁場與勵磁電流關系如圖3所示，因此互感與勵磁電流之間的關系如圖4所示10。圖3 轉(zhuǎn)子磁場與勵磁電流之間的關系圖4 互感與勵磁電流之間的關系 考察到互感與磁場電流之間的非線性關系，必須在弱磁過程中，不斷更新互感的大小，以保證磁場定向的準確。采用文獻11所提出的方法可以很方便地對互感的非線性變

8、化進行離線測定。4 弱磁過程鐵耗影響及其線性化補償考慮鐵耗的感應電機等效電路如圖5所示12。其中Rfe為等效鐵耗電阻。圖5 考慮鐵耗的電機等效電路在間接矢量控制系統(tǒng)中，d/q旋轉(zhuǎn)坐標系下的d軸電流（表示）實際包含兩部分：磁場電流（ids）和鐵耗電流（ife）。基速以下運行時，ife相對于ids而言很小，而被忽略不計，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，ife會不斷增大，與此同時，由于需要弱磁控制，ids會不斷的減小，在這種情況下，ife相對于ids而言就不能被忽略了。如果不對磁場電流進行補償，則會導致實際轉(zhuǎn)子磁場與給定不相符，并且會導致間接矢量控制磁場定向不準，降低電流的利用率，影響電機的轉(zhuǎn)矩輸出?？傊?，在高速

9、情況下，為了盡可能的增大電機的輸出轉(zhuǎn)矩，必須對鐵耗進行補償。空載情況下，Vds=0，那么電機相電壓峰值Vs=Vqs=idsLse （1）若磁場電流ids與e成反比，則相電壓應該恒定。在圖1所示的間接矢量控制系統(tǒng)中，若令d軸電流指令值idsref與e成反比，在鐵耗相比較很小則電壓基本恒定，當鐵耗相比較很大則電壓不會恒定，即通過電壓可以測出實際的磁場電流idst，那么ife=idsref idst。依據(jù)上述方法進行測試鐵耗的試驗。試驗裝置為自行開發(fā)的全數(shù)字主軸驅(qū)動器，采用間接矢量控制策略，主控芯片是TI公司的DSP：TMS320LF2407A，功率模塊為三菱公司PM75RLA120，開關頻率為10

10、 kHz。所用電機為7.5 kW，2對極，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min的主軸電機，額定磁場電流為10 A，電機參數(shù)如表1所示。圖6是在上述試驗得到的電壓與速度的關系曲線。由圖可以看出，在4 500 r/min以上，電壓下降明顯，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電壓下降速度越來越快，說明鐵耗越來越大。*沒有鐵耗情況下的電壓與速度，電壓保持恒定實際測得的電壓與速度關系曲線圖6 定子相電壓有效值與速度曲線表1 試驗用電機參數(shù)定子電阻定子漏感轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子漏感互感0.751 3.1 mH0.5473.1 mH56.6 mH由式（1）和電機的速度可以計算出實際的磁場電流idst，d軸

11、電流指令值idsref已知，因此由ife=idsref idst，可以繪出ife與速度的曲線圖7。圖7 ife與速度的關系曲線由圖7可以看出ife與速度基本成線性關系，由于在3 000 r/min以后，ife的影響才比較明顯，因此對3 000 r/min以后的ife進行近似處理，可得到以下線性關系： ife= （2）式中：n為電機轉(zhuǎn)速，n3 000 r/min。根據(jù)式（2），就可以對d軸電流的指令值idsref進行實時的補償了。圖8所示為補償前后的定子相電壓有效值比較曲線。*不考慮鐵耗情況下的電壓與速度曲線實際測得的電壓與速度關系曲線補償后的電壓與速度曲線圖8 定子相電壓有效值與速度曲線由圖8

12、可以看出，補償之后定子相電壓基本恒定，也就說明實際磁場大小與給定磁場大小是相吻合的。5 物理試驗為了驗證本文方法的可行性，利用自主開發(fā)的驅(qū)動器進行試驗。試驗用電機仍然為上述主軸電機。弱磁策略采用磁場電流與速度成反比的方法，圖9是08 000 r/min速度階躍對比試驗，圖10是帶載對比試驗。a采用互感修正方法和本文提出的鐵耗補償后的速度階躍曲線b沒有互感修正和鐵耗補償?shù)乃俣入A躍曲線圖9 08 000 r/min速度階躍對比試驗曲線恒功率運行時理論輸出轉(zhuǎn)矩采用互感修正方法和本文提出的鐵耗補償后的輸出轉(zhuǎn)矩沒有互感修正和鐵耗補償?shù)妮敵鲛D(zhuǎn)矩圖10 帶載對比試驗曲線可以看出，不管是升速的快速性還是帶載能

13、力，采用互感修正和本文提出的鐵耗補償方法后，驅(qū)動器性能都有很大提升。6 結(jié)論本文分析了弱磁過程間接轉(zhuǎn)子磁場定向存在的問題，并且給出了改進方法，進一步提高性能。由于磁場的不斷減小，互感不斷增大，必須對其修正才能保證磁場定向的準確性，同時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，鐵耗也必須進行考慮，本文給出了鐵耗的線性化補償方法。最后，通過物理試驗說明該方案是可行的，而且性能的改善是明顯的。參考文獻1 楊文強，賈正春. 面向21世紀的數(shù)控機床交流主軸驅(qū)動系統(tǒng). 船電技術，2001,1:6 102 博斯(Bose,B. K.). 現(xiàn)代電力電子學與交流傳動. 北京：機械工業(yè)出版社，20033 Peter Vas. Senso

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