1电机定子磁场定向下的弱磁控制方法研究

1、，徽，合肥 230009)(合肥工业大学电气与自动化摘要：提出一种基于无速度传感器矢量控制的异步电机在定子磁场定向下的弱磁控制方法，充分考虑了逆变器的电压输出限制、电机本体的电流和转矩限制，该方法能够获得全转速范围内的最大转矩输出，同时对电机参数的依赖性低。采用定子电压闭环控制，调节器输出作为定子磁链的给定，利用转矩电流限幅将弱磁区间划分为两部分，从而实现电机在各运行区间的平滑过渡。通过对电机同步转速的判断切换定子磁链的估算方法，可完成电机在额定磁链条件下的启动。最后通过实验验证了本文所提方法的有效性。：异步电机；无速度传感器；定子磁场定向；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为敏感，该参数的变化会导致磁链观测确，从而影引言响电机的转矩

6、输出，降低系统动态性能9。相比于转子磁基于磁场定向的异步电机(Induction Motor，IM)矢量场定向，基于定子磁场定向的矢量控制具有更好的参数控制调速系统目前已广泛应用于电力牵引、数控机床、电动汽车以及飞轮储能等领域1-4。当采用电压源逆变器驱动异步电机时，在额定转速以下，电机磁链保持在额鲁棒性，并且在相同的电压和电流限制条件下能产生更大的转矩10。弱磁控制的关键是电机磁链的选取，它决定着异步定值；随着电机转速的升高，反电动势不断增加，由于电机在高速状态下能否保持最大转矩输出能力。传统逆变器的输出电压有限，需要进行弱磁控制5。“1/r 法”是当电机转速超过额定值时，按照定子磁链与转速

7、成反比方式减小11，由于未考虑逆变器输出电压限异步电机转子磁场定向下的弱磁控制方法已在诸多文献中得到体现6-8,然而此类方法对电机总漏感参数较 sd Lsisd LmirdLmirq制，无法正确给出磁链指令，电机不能实现最大转矩输s出。文献10,12-13根据电机稳态模型，考虑电机高速运(2) L i L irdr rdm sd行时的电压、电流和转矩限制条件，计算出不同弱磁区 rLmisq间输出最大转矩对应的磁链指令，但是该方法得出的磁Te1.5sd )(3)链指令表达式比较复杂，计算量大，易受电机参数变化式中，us 为定子电压，is、ir 为定、转子电流，s、r为定、转子磁链，下标 d、q

8、表示电机状态在 d-q 坐标系的影响，另外，文献12-13在求解过程中还存在近似等效，无法真正实现最优的磁链指令给定。文献14利用定下的分量，L 、L 为定转子电感，L 为互感， 为同步srms子电压闭环改变磁链指令，实现了电机在弱磁区间的最角频率，r 为转子电气角频率，p 为微分算子，Te 为电磁转矩，np 为电机极对数。若规定 d 轴沿着定子磁链 s 的方向，可将式(1)至式(3)改写成大转矩输出，算法的鲁棒性较好，但是需要对转子磁链角度差进行额外的控制，使算法变得复杂。异步电机矢量控制系统中，通常采用速度传感器获Ls1 ( Ls p Rs T )isd T s Lsslisqusd取电机

9、转速信息，不但增加了系统成本，同时也会降低rr(4)Lus系统的可靠性。本文提出一种基于无速度传感器的异步 r s Lsslisds )r电机定子磁场定下向的弱磁控制方法，考虑了电压、电 Ls (1 Tr流和转矩等限制条件，实现电机最大转矩输出的同时，r i)ssqTpr(5)对电机参数的依赖性小，采用定子电压闭环控制，调节isq Ls (1 Tr p) Tr ( s Lsisd )sl 器输出作为定子磁链指令给定，利用转矩电流的限幅将Te 1.5npsisq(6)弱磁区间进行划分，确保电机在运行区间内的平滑过渡，另外，本文采用了两种估算方法，以实现异步电机在静式中，Tr 为转子时间常数，Tr

10、=Lr/Rr， 为漏感系数，=1-L 2/(L L )， 为转差频率。由式(5)可知，定子电流止和运行两种状态下的定子磁链估算。最后在 11kW 实ms rsl验上对所提方法进行了验证。d 轴分量(励磁电流)和 q 轴分量(转矩电流)之间不能完全解耦，故引入解耦分量 idq，具体表达式为161定子磁场定向的异步电机矢量控制 L i2s sqi(7)dq Li 1.1异步电机数学模型ss sd同步旋转(d-q)坐标系下，建立三相鼠笼式异步电机的电压、磁链和电磁转矩方程分别为151.2 定子磁链估算基于电压模型的定子磁链估算可通过对电机反电动 Rsisd p sd s squsd势的积分获得，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 纯积分环节固有的直流偏置和初值问题限制了其在实际系统中的应用，因此需要对磁链估算方法进行改进。本文利用一阶低通滤波器替代纯积分环节，并对造成的磁链幅值以及相位的偏移进行补偿17。改进后的定子磁基于定子磁场定向的异步电机矢量控制系统的失步转矩表达式为9链估算表达式如式(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 为截止频率，通常令 c

12、=ks，0k1，则式(9)可简化为上式表明异步电机能够稳定输出的转矩上限为 Te_o，若超出此界限，电机将无法稳定运行。 s s _LPF k s _LPF3电机运行区间划分(10) k ss _LPFs _LPF式中，s_LPF 为低通滤波器输出的定子磁链，下标 、3.1恒转矩区 表示电机状态在(-)坐标系下的分量。利用估算出电机在此区间运行，由于电机转速小于额定值，反电动势小于最大定子电压 Usmax，此时电机仅工作在电流限制条件下，定子磁链和励磁电流保持在额定值，并根的定子磁链可进一步估算出异步电机的同步转速、磁链角及实际转速，即： (us Rsis ) s (us Rsis )s据式(

13、15)可以得出恒转矩区转矩电流的限幅，如式(17)所(11)s 2s示。由电磁转矩表达式可知，电机在此区间内输出恒定cos s转矩。s(12) s ssin 22isq_limit0 Ismax isd_rated(17)3.2 弱磁 I 区随着电机转速超过额定值，电机进入弱磁 I 区，同时工作在电压和电流限制条件下，始终保持恒定功率输出，对应的电磁转矩为最大输出转矩1012。此时，转矩电流 (13)rssl2弱磁运行限制条件为保证异步电机在弱磁区间实现最大转矩的稳定输出，需要同时考虑电压、电流及转矩限制条件。的限幅为2.1 电压限制最大定子电压 Usmax 主要由逆变器的供电电压 Udc 和

14、脉宽调制策略决定。若采用空间矢量调制策略，Usmax 最大为Udc3 ，则 usd 和 usq 需满足I 2 i2(18)isq_limit1smaxsd由于电机磁链发生改变导致励磁电流也发生了变化，使转矩电流的限幅不再保持恒定。U 23.3 弱磁 II 区随着电机转速的进一步升高，电机进入弱磁 II 区，usd usq Us max dc222(14)32.2 电流限制最大定子电流 Ismax 主要由电机绕组所能通过的最大同时工作在电压和转矩限制条件下，对应的电磁转矩为最大输出转矩1012。联立式(6)、式(16)转矩电流限幅，即弱磁 II 区的电流决定，本文取电机额定电流流的峰值，则 is

15、d 和 isq 需满足Is_rated 的2 倍，即相电(1 ) s2 Lsi2 i2 I 2 2I 2(15)isq_limit2 sdsqsmaxs_rated(19)2.3 转矩限制综上所述，恒转矩区和弱磁 I 区之间的界限较为明显，高，耦合占比例较大，将会对系统的控制性能产生利用定子电压闭环控制便可实现异步电机从恒转矩区平影响，故需要对 d、q 轴的交叉耦合电压进行解耦，解耦滑过渡到弱磁 I 区。对于弱磁 I 区和弱磁 II 区的划分，可项表达式为 s u通过对比转矩电流的限幅来实现，并能保证电机在这两 L isd_cs ls sqT(21)r个弱磁区间的平滑过渡，即 L iusq_c

16、r ss ls sd si q_limit2 , 弱磁I区 s(20)i, 弱磁II区5实验结果q_limit2显然，当电机运行在弱磁 II 区时，不再受电流限制条件约束，随着电机弱磁程度的进一步加强，转矩电流为验证本文弱磁控制方法，搭建了一套全数字的异步电机驱动系统实验，该的功率器件采的限幅不断降低，从而使电机的实际工作电流呈现出下用英飞凌的 FP75R12KT3 智能功率模块，控制器采用 TI降趋势，故又可称弱磁 II 区为降功率区。另外，当定子磁链一定时，电机漏感系数 越小，电机恒定功率输出的TMS320F28335DSP，设置开关频率为 10kHz，电流环控制周期为 100s(即周期)

17、，转速环控制周期的范围越大，反之越小，这与转子磁场定向下的弱磁控制结论相一致7。为 1ms，定子电压环控制周期为 2ms，定子磁链环控制周期为 100s，异步电机参数见表 1。4系统控制方案表 1 异步电机参数列表Tab.1 Parameter list of an induction motorUsusd usq22UdcU2r-usq_c+smaxisq-* r*usqusdi*ussqPIPIPI-1 *uSV*Parks*sisdPIPI+cossinisdsq-+idq解耦计算i -usd_cis issdsU V Wisisdisqisuvws转差计算定子磁链估算u* u*ii C

18、larkParkscossins scossinsr - slIM图 1系统控制框图Fig.1 Control block diagram of the proed system基于无速度传感器的异步电机定子磁场定下向的弱首先采用本文所提方法对异步电机进行 0-5100r/min磁控制系统框图如图 1 所示。系统采用了定子电压闭环空载阶跃启动实验。实验过程中，通常会在状态下控制，调节器输出为定子磁链的给定，当电机转速超过预先建立起异步电机的额定定子磁链，而本文采用的磁额定值时，系统能自动进入弱磁控制，通过减小电机磁链估算方法较难在零速或极低转速条件下准确估算出电链使逆变器的输出电压维持在 Us

19、max。除此之外，系统还包括了转速环、定子磁链环、电流环及电压解耦环节。机的定子磁链，需要借助其它方法来完成电机的预励磁。由异步电机 - 坐标系下的转子磁链方程15(式(22)可知，由式(4)可知，电机 d、q 轴电压之间存在交叉耦合，并且当电机处于状态时，转子磁链方程可简化为式(23)含有与电机转速有关的耦合项，考虑到实际电机转速较所示的形式。参数数值参数数值额定电压 Ue/V200额定电流 Ie/A44额定功率 Pe/kW11额定转速ne/rmin-11500极对数np2转动惯量 kgm20.028最大转速nmax/ rmin-15100额定定子磁链 se/Wb0.5定子电阻 Rs/0.1

20、8转子电阻 Rr/0.107定(转)子电感 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时间/(1s/格)isr1(c) 定子磁链r(23)Lmirs16213510881542701r联立异步电机 - 坐标系下的磁链方程(式(24)，可以得出状态下的定子磁链估算表达式，如式(25)所示。时间/(1s/格) s Lsis Lmir L i L i(d) 电磁转矩ss sm r(24) Lrir Lmisr7260483624120 r

21、 Lrir LmisLs Lr L2L sm is m rLrLr(25)2L L LLm 时间/(1s/格)s rmissrLLrr(e) 励磁电流利用式(23)、(25)可估算出状态下的定子磁链，7260483624120并将其作为定子磁链闭环控制中的反馈信号，从而可在电机启动前建立起额定定子磁链，并且假定电机同步转速小于 3rad/s 时，均认为电机处于状态。当电机同步时间/(1s/格)转速升高到 3rad/s 时，再切换至式(9)所示的磁链估算方(f) 转矩电流法。具体实验结果如图 2 所示。806040200-20-40-60-80时间/(1s/格)图 2本文所提方法实验波形Fig.

22、2 Experimental waveforms of the proed method由图 2 的实验结果可以看出，电机在三个运行区间能够平滑过渡，并且当电机进入弱磁 II 区后，相电流幅值不断减小，与前文的分析结果一致。电机从加速(a) U 相电流至 5100r/min 用时约 1.32s，启动过程中定子磁链和电磁6960580046403480232011600转矩的波动则是由定子磁链在估算过程中切换估算方法给定转速所导致。另外，励磁电流解耦分量 idq 的存在，使励磁电流在电机启动之后发生了改变，并且当电机运行至弱磁实际转速区间时，励磁电流主要呈上升趋势，而转矩电流随着转时间/(1s/

23、格)速的升高不断减小。(b) 电机转速电机转速/(r/min)U相定子电流/A转矩电流/A电磁转矩/(N m)励磁电流/A定子磁链/(Wb)为了对比本文弱磁方法与传统弱磁方法的控渡平滑，对电机参数依赖性小，易于实现，另外，由于制性能，在实验条件不变的前提下，进行了传统弱磁方采用了无速度传感器的矢量控制方式，系统的可靠性得法控制下的异步电机空载阶跃启动实验，相应的实验结到了。果如图 3 所示。从图中可以看出传统弱磁方法控制下，参考文献电机的实际定子磁链小于本文所提方法得出的磁链值，1，等转子电阻变化对电力牵引感应电无法实现电机的最大转矩输出，并最终影响电机转速的机起动转矩的影响J电工技术学报，2

24、011，26(6)：12-17响应过程。Chen Zhenfeng, Zhong Yanru, Li Jie, et alInfluence of rotor6960580046403480232011600给定转速variation on starting torque of induction motors inelectric tractionJTranions of China Electrotechnical Society，实际转速2011，26(6)：12-17(in Chi)时间/(1s/格)2，曾岳南，陈主轴驱动用异步电机的弱磁控制算(a)电机转速法研究J组合机床与自动化加工

25、技术，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时间/(1s/格)Chi)(b)定子磁链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，宝，等舰船综合电力系统飞轮储能控制时间/(1s/格)(c)电磁转矩器设计J中国电机工程学报，2015，35(12)：2952-2959图 3 传统方法实验波形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结论Chi)本文主要研究了异步电机在定子磁场定向下的弱磁5，陆城，等弱磁运行下异步电调速系统的转控制方法。该方法采用定子电压闭环控制，调节器输出矩及功率特性J学报(自然科学版)，2011，51(7)：为定子磁链指令，考虑了逆变器的输出电压限制、电机873-878自身的电流和转矩限制条件，并利用转矩电流限幅把弱Geng, Zheng We

28、i, Lu Cheng, et alTorque ander磁区间划分为两个区间，与传统弱磁控制方法相比，本characteristics of induction motor drive in flux weakening region文所提方法能够获得最大转矩输出，各运行区间电流过电机转速/(r/min)定子磁链/(Wb)电磁转矩/(N m)JTsinghua Univ(Sci & Tech)，2011，51(7)：873-878(in Chi)field-oriented control for low cost induction motor drives with wide6，实现感

29、应电机宽范围最大转矩控制的电field weakening rangeC/Proceedings of IEEE IAS AnnualMeeting，2008(1)：1-7流优化策略J中国电机工程学报，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无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究D华field-weakening operation of induction

31、motor drivesJIEEE技大学博士，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银，基于 d 轴电流直接求解的异步电机定Electronics，2016，31(4)：3043-3051子磁场定向控制J中国电机工程学报，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