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感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法

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感应电机弱磁控制技术研究

感应电机弱磁控制技术研究


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1.2 交流电机调速技术概述
交流电机是一个多变量、非线性的被控对象[ i~ii]。根据电机驱动对象的不同，所 采 用的电机控制策略也不尽相同，对于像风机、水泵等对调速性能要求不高的这类负载 可采用恒 V/F 控制，该方法是从电机的稳态方程出发研究其控制特性，结果是其动态 控制效果特性较差。 20 世纪 70 年代初提出的用矢量变换[ iii]的方法研究电机的动态控制 过程，不但控制各变量的幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制 概念，巧妙的实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制，从而促进了交流电机控 制系统走向实用化。目前国外用变频电源供电的异步电机采用矢量控制技术已成功的 应用于轧机主传动、电力机车牵引和数控机床中。此外，为解决系统复杂性和控制精 度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制和定子 磁场定向控制等。随着控制芯片的计算能力的不断提高，现代控制理论中的各种控制 方法在电机控制中得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制， 可提高系统的动态性能，滑模变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼 滤波观测器可以获得无法实测的状态信息，自适应控制则能全面提高系统的性能。 1.2.1 新型电力电子器件和 PWM 技术
感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法1概述电感应电动机转子磁场定向控制是一种利用电感应电动机转子磁场定向来实现自动控制的新型技术，它利用了转子运行时产生的偏磁场，通过反馈控制实现了广泛的自动化控制。

此外，磁场定向技术还具有优于传统数字控制方法的实时性和灵活性，适用于智能控制场景。

基于以上优点，近年来，磁场定向控制算法在微机控制行业中受到越来越广泛的关注，并得到广泛的实际应用。

2基本原理电感应电动机转子磁场定向控制技术是一种可以满足电动机自动保持特定磁场定向的自动控制算法，该算法用来检测当前转子运行状态并调整相应偏磁，从而控制转子磁场，使其保持设定的参考方向。

由于磁场定向技术的特殊性，其实现的过程是一种弱磁控制。

首先，对电动机实现弱磁控制，需从转子中使用高精度磁强计和电场模拟器以及磁鉴定系统来成功探测当前转子的磁场强度。

在控制环节，运用转子偏磁信号调整电机电磁联轴器，从而达到现有系统中偏磁矫正和转子磁场定向控制的目标。

3算法实现磁场定向控制算法的实现主要包括检测转子磁场定向状态、调整转子磁场定向和转子偏磁的三个步骤。

（1）通过相应传感器检测转子磁场定向状态：首先，通过高精度磁强计、电场模拟器和磁鉴定系统，检测转子当前位置及其在设定参考方向上的偏差角度。

（2）调整转子磁场定向：根据检测出来的转子磁场定向状态及其偏差角度，柔性调整相应偏磁，来实现转子磁场定向调整。

（3）调整转子偏磁：根据磁场定向算法的反馈信号和当前转子磁场定向状态，调整相应的转子偏磁，从而达到磁场定向控制的目的。

4结论电感应电动机转子磁场定向控制算法是一种有效的控制方法，它可以实现高精度的转子磁场定向控制，进而提高电动机的性能和可靠性。

该技术为智能化系统提供了有效、稳定、可靠的控制平台，同时也开拓了电动机转子磁控自由度更高的自控控制空间。

基于矢量控制的感应电机弱磁控制算法研究

基于矢量控制的感应电机弱磁控制算法研究

基于矢量控制的感应电机弱磁控制算法研究陶华堂;李强【摘要】变频调速控制系统要求电机具有宽范围的恒功率弱磁调速能力,并能输出较大的转矩.提出一种感应电动机弱磁状态下励磁电流和转矩电流轨迹控制的新方法.在满足电机和驱动器最大电压和电流约束条件的前提下,对电机励磁电流轨迹和转矩电流轨迹分别独立控制,实现全速度范围内的最大转矩输出.设计了该弱磁控制算法的实现策略,并在7.5 kW感应电机上进行实验研究,与传统弱磁控制方法相比,提出的弱磁控制方法可以输出更大的转矩,电流波动小,系统更稳定.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2016(046)003【总页数】5页(P7-11)【关键词】感应电机;矢量控制;弱磁;最大转矩电流比控制【作者】陶华堂;李强【作者单位】中国卫星海上测控部,江苏江阴214400;中国卫星海上测控部,江苏江阴214400【正文语种】中文【中图分类】TM30感应电机具有转子结构坚固、可靠性高、成本低、转矩波动小和噪声小等优点。

基于矢量控制的感应电机变频调速系统被广泛应用于家用电器、电梯曳引、电动汽车、数控机床、船舶动力等领域。

采用电压源逆变器驱动电机时，由于受到逆变器最大输出电压和最大输出电流的限制，需要采用弱磁调速等方法使电机输出最大转速，且高速时仍能最大限度输出电磁转矩。

传统的弱磁控制方法是在基速以上，控制电机磁链和电机转速成反比［1-2］，这种方法简单易实现，但是没有输出最大转矩电流比，即没有最大限度输出转矩；文献［3］提出了一种过调制算法，用来实现永磁同步电机的弱磁调速，但是该方法实现起来较困难；文献［4-11］提出的查表修正方法目前较为流行，主要是根据电机的转速通过查表修正电机励磁电流iM和转矩电流iT，此类方法简单易实现，应用也较为广泛，但是受电机本身参数影响较大；文献［12］提出了一种通过控制电机电压轨迹的方法实现电机弱磁调速控制，该方法不受电机参数影响，但前提是要获得电机励磁电流的大小。

弱磁控制

弱磁控制

2016年6月12日星期日电机的弱磁控制原理异步电机变压变频调速的控制特性基频以下：恒转矩调速（恒磁通调速）电机启动电流大的原因：当感应电动机处在停止状态时，从电磁的角度看，就象变压器，接到电源去的定子绕组相当于变压器的一次线圈，成闭路的转子绕组相当于变压器被短路的二次线圈；定子绕组和转子绕组间无电的的联系，只有磁的联系，磁通经定子、气隙、转子铁芯成闭路。

当合闸瞬间，转子因惯性还未转起来，旋转磁场以最大的切割速度——同步转速切割转子绕组，使转子绕组感应起可能达到的最高的电势，因而，在转子导体中流过很大的电流，这个电流产生抵消定子磁场的磁能，就象变压器二次磁通要抵消一次磁通的作用一样。

而定子方面为了维护与该时电源电压相适应的原有磁通，遂自动增加电流。

因为此时转子的电流很大，故定子电流也增得很大，甚至高达额定电流的4~7倍，这就是启动电流大的缘由。

启动后电流为什么小？随着电动机转速增高，定子磁场切割转子导体的速度减小，转子导体中感应电势减小，转子导体中的电流也减小，于是定子电流中用来抵消转子电流所产生的磁通的影响的那部分电流也减小，所以定子电流就从大到小，直到正常。

随着启动电流增大，损耗增大，即定子端电压下降。

空载电流：不为0，一般是额定电流的1/3。

对永磁同步电机的仿真分析（举例）分析电机在启动时，启动电流达到额定值的3倍，至0.03S稳定。

起初负载转矩给定3N*m,至0.1S时负载转矩给定为1N*m,定子电流的波形对于变小，电磁转矩与负载转矩平衡，使得电机稳定运行。

转速刚启动瞬间为0，但大约经过0.02S后电机转速达到给定值，当0.1S时负载突然减小，转速有短暂的上升，立刻回到给定值，转速比较稳定，达到理想。

电机启动时，电磁转矩启动时较大，至0.03S后电磁转矩达到3N*m,0.1S时负载转矩发生变化，即电磁转矩也相应的发生变化。

电机空载运行时，空载电流的幅值大约是额定值的1/3，绝对不为0，平均值为0,相应的三相静止定子电流为120度，两相静止坐标互差90度，空载情况下，0.2S之前空载，其输出的两相静止坐标近似为0 ，但肯定不是0，由于采用id=0控制，即直轴电流一直是0，而转矩电流iq在控制是电流几乎为0，加负载后，值增加。

永磁同步电动机电枢电感及弱磁运行特性的分析计算

永磁同步电动机电枢电感及弱磁运行特性的分析计算

通过增大直轴电感 L d 来 提 高永 磁同步 电动 机的 弱 磁扩速能力 。
图 3 气隙磁密曲线
图 4 气隙磁密谐波分析
由于永磁同步电动 机的气 隙为正 弦 波，则 每极
下的基波气隙磁通:
Φ10
=
2 π B1 0 τ1 l ef
( 7)
计算得 Φ10 = 0 ． 005 144 2 Wb，根据公 式 E0 =
机直轴去磁电流分量 i d ，减小交轴电流分量 i q ，来 维 持电机端电压 平 衡 。对 于 电 机 而 言，它 的 相 电 流 是 有限制的，所以增 加 直 轴 去 磁 电 流 不要 超 过 电枢 电 流的极限值，而直 轴 电 流 的 增 加 必 将导 致 交 轴电 流
的减小 。
26
收稿日期 :2013 － 01 － 30
D
2014 年第 42 卷第 12 期
e
signand
设 analy si s
计
分
析
由式( 4) 可以得到电机的机械角速度表达式:
B10 = 0 ． 89 T，如图 4 所示。
Ω=
us
( 5)
槡 p ( － L q i q ) 2 + ( L d i d + ψ f ) 2
当电机的端电压和 电流均 达到最 大 值，且 电流
Key word s: p erma nen t ma gne t syn ch ron ou s moto r( P MSM) ; no － load back EMF; dq a xi s inductance s; field weake -
ning contro l
0引 言
的永磁体提供励磁 的，且永 磁体产 生的励 磁无法 调 节，要实现电机 的弱磁运 行，只有通 过调节定子 电流
磁场定向控制感应电动机的弱磁控制

磁场定向控制感应电动机的弱磁控制


= L 0 imR
( 5)
( 上接第 2 页 )
3结
语
高速无刷伺服电动机的 T 形 结构转子不仅 能 很好地解决磁钢固定问题, 更重要的是可以通过优 化磁钢和 T 形结构设计来削弱气隙谐波磁场; 与等 厚磁钢相比, 在 T 形结构中选用等径磁钢, 气 隙磁 密更接近正弦波 , 且磁钢加工成本相对较低, 因此具 有很好的应用前景。 参考文献
s
为定子角速度。
考虑到 L s 和 LR 可能发生 变化 , 而假定 L 0 保持 不变 , L s 变化曲线的确定将使得该结果足以推广到其他 电感参数。 在 Rs = 8 . 400 ! 、 R r= 2 . 985 ! 、 L 0 = 0. 115 1 H 条 件下 , 实测的转矩 - 转 速关 系曲 线和 效率 结果 ( 计 算 时包 括电 机 和逆变器 ) 如表 1 所示。
3结
语
[ 3]
本文结合插补运算的特点 , 提出了数控系统在 双轴联动的情况下, 既满足曲线转接的平滑过渡, 又 提高加工效率的控制方法。文中以数控系统变速运 动时, 实现光滑转接为例给出了转接控制部分的运 动控制算法。在此基础上, 可结合通用硬件插补器 进行推广, 并且具有软件插补无法比拟的优点。通 过扩展可推出三维的直线插补器以及曲线插补器。 参考文献
mR
为励磁磁 通 ; L 0 = LM (互感 ) ; imR 为励磁电流。 u2 s - R 2s i2 s
在空载条件下 , 利用下式可计算出 L s: Ls = 1
s
( 6)
式中 : u s 为定子电 压 ; is 为定子电流 ; R s 为定 子电阻 ; L s 为 定 子电感 ; L R 为转子电感 ;
反电动势
电动汽车感应电机的弱磁控制方法研究

电动汽车感应电机的弱磁控制方法研究


III
重庆大学硕士学位论文
目
录
目
录
中文摘要 ..........................................................................................................................................I 英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................................................... 1
A Thesis Submitted to Chongqing University In Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Electricang Supervised by Liu He-pingProf. L Major： Electrical Engineering
电动汽车感应电机的弱磁控制方法研究
重庆大学硕士学位论文
学生姓名：陈琼良 指导教师：刘和平 专 业：电气工程
学科门类：工 学
重庆大学电气工程学院
二 O 一一年五月
弱磁控制方案

弱磁控制方案

弱磁控制解决方案一d、q轴数学模型d-q轴系下表贴式同步电机电子方程为：式中: 和分别为直轴和交轴同步电感，为定子相电阻，为转子的电角速度，为转子永磁体产生的励磁磁场的基波磁链。

电机高速稳定运行时，忽略定子压降，电压方程可以改写为，。

电动机定子电压大小为√,将上述等式带入得到√。

根据定子绕组电压公式，当电机定子电压达到逆变器输出的极限电压时，为了使得转速升高，只能通过增加去磁电流分量和减小交轴电流分量，以维持电压平衡，达到弱磁调速目的。

二安全限制问题在弱磁高性能调速时，不同工作区域内，由于控制规律不同，为了获得较好的控制效果，通常会选择不同的电流、电压矢量轨迹或者转矩矢量轨迹。

2.1 电压极限轨迹受逆变器输出电压的限制，电机运行稳定时，电压矢量幅值为：，又√，那么得到⁄。

其中为逆变器两端的最大限制电压，当d、q两轴的电感相等时，电压极限轨迹是一个圆形曲线；否则，电压极限轨迹是一个椭圆曲线。

2.2 电流极限轨迹受逆变器输出电流和电机本身额定电流的限制，PMSM稳定运行时，电流矢量幅值方程为：。

根据电流、电压极限方程得到轨迹图形为电动机稳定运行时，定子电流矢量既不能超过电压极限圆也不能超过电流极限圆。

如果1时，电流矢量的范围限制在ABCDEF中。

三弱磁控制3.1 弱磁控制方案一*主要控制流程：电机控制进入弱磁控制模式后，保持电流矢量大小不变，通过调节超前角β大小，调节d、q两轴电流、，通过反馈调节确定电压极限圆限制。

通过反馈结果确定超前角β变化趋势。

弱磁控制主要面临的问题1 进入弱磁控制状态，退出弱磁控制状态。

通常进入弱磁控制状态是电压或电流的调节达到了逆变器的饱和度。

以id=0的控制模式为例，调节q轴电流，确保定子两端电压值不超过Vmax。

当q轴电流达到设定的值，如果需要继续增加电机转速只能通过弱磁调节（保持电机硬件参数不变）。

首先保证电子两端电流大小i s不变，通过调节d、q两轴电流实现调节。

2 调节d、q两轴电流值调节d、q两轴电流过程中应该保证有效电流大小i s恒定，满足关系式为i s√i d i q。

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法_万山明解读

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法_万山明解读

98 位置传感器脉冲格中 A 脉冲国电机工程学报 U相第 31 卷格 V相 B 脉冲格格传统控制方法图 10 Fig.10 电机满载、额定转速下的相电流波形 A 脉冲位置传感器脉冲格 Phase current under rated speed and full power U相 B 脉冲格格 V相(b 采用 MTPA 法 t (1格图8 Fig. 8 低速下位置传感器脉冲输出图图 11 两倍额定转速下的相电流波形格相电流格格转速格相电流和转速波形 t格图 12 F格从零启动到最大转速时的相电流波形 Phase current when speed rise from zero to max speed 5 结论本文提出了一种感应电动机转子磁场定向时的弱磁控制算法，该算法有如下特点：格）不需采样直流母线电压，不需要查表，通过对零电压矢量的作用时间的积分来进行弱磁运算，充分利用了逆变器的输出能力，是一种适应能力较强的算法；(b iq 和 id 波形图9 Fig. 9 突加/突减转速时的响应过程 Response to speed step up and down 2）除了感应电动机的漏感系数外，不需要知道电机的其它参数，因此算法对参数的依赖性小；图 12 为从零启动到最高转速过程中的相电流波形，可以看到启动时间约为，满足实际应用的要求。

3）采用 MTPA 算法可以提高感应电动机的低速稳态性能。

第 30 期万山明等：感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法drives[C]//First international Power and 99 Energy 参考文献 [1] Xu Xingyi， Novotny D W． Selecting the flux reference for induction machine drives in the field weakening region[C]//Conference Record of the 1991 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting ． Dearborn ， Michigan，USA：IEEE Industry Applications Society，1991：361-367 [2] 李叶松，雷力．基于转子磁场定向的异步电动机弱磁方法研究[J]．电力电子技术，2007，41(5：34-35． Li Yesong， Lei Li． Research on flux weakening control for the rotor flux oriented control of an induction motor[J]． Power Electronics，2007，41(5：34-35(in Chinese． [3] Kim S H ， Sul S K ． Maximum torque control of an induction machine in the field weakening region[J]．IEEE Transactions on Industry Applications ， 1995 ， 31(4 ： 787-794． [4] Yusivar F，Kihara T，Sato M，et al．| I q | added flux weakening strategy for the rotor flux oriented control of a sinusoidal PWM VSI-fed induction motor[C]//The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society ． Denver ， Colorado ，USA ： IEEE Industrial Electronics Society，2001：1160-1165． [5] Kim S H，Sul S K．Voltage control strategy for maximum torque operation of an induction machine in the fieldweakening region[J] ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(4：512-518． [6] Grotstollen H， Wiesing J． Torque capability and control of a saturated induction motor over a wide range of flux weakening[J] ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，1995，42(4：374-381． [7] Bianchi N，Bolognani S．Design procedure of a vector controlled induction motor for flux-weakening operations [C]//Conference Record of the 1997 IEEE Industry Applications Conference． New Orleans， LA， USA： IEEE Industry Applications Society，1997：104-111． [8] Briz F，Diez A，Degner M W，et al．Current and flux regulation in field-weakening operation of induction motors[J]．IEEE Transactions onIndustry Applications， 2001，37(1：42-50． [9] Ahmad M Z，Idris N R N．Overmodulation and field weakening in direct torque control of induction motor Conference ． Putrajaya ， Malaysia ： IEEE Power Engineering Society Malaysia Chapter，2006：465-469． [10] Bolognani S ， Zigliotto M ． Novel digital continuous control of SVM inverters in the overmodulation range[J]． IEEE Transactions on Industry Applications， 1997， 33(2： 525-530． [11] Shin M H，Hyun D S， Cho S B． Maximum torque control of stator-flux-oriented induction machine drive in the field-weakening region[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38(1：117-122． [12] 吴芳，万山明，黄声华．一种过调制算法及其在永磁同步电动机弱磁控制中的应用[J]．电工技术学报，2010， 25(1：59-63． Wu Fang ， Wan Shanming ， Huang Shenghua ． An overmodulation algorithm and its application in PMSM drive with flux-weakening control[J] ． Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(1：59-63(in Chinese． [13] Harnefors L ，Pietilainen K ， Gertmar L ． Torquemaximizing field weakening control：Design，analysis， and parameter selection[J] ． IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48(1：161-168． [14] Casadei D， Mengoni M， Serra G， et al． Field-weakening control schemes for high-speed drives based on induction motors ： a comparison[C]//IEEE Power Electronics Specialists Conference．Rhodes，Greece：IEEE，2008： 2159-2166． [15] Lin P Y，Lai Y S．Novel voltage trajectory control for field-weakening operation of induction motor drives[J]． IEEE Transactions on Industry Applications， 2011， 47(1： 122-127．收稿日期：2011-06-02。

电动车用感应电机弱磁控制研究

电动车用感应电机弱磁控制研究


压控制策略为基础, 通过适当的选择漏感, 提出了一 种简化的控制算法.这种算法确保非理想磁场定向 条件下的转矩及升速性能, 以及整个弱磁阶段输出 转矩保持最大.利用 M tb aa 建立了感应电机驱动 l 系统模型, 并进行了仿真.
2 理想磁场定向下的弱磁控制
本文以文献「] I 中的同步旋转 d q 一 坐标系下 电机模型为基础, 对感应电机弱磁控制做深人研究,
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感应电机弱磁控制研究

感应电机弱磁控制研究

第５２卷２０１９年　第１０期１０月ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳＶｏｌ ５２．Ｎｏ １０Ｏｃｔ ２０１９感应电机弱磁控制研究吴昭玄，刘　涛，李启东，童乔凌（华中科技大学光学与电子信息学院，武汉４３００７４）摘　要：电动机中，异步感应电机具有低成本，结构简单，可靠性高的优点，因此得到了广泛的应用．在感应电机的控制过程中，主要存在的问题是，当电机运行到额定速度，提速存在困难。

本文结合软硬件平台和仿真工具Ｍａｔ ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，对以上问题进行分析，并给出了合理的解决方式。

先抽象出电机的数学模型，对电机的运行原理进行了详细的分析，确定了矢量控制的总体策略。

随后提出基于漏磁系数的电压闭环弱磁算法，接着进行仿真对比。

为了验证仿真结果，搭建了感应电机驱动器的软硬件平台，完成设计与调试。

通过仿真与实际测试的结果，发现本文的弱磁控制策略用在感应电机上能提升高速下电机运行性能，使电机速度提升快，力矩大，而且电机的动静态特性均有明显改善。

关键词：弱磁控制；漏磁系数；ＳＶＰＷＭ控制；异步感应电机；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真中图分类号：ＴＭ３４３＋ ２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１ ６８４８（２０１９）１０ ００３６ ０７ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＷｅａｋＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌｏｆＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒＷＵＺｈａｏｘｕａｎ，ＬＩＵＴａｏ，ＬＩＱｉｄｏｎｇ，ＴＯＮＧＱｉａｏｌｉｎｇ（ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｏｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｓ，ｔｈｅａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｗｃｏｓｔ，ｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｏｉｔｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ，ｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｍｏｔｏｒｒｕｎｓｔｏｔｈｅｒａｔｅｄｓｐｅｅｄ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｐｅｅｄｕｐ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍ ｂｉｎｅｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｏｌＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅａｂｏｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｇｉｖｅａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｗａｓａｂｓｔｒａｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔ ｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ａｖｏｌｔａｇｅｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｌｅａｋａｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｓｔｈｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ａｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒｗａｓｂｕｉｌｔ，ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｉｎｇ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｃ ｔｕａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒａｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，ｍａｋｅｔｈｅｍｏｔｏｒｓｐｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｆａｓｔ，ｔｈｅｔｏｒｑｕｅｉｓｌａｒｇｅ，ａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒａｒｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌ；ｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｘｌｅａｋａｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｉｎ ｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ收稿日期：２０１９０４２４作者简介：吴昭玄（１９９５），男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法


式中 Umax、Imax 分别为逆变器所能提供的最大电压 (相电压峰值)和最大电流(相电流峰值)。 将式(10)代入式(12)，可得
2 ( 1Ls iq)2( 1 Ls id)2Um ax

s 分别为同步电角速度和转差电角速度；Rs、Rr 分

别为定子、转子电阻；Ls、Lr 分别为定子、转子自 感；Lm 为互感；D 为微分算子；下标为 s、r 的量 分别代表定子和转子侧的物理量。 由式(2)—(4)可得 Lm is( rD1j s r) r
2 2 id iq I max
机所承受的最大电压和最大电流分别为
2 2 ud uq U max
0Rr irD rj s r

(12) (13)
sLs isLm ir

rLr irLm is

式中：us 为定子电别为定子、 转子磁链矢量； 1、
1 感应电动机的数学模型
理想条件下，在 dq 同步坐标系下建立的感应 电动机定子电压和磁链方程为 usRs isD sj 1 s

2 弱磁控制算法
感应电动机矢量控制系统由三相电压源逆变 器驱动时，由于受驱动器容量的限制，驱动器可以 提供的电压和电流矢量的幅值是有限的，因此电动 (1) (2) (3) (4)
94
中
国
电
机
工
程
学
报
第 31 卷
控制的弱磁方法，该方法不需查表，且不需知道直 流母线电压等参数，但仍需要知道额定励磁电流的 大小。 本文建立了感应电动机的稳态数学模型，研究 了全速度范围下的电压和电流约束条件。通过分析 约束条件，提出了一种根据零电压矢量的作用时间 改变 d 轴定子电流大小的弱磁控制算法。同时还研 究了最大转矩电流比(maximum torque per ampere， MTPA) 算法和实现最大转矩控制时的电压电流运 行轨迹及其控制方法。 最后在 5.5kW 的系统上进行 了仿真和实验验证。

新的弱磁算法应用于感应电机的DTC控制

第26卷　第9期计　算　机　仿　真2009年9月 文章编号:1006-9348(2009)09-0293-04新的弱磁算法应用于感应电机的D TC控制王乐荣,刘贺平(北京科技大学,北京100083)摘要:提出了一种新的弱磁算法应用于感应电机的直接转矩控制。

基本思想是根据给定转速值与实际机械转速的误差来调节磁通参考值,实现快速的弱磁控制。

传统的弱磁控制算法需要计算基速,而提出的新算法不需要知道基速值,并且基本不依赖电机的参数。

通过分析直接转矩控制不同时刻的最大转矩,推导出了新的弱磁算法的模型。

对提出的算法进行了仿真,并与没有采用弱磁算法的传统的直接转矩控制进行了比较,通过仿真结果可以看出新算法的有效性。

关键词:弱磁算法;感应电机;直接转矩控制;仿真中图分类号::T M743 文献标识码:AA New Flux-W eaken i n g A lgor ith m for D TC of I nducti on M ach i n eWANG Le-r ong,L I U He-p ing(University of Science and Technol ogy,Beijing100083,China)ABSTRACT:A ne w flux-weakening algorith m f or direct t orque contr ol(DTC)of inducti on machine is p r oposed.The basic idea is t o adjust the flux reference on the basis of the mechanical s peed err or,thus deter m ining a s pon2tanous flux weaking.The tradit onal flux-weaking algorith m has t o calculate the base s peed.The ne w algorith mneedn’t know the base s peed and it is basically independent of the machine para meters.A model of direct t orquecontr ol of inducti on machine using the ne w algorith m is established according t o the analysis of the maxi m un t orque ofdirect t orque contr ol(DTC)of inducti on machine,and its si m ulati on research is perf or med.The si m ulati on results ofthe p r oposed contr ol algorith m is compared with that of the classical direct-t orque-contr ol.Si m ulati on results de m2onstrate the effectiveness of the contr ol sche me.KE YWO RD S:Flux-weakening;I nducti on machine;D irect t orque contr ol(DTC);Si m ulati on1　引言在很多实际应用中,电机在低速运行时保持恒定的转矩,如果功率恒定,那么在中高速的情况下电机的电磁转矩就会减小。

感应电机弱磁区转矩输出与电流动态性同步提升控制策略

感应电机弱磁区转矩输出与电流动态性同步提升控制策略摘要：弱磁控制技术是感应电机高速驱动的核心技术之一，传统弱磁方案存在直流母线电压利用率低与电压饱和问题，造成弱磁区感应电机输出转矩不足与电流动态性变差的问题。

为提升弱磁区电压利用率并抑制电压饱和，同步提升弱磁区输出转矩与电流动态性，基于此，对感应电机弱磁区转矩输出与电流动态性同步提升控制策略进行研究，以供参考。

关键词：感应电机;弱磁区;转矩输出;电流动态性;同步提升;控制策略引言目前，实现弱磁控制下交直轴电流给定的在线方法有电压反馈法、在线模型计算法和先验数据查表法。

电压反馈法通过增加一个电压环反馈实现弱磁电流的控制，该方法简单有效，并且不依赖参数，但无法实现最大转矩电压比的控制。

1概述感应电机（inductionmotors,IMs）高速驱动广泛应用于工业生产与日常生活当中，如电动汽车和钻孔机等场合。

在工业加工领域，感应电机高速驱动主要有如下三方面的性能需求：(1)要求尽可能高的最高转速以保证工件加工精度以及工件表面光滑度；(2)尽可能快的加减速性能，以缩短电机达到给定转速的时间，提高生产效率。

(3)优秀的电流动态性能，以使电流快速跟随给定，提升电机的抗扰性能。

针对需求(1)，需要通过弱磁(field-weakening,FW)控制提高感应电机最大运行速度。

然而，弱磁控制不可避免地会造成输出转矩的下降，导致感应电机承载能力下降。

输出转矩的下降会减弱电机的加减速性能，即需求(2)无法被满足。

另一方面，转速的提升导致反电势升高，造成电压裕量的不足，最终会造成电流动态性的下降，即需求(3)无法被满足。

2感应电机弱磁区最大转矩轨迹理论在基于转子磁链定向的矢量控制系统中，感应电机的电压方程可表示为：式中：usd,q为同步旋转坐标系中的d,q轴定子电压分量；isd,q为d,q轴定子电流分量；ωe为同步频率；σ为漏感因子，σ=1-L2m/(LsLr)；Rs为定子电阻；Ls，Lr，和Lm分别为定子电感，转子电感，与互感；λr为转子磁链；p为微分算子。

感应电机弱磁区最大转矩输出的控制策略研究

FAN Shengwen，
LI Ruizhi，
ZHOU Peng
（College of Electrical and Control Engineering，
North China University of Technology，
Beijing 100144，
China）
Abstract: In the traditional field-weakening methods，it can' t achieve maximum torque output. In order to solve
制策略；最终，将该方法用于转子磁场定向的全
速度范围矢量控制系统，实现了全速度范围的最
文献［10］给出了同步旋转坐标系下感应电
机的稳态电压方程式，
如下式：
u e∗ds = R s i e∗ds - ω e L′s i e∗ds
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 9 期
樊生文，
等：
感应电机弱磁区最大转矩输出的控制策略研究
出的电流优化分配控制策略。
首先，以实现最大转矩输出为目标，充分考
虑电压、电流的限制条件，进行合理分配，得出了
不同速段实现最大转矩输出理论的最优电流分
机电压和电流应满足以下方程式：
e∗2
2
u e∗2
ds + u qs ≤ U smax
ELECTRIC DRIVE 2018 Vol.48 No.9
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 9 期
感应电机弱磁区最大转矩输出的
控制策略研究
樊生文，
李睿智，
周鹏
（北方工业大学 电气与控制工程学院，
北京 100144）

感应电动机在弱磁区的高性能电流控制策略


I
2 max
，
可得
iqslim0
=
1− k 2 Imax 。
3.2 恒功率区的电流分配
电机在恒功率区的励磁电流的给定值和转矩电
流的限幅值记为 ids1，iqslim1。设励磁电流为
ids1 = kids1ids0
kids1＜1
（6）
根据电流限制条件
id2s1
+
iq2slim1
=
I
2 max
，可得
id2s1 + iq2slim1 = id2s0 + iq2slim0 根据转矩限制条件，可得
（7）KTBiblioteka ds1iqslim1ωr = k2
（8）
为保证系统的平滑过渡，在ω b 点的特性应该同 时满足恒转矩区和恒功率区的条件，因此，有
KTids0iqslim0ωb = k2
（9）
由式（8）和式（9），可得
ids1iqslim1
=
ids0iqslim0
ωb ωr
（10）
联立式（6）、式（7）和式（10），可得
2 矢量控制感应电动机模型
按转子磁场定向时，将以同步角频率ωe 旋转的 d，q 坐标系的 d 轴选取在与转子磁链ψr 相重合的位 置，使转子磁链的 q 轴分量为零，那么，感应电动 机的电压方程为[13]
udes
= σ Ls
pides
+
Rs′ides
− ωeσ Lsiqes
−
Lm Rr L2r
ψ
e r
（17）
式中 ξ ——与电机参数有关的常数。 联立式（13）～式（17），可得
⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ξkid=s2iq=isdlsiωωm11r1

感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究

感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究刘军锋,李叶松(华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉430074)摘要:为了实现感应电机的宽范围调速,针对按转子磁场定向时,d,q 轴电流的耦合效应,引入复平面矢量分析法,建立了感应电机的电压)电流矢量模型,分析了同步旋转PI 控制器在解耦方面的不足,提出了评价耦合强度的频率函数。

在复数传递函数的基础上,提出了一种电流矢量控制器,该控制器在确定系数后,无需电机参数,就可在宽调速范围内实现电流解耦控制。

实验结果证明了该方法的有效性和正确性。

关键词:感应电机;弱磁控制;电流控制;解耦控制中图分类号:T M 346 文献标识码:AResearch for C urrent Decoupling Control of Induction Motor in Field -weakening RegionL IU Jun -feng ,L I Ye -song(D ep ar tment o f Co ntr ol Science and Eng ineer ing ,H uaz hong Univer sity of Science andT echnology ,W uhan 430074,H ubei,China)Abstract:In order t o implement the speed regulation in a w ide r ang e,the complex v ecto r analysis method was intr oduced aimed to the cr oss co upling of d,q ax is curr ent o f induction moto r based on ro tor flux o rienta -tion.T he vo ltag e -cur rent vecto r model w as established.T he lack o f decoupling of synchronous fr ame PI con -tr oller was ana lyzed.A fr equency function w hich is used to ver dict stiffness o f coupling was pr esented.A cur -r ent v ect or co nt roller w as pr esented based o n complex tr ansfer function.Decoupling co nt rol of cur rent in a wide speed range can be realized dispensing w ith motor parameter s after the contr oller coefficients ar e deter -mined.T he va lidity of this method has been appro ved by ex perimental results.Key words:inductio n mo tor;field -w eakening co nt rol;curr ent co ntr ol;deco upling contr ol作者简介:刘军锋(1979-),男,博士后,Email:saviola_ljf@1 引言当前,采用矢量控制技术即磁场定向技术的全数字感应电机交流调速系统已广泛应用于诸多领域。

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阻全部忽略后，从定子端口看，电感量即为 L。漏 感要比互感小得多，一般取0.1。 若忽略定子电阻压降，稳态下由式(6)可得 usj 1(LisLm r/Lr)

Imax
Imax id
(7)
电流限制 椭圆 MTPA 线
假设 d 轴始终定向在转子磁链上， 由式(5)可得 ( r D1) rLm id
仿真和实验验证，实验结果证实了该方法的可行性。 关键词：感应电动机；弱磁；零电压矢量；最大转矩电流比 控制
0 引言
感应电机(induction motor， IM)具有转子结构坚 固、可靠性高、成本低等优点。采用矢量控制的感 应电动机交流调速系统已广泛应用于家用电器、电 梯曳引、汽车、机床等领域。采用电压源逆变器作 为感应电机的驱动装置时，由于受到驱动器最大输 出电压和电流的限制，高转速下，需要采用弱磁等 方法来实现恒功率运行；低速下，一般采用定子励 磁电流恒定，并调节定子转矩电流分量大小的控制 方法，但在轻载时采用这种方法的系统效率不高。 为了使感应电机在高速下仍然有足够大的转 矩输出，需要研究特殊的弱磁控制策略。传统弱磁 方法采用令磁链与电机转速成反比的控制算法[1-2]， 这类方法没有考虑直流母线电压波动的影响，也不 能实现最大转矩输出[3]。实际应用较多的是通过查 表修正等方法对磁链进行控制[4-11]，这类方法大多 需要知道基速，且在励磁电感等参数发生变化时控 制效果会受一定影响。文献[12]提出了一种过调制 算法用于判断永磁同步电动机的弱磁工作点，但如 何应用于感应电机尚待研究。近年来，利用 dq 轴 电压参考进行弱磁控制的方法受到了越来越多的 关注[13-14]，电压参考值和它的最大限制值之间的偏 差用于确定 d 轴电流的大小。这种方法对参数不敏 感，但如何最大限度地利用直流母线电压仍需研 究。在此基础上，文献[15]提出一种基于电压轨迹
uq 恒转矩曲线 MTPV 线
(16)
可见，通过判断零矢量的作用时间 T0(T0Ts T1T2)是否大于 0 可以作为弱磁与否的条件。当 T00 时，可认为电压矢量已经无法输出，达到了 极限，此时就需要进行弱磁。因此可设计弱磁算法 如下
* id T0 dt
(17)

(14)
式(13)、(14)构成了电流轨迹平面(id, iq)上的电 流限制圆和电流限制椭圆，如图 1 所示。所有的电 流轨迹点都要在这两者重合的面积范围内。转速增
(5)
加时，椭圆的面积减小。 将式(10)代入式(13)，可得
iq
式中 r为转子时间常数， rLr/Rr。
94
中
国
电
机
工
程
学
报
第 31 卷
控制的弱磁方法，该方法不需查表，且不需知道直 流母线电压等参数，但仍需要知道额定励磁电流的 大小。 本文建立了感应电动机的稳态数学模型，研究 了全速度范围下的电压和电流约束条件。通过分析 约束条件，提出了一种根据零电压矢量的作用时间 改变 d 轴定子电流大小的弱磁控制算法。同时还研 究了最大转矩电流比(maximum torque per ampere， MTPA) 算法和实现最大转矩控制时的电压电流运 行轨迹及其控制方法。 最后在 5.5kW 的系统上进行 了仿真和实验验证。
基金项目：国家自然科学基金项目(50877030)；国家科技重大专项 资助项目(2009ZX04010)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50877030); National Science & Technology Major Project (2009ZX04010)．

(8) (9)
Fig. 1
图1
全转速范围区的电流限制
sLm iq/( r r)

Current constraints in the whole speed range
第 30 期
万山明等：感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法
95
(
uq
1 Ls
)2 (

由式(1)、(3)、(4)可得 usRs is(Dj 1)(LisLm r/Lr)

(6)
速度增加 电流限制圆
恒转矩曲线
式中 L 为漏感，LLs，其中为漏感系数，

1L2 m/(Ls Lr)。将感应电动机 T 形等效电路中的电
1 Ls
ud
2 )2 I max
(15)
端点的活动范围在 6 个非零的特定矢量构成的六边 形内，在对应扇区内空间电压矢量可以分解成 2 个 相邻的非零矢量，其作用时间 T1、T2 必须小于开关 周期 Ts，即： T1T2Ts
由式(12)、(15)构成了电压轨迹平面(ud, uq)上的 电压限制圆和电压限制椭圆，如图 2 所示，所有的 电压轨迹点都要在这两者重合的面积范围内。转速 增加时，椭圆的面积增大。
2 2 id iq I max
机所承受的最大电压和最大电流分别为
2 2 ud uq U max
0Rr irD rj s r

(12) (13)
sLs isLm ir

rLr irLm is

式中：us 为定子电压矢量；is、ir 分别为定子、转子 电流矢量； s、 r 分别为定子、 转子磁链矢量； 1、

式中 Umax、Imax 分别为逆变器所能提供的最大电压 (相电压峰值)和最大电流(相电流峰值)。 将式(10)代入式(12)，可得
2 ( 1Ls iq)2( 1 Ls id)2Um ax

s 分别为同步电角速度和转差电角速度；Rs、Rr 分

别为定子、转子电阻；Ls、Lr 分别为定子、转子自 感；Lm 为互感；D 为微分算子；下标为 s、r 的量 分别代表定子和转子侧的物理量。 由式(2)—(4)可得 Lm is( rD1j s r) r
第 31 卷 第 30 期 2011 年 10 月 25 日 文章编号：0258-8013 (2011) 30-0093-07
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 351
报
Vol.31 No.30 Oct.25, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：470·40
3 最大转矩控制算法
由式(11)可见，令 id 为常数时，iq 与电磁转矩 Me 成正比。 与这种传统控制方法相比， 采用最大转 矩电流比控制可以在相同的定子电流幅值情况下， 获得更大的电磁转矩。如图 1 所示，只有当 id|iq| 时才能实现最大转矩电流比控制，因此将 id|iq| 对应的两条直线称为 MTPA 线。 MTPA 法的缺点是 id 随转矩的变化而变化，由式(8)可见，此时转子磁 链会随 id 变化，且有一个响应滞后的过程，因此与 传统控制方法相比， MTPA 法的动态响应性能稍差。 将式(10)代入式(11)，可得 L2 3 M e N p 2 m 2 uq ud 2 1 Lr Ls
1 感应电动机的数学模型
理想条件下，在 dq 同步坐标系下建立的感应 电动机定子电压和磁链方程为 usRs i电动机矢量控制系统由三相电压源逆变 器驱动时，由于受驱动器容量的限制，驱动器可以 提供的电压和电流矢量的幅值是有限的，因此电动 (1) (2) (3) (4)
Umax
Umax ud
式中为一个正常数，它决定了 id 的变化速度。在
电压限制圆 电压限制 椭圆
执行完弱磁算法后，应采用过调制算法对 T1 、 T2 进行限幅处理以便最后输出。根据式(17)，当 T00 后，id 将逐渐增加，直至达到其最大限幅值。
速度增加
图2 Fig. 2
全转速范围区的电压限制
WAN Shanming, CHEN Xiao
(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: In many applications such as electrical vehicle and computer numerical control machine, induction motor (IM) needs large speed range operation with constant output power. A new current and voltage trajectories control scheme for the field weakening operation of induction motor drive was presented. The proposed scheme allows the motor to exploit the maximum torque capability in the whole speed range with the constraints of maximum voltage and current of the motor and inverter. In the proposed control algorithm the lookup table is not required for currents references obtaining, which reduces the dependence on the motor parameters. The smooth transition between maximum torque per ampere (MTPA) and field weakening regions is implemented according to the integration of the time of zero voltage vector in SVPWM method. The validity of the proposed field weakening technique is validated by computer simulations and experimental tests with a 5.5kW induction motor drive system. KEY WORDS: induction motor (IM); field weakening; zero voltage vector; maximum torque per ampere (MTPA) control 摘要： 电动汽车、 数控机床等应用领域要求感应电动机具有 宽范围的恒功率弱磁调速能力。 提出一种感应电动机弱磁状 态下电压和电流轨迹控制的新方法。 在满足电机和驱动器最 大电压和电流约束条件的前提下， 该方法可实现全速度范围 内的最大转矩输出。 此方法不需要查表运算， 对电机参数的 依赖性较低。通过对 SVPWM 方法中得到的零电压矢量作 用时间的积分， 可得到 d 轴电流的给定值， 从而实现最大转 矩电流比(maximum torque per ampere， MTPA)控制区与弱磁 区之间的平滑过渡。在 5.5kW 系统上对所提弱磁方法进行