基于电压闭环的异步电机弱磁控制研究

基于电压闭环的异步电机弱磁控制研究李长兵

（广州数控设备有限公司，广东广州510006）

摘

要：传统电压闭环弱磁方案具有易实现、对电机参数不敏感、鲁棒性强等优点，为了解决感应电机在弱磁区电流动态响应性能

下降的问题，基于电压闭环弱磁方案，引进q轴电流跟踪误差函数，结合弱磁PI控制器来给定励磁电流，使电流的分配更加合理，改善了系统在弱磁区的动态性能。

关键词：异步电机；弱磁控制；动态性能

0引言

感应电机具有转子结构坚固、成本低、调速范围宽等优

点，其传统的控制算法容易产生过大磁链，且无法提供最大转矩输出[1]。实际运用较多的查表法，通过查表对磁链进行控制，该方法对电机参数敏感，不具有通用性。电压闭环弱磁方案为近年来较为流行的算法，具有对电机参数敏感度低及鲁棒性强的优点，但仍存在如何最大限度利用直流母线电压的问题。

本文通过建立感应电机稳态数学模型，研究分析了电机全速度范围电流、电压约束条件，在电压闭环弱磁方案的基础上，提出了一种考虑转矩电流分量的弱磁控制策略，通过减小励磁电流提高系统的动态特性，使系统具有更好的跟踪特性。

1感应电机数学模型在理想条件下，当电机运行在高速状态，且忽略暂态量及

定子电阻分量，电机模型可简化为：

usd=-棕e滓Lsisq（1）usq=棕eLsisd

（2）

式中，usd、usq为定子电压的d、q轴分量；isd、isq为定子电流的d、q轴分量；棕e为同步角速度；Ls为定子电感；滓为漏感系数，滓=1-Lm2/LsLr），Lr为转子电感，Lm为互感。

电磁转矩为：

M=3·p·Lm2

e22Lisqisd

（3）

r

式中，p/2为极对数。

2感应电机的弱磁控制算法感应电机高速运行时，能提供给电机的最大电压受逆变

器容量的，同时还受到电机允许输出最大电流的，因此电压、电流约束条件如下：

usd2+usq2≤usmax2（4）isd

2

+isq

2≤i

smax

2（5）

式中，usmax与直流母线电压和PWM调制策略有关，本文采用SVPWM调制，取usmax=udc/能承受最大电流，一般取1.5姨3～2；倍ismax为电机长时间运行定子所

额定电流。

将式（1）、（2）代入（4）、（5）中得：

（-蓸棕e滓Lsisq）2+（棕eLsisd）2

≤usmax2

（6）棕uLsq

由式（6）、（7）可得蔀2

+到蓸-es

棕ue

滓sd

Ls

在直角坐蔀2

≤i

smax

2

（7）

标系构成的电流圆和电流椭圆，如图1所示。电机运行时电流轨迹始终在电流圆与电流椭圆的重合面积之内。此外，随着转速的增44加，椭圆面积不断减小。

图1全速段电流约束条件

由式（4）、（7）可得到在直角坐标系构成的电压圆和电压椭圆，如图2所示。电机运行时电压轨迹始终在二者重合的面积内。此外，随着转速的增加，椭圆面积不断

增大。

图2全速段电压约束条件

由式（6）可知，随着转速升高，电机升速需要的电压将超过umax，由于受最大电压的约束，可以通过降低励磁电流isd来使电机继续升速。

3基于电压闭环的异步电机弱磁策略弱磁算法的核心是如何控制励磁电流的给定。传统的电

压闭环弱磁算法的思想是将电机升速所需的参考电压uref与umax相比，当uref＞umax时说明系统已无法提供更大电压，需降低励磁电流，反之则应加大励磁电流，这可以通过一个PI调节器实现。考虑到电机正常运行的磁链给定，需对励磁电流进行限幅处理[2]。图3为传统电压闭环弱磁算法的控制框图，采用传统电压闭环弱磁算法时，随着转速的上升，q轴电压迅速增加，导致转矩电流反馈值减小，从而降低了q轴电流的动态特性；同时，d轴电压裕量的不足，使得d轴电流的动态性能较差，恶化了整

（ZhuangbeiYingyongyuYanjiu◆装备应用与研究个系统的动态性能。本文采用的方法是在传统电压闭环弱磁算法的基础上，通过改变励磁电流的给定使励磁电流和转矩电流的分配更加合理。励磁电流由弱磁PI控制器的输出与q轴电流跟踪误差函数f驻i同时给定，使得q轴电压usq达到饱和状态

sq

控制时速度波形的对比，给定速度为500r/s，其中下方为改进算法得到的速度波形，通过比较可知，改进算法速度响应更快，动态性能更佳。

时q轴电流仍能快速跟踪给定，原理如图4所示。

udc/姨3图3传统电压闭环弱磁控制方法

图6速度波形对比

图7为采用传统电压闭环方法和本文改进算法进行弱磁控制时的d轴励磁电流波形对比，其中下方为本文采用的改进

udc/姨3f驻i

sq

算法，可以看出，本文采用的改进算法得到的励磁电流波形相对平滑，使电流的动态响应性能得到了改善。

图4本文采用方法

参考励磁电流的计算如式（8）所示：

f驻i为式中，isd_ref为参考励磁电流；f驻i为q轴电流跟踪误差函数；

sq

sq

嗓驻i=i-i

sq

*

sq

isd_ref=isd+f驻isq

sq

（8）

q轴电流跟踪误差；isq*为参考q轴电流。

异步电机弱磁控制系统框图如图5所示。

图7电机启动过程相电流和励磁电流给定曲线

5结语本文提出的改进算法，相比传统

的电压闭环方法，能有效改善传统电压闭环弱磁方法在弱磁区动态性能下降的问题，响应速度更快。该算法结构简单，易于工程实现。

［参考文献］

[1]XUXY,NOVOTNYDW.Selecting

thefluxrefenceforinduction

f驻i

machinedrivesinthefield

sq

weakeningregion[C]//ConferenceRecordIndustry

of

the

1991

IEEE

Application

Society

AnnualMeeting,1991:361-367.[2]万山明，陈骁.感应电动机转子磁

图5异步电机弱磁控制系统框图

场定向下的弱磁控制算法[J].中国电机工程学报，2011，31（30）：93-99.

4仿真结果及分析仿真所采用的感应电机参数如下：额定电压UN=340V，额

定电流IN=13A，额定功率PN=5.5kW，额定频率fN=50Hz，额定转速nN=1000r/min，最高转速nmax=7000r/min，极对数p/2=2，额定转矩TN=30N·m，转动惯量为0.002kg·m。

2

收稿日期：2018-05-09

作者简介：李长兵（1975—），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，研究方向：伺服驱动。

图6为采用传统电压闭环方法和本文改进算法进行弱磁

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