[发明专利]电机矢量控制中励磁电流的动态控制方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种电机励磁电流的控制方法，可应用在高动态性能电机驱动的控制系统中。在使用电机矢量控制法驱动异步电机或永磁同步电机等各种交流旋转电机时，按照本发明提出的算法，根据电机特性和转速、负载大小等运行状况可自动决定矢量控制中所要求的电机的励磁电流值。按照本发明提供的控制方法，无论电机是否安装了位置传感器，也即无论使用的是有位置传感器矢量控制还是无位置传感器矢量控制，也不论电机是异步电机还是永磁直流电机或者直流无刷电机，电机在整个速度范围内运行时都可以动态控制电机励磁电流的大小，从而实现励磁电流控制的无电机参数化，而且在电机高速运行时可自动实现通常意义上的弱磁控制。应用这种方法，不仅避免了矢量控制法事先需要检测计算电机参数等繁杂的过程，而且可以自动适应同一电机在不同工况时的运行状态所导致的参数变化，极为简便实用。

背景技术

在电机驱动应用中，矢量控制法由于解耦了励磁电流和转矩电流的相互耦合关系，单独控制励磁电流和转矩电流成为可能，使得交流异步电机、永磁同步电机等交流电机的动态、稳态运行特性都可以与直流电机相媲美，因此矢量控制法在电机驱动的高端应用中得到了广泛地普及，目前国内外极大多数的变频器厂商在高端产品上几乎都具备了矢量控制模式。

然而，矢量控制法从根本上来说，是一种根据电机的基本原理将电机的交流电压和交流电流通过旋转坐标系的坐标变换后解耦了励磁电流和转矩电流并加以控制的方法，在具体控制过程中大量使用了电机的定转子电阻、电感等参数，特别是普通的无位置传感器矢量控制，对电机参数的精度要求尤其严格。具体来说，要控制励磁电流，则控制系统必须首先需要有励磁电流的指令值。通常在执行矢量控制逻辑前，需要将电机的定转子电阻、定转子漏感、互感或者直轴、横轴电感等电机参数情报输入控制系统中，或者利用事先编制的步骤测出电机的参数值，然后计算出额定励磁电流值并作为指令值加以控制。

例如对于异步电机而言，一般的方法是首先需要计算出或者实测出电机的额定磁链值和互感值，然后将额定磁链值除以互感值得到额定励磁电流。在电机旋转速度低于额定转速时一般保持励磁电流为一常数，而当电机旋转速度高于额定转速时则按转速的反比例计算出此时的励磁电流指令值而加以控制，而这个过程一般被称为弱磁控制。

由于上述步骤较为繁琐，同时由计算得到的数值有可能随着电机的温升、铁心的饱和度等实际运行状况变化，特别在通用变频器等实际工程应用中，直流电压由交流电源整流得到，所以一般在电机的额定转速附近输出电压没有余量。如果此时励磁电流的指令值稍稍偏大，则容易造成电机感应电压偏大，使得电机达到额定转速前就因变频器输出电压与感应电压及定子压降平衡，电机转速不能进一步提升。另外，在电机的旋转速度超过额定转速时，如果不调整减小励磁电流以适当减少电机的磁场强度，同样电机转速将无法继续上升。反过来，如果励磁电流偏小，则会造成电机没有工作在设计动作点上，电机磁场强度不足，使得电机感应电压偏小，此时矢量控制的电流控制环在偏小的感应电压下，容易造成输出电压偏小，其结果使得同样输出功率时电流偏大，这不仅降低了变频器的功率器件的利用率，而且电机的效率也随之降低。

本发明提出的励磁电流动态控制法，利用调整励磁电流的大小来调整电机感应电势，使变频器的输出电压工作在指定的电压上。其原理简单可靠，可有效地控制励磁电流工作在最优动作点，使整个电机矢量控制系统合理运行。

发明内容

本发明旨在为电机矢量控制法提供一种简单实用的励磁电流动态控制法，其特征在于包含如下技术内容：

(1)利用VVVF控制法中常用的输出电压/频率曲线(V/F曲线)，建立起一张输出线电压/转子频率的表格。输出线电压/频率曲线可以简单地设置为图1所示的直线①；考虑到电机的不同负载特性，也可以设置为图1中所示的S曲线②，或者设置为曲线③或曲线④，或者设置为用户自定义特性曲线。这些曲线代表着电机运行时转子频率和电机输出线电压之间的一个最优的关系。

(2)有位置传感器矢量控制时，控制系统可根据位置传感器计算出当前电机的转子运行频率f_r或转子角频率ω_r；而在无位置传感器矢量控制时，控制系统有一套电机转子位置推算逻辑，可以推测出当前电机的转子运行频率f_r或转子角频率如图2所示的无位置传感器矢量控制系统，便可以在速度观测器模块(Speed Observer)中，通过电流电压信息推算出当前电机的转子运行频率f_r和转子角频率