一种感应电机效率优化的控制方法技术

本发明专利技术公开一种感应电机效率优化的控制方法。包括如下步骤：一、根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到在无约束条件下使损耗最小的励磁电流值。将q轴电流和同步角速度带入电压限制边界，得到另一个励磁电流值。二、当同步角速度小于等于基速时，采用步骤一中使损耗最小的励磁电流作为励磁电流的参考值；当同步角速度大于基速时，取两个励磁电流的最小值作为励磁电流的参考值，并将额定励磁电流作为该值的上限。三、根据步骤二中励磁电流的参考值并考虑转矩最大化和电流限制，得到q轴电流参考值的限制。该方法将电机的效率和转矩作为优化目标，考虑限制条件，在保证转矩输出能力的同时，提高了电机的效率。

A control method for efficiency optimization of induction motor

The invention discloses a control method for optimizing the efficiency of an induction motor. It includes the following steps: first, according to the loss model of the motor and the calculation method of the electromagnetic torque, the excitation current value which makes the loss minimum under the unconstrained condition is obtained. The q-axis current and synchronous angular velocity are brought into the voltage limit boundary to obtain another excitation current value. 2. When the synchronous angular speed is less than or equal to the base speed, the excitation current with the minimum loss in step 1 is used as the reference value of the excitation current; when the synchronous angular speed is greater than the base speed, the minimum value of two excitation currents is taken as the reference value of the excitation current, and the rated excitation current is taken as the upper limit of the value. 3. According to the reference value of excitation current in step 2 and considering torque maximization and current limitation, the reference value limitation of q-axis current is obtained. In this method, the efficiency and torque of the motor are taken as the optimization objectives, and the limiting conditions are considered. The efficiency of the motor is improved while the torque output capacity is guaranteed.

【技术实现步骤摘要】
一种感应电机效率优化的控制方法
本专利技术涉及交流感应电机控制
,属于一种感应电机效率优化的控制方法。
技术介绍
近来，混合动力电动车辆和电动车辆已被广泛使用，电动机作为其驱动装置起着重要作用。三相鼠笼式感应电动机(IM)在许多方面具有许多优点，如鲁棒性，可靠性，成本，最大额定功率和最大峰值速度。先进的控制策略，如磁场定向控制(FOC)或直接转矩控制(DTC)与现代电力电子设备相结合，可以精确控制电机的工作点。当感应电机高速旋转时，其运行进入弱磁区，此时电机所能提供的最大转矩将降低，并且电压和电流必须同时满足相应的电压和电流限制。目前，大多数弱磁控制方法以最大化输出转矩的范围作为优化目标，考虑电压和电流限制并根据转速来确定励磁电流，根据参考转矩调节转矩电流，从而可以将电磁转矩的输出范围提高到最大值。随着电动汽车的生产和普及，电机作为需要在电动汽车中长时间使用的驱动装置，其效率即使是在很小的范围内被提升，也会对节能产生重要的影响。实现感应电机效率优化的方法一般包括：设计优化、稳态工作点优化、动态过程优化三种方法，通过控制方法实现优化需要采用后两种方法，而动态过程的优化一般需要的更复杂的方法，本文采用的稳态工作点优化方法，可以通过相对容易的方法实现。根据电流的热效应和磁畴理论，感应电机作为一种能量转化装置，在将电能转化为机械能的同时，会有一部分能量被浪费在磁滞损耗和涡流损耗中，因此节能可以通过降低损耗来实现。在选择电动机时，通常会考虑保留一定余量以提高可靠性，因此电动机可提供的转矩通常大于负载转矩。电机转速的提升是建立在电磁转矩大于负载转矩的基础上的，因此速度如果可以提升，最大电磁转矩必然要大于负载转矩，当电机运行进入稳态时，电磁转矩必然需要下降到与负载转矩相等，此时可以采取新的电流分配方法，在保持需求电磁转矩的同时，使电机损耗降到最低,进而提高电机的效率。
技术实现思路
本专利技术技术解决的问题：提出一种感应电机效率优化的控制方法，该方法在全速域范围内将效率和转矩作为优化目标，并考虑电压和电流的限制因素，设计分配d-q轴电流的方法，在保证转矩输出能力的同时，提高电机的运行效率。该方法在原有的电机矢量控制系统的基础上，可以通过较为容易地修改代码实现，因此具有易于实现的特点。一种感应电机效率优化的控制方法，包含以下步骤：步骤一实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系(α-β)中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为系统需要的有效信息。步骤二根据步骤一中得到的感应电机的转速和在静止坐标系中的电流值，采用PARK变换计算定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值；采用磁链的电流型观测器计算转子磁链并计算其幅值和角度；根据电磁转矩在旋转坐标系(d-q)中的计算方法计算电磁转矩；根据计算得到的定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值，以及转子的旋转角速度，计算得到同步角速度ωe；根据电压和电流限制及额定励磁电流isdrated计算得到电机的基速ωebase。步骤三根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到无约束条件下使损耗最小的励磁电流：上式中Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和互感(H)，Rs、Rr为定子电阻和转子电阻(ohm)，Ri铁损耗的等效电阻，np为电机的极对数，下标s表示电机定子中的物理量，下标d表示该物理量在(d-q)坐标系中d轴上的分量。将q轴电流isq和同步角速度ωe带入电压限制边界，得到相应的励磁电流：上式中Usmax为电压矢量的幅值最大值。将参考电磁转矩替换isd1表达式中的电磁转矩Te进行isd1的计算。当ωe小于等于ωebase时，采用isd1作为励磁电流的参考值，即当ωe大于ωebase时，根据isd1与isd2的最小值作为励磁电流的参考值，并在输出部分以isdrated作为上限。步骤四根据计算得到的励磁电流的参考值并考虑转矩最大化和电流限制，可以得到q轴电流的限制，即isqlimit。所述步骤二中磁链的电流型观测器及磁链幅值和磁链角度的计算方法如下：上面四式中为磁链(wb)，i为电流(A)，下标r表示转子中的物理量，α、β分别表示相应的物理量在对应坐标轴上的分量，p为微分算子，ωr为电机输出的机械角速度(rad/s)。电磁转矩的计算方法如下：同步角速度的计算方法如下：上式中电压和电流限制如下：上式中Ismax为电流矢量的幅值最大值。所述步骤三中的损耗模型如下：上式中Ploss为电机总损耗，Pcur为转子铜损耗，Pcus为定子铜损耗，Piron为铁损耗。所述步骤四中的q轴电流参考值的限制如下：上式中为一般矢量控制系统中，在弱磁区考虑最大化转矩输出范围所得到的结果，为电流限制的边界条件，函数min()表示取最小值。该方法相对于以往的控制方法，可以提高电机的运行效率。有益效果：在全速域范围内将效率和转矩作为优化目标，并考虑电压和电流的限制因素，设计分配d-q轴电流的方法，在保证转矩输出能力的同时，提高电机的运行效率。该方法在原有的电机矢量控制系统的基础上，可以通过较为容易地修改代码实现，因此具有易于实现的特点。附图说明图1感应电机效率优化控制方法的系统整体框图；图2弱磁区，电机损耗对比图；图3弱磁区，电机效率对比图；图4弱磁区，电机转速响应对比图；图5弱磁区，新方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；图6弱磁区，以往方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；图7基速以下，电机损耗对比图；图8基速以下，电机效率对比图；图9基速以下，电机转速响应对比图；图10基速以下，新方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；图11基速以下，以往方法的电机(d-q)轴电流分配结果及跟踪效果图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提出一种感应电机效率优化的控制方法，感应电机效率优化控制方法的系统整体框图如图1所示。其中旋转变换(2s/2r)和反旋转变换(2r/2s)即为PARK和IPARK变换，3/2变换为CLARK变换。控制器部分采用4个PI控制器，分别为转速控制器(ASR)，转矩控制器(ATR)，电压控制器(ACMR)和(ACTR)，且相应控制器输出值即为相应的参考值，例如转矩控制器(ATR)的输出即为转矩参考值。本专利技术提出一种感应电机效率优化的控制方法，其实施步骤如下：步骤一实时地通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种感应电机效率优化的控制方法，包含以下步骤：/n步骤一/n实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系(α-β)中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为系统需要的有效信息；/n步骤二/n根据步骤一中得到的感应电机的转速和在静止坐标系中的电流值，采用PARK变换计算定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值；采用磁链的电流型观测器计算转子磁链并计算其幅值和角度；根据电磁转矩在旋转坐标系(d-q)中的计算方法计算电磁转矩；根据计算得到的定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值，以及转子的旋转角速度，计算得到同步角速度ω

【技术特征摘要】
1.一种感应电机效率优化的控制方法，包含以下步骤：
步骤一
实时地通过电流传感器和转速传感器，分别采集感应电机中的相电流和转子的旋转速度，通过CLARK变换得到定子电流在静止坐标系(α-β)中的值，并将其与转速一起保存到相应变量中，作为系统需要的有效信息；
步骤二
根据步骤一中得到的感应电机的转速和在静止坐标系中的电流值，采用PARK变换计算定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值；采用磁链的电流型观测器计算转子磁链并计算其幅值和角度；根据电磁转矩在旋转坐标系(d-q)中的计算方法计算电磁转矩；根据计算得到的定子电流在旋转坐标系(d-q)中的值，以及转子的旋转角速度，计算得到同步角速度ωe；根据电压和电流限制及额定励磁电流isdrated计算得到电机的基速ωebase；
步骤三
根据电机的损耗模型及电磁转矩的计算方法得到无约束条件下使损耗最小的励磁电流：



上式中Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和互感(H)，Rs、Rr为定子电阻和转子电阻(ohm)，Ri铁损耗的等效电阻，np为电机的极对数，下标s表示电机定子中的物理量，下标d表示该物理量在(d-q)坐标系中d轴上的分量；
将q轴电流isq和同步角速度ωe带入电压限制边界，得到相应的励磁电流：



上式中Usmax为电压矢量的幅值最大值；
将参考电磁转矩替换isd1表达式中的电磁转矩Te计算isd1；当ωe小于等于ωebase时，采用isd1作为励磁电流的参考值，即当ωe大于ωebase时，根据isd1与isd2的最小值作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德军，郑强，史德伟，王丽华，梁亮，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22