兵工●动化

目卸■●与接■

ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

Ｏ．Ｉ．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ２００８，Ｖ０１．２７，Ｎｏ．６

２００８年第２７卷第６期

文章编号：１００６—１５７６（２００８）０６～００６４－０３

异步电机高性能弱磁控制的研究

徐鹏飞１，孙建军２，刘俊邦１，张建国１

（１．武汉军械士官学校，湖北武汉４３００７５；２．海军９２８３０部队计量站，海南海口５７０２０３）

摘要：一种基于ＤＳＰ的全数字异步电机弱磁控制的设计，系统采用改进的空间矢量脉宽调制策略以实现全数字化系统，以及提高母线电压的利用率。通过电压最大化利用的优化弱磁控制策略以提高异步电机在弱磁区的带裁能力，以及延长异步电机恒功率运转的区间。试验结果证明该方案可行，系统性能达到预期目标。

关键词：异步电机；ＳＶＰＷＭ；弱磁；高速

中图分类号：ＴＭ３０１．４

文献标识码：Ａ

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

Ｈｉｇｈ

Ｐｅｒｆｏ姗ａｎｃｅ

Ｆｌｕｘ．ＷｅａｋｅｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｏｆＡｓｙｎｃｌｌｒｏｎｏｕｓ

Ｍｏｔｏｒ

Ｊｉａｎ－ｊｕｎ２，ＬＩＵＪｕｎ．ｂａｎ９１。ＺＨＡＮＧＪｉａｎ．ｇｕ０１

（１．ＷｕｈａｎＯｒｄｎａｎｃｅＰｅｔｔｙＯｆｆｉｃｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰＬＡ，Ｗｕｈａｎ４３００７５，Ｃｈｉｎａ；２．ＮａｖｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｔａｔｉｏｎ。Ｎｏ．９２８３０ＵｎｉｔｏｆＰＬＡ，Ｈａｉｋｏｕ５７０２０３，Ｃｈｉｎａ）

ＸＵＰｅｎｇ．ｆｅｉｌ，ＳＵＮ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｅｓｉｇｎｆｏｒｄｉｇｉｔａｌａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ

ｍｏｔｏｒｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＤＳＰｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓｍｏｄｉｆｉｅｄｓｐａｃｅ

ｖｅｃｔｏｒ

ｏｎ

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ｔｏａｒｅａ

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ｃｏｎｓｔａｎｔ

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ｍｏｔｏｒ．＇ｒｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｓｃｈｅｍｅｉｓ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ

ｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．

ｓｐｅｅｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

ｍｏｔｏｒ；ＳＶＰＷＭ：Ｆ１ｕｘ．ｗｅａｋｅｎｉｎｇ；Ｈｉｇｈ

Ｏ

引言

高性能异步电机驱动系统具有宽调速范围、快

双闭环间接矢量控制系统结构如图１。将图１

所示速度环、电流解耦、磁场定向、电流环以及ＳＶＰＷＭ都由ＤＳＰ通过软件来实现（即图中方框部分），称为全数字设计。与以往出现的模拟控制方式或者模数混合控制方式相比，全数字化的控制系统能有效地降低硬件成本，提高系统的可靠性，并且可以在不改变硬件的情况下，实现各种算法的重构和控制，使系统具有良好的开放性。

２

速响应、精确的准停功能、高速和超高速运行等特点【ｌ】。为满足要求，矢量控制技术是最好的控制方法，而间接矢量控制则是其中最利于实时实现的控制方案【２】。故利用ＤＳＰ，实现全数字的间接矢量控

制，并优化ＳＶＰＷＭ的过调制策略，提高母线电压

利用率，同时对弱磁区控制方法进行了改进，提高弱磁区的输出转矩，扩大恒功率工作范围。

１

空间矢量脉宽调制策略的优化

空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）策略是目前应用

全数字间接矢量控制系统简介

较广泛的脉宽调制策略，相比于正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）策略而言具有以下优点：具备更高的电压利用率，理论上最高调制比可达到１；容易数字化实现。在电机过载要求比较高或者在弱磁过程中，电压利用率的大小对性能的影响非常大，基于普通的过调制策略的ＳＶＰＷＭ【３】电压利用率并不能达到最大【４】。Ｊ．Ｈｏｌｔｚ在文献【５】中提出了新的过调制策略，该策略可以实现过调制区域电压利用率连续增大，并且最大值可以达到１。Ｄｏｎｇ—ＣｈｏｏｎＬｅｅ等人对这种方法做了进一步完善１６】，但这些方法都是

图ｌ

全数字双环间接矢量控制结构框图

在开环控制的基础上推导出来的，故结合闭环磁场

收稿日期：２００８—０３－０６：修回日期：２００８－０４－２５

作者简介：徐鹏飞（１９７６一），男．湖北人，２００１年毕业于南京炮兵学院。从事自动控制研究．

６４

万方数据

＾工－动化

自动曩■与控■

ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

０．Ｉ．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ

２００８，Ｖ０１．２７。Ｎｏ．６

２００８年第２７卷第６期

定向控制的电压输出特点，对上述方法进行了改进，使得闭环控制下电压利用率达到最大。

三相电压型逆变器如图２。由６个开关元件组成，以“１”表示任意桥臂的上桥臂开通，下桥臂关断，则逆变器状态（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）共有８种：（０００），（１１１），（００１），（０１０），（０１１），（１００），（１０１），（１１０）。

图２三相电压型逆变器

图３为逆变器开关状态对应的６种开关电压矢量，（０００）和（１１１）分别对应的是零矢量，在图中并没有标出。这６个开关电压矢量将平面划分为６个扇区，任意扇区的参考电压矢量都是由该扇区对应的开关电压矢量合成得到，如参考电压矢量处于

扇区１０中，则由开关电压矢量＿６和－２合成。

＋ａ

Ｖ３（０１１）

Ｗｌｏｏ）

ｖＩ（ｏｏＤ

图３开关电压矢量六边形和扇区划分

ＳＶＰＷＭ数字化实现的原理如图４，将处于某一扇区的电压矢量所对应的时间量分解为开关时间值ｔ１和ｔ２，如果ｔｌ＋ｔ２大于脉宽调制周期则进入过调制区域，此时，ｔｌ和ｔ２通常按下式进行计算：

ｔｌ：』ＰＷＭＰＲＤ

（１）

ｔ１＋ｔ２

ｔ２：ｊＬＰＷＭＰＲＤ

（２）

万方数据

ｋ。

Ｌ

／纵．

ｔｌ

Ｒｅ

图４ＳＶＰＷＭ分解图

采用这种方法能够获得的最大调制比（ｍｉ）为

况下提出的。故针对闭环控制的特点，对线性化公

式进行修改得到：

ｉｆ（ｍｉ＞ｌ＆ｍｉ＜１．０２８３）

ａｈ＝６．４０＊ｍｉ．６．４０

ｉｆ（ｍｉ＞＝１．０２８３＆ｍｉ＜１．０４５８）

ａｈ＝１１．７５＂ｍｉ．１１．９ｌ

ｉｆ（ｍｉ＞＝１．０４５８＆ｍｉ＜＝１．０４８３）

ａｈ＝４８．９６＂ｍｉ．５０．７９

ａｈ为文献【６】中给出的保持角．

虽然这种过调制方案增加了算法的运算量，但轴驱动系统而言是重要的。

３弱磁控制的优化

电机在额定转速以上运行时，由于电压不能再升高，只能通过减小磁通而达到提高转速的目的，

即弱磁升速。在间接矢量控制中，将磁场电流与速的优化方案，并将其应用到系统之中。

间接矢量控制系统中，感应电机稳态情况下的

电压等式为：

Ｖｄ。＝ｉｄＩＲＩ—ｉｑ。ｏＬ。∞ｅ（３）

Ｖｑ。２ｉｑＩＲＩ＋ｉｄｓＬ８∞ｅ

（４）

其中：Ｒｓ为定子相电阻；Ｌｓ为定子电感；ｏ为总漏感系数。

在高速区域，电阻压降通常都忽略不计，因此

６５。

Ｏ．９５１７，文献【６】给出的线性化过调制方法是开环情对电压的提高是明显的，这对于需要弱磁控制的主度成反比是最普通的弱磁策略‘７１，但这种方法并没

有考虑磁场电流和转矩电流的最优分配，即电流利

用率的问题‘８，９１，因此不能获得最大的输出转矩，使

得电机的恒功率区缩短，升速时间加长。故根据主轴电机运行的电流、电压限制条件，利用电机在间

接矢量控制系统中的数学模型，导出一种磁场电流

＾工－动化

目曲■■与控■

ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

０．Ｉ．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ

２００８，Ｖ０１．２７，Ｎｏ．６

２００８年第２７卷第６期

等式（３）、式（４）简化为：

Ｖ山２一ｉｑ－ｏＬ－∞ｅ（５）Ｖｑ－＝ｉｄＩＬ。ＣＯｅ

（６）

受母线电压和ＰＷＭ调制策略的限制，施加在定子上的最大相电压为有限值（Ｖｍａｘ），因此ｄ／ｑ旋转坐标系下的电压Ｖｄｓ、Ｖｑｓ必须满足以下关系：

吨＋唯ｓ吐

（７）

结合等式（５）和式（６），可知：

当ｉｄｊ＝最时，输出转矩是最大的，此时

．４。Ｖ。。。’’２ｍ。‘ａ‘。ｘ。。。。－。。。。ａ。。。２’’’ｉ’２。—。

ｌ驴２

ｂ

其中：ａ＝Ｌｓ∞ｅ，ｂ＝ｏＬｓ∞ｅ。

通过这种方法来给定磁场电流，可以充分利用

电压，从而提高了电机的带载能力，延长了恒功率运行的区间。

４物理试验

试验用电机为７．５ｋＷ，２对极，额定转速

１５００ｒ／ｍｉｎ，最高转速为８０００ｒ／ｒａｉｎ的异步电机。

为说明弱磁控制优化的效果，对通常采用的弱磁控制策略（ｄ轴电流与速度成反比）和弱磁控制

策略进行对比试验。图５是０～８０００ｒ／ｍｉｎ速度阶跃对比试验，图６是带载对比试验。

８０００７０００６０００

逗５咖

ｉ舢

帮３０∞

２０００１０００

０

０

２００

４００

６００

８００

ｌ∞Ｏ

时间（３．￥ｍｓ／＆字）

圈５

Ｏ～８０００ｒ／ｍｉｎ速度阶跃对比试验曲线

（ａ）采用弱磁控制策略的速度阶跃曲线；（ｂ）采

用ｄ轴电流与速度成反比的方法。

（ ）恒功率运行时理论输出转矩；（△）采用弱磁控制策略的输出转矩；（０）采用ｄ轴电流与速度成反比时的输出转矩。

由图６可看出，不管是升速的快速性还是带载

万方数据

能力，弱磁控制策略都优于通常的弱磁方法。

５０４５４０

—３５昌

Ｚ

３０

１昔｝２５聋

书２０

采１５

１０

ｔ０００

１５００

２０００２５００３０００

３５００４０∞４５００

５０００５５００

速度（ｒ／ｍｉｎ）

图６

２种弱磁控制策略的带载对比试验曲线

５

结论

该设计方案对多个环节进行了优化，进一步提

高了性能。通过物理试验说明该方案可行，性能改善明显。

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