交流异步电机矢量控制系统总结报告

1交流异步电机矢量控制系统调试总结报告本次设计交流异步电机矢量控制系统用于上海交通大学纯电动汽车。电机驱动控制器设计制作于7月18号完成，调试时间为7月6号至8月12号。试验总结报告全文如下：1、对矢量控制系统的几点考虑（1）交流异步电机矢量控制系统的一般调试步骤①检测空间电压矢量输出电压波形。给定两个控制参考电压量sdu、squ，软件模拟产生同步旋转角1从2~0周期性变化，并将该角度作为反旋转变换角，将变换后得到su、su作为输入量给SVPWM，同时检测SVPWM输出波形。实现框图如下：②对电机三相电流采样并做3/2变换，得到si、si，运用（1）得到的同步旋转角做旋转变换，检测sdi、sqi是否为直流量，以验证解耦控制是否成功。实现框图如下：③运用开环控制使电机正常运转，检测电机转速信号，并根据转子磁通的ni模型，检测转子磁通、计算滑差频率以及同步旋转角的变化规律。实现框图如下：④磁通控制量sdu和转矩控制量squ分别由各自的电流调节器产生，并作为输入量用于SVPWM。实现框图如下：反旋转变换SVPWM3/2变换旋转变换磁通模型PI调节器SVPWM2（2）矢量控制系统中电机磁路饱和对磁场定向的影响磁路饱和是由于电感随电机定子电流过大增大而发生变化，使得磁通与励磁电流之间不再保持线性关系，当励磁电流达到一定值时，磁通出现增加缓慢，产生饱和。①对转子磁通的影响磁场定向下，转子磁通：mrmrisTL1标准电机设计时，一般取：semii6.0~2.0，sei为额定工况下定子相电流有效值。为了提高r的额定值，可以适当降低滑差频率，有利于电机的稳定运行。由于受磁路饱和的影响，转子磁通不能太高。当给定转子磁通超过饱和磁通时，就会破坏转子磁通定向。②对输出转矩的影响磁场定向下，电磁转矩：smrrmmiTLLpT22当励磁电流mi保持不变时，电磁转矩为一条直线，其斜率取决于mi即转子磁通r的大小，因而由于磁路饱和，斜率受到限制，从而限制电磁转矩。22mrrmsmiTLLpT③对转矩电流的影响磁场定向下，电磁转矩可表示为：22221sssqssqrmsqsdrmmiiiiiLLpiiLLpT因而最大转矩发生在707.0ssqii，即sqsdii时，且最大转矩与定子电流平方成正比。由于磁路饱和的影响，增大转子磁通，则需要大大增加mi。因而一般采取的方法是通过增大sqi来提高电磁转矩。④对弱磁运行的影响磁路饱和时，实际电机中定子电感sL、转子电感rL与设计定子电感*sL、转子电感*rL将产生偏差，令：*mmLL，则可得：PI调节器3*******1mrmrmmrmrmrrLLLLLLLLLLLL对于大容量电机，*mrLL、**mrLL可以忽略，即*rrLL。*mmLL与磁路饱和程度、负载大小以及给定值*mL的选取相关。当电机恒磁通运行时，取mnmLL*，mnL为设计电感，在输出转矩不超过3倍的额定转矩时，*mmLL变化较小，使实际转子磁通变化不大。当电机运行于弱磁区时，*rr逐渐变小，使得转矩变化明显，此时选择mnmLL*对电机的输出性能将产生影响。2、7月6号~7月7号试验总结试验分为三个步骤进行：①利用VVVF开环控制软件测试系统稳定性，包括电源、电机驱动器、牵引电机和负载等，并将试验结果（电机定子三相电流、电磁转矩、电机转速、电机轴输出功率、电机驱动器输入电流、电压等）作为矢量控制系统在同等工况下的参考状态。②运用矢量控制软件测试电机起动的平稳性和快速性。③运用矢量控制软件测试电机空载运行情况，最高转速、峰值功率及系统效率等。试验问题：（1）矢量控制起动时，电机空载起动过程中出现抖动、爬行，起动后转矩波动较大。当母线电压达到150~180V时，出现电流保护，电机不能正常起动。原因分析：该矢量控制系统采用转矩闭环控制方式,对于磁通电流给定值直接通过电机转速得到，中间不通过磁通调节环节。电机起动时，采用静止励磁方式，即先通入磁通坐标轴上电流，待电机气隙中建立一定的磁场后，再施加转矩坐标轴上电流。这种控制方式有利于限制电机起动时出现的磁通饱和，减小电机起动过程中的峰值电流。然而，如果静止励磁过程中，给定磁通电流分量过大，则容易引起起动过程中的磁通饱和，使电机起动过程出现振动，电流波动大，甚至引起相电流保护。处理办法：减小静止励磁对应的给定磁通电流，同时对磁通电流调节器输出的电压分量限幅处理。试验结果：电机可在母线电压为312V下平稳起动。（2）电机运行过程中，负载突变时容易产生电机相电流保护。原因分析：转矩电流调节器的PI参数调整不合理，可使得系统对负载变化较为敏感，较小的负载变化可引起电机相电流震荡，导致相电流保护。当反馈电流与给定电流相差较大时，由于PI参数不合理，容易导致电流闭环不能发挥作用，使系统不稳定。处理办法：调整PI参数。试验结果：电机在全速度范围内加减载正常。（3）矢量控制带负载起动困难，接近额定转速时，出现转矩波动，并导致相电流保护；4利用VVVF试验时，电机轴输出功率低，电机转速接近额定转速时，出现相电流保护。原因分析：21所电机驱动控制系统试验台采用牵引电动机拖动永磁同步发电机旋转，永磁同步发电机发出电能送水负载（R）消耗。相对于牵引电动机，系统负载可表示为：RnCTeL155.922由上述负载公式可知，制动力矩正比于电机转速，且与R成反比。牵引电机输出转矩—转速特性与负载特性如下图所示：MT1R11,fu2R22,fu3R0Ln1n图1电机转矩——转速特性和负载特性上图中，321RRR，当电机运行在不稳定区（0~Ln）时，VVVF控制过程中，提高定子频率，必然导致电机输出转矩不足而停机。当电机运行在稳定区域（1~nnL）时，如果负载很大，电机定子频率升高时，电机转速上升，负载随同电机转速升高而增加，使得电机转差频率不断增大。当转差频率超过最大转差频率时，电机运行至不稳定区，使电机停机。处理办法：试验采用空载或低负载起动，起动后加负载；当电机超过额定转速进入弱磁区时，适当降低负载，以提高电机转速，增大电机轴输出功率。试验结果：电机空载运行可达10000rpm；运行至7000rpm时，电机轴输出功率超过40kW；电机在全速度范围内加减载正常。（4）VVVF控制时，电机空载起动正常，转速上升后出现相电流波动，电机晃动较为明显；转速超过3000rpm时，电机运行正常。原因分析：三易电机参数如下：013293.01R、0119515.02R、43431.31LmH、50981.32LmH、35816.3mLmH。从电感量可以看出，该电机为高饱和电机，这类电机工作时，很小的励磁电流就能够产生很高的磁通，即磁通很容易饱和。磁通饱和时，要提高电磁转矩，通过增加磁通来实现时，将导致励磁电流大大增加，使得电机相电流大幅度增加，同时出现相电流波动。出现磁通饱和的原因是VVVF控制的V/f1曲线与实际电机特性不匹配。处理办法：通过改变定子频率f1和母线电压Ud，测试电机能够稳定运行时的对应V/f15的对应关系，电机能够稳定运行点在磁通接近饱和点。试验结果如下表所示：f1（Hz）427490114160200Ud（V）50100110140172190V1（V）42/200×50=1074/200×100=3790/200×110=50114/200×140=80160/200×172=138200/200×190=190由上表得出V/f1试验数据，可绘出全频率范围的V/f1曲线如下所示：图2三易电机测试V/f1曲线根据以上试验曲线，考虑到低频时定子电阻压降，采用以下控制方式：1121145.0205.0fVfV45.045.011ff由上述方程得到的V/f1控制曲线如下图所示：图3开环控制中给定V/f1曲线试验结果：根据上述V/f1控制产生SVPWM，电机在全速度范围内稳定运行。（5）矢量控制电机空载起动时，出现抖动和爬行，电机升速不正常；高速下电机运行不平稳，电机出现振动。原因分析：起动时电机抖动和爬行主要是因为速度检测不准确，造成电流闭环控制失6效。此时电机完全靠滑差频率运行。通过检测A、B两相正交编码信号是否正常，检测正交编码输入口至DSP信号输入端是否有断路。对于高速下电机运行不平稳，可通过检测高速下A、B两相正交编码信号来帮助判断。检查后发现，高速下该信号波形由矩形波变为锯齿波，脉冲上升沿电平被拉低。处理办法：对于脉冲问题，去除正交脉冲输入端的滤波电容。同时，对输入的正交脉冲信号需作适当处理，可采用施密特触发器对输入信号进行整形处理。对于需加上拉电阻的正交脉冲输入信号，要注意上拉电阻的位置和阻值的大小。一般要求上拉电阻靠近DSP输入端口。试验结果：电机在全速度范围内稳定运行。3、7月26号~7月29号试验问题：电机启动过程平稳，电流上升较为缓慢，当电机加速至1000rpm~2000rpm时，电机三相电流出现波动，电机转速波动，使车辆出现振动现象。原因分析：电机出现电流波动的原因有负载突变、调节器参数不合理、供电电压波动、电机的气隙磁通出现过饱和等。从试验条件分析，试验台为转毂，负载不会产生突变；电机驱动器采用蓄电池供电，电源电压相对平稳，可同时排除电源影响；对于电流调节器参数，经长时间（3~4天）反复调节，试验中电流波动现象依然存在，也可排除调节器参数影响的原因。由于该电机为高饱和电机（互感相对于定子漏感、转子漏感很大），很小的励磁电流将产生很大的磁通，电流稍大即容易出现磁通饱和，因而可以推测为磁通饱和引起电流波动。改进措施：试验中为消除磁通饱和的影响，采取了以下措施：（1）矢量控制系统采用如下框图，其中给定转矩电流由给定转矩直接得到，在这种情况下，如果磁通出现饱和，当磁通调节器不能实现磁通的调节时，可以通过降低给定转矩来减小电机相电流。实现的方法是对于转矩电流给定值通过给定转矩与反馈转子磁通得到。rsqrmmiLLpT试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。（2）滑差频率在该框图中通过给定转矩电流和给定磁通电流得到，因而滑差频率在调整过程中保持不变。采用滑差频率通过反馈值得到，则可以在磁通出现饱和时，通过降低滑差来减小电机相电流。rsqrmSiTL试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。（3）对于给定磁通电流采取如下措施：通过判断磁通是否达到饱和值来判断是否对给定磁通电流减幅，计算得到电机额定磁通为0.60Wb，当反馈转子磁通大于额定值时，给定7磁通电流×r/60.0，从而降低给定磁通电流，使电机退饱和。60.08.872.00342.05.0~2.00342.0semmreiiLWb试验结果：电流波动依然存在，效果不明显。（4）上述措施从不同方面来减小磁通反馈值，使磁通不出现饱和。由于该电机为高饱和电机，磁通电流很小，如果给定值始终很大，则必然引起磁通饱和。减小给定磁通电流可以从根本上消除磁通饱和。试验结果：电流波动基本消除。4、7月30号~8月2号交大调试总结（1）矢量控制电机起动过程平稳，很小的转矩命令随时间增加可以产生很高的转矩，电机加速至4000rpm时，出现电机转速突然上升。此时，查看矢量控制系统的磁场电流分量和转矩电流分量发现：磁场电流分量始终为负值，且随着电机转速上升向负的方向增加；转矩电流分量始终为正值，且随着电机转速增加向正的方向增加，当转速达到4000rpm时，突然变为负值，电机转速突然上升。原因分析：该矢量控制系统对磁场电流分量和转矩电流分量的反馈值分别与给定磁场电流分量和给定转矩电流分量进行比较，输入至PI调节器，PI调节器输出磁场电压控制量du和转矩电压控制量qu。该调节过程是一个负反馈过程，当磁场电流分量为负并向负方向增大时，输入至比较环节形成正反馈，因而造成电机磁场饱和。同时转矩电流分量的不断增大，根据电机输出电磁转矩公式