АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
An algorithm of flux reference forming in field weakening region for vector control systems of induction motor for traction application is developed. The proposed solution can effectively limit the stator voltage at a predetermined level, according to the DC-bus voltage of supply converter. Presente...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1090 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203736262967296 |
|---|---|
| author | Воронко, А.Б. |
| author_facet | Воронко, А.Б. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.Б. Воронко",
"institution": "Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. І. Сікорського», пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна"
}
] |
| author_sort | Воронко, А.Б. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-08T17:30:56Z |
| description | An algorithm of flux reference forming in field weakening region for vector control systems of induction motor for traction application is developed. The proposed solution can effectively limit the stator voltage at a predetermined level, according to the DC-bus voltage of supply converter. Presented experimental results confirm the effectiveness of the proposed algorithm. References 6, figure 1. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5 119
УДК 681.5:62-83
АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО
УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ
ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ
Воронко А.Б.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина.
e-mail: ArturVoronko@gmail.com
Разработан алгоритм формирования заданного потокосцепления в режиме ослабления поля для систем век-
торного управления моментом-потоком асинхронных двигателей тягового назначения. Предложенное реше-
ние позволяет эффективно ограничивать напряжение статора на заданном уровне с учетом напряжения зве-
на постоянного тока питающего преобразователя. Представленные результаты экспериментальных исследо-
ваний подтверждают эффективность предложенного алгоритма. Библ. 6, рис. 1.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, векторное управление, ослабление поля, транспортные применения.
Введение. Современные алгоритмы косвенного векторного управления асинхронным двигателем (АД)
[1, 2] при выполнении условий асимптотического полеориентирования обеспечивают независимое регулирова-
ние механических координат и вектора потокосцепления ротора. Одним из необходимых условий для этого яв-
ляется удержание контуров регулирования токов в режиме, исключающем вхождение системы в ограничение
по выходному напряжению инвертора.
Классический метод формирования заданного потокосцепления в зоне ослабления поля подразумевает
его уменьшение, начиная с некоторой рабочей точки, в обратно пропорциональной зависимости от скорости
вращения ротора АД [1]. Однако этот метод не позволяет в полной мере использовать напряжение преобразова-
теля для создания требуемого момента [3], а также избежать вхождения контуров регулирования тока в ограни-
чение по напряжению в динамических режимах. Его использование в условиях транспортных применений, для
которых характерны широкие диапазоны изменения скоростей вращения приводного двигателя, напряжения
питания и задающих воздействий, дополнительно осложняется необходимостью определения базовых скорос-
тей вхождения в зону ослабления поля для изменяющихся условий работы системы.
Вопросам регулирования координат АД в зоне скоростей выше номинальной с учетом ограничений на регули-
руемые координаты посвящено много работ, в частности, [3, 5]. В отдельную группу выделяют аналитические реше-
ния, основанные на математической модели АД, аналогичные [3], указывая на их чувствительность к вариациям пара-
метров машины [4]. Широко представлены в литературе алгоритмы, формирующие заданное потокосцепление с по-
мощью регулятора напряжения статора [4]. В [5] предложена комбинация статических ограничений, а также корректи-
рующих связей, реализующих динамические ограничения задающих воздействий контуров регулирования токов.
Методы, аналогичные [4, 5], существенно изменяют структуру исходного алгоритма управления, поэто-
му требуют дополнительного анализа устойчивости и настройки регуляторов. С этой точки зрения, аналитическая
форма решения задачи ослабления поля, представленная, например, [3], является более предпочтительной. Кро-
ме того, построение алгоритма ослабления поля на основе аналитических зависимостей в виде ограничений на
заданное потокосцепление оставляет дополнительную степень свободы для применения различных механизмов
улучшения показателей качества и оптимизации энергетики процессов управления.
Целью работы является разработка алгоритма формирования заданного потокосцепления для систем
векторного управления моментом-потоком АД, отвечающих требованиям транспортных применений.
Формирование заданного потокосцепления. Рассмотрим выражение для моментной составляющей
тока статора [1] в системе координат (d-q)
1
1 1 0 1 2 2 1γ ω αβψ β ωψ σ −= − − + − +&
q q d q n d qi i i p u , (1)
где ( ) ( ) ( )1 1 1 1 2 2ψ ψd q d q d qi , i , u , u , , – компоненты векторов тока статора, напряжения статора, потокосцепления ротора;
ω – угловая скорость ротора, 0ω – синхронная скорость вращения системы координат (d-q), np – число пар полюсов.
Константы 0α β γ σ >, , , в (1), зависящие от электрических параметров АД, определены в соответствии с [2].
В установившемся режиме при выполнении условий полеориентирования по вектору потокосцепления ро-
тора и отсутствии ошибок отработки заданного модуля вектора потокосцепления ψ * , т.е. при 2 0ψ =q , 2 = *
dψ ψ ,
уравнение (1) может быть записано в виде
1
1 1 0 1
*
n q q dp u i i .−= − −β ωψ σ γ ω (2)
Приняв во внимание, что контуры токов с «большими» коэффициентами усиления обеспечивают отработку
заданных токов статора с нулевой ошибкой, реальные токи 1di , 1qi в (2) могут быть заменены на заданные значе-
ния *
di , *
qi в установившемся режиме 1ψ −=* *
d mi L , где mL – индуктивность намагничивающего контура.
© Воронко А.Б., 2014
120 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5
Учитывая дополнительно выражение для синхронной скорости при косвенном полеориентировании [2]
( ) 1
0 0ω ω α ψ ψ
−
= + >* * *
n m qp L i , , (3)
и, подставляя (3) в (2), получим
1 1
1β ωψ σ γ ω ψ α− −= − − −* * * *
n q q n m qp u i p L i . (4)
В режиме ослабления поля на заданное значение моментной составляющей тока накладывается ограничение
≤* *
q qri i , (5)
где *
qri – номинальное значение моментной составляющей тока статора АД при номинальном потокосцеплении.
Для исключения дополнительной динамики в подсистеме потокосцепления в (4) примем =* *
q qri i .
Максимальное напряжение по оси q при векторном управлении ограничено выражением
2 2
1 13≤ −q dc d q maxu U / u u , (6)
где dcU – напряжение звена постоянного тока силового преобразователя. Используя (4) и (6) запишем неравенст-
во, выполнение которого обеспечивает нахождение вектора напряжения статора в физически реализуемой области
( )
( )
1
1
0
σ γ α
ψ ω
ω β
−
−
− +
≤ >
+
*
q max qr*
n m
u i
, .
p L
(7)
Для повышения точности отработки момента-потокосцепления при работе системы векторного управ-
ления в зоне ослабления поля необходимым является учет нелинейности кривой намагничивания АД. Для кор-
ректного формирования заданного тока возбуждения в данном исследовании использован метод определения
кривой намагничивания, предложенный в [6], а также ее аппроксимация в виде
( ) ( )1ψ ψ ψ ψ⎡ ⎤= + −⎢ ⎥⎣ ⎦
b* * * * * *
d dr r ri i a / ( a ) / , (8)
где 1ψ −=* *
dr r mi L – номинальное значение полевой составляющей тока статора АД при номинальном потокосцеп-
лении ψ *
r ; 0 1 1a , b< ≤ > – константы, определяющие форму аппроксимированной кривой намагничивания.
Экспериментальное тестирование. Исследования выполнены на установке, которая включает в себя:
АД мощностью 2.2 кВт (параметры номинального режима: момент - 15 Нм, угловая скорость - 148 рад/с, пото-
косцепление - 0.96 Вб); силовой преобразователь с автономным инвертором напряжения на IGBT-ключах; уп-
равляющий контроллер на основе цифрового сигнального процессора TMS320F28335.
Для идентификации кривой намагничивания исследуемого АД проведено ряд тестов, основанных на ме-
тодике [6], в результате определены значения коэффициентов аппроксимации 0 71 6a . , b= = (8).
Тестирование предложенного алгоритма формирования заданного потокосцепления (5)–(7) c учетом (8)
выполнено в составе алгоритма косвенного векторного управления моментом АД [2]. При этом применялась по-
следовательность операций управления, включающая следующие этапы: вначале машина возбуждается с ис-
пользованием заданной траектории потокосцепления, достигающей номинального значения; на интервале 0,5 –
2 с двигатель отрабатывает заданную траекторию момента, достигающую значения половины от номинального
момента АД; на интервале 2 – 3 с система работает в режиме выбега с нулевым заданным моментом, а на участке
3 – 3,8 с от двигателя требуется отработать траекторию тормозного момента, обеспечивающую торможение до
нулевой скорости. Графики переходных процессов регулируемых координат показаны на рисунке.
Совместно с траекторией заданного момента показан график оценки отработанного момента, полученный
путем численного дифференцирования и низкочастотной фильтрации угловой скорости при известных значениях
момента инерции и коэффициента вязкого трения механической части. Траектория заданного потокосцепления по-
казана в относительных единицах на одном графике с угловой скоростью. Как видно из приведенных графиков
уменьшение заданного потокосцепления начинается с некоторой скорости, близкой к номинальной, при этом до
вхождения в ограничение (5) возрастает значение моментной составляющей тока. Интенсивность уменьшения на-
магничивающего тока выше, чем у заданного потокосцепления из-за движения по нелинейному участку кривой
намагничивания и соответствующего применения аппроксимации (8). Исходя из графика оценки отработанного
момента, этому участку отвечает увеличение момента двигателя относительно заданного, что объясняется динами-
ческим отставанием ослабления потока в машине. Следует отметить, что рассматриваемая ошибка отработки мо-
мента обусловлена высокой динамикой механических координат и может быть уменьшена путем введения произ-
водной по заданному потокосцеплению или использованием модифицированного регулятора потокосцепления.
На участке установившегося номинального значения тока статора по оси q стабилизируется модуль на-
пряжения статора, что подтверждает желаемые свойства ограничения с помощью (7), при этом соответственно
уменьшается генерируемый двигателем момент. Как видно из приведенных графиков, ошибки отработки токов
по осям d и q в установившихся режимах равны нулю, что также подтверждает эффективность использования
предложенного алгоритма формирования заданного потокосцепления для предотвращения вхождения системы
в ограничение по выходному напряжению инвертора при работе в зоне ослабления поля.
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5 121
Выводы. Разработан алгоритм формирования заданного потокосцепления в режиме ослабления поля, пред-
назначенный для использования в составе систем векторного управления моментом-потокосцеплением АД, который
сформулирован в виде аналитической зависимости, учитывающей напряжение звена постоянного тока преобразова-
теля, параметры машины и ограничение моментного тока. Представленные результаты экспериментальных исследо-
ваний подтверждают эффективность применения предложенного алгоритма для стабилизации выходного напряже-
ния инвертора при работе в зоне глубокого ослабления поля, что отвечает требованиям транспортных применений.
УДК 681.5:62-83
АЛГОРИТМ ФОРМУВАННЯ ЗАДАНОГО ПОТОКОЗЧЕПЛЕННЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО КЕРУВАННЯ
АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ В РЕЖИМІ ОСЛАБЛЕННЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСТОСУВАНЬ
Воронко А.Б.
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,
пр. Перемоги 37, Київ, 03056, Україна.
e-mail: ArturVoronko@gmail.com
Розроблено алгоритм формування заданого потоку в режимі ослаблення поля для систем векторного керуван-
ня моментом-потоком асинхронних двигунів тягового призначення. Запропоноване рішення дозволяє ефектив-
но обмежувати напругу статора на заданому рівні з врахуванням напруги ланки постійного струму живлячого
перетворювача. Представлені результати експериментальних досліджень підтверджують ефективність за-
пропонованого алгоритму. Бібл. 6, рис. 1.
Ключові слова: асинхронний двигун, векторне керування, ослаблення поля, транспортні застосування.
ALGORITHM OF FLUX REFERENCE FORMING FOR VECTOR CONTROLED INDUCTION MOTOR IN FIELD
WEAKENING REGION FOR TRACTION APPLICATIONS
Voronko A.B.
National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnic Institute»,
pr. Peremohy, 37, Kyiv-56, 03056, Ukraine.
e-mail: ArturVoronko@gmail.com
An algorithm of flux reference forming in field weakening region for vector control systems of induction motor for trac-
tion application is developed. The proposed solution can effectively limit the stator voltage at a predetermined level,
according to the DC-bus voltage of supply converter. Presented experimental results confirm the effectiveness of the
proposed algorithm. References 6, figure 1.
Key words: induction motor, vector control, field weakening, traction applications.
1. Leonhard W. Control of Electrical Drives. (3rd edition). – Berlin: Springer-Verlag, 2001. – 460 p.
2. Peresada S., Tilli A., Tonielli A. Theoretical and experimental comparison of indirect field-oriented controllers for induc-
tion motors // IEEE Transactions on Power Electronic. – 2003. – Vol. 18. – No. 1. – Pp. 151–163.
3. Kim Sang-Hoon, Sul Seung-Ki. Maximum torque control of an induction machine in the field weakening region //
IEEE Transactions on Industry Applications. – 1995. – Vol. 31. – No. 4. – Pp. 787–794.
4. Abu-Rub H., Schmirgel H., Holtz J. Maximum Torque Production in Rotor Field Oriented Control of an Induction Motor
at Field Weakening // IEEE International Symposium on Industrial Electronics. – 2007. – Pp. 1159–1164.
5. Briz F., Diez A., Degner M. W., Lorenz R.D. Current and flux regulation in field-weakening operation // IEEE Transac-
tions on Industry Applications. – 2001. – Vol. 37. – No. 1. – Pp. 42−50.
6. Levi E., Sokola M., Vukosavic S.N. A method for magnetizing curve identification in rotor flux oriented induction ma-
chines // IEEE Transactions on Energy Conversion. – 2000. – Vol. 15. – No. 2. – Pp. 157–162.
Надійшла 17.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1090 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:35Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/c9/e30245e10a69f1f0d5bb8fc7eea5b9c9.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-10902023-01-08T17:30:56Z ALGORITHM OF FLUX REFERENCE FORMING FOR VECTOR CONTROLED INDUCTION MOTOR IN FIELD WEAKENING REGION FOR TRACTION APPLICATIONS АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ Воронко, А.Б. induction motor vector control field weakening traction applications асинхронный двигатель векторное управление ослабление поля транспортные применения An algorithm of flux reference forming in field weakening region for vector control systems of induction motor for traction application is developed. The proposed solution can effectively limit the stator voltage at a predetermined level, according to the DC-bus voltage of supply converter. Presented experimental results confirm the effectiveness of the proposed algorithm. References 6, figure 1. Разработан алгоритм формирования заданного потокосцепления в режиме ослабления поля для систем векторного управления моментом-потоком асинхронных двигателей тягового назначения. Предложенное решение позволяет эффективно ограничивать напряжение статора на заданном уровне с учетом напряжения звена постоянного тока питающего преобразователя. Представленные результаты экспериментальных исследований подтверждают эффективность предложенного алгоритма. Библ. 6, рис. 1. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-08-11 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1090 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 5 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 119 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 5 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 119 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1090/966 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | асинхронный двигатель векторное управление ослабление поля транспортные применения Воронко, А.Б. АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title | АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title_alt | ALGORITHM OF FLUX REFERENCE FORMING FOR VECTOR CONTROLED INDUCTION MOTOR IN FIELD WEAKENING REGION FOR TRACTION APPLICATIONS |
| title_full | АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title_fullStr | АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title_full_unstemmed | АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title_short | АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОЛЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ |
| title_sort | алгоритм формирования заданного потокосцепления в системах векторного управления асинхронными двигателями в режиме ослабления поля для транспортных применений |
| topic | асинхронный двигатель векторное управление ослабление поля транспортные применения |
| topic_facet | induction motor vector control field weakening traction applications асинхронный двигатель векторное управление ослабление поля транспортные применения |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1090 |
| work_keys_str_mv | AT voronkoab algorithmoffluxreferenceformingforvectorcontroledinductionmotorinfieldweakeningregionfortractionapplications AT voronkoab algoritmformirovaniâzadannogopotokoscepleniâvsistemahvektornogoupravleniâasinhronnymidvigatelâmivrežimeoslableniâpolâdlâtransportnyhprimenenij |