异步电机高频电压穿越控制系统设计

摘  要： 异步电机在高频电压作用下输出偏差较大、功率饱和度差，为了提高异步电机高频电压穿越控制能力，提出基于零相移滤波和电机动态频率响应特性分析的异步电机高频电压穿越控制方法。构建异步电机高频电压穿越的交流频率和直流电压参数分析模型，采用直流型分布式电源输出转换控制的方法进行异步电机高频电压输出特征检测，建立异步电机高频电压穿越的间歇性波动控制模型，采用零相移滤波方法进行控制过程的干扰抑制，根据电机的动态频率响应进行干扰抑制和反馈调节，结合交直流混合微电网控制结构实现异步电机高频电压穿越控制系统设计。测试结果表明，采用该系统进行异步电机高频电压穿越控制的输出稳定性较好，功率响应饱和度较高，提高了电机的输出效能。

关键词： 异步电机; 高频电压; 穿越控制; 系统设计; 干扰抑制; 系统测试

中图分类号： TN876?34; TM46                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）24?0060?03

Design of high?frequency voltage ride?through control system for asynchronous motor

ZENG Fanzheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract： In allusion to the problem that the output deviation of asynchronous motor is large and the power saturation is poor under the action of high?frequency voltage， a asynchronous motor high?frequency voltage ride?through control method based on the zero phase?shift filter and the dynamic frequency response characteristic analysis of the motor is proposed to improve the high?frequency voltage ride?through control of the asynchronous motor. The alternating current frequency and the direct current （DC） voltage parameter analysis model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor are constructed. The DC distributed power supply output conversion control method is used to detect the high?frequency voltage output characteristic of the asynchronous motor， and establish the intermittent fluctuation control model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor. The zero phase?shift filter method is used to perform the interference suppression in the control process， the interference suppression and the feedback adjustment are carried out according to the dynamic frequency response of the motor， and the design of high?frequency voltage ride?through control system of the asynchronous motor is realized by combing with the AC/DC hybrid microgrid control structure. The testing results show that the output steady?state and power respond saturation of the high frequency voltage ride?through control of asynchronous motor is better in this system， which improves the output efficiency of the motor.

Keywords： asynchronous motor; high?frequency voltage; ride?through control; system design; intermittent fluctuation; system testing

0  引  言

异步电机作为主流发电装置，在工业自动化领域应用十分广泛，但异步电机在高频电压穿越过程中受到高频电压的干扰，导致负荷增大且输出饱和度不高，降低了电机的输出功率。因此提高异步电机高频电压穿越稳定性的研究备受重视[1]。

对异步电机的高频电压穿越控制方法主要有：功率因素调节方法、PID控制方法和模糊虚拟控制方法等[2]，但传统方法采用负荷的波动性调节方法进行异步电机的输出控制，高频电压穿越控制的输出稳定性不好[3]。针对上述问题，本文提出基于零相移滤波和电机动态频率响应特性分析的异步电机高频电压穿越控制方法，对电机控制约束参量分析，然后进行参数优化模拟，结合硬件设计方法实现电机控制系统设计，并通过仿真实验进行性能验证。

1  系统总体构架

首先进行系统的总体架构设计：在MCU控制单元进行异步电机高频电压穿越的远程控制，构建异步电机高频电压穿越参数的智能检测平台，设计接口程序实现人机交互，设计控制算法进行异步电机高频电压穿越过程的可靠性控制，建立异步电机高频电压穿越的参数分析模型[4]，采用参数自适应寻优方法进行异步电机高频电压穿越控制的参数模拟，以输出功耗和效率为控制约束参量，进行异步电机高频电压穿越控制的输出转换调节。

根据上述设计原理，构建异步电机高频电压穿越控制系统的主控模块，基于IEEE 488.2标准下Bus总线，进行异步电机高频电压穿越集成智能监测，在嵌入式处理器中进行电机组在线控制，构建时钟电路，进行异步电机高频电压穿越的中断控制，在固化的ROM中进行信息采集和电机参数的自整定性调节[5]，得到系统的总体设计构架如图1所示。

2  控制算法设计

2.1  控制约束参量分析

进行电机控制算法设计，假设异步电机的电压相量[k1]和阻尼绕组系数[kβ]，引入异步电机的机械运动方程，得到异步电机高频电压穿越约束参量为：

[Tem=πkfkck1kβBrlmlslw（2rr+2lg+lw）Jculnrr+lg+lwrr-lm] （1）

[k1=1-10.9[rr（βp（lg+lw））]2+1]       （2）

[kβ=α（β，kc）kc] （3）

求得异步电机交流一次调频下垂功率损耗为：

[Ploss=I2p（Rp+Rcp+2RIGBT）+I2s（Rs+Rcs+2Rdon）] （4）

采用直流型分布式电源输出转换控制的方法进行异步电机高频电压输出特征检测，得到异步电机的传输效率：

[η=I2sReqPloss+I2sReq] （5）

通过控制相角差实现交直流母线接口变换，经过电压?电流双闭环跟踪控制后优化参数结果：

[Fm=Brlmμ0μr1]   （6）

式中：异步电机电压、电流环的磁导率[μ0=4π×10-7] H/m，[μr1]和[μr2]为异步电机的虚拟转子角频率和磁导率。构建控制约束参量模型，根据参数辨识结果进行控制算法的优化设计[6]。

2.2  电压穿越控制律优化

建立异步电机高频电压穿越的间歇性波动控制模型，采用零相移滤波方法进行控制过程的干扰抑制[7]，针对异步电机的单极性特点，得到异步电机的变频约束参量为：

[Δv（l）=LQΔf（l）+LJf（l）+LE[Δf（l）-Δf（l-1）]] （7）

式中：[LQ]表示异步电机零相移滤波输出电流;[LJ=LQUUJ]是负荷波动频率;[LE=LQUEU]是异步电机高频电压穿越控制的微分参数。基于负荷功频特性调节方法，得到异步电机的动态功率波动参数为：

[Z1=Zm+Req+ZsZp（Zm+Req+Zs）+（Req+Zs）Zm] （8）

根据电机调频参数和负荷功频特性进行异步电机控制的输出参数反馈调节，得到的功率增益为：

[GV=ReqZ3·Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12]   （9）

采用零相移滤波方法进行控制过程干扰抑制，根据电机的动态频率响应进行干扰抑制和反馈调节[8]，得到电机的优化控制目标函数为：

[x1=f1（x1，x1，x2，x2）+b11u1+b12u2x2=f2（x1，x1，x2，x2）+b21u1+b22u2y1=x1y2=x2] （10）

式中：[yi]是第[i]通道的高频电压穿越调节器参数;[fi（x1，x1，x2，x2）]是动态耦合的参数[，i=1，2];[bij]是间歇性波动控制系数，幅值和相角的联合特征分量为[bij（x，x，t）]。根据电机的动态频率响应进行干扰抑制和反馈调节，得到优化控制参数分布矩阵为：

[B（x，x，t）=b11（x，x，t）b12（x，x，t）b21（x，x，t）b22（x，x，t）]   （11）

根据电机的动态频率响应实现异步电机高频电压穿越控制[9]，控制律微分方程为：

[x1=f1（x1，x1，…，xm，xm）+U1x2=f2（x2，x2，…，xm，xm）+U2y1=x1y2=x2] （12）

根据上述公式，实现电压穿越控制律优化设计。

3  控制系统硬件设计实现

在上述算法基础上进行系统的硬件模块化设计，设计包括功率放大、功率测試、低频转换和输出接口等模块，异步电机高频电压穿越控制信息采集的多通道数据记录动态范围设定为-10～10 dB，基于IEEE 488.2标准下BUS总线，进行异步电机高频电压穿越集成智能控制[10]，采用ADSP?BF537BBC?5A实现异步电机高频电压穿越控制的总线设计，得到的硬件设计如图2所示。

4  实验测试分析

实验中取异步电机的输出最大功率值为600 kW，目标功率为450 kW，交流频率为24 kHz，异步电机的直流电压最大波动约为16 V，异步电机在高频电压穿越时的转矩输出为12 N·m，模式切换频率为1.58 kg/m2。电机控制的约束变量分布见表1。

由表1参数辨识结果得知，采用该系统进行异步电机高频电压穿越控制的输出稳态性較好，功率响应饱和度较高，提高了电机的输出效能。根据上述结果进行穿越控制测试，得到控制性能曲线如图3所示。

由图3可知，本文设计系统的输出稳定性较好，收敛性较强。

5  结  语

本文构建异步电机高频电压穿越的控制约束参量模型，根据参数辨识结果进行优化设计控制算法。实验结果证明，该系统设计的异步电机高频电压穿越控制的输出稳定性较好，输出增益较高，具有较好的实际应用价值和广阔的发展空间。

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作者简介：曾繁政（1983—），男，广西梧州人，硕士，副教授，高级实验师，研究方向为智能控制、实验教学等。