專利名稱：矢量控制感應(yīng)電機(jī)的制動(dòng)方法、控制裝置和存儲(chǔ)媒體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及所謂的感應(yīng)電機(jī)的矢量或磁場(chǎng)定向控制，更確切地說(shuō)，該發(fā)明涉及一種矢量控制感應(yīng)電機(jī)的制動(dòng)方法。本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)這種方法的控制裝置和存儲(chǔ)用于實(shí)現(xiàn)這種方法的程序的存儲(chǔ)媒體。
為了改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通常需要有一個(gè)可變頻率和電壓的多相交流電源。因?yàn)椋袘?yīng)電動(dòng)機(jī)速度的高低主要是由電源的頻率所決定，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁通的大小取決于電源的電壓幅值。正如

圖1和參考文獻(xiàn)“Power Electronics and Variable Frequency Drives.Edited by Bimal K．Bose，IEEE Press，1996，pp.211”所示，這樣的交流電源一般是采用電子式DC-AC變頻器從直流電源而得到。在圖1中，直流母線電容器10表示一個(gè)直流電源，它是從三相交流電網(wǎng)電源(圖1中被省略)經(jīng)過(guò)三相整流器12整流得到的。標(biāo)號(hào)16代表感應(yīng)電機(jī)，簡(jiǎn)單地由其定子繞組表示。一般采用電解電容器作為直流母線電容器10，而且容量較大，以便能夠保持直流母線電壓ud穩(wěn)定和為流過(guò)變頻器14的快速變化的負(fù)載電流提供通路。由于晶體二極管的成本比較低，所以二極管橋被優(yōu)選作為整流器12。但是，用二極管整流器只允許能量從電網(wǎng)流向母線電容器，而不可能向交流電網(wǎng)回饋功率。如果一個(gè)交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的能力，感應(yīng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)就會(huì)有能量流向直流母線電容器，這樣，直流母線電壓就會(huì)升高，以致超過(guò)正常值，所以必須采取措施吸收由制動(dòng)而產(chǎn)生的回饋能量，以免直流母線電壓過(guò)度升高。吸收這種回饋能量最常用的方法是采用一個(gè)與直流母線電容器10并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電阻(未示出)，即斬波器和功率電阻。為此，就必須另外增加電力電子和控制電子器件，從而導(dǎo)致成本上升，系統(tǒng)可靠性降低。
眾所周知，電動(dòng)機(jī)和變頻器運(yùn)行時(shí)都有一定的損耗，所以，可以采取一定的措施利用交流電動(dòng)機(jī)的損耗來(lái)吸收大部分回饋能量和變頻器的損耗來(lái)吸收其小部分，從而避免了使用開(kāi)關(guān)電阻或任何其它消耗上述回饋能量的硬件，達(dá)到降低成本的目的。為了幫助理解諸如此類消耗能量的方法的工作原理，首先有必要討論一下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有哪些種類的損耗和怎樣才能利用這些損耗來(lái)吸收和消耗電機(jī)制動(dòng)時(shí)的回饋能量。
為了確定利用感應(yīng)電機(jī)本身?yè)p耗來(lái)消耗回饋能量的可能性，首先必須清楚地定義出電機(jī)內(nèi)部的各種損耗。在電機(jī)能量流程圖2中列出了這些損耗。一個(gè)三相交流電機(jī)的輸入功率可以由公式(1)來(lái)表示Pelec=3V1I1cosψ (1)其中V1是電機(jī)相電壓有效值，I1是電機(jī)相電流有效值cosψ是電機(jī)功率因數(shù)。
電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都會(huì)產(chǎn)生損耗。定子的損耗有下列幾點(diǎn)1．定子繞組的銅耗Pcu，s，其大小和定子電流Is的平方成正比Pcu，s=3Is2Rs(2)其中，Rs為任意一相定子繞組的電阻。
2．定子鐵芯的鐵耗PFe，s，它包括鐵芯的磁滯損耗和鐵芯的渦流損耗，其大小取決于定子磁通幅值和定子電流的頻率fs。
電機(jī)輸入功率Pelec減去定子銅耗Pcu，s和鐵耗PFe，s所剩下的稱為氣隙功率Pag，它是通過(guò)電機(jī)氣隙傳到轉(zhuǎn)子的功率。其中一部分又將會(huì)作為銅耗和轉(zhuǎn)子鐵耗被消耗在轉(zhuǎn)子中。它們分別是3．轉(zhuǎn)子繞組的銅耗Pcu，r，其大小和轉(zhuǎn)子電流Ir的平方成正比Pcu，r=3Ir2Rr(3)其中，Rr為任意一相轉(zhuǎn)子繞組的電阻。
4．轉(zhuǎn)子鐵芯的鐵耗PFe，r，它包括鐵芯的磁滯損耗和鐵芯的渦流損耗，其大小取決于轉(zhuǎn)子磁通幅值和轉(zhuǎn)子電流的頻率fr。在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子電流的頻率fr很低，因此，實(shí)際上可忽略不計(jì)。
輸入功率除去所有的損耗后的部分將被轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率。其中有小部分還會(huì)被作為摩擦損耗(冷卻風(fēng)扇和機(jī)械摩擦)消耗掉，它的大小取決于轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度。最后剩下的部分才是電機(jī)的有效機(jī)械輸出功率Pshaft。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都集中在和電機(jī)相聯(lián)接的負(fù)載中，這樣，電機(jī)轉(zhuǎn)子就成為零機(jī)械慣量，電機(jī)的機(jī)械輸出功率Pshaft都可以用來(lái)克服負(fù)載力矩和加減速。
為了制動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或降低電動(dòng)機(jī)的速度，必須要使加一個(gè)制動(dòng)力矩以抵消負(fù)載所產(chǎn)生的再生力矩和產(chǎn)生克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的力矩。在制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的機(jī)械輸出軸功率Pshaft為負(fù)，功率的流向如圖3所示。根據(jù)滑差s的符號(hào)的不同，電機(jī)有兩種運(yùn)行模式。
第一種為再生制動(dòng)，如圖3a所示。在這種模式下，電機(jī)滑差s為負(fù)(s＜0)，定子磁通和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向一致，而且磁通轉(zhuǎn)得比轉(zhuǎn)子慢。其結(jié)果為氣隙功率Pag小于零。除非電機(jī)運(yùn)行在很低的速度，氣隙功率總會(huì)大于電機(jī)的定子損耗，因此，電機(jī)輸入功率Pelec也小于零。在這種情況下，所有的電機(jī)損耗功率以及電機(jī)的輸入功率都來(lái)自電機(jī)的輸出軸功率Pshaft。
第二為反接制動(dòng)，如圖3b所示。在這種模式下，電機(jī)滑差s大于零(s＞1)，定子磁通和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反。電機(jī)定子的損耗完全由變頻器提供，而轉(zhuǎn)子的損耗由變頻器和電機(jī)輸出軸功率Pshaft共同提供。
如果滑差s=1，則電機(jī)定子頻率等于零，這種運(yùn)行方式就是從所周知的直流制動(dòng)方式。
為了敘述方便，負(fù)的電機(jī)輸出軸功率Pshaft將稱作為制動(dòng)功率。如果電機(jī)恒速運(yùn)行，電機(jī)速度ω等于常數(shù)，則電機(jī)的制動(dòng)力矩和電機(jī)輸出軸功率Pshaft成正比。因此，為使電機(jī)能提供盡可能大的制動(dòng)力矩，就必須設(shè)法使得制動(dòng)功率最大。如果在直流母線上沒(méi)有前面已提到過(guò)的能消耗能量的裝置，回饋的大部分能量就必須消耗在電機(jī)中，小部分消耗在變頻器中。也就是說(shuō)，要想得到一種高效率的制動(dòng)方法，就得設(shè)法使電動(dòng)機(jī)的消耗功率達(dá)到最大。
以一個(gè)10千瓦的感應(yīng)電機(jī)為例，其各種損耗如表1所示表1
其中，Ptotal表示電動(dòng)機(jī)總的損耗。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流的頻率等于滑差頻率，正常運(yùn)行情況下只有幾赫茲，所以鐵耗也很低。如果電機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，摩擦損耗和風(fēng)阻損耗也可以忽略。
從以上的例子可以觀察到，電動(dòng)機(jī)的損耗主要發(fā)生在定子，和定子的銅耗和鐵耗相比轉(zhuǎn)子的損耗只是占很小的一部分，值得一提的是，這一觀察結(jié)果對(duì)所有任意功率的電動(dòng)機(jī)都適用。
對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)而言，前面已提及的直流制動(dòng)方式是到目前為止被廣泛應(yīng)用的一種方法。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)分成兩步，首先，控制定子磁通到一個(gè)很小的值，然后變頻器輸出一個(gè)直流電壓使得流過(guò)定子繞組的電流達(dá)到所允許的最大值。雖然，直流制動(dòng)時(shí)流過(guò)電機(jī)的電流達(dá)到了最大值，可是得到的制動(dòng)功率還是非常小。其原因是定子磁通不旋轉(zhuǎn)，因而氣隙功率等于零；定子的銅耗雖然達(dá)到了最大值，但是這些損耗由變頻器提供，所以并不產(chǎn)生制動(dòng)功率；另外，由于磁通不旋轉(zhuǎn)，定子鐵耗也等于零；最后，轉(zhuǎn)子鐵耗也可以忽略不計(jì)，因?yàn)橹绷髦苿?dòng)時(shí)電機(jī)總的磁通非常小。對(duì)產(chǎn)生制動(dòng)能量真正起作用的只是轉(zhuǎn)子銅耗，因此制動(dòng)功率很小。從表1的例子中可以看出，對(duì)于這樣一個(gè)典型的電機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗，在此即制動(dòng)功率，只占電機(jī)總損耗的15％。總而言之，直流制動(dòng)不可能充分利用電機(jī)的損耗來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)功率。
采用直流制動(dòng)方法，除了所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩很小以外，動(dòng)態(tài)性能也很差，因?yàn)殡姍C(jī)的磁通不能突變。在允許電機(jī)建立產(chǎn)生制動(dòng)力矩所需要的最大電流之前，必須等待一段相當(dāng)于幾倍電機(jī)時(shí)間常數(shù)τr的時(shí)間，以使電機(jī)磁通衰減到所希望的幅值，否則回饋的能量就會(huì)過(guò)大，引起過(guò)壓。同樣，制動(dòng)結(jié)束后也必須等待同樣的時(shí)間建立磁通后才能恢復(fù)正常運(yùn)行。
采用磁場(chǎng)定向控制方法，亦稱為矢量控制，可以得到優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。在這里，產(chǎn)生力矩的分量或稱作垂直分量iq(以后簡(jiǎn)稱q-電流)和激磁電流分量或稱為平行分量((以后簡(jiǎn)稱d-電流)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)地解耦。磁場(chǎng)定向控制基本結(jié)構(gòu)如方框圖4所示。在圖4中，20表示速度調(diào)節(jié)器，22為磁通調(diào)節(jié)器，24，26和50是加法元件，28表示電流調(diào)節(jié)器，32及34是坐標(biāo)變換器，36表示一個(gè)脈寬調(diào)制器，38表示速度傳感器，40為電動(dòng)機(jī)模型(或觀察器)，12是一個(gè)不受控整流橋，10代表直流母線電容器，14表示變頻器，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用16表示，80代表能產(chǎn)生一個(gè)和直流母線電壓Ud成正比的信號(hào)的電壓傳感器。值得一提地是并不是所有磁場(chǎng)定向控制的變頻器都帶有電壓傳感器，但是此傳感器對(duì)于本發(fā)明是必不可少的，對(duì)此以后還會(huì)作詳細(xì)解釋。
有關(guān)磁場(chǎng)定向控制的基本結(jié)構(gòu)和原理已經(jīng)在很多文獻(xiàn)上發(fā)表(例如A.M.Khambadkone，J.HoltzVector-Controlled InductionMotor Drive with a Self-Comissioning Scheme，IEEE Trans.OnIndustrial Electronics，Vol.38，No.5，Oct.91，pp.322-327)，所以在此不再贅述。
當(dāng)速度的給定值ω*低于電機(jī)的實(shí)際速度ω時(shí)，電機(jī)就會(huì)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。在一般磁場(chǎng)定向控制的方法中，制動(dòng)時(shí)電機(jī)激磁保持在額定值，即定子鐵芯損耗保持在額定值，因?yàn)榛仞伒街绷髂妇€能量必須接近于零，所以此時(shí)氣隙功率等于定子損耗。此時(shí)q-電流和轉(zhuǎn)子電流一般非常小，由它們引起的銅耗可以忽略不計(jì)。只有d-電流在定子中產(chǎn)生銅耗。一般清況下，d-電流是額定定子電流的30％。因?yàn)殂~耗和電流的平方成正比，所以磁場(chǎng)定向控制制動(dòng)時(shí)的損耗是PFO=PFe，s+0.32PCu，s=(0.25+0.05)Ptotal=0.3Ptotal(4)也就是說(shuō)，磁場(chǎng)定向控制制動(dòng)時(shí)只能消耗相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)額定損耗的30％。
要得到最大的定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗，定子和轉(zhuǎn)子電流必須最大；最大的定子鐵耗只有在定子磁通最大和定子頻率最高時(shí)發(fā)生。而且所有損耗都必須由軸功率而不是由變頻器提供。同時(shí)，還要確保力矩的高動(dòng)態(tài)性。
本發(fā)明的目的是要限定一種制動(dòng)感應(yīng)電機(jī)的方法，用它來(lái)獲得最高的把回饋能量消耗在電機(jī)里的能力，同時(shí)具有很高的動(dòng)態(tài)性能。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一個(gè)適合于實(shí)現(xiàn)這種方法的控制裝置。
以上目的可以采用權(quán)利要求1所述的方法，權(quán)利要求5所述的控制裝置以及權(quán)利要求13所述的存儲(chǔ)媒體達(dá)到。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題。
為了確保所要求的動(dòng)態(tài)性能，本發(fā)明建立在磁場(chǎng)定向控制基礎(chǔ)之上并對(duì)此作了改進(jìn)。這樣，本發(fā)明的方法和裝置可以被應(yīng)用于磁場(chǎng)定向控制的交流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)同時(shí)具有最大制動(dòng)能力和非常高的動(dòng)態(tài)性能。
本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)通過(guò)參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述而變得更加明顯，其中，圖1是交流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，圖2描述了一個(gè)感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的能量流向，圖3描述了一個(gè)感應(yīng)電機(jī)在(a)發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)(b)反接制動(dòng)狀態(tài)下的能量流向，圖4是描述磁場(chǎng)定向控制方法的示意方框圖，圖5是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的控制裝置的方框圖，
圖7分別列出了在電動(dòng)狀態(tài)下和在制動(dòng)狀態(tài)下的特征信號(hào)。
對(duì)所有圖中相同元件都用相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)注。
為確保所需要的動(dòng)態(tài)性能，電機(jī)運(yùn)行在磁場(chǎng)定向控制方式，因此其電磁力矩Te=krψriq(5)和轉(zhuǎn)子磁通ψr以及q-電流成正比，其中kr=lh/lr是轉(zhuǎn)子的耦合系數(shù)，lh是定子和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感，lr是轉(zhuǎn)子繞組的電感。轉(zhuǎn)子磁通ψr由下列微分方程定義τrdψrdt+ψr=lhid·····················(6)]]>其中，τr=lr／rr是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。圖5所示的信號(hào)流程直觀地描述了公式(5)和(6)，[請(qǐng)參照文獻(xiàn)J.HoltzMethods for SpeedSensorless Control of AC Drives，in K.Rajashekara(Editor)“Sensorless Control of AC Motors”，IEEE Press Book，1996].
要得到如公式(2)給出的最大定子銅耗，定子電流的均方根值為Is=1T∫(T)(id2+iq2)dt···············(7)]]>也必須是最大?？墒?，對(duì)于公式(7)右邊的d-電流id和q-電流iq都存在以下約束條件1．在基速范圍內(nèi)d-電流id一般被大約限制在定子額定電流的30％，在弱磁范圍還會(huì)更低。
2．根據(jù)公式(5)力矩的大小由q-電流iq決定，因此，制動(dòng)時(shí)iq被限制在一個(gè)比較小的值，因?yàn)橹苿?dòng)功率不允許超過(guò)電機(jī)的損耗功率，而它和電機(jī)的額定功率相比相對(duì)很小。
在本發(fā)明中，高頻分量被疊加到d-電流id上，以此引起定子磁動(dòng)勢(shì)(mmf)的快速變化，定子磁動(dòng)勢(shì)又引起轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相似的變化，其結(jié)果增加了定子和轉(zhuǎn)子電流的均方根值，從而增加了定子和轉(zhuǎn)子的銅耗，同時(shí)，由于受高頻漏磁場(chǎng)等的影響，磁芯的鐵耗也會(huì)增加。通過(guò)改變注入的高頻id-電流的幅值可以控制附加損耗?？偟碾姍C(jī)損耗至少可以和電機(jī)總的額定損耗Ptotal一樣大。如果變頻器能提供電流的能力大于電機(jī)的額定電流，則損耗還可以增加。另外，變頻器的損耗也來(lái)自于電機(jī)，因此進(jìn)一步增加了制動(dòng)功率。
注入的高頻分量對(duì)電機(jī)的性能不會(huì)產(chǎn)生副作用。圖5表明，高頻id-電流分量經(jīng)過(guò)大轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的衰減已經(jīng)對(duì)電磁力矩幾乎沒(méi)有影響。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)流程圖如圖6所示。在這個(gè)控制結(jié)構(gòu)圖中，d-電流id的平均值idav和均方根值idrms是分開(kāi)控制的；轉(zhuǎn)子磁通控制器22決定d-電流參考值id*的平均值idav；信號(hào)idrms由損耗控制器56產(chǎn)生，它代表所需要的id*的均方根值idrms，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)限制器58限制后輸出，它只有可能是一個(gè)正值。控制結(jié)構(gòu)圖6的輸出信號(hào)是定子電流參考向量is*。通過(guò)以這個(gè)參考向量代替圖4中常規(guī)控制方法的信號(hào)is*，使得控制結(jié)構(gòu)既能控制電動(dòng)運(yùn)行又能控制制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。剩下的其它部分和圖4中的元件10，12，14，16，36以及55相同，因此圖6中不再示出。
為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在以后的討論中假設(shè)速度總是大于零，因此，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)力矩為正，發(fā)電機(jī)或制動(dòng)狀態(tài)時(shí)力矩為負(fù)。如果電機(jī)反轉(zhuǎn)，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)力矩為負(fù)，而發(fā)電機(jī)或制動(dòng)狀態(tài)時(shí)力矩為正，與此相對(duì)應(yīng)，當(dāng)電機(jī)反向時(shí)，q-電流iq和其它一些特殊控制信號(hào)的符號(hào)也反向。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行的情況將不作討論。根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)完全可以導(dǎo)出電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)制動(dòng)運(yùn)行控制方法的相關(guān)運(yùn)行條件。
下面主要討論電動(dòng)狀態(tài)，圖7中的時(shí)間區(qū)段A給出的波形說(shuō)明了這種運(yùn)行狀態(tài)。磁通控制器22產(chǎn)生代表d-電流id平均值的控制信號(hào)idav，這個(gè)信號(hào)決定電動(dòng)狀態(tài)時(shí)d-電流給定值id*，對(duì)于這一點(diǎn)以后還會(huì)敘述到。由于磁場(chǎng)定向控制所具有的高動(dòng)態(tài)性能，圖6中的信號(hào)︱ω*︱和︱ω︱幾乎相等，于是由損耗控制器56產(chǎn)生的信號(hào)60是非常小而且是一個(gè)正的值或零值，負(fù)值被限制器58所抑制，所以不可能產(chǎn)生。限制器58的傳遞函數(shù)是y=f(x)，當(dāng)x＞0時(shí)，y=0；當(dāng)0≥x＞-xmax時(shí)，y=-x和當(dāng)x≤-xmax時(shí)y=xmax。在圖7的上半部分，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)信號(hào)60的幅值被標(biāo)記作imot，由于imot＜idav，加法器61的輸出為imot-idav，是一個(gè)負(fù)值，因此，限制器62的輸出等于零，限制器62的傳遞函數(shù)為y=f(x)當(dāng)x＜0時(shí)，y=0，當(dāng)x＞0時(shí)，y=x。
振蕩器64產(chǎn)生一個(gè)為單位幅值的三角波信號(hào)，這個(gè)載波的頻率fc被設(shè)定為fc＞l/τr，其中τr是電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，一個(gè)非常典型的值是fc=20Hz，乘法器66的輸出是一個(gè)三角波，它的幅值為imot＜idav，這樣加法器68的輸出大于零，從而比較器70的輸出為單位1。乘法器72的輸出定義d-電流的參考值id*此時(shí)得到id*=idav，因?yàn)橄拗破?2的輸出是零。
電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)相當(dāng)于正常的磁場(chǎng)定向控制，垂直方向電流的參考值iq*由速度控制器20和限制器90決定，為了避免變頻器過(guò)流，在磁場(chǎng)定向控制中q-電流的參考值iq*被對(duì)稱限制在正負(fù)邊界±iqmax以內(nèi)。正方向iq-電流的邊界iqmax為常數(shù)，而負(fù)邊界是一個(gè)變化量，它受信號(hào)88控制，控制信號(hào)88通過(guò)對(duì)電壓控制器84的輸出信號(hào)經(jīng)反向器86反向而得到。加法器82的輸入的一端是電壓給定信號(hào)udmax，大約等于1.2udR，其中udR是電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)下直流母線電壓額定值，一個(gè)代表直流母線電壓ud的信號(hào)來(lái)自于圖4中的電壓傳感器80，它被輸?shù)郊臃ㄆ?2的第二個(gè)輸入端，和給定信號(hào)udmax相減后作為電壓控制器84的輸入。在電動(dòng)狀態(tài)下，ud=udR＜udmax，電壓控制器84的輸出大于零，經(jīng)過(guò)限制器85限制至正邊界iqmax。由于反向元件86的存在，限制器90的輸入信號(hào)88成為-iqmax，從而，速度控制器20輸出的q-電流的參考值iq*被限制在負(fù)邊界-iqmax。
在中等程度制動(dòng)時(shí)，所需要的制動(dòng)功率小于電機(jī)和變頻器所具有的最大功率消耗能力。把中等程度制動(dòng)歸類為制動(dòng)模式Ⅰ。這種制動(dòng)模式的控制將參照?qǐng)D7時(shí)間區(qū)間B的波形作出解釋。如果︱ω*︱＜︱ω︱，就需要制動(dòng)力矩，所以︱ω*︱-︱ω︱用來(lái)作為損耗控制器56的輸入信號(hào)，這個(gè)控制器決定d-電流的均方根值idrms，用它的大小來(lái)控制電機(jī)的銅耗。作為一個(gè)例子，在圖7中ibrake表示一個(gè)處在中等制動(dòng)程度模式I范圍內(nèi)的均方根值idrms，條件idrms=ibrake＞idav表示有一定的制動(dòng)功率必須被消耗掉。在圖6中，乘法器66輸出的載波信號(hào)的幅值等于idrms。因?yàn)閕drms＞idav，所以加法器68和比較器70現(xiàn)在運(yùn)行的結(jié)果就象一個(gè)脈寬調(diào)制器，調(diào)制的脈寬占空比如下d=12(1+idavidrms)················(8)]]>為了得到idrms和idav的獨(dú)立的控制，必須對(duì)脈寬和脈沖的幅值都進(jìn)行調(diào)制，這里的調(diào)制被設(shè)計(jì)成，方波的均方根值可以被控制而平均值保持不變。為達(dá)到這個(gè)目的，對(duì)加法器68和比較器70產(chǎn)生的脈沖序列在用乘法器72在幅值上進(jìn)行比例放大或縮小，比例放大系數(shù)64大小的決定如下所示限制器62得到一個(gè)正的輸入信號(hào)，然后，由于它的單位放大特性輸出一個(gè)值為idrms-idav，在加法器63處，信號(hào)idav又被加到這個(gè)值上面，相加結(jié)果得到信號(hào)idrms，此值作為比例放大系數(shù)64。最后得到的在時(shí)間區(qū)域B的參考信號(hào)id*是一個(gè)經(jīng)脈寬調(diào)制方波信號(hào)，如圖7的下半部時(shí)間區(qū)域B所示。這個(gè)方波的幅值，亦即它的均方根值等于idrms，而其平均值則如下式id*=idrms(2d-1)(9)將方程(8)的脈寬占空比代入方程(9)得到id*=idav，所以，經(jīng)調(diào)制后的給定信號(hào)id*(t)能保證平均值idav。
在制動(dòng)模式Ⅰ，軸輸入功率被轉(zhuǎn)換成電功率消耗在電機(jī)和變頻器里，以平衡所需要的制動(dòng)功率。在基速范圍內(nèi)電機(jī)工作在額定磁通，如電機(jī)運(yùn)行在更高的速度，需要弱磁，以便能保持對(duì)定子電流的控制。這樣，磁場(chǎng)總是被保持在它的所允許的最大值，從而使得定子磁耗也最大；定子和轉(zhuǎn)子的銅耗由損耗控制器56來(lái)調(diào)整以至所需要的制動(dòng)功率被充分地吸收。損耗控制器決定定子電流的均方根值?？墒?，d-電流的平均值idav和q-電流iq都必須不受損耗控制器的影響idav受磁通控制器22的控制以滿足激磁的需要，而iq由速度控制器20來(lái)調(diào)整以滿足力矩的需要。損耗控制器56產(chǎn)生一個(gè)決定所需要的定子電流均方根的高頻d-電流分量，而并不改變前面兩相的設(shè)定值。盡管d-電流有一個(gè)高頻分量，但是這個(gè)高頻電流并不影響磁場(chǎng)。
總而言之，這個(gè)制動(dòng)控制方法能夠獨(dú)立調(diào)整三個(gè)不同的電流平均d-電流idav、均方根d-電流idrms和q-電流iq。但是，當(dāng)制動(dòng)功率進(jìn)一步增加時(shí)變頻器電流就會(huì)達(dá)到它的限制值，這是必須考慮一個(gè)附加的限制條件，這個(gè)條件定義了制動(dòng)模式Ⅱ。在這一模式中，電機(jī)和變頻器的損耗已是最大，制動(dòng)功率不能再增加，因此，由損耗控制器56所給定損耗設(shè)定值必須受到限制以限制變頻器電流，這個(gè)限制通過(guò)限制器58來(lái)實(shí)現(xiàn)。在制動(dòng)模式Ⅱ，限制值imax決定乘法器72輸出端經(jīng)調(diào)制后輸出的脈寬方波信號(hào)的幅值，這樣，變頻器的電流被限制在imax附近，因?yàn)樵谥苿?dòng)模式Ⅱ，q-電流iq的定子均方根值影響不大，它和最大電流imax相比很小，另外，它垂直于方波給定電流id*，因而，它對(duì)定子電流幅值的影響可以忽略不計(jì)。
制動(dòng)模式Ⅱ時(shí)id*的波形如圖7時(shí)間區(qū)域C所示，雖然此時(shí)的均方根值比在時(shí)間區(qū)域B(制動(dòng)模式Ⅰ)的值大，但是在時(shí)間區(qū)域B和C的id*平均值都被調(diào)整到確保在這兩種情況下都有一個(gè)相同的平均值idav，從圖7可以看出，這是通過(guò)調(diào)整脈寬調(diào)制器的開(kāi)關(guān)比來(lái)達(dá)到的。前所述及的條件確保電機(jī)和變頻器都產(chǎn)生最大損耗，總的損耗決定所允許的制動(dòng)功率，它是通過(guò)電機(jī)力矩，亦即通過(guò)id*來(lái)調(diào)整的。有一定的制動(dòng)能量被回饋到直流母線，可是，最重要的條件是此時(shí)的直流母線電壓被維持在小于它的上限udmax。
在制動(dòng)模式Ⅰ，電壓控制器84的輸出向正向最大值增長(zhǎng)，因此它的反向信號(hào)88向負(fù)最大值增長(zhǎng)，所以，限制器90左半平面的可變邊界值被固定在限制值-iqmax，其原因是所回饋的制動(dòng)能量完全被系統(tǒng)損耗所吸收，直流母線電壓維持在它的額定值udR。當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)模式Ⅱ的時(shí)候，速度控制器的輸出開(kāi)始被限制器58所限制，因?yàn)橄到y(tǒng)的損耗不能再增加，剩余的回饋能量聚積在直流母線電容10里，因此直流母線電壓就會(huì)升高。一旦直流母線電壓ud超過(guò)電壓給定值udmax，電壓控制器84就開(kāi)始反向調(diào)節(jié)，電壓控制器的輸出因而從它的正值開(kāi)始遞減，限制器90的可調(diào)整邊界從它的負(fù)值開(kāi)始增加。值得注意的是，制動(dòng)時(shí)的iq是負(fù)的。由于限制器90的可變邊界，速度控制器20的輸出的q-電流給定值不起作用，它被電壓控制器84的q-電流給定值所代替，實(shí)際上的q-電流給定iq*的幅值因而變低，直接導(dǎo)致制動(dòng)力矩降低。電壓控制器調(diào)整制動(dòng)力矩以使電壓差值udmax-udR保持最小，從而限制制動(dòng)能量，并且和系統(tǒng)可能的最大能量消耗相等。
應(yīng)該指出的是磁場(chǎng)定向控制所參照的電機(jī)磁場(chǎng)可以是定子磁場(chǎng)，例如用定子磁通來(lái)描述，也可以是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，用轉(zhuǎn)子磁通來(lái)描述。就本發(fā)明來(lái)說(shuō)，在具體的應(yīng)用中用哪種磁場(chǎng)作為參考并不重要，只是為了簡(jiǎn)化，才用以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制系統(tǒng)作為參考，在這種系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁通ψr決定q-電流分量和d-電流分量，如果用定子磁通來(lái)決定各電流分量也幾乎沒(méi)有影響。
圖4中作為例子磁場(chǎng)定向控制使用了一個(gè)速度傳感器。必須指出的是本發(fā)明也同樣可以用于眾所周知的無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)中，而且無(wú)需改動(dòng)。
通常，圖4所示的磁場(chǎng)定向控制所需的功能塊都是在一個(gè)由程序控制的微處理器上實(shí)現(xiàn)的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的控制裝置也一樣可以，或更希望，在一個(gè)這樣的由程序控制的微處理器上實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，如果存在一個(gè)執(zhí)行所需要的程序和重裝程序到現(xiàn)有的磁場(chǎng)定向控制拖動(dòng)系統(tǒng)里的可讀存儲(chǔ)媒體，則可以很容易地在這樣的現(xiàn)有拖動(dòng)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的控制。
權(quán)利要求
1．一種用于矢量控制調(diào)速感應(yīng)電機(jī)的制動(dòng)方法，其中，電機(jī)由PWM變頻器(14，36)供電，其定子電流的q-電流分量和d-電流分量分別根據(jù)第一參考信號(hào)(iq*)和第二參考信號(hào)(id*)被獨(dú)立地控制，其特征在于(a)測(cè)量或估算感應(yīng)電機(jī)(16)的轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度(ω)，(b)獲得一個(gè)磁通值(ψr)，代表實(shí)際定子磁通的或?qū)嶋H轉(zhuǎn)子磁通的估算值，(c)在轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度(ω)高于給定值(ω*)時(shí)，確定所需的制動(dòng)力矩，(d)根據(jù)步驟(c)所確定的力矩，疊加高頻分量到上述第二參考信號(hào)(id*)上，以及(e)根據(jù)上述速度給定值(ω*)的絕對(duì)值和步驟(a)中得到的速度的絕對(duì)值的差值，控制在步驟(d)中確定的上述第二參考信號(hào)均方根值(idrms)，同時(shí)(f)根據(jù)給定磁通(ψr*)和步驟(b)中所得到的磁通值(ψr)的差值，控制在步驟(d)中確定的上述第二參考信號(hào)的平均值(idav)，使得此控制和步驟(e)中的控制無(wú)關(guān)。
2．權(quán)利要求1的方法，其中步驟(e)包括了限制上述均方根值在允許的最大值(imax)內(nèi)，最大值(imax)由PWM變頻器(14)的電流極限所確定。
3．權(quán)利要求1或2的方法，其中步驟(d)包括產(chǎn)生一個(gè)其周期比轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)(τr)小的方波載波信號(hào)，以及步驟(e)和(f)包括調(diào)制上述載波信號(hào)的脈沖寬度和脈沖幅值，以使它的幅值等于idrms且它的占空比d等于d=12(1+idavidrms)]]>其中idav代表上述調(diào)制后的載波信號(hào)的平均值，idrms代表有效值。
4．前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的方法，進(jìn)一步包括(g)控制上述第一參考信號(hào)(iq*)，以使上述PWM變頻器(14，36)直流側(cè)的直流電壓(ud)不超過(guò)一個(gè)預(yù)定的最大電壓(udmax)。
5．一種實(shí)施權(quán)利要求1所限定的方法的控制裝置，包括整流裝置(12)；一個(gè)和上述整流裝置(12)的直流側(cè)連接的直流母線電容器(10)；一個(gè)與上述直流母線電容器(10)和上述感應(yīng)電機(jī)(16)之間的PWM變頻器(14，36)；控制上述PWM變頻器(14，36)的控制裝置(55)；所述控制裝置(55)有兩個(gè)輸入端，第一輸入端接收決定定子電流的q-電流分量的第一參考信號(hào)(iq*)，第二輸入端接收決定定子電流的d-電流分量的第二參考信號(hào)(id*)；用于得到代表感應(yīng)電機(jī)(16)實(shí)際轉(zhuǎn)子速度或其估算值的第一信號(hào)(ω)的裝置(38)；一個(gè)用于獲得第二信號(hào)(ψr)的觀測(cè)器，此信號(hào)代表當(dāng)前感應(yīng)電機(jī)(16)定子磁通的或轉(zhuǎn)子磁通的估計(jì)值；一個(gè)根據(jù)速度參考信號(hào)(ω*)和上述第一信號(hào)的差值而產(chǎn)生第一參考信號(hào)(iq*)的速度控制器(20)；一個(gè)根據(jù)磁通參考信號(hào)(ψr*)和上述第二信號(hào)(ψr)的差值而產(chǎn)生第三參考信號(hào)(idav)的磁通控制器(22)；其特征在于，在轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度(ω)高于給定值(ω*)時(shí)，確定所需的制動(dòng)力矩的裝置；一個(gè)產(chǎn)生第四參考信號(hào)(idrms)的損耗控制器(56)，它的輸入信號(hào)是上述速度給定值(ω*)的絕對(duì)值和上述第一信號(hào)(ω)的絕對(duì)值的差值；與上述產(chǎn)生第二參考信號(hào)(id*)的檢測(cè)裝置相關(guān)的信號(hào)發(fā)生裝置，信號(hào)(id*)包含高頻分量，它的均方根值(idrms)根據(jù)上述第四參考信號(hào)來(lái)控制，它的平均值(idav)根據(jù)上述第三參考信號(hào)獨(dú)立地控制。
6．權(quán)利要求5的裝置，其中上述信號(hào)發(fā)生裝置包括一個(gè)脈沖寬度和脈沖幅度調(diào)制器(64，66，68，70，72)，它產(chǎn)生一個(gè)根據(jù)上述第三和第四參考信號(hào)而變的方波載波信號(hào)，其周期小于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)(τr)，經(jīng)調(diào)制后的脈沖寬度具有如下占空比d=12(1+idavidrms)]]>其中，idav代表上述第三參考信號(hào)而idrms代表第四參考信號(hào)，其結(jié)果是，脈寬調(diào)制后的方波載波信號(hào)的平均值對(duì)應(yīng)于上述第三參考信號(hào)，載波信號(hào)的均方根值和上述第四參考信號(hào)對(duì)應(yīng)，一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，根據(jù)上述速度參考信號(hào)(ω*)和上述第一信號(hào)(ω)產(chǎn)生上述第二參考信號(hào)(id*)，這個(gè)信號(hào)或者是所述調(diào)制后的載波信號(hào)，或者是上述第三參考信號(hào)(idav)，如果上述速度給定值(ω*)的絕對(duì)值小于上述第一信號(hào)(ω)的絕對(duì)值，則產(chǎn)生所述經(jīng)調(diào)制后的載波信號(hào)，否則產(chǎn)生上述第三參考信號(hào)(idav)。
7．權(quán)利要求6的裝置，還包括了第一限制器(58)，用來(lái)限制上述第四參考信號(hào)的幅值到允許的最大值(imax)，這個(gè)最大值(imax)由PWM變頻器(14)的電流極限所決定。
8．權(quán)利要求6或7中的裝置，還包括第二限制器(90)，它把上述作為第一參考信號(hào)(iq*)的速度控制器(24)的輸出限制在允許的正負(fù)極限值內(nèi)，上述第二限制器響應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)，根據(jù)所述控制信號(hào)調(diào)節(jié)所述負(fù)極限值，一個(gè)產(chǎn)生上述控制信號(hào)的電壓控制器(84)，它的第一個(gè)輸入信號(hào)是一個(gè)電壓參考信號(hào)(udmax)，這個(gè)信號(hào)表示直流母線電容器(10)兩端所允許的最大直流電壓值，他的第二輸入信號(hào)是直流母線電壓的實(shí)際值(ud)，這樣，上述第一參考信號(hào)的負(fù)值被上述第二限制器(90)所限制，從而保證了直流母線電壓的實(shí)際值(ud)不會(huì)超過(guò)上述參考電壓(udmax)。
9．權(quán)利要求8的裝置，還包括第三限制器，這個(gè)限制器把上述控制信號(hào)限制到事先給定的最大值(iqmax)。
10．權(quán)利要求6到9中任意一項(xiàng)的裝置，其中脈寬調(diào)制器包括一個(gè)產(chǎn)生三角波信號(hào)(uΔ)的振蕩器(64)，三角波的頻率可以事先給定；第一乘法器(66)，用于將所述三角波信號(hào)和上述第四參考信號(hào)(idrms)相乘，從而得到一個(gè)受調(diào)制的三角波信號(hào)；第一加法器(68)，用于將上述第三參考信號(hào)和第一乘法器(66)的輸出信號(hào)相加；一個(gè)比較器(70)，它的輸入信號(hào)就是上述第一加法器(68)的輸出信號(hào)，如果其輸入信號(hào)為正，則輸出一個(gè)為單位幅值的正信號(hào)，如果其輸入信號(hào)為負(fù)，則輸出一個(gè)為單位幅值的負(fù)信號(hào)；第二乘法器(72)，用于將上述比較器(70)的輸出信號(hào)與上述第四參考信號(hào)相乘。
11．權(quán)利要求10的裝置，其中所述開(kāi)關(guān)裝置包括第一個(gè)限制器(58)，它的輸入信號(hào)是上述第四參考信號(hào)，它傳遞函數(shù)為y=f(x)，y=0 當(dāng)x＞0y=-x當(dāng)0≥x＞-xmaxy=xmax當(dāng)x≤-xmax其中xmax代表上述第四參考信號(hào)的事先給定的最大值(imax)，這個(gè)最大值(imax)由PWM變頻器(14)的電流極限所決定；上述第一乘法器(66)，將上述第一限制器(58)的輸出信號(hào)和上述三角波信號(hào)(uΔ)相乘；第二加法器(61)，將上述第一限制器(58)的輸出信號(hào)和上述第三參考信號(hào)(idav)相減得到它們的差值；第四限制器(62)，它的輸入信號(hào)是第二加法器(61)的輸出信號(hào)，所述第四限制器的傳遞函數(shù)為y=f(x)y=0當(dāng)x＜0y=x x≥0；第三加法器(63)，將上述第三參考信號(hào)(idav)和第三限制器(62)的輸出信號(hào)相加，相加后的輸出信號(hào)和比較器(70)的輸出信號(hào)通過(guò)上述第二乘法器(72)相乘。
12．權(quán)利要求6到11中任意一項(xiàng)的裝置，其中所述控制器(20，22，56，84)，脈沖寬度和脈沖幅度調(diào)制器(64，66，68，70，72)以及開(kāi)關(guān)裝置(58，61，62，63，66，68，72)是在一個(gè)受程序控制的微處理器上實(shí)現(xiàn)的。
13．一種用來(lái)存儲(chǔ)程序的可讀存儲(chǔ)媒體，當(dāng)程序在一個(gè)權(quán)利要求11中的裝置上運(yùn)行時(shí)，此程序?qū)崿F(xiàn)了一種權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)的方法。
全文摘要
一種由PWM變頻器驅(qū)動(dòng)的失量控制感應(yīng)電機(jī)的制動(dòng)方法和控制裝置,其定子電流的q－電流分量和d－電流分量分別根據(jù)第一參考信號(hào)(i
文檔編號(hào)H02P3/18GK1285652SQ00124169
公開(kāi)日2001年2月28日 申請(qǐng)日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月18日
發(fā)明者蔣金生, 約阿希姆·霍爾茲 申請(qǐng)人:約阿希姆·霍爾茲, Weg自動(dòng)化有限公司