專利名稱：無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電機控制技術，特別是一種無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法。
在高性能的變頻調速系統(tǒng)中，為了達到較高的動、靜態(tài)性能，速度傳感器是必不可少的，但由于成本、使用環(huán)境及可靠性等限制，許多場合又不宜安裝速度傳感器，因而近期以來無速度傳感器控制一直是變頻調速系統(tǒng)研究與開發(fā)的主題。而在某些負載(例如各式軌道或公路電動車輛)的交流傳動中，出現(xiàn)一種對無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法的需求。
在異步電機變頻調速中，最重要的問題是如何將電機磁鏈保持在給定值上而不受電機運行溫度變化的影響，具體來說就是不受定子電阻R1與轉子時間常數(shù)T2隨溫度而變化的影響，但數(shù)十年以來為了實現(xiàn)此要求仍是困難多多。
在電壓脈寛調制定子磁鏈定向矢量控制(為了便于分析，通常將定子磁鏈給定值ψ1*定向于直軸D)的變頻調速系統(tǒng)中，已由專利號ZL02223487.X“高性能變頻調速器”提供了一種解決方法，其中以專利號ZL 00225853.6“異步電機變頻調速用的定子磁鏈的校正器”作基礎并利用發(fā)明專利號01106851.5“異步電機變頻調速中含有基變量的參數(shù)的觀測方法”的定子磁鏈觀測式(與基變量有關)而對定子側電阻值進行自校正或自設定亦即自適應電機溫度變化而得到了實現(xiàn)，從而進入了定子磁鏈定向矢量控制工況并能將定子磁鏈保持在所給定值上。在所述情況下，R1正是定子磁鏈閉環(huán)自校正的對象以達到將電機定子磁鏈值保持在給定值上的目的，而且即使T2大范圍變化也不會對上述自校正過程帶來影響，從而排除了電機運行溫度變化的影響，首次解決了長期以來所存在的難題，其中定子磁鏈觀測式的基變量Z起到了關鍵作用。既能在無速度傳感器下運行，又能獲得很高的起動轉矩且起動電流小，從而使變頻器的電流容量大為減少和產品成本顯著降低。
本發(fā)明的目的是提供一種無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法。
在包括含有與基變量有關的電機定子側電阻自適應電機溫度變化的環(huán)節(jié)及橫軸電流實際值IQ、直軸電流實際值ID的三相/二相的同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)在內的電壓脈寛調制(正弦波電壓脈寛調制或電壓空間矢量脈寛調制等等)定子磁鏈定向矢量控制的變頻調速器00的前提下，本發(fā)明的技術方案按層次分述如下轉矩電流即橫軸電流給定值IQ**經過正負限幅環(huán)節(jié)10后的IQ*在加減環(huán)節(jié)11處減去來自同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)的橫軸電流實際值IQ后得電流誤差，電流誤差再經放大系數(shù)為K1的比例環(huán)節(jié)14及積分環(huán)節(jié)15，最后得出轉速估計值N；轉速估計值經放大系數(shù)為K2的比例環(huán)節(jié)16后為轉速角頻率WM，轉速角頻率又在加減環(huán)節(jié)12處與來自函數(shù)F1運算環(huán)節(jié)17所輸出的轉差角頻率W2相加而得出定子角頻率W1并被送往變頻調速器00；函數(shù)F1運算環(huán)節(jié)的輸入共有三個，第一個為IQ**經過正負限幅環(huán)節(jié)10后的IQ*，第二個為來自同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)的直軸電流實際值ID，第三個為定子磁鏈給定值ψ1*；定子磁鏈給定值ψ1*又被分別送往變頻調速器及比例環(huán)節(jié)14；定子磁鏈給定值ψ1*定向于直軸D；當用軟件實施時，比例環(huán)節(jié)(14)及(16)則用乘法環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。
在現(xiàn)有技術中當電機轉速小于或等于電機額定轉速(或基速)時，定子磁鏈給定值ψ1*為常數(shù)；如要擴大到電機轉速大于電機額定轉速(或基速)區(qū)域，則定子磁鏈給定值ψ1*常來自以電機定子角頻率為自變量的函數(shù)發(fā)生器的輸出而非常數(shù)，以實現(xiàn)弱磁控制。
放大系數(shù)為K1的表達式是375PMψ1*/GD2；放大系數(shù)為K2的表達式是3.1416PM/30；PM為電機磁極對數(shù)，GD2為設定的飛輪慣量。
函數(shù)(F1)的表達式有多種，一是L1IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或是L1(1+σT2P)IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或進一步簡化是L1IQ*/(T2ψ1*)，或再進一步簡化是IQ*×0(但這會使系統(tǒng)反應速度降低)；T2＝L2/R2，σ＝1-M2/(L1L2)；T2為轉子時間常數(shù)，σ為漏磁系數(shù)，L1、L2、M及R2分別為電機的定子繞組自感、轉子繞組自感、定轉子繞組間互感及轉子電阻，均歸算到電機的定子側；P為微分符號；函數(shù)F1表達式的運算結果即為轉差角頻率W2并向外輸出。
下面結合附圖對本發(fā)明進一步作詳細說明。
圖1為系統(tǒng)控制方框圖。
在圖1中，變頻調速器00輸出的VA、VB和VC三相電壓送往異步電機01，并在每條輸出線上設有電流傳感器A、B和C，其分別檢測出的電流IA、IB和IC又被送回變頻調速器，以供產生橫軸電流實際值IQ及直軸電流實際值ID的三相/二相的同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)之用。圖中其余部分則如前面所述。
本發(fā)明的優(yōu)特點如下一、轉矩控制十分簡單而又實用當IQ*大于負載轉矩(折合成電流值)時，電機轉速上升；當IQ*小于負載轉矩(折合成電流值)時，電機轉速下降；當IQ*等于負載轉矩(折合成電流值)時，電機進入穩(wěn)速狀態(tài)。
二、由于定子磁鏈得到有效的利用，故起動轉矩高，且起動電流小，從而使變頻器的電流容量大為減少和產品成本顯著降低。
三、當IQ*為負值時，電機能進入再生制動運行狀態(tài)。
四、經計算機大量仿真證明所設定的飛輪慣量與電力拖動系統(tǒng)整個轉動部分所折算到電機軸上的實際飛輪慣量這二者之間允許有相當大的范圍出入；另外轉子時間常數(shù)T2值常隨電機運行溫度而變化，但其對轉矩控制所產生的影響可以忽略不計。
五、如IA+IB+IC＝0條件得到滿足，則圖1中可只設二個電流傳感器。
六、如遇到電源短時中斷情況，可降低IQ*值，以使電機轉速亦即定子角頻率下降到某一預定值，等候檢測到電源恢復后再提高IQ*值以恢復正常運行。
權利要求
1.一種無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法，包括含有與基變量有關的電機定子側電阻自適應電機溫度變化的環(huán)節(jié)及橫軸電流實際值IQ、直軸電流實際值ID的三相/二相的同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)在內的電壓脈寬調制定子磁鏈定向矢量控制的變頻調速器(00)，其特征在于轉矩電流即橫軸電流給定值IQ**經過正負限幅環(huán)節(jié)(10)后的IQ*在加減環(huán)節(jié)(11)處減去來自同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)的橫軸電流實際值IQ后得電流誤差，電流誤差再經放大系數(shù)為K1的比例環(huán)節(jié)(14)及積分環(huán)節(jié)(15)，最后得出轉速估計值N；轉速估計值經放大系數(shù)為K2的比例環(huán)節(jié)(16)后為轉速角頻率WM，轉速角頻率又在加減環(huán)節(jié)(12)處與來自函數(shù)F1運算環(huán)節(jié)(17)所輸出的轉差角頻率W2相加而得出定子角頻率W1并被送往變頻調速器(00)；函數(shù)F1運算環(huán)節(jié)的輸入共有三個，第一個為IQ**經過正負限幅環(huán)節(jié)(10)后的IQ*，第二個為來自同步旋轉坐標變換環(huán)節(jié)的直軸電流實際值ID，第三個為定子磁鏈給定值ψ1*；定子磁鏈給定值ψ1*又被分別送往變頻調速器及比例環(huán)節(jié)(14)；定子磁鏈給定值ψ1*定向于直軸D；當用軟件實施時，比例環(huán)節(jié)(14)及(16)則用乘法環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。
2.根據權利要求1所述的轉矩控制方法，其特征在于定子磁鏈給定值ψ1*為常數(shù)，也有的來自以電機定子角頻率為自變量的函數(shù)發(fā)生器的輸出而非常數(shù)。
3.根據權利要求1所述的轉矩控制方法，其特征在于放大系數(shù)為K1的表達式是375PMψ1*/GD2；放大系數(shù)為K2的表達式是3.1416PM/30；PM為電機磁極對數(shù)，GD2為設定的飛輪慣量。
4.根據權利要求1所述的轉矩控制方法，其特征在于函數(shù)F1的表達式有多種，一是L1IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或是L1(1+σT2P)IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或進一步簡化是L1IQ*/(T2ψ1*)，或再進一步簡化是IQ*×0；T2＝L2/R2，σ＝1-M2/(L1L2)；T2為轉子時間常數(shù)，σ為漏磁系數(shù)，L1、L2、M及R2分別為電機的定子繞組自感、轉子繞組自感、定轉子繞組間互感及轉子電阻，均歸算到電機的定子側；P為微分符號；函數(shù)F1表達式的運算結果即為轉差角頻率W2并向外輸出。
全文摘要
本發(fā)明“無速度傳感器異步電機變頻調速的轉矩控制方法”為一種電機控制技術。含有與基變量有關的電機定子側電阻自適應電機溫度變化的環(huán)節(jié)，并具有十分簡單而又實用的轉矩控制功能，能方便地升降速；又由于定子磁鏈得到有效的利用，故起動轉矩高，且起動電流小，從而使變頻器的電流容量大為減少和產品成本顯著降低；另外轉子時間常數(shù)T
文檔編號H02P21/00GK1797936SQ200410047070
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權日2004年12月20日
發(fā)明者盧驥 申請人:盧驥