專利名稱：交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器，適用于交流異步電機(jī)或交流永磁同步電機(jī)的高性能調(diào)速或伺服控制，屬于電力傳動(dòng)控制設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在工業(yè)電氣傳動(dòng)與伺服系統(tǒng)中，采用交流電機(jī)替代直流電機(jī)成為一種發(fā)展方向。交流電機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、大容量、不需要換向器等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中的應(yīng)用越來越多。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，一般采用通用變頻器來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)運(yùn)行，變頻器的控制方法主要有兩種開環(huán)恒壓頻比控制和閉環(huán)矢量控制。開環(huán)恒壓頻比控制一般用于調(diào)速性能要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合，如空調(diào)器、洗衣機(jī)以及風(fēng)機(jī)和泵類的調(diào)速，具有軟起動(dòng)和節(jié)能降耗的作用；對(duì)于調(diào)速和伺服控制性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，如大功率傳送帶、機(jī)床、機(jī)器人、鋼材軋制生產(chǎn)線以及造紙廠生產(chǎn)線等，則采用閉環(huán)矢量控制。閉環(huán)矢量控制的實(shí)現(xiàn)，通常需要在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝速度傳感器來獲取轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。安裝速度傳感器使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。使采用閉環(huán)矢量控制的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用受到很大限制。因此，如何使交流電機(jī)在不安裝速度傳感器的條件下，獲得優(yōu)良的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置控制性能，是一個(gè)很有意義和急待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種無需在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝速度傳感器、硬件結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行可靠的交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器、復(fù)合被控對(duì)象中的功率逆變器、霍爾傳感器構(gòu)成，其中交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器中的空間矢量脈寬調(diào)制模塊的三個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接功率逆變器的三個(gè)輸入端，功率逆變器中的二個(gè)輸出端分別接霍爾傳感器的二個(gè)電流輸入端和電壓輸入端，霍爾傳感器的四個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器中Clarke變換的四個(gè)輸入端。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)可用于許多不宜在電機(jī)軸上安裝傳感器，并要求有高精度調(diào)速和高可靠性運(yùn)行性能的工業(yè)電氣傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，可顯著提高異步電機(jī)無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。用于構(gòu)造新型的異步電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)無速度傳感器的高精度轉(zhuǎn)速控制。不僅可應(yīng)用于以異步電機(jī)為動(dòng)力裝置的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在以其它類型的交流電機(jī)(交流永磁同步電機(jī)、直流無刷電機(jī)等)為動(dòng)力裝置的交流傳動(dòng)和交流伺服系統(tǒng)中也有非常廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是復(fù)合被控對(duì)象的原理圖。
圖2是偽線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的等效圖。
圖4是閉環(huán)解耦控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是采用交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器對(duì)復(fù)合被控對(duì)象進(jìn)行控制的原理圖。
圖7是由數(shù)字信號(hào)處理器，功率逆變器和霍爾傳感器共同組成交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制的本發(fā)明裝置組成的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是采用數(shù)字信號(hào)處理器作為無速度傳感器逆控制器對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)的運(yùn)行程序框圖。
圖中的1是功率逆變器(CM15MD/MDL-12H)、2是交流異步電機(jī)(Y90S-4)、3是負(fù)載、4是復(fù)合被控對(duì)象、5是空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊、6是異步電機(jī)的逆系統(tǒng)、7是偽線性系統(tǒng)、8是線性閉環(huán)控制器(含磁鏈控制器、轉(zhuǎn)速控制器)、9是擴(kuò)展的卡爾曼濾波器、10是Clarke變換(3/2變換)、11是轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器、12是交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器、13是霍爾傳感器(二個(gè)LM25-NP和2個(gè)LV25-NP)、14是數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320LF2407)、15是交流異步電機(jī)無速度傳感器逆控制變頻器、16是磁鏈控制器(PD控制器)、17是轉(zhuǎn)速控制器(PD控制器)、18是轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)、19是轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
對(duì)照附圖6，交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器12、復(fù)合被控對(duì)象4中的功率逆變器1、霍爾傳感器13構(gòu)成，其中交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器12中的空間矢量脈寬調(diào)制模塊5的輸出端Sa、Sb、Sc對(duì)應(yīng)連接功率逆變器1的三個(gè)輸入端，功率逆變器1中的輸出端ua、ub分別接霍爾傳感器13的電流輸入端ia、ib和電壓輸入端ua、ub，霍爾傳感器13的輸出端ia、ib、ua、ub對(duì)應(yīng)連接交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器12中的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器11中Clarke變換10的四個(gè)輸入端。
所述的交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器12由線性閉環(huán)控制器8、異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6、空間矢量脈寬調(diào)制模塊5、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器11構(gòu)成，其中線性閉環(huán)控制器8中的磁鏈控制器16、轉(zhuǎn)速控制器17的輸出端分別接異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6的二個(gè)輸入端，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6的輸出端usα、usβ分別接空間矢量脈寬調(diào)制模塊5的二個(gè)輸入端，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6的另外五個(gè)輸入端中的二個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器11中的Clarke變換10的輸出端isα、isβ，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6的另三個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器11中的擴(kuò)展的卡爾曼濾波器9的輸出端 Clarke變換10的輸出端isα、isβ、usα、usβ對(duì)應(yīng)連接擴(kuò)展的卡爾曼濾波器9的四個(gè)輸入端，擴(kuò)展的卡爾曼濾波器9的輸出端 分別接線性閉環(huán)控制器8中的磁鏈控制器16、轉(zhuǎn)速控制器17的輸入端。
所述的復(fù)合被控對(duì)象4中的功率逆變器1中的輸出端ua、ub接交流異步電機(jī)2的輸入端，交流異步電機(jī)2的輸出端接負(fù)載3。
對(duì)照附圖7，其中異步電機(jī)逆系統(tǒng)、線性閉環(huán)控制器、SVPWM模塊和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器由數(shù)字信號(hào)處理器即DSP控制器通過軟件來實(shí)現(xiàn)。DSP控制器采用TI公司的電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2407，功率逆變器采用三菱公司的PIM模塊CM15MD/MDL-12H、霍爾傳感器采用瑞士LEM公司的二個(gè)LM25-NP和二個(gè)LV25-NP。交流異步電機(jī)參數(shù)為額定功率PN＝1.1kW，額定轉(zhuǎn)速ωrN＝1420r/min，極對(duì)數(shù)np＝2，定子電感Ls＝0.574H，轉(zhuǎn)子電感Lr＝0.580H，互感Lm＝0.55H，轉(zhuǎn)子慣量J＝0.0021kgm2，定子電阻Rs＝5.9Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr＝5.6Ω。
對(duì)照附圖8，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)6、空間矢量脈寬調(diào)制模塊5、線性閉環(huán)控制器8和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器11為采用數(shù)字信號(hào)處理器14，通過編制程序軟件來實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施時(shí)，首先由功率逆變器、異步電機(jī)及其負(fù)載組成一個(gè)復(fù)合被控對(duì)象，該復(fù)合被控對(duì)象等效為靜止兩相坐標(biāo)系(αβ坐標(biāo)系)下的一個(gè)5階微分方程i·sα=-γisα+δβψrα+npβωrψrβ+usα/(σLs)i·sβ=-γisβ-npβωrψrα+δβψrβ+usβ/(σLs)ψ·rα=Lmδisα-δψrα-npωrψrβψ·rβ=Lmδisβ+npωrψrα-δψrβω·r=μ(isβψrα-isαψrβ)-TL/J]]>上式中np為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，δ=LrRr,β=LmσLsLr,μ=npLmJLr,]]>γ=Lm2RrσLsLr2+RsσLs,σ=1-Lm2LsLr;]]>Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr和Lm為定、轉(zhuǎn)子自感及互感；狀態(tài)變量x＝[isα，isβ，ψrα，ψrβ，ωr]τ；輸入控制量為u＝[usα，usβ]τ；其中isα、isβ和ψrα、ψrβ分別為定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈的α、β分量，ωr為轉(zhuǎn)子角速度；usα、usβ分別為定子電壓的α、β分量。
由該方程可解得復(fù)合被控對(duì)象的逆系統(tǒng)usα=f1(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>usβ=f2(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>
將逆系統(tǒng)串接在復(fù)合被控對(duì)象之前，逆系統(tǒng)與復(fù)合被控對(duì)象合成為由2個(gè)二階積分子系統(tǒng)s-2，即一個(gè)轉(zhuǎn)子磁鏈二階子系統(tǒng)和一個(gè)轉(zhuǎn)速二階子系統(tǒng)，從而將一個(gè)復(fù)雜的多變量非線性系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)化為二個(gè)簡單的二階積分子系統(tǒng)的控制。對(duì)于已經(jīng)解耦的2個(gè)二階積分子系統(tǒng)，采用一種線性系統(tǒng)的綜合方法，如PID或極點(diǎn)配置等，分別作出一個(gè)磁鏈控制器和一個(gè)轉(zhuǎn)速控制器。最終形成由閉環(huán)線性控制器、逆系統(tǒng)、SVPWM模塊和、擴(kuò)展的卡爾曼濾波器、霍爾傳感器和功率逆變器六個(gè)部分組成的無速度傳感器逆控制器變頻器，對(duì)交流異步電機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)不同的要求，可選擇不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求1.交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是由交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器(12)、復(fù)合被控對(duì)象(4)中的功率逆變器(1)、霍爾傳感器(13)構(gòu)成，其中交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器(12)中的空間矢量脈寬調(diào)制模塊(5)的輸出端(Sa、Sb、Sc)對(duì)應(yīng)連接復(fù)合被控對(duì)象(4)中的功率逆變器(1)的三個(gè)輸入端，功率逆變器(1)中的輸出端(ua、ub)分別接霍爾傳感器(13)的電流輸入端(ia、ib)和電壓輸入端(ua、ub)，霍爾傳感器(13)的輸出端(ia、ib、ua、ub)對(duì)應(yīng)連接交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器(12)中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器(11)中的Clarke變換(10)的四個(gè)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器(12)由線性閉環(huán)控制器(8)、異步電機(jī)的逆系統(tǒng)(6)、空間矢量脈寬調(diào)制模塊(5)、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器(11)構(gòu)成，其中線性閉環(huán)控制器(8)中的磁鏈控制器(16)、轉(zhuǎn)速控制器(17)的輸出端分別接異步電機(jī)的逆系統(tǒng)(6)的二個(gè)輸入端，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)(6)的輸出端(usα、usβ)分別接空間矢量脈寬調(diào)制模塊(5)的二個(gè)輸入端，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)(6)的另外五個(gè)輸入端中的二個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器(11)中的Clarke變換(10)的輸出端(isα、isβ)，異步電機(jī)的逆系統(tǒng)(6)的另三個(gè)輸入端接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器(11)中的擴(kuò)展的卡爾曼濾波器(9)的輸出端 Clarke變換(10)的輸出端(isα、isβ、usα、usβ)對(duì)應(yīng)連接擴(kuò)展的卡爾曼濾波器(9)的四個(gè)輸入端，擴(kuò)展的卡爾曼濾波器(9)的輸出端 分別接線性閉環(huán)控制器(8)中的磁鏈控制器(16)、轉(zhuǎn)速控制器(17)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是復(fù)合被控對(duì)象(4)中的功率逆變器(1)中的輸出端(ua、ub)接交流異步電機(jī)(2)的輸入端，交流異步電機(jī)(2)的輸出端接負(fù)載(3)。
專利摘要本實(shí)用新型是交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器，交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器、復(fù)合被控對(duì)象中的功率逆變器、霍爾傳感器構(gòu)成，其中交流異步電機(jī)的無速度傳感器逆控制器中的空間矢量脈寬調(diào)制模塊的三個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接功率逆變器的三個(gè)輸入端，功率逆變器中的二個(gè)輸出端分別接霍爾傳感器的二個(gè)電流輸入端和電壓輸入端，霍爾傳感器的四個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器中Clarke變換的四個(gè)輸入端。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)獲得優(yōu)良的調(diào)速和抗負(fù)載擾動(dòng)的電機(jī)運(yùn)行性能和高精度的轉(zhuǎn)速跟蹤控制性能。系統(tǒng)不需要在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝速度傳感器，硬件簡單，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)成本低廉。
文檔編號(hào)H02P6/00GK2805220SQ20052007241
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月7日
發(fā)明者張興華 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)