專利名稱：一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無位置編碼器懸?？刂蒲b置及其方法，尤其是涉及一種應用于變頻驅動提升類負載的無位置編碼器懸?？刂蒲b置及其方法。
背景技術：
用變頻器驅動電機提升、下放和移動重物的時候不僅需要精確的速度控制，在某些場合還需要在機械制動裝置不抱閘的情況下具備長時間將重物懸吊在空中保持位置不動的能力。一般的做法是在需要懸停時向電機注入直流電流，產生一個較大的靜止磁場，通過直流制動方式使重物保持靜止，但這種方式耐沖擊能力差，對于負載沖擊導致的位置漂移沒有自動修正能力，且異步電機長時間的注入直流電流也會對電機造成不利影響。在很多只有速度傳感器沒有位置傳感器的異步電機使用場合，需要精確速度控制的同時還需具 備長時間可靠懸停的能力(如油田鉆機的絞車負載)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置及其方法，該裝置及其方法解決了在變頻驅動提升類負載無位置編碼器情況下實現(xiàn)長時間的懸停，并實現(xiàn)速度控制和懸停控制的無沖擊切換的技術問題。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置的技術實現(xiàn)方案，一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，包括速度/懸停聯(lián)動控制模塊和轉子磁場定向矢量控制模塊，轉子磁場定向矢量控制模塊包括電流控制環(huán)節(jié)、頻率控制環(huán)節(jié)和脈沖調制環(huán)節(jié)。速度/懸停聯(lián)動控制模塊分別與電流控制環(huán)節(jié)和頻率控制環(huán)節(jié)相連，速度/懸停聯(lián)動控制模塊向電流控制環(huán)節(jié)輸出給定轉矩信號，頻率控制環(huán)節(jié)向速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出轉子的頻率信號。電流控制環(huán)節(jié)分別與頻率控制環(huán)節(jié)和脈沖調制環(huán)節(jié)相連，電流控制環(huán)節(jié)根據(jù)速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出的給定轉矩信號和頻率控制環(huán)節(jié)輸出的轉子磁鏈角度信號，經過計算向脈沖調制環(huán)節(jié)輸出勵磁電壓和轉矩電壓。來自電機的速度脈沖信號輸入頻率控制環(huán)節(jié)，頻率控制環(huán)節(jié)與脈沖調制環(huán)節(jié)相連，脈沖調制環(huán)節(jié)根據(jù)電流控制環(huán)節(jié)輸出的勵磁電壓和轉矩電壓，以及頻率控制環(huán)節(jié)輸出的轉子磁鏈角度信號，對外輸出調制脈沖信號。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置技術方案的進一步改進，速度/懸停聯(lián)動控制模塊包括轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)、PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)、轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)、轉子位置計算環(huán)節(jié)和轉矩選擇環(huán)節(jié)；轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)相連，當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)的速度給定大于門檻速度時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)的速度給定小于或等于門檻速度，并且實際速度也小于門檻速度時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式；PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)相連，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制方式和懸停閉環(huán)控制方式切換時兩個控制閉環(huán)PI參數(shù)的交換；轉子位置計算環(huán)節(jié)與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)相連，轉子位置計算環(huán)節(jié)通過對齒頻率進行計數(shù)得到電機的轉子的實際位置，并將電機的轉子的實際位置信號輸出至懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)；轉矩選擇環(huán)節(jié)分別與轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)相連，轉矩選擇環(huán)節(jié)根據(jù)轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)的輸出信號，分別選擇懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的輸出信號作為給定轉矩信號T。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置技術方案的進一步改進，懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)包括位置初始化環(huán)節(jié)、第三PI環(huán)節(jié)和第四PI環(huán)節(jié)，轉子位置計算環(huán)節(jié)向第三PI環(huán)節(jié)輸出電機的轉子的實際位置信號，第三PI環(huán)節(jié)將經過位置初始化環(huán)節(jié)輸出的目標位置信號與轉子的實際位置信號的差值進行PI調節(jié)，產生懸停閉環(huán)控制的速度給定；第四PI環(huán)節(jié)將速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)，產生需要的轉矩指令信號T_ref2 ;轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)包括PI主環(huán)節(jié)，PI主環(huán)節(jié)對速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)得到轉矩指令信號T_refl。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置技術方案的進一步改進，轉子位置計算環(huán)節(jié)包括限幅環(huán)節(jié)和脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)，來自電機的速度脈沖信號輸入脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)，經過脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)計算得到轉子的位置值，經過限幅環(huán)節(jié)對外輸出轉子的位置值。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置技術方案的進一步改進，頻率控制環(huán)節(jié)包括轉子時間常數(shù)計算環(huán)節(jié)、轉差頻率計算環(huán)節(jié)、定子頻率計算環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和轉速計算環(huán)節(jié)，轉速計算環(huán)節(jié)檢測電機的運行速度，得到實際的轉子頻率信號Wr，實際的轉子頻率信號Wr與轉差頻率計算環(huán)節(jié)輸出的轉差頻率信號Wsl相加作為定子頻率信號Ws，積分環(huán)節(jié)對定子頻率信號Ws進行積分產生轉子磁鏈角度信號0 S，轉子磁鏈角度信號0 s作為電流控制環(huán)節(jié)和脈沖調制環(huán)節(jié)的坐標定向角度信號。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置技術方案的進一步改進，電流控制環(huán)節(jié)包括給定計算環(huán)節(jié)、第一 PI環(huán)節(jié)、第二 PI環(huán)節(jié)、ct 3 _dq變換環(huán)節(jié)和abc-a 3變換環(huán)節(jié)，給定計算環(huán)節(jié)將頻率控制環(huán)節(jié)輸出的磁鏈信號Tr和速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出的給定轉矩信號變換為M-T坐標系下的給定電流信號im_ref和it_ref ;實際的電機電流信號依次經過abc-a ^變換環(huán)節(jié)和a 0 _dq變換環(huán)節(jié)進而得到實際的電流信號im和it ;給定電流信號和實際的電流信號的差值信號分別經過第一PI環(huán)節(jié)和第二PI環(huán)節(jié)進行PI調節(jié)，輸出勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置技術方案的進一步改進，脈沖調制環(huán)節(jié)包括dq-a 3反變換環(huán)節(jié)和脈寬調制環(huán)節(jié)，dq_ a ^反變換環(huán)節(jié)根據(jù)頻率控制環(huán)節(jié)輸出的轉子磁鏈角度信號9 s,將電流控制環(huán)節(jié)輸出的勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust轉換為輸入脈寬調制環(huán)節(jié)的電壓信號Usa和Usb，脈寬調制環(huán)節(jié)根據(jù)電壓采樣環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)輸出的逆變器直流電壓信號Ud，向逆變器輸出調制脈沖。本發(fā)明還另外具體提供了一種利用上述變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置實現(xiàn)變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制的方法，該方法包括以下步驟SlO :轉子位置計算環(huán)節(jié)檢測速度脈沖信號，并計算電機的轉子位置，以及轉子轉速；S20 :轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)通過判斷速度給定和實際速度，進行轉速閉環(huán)控制方式和懸停閉環(huán)控制方式的選擇，在切換控制方式時，通過PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)進行兩個控制閉環(huán)、PI參數(shù)的互傳；S30 :懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)通過對位置信號進行閉環(huán)調節(jié)得到速度給定，再通過對速度信號進行閉環(huán)調節(jié)得到需要的轉矩指令信號T_ref2 ;轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)通過對速度信號進行閉環(huán)調節(jié)得到轉矩指令信號T_ren ;速度/懸停聯(lián)動控制模塊通過轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)選擇懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)或轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的輸出作為給定轉矩信號T ；S40 :將速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出的給定轉矩信號T傳入轉子磁場定向矢量控制模塊，通過對實際的勵磁電流im和轉矩電流it進行閉環(huán)調節(jié)得到勵磁電壓Usm和轉矩電壓UsU并結合逆變器的直流電壓進行脈沖調制，供給電機。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒夹g方案的進一步改進，當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)的速度給定大于門檻速度時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)的速度給定小于或等于門檻速度，并且實際速度也小于門檻速度 時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒夹g方案的進一步改進，步驟S30還進一步包括以下步驟轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)通過對速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)得到轉矩指令信號T_ren ;懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)通過對速度信號進行積分計算得到電機的實際位置，實際位置和給定位置的差值經過PI調節(jié)，獲得速度給定，該速度給定和電機的實際速度的差值再進行PI調節(jié)，通過限幅后轉換成為轉矩指令信號T_ref2。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制方法技術方案的進一步改進，步驟SlO中的轉子位置計算過程還具體包括以下步驟SlOl :轉子位置計算環(huán)節(jié)檢測速度脈沖信號，當轉子的旋轉為正方向時，轉子的位置值加I ;當轉子的旋轉為反方向時，轉子的位置值減I ;S102 :對轉子的位置值進行限幅，當轉子的位置值大于上限時，轉子的位置值變?yōu)? ;當轉子的位置值小于下限時，轉子的位置值變?yōu)? ;S103 :轉子位置計算環(huán)節(jié)檢測兩個速度脈沖信號之間的時間差值A T，則速度脈沖頻率為Fpulse=I/ A T,通過公式Wr=Fpulse*pi*2/Gear計算得到實際的轉子頻率信號Wr ；式中，F(xiàn)pulse為速度脈沖頻率，Gear為速度編碼器的齒數(shù)，pi為圓周率，Wr為轉子頻率信號，轉子頻率信號一般采用轉子的機械角速度。作為本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制方法技術方案的進一步改進，步驟S20中還具體包括以下步驟S201 :轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)判斷速度給定和轉子的實際速度，當速度給定大于或等于門檻速度N_1時，選擇轉速閉環(huán)控制方式；當速度給定小于門檻速度N_1時，結合轉子的實際速度進行判斷，當轉子的實際速度大于或等于門檻速度N_1時，選擇轉速閉環(huán)控制方式，當轉子的實際速度小于門檻速度N_1時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式；S202 :當從轉速閉環(huán)控制方式切換到懸停閉環(huán)控制方式時，PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)將在轉速閉環(huán)控制方式中產生的轉矩指令信號T_refl傳送給懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，作為轉矩的初始值；當從懸停閉環(huán)控制方式切換到轉速閉環(huán)控制方式時，PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)將在懸停閉環(huán)控制方式中產生的轉矩指令信號T_ref2傳送給轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，作為轉矩的初始值。通過實施上述本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置及其方法的技術方案，具有以下技術效果I、能使變頻驅動提升類負載時，在無位置編碼器的情況下實現(xiàn)長時間的懸停，并實現(xiàn)速度控制和懸?？刂频臒o沖擊切換。2、僅通過使用速度傳感器即可以實現(xiàn)提升類負載精確的速度控制和位置控制。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置一種具體實施方式
速度/懸停聯(lián)動控制模塊的系統(tǒng)結構框圖。
圖2是本發(fā)明變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置一種具體實施方式
的系統(tǒng)結構框圖。圖3是本發(fā)明變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒ㄒ环N具體實施方式
的程序流程圖。圖中1_速度/懸停聯(lián)動控制模塊，2_電流控制環(huán)節(jié),3_頻率控制環(huán)節(jié),4_脈沖調制環(huán)節(jié)，5-電壓采樣環(huán)節(jié)，6-逆變器，7-電機，11-轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)，12-PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)，13-懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，14-轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，15-轉子位置計算環(huán)節(jié)，16-轉矩選擇環(huán)節(jié)，21-給定計算環(huán)節(jié)，22-第一 PI環(huán)節(jié)，23-第二 PI環(huán)節(jié)，24- a ^ -dq變換環(huán)節(jié)，25-abc-a ^變換環(huán)節(jié)，31-轉子時間常數(shù)計算環(huán)節(jié)，32-轉差頻率計算環(huán)節(jié)，33-定子頻率計算環(huán)節(jié)，34-積分環(huán)節(jié),35-轉速計算環(huán)節(jié)，41-dq-a ^反變換環(huán)節(jié),42-脈寬調制環(huán)節(jié)，131-位置初始化環(huán)節(jié)，132-第三PI環(huán)節(jié)，133-第四PI環(huán)節(jié)，141-PI主環(huán)節(jié)，151-限幅環(huán)節(jié)，152-脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)。
具體實施例方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如附圖I至附圖3所示，給出了本發(fā)明一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置及其方法的具體實施例，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置的具體實施方式
，包括速度/懸停聯(lián)動控制模塊I和轉子磁場定向矢量控制模塊。如附圖I中所示，速度/懸停聯(lián)動控制模塊I進一步包括轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11、PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)12、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13、轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14、轉子位置計算環(huán)節(jié)15和轉矩選擇環(huán)節(jié)16。轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14相連，當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11的速度給定大于門檻速度時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11的速度給定小于或等于門檻速度，并且實際速度也小于門檻速度時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式。PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)12分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14相連，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制方式和懸停閉環(huán)控制方式切換時兩個控制閉環(huán)PI參數(shù)的交換。轉子位置計算環(huán)節(jié)15與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13相連，轉子位置計算環(huán)節(jié)15通過對齒頻率進行計數(shù)得到電機7的轉子的實際位置，并將電機7的轉子的實際位置信號輸出至懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13。轉矩選擇環(huán)節(jié)16分別與轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14相連，轉矩選擇環(huán)節(jié)16根據(jù)轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11的輸出信號，分別選擇懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14的輸出信號作為給定轉矩信號T。懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13進一步包括位置初始化環(huán)節(jié)131、第三PI環(huán)節(jié)132和第四PI環(huán)節(jié)133，轉子位置計算環(huán)節(jié)15向第三PI環(huán)節(jié)132輸出電機7的轉子的實際位置信號，第三PI環(huán)節(jié)132將位置初始化環(huán)節(jié)131輸出的目標位置信號與轉子的實際位置信號的差值進行PI調節(jié)，產生懸停閉環(huán)控制的速度給定。第四PI環(huán)節(jié)133將速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)，產生需要的轉矩指令信號T_ref2。轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14包括PI主環(huán)節(jié)141，PI主環(huán)節(jié)141對速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)得到轉矩指令信號T_refl。轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14進一步包括PI主環(huán)節(jié)141。轉子位置計算環(huán)節(jié)15進一步包括限幅環(huán) 節(jié)151和脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)152，來自電機7的速度脈沖信號和速度方向信號輸入脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)152，經過脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)152計算得到轉子的位置值，經過限幅環(huán)節(jié)151對外輸出轉子的位置值。如圖2所示的轉子磁場定向矢量控制模塊進一步包括電流控制環(huán)節(jié)2、頻率控制環(huán)節(jié)3和脈沖調制環(huán)節(jié)4。速度/懸停聯(lián)動控制模塊I分別與電流控制環(huán)節(jié)2和頻率控制環(huán)節(jié)3相連，速度/懸停聯(lián)動控制模塊I向電流控制環(huán)節(jié)2輸出給定轉矩信號，頻率控制環(huán)節(jié)3向速度/懸停聯(lián)動控制模塊I輸出轉子的頻率信號。電流控制環(huán)節(jié)2分別與頻率控制環(huán)節(jié)3和脈沖調制環(huán)節(jié)4相連，電流控制環(huán)節(jié)2根據(jù)速度/懸停聯(lián)動控制模塊I輸出的給定轉矩信號和頻率控制環(huán)節(jié)3輸出的轉子磁鏈角度信號，經過計算向脈沖調制環(huán)節(jié)4輸出勵磁電壓和轉矩電壓。來自電機7的速度脈沖信號輸入頻率控制環(huán)節(jié)3，頻率控制環(huán)節(jié)3與脈沖調制環(huán)節(jié)4相連，脈沖調制環(huán)節(jié)4根據(jù)電流控制環(huán)節(jié)2輸出的勵磁電壓和轉矩電壓，以及頻率控制環(huán)節(jié)3輸出的轉子磁鏈角度信號，對外輸出調制脈沖信號。頻率控制環(huán)節(jié)3進一步包括轉子時間常數(shù)計算環(huán)節(jié)31、轉差頻率計算環(huán)節(jié)32、定子頻率計算環(huán)節(jié)33、積分環(huán)節(jié)34和轉速計算環(huán)節(jié)35,轉速計算環(huán)節(jié)35檢測電機7的運行速度，得到實際的轉子頻率信號Wr，實際的轉子頻率信號Wr與轉差頻率計算環(huán)節(jié)32輸出的轉差頻率信號Wsl相加作為定子頻率信號Ws，積分環(huán)節(jié)34對定子頻率信號Ws進行積分產生轉子磁鏈角度信號0 S，轉子磁鏈角度信號0 s作為電流控制環(huán)節(jié)2和脈沖調制環(huán)節(jié)4的坐標定向角度信號。電流控制環(huán)節(jié)2進一步包括給定計算環(huán)節(jié)21、第一 PI環(huán)節(jié)22、第二 PI環(huán)節(jié)23、a ^ -dq變換環(huán)節(jié)24和abc_ a ^變換環(huán)節(jié)25，給定計算環(huán)節(jié)21將頻率控制環(huán)節(jié)3輸出的磁鏈信號Tr和速度/懸停聯(lián)動控制模塊I輸出的給定轉矩信號變換為M-T坐標系下的給定電流信號im_ref和it_ref。實際的電機電流信號依次經過abc_ a ^變換環(huán)節(jié)25和a 3-dq變換環(huán)節(jié)24進而得到實際的電流信號im和it。給定電流信號和實際的電流信號的差值信號分別經過第一 PI環(huán)節(jié)22和第二 PI環(huán)節(jié)23進行PI調節(jié)，輸出勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust0其中，ia、ib、ic分別為電機7的a相、b相和c相的電流。
脈沖調制環(huán)節(jié)4進一步包括dq-a ^反變換環(huán)節(jié)41和脈寬調制環(huán)節(jié)42,dq_a ^反變換環(huán)節(jié)41根據(jù)頻率控制環(huán)節(jié)3輸出的轉子磁鏈角度信號e S，將電流控制環(huán)節(jié)2輸出的勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust轉換為輸入脈寬調制環(huán)節(jié)42的電壓信號Usa和Usb，脈寬調制環(huán)節(jié)42根據(jù)電壓采樣環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)5輸出的逆變器6直流電壓信號Ud，向逆變器6輸出調制脈沖。在附圖I和附圖2 中，輸入至轉子位置計算環(huán)節(jié)15的速度脈沖信號與輸入至頻率控制環(huán)節(jié)3的速度脈沖信號為同一信號。但是，轉子位置計算環(huán)節(jié)15是根據(jù)速度脈沖和速度方向信號計算出變化的位置，而頻率控制環(huán)節(jié)3則是輸出角速度和相位。此外，變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置在懸停時才調用轉子位置計算環(huán)節(jié)15和頻率控制環(huán)節(jié)3，而在正常運行時只調用頻率控制環(huán)節(jié)3。如附圖3所示，本發(fā)明還提供了一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒ǖ?b>具體實施方式
，分為電機速度/懸停聯(lián)動控制過程和轉子磁場定向矢量控制過程兩部分。其中，電機速度/懸停聯(lián)動控制過程由以下五個環(huán)節(jié)組成轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)IUPI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)12、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13、轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14和轉子位置計算環(huán)節(jié)15。以上5個環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方法如下I、轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)11 :當速度給定大于門檻速度(N_l)時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當速度給定小于或等于門檻速度(N_l)，并且實際速度也小于門檻(N_l)時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式。2、PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)12 :實現(xiàn)轉速和懸停兩種閉環(huán)控制方式切換時兩個控制閉環(huán)的PI參數(shù)交換，這樣可以避免工況切換時的轉矩突變，具體實現(xiàn)方法如下( I)當電機7的速度給定小于N_l，并且實際速度也小于門檻(N_l)的時候，從轉速閉環(huán)控制方式切入懸停閉環(huán)控制方式。此時控制裝置需要初始化懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13的控制器參數(shù)初始化目標位置取進入懸停閉環(huán)控制方式時，轉子的位置值作為懸停閉環(huán)的目標位置；初始化轉矩環(huán)輸出T_ref2 :取轉速閉環(huán)轉矩輸出作為初始化值。(2)當電機7的速度給定大于1，從懸停閉環(huán)控制方式切入轉速閉環(huán)控制方式。此時，控制裝置需要初始化轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14的控制器參數(shù)初始化PI輸出(T_refl):取懸停閉環(huán)轉矩輸出為T_refl初值。3、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)13 :通過兩個PI調節(jié)器實現(xiàn)轉矩輸出，具體過程如下將目標位置和轉子實際位置信號的差值做PI調節(jié)，產生懸停閉環(huán)控制的速度給定；將此速度給定和實際速度的差值做PI調節(jié)即可產生需要的轉矩指令。4、轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)14，具體過程如下將速度給定和實際速度的差值做PI調節(jié)，產生轉速閉環(huán)控制時的轉矩給定。5、轉子位置計算環(huán)節(jié)15 :通過計數(shù)齒頻率，計算實際位置，具體實現(xiàn)過程如下(I)利用硬件中斷對速度脈沖計數(shù)，當速度方向為正方向時候，每來一個脈沖，將脈沖計數(shù)器加I ;當速度方向為反方向時候，每來一個脈沖，將脈沖計數(shù)器減I ;(2)脈沖計數(shù)器的門檻值如下設置土傳感器齒數(shù)*旋轉圈數(shù)。傳感器齒數(shù)由傳感器決定，圈數(shù)可以任意選擇，只要保證傳感器齒數(shù)*旋轉圈數(shù)不超過數(shù)據(jù)表示范圍即可。當脈沖計數(shù)值大于正門檻值，則將計數(shù)器清O ;當脈沖計數(shù)值小于負門檻值，也將計數(shù)器清O。轉子磁場 定向矢量控制過程具體包括頻率控制環(huán)節(jié)、電流控制環(huán)節(jié)和SVPWM脈沖調制環(huán)節(jié)，以上3個環(huán)節(jié)具體實現(xiàn)方法如下I、頻率控制環(huán)節(jié)3檢測電機7的運行速度，轉子頻率信號Wr經處理后乘以電機7的極對數(shù)Pn，與轉差頻率信號Wsl相加作為定子頻率信號Ws，
權利要求
1.一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于，包括速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)和轉子磁場定向矢量控制模塊，所述轉子磁場定向矢量控制模塊包括電流控制環(huán)節(jié)(2 )、頻率控制環(huán)節(jié)(3 )和脈沖調制環(huán)節(jié)(4 ); 所述速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)分別與電流控制環(huán)節(jié)(2 )和頻率控制環(huán)節(jié)(3 )相連，所述速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)向電流控制環(huán)節(jié)(2 )輸出給定轉矩信號，所述頻率控制環(huán)節(jié)(3)向速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)輸出轉子的頻率信號； 所述電流控制環(huán)節(jié)(2 )分別與頻率控制環(huán)節(jié)(3 )和脈沖調制環(huán)節(jié)(4 )相連，所述電流控制環(huán)節(jié)(2)根據(jù)速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)輸出的給定轉矩信號和頻率控制環(huán)節(jié)(3)輸出的轉子磁鏈角度信號，經過計算向脈沖調制環(huán)節(jié)(4)輸出勵磁電壓和轉矩電壓； 來自電機(7 )的速度脈沖信號輸入所述頻率控制環(huán)節(jié)(3 )，頻率控制環(huán)節(jié)(3 )與脈沖調制環(huán)節(jié)(4)相連，所述脈沖調制環(huán)節(jié)(4)根據(jù)電流控制環(huán)節(jié)(2)輸出的勵磁電壓和轉矩電壓，以及頻率控制環(huán)節(jié)(3)輸出的轉子磁鏈角度信號，對外輸出調制脈沖信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于，所述速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)包括轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)、PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)(12)、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)、轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)、轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)和轉矩選擇環(huán)節(jié)(16); 所述轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)相連，當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)的速度給定大于門檻速度時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)的速度給定小于或等于門檻速度，并且實際速度也小于門檻速度時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式； 所述PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)(12)分別與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)相連，實現(xiàn)轉速閉環(huán)控制方式和懸停閉環(huán)控制方式切換時兩個控制閉環(huán)PI參數(shù)的交換； 所述轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)與懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)相連，轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)通過對齒頻率進行計數(shù)得到電機(7)的轉子的實際位置，并將電機(7)的轉子的實際位置信號輸出至懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)； 所述轉矩選擇環(huán)節(jié)(16)分別與轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)、懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)相連，轉矩選擇環(huán)節(jié)(16)根據(jù)轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)的輸出信號，分別選擇懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)和轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)的輸出信號作為給定轉矩信號T。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于所述懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)包括位置初始化環(huán)節(jié)(131 )、第三PI環(huán)節(jié)(132)和第四PI環(huán)節(jié)(133)，轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)向第三PI環(huán)節(jié)(132)輸出電機(7)的轉子的實際位置信號，所述第三PI環(huán)節(jié)(132)將位置初始化環(huán)節(jié)(131)輸出的目標位置信號與轉子的實際位置信號的差值進行PI調節(jié)，產生懸停閉環(huán)控制的速度給定；所述第四PI環(huán)節(jié)(133)將所述速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)，產生需要的轉矩指令信號T_ref2 ;所述轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)包括PI主環(huán)節(jié)(141 )，所述PI主環(huán)節(jié)(141)對速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)得到轉矩指令信號T_refl。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于所述轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)包括限幅環(huán)節(jié)(151)和脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)(152)，速度脈沖信號輸入所述脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)(152)，脈沖計數(shù)環(huán)節(jié)(152)經過計算得到轉子的位置值，經過限幅環(huán)節(jié)(151)對外輸出轉子的位置值。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制裝置，其特征在于所述頻率控制環(huán)節(jié)(3)包括轉子時間常數(shù)計算環(huán)節(jié)(31)、轉差頻率計算環(huán)節(jié)(32)、定子頻率計算環(huán)節(jié)(33)、積分環(huán)節(jié)(34)和轉速計算環(huán)節(jié)(35),所述轉速計算環(huán)節(jié)(35)檢測電機(7)的運行速度，得到實際的轉子頻率信號Wr，實際的轉子頻率信號Wr與轉差頻率計算環(huán)節(jié)(32)輸出的轉差頻率信號Wsl相加作為定子頻率信號Ws，所述積分環(huán)節(jié)(34)對定子頻率信號Ws進行積分產生轉子磁鏈角度信號Θ 8，轉子磁鏈角度信號Θ s作為電流控制環(huán)節(jié)(2)和脈沖調制環(huán)節(jié)(4)的坐標定向角度信號。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于所述電流控制環(huán)節(jié)(2)包括給定計算環(huán)節(jié)(21)、第一 PI環(huán)節(jié)(22)、第二 PI環(huán)節(jié)(23)、 α 3-(^變換環(huán)節(jié)(24)和&1^-(1 β變換環(huán)節(jié)(25)，所述給定計算環(huán)節(jié)(21)將頻率控制環(huán)節(jié)(3)輸出的磁鏈信號Tr和速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)輸出的給定轉矩信號變換為M-T坐標系下的給定電流信號im_ref和it_ref ;實際的電機電流信號依次經過abc_ α β變換環(huán)節(jié)(25)和α β-dq變換環(huán)節(jié)(24)進而得到實際的電流信號im和it ;給定電流信號和實際的電流信號的差值信號分別經過第一 PI環(huán)節(jié)(22)和第二 PI環(huán)節(jié)(23)進行PI調節(jié)，輸出勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置，其特征在于所述脈沖調制環(huán)節(jié)(4)包括dq-α β反變換環(huán)節(jié)(41)和脈寬調制環(huán)節(jié)(42)，所述dq-α β反變換環(huán)節(jié)(41)根據(jù)頻率控制環(huán)節(jié)(3)輸出的轉子磁鏈角度信號0S，將電流控制環(huán)節(jié)(2 )輸出的勵磁電壓信號Usm和轉矩電壓信號Ust轉換為輸入脈寬調制環(huán)節(jié)(42 )的電壓信號Usa和Usb，所述脈寬調制環(huán)節(jié)(42)根據(jù)電壓采樣環(huán)節(jié)(5)輸出的逆變器(6)直流電壓信號Ud，向逆變器(6)輸出調制脈沖。
8.一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒?，其特征在于，所述方法包括以下步驟 SlO :轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)檢測速度脈沖信號，并計算電機(7)的轉子位置，以及轉子轉速； S20 :轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)通過判斷速度給定和實際速度，進行轉速閉環(huán)控制方式和懸停閉環(huán)控制方式的選擇，在切換控制方式時，通過PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)(12)進行兩個控制閉環(huán)PI參數(shù)的互傳； S30 :懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)通過對位置信號進行閉環(huán)調節(jié)得到速度給定，再通過對速度信號進行閉環(huán)調節(jié)得到需要的轉矩指令信號T_ref2 ;轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)通過對速度信號進行閉環(huán)調節(jié)得到轉矩指令信號T_ren ;速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)通過轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)選擇懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)或轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)的輸出作為給定轉矩信號T ； S40 :將速度/懸停聯(lián)動控制模塊(I)輸出的給定轉矩信號T傳入轉子磁場定向矢量控制模塊，通過對實際的勵磁電流im和轉矩電流it進行閉環(huán)調節(jié)得到勵磁電壓Usm和轉矩電壓Ust，并結合逆變器(6 )的直流電壓進行脈沖調制，供給電機(7 )。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒?，其特征在于當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)的速度給定大于門檻速度時，則選擇轉速閉環(huán)控制方式；當輸入轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)的速度給定小于或等于門檻速度，并且實際速度也小于門檻速度時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒?，其特征在于，所述步驟S30中還進一步包括以下步驟 轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)通過對速度給定和實際速度的差值進行PI調節(jié)得到轉矩指令信號T_refl ;懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)通過對速度信號進行積分計算得到電機(7)的實際位置，實際位置和給定位置的差值經過PI調節(jié)，獲得速度給定，該速度給定和電機(7)的實際速度的差值再進行PI調節(jié)，通過限幅后轉換成為轉矩指令信號T_ref2。
11.根據(jù)權利要求8、9、10中任一權利要求所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸停控制方法，其特征在于，所述步驟SlO中的轉子位置計算過程還包括以下步驟 5101:轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)檢測速度脈沖信號，當轉子的旋轉為正方向時，轉子的位置值加I ;當轉子的旋轉為反方向時，轉子的位置值減I ; 5102:對轉子的位置值進行限幅，當轉子的位置值大于上限時，轉子的位置值變?yōu)镺 ;當轉子的位置值小于下限時，轉子的位置值變?yōu)镺 ; 5103:轉子位置計算環(huán)節(jié)(15)檢測兩個速度脈沖信號之間的時間差值Λ Τ，則速度脈沖頻率為Fpulse=I/ Δ Τ,通過公式Wr=Fpulse*pi*2/Gear計算得到實際的轉子頻率信號Wr ； 式中，F(xiàn)pulse為速度脈沖頻率，Gear為速度編碼器的齒數(shù)，pi為圓周率，Wr為轉子頻率信號。
12.根據(jù)權利要求11所述的一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂品椒?，其特征在于，所述步驟S20中還具體包括以下步驟 5201:轉速/懸停選擇環(huán)節(jié)(11)判斷速度給定和轉子的實際速度，當速度給定大于或等于門檻速度N_1時，選擇轉速閉環(huán)控制方式；當速度給定小于門檻速度N_1時，結合轉子的實際速度進行判斷，當轉子的實際速度大于或等于門檻速度N_1時，選擇轉速閉環(huán)控制方式，當轉子的實際速度小于門檻速度N_1時，則選擇懸停閉環(huán)控制方式； 5202:當從轉速閉環(huán)控制方式切換到懸停閉環(huán)控制方式時，PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)(12)將在轉速閉環(huán)控制方式中產生的轉矩指令信號T_refl傳送給懸停閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(13)，作為轉矩的初始值；當從懸停閉環(huán)控制方式切換到轉速閉環(huán)控制方式時，PI參數(shù)互傳環(huán)節(jié)(12)將在懸停閉環(huán)控制方式中產生的轉矩指令信號T_ref2傳送給轉速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)(14)，作為轉矩的初始值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種變頻驅動負載無位置編碼器懸?？刂蒲b置及其方法，包括速度/懸停聯(lián)動控制模塊和轉子磁場定向矢量控制模塊，速度/懸停聯(lián)動控制模塊向電流控制環(huán)節(jié)輸出給定轉矩信號，頻率控制環(huán)節(jié)向速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出轉子的頻率信號；電流控制環(huán)節(jié)根據(jù)速度/懸停聯(lián)動控制模塊輸出的給定轉矩信號和頻率控制環(huán)節(jié)輸出的轉子磁鏈角度信號，經過計算向脈沖調制環(huán)節(jié)輸出勵磁電壓和轉矩電壓；脈沖調制環(huán)節(jié)根據(jù)電流控制環(huán)節(jié)輸出的勵磁電壓和轉矩電壓，以及頻率控制環(huán)節(jié)輸出的轉子磁鏈角度信號，對外輸出調制脈沖信號。本發(fā)明解決了在變頻驅動提升類負載無位置編碼器情況下實現(xiàn)長時間的懸停，并實現(xiàn)速度控制和懸?？刂频臒o沖擊切換的技術問題。
文檔編號H02P27/08GK102739148SQ20121023220
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權日2012年7月5日
發(fā)明者劉可安, 周志宇, 尚敬, 楊大成, 梅文慶 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司