CN104734594A - 用于控制和调节电磁机械的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制和调节电磁机械的方法，其中，利用数学模型在空间矢量图中确定电磁机械的状态变量，预先设定定子上调节电压矢量的理论值，测量定子上电流矢量的实际值，由调节电压矢量的理论值与电流矢量的实际值确定感应电压矢量，预先设定校正电压矢量，由校正电压矢量和感应电压矢量确定磁通矢量的估算值，且由磁通矢量的估算值确定相位角的估算值和旋转磁场频率的估算值，其中，如果定子上电流的形成转矩的分量具有与旋转磁场频率的估算值相反的符号，就给校正电压矢量乘以一个系数，由电流矢量的所测定的实际值和估算的相位角确定定子上电流的形成转矩的分量。本发明还涉及一种包括用于执行这种方法的控制单元的电磁机械。

Description

用于控制和调节电磁机械的方法

技术领域

本发明涉及用于对包括转子和定子的电磁机械进行控制和调节的方法，其中，利用数学模型在空间矢量图中确定机械的电磁状态变量，测量定子上电流矢量的实际值，并且确定磁通矢量的估算值。本发明还涉及一种电磁机械。

背景技术

对于仅需调节其速度的异步电机而言，有利的是，能够在没有速度传感器的情况下调节速度。没有速度信号反馈的调节***更有利、更简单并且更稳健。在这种情况下，调节***必须根据一个或多个其它被测变量(例如定子电流和/或者电压)以及电机的切换模型算出速度。如果使用磁场定向调节，那么除了速度之外也需要磁通的值和方向。可以通过所谓的观测器确定这三个所述变量。在此，所涉及的可以是复杂的估算理论模型，或者涉及基于电机感应电压的直接计算。

Holtz，J.和Quan，J.在2003年出版的第39卷第4期IEEE工业应用会刊上发表的“Drift-and parameter-compensated fluxestimator for persistant zero-stator-frequency Operation ofsensorless-controlled induction motors”一文中就公开了这种调节***。这里对感应电压进行积分，以便算出定子磁通。在电流测量或者电压产生过程中存在偏移的情况下，由于单纯积分必然趋向于无穷发散，因此要在感应电压的被积函数中加入校正项，以便在所述情况下防止发散以及与此相关的调节丢失。通过估算磁通与参考磁通理论值之间的放大偏差求算该校正项。

异步电机可以作为电动机和发电机运行。在电动机运行情况下，所述调节的特性在全部速度范围内很大程度上稳定。而在转速低的发电机模式下，无法正确估算磁通和速度，从而导致该工作范围内的调节不稳定。例如可在异步电机驱动的卷扬机中出现这种情况，当载荷下降时通过异步电机将电能回馈给电流源。如果从电机模式转变为发电机运行模式，也就是从载荷升高转变为下降的时候，在此，调节失控可能会导致***性过低估算下降过程的速度，并且可能会使得载荷实际上以自由落体方式加速下降。

然而，该问题并非局限于具体的调节***，而是在所述前提条件下异步电机调节技术领域的普遍现象。提高调节***的数学复杂性可以克服该问题，例如通过使用自适应全状态观测器或者卡尔曼滤波器。以这种方式提高数学复杂性尽管可以排除发电机运行模式下低转速情况调节失控的问题，但是需要为此进行非常复杂的计算，对此，需要性能强大的处理器，个别情况下可能不希望如此。

发明内容

本发明的任务在于，阐述一种调节电磁机械的方法，不需要直接测量速度，能以尽可能简单的数学方式实现，不仅在电动机模式下、而且在发电机模式下也能在所要求的机械转速范围内尽可能稳定。本发明的任务还在于阐述一种不仅在电动机模式下、而且在发电机模式下也能在所要求的转速范围内尽可能稳定调节的电磁机械。

所述第一个任务涉及对包括转子和定子的电磁机械进行控制和调节的方法，其中，利用数学模型在空间矢量图中确定机械的电磁状态变量，预先设定定子上调节电压矢量的理论值，测量定子电流矢量的实际值，根据调节电压矢量的理论值和电流矢量的实际值确定感应电压矢量，预先设定校正电压矢量，由校正电压矢量和感应电压矢量确定磁通矢量的估算值，且由磁通矢量的估算值确定相位角的估算值并且确定旋转磁场频率的估算值，按照本发明，解决第一个任务的方式为：如果定子上电流的形成转矩的分量具有与旋转磁场频率的估算值相反的符号，就给校正电压矢量乘以一个系数，由电流矢量的所测定的实际值和估算的相位角确定定子上电流的形成转矩的分量。

在此，尤其可以在共同旋转的参照系中将定子上电流的形成转矩的分量确定为电流的虚数部分，所述虚数部分可根据定子上测定电流的矢量得出，围绕估算的负相位角旋转。

在此，本发明首先基于这样的考虑：现有技术所述的调节***在发电机运行模式的低转速范围内会变得不稳定，并且在所有其它运行范围内基本上没有问题。因此如果能做到在调节***中简单、可靠识别不稳定的运行范围，以便尽可能有效地适配调节***并且否则不作改动，就可以放弃麻烦的测量或者复杂的数学方法。

现在通过定子上电流的形成转矩的分量进行识别。该变量特别好地适合于临界运行范围的检验条件，因为定子上电流矢量的实际值在这里是一个直接的被测变量。随后据此确定相位角，将估算量纳入与旋转磁场频率的估算值进行比对的转矩形成分量之中。以电动机运行模式下全转速范围的稳定调节和与此相关的估算值可靠性为基础，正好可在尤其是临界转变为发电机运行模式时保证检验条件的性能，因为可以将相位角和旋转磁场频率的实值与用于检验条件的估算值的偏差视作很小。

在该转变过程中还起到稳定作用的是如下事实，仅仅比较形成转矩的电流分量和旋转磁场频率估算值的符号。当转矩充分大的时候，可以以如下程度补偿形成转矩的电流分量中的误差(例如可由估算的相位角与实值的偏差产生误差)，使得符号不受误差的影响。如前所述，在电动机运行模式下可以将旋转磁场频率的估算值视作可靠的。因此临界转变为发电机运行模式时的估算误差最多可能会导致略微延迟给校正电压乘以系数。

现在可以根据以下物理观念解释本发明的作用原理的核心思想：感应电压是磁通对时间的导数。这尤其意味着感应电压的相位角与磁通相位角变化有关，也就是与旋转磁场频率有关。当从电动机运行模式转变为发电机运行模式、同时旋转方向反转的时候，就会发生旋转方向变化以及旋转磁场频率的过零点。在此，感应电压短时间丢失通过旋转磁场的旋转给其确定的相位基准。校正电压可以通过所乘的系数重现建立该相位关系，校正电压应首先考虑电磁机械的估测行为与所需行为的偏差。

已证明有利的是，使用形式e^iγ的相位系数作为与校正电压相乘的系数。调节***本身在转速较高的发电机运行模式和电动机运行模式下是稳定的。只有转速较低的发电机运行模式，尤其是以上所述转变为发电机运行模式的过程，才被视作临界。值为1的相位因数在此特别适合以“微创”方式重现磁通的所述相位关系。

对于趋于零的旋转磁场频率估算值，优先将相位系数e^iγ中的相位角γ选为π/2，并且该相位角随着旋转磁场频率估算值的绝对值上升而单调减小。在此，从以下观念出发：根据校正电压和感应电压的矢量确定磁通矢量的估算值。在固定不变的情况下，也就是当值和频率恒定时，感应电压正交于磁通。如果并非动态观察转变为发电机运行模式的过程，而是将其视作静态情况的很小干扰，那么简单来说，针对校正电压的相位系数γ选择π/2即可确定与磁通的相位关系，即感应电压在无干扰的静态情况下具有的相位关系。因此校正电压能以准静态方式修正感应电压。在发电机运行模式下，随着旋转磁场频率的绝对值增大，电磁机械就会进入现有技术所述的调节***也能重新在很大程度上稳定的运行范围。因此，随着旋转磁场频率的增大，在发电机运行模式下也能放弃相位系数γ。

可以使得相位系数e^iγ中的相位角γ与旋转磁场频率的估算值具有以下函数关系

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{c-\left|{\mathrm{\ω}}_s\right|}{c},$ 若0≤|ω_s|≤c，

γ＝0，若|ω_s|＞c

式中的ω_s表示旋转磁场频率，c是预先设定的阈值。这意味着，直接在从电动机运行模式转变为发电机运行模式时给校正电压乘以相位系数e^iγ，相位角为γ＝π/2，且相位角γ随着旋转磁场频率ω_s的增大呈线性减小，并且为阈值c时趋于零，使得相位系数e^iγ从阈值c开始保持等于1。在此，可以通过电机参数选择该阈值，例如通过同步电机频率的分量，或者通过最大频率的分量，机器为该最大频率进行最大机械性能设计。

作为替代方案，相位角γ还可以随着旋转磁场频率估算值的绝对值上升渐近趋向于零。这例如可通过指数下降函数或者洛伦茨线予以实现。在此，可以通过电机参数(例如同步电机频率的分量或者与最大频率的分量，机器为该最大频率进行最大机械性能设计)选择半值时间或线宽。相位角γ渐近减小具有不需要继续检查旋转磁场频率的条件的好处。

优选由调节电压矢量理论值减去定子电阻与从电流矢量实际值导出的电流值的乘积确定感应电压矢量，即

$E_{\mathrm{\α\β}}=V_{\mathrm{\α\β}}^{*}-i\left(I_{\mathrm{\α\β}}\right)\·R_s$

式中的E_αβ表示感应电压矢量，表示调节电压矢量，i(I_αβ)表示从电流I_αβ的矢量导出的电流值，R_s表示定子电阻。尤其也可以通过电流I_αβ的矢量实际值本身或者通过根据电流I_αβ的矢量测量值估算电流矢量展开的方式求算电流值i(I_αβ)。

给出的函数关系反映了基于电磁感应的机械的常用模型。在此，所述定子电阻尤其可以是近似已知的。如果定子电阻在机械运行状态下与工作条件有关，并且例如随着温度增大而升高，那么就是这个情况。如果在运行过程中无法测量电阻，那么表示估算(未知)实值的固定量就会进入调节***之中。

比较适宜的是，通过对校正电压和感应电压的矢量之和积分的方式确定磁通矢量的估算值，即

其中，表示磁通矢量，表示校正电压矢量。在此，尤其是可以给校正电压矢量乘以一个系数，尤其可以乘以相位系数e^iγ，如果定子上电流的形成转矩的分量具有与旋转磁场频率ω_s的估算值相反的符号，即

若i_q·ω_s＜0

根据电磁感应定律，感应电压是磁通对时间的导数。现在可以这样选择校正电压使得其例如在定子上电流测量结果中出现恒定偏移时能够防止感应定律的上述积分发散。

适宜地，确定相位角θ_s的估算值作为磁通矢量的估算值的相位角，并且根据相位角θ_s估算值随时间的变化导出旋转磁场ω_s的估算值。该函数关系反映了基于电磁感应的机械的常用模型。在此，尤其也可以根据相位角对时间的导数，或者根据一种在极值方面收敛于相位角对时间的导数的离散方法得出旋转磁场频率的估算值。

证明有利的是，给磁通预先设定一个理论值，并且将校正电压矢量设定为

其中，表示对应于相位角θ_s估算值的相位，表示磁通的理论值，G表示实值的放大系数。在此，可以通过控制所需的转速来设定磁通的理论值，然后利用相位将其变换成固定于定子的坐标，以便确定与磁通矢量的估算值的偏差，然后根据该偏差通过校正电压修正磁通矢量的估算值。

按照本发明，采用包括用来执行具有上述特征的方法的控制单元的电磁机械可解决所述的第二个任务。在此，可以将针对该方法及其改进实施方式所述的优点按意义转用于电磁机械。

附图说明

以下将根据附图对本发明的实施例进行详细解释。附图如下：

附图1电磁机械的调节***的流程图，以及

附图2校正电压的相位系数e^iγ中的相位角γ与估算的旋转磁场频率的可能函数关系图。

具体实施方式

附图1所示为电磁机械的调节回路1的流程图。测量单元2在图中没有绘出的异步电机定子上测量定子电流I_αβ。中央转速控制器4根据工作所需的转速设定调节电压利用定子电阻R_s算出感应电压E_αβ作为给感应电压E_αβ加上校正电压根据电磁感应定律，在积分器6中对感应电压E_αβ与校正电压的进行关于时间的积分，以便获得定子上磁通的估算值。与感应电压E_αβ相加的校正电压在被积函数中所起的作用是，如果在定子电流I_αβ的测量值中出现恒定偏移，就会使得积分稳定，以防止发散。

可以将磁通的估算值划分为值和相位将相位的相位角θ_s估算值对时间求导数，以便获得旋转磁场频率ω_s的估算值。根据由测量单元2测定的定子电流I_αβ，通过相位角θ_s以负估算值进行逆变换，可以确定定子电流的形成磁场的分量i_d和形成转矩的分量i_q作为的实数或虚数部分。将形成磁场的定子电流分量i_d和形成转矩的定子电流分量i_q返回给中央转速控制器4，在这里将这些量用于计算调节电压

为了确定校正电压中央转速控制器4给磁通设定一个理论值。通过估算的相位将其变换成定子上的相应相位，并且从中减去磁通的估算值。将结果乘以实值的放大系数G。

如果形成转矩的定子电流分量i_q与旋转磁场频率ω_s的估算值的乘积的符号现在为正，则直接传输值作为校正电压。如果形成转矩的定子电流分量i_q与旋转磁场频率ω_s的估算值的乘积的符号为负，则给该校正电压乘以相位系数e^iγ。

在附图2中详细描绘了该相位系数e^iγ中的相位角γ与旋转磁场频率ω_s的绝对值的可能的函数关系。若i_q·ω_s≥0，则将没有相位系数e^iγ的校正电压输出给积分器6，对于这种情况，也可以通过常数γ＝0进行表达。若i_q·ω_s＜0，则针对|ω_s|的趋于零的值选择γ作为γ＝π/2。随着|ω_s|的值上升，相位角γ呈线性减小，直至其在针对|ω_s|设定的阈值c(例如可通过异步电机同步频率的分数进行选择)时为0。如果|ω_s|的值高于设定的阈值c，则相位角保持γ＝0。

尽管已通过优选实施例详细描述和阐述了本发明，但本发明并不局限于该实施例。专业人士可以在不脱离本发明保护范围的情况下据此得出其它变型方案。

附图标记列表

1     调节回路

2     测量单元

4     中央转速控制器

6     积分器

I_αβ  定子电流

   调节电压

R_s    定子电阻

E_αβ  感应电压

   校正电压

   磁通估算值

e^iθ    旋转磁场相位估算值

θ_s    旋转磁场相位角估算值

ω_s    旋转磁场频率估算值

i_d     形成磁场的定子电流分量

i_q     形成转矩的定子电流分量

    磁通的理论值

G      放大系数

e^iγ     校正电压的相位系数

γ     相位角

c      阈值

Claims (10)

1.用于对包括转子和定子的电磁机械进行控制和调节的方法，利用数学模型在空间矢量图中确定机械的电磁状态变量，为定子上调节电压矢量预先设定一个理论值，

测量定子上电流矢量(I_αβ)的实际值，

由调节电压矢量的理论值和电流矢量(I_αβ)的实际值确定感应电压矢量(E_αβ)，

预先设定校正电压矢量

由校正电压矢量和感应电压矢量(E_aβ)确定磁通矢量的估算值，并且

由磁通矢量的估算值确定相位角(θ_s)的估算值，并且确定旋转磁场频率(ω_s)的估算值，

其特征在于，

如果定子上电流的形成转矩的分量(i_q)具有与旋转磁场频率(ω_s)的估算值相反的符号，就给校正电压矢量乘以一个系数(e^iγ)，由电流矢量(I_αβ)的所测定的实际值和估算的相位角(θ_s)确定定子上电流的形成转矩的分量(i_q)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用形式为e^iγ的相位系数(e^iγ)作为与校正电压相乘的系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于旋转磁场频率(ω_s)的趋于零的估算值，将相位系数(e^iγ)中的相位角γ选为π/2，并且该相位角随着旋转磁场频率(ω_s)的估算值的绝对值上升而单调减小。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相位系数(e^iγ)中的相位角γ与旋转磁场频率(ω_s)的估算值具有以下函数关系

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{c-\left|{\mathrm{\ω}}_s\right|}{c},$ 若0≤|ω_s|≤c，

γ＝0，若|ω_s|＞c

其中，c是预先设定的阈值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，相位角γ随着旋转磁场频率(ω_s)的估算值的绝对值上升渐近趋向于零。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由调节电压矢量的理论值减去定子电阻(R_s)与从电流矢量(I_αβ)的实际值导出的电流值的乘积确定感应电压矢量(E_αβ)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过对校正电压矢量和感应电压(E_αβ)矢量之和进行积分确定磁通矢量的估算值。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定相位角(θ_s)的估算值作为磁通矢量的估算值的相位角，并且由相位角(θ_s)的估算值随时间的变化导出旋转磁场频率(ω_s)的估算值。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，给磁通预先设定一个理论值，并且将校正电压矢量预先设定为

其中，是磁通矢量的估算值，是对应于相位角(θ_s)估算值的相位，且G是实值的放大系数。

10.电磁机械，包括用于执行上述权利要求中任一项所述方法的控制单元。