CN107104621B - 交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置 - Google Patents

交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，公开了一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置。本发明中，该方法包括：获取转矩内环输出的直轴输出电压；根据直轴输出电压确定弱磁转速补偿；根据弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。本发明的实施方式通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节弱磁转速补偿后的实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。

Description

交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置。
背景技术
在常规的交流电动机矢量控制方法中，随着电动机转速的增加，需要电力变换器输出的电压呈线性增长趋势。但是，电力变换器输出的电压是有限的。当电动机控制需求电压超过电力变换器的最大输出电压时(即电力变换器输出的最大电压不能满足电动机实际工作的电压要求)，就需要对电动机进行弱磁控制。
而在弱磁控制(例如：电压闭环等方法)中，随着电动机转速的逐渐升高以及对电动机施加的负载增大，都会引起弱磁深度的加深。以电动机处于电动模式运行为例：如图1所示，电动机进入弱磁控制后，随着弱磁深度的加深，直轴输出电压(即图中的Ud曲线)逐渐减小到-1p.u(由
Figure BDA0001281486280000011
所得，其公式含义为直流母线电压与
Figure BDA0001281486280000012
的比值；其对应的物理意义是变频器输出相电压峰值线性运行区能达到的极限值，且此相电压极限值的标幺为-1p.u)，而交轴输出电压(即图中的Uq曲线)逐渐下降到0p.u，此时，电动机很容易出现饱和失控。也就是说，当电力变换器直轴输出电压的绝对值逐渐增大并且达到电力变换器输出电压的极限值时，电动机就会出现饱和失控甚至电动机损坏。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法及装置，使得电动机在深度弱磁运行时，能够达到防止电动机失控的目的，提高电动机工作的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法，包含以下步骤：
获取转矩内环输出的直轴输出电压；
根据直轴输出电压确定弱磁转速补偿；
根据弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
本发明的实施方式还提供了一种交流电动机运行速度的弱磁控制装置，包含：获取模块、确定模块、处理模块；
获取模块，用于获取转矩内环输出的直轴输出电压；
确定模块，用于根据所述直轴输出电压确定弱磁转速补偿；
处理模块，用于根据弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本实施方法通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。
另外，计算直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值；根据差值确定弱磁转速补偿。使得能够根据直轴输出电压的变化调节实际转速给定，以控制交流电动机转速，防止交流电动机失控。
另外，根据差值确定第一速度给定；对第一速度给定进行限幅运算后得到弱磁转速补偿。限幅运算限制了弱磁转速补偿的数值，提高了电动机控制***调节电动机转速的有效性以及稳定性。
另外，将弱磁转速补偿与第二速度给定求和得到实际速度给定。
另外，所述预设电压阈值与所述变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍变频器输出电压极限值范围内；或者，所述预设电压阈值与所述***设定的变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍***设定的变频器输出电压极限值范围内。
附图说明
一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是现有技术中交流电动机的弱磁电压波形示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中交流电动机运行速度的弱磁控制方法的流程图；
图3是根据本发明第二实施方式中交流电动机运行速度的弱磁控制方法的流程图；
图4是根据本发明第二实施方式中交流电动机运行速度的弱磁控制方法的结构框图；
图5是根据本发明第三实施方式中交流电动机运行速度的弱磁控制装置的结构示意图；
图6是根据本发明第四实施方式中交流电动机运行速度的弱磁控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法，具体流程如图2所示，其包括：
步骤101，获取转矩内环输出的直轴输出电压。
具体地说，在交流电动机矢量控制的方法中(***中)，矢量控制实现的基本原理是根据磁场的定向原理将交流电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量与产生转矩的电流分量，分别加以控制，由于同时控制了两个分量的幅值与相位，即控制了定子的电流矢量。在坐标变化的思想中，直轴产生直轴电流和直轴电压；交轴产生交轴电流和交轴电压。在电动机的控制***中，转矩内环同时会输出直轴电压和交轴电压，在本方法中获取转矩内环内输出的直轴电压。
步骤102，根据直轴输出电压确定弱磁转速补偿。
具体地说，根据获取的转矩内环输出的直轴输出电压去进行一定量的运算和一系列的调节处理后输出弱磁转速补偿。并且，弱磁转速补偿通过电动机的角频率表征。而电动机角频率的大小能够反映其转速的快慢，即电动机的角频率越大，此时电动机的转速越快，相反的，电动机的角频率越小，此时电动机的转速越慢。
步骤103，根据弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
具体地说，根据弱磁转速补偿，对当前输入的速度给定进行转速补偿，并在转速补偿完成后获得实际转速给定，进而使得能够根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本实施方法通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。
实施中，根据直轴输出电压确定弱磁转速补偿有多种具体实现方式，以下在第二实施方式中给定一种具体的实现方式，需要说明的是，第二实施方式中所给出的仅是多种实施方式中的一种，应用中，并不仅限于第二实施方式所列举的情况。
本发明的第二实施方式涉及一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法，第二实施方式是对第一实施方式的改进，主要改进之处在于：在本发明的第二实施方式中，需要计算直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值，并根据差值确定弱磁转速补偿。这样使得能够根据直轴输出电压的变化调节实际转速给定，以控制交流电动机转速，防止交流电动机失控。
本实施方式的流程图如图3所示，其包括：
步骤201，获取转矩内环输出的直轴输出电压。
步骤202，计算直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值。
具体地说，根据获取的直轴输出电压计算直轴输出电压的绝对值，并将此计算后的绝对值与预设电压阈值进行减法运算，即通过预设电压值减去绝对值求得差值。其中，预设电压阈值与变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍变频器输出电压极限值范围内；或者，预设电压阈值与***设定的变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍***设定的变频器输出电压极限值范围内。也就是说，变频器的输出电压有个最大电压输出值，而该最大电压输出值就是变频器的输出电压物理极限值或者是***预设的一个限制值，例如该变频器最大电压输出值为311V，电动机的预设电压阈值设定为155V～467V之间。需要说明的是，该设定的阈值一般会在变频器的输出电压极限值附近。也就是说，该设定的阈值可以稍大于或者稍小于变频器的输出电压极限值。例如，预设电压阈值可以是
Figure BDA0001281486280000061
或者
Figure BDA0001281486280000062
步骤203，根据差值确定第一速度给定。
具体地说，根据直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值来确定第一速度给定。具体的确定方式可以通过调节器进行确定。例如：PID调节(proportion integralderivative，简称：“PID”)、可变增益PID调节器、IP控制器(integral proportion，简称：“IP”)或者模糊控制器等。调节器根据计算得出直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值确定第一速度给定，且第一速度给定用电动机的角频率表征。
步骤204，对第一速度给定进行限幅运算后得到弱磁转速补偿。
具体地说，限幅运算把输出信号限制在设定的最大值与最小值之间。当输入信号在设定的最大值与最小值之间时，输出等于输入；当输入大于最大限制值时，输出为最大限制值；输入小于最小限制值时输出最小限制值。
而在本实施方式中，对确定的第一速度给定进行限幅运算，而限幅运算的目的是将输入的第一速度给定限制在合适的范围内，避免因弱磁转速补偿较大而使电动机的控制***产生较大的波动。也就是说，当第一速度给定在限幅器设定的最大限制值与最小限制值之间时，输出的反馈速度给定等于第一速度给定；当第一速度给定大于最大限制值时，输出的反馈速度给定为最大限制值；当第一速度给定小于最小限制值时，输出的反馈速度给定为最小限制值。且本实施方式对限幅器设定的最大限制值与最小限制值不做任何限制，本领域技术人员可以根据实际需要灵活设置。通过限幅运算限制弱磁转速补偿的数值在限幅器设定的最大限制值与最小限制值之间，这样就避免了因弱磁转速补偿较大而使电动机的控制***产生较大的波动，从而提高电动机控制***调节电动机转速的稳定性以及有效性。
步骤205，将弱磁转速补偿与第二速度给定求和得到实际速度给定。
具体地说，电动机的控制***会接收弱磁转速补偿，并将弱磁转速补偿与此时输入的第二速度给定做求和运算之后输出实际转速给定，并根据实际转速给定来调节电动机的实际转速进而控制电动机运转。
步骤206，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
在一个具体的实施中，矢量调节的具体实现过程如图4所示。
具体地说，电动机的控制***输入第二速度给定Wref，通过将第二速度给定Wref与弱磁转速补偿求和运算后输出实际转速给定且实际转速给定为Wref2，然后通过将实际转速给定Wref2与速度反馈Wfdk作比较，将实际转速给定Wref2与速度反馈Wfdk的差值送入速度环(automatic speed regulator，简称：“ASR”)进行运算得出目标转矩
Figure BDA00012814862800000711
到转矩内环，通过转矩内环的运算输出直轴电压
Figure BDA00012814862800000710
以及交轴电压
Figure BDA0001281486280000078
并将直轴电压
Figure BDA0001281486280000077
以及交轴电压
Figure BDA0001281486280000079
输入到空间矢量脉宽调制器(Space Vector Pulse Width Modulation，简称：“SVPWM”)进行调节，最终将输出不同占空比的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称：“PWM”)信号到逆变器开关管实现控制电动机操作。而虚线框中的部分为
Figure BDA0001281486280000071
饱和频率限制的反馈部分。该部分包括：
获取转矩内环输出的直轴输出电压
Figure BDA0001281486280000072
后，通过abs()绝对值运算模块求得直轴输出电压
Figure BDA0001281486280000073
的绝对值
Figure BDA0001281486280000074
并将直轴输出电压
Figure BDA0001281486280000075
的绝对值
Figure BDA0001281486280000076
与预设电压阈值的差值(预设电压阈值与所述变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍变频器输出电压极限值范围内；或者，预设电压阈值与所述***设定的变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍***设定的变频器输出电压极限值范围内。)输入到调节器中，经调节器计算转换之后输出第一速度给定至限幅器中，通过限幅器的限幅运算输出弱磁转速补偿至求和运算模块，电动机的控制***将输入第二速度给定Wref与反馈速度给定求和运算后输出实际速度给定为Wref2，根据实际速度给定Wref2调节交流电动机的实际转速。本实施方式通过闭环控制的方式，不断的进行循环反馈，可以把
Figure BDA0001281486280000081
限制在临近Udlimit的状态，保证电机在弱磁运行中不失控。
需要说明的是，本实施方式只是举例说明，并不仅限于本实施方式，本交流电动机运行速度的弱磁控制方法也同样适用于永磁同步电机PMSM(permanent magnetsynchronous motor，简称：“PMSM”)等。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本实施方法通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第三实施方式涉及一种交流电动机运行速度的弱磁控制装置500，如图5所示，包含：获取模块501、确定模块502、处理模块503。
获取模块501，用于获取转矩内环输出的直轴输出电压。
确定模块502，用于根据所述直轴输出电压确定弱磁转速补偿。
处理模块503，用于根据弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本实施方法通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本发明第四实施方式涉及一种交流电动机运行速度的弱磁控制装置600，如图6所示，第四实施方式是对第三实施方式的改进，主要改进之处在于：本发明的第四实施方式中，需要计算直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值，并根据差值确定弱磁转速补偿。使得能够根据直轴输出电压的变化调节实际转速给定,以控制交流电动机转速,防止交流电动机失控。
具体地说，本实施方式中，交流电动机运转速度的弱磁控制装置600，确定模块601包括：第一计算子模块6011、第一确定子模块6012以及第二计算子模块6013；处理模块603包括：第三计算子模块6031。
第一计算子模块6021，用于计算直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值。(其中，所述预设电压阈值与所述变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍变频器输出电压极限值范围内；或者，所述预设电压阈值与所述***设定的变频器输出电压极限值的差值在±0.5倍***设定的变频器输出电压极限值范围内。)
第一确定子模块6022，还用于根据差值确定第一速度给定。
第二计算字模块6023，用于对第一速度给定进行限幅运算后得到弱磁转速补偿。
第三计算模块6031，用于将弱磁转速补偿与第二速度给定求和得到实际速度给定。
本发明实施方式相对于现有技术而言，本实施方法通过获取直轴电压确定弱磁转速补偿，并根据弱磁转速补偿调节实际转速给定进而控制交流电动机的转速。这样使得电动机在深度弱磁运行时，通过弱磁转速补偿后的实际转速给定来控制交流电动机的转速，能够达到防止电动机失控的目的，同时提高电动机工作的稳定性。
不难发现，本实施方式为与第二实施方式相对应的***实施例，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种交流电动机运行速度的弱磁控制方法，其特征在于，包括：
获取转矩内环输出的直轴输出电压；
根据所述直轴输出电压确定弱磁转速补偿；
根据所述弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速；
所述根据所述直轴输出电压确定弱磁转速补偿，包括：
计算所述直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值；
根据所述差值确定弱磁转速补偿。
2.根据权利要求1所述的交流电动机运行速度的弱磁控制方法，其特征在于，根据所述差值确定弱磁转速补偿，包括：
根据所述差值确定第一速度给定；
对所述第一速度给定进行限幅运算后得到所述弱磁转速补偿。
3.根据权利要求1或2所述的交流电动机运行速度的弱磁控制方法，其特征在于，所述根据所述弱磁转速补偿调节实际转速给定，包括：
将所述弱磁转速补偿与第二速度给定求和得到所述实际转速给定。
4.根据权利要求1所述的交流电动机运行速度的弱磁控制方法，其特征在于，所述预设电压阈值与变频器输出电压极限值的差值，在所述变频器输出电压极限值的±0.5倍的范围内；或者，所述预设电压阈值与***设定的变频器输出电压极限值的差值，在所述***设定的变频器输出电压极限值的±0.5倍的范围内。
5.一种交流电动机运行速度的弱磁控制装置，其特征在于，包括：获取模块、确定模块、处理模块；
所述获取模块，用于获取转矩内环输出的直轴输出电压；
所述确定模块，用于根据所述直轴输出电压确定弱磁转速补偿；
所述处理模块，用于根据所述弱磁转速补偿调节实际转速给定，根据调节后的实际转速给定控制交流电动机转速;
所述确定模块包括：第一计算子模块和第一确定子模块；
所述第一计算子模块，用于计算所述直轴输出电压的绝对值与预设电压阈值的差值；
所述第一确定子模块，用于根据所述差值确定弱磁转速补偿。
6.根据权利要求5所述的交流电动机运行速度的弱磁控制装置，其特征在于，所述确定模块还包括：第二计算子模块；
所述第一确定子模块，还用于根据所述差值确定第一速度给定；
所述第二计算子模块，用于对所述第一速度给定进行限幅运算后得到所述弱磁转速补偿。
7.根据权利要求5或6所述的交流电动机运行速度的弱磁控制装置，其特征在于，所述处理模块包括：第三计算子模块；
所述第三计算子模块，用于将所述弱磁转速补偿与第二速度给定求和得到所述实际转速给定。
8.根据权利要求6所述的交流电动机运行速度的弱磁控制装置，其特征在于，所述预设电压阈值与变频器输出电压极限值的差值，在所述变频器输出电压极限值的±0.5倍的范围内；或者，所述预设电压阈值与***设定的变频器输出电压极限值的差值，在所述***设定的变频器输出电压极限值的±0.5倍的范围内。
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