CN110943667B - 感应电机的控制装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本申请涉及电机技术领域,尤其涉及一种感应电机的控制装置和控制方法。
背景技术
在对电机进行矢量控制时,有时难以在电机中设置用于检测转子速度的传感器,或者为了降低成本而不设置传感器,从而对电机进行无速度传感器的矢量控制。
图1是现有技术中对电机进行无速度传感器的矢量控制的一个***框图。如图1所示:
磁化电流指令演算手段101根据输入的磁链指令生成磁化电流指令;
磁化电流调节手段103根据磁化电流指令与park变换手段110反馈的磁化电流得到磁化电压指令;
转矩电流指令演算手段116根据输入的速度指令值和速度估计手段111反馈的速度估算值生成转矩电流指令;
转矩电流调节手段102根据转矩电流指令与park变换手段110反馈的转矩电流得到转矩电压指令;
反Park-Clark变换手段104基于磁链指令角度,对磁化电压指令和转矩电压指令进行反Park-Clark变换,得到U、V、W三相的定子电压指令;
逆变单元200根据定子电压指令生成用于输入到电机M的定子的U、V、W三相定子电压,从而对电机M进行控制。
如图1所示,速度估算值的生成方式如下:采样实际输出的U、V、W三相定子电压、以及流过电机M的定子的电流,通过Clark变换手段107、108得到α-β坐标系的定子电压和电流信号;电流、磁链估算手段109基于速度估计手段111反馈的速度估算值,以及Clark变换手段107、108输出的α-β坐标系的定子电压和电流信号,生成估算电流和估算磁链;速度估计手段111根据该估算电流、估算磁链、以及Clark变换手段108输出的该电流信号,计算出新的速度估算值。
如图1所示,磁化电流和转矩电流的生成方式如下:Park变换手段110基于磁链指令角度,对Clark变换手段108输出的电流信号进行Park变换,得到磁化电流和转矩电流。
如图1所示,磁链指令角度的生成方式如下:滑差频率演算手段112生成滑差频率;定子频率演算手段113根据速度估计手段111反馈的速度估算值以及滑差频率,计算出定子频率ω1;积分器117对定子频率ω1进行积分,得到磁链指令角度。
根据图1,通过向该控制***输入磁链指令和速度指令值,能够控制输入到电机M的定子电压,从而对电机M进行矢量控制。
在图1所示的控制***中,速度估算手段111计算出的速度估算值ω1有可能位于不稳定区,即,ω1∈(-ω1th,ω1th)。当速度估算值ω1位于不稳定区时,将导致该控制***失控。
专利文献1公开了一种电机的控制***,能够使速度估算手段计算出的速度估算值ω1位于不稳定区之外,由此,避免控制***失控。
图2是专利文献1记载的电机的控制***的一个示意图。如图2所示的控制***与图1所示的控制***相比,区别在于:图2的控制***增加了定子频率下限limit实行判别手段114以及速度指令补正量演算手段115。
在图2中,定子频率下限limit实行判别手段114能够基于输入到该控制***的速度指令值,滑差频率演算手段112所计算出的滑差频率,以及定子频率的下限值ω1th进行判别并输出判别结果。在图2中,定子频率演算手段113根据114的判别结果进行处理,以使定子频率演算手段113输出的速度估算值位于不稳定区之外。
在图2中,速度指令补正量演算手段115根据定子频率下限值ω1th,速度指令值,以及滑差频率计算速度指令补正量,并根据114的判别结果输出不同的速度指令补正量。从而,图2的转矩电流指令演算手段116基于速度指令值、速度估算值、以及速度指令补正量,计算转矩电流指令。
专利文献1:日本特开2010-22096A
应该注意,上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明,并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本申请的发明人发现,在专利文献1中,定子频率演算手段113、定子频率下限limit实行判别手段114、以及速度指令补正量演算手段115都需要根据滑差频率进行计算。滑差频率ωs通常采用下式(1)来进行计算得到:
其中,iq为转矩电流,ψr为转子磁链,Lm为转子和定子的互感,Rr为转子的电阻。
由上述式(1)可知,滑差频率ωs的计算精度受转子电阻Rr的影响很大。当电机运行发热时,实际Rr的相比于标称值的误差甚至会增大到20%以上。ωs的计算偏差会显著增大,因此,定子频率演算手段113、定子频率下限limit实行判别手段114、以及速度指令补正量演算手段115的运算结果都将出现偏差,因此,控制***仍有可能运行在不稳定区内,从而导致该控制***失控。
本申请提供一种感应电机的控制装置和控制方法,在利用该控制装置对电机进行无速度传感器矢量控制中,避免使用受电阻变化而产生误差的滑差频率ωs来进行计算,由此,能够使控制***运行在不稳定区外,提高控制装置进行控制的稳定性。
根据本申请实施例的一个方面,提供一种感应电机的控制装置,包括:
磁化电流调节单元,用于计算磁化电压指令;
转矩电流调节单元,用于计算转矩电压指令;
电机定子电压指令计算单元,其根据所述磁化电压指令,所述转矩电压指令和所述磁链指令角度,计算用于对电机的定子进行控制的定子电压指令。
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述磁链指令角度生成单元包括:
频率差计算单元,其计算所述预设的定子频率的下限值ω1th与所述定子频率ω1的差值;
积分单元,其对该差值进行积分以得到磁链指令角补正量;以及
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述磁链指令角补正量的最小值是0,即,所述积分的下限值为0。
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述控制装置还包括:
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述控制装置还包括:
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述控制装置还包括:
定子频率计算单元,其对基于流入所述电机的定子电流而得到的基于α-β坐标系的电流Ia和Ib做反正切得到电流矢量角∠I,再对所述电流矢量角∠I进行微分运算得到所述定子频率ω1。
根据本申请实施例的另一个方面,其中,所述控制装置还包括:
速度指令补正量计算单元,其用于根据所述预设的定子频率的下限值ω1th和所述定子频率ω1,计算速度指令补正量,
其中,所述速度指令补正量用于对速度指令值进行调整,从而计算所述转矩电压指令。
根据本申请实施例的另一个方面,其中,速度指令补正量计算单元包括:
第一计算单元,用于计算所述预设的定子频率的下限值ω1th和所述定子频率ω1的差值;
第一决定单元,根据所述第一计算单元计算出的差值,决定所述速度指令补正量。还包括:
第一PI调节单元,其根据所述第一计算单元计算出的差值进行PI运算,输出PI运算结果;
所述第一决定单元在所述PI运算结果小于0时,决定所述速度指令补正量为0,
所述第一决定单元在所述PI运算结果大于或等于0时,决定所述速度指令补正量为所述PI运算结果。
根据本申请实施例的另一个方面,提供一种感应电机的控制方法,包括:
计算磁化电压指令;
计算转矩电压指令;
根据预设的定子频率的下限值、定子频率、以及磁链估算角,计算磁链指令角度;以及
根据所述磁化电压指令,所述转矩电压指令和所述磁链指令角度,计算用于对电机的定子运转进行控制的定子电压指令。
本申请的有益效果在于:避免使用受电阻变化而产生误差的滑差频率ωs来进行计算,由此,能够使控制***运行在不稳定区外,提高控制装置进行控制的稳定性。
参照后文的说明和附图,详细公开了本申请的特定实施方式,指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解,本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内,本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于例示本申请的实施方式,并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
图1是现有技术中对电机进行无速度传感器的矢量控制的一个***框图;
图2是专利文献1记载的电机的控制***的一个示意图
图3是本申请实施例1的控制装置的一个示意图;
图4是本申请实施例1的控制装置中磁链指令角度生成单元204的一个示意图;
图5是该定子频率计算单元202a的一个示意图;
图6是本申请实施例1的速度指令补正量计算单元201的一个示意图;
图7是转矩电流指令计算单元116的一个示意图;
图8是对该实例中的电机进行矢量控制的一个示意图;
图9是本申请实施例2的感应电机的控制方法的一个示意图。
具体实施方式
参照附图,通过下面的说明书,本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中,具体公开了本申请的特定实施方式,其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式,应了解的是,本申请不限于所描述的实施方式,相反,本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
实施例1
本申请实施例提供了一种感应电机的控制装置。图3是本实施例的控制装置的一个示意图。
如图3所示,感应电机的控制装置30根据向该控制装置30输入的磁链指令、速度指令值和定子频率下限值,控制输入到电机M的定子电压,从而对电机M进行矢量控制。
如图3所示,感应电机的控制装置30包括:磁化电流调节单元103、转矩电流调节单元102、磁链指令角度生成单元204、以及电机定子电压指令计算单元104。
如图3所示,磁化电流调节单元103可以根据磁化电流指令和磁化电流,计算磁化电压指令。
电机定子电压指令计算单元104可以根据该磁化电压指令,该转矩电压指令和该磁链指令角度,计算用于对电机的定子进行控制的定子电压指令。在一个实施方式中,电机定子电压指令计算单元104可以基于磁链指令角度,对磁化电压指令和该转矩电压指令进行反Park-Clark变换,从而得到定子电压指令。
在本实施例中,电机定子电压指令计算单元104得到的定子电压指令可以被输入到逆变单元200,从而形成输出到电动机的U、V、W三相定子电压。
在本实施例中,关于磁化电流调节单元103、转矩电流调节单元102、电机定子电压指令计算单元104、以及逆变单元200的说明可以参考背景技术中提及的专利文献1。
根据本实施例,在感应电机的控制装置30中,磁链指令角度生成单元204在计算磁链指令角度时,可以不基于电机的滑差频率ωs来进行计算,所以,可以避免电机转子的电阻变化对计算结果的影响,由此,使控制装置运行在不稳定区外,提高控制装置进行控制的稳定性。
图4是本申请实施例1的控制装置中磁链指令角度生成单元204的一个示意图。如图4所示,磁链指令角度生成单元204包括:频率差计算单元204a,积分单元204b,以及补正单元204c。
如图4所示,频率差计算单元204a计算预设的定子频率的下限值ω1th与定子频率ω1的差值。在一个实施方式中,频率差计算单元204a可以是减法器,其计算的差值是ω1th-ω1。
在本实施例中,积分单元204b可以对该差值进行积分,以得到磁链指令角补正量。在一个实施方式中,该磁链指令角补正量的最小值是0,例如,该积分单元204b抗饱和下限值为0,也就是说,该积分单元204b的积分结果大于或等于0。
在本实施例中,补正单元204c使用该磁链指令角补正量对磁链估算角进行补正,以得到该磁链指令角度。在一个实施方式中,补正单元204c可以是加法器,其将磁链指令角补正量与磁链估算角/>相加,得到该磁链指令角度。
在电机的实际运行过程中,实际磁链角与定子频率相对应。通过磁链指令角度生成单元204可以准确控制磁链指令角,由此,等效于保证了该磁链指令角控制下的磁链角所对应的定子频率ω1始终大于或等于该下限值ω1th,从而避免该控制装置30运行在不稳定区。
在本实施例中,如图3所示,该控制装置30还可以具有磁链估算角计算单元203。其中,磁链估算角计算单元203可以针对基于电机M的定子电压信号、定子电流信号和速度估算值所计算的基于α-β坐标系的磁链和/>进行反正切计算,得到该磁链估算角/>
在本实施例中,如图3所示,控制装置30还可以具有电流/磁链估算单元109,Clark变换单元107、108,以及速度估算单元111。
电压检测单元105对实际输出到电机M的U、V、W三相定子电压进行检测,得到定子电压信号;电流检测单元106对流过电机M的定子的电流进行检测,得到定子电流信号。
Clark变换手段107、108对定子电压信号和定子电流信号进行Clark变换,得到α-β坐标系的定子电压和定子电流。电流/磁链估算单元109基于速度估计单元111反馈的速度估算值,以及Clark变换单元107、108输出的α-β坐标系的定子电压信号和定子电流信号,生成估算电流和估算磁链,该估算磁链被表示为和/>其中,/>为α轴的估算磁链,/>为β轴的估算磁链。在本实施例中,估算磁链被表示为/>和/>被输入到磁链估算角计算单元203,用于计算磁链估算角/>
在本实施例中,如图3所示,控制装置30还可以具有:定子频率计算单元202。定子频率计算单元202可以不基于电机的滑差频率ωs来计算定子频率ω1,所以,可以避免电机转子的电阻变化对计算结果的影响,由此,使控制装置运行在不稳定区外,提高控制装置进行控制的稳定性。
此外,在本实施例中,定子频率计算单元202也可以采用其他的方式来计算定子频率ω1。
例如,在另一个实施方式中,定子频率计算单元202a可以对基于流入电机M的定子电流而得到的基于α-β坐标系的电流Ia和Ib做反正切得到电流矢量角∠I,再对该电流矢量角∠I进行微分运算得到定子频率ω1。
图5是该定子频率计算单元202a的一个示意图,如图5所示,电流检测单元106检测到的定子电流IU,IV,IW经过Clark变换单元108变换为基于α-β坐标系的电流Ia和Ib,其中,Ia为α轴的电流,Ib为β轴的电流。
在本实施例中,电流Ia和Ib被输入到定子频率计算单元202a。该定子频率计算单元202a包括:电流矢量角计算单元205和频率计算单元202a1。
如图5所示,电流矢量角计算单元205根据电流Ia和Ib得到电流矢量角∠I。其中,电流矢量角计算单元205例如可以通过下式(4)计算电流矢量角∠I:
在本实施例中,频率计算单元202a1可以对电流矢量角计算单元205计算出的电流矢量角∠I求导,从而计算定子频率ω1,例如,频率计算单元202a1可以根据下式(5)计算定子频率ω1。
在本实施例中,如图3所示,控制装置30还可以具有速度指令补正量计算单元201。速度指令补正量计算单元201可以根据预设的定子频率的下限值ω1th和定子频率ω1,计算速度指令补正量。其中,该速度指令补正量用于对输入该控制装置30的速度指令值进行调整,从而计算该转矩电压指令。
图6是本申请实施例的速度指令补正量计算单元201的一个示意图,如图6所示,速度指令补正量计算单元201包括:第一计算单元201a和第一决定单元201c。
其中,第一计算单元201a用于计算所述预设的定子频率的下限值ω1th和定子频率ω1的差值;第一决定单元201c根据第一计算单元201a计算出的差值,决定速度指令补正量。
如图6所示,第一计算单元201a可以是减法器,其计算出的差值例如是ω1th-ω1。当该差值小于0时,说明ω1位于不稳定区之外,此时,第一决定单元201c决定输出的速度指令补正量为0;当该差值大于或等于0时,说明ω1位于不稳定区之内,此时,第一决定单元201c决定输出该差值作为速度指令补正量。
此外,在本实施例中,如图6所述,速度指令补正量计算单元201还可以包括:第一PI调节单元201b。该第一PI调节单元201b能够根据第一计算单元201a计算出的差值进行比例积分(PI)运算,输出PI运算结果。
其中,第一决定单元201c能够根据PI运算结果输出速度指令补正量,例如:在该PI运算结果小于0时,第一决定单元201c决定输出的速度指令补正量为0;在PI运算结果大于或等于0时,第一决定单元201c决定输出的速度指令补正量为该PI运算结果。
在图6中,通过设置第一PI调节单元201b,能够提高输出的速度指令补正量的稳定性。
根据本实施例,在本申请的速度指令补正量计算单元201能够不依赖于电机的滑差频率ωs来计算速度指令补正量,所以,可以避免电机转子的电阻变化对计算结果的影响。
在本实施例中,如图3所示,该控制装置30还可以具有转矩电流指令计算单元116。该转矩电流指令计算单元116可以基于输入的速度指令值、速度估算值计算单元111输出的速度估算值、以及速度指令补正量计算单元201输出的速度指令补正量,计算转矩电流指令。
图7是转矩电流指令计算单元116的一个示意图,如图7所示,该转矩电流指令计算单元116包括加法器116a、减法器116b以及第二PI调节器116c,由此,在转矩电流指令计算单元116中,速度指令指与速度指令补正量相加,该相加的结果减去速度估算值从而得到差值,该差值被第二PI调节器116c进行比例积分(PI)运算,该第二PI调节器116c进行PI运算的结果被作为转矩电流指令值输出到转矩电流调节单元102。
在本实施例中,关于图3的其它单元的说明可以参考专利文献1。
在本实施例中,在现有技术的基础上,修改了转矩电流指令计算单元116,增加了速度指令补正量调节单元201,定子频率计算单元202,磁链估算角计算单元203,以及磁链指令角计算单元204。由此,无需依赖电机的滑差频率ωs就能够将定子频率ω1控制在稳定区以内(或者,不稳定区以外),即,保证ω1≥ω1th,所以,提高了控制装置进行控制的稳定性。
下面以一个实例进一步说明本申请的控制装置的效果。在该实例中,感应电机的额定电压200V,额定功率2.2kW,电机正转,负载转矩(Torque)为-27.6Nm,稳定区边界(即,预设的定子频率的下限值)ω1th=0.5Hz。
图8是对该实例中的电机进行矢量控制的一个示意图。在图8中,横轴为时间,单位是秒(S),纵轴为频率,单位是赫兹(Hz)。其中,曲线801为根据本实施例的控制装置进行控制时电机M的转子的实际转速ωr,曲线802为根据本实施例的控制装置进行控制时电机M的定子频率ω1,曲线803为电机M的滑差频率ωs,曲线804为根据专利文献1的控制装置进行控制时电机M的定子频率ω1’。
如图8所示,在负载稳定的情况下,转子电阻Rr因为长时间运转温升增大,实际的滑差频率ωs的绝对值随之增大(如曲线803所示)。在根据本实施例的控制装置进行控制时,速度指令补正量通过PI自动调节,使实际速度ωr自动升高,保证了ω1稳定在ω1th,即,曲线802并没有下降,由此实现控制***全程稳定。
与之相对,在使用专利文献1的控制装置进行控制时,在Rr因温升增大的情况下,由于仍然根据标称的Rr的值计算滑差频率,所以计算得到的滑差频率相对于实际的滑差频率偏小,进而,实际得到的ω1’会低于稳定区边界ω1th(如曲线804所示),导致无法对电机进行稳定地控制。
实施例2
本申请实施例2提供一种感应电机的控制方法,该控制方法与实施例1的控制装置30对应。
图9是本实施例的感应电机的控制方法的一个示意图,如图9所示,该方法包括:
步骤901、计算磁化电压指令;
步骤902、计算转矩电压指令;
步骤903、根据预设的定子频率的下限值、定子频率、以及磁链估算角,计算磁链指令角度;以及
步骤904、根据所述磁化电压指令,所述转矩电压指令和所述磁链指令角度,计算用于对电机的定子运转进行控制的定子电压指令。
关于该控制方法的各步骤的说明,可以参考实施例1对相应单元的说明。此外,该控制方法还可以包括图9所述的步骤之外的步骤,也可以参考实施例1对控制装置30的各单元的说明。
根据本实施,无需依赖电机的滑差频率ωs就能够将定子频率ω1控制在稳定区以内(或者,不稳定区以外),即,保证ω1≥ω1th,所以,提高了控制装置进行控制的稳定性。
结合本申请实施例描述的参数计算装置可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或二者组合。这些硬件模块例如可利用现场可编程门阵列(FPGA)将这些软件模块固化而实现。
软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域已知的任何其它形式的存储介质。可以将一种存储介质耦接至处理器,从而使处理器能够从该存储介质读取信息,且可向该存储介质写入信息;或者该存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该软件模块可以存储在移动终端的存储器中,也可以存储在可***移动终端的存储卡中。例如,若电子设备采用的是较大容量的MEGA-SIM卡或者大容量的闪存装置,则该软件模块可存储在该MEGA-SIM卡或者大容量的闪存装置中。
针对本实施例所描述的参数计算装置,可以实现为用于执行本申请所描述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑器件、分立硬件组件、或者其任意适当组合。也可以实现为计算设备的组合,例如,DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP通信结合的一个或多个微处理器或者任何其它这种配置。
以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述,但本领域技术人员应该清楚,这些描述都是示例性的,并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改,这些变型和修改也在本申请的范围内。
Claims (7)
1.一种感应电机的控制装置,包括:
磁化电流调节单元,用于计算磁化电压指令;
转矩电流调节单元,用于计算转矩电压指令;
电机定子电压指令计算单元,其根据所述磁化电压指令,所述转矩电压指令和所述磁链指令角度,计算用于对电机的定子进行控制的定子电压指令,其中,所述磁链指令角度生成单元包括:
频率差计算单元,其计算所述预设的定子频率的下限值ω1th与所述定子频率ω1的差值;
积分单元,其对该差值进行积分以得到磁链指令角补正量;以及
所述控制装置还包括定子频率计算单元,
所述定子频率计算单元对基于流入所述电机的定子电流而得到的基于α-β坐标系的电流Ia和Ib做反正切得到电流矢量角∠I,再对所述电流矢量角∠I进行微分运算得到所述定子频率ω1。
2.如权利要求1所述的控制装置,其中,
所述磁链指令角补正量的最小值是0。
4.如权利要求1所述的控制装置,其中,所述控制装置还包括:
速度指令补正量计算单元,其用于根据所述预设的定子频率的下限值ω1th和所述定子频率ω1,计算速度指令补正量,
其中,所述速度指令补正量用于对速度指令值进行调整,从而计算所述转矩电压指令。
5.如权利要求4所述的控制装置,其中,速度指令补正量计算单元包括:
第一计算单元,用于计算所述预设的定子频率的下限值ω1th和所述定子频率ω1的差值;
第一决定单元,根据所述第一计算单元计算出的差值,决定所述速度指令补正量。
6.如权利要求5所述的控制装置,其中,所述速度指令补正量计算单元还包括:
第一PI调节单元,其根据所述第一计算单元计算出的差值进行比例积分运算,输出比例积分运算结果;
所述第一决定单元在所述比例积分运算结果小于0时,决定所述速度指令补正量为0,
所述第一决定单元在所述PI运算结果大于或等于0时,决定所述速度指令补正量为所述比例积分运算结果。
7.一种感应电机的控制方法,包括:
计算磁化电压指令;
计算转矩电压指令;
根据预设的定子频率的下限值、定子频率、以及磁链估算角,计算磁链指令角度;以及
根据所述磁化电压指令,所述转矩电压指令和所述磁链指令角度,计算用于对电机的定子运转进行控制的定子电压指令,
其中,计算磁链指令角度包括:
计算所述预设的定子频率的下限值与所述定子频率的差值;
对该差值进行积分以得到磁链指令角补正量;以及
使用所述磁链指令角补正量对所述磁链估算角进行补正,以得到所述磁链指令角度,
所述控制方法还包括:
将所述磁链估算角相对于时间求导,得到所述定子频率;或者
对基于流入所述电机的定子电流而得到的基于α-β坐标系的电流Ia和Ib做反正切得到电流矢量角,再对所述电流矢量角进行微分运算得到所述定子频率。
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