CN1303753C - 交流异步电机的无速度传感器逆控制器 - Google Patents

Abstract

本发明是交流异步电机的无速度传感器逆控制器，其结构是线性闭环控制器中的磁链控制器、转速控制器的输出端分别接异步电机的逆***的输入端，异步电机的逆***的输出端分别接空间矢量脉宽调制模块的输入端，异步电机的逆***的另外五个输入端分别接转速与转子磁链观测器中的Clarke变换的输出端和转速与扩展的卡尔曼滤波器的输出端，Clarke变换的输出端对应连接卡尔曼滤波器的四个输入端，卡尔曼滤波器的输出端分别接线性闭环控制器中的磁链控制器、转速控制器的输入端。优点：获得优良的调速和抗负载扰动的电机运行性能和高精度的转速跟踪控制性能。***不需要在电机转轴上安装速度传感器，硬件简单，运行可靠，实现成本低廉。

Description

交流异步电机的无速度传感器逆控制器

技术领域

本发明涉及的是交流异步电机的无速度传感器逆控制器，适用于交流异步电机或交流永磁同步电机的高性能调速或伺服控制，属于电力传动控制设备的

技术领域。

背景技术

目前，在工业电气传动与伺服***中，采用交流电机替代直流电机成为一种发展方向。交流电机由于具有结构简单、维护方便、大容量、不需要换向器等优点，在实际中的应用越来越多。在工业应用领域，一般采用通用变频器来驱动交流电机运行，变频器的控制方法主要有两种：开环恒压频比控制和闭环矢量控制。开环恒压频比控制一般用于调速性能要求不高的应用场合，如空调器、洗衣机以及风机和泵类的调速，具有软起动和节能降耗的作用；对于调速和伺服控制性能要求较高的应用场合，如大功率传送带、机床、机器人、钢材轧制生产线以及造纸厂生产线等，则采用闭环矢量控制。闭环矢量控制的实现，通常需要在电机转轴上安装速度传感器来获取转速反馈信号。安装速度传感器使***硬件结构复杂，降低了***运行的可靠性，增加了***实现成本。使采用闭环矢量控制的交流电机调速***的应用受到很大限制。因此，如何使交流电机在不安装速度传感器的条件下，获得优良的电机转速和位置控制性能，是一个很有意义和急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需在电机转轴上安装速度传感器、硬件结构简单、易于实现，运行可靠的交流异步电机的无速度传感器控制器。本发明的技术解决方案：其结构由线性闭环控制器、异步电机的逆***、空间矢量脉宽调制模块、转速与转子磁链观测器构成，其中线性闭环控制器中的磁链控制器、转速控制器的输出端分别接异步电机的逆***的二个输入端，异步电机的逆***的二个输出端分别接空间矢量脉宽调制模块的二个输入端，异步电机的逆***的另外五个输入端中的二个输入端接转速与转子磁链观测器中的Clarke变换的输出端异步电机的逆***的另三个输入端接转速与转子磁链观测器中的扩展的卡尔曼滤波器的输出端，Clarke变换的四个输出端对应连接卡尔曼滤波器的四个输入端，卡尔曼滤波器的输出端分别接线性闭环控制器中的磁链控制器、转速控制器的输入端。

本发明的优点：可用于许多不宜在电机轴上安装传感器，并要求有高精度调速和高可靠性运行性能的工业电气传动应用场合，可显著提高异步电机无速度传感器调速***的控制性能。用于构造新型的异步电机控制器，实现异步电机无速度传感器的高精度转速控制。不仅可应用于以异步电机为动力装置的交流传动***，在以其它类型的交流电机(交流永磁同步电机、直流无刷电机等)为动力装置的交流传动和交流伺服***中也有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1是复合被控对象的原理图。

图2是伪线性***的结构图、等效图。

图3是图2的等效图。

图4是闭环解耦控制***的结构图。

图5是转速与转子磁链估计器的结构图。

图6是采用无速度传感器逆控制器对复合被控对象进行控制的原理图。

图7是以数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器实现的本发明装置组成的结构示意图。

图8是采用数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器对异步电机进行控制时的运行程序框图。

图中的1是功率逆变器(CM15MD/MDL-12H)、2是交流异步电机(Y90S-4)、3是负载、4是复合被控对象、5是空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块、6是异步电机的逆***、7是伪线性***、8是线性闭环控制器(含磁链控制器、转速控制器)、9是扩展的卡尔曼滤波器、10是Clarke变换(3/2变换)、11是转速与转子磁链观测器、12是无速度传感器逆控制器、13是霍尔传感器(2个LM25-NP和2个LV25-NP)、14是数字信号处理器(TMS320LF2407)、15是、16是磁链控制器(PD控制器)、17是转速控制器(PD控制器)、18是转子磁链子***、19是转速子***。

具体实施方式

对照附图6，交流异步电机的无速度传感器逆控制器由线性闭环控制器8、异步电机的逆***6、空间矢量脉宽调制模块5、转速与转子磁链观测器11构成，其中线性闭环控制器8中的磁链控制器16、转速控制器17的输出端分别接异步电机的逆***6的二个输入端，异步电机的逆***6的输出端u_sα、u_sβ分别接空间矢量脉宽调制模块5的二个输入端，异步电机的逆***6的另外五个输入端中的二个输入端接转速与转子磁链观测器11中的Clarke变换10的输出端i_sα、i_sβ，异步电机的逆***6的另三个输入端接转速与转子磁链观测器11中的扩展的卡尔曼滤波器9的输出端

Clarke变换10的输出端i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ对应连接扩展的卡尔曼滤波器9的四个输入端，扩展的卡尔曼滤波器9的输出端 分别接线性闭环控制器8中的磁链控制器16、转速控制器17的输入端。

所述的空间矢量脉宽调制模块5的三个输出端S_a、S_b、S_c对应连接复合被控对象4中的功率逆变器1的三个输入端，功率逆变器1中的三个输出端u_a、u_b、u_c分别接复合被控对象4中的交流异步电机2的三个输入端，功率逆变器1中的输出端u_a、u_b分别接霍尔传感器13的电流输入端i_a、i_b和电压输入端u_a、u_b，霍尔传感器13的输出端i_a、i_b、u_a、u_b对应连接交流异步电机的无速度传感器逆控制器12中转速与转子磁链观测器11中的Clarke变换10的四个输入端。复合被控对象4中的交流异步电机2的输出端接负载3。

对照附图7，其中异步电机逆***、线性闭环控制器、SVPWM模块和转速与转子磁链观测器由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现。DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320LF2407，功率逆变器采用三菱公司的PIM模块CM15MD/MDL-12H、霍尔传感器采用瑞士LEM公司的2个LM25-NP和2个LV25-NP。交流异步电机参数为：额定功率P_N＝1.1kW，额定转速ω_rN＝1420r/min，极对数n_p＝2，定子电感L_s＝0.574H，转子电感L_r＝0.580H，互感L_m＝0.55H，转子惯量J＝0.0021kgm²，定子电阻R_s＝5.9Ω，转子电阻R_r＝5.6Ω。对照附图8，异步电机的逆***6、空间矢量脉宽调制模块5、线性闭环控制器8和转速与转子磁链观测器11为采用数字信号处理器14，通过编制程序软件来实现。

实施时，首先由功率逆变器、异步电机及其负载组成一个复合被控对象，该复合被控对象等效为静止两相坐标系(αβ坐标系)下的一个5阶微分方程，

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\α}}=-{\mathrm{\γi}}_{\mathrm{s\α}}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\β\ψ}}_{\mathrm{r\α}}+n_p\mathrm{\β}{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}+u_{\mathrm{s\α}}/\left(\mathrm{\σ}{L}_s\right)\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{s\β}}=-{\mathrm{\γi}}_{\mathrm{s\β}}-n_p\mathrm{\β}{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}+\mathrm{\δ}{\mathrm{\β\ψ}}_{\mathrm{r\β}}+u_{\mathrm{s\β}}/\left(\mathrm{\σ}{L}_s\right)\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}}=L_m\mathrm{\δ}{i}_{\mathrm{s\α}}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}-n_p{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}=L_m\mathrm{\δ}{i}_{\mathrm{s\β}}+n_p{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}-\mathrm{\δ}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=\mathrm{\μ}(i_{\mathrm{s\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}-i_{\mathrm{s\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}})-T_L/J\end{array}\right.$

上式中n_p为异步电机的极对数，J为转动惯量， $\mathrm{\δ}=\frac{L_r}{R_r},\mathrm{\β}=\frac{L_m}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r},\mathrm{\μ}=\frac{n_p{L}_m}{J{L}_r},$ $\mathrm{\γ}=\frac{L_m^2{R}_r}{\mathrm{\σ}{L}_s{L}_r^2}+\frac{R_s}{\mathrm{\σ}{L}_s},\mathrm{\σ}=1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r};$ R_s、R_r分别为定、转子电阻；L_s、L_r和L_m为定、转子自感及互感；状态变量x＝[i_sα，i_sβ，ψ_rα，ψ_rβ，ω_r]^τ；输入控制量为u＝[u_sα，u_sβ]^τ；其中i_sα、i_sβ和ψ_rα、ψ_rβ分别为定子电流和转子磁链的a、β分量，ω_r为转子角速度；u_sα、u_sβ分别为定子电压的a、β分量。

由该方程可解得复合被控对象的逆***

$u_{\mathrm{s\α}}=f_1(i_{\mathrm{s\α}},i_{\mathrm{s\β}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}},{\mathrm{\ω}}_r,{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}}_r)$

$u_{\mathrm{s\β}}=f_2(i_{\mathrm{s\α}},i_{\mathrm{s\β}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}},{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}},{\mathrm{\ω}}_r,{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}}_r)$

将逆***串接在复合被控对象之前，逆***与复合被控对象合成为由2个二阶积分子***(s^-2)，即一个转子磁链二阶子***和一个转速二阶子***，从而将一个复杂的多变量非线性***的控制转化为二个简单的二阶积分子***的控制。对于已经解耦的2个二阶积分子***，采用一种线性***的综合方法，如PID或极点配置等，分别作出一个磁链控制器和一个转速控制器。最终形成由闭环线性控制器、逆***、SVPWM模块和扩展的卡尔曼滤波器4个部分组成的无速度传感器的逆控制器，对功率逆变器与交流异步电机***进行控制。根据不同的要求，可选择不同的硬件和软件来实现。

Claims (4)

1、交流异步电机的无速度传感器逆控制器，其特征是由线性闭环控制器(8)、异步电机的逆***(6)、空间矢量脉宽调制模块(5)、转速与转子磁链观测器(11)构成，其中线性闭环控制器(8)中的磁链控制器(16)、转速控制器(17)的输出端分别接异步电机的逆***(6)的二个输入端，异步电机的逆***(6)的输出端u_sα、u_sβ分别接空间矢量脉宽调制模块(5)的二个输入端，异步电机的逆***(6)的另外五个输入端中的二个输入端接转速与转子磁链观测器(11)中的Clarke变换(10)的输出端i_sα、i_sβ，异步电机的逆***(6)的另三个输入端接转速与转子磁链观测器(11)中的扩展的卡尔曼滤波器(9)的输出端 Clarke变换(10)的输出端i_sα、i_sβ、u_sα、u_sβ对应连接扩展的卡尔曼滤波器(9)的四个输入端，扩展的卡尔曼滤波器(9)的输出端 分别接线性闭环控制器(8)中的磁链控制器(16)、转速控制器(17)的输入端，Clarke变换(10)的输入端i_a、i_b、u_a、u_b对应连接霍尔传感器(13)的输出端i_a、i_b、u_a、u_b。

2、根据权利要求1所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制器，其特征是空间矢量脉宽调制模块(5)的三个输出端S_a、S_b、S_c对应连接复合被控对象(4)中的功率逆变器(1)的三个输入端，功率逆变器(1)中的三个输出端u_a、u_b、u_c分别接复合被控对象(4)中的交流异步电机(2)的三个输入端，功率逆变器(1)中的输出端u_a、u_b分别接霍尔传感器(13)的电流输入端i_a、i_b和电压输入端u_a、u_b，霍尔传感器(13)的输出端i_a、i_b、u_a、u_b对应连接交流异步电机的无速度传感器逆控制器(12)中转速与转子磁链观测器(11)中的Clarke变换(10)的四个输入端。

3、根据权利要求2所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制器，其特征是复合被控对象(4)中的交流异步电机(2)的输出端接负载(3)。

4、根据权利要求1所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制器，其特征在于异步电机的逆***(6)、空间矢量脉宽调制模块(5)、线性闭环控制器(8)和转速与转子磁链观测器(11)为采用数字信号处理器(14)，通过编制程序软件来实现。

Images