CN101013876A - 具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，通过外接电压检测单元、电流检测单元和测速单元测量变频控制异步电动机定子端的电压、电流和转子转速，并根据矢量变换将实际三相电压、电流变换为两相旋转坐标系下的值；对控制给定值实施负反馈调节以后，根据特殊的参数自整定电压解耦算法计算；将解耦所得的控制值经过逆向矢量变换计算，得出三相静止坐标系下的电压控制值，根据电压控制值调节变频器输出，再回到开始循环执行。参数自整定解耦算法在循环计算中参数根据电动机参数变化而更新，使得变频调速矢量控制不受电动机运行参数漂移的影响，达到提高异步电动机控制性能的效果。

Description

具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，用于变频器控制方案的设计，属于电气自动化技术领域。

背景技术

随着电力电子技术，电子计算机技术，自动控制理论的不断发展，变频技术应用也越来越普及。变频技术应用最广的是变频器产品，例如变频空调，变频洗衣机、变频电冰箱等等，它正朝着高度数字集成化、转矩控制高性能化、保护功能健全化、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的趋势发展。变频器产品主要应用到的技术中包括，脉宽调制技术，滑模技术、非线性变换技术、交流电机矢量控制技术、直接转矩控制技术、模糊控制技术和自适应控制技术等。

矢量控制技术是数字化变频器设计的主要方向之一，异步电动机的矢量控制方法本质上是基于坐标变换，实现转矩与磁通的完全解耦，从而可以将定子电流中的转矩分量和励磁分量分别独立控制，从而实现高性能的控制应用。但是根据文献“一种改进的异步电机矢量控制方法”(王立新.中小型电机，2005，32(6))中指出，在实际应用中，由于温升及磁饱和等原因，使得异步电动机各项参数发生变化，在电动机的理想模型中出现的转矩磁通的完全解耦不再有效，进而影响矢量控制性能。

变频器矢量控制性能受异步电动机参数变化影响，调速性能上仍有待提高，需要寻找一种方法消除参数变化带来的偏差。具有参数自整定功能的变频调速矢量控制方法能有效地消除偏差，实现高性能变频调速，目前还没有这项技术研究应用的详细报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有变频器矢量控制技术的不足，提出一种具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，在实现变频调速功能的基础上实现更优的调速性能。该方法通过实时地修正矢量变换交叉解耦计算的系数，使变频器数字控制的输出控制值始终符合电动机运行的状况，达到提升变频器调速性能的效果。

本发明提出的这种具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，通过外接电压检测装置、电流检测装置和测速装置测量变频器控制异步电动机定子端的电压值、电流值和转子转速，根据矢量变换将实际三相电压值、电流值等效为两相旋转坐标系下的值，然后对控制给定值实施负反馈控制，并根据异步电动机实际模型推导出的解耦参数对控制模型进行解耦计算；最后解耦输出值矢量逆变换为三相静止坐标系下的定子电压控制值，根据三相定子电压控制值调节变频器逆变单元输出；该过程不断循环执行，使得解耦参数随着电动机参数变化实时更新，从而具有自整定功能。

本发明方法的具体步骤如下：

1、在变频器逆变电路的三相输出端分别接电压检测装置和电流检测装置，变频器运行过程中检测装置测得异步电动机的定子三相电压值和定子三相电流值；在异步电动机电路中接入测速装置，变频器运行过程中测速装置测得异步电动机转子转速实际值；设定转子磁链控制给定值和转子转速控制给定值；将矢量回转器定子磁通角的初始值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值的初始值均设置为0；

2、分别将定子三相电压值及定子三相电流值，根据三相静止坐标系至两相静止坐标系变换公式变换为两相静止坐标系的值，把变换所得电压值和电流值分别连同矢量回转器定子磁通角的值通过矢量回转器运算，得到两相旋转坐标系下的矢量变换电压值和矢量变换电流值，即得到定子电压的励磁分量和转矩分量，以及定子电流的励磁分量和转矩分量；

3、将定子电流的励磁分量和转矩分量通过转差频率计算，得出转差角速度，将转差角速度与转子转速求和，得到定子磁场同步旋转角速度；将定子电流的励磁分量通过转子磁链计算，得出转子磁链实际值；

4、对转子磁链控制给定值采用负反馈，即把转子磁链控制给定值减去转子磁链实际值，差值送入磁链调节器中得到定子电流励磁分量控制值；对转子转速控制给定值也采用负反馈，即把转子转速控制给定值减去转子转速实际值，差值送入转速调节器中得到转矩控制值，转矩控制值再通过转矩调节器计算，得到定子电流转矩分量控制值；

5、将定子电流励磁分量控制值和定子电流转矩分量控制值，通过转差频率计算公式得出转差角速度控制值，再将转差角速度控制值与转子转速控制给定值求和，得到定子磁场同步旋转角速度控制值；

6、将求得的定子电流励磁分量控制值、定子电流转矩分量控制值、定子磁场同步旋转角速度控制值和定子电压励磁分量、定子电压转矩分量、定子电流励磁分量、定子电流转矩分量输入到参数自整定电压解耦计算模块中计算，得到定子电压励磁分量控制值和定子电压转矩分量控制值，根据异步电动机实际模型推导出的解耦参数对控制模型进行解耦计算，在循环计算过程中保持解耦参数始终跟随异步电动机参数变化，从而使得解耦参数的值具有自整定功能；

7、将定子电压励磁分量控制值、定子电压转矩分量控制值连同矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值，通过矢量回转器逆变换，得到两相静止坐标系下变换值，再将两相静止坐标系下变换值按照两相静止坐标系至三相静止坐标系变换公式进行变换，得到三相定子电压控制值；根据三相定子电压控制值调节逆变器驱动控制装置，进而控制定子电压实际输出；

8、将定子磁场同步旋转角速度对时间积分得到矢量回转器定子磁通角的值，将定子磁场同步旋转角速度控制值对时间积分得到矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值；分别用矢量回转器定子磁通角的值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值更新步骤1中的初始值，同时利用检测装置当前测得的定子三相电压值、定子三相电流值、异步电动机转子转速实际值，以及转子磁链控制给定值和转子转速控制给定值，返回步骤2进行新一轮循环计算，从而实现具有自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制。

本发明用于变频器产品的数字化矢量控制策略的设计，上述具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，随着循环计算的不断进行，解耦系数可自整定，使得解耦计算后的输出值更加独立。该方法通过测量运行参数，实时计算出当前解耦系数，从而实现矢量控制策略不受电动机运行参数漂移的影响，进而提高交流电动机控制性能。

附图说明

图1为本发明具有参数自整定功能的矢量控制变频器的硬件结构示意图。

图2为本发明具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制的结构示意图。

具体实施方式

图1为具有参数自整定功能的电压解耦矢量控制变频器的硬件结构示意图，在整流单元、制动单元和逆变单元组成的变频器主电路上接入矢量控制电路，矢量控制电路如下：在逆变器输出线路处接电压检测装置和电流检测装置，得到的模拟输出经过隔离转换和信号调理，得到的信号输入DSP模块；异步电动机接脉冲编码器，得到的模拟信号经过光电隔离脉冲滤波器、倍频处理装置，再经计数装置，信号输入DSP模块；DSP程序处理后的信号输出至FPGA脉冲分配单元，经过驱动缓存和基极驱动电路，得到的模拟控制信号用于控制逆变单元；计算机键盘与显示装置连接至DSP模块，用于控制输入与显示输出。

图2为具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制的结构示意图，它指出DSP模块中的算法框图。

具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法的具体实施步骤如下：

1、在变频器逆变电路部分的三相输出端分别接电压检测装置和电流检测装置，变频器运行过程中检测装置测得异步电动机的定子三相电压输入值u_A、u_B、u_C和定子三相电流输入值i_A、i_B、i_C；在异步电动机电路中接入测速装置，变频器运行过程中测速装置测得异步电动机转子转速实际值ω₂；通过计算机键盘设定转子磁链控制给定值ψ₂ ^*和转子转速控制给定值ω₂ ^*；程序中将矢量回转器定子磁通角θ的初始值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值θ^*的初始值均设置为0；

2、分别将定子三相电压值u_A、u_B、u_C及定子三相电流值i_A、i_B、i_C根据三相静止坐标系至两相静止坐标系3s/2s变换公式： $C_{3s/2s}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$ 变换为两相静止α，β坐标系的值u_α1、u_β1、i_α1、i_β1，变换算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}\\ u_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}1}\\ i_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right];$

把变换所得电压值u_α1、u_β1和电流值i_α1、i_β1分别连同矢量回转器定子磁通角θ的值通过矢量回转器公式： $C_{2R/2s}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 运算，得到两相旋转坐标系下的矢量变换电压值和矢量变换电流值，即定子电压的励磁分量u_M1和转矩分量u_T1以及定子电流的励磁分量i_M1和转矩分量i_T1，变换算法为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{M1}\\ u_{T1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}\\ u_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{M1}\\ i_{T1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}1}\\ i_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right];$

3、将定子电流的励磁分量i_M1和转矩分量i_T1通过转差频率公式 ${\mathrm{\ω}}_s=\frac{{r_2}^2+r_2{l}_{r}s}{r_1{l}_m}\·\frac{i_{T1}}{i_{M1}}$ 计算，得出转差角速度ω_s，转差角速度ω_s与转子转速ω₂求和，得到定子磁场同步旋转角速度ω₁；将定子电流的励磁分量i_M1通过转子磁链计算公式 ${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{r_1{l}_m}{r_2+l_{r}s}\·i_{M1},$ 得出转子磁链实际值ψ₂；

4、对转子磁链控制给定值ψ₂ ^*采用负反馈，即把转子磁链控制给定值ψ₂ ^*减去转子磁链实际值ψ₂，差值送入磁链调节器AψR中得到定子电流励磁分量控制值i_M1 ^*；对转子转速控制给定值ω₂ ^*也采用负反馈，即把转子转速控制给定值ω₂ ^*减去转子转速实际值ω₂，差值送入转速调节器ASR中得到转矩控制值T_e ^*，转矩控制值T_e ^*再通过转矩调节器ATR计算，得到定子电流转矩分量控制值i_T1 ^*；

5、将定子电流励磁分量控制值i_M1 ^*和定子电流转矩分量控制值i_T1 ^*通过转差频率公式： ${{\mathrm{\ω}}_s}^{*}=\frac{{r_2}^2+r_2{l}_{r}s}{r_1{l}_m}\·\frac{{i_{T1}}^{*}}{{i_{M1}}^{*}}$ 计算，得出转差角速度控制值ω_s ^*，将转差角速度控制值ω_s ^*与转子转速控制给定值ω₂ ^*求和，得到定子磁场同步旋转角速度控制值ω₁ ^*；

6、将求得的定子电流励磁分量控制值i_M1 ^*、定子电流转矩分量控制值i_T1 ^*、定子磁场同步旋转角速度控制值ω₁ ^*和定子电压励磁分量u_M1、定子电压转矩分量u_T1、定子电流励磁分量i_M1、定子电流转矩分量i_T1输入到参数自整定电压解耦计算模块中计算，解耦算法为：

u_M1 ^*＝A·i_M1 ^*+B·si_M1 ^*-C·ω₁ ^*i_T1 ^*

u_T1 ^*＝A·i_T1 ^*+B·ω₁ ^*i_M1 ^*+C·si_T1 ^*

得到定子电压励磁分量控制值u_M1 ^*和定子电压转矩分量控制值u_T1 ^*，其中系数A、B、C的值计算方法如下：

$A=r_1,$ $B=\frac{{\mathrm{su}}_{M1}+{\mathrm{\ω}}_1{u}_{T1}-r_1{\mathrm{si}}_{M1}-r_1{\mathrm{\ω}}_1{i}_{T1}}{({{\mathrm{\ω}}_1}^2+s^2)\·i_{M1}},$ $C=\frac{{\mathrm{su}}_{T1}-{\mathrm{\ω}}_1{u}_{T1}-r_1{\mathrm{si}}_{T1}+r_1{\mathrm{\ω}}_1{i}_{T1}}{({{\mathrm{\ω}}_1}^2+s^2)\·i_{T1}},$

具体原理如下，根据异步电动机解耦控制模型：

${u_M}^{*}=r_1{i_M}^{*}+({\mathrm{\σL}}_s+\frac{l_m}{l_r}\·\frac{r_1{l}_m}{r_2+l_{r}s})\·{{\mathrm{si}}_M}^{*}-{\mathrm{\σL}}_s\·{\mathrm{\ω}}_1{i_T}^{*}$

${u_T}^{*}=r_1{i_T}^{*}+(\mathrm{\σ}{L}_s+\frac{l_m}{l_r}\·\frac{r_1{l}_m}{r_2+l_{r}s})\·{\mathrm{\ω}}_1{i_M}^{*}+\mathrm{\σ}{L}_s\·{{\mathrm{si}}_T}^{*},$

则

和σL_s两个系数随着电动机参数变化而变，根据异步电动机

实际运行模型可推出：

${\mathrm{\σL}}_s+\frac{l_m}{l_r}\·\frac{r_1{l}_m}{r_2+l_{r}s}=\frac{{\mathrm{su}}_M+{\mathrm{\ω}}_1{u}_T-r_1{\mathrm{si}}_M-r_1{\mathrm{\ω}}_1{i}_T}{({{\mathrm{\ω}}_1}^2+s^2)\·i_M}$

${\mathrm{\σL}}_s=\frac{{\mathrm{su}}_T-{\mathrm{\ω}}_1{u}_T-r_1{\mathrm{si}}_T+r_1{\mathrm{\ω}}_1{i}_T}{({{\mathrm{\ω}}_1}^2+s^2)\·i_T}$

由此可见，以上解耦算法根据异步电动机实际模型推导出的解耦参数对控制模型进行解耦计算，在循环计算过程中保持解耦参数始终跟随异步电动机参数变化，从而使得解耦参数A、B、C的值具有自整定功能；

7、将定子电压励磁分量控制值u_M1 ^*、定子电压转矩分量控制值u_T1 ^*连同矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值θ^*通过矢量回转器逆变换公式 ${\cos }_{2S/2R}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 计算，得到两相静止坐标系下变换值u_α1 ^*、u_β1 ^*，变换算法为： $\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{\α}1}}^{*}\\ {u_{\mathrm{\β}1}}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\·\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{u_{M1}}^{*}\\ {u_{T1}}^{*}\end{array}\right],\end{array}$ 再将两相静止坐标系下变换值u_α1 ^*、u_β1 ^*根据两相静止坐标系至三相静止坐标系变换公式： $C_{2s/3s}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{-1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{-1}{2}& \frac{-\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$ 进行变换，变换算法为： $\left[\begin{array}{c}{u_A}^{*}\\ {u_B}^{*}\\ {u_C}^{*}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{-1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{-1}{2}& \frac{-\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{u_{\mathrm{\α}1}}^{*}\\ {u_{\mathrm{\β}1}}^{*}\end{array}\right],$ 得到三相定子电压控制值u_A ^*、u_B ^*、u_C ^*；根据三相定子电压控制值调节逆变器驱动控制装置，进而控制定子电压实际输出；

8、将定子磁场同步旋转角速度ω₁对时间t积分，得到矢量回转器定子磁通角θ的值，即θ＝∫ω₁dt，将定子磁场同步旋转角速度控制值ω₁ ^*对时间t积分得到矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值θ^*，即θ^*＝∫ω₁ ^*dt；分别用矢量回转器定子磁通角θ的值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值θ^*更新步骤1中的初始值，同时利用检测装置当前测得的定子三相电压值、定子三相电流值、异步电动机转子转速实际值，以及转子磁链控制给定值和转子转速控制给定值，返回步骤2进行新一轮循环计算，从而实现具有自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制。

综上所述，具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法是：首先通过外接电压检测装置、电流检测装置和测速装置测量变频器控制异步电动机定子端的电压值、电流值和转子转速，根据矢量变换将实际三相电压值、电流值等效为两相旋转坐标系下的值，然后对控制给定值实施负反馈控制，并根据异步电动机实际模型推导出的解耦参数对控制模型进行解耦计算；最后解耦输出值经逆矢量变换方法变换为三相静止坐标系下的定子电压控制值，根据三相定子电压控制值调节变频器逆变单元输出；循环执行上述算法，则解耦参数随着电动机参数变化实时更新，从而具有自整定功能。

Claims (1)

1、一种具有参数自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制方法，其特征包括如下具体步骤：

1)在变频器逆变电路的三相输出端分别接电压检测装置和电流检测装置，测取变频器运行过程中异步电动机的定子三相电压值和定子三相电流值；在异步电动机电路中接入测速装置，测取变频器运行过程中异步电动机转子转速实际值；设定转子磁链控制给定值和转子转速控制给定值，将矢量回转器定子磁通角的初始值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值初始值均设置为0；

2)分别将定子三相电压值及定子三相电流值按照三相静止坐标系至两相静止坐标系变换法进行变换，再把变换值连同矢量回转器定子磁通角的值通过矢量回转器运算，得到两相旋转坐标系下的矢量变换电压值及矢量变换电流值，即得到定子电压的励磁分量和转矩分量，以及定子电流的励磁分量和转矩分量；

3)将定子电流的励磁分量和转矩分量通过转差频率计算，得出转差角速度，将转差角速度与转子转速求和，得到定子磁场同步旋转角速度；将定子电流的励磁分量通过转子磁链计算，得出转子磁链实际值；

4)将转子磁链控制给定值减去转子磁链实际值，差值送入磁链调节器中得到定子电流励磁分量控制值；将转子转速控制给定值减去转子转速实际值，差值送入转速调节器中得到转矩控制值，转矩控制值通过转矩调节器得到定子电流转矩分量控制值；

5)将定子电流励磁分量控制值和定子电流转矩分量控制值通过转差频率计算，得出转差角速度控制值，再将转差角速度控制值与转子转速控制给定值求和，得到定子磁场同步旋转角速度控制值；

6)将定子电流励磁分量控制值、定子电流转矩分量控制值、定子磁场同步旋转角速度控制值和定子电压励磁分量、定子电压转矩分量、定子电流励磁分量、定子电流转矩分量输入到参数自整定电压解耦计算模块中，根据异步电动机实际模型推导出的解耦参数对控制模型进行解耦计算，得到定子电压励磁分量控制值和定子电压转矩分量控制值；

7)将定子电压励磁分量控制值、定子电压转矩分量控制值连同矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值通过矢量回转器逆变换计算，得到两相静止坐标系下变换值，再按照两相静止坐标系至三相静止坐标系变换法进行变换，得到三相定子电压控制值；根据三相定子电压控制值调节逆变器驱动控制装置，进而控制定子电压实际输出；

8)将定子磁场同步旋转角速度对时间积分得到矢量回转器定子磁通角的值，将定子磁场同步旋转角速度控制值对时间积分得到矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值；分别用矢量回转器定子磁通角的值及矢量回转器逆变换的定子磁通角控制值更新步骤1)中的初始值，同时利用检测装置当前测得的定子三相电压值、定子三相电流值、异步电动机转子转速实际值，以及转子磁链控制给定值和转子转速控制给定值，返回步骤2)进行新一轮循环计算，从而实现具有自整定功能的电压解耦变频调速矢量控制。

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