CN101390284B - 电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对电动机进行可变速度控制的电动机控制系统，其通过基于电动机的电参数或者机械参数利用电流反馈来联机调节线性微分控制器的增益，能够实现需要的控制响应和稳定的控制系统。该电动机控制系统包括：电流坐标转换器(15)，用于将输入的电动机(13)的电流检测值坐标转换为γ轴电流和δ轴电流，所述γ轴电流具有与位置基准相同的相位，所述δ轴电流具有比所述位置基准超前90度的相位；δ轴稳定器(16)，用于对输入的δ轴电流进行线性微分控制以输出δ轴电流电压校正量；以及δ轴稳定增益调节器(17)，用于调节δ轴稳定器的线性微分控制增益。

Description

电动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种不具有速度传感器的电动机控制系统或者一种无速度传感器的电动机控制系统，用于使用逆变电路通过目标控制响应来对电动机进行速度控制。

背景技术

通常，作为无速度传感器的电动机驱动方法之一，存在一种通过使施加给电动机的电压与频率大致地成比例来控制电动机的V/f控制方法。在所述V/f控制中，出于在驱动电动机的同时防止速度偏差或者节约能量的目的，提出这样一种系统，在该系统中，根据从电动机的定子检测的电流来调节输出到电动机的电压。

在作为第一个传统示例的电动机控制系统中，从电动机电流和旋转相位获得无功分量电流，从无功分量电流和无功分量电流基准值获得误差电压，以补偿电动机的V/f特性。(例如，参照专利文献1)此外，作为第二个传统示例的电动机控制系统包括：电流坐标转换器，用于将两相的定子电流坐标转换成比位置基准值超前90度的电流分量；第一电压校正器，用于产生与从低通滤波器输出的电流成比例的电压校正量，该低通滤波器使来自电流坐标转换器的电流通过；第二电压校正器，用于产生与从高通滤波器输出的电流成比例的电压校正量，该高通滤波器使来自电流坐标转换器的电流通过，从而通过有控制轴的δ轴分量的电流，电压加到同步电动机上。(例如，参考专利文献2)

图3是第一传统示例的电动机控制系统的示意性框图。在该图中，2表示逆变电路，4表示电动机电流检测单元，5表示逆变控制器，6表示频率设置部分，7表示波形产生部分，8表示无功分量电流操作部分，9表示无功分量电流基准部分，10表示误差电压操作部分，11表示V/f转换器部分，12表示输出基准操作部分，以及31和32是加法器部分。此外，1表示电源，3表示电动机。在逆变控制器5中，控制逆变电路2的输入信号的频率在频率设置部分6中被设置，设置的频率的输入信号被输出到波形产生部分7和V/f转换器部分11。波形产生部分7利用来自于频率设置部分6的输出信号作为输入信号产生旋转相信号，并输出这样产生的旋转相信号到无功分量电流操作部分8和输出基准操作部分12。无功分量电流操作单元8获得来自于电动机电流检测单元4的检测输出的无功分量和来自于波形产生部分7的输出，并输入获得的无功分量电流到加法器部分31的一端。从无功分量电流基准部分9输出的无功分量电流基准值被输入到加法器部分31的另一端。加法器部分31的加法输出被输入到误差电压操作部分10，以获得误差电压。误差电压操作部分10的输出被加在在加法器部分32中V/f转换器部分11的输出，从加法产生的输出被输入到输出基准操作部分12。输出基准操作部分12的输出被输入到逆变电路2中，以驱动逆变电路2。此外，假设当电动机电流检测单元4检测U相、V相和W相电流时输出的检测信号分别是Iu、Iv和Iw，则无功分量电流操作部分8执行由下面的表达式(1)所示的操作，以获得无功分量电流检测值Ir。

[等式1]

$\mathrm{Ir}=\sqrt{\frac{2}{3}}\·\{\mathrm{Iu}\·\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{Iv}\·\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})+\mathrm{Iw}\·\cos (\mathrm{\θ}-\frac{4}{3}\mathrm{\π}\left)\right\}---\left(1\right)$

图4是第二传统示例的电动机控制系统的示意性框图。在该图中，1表示FV转换器，2表示逆变电路，3表示同步电动机，4表示积分器，5表示电流坐标转换器，6和7表示电压校正器，8表示低通滤波器，以及9表示高通滤波器。速度基准ωrm_ref被输入到FV转换器1中，FV转换器1输出电压基准E_ref。此外，速度基准ωrm_ref被输入到积分器4中，并输出位置基准θ_ref。另一方面，同步电动机3的电枢电流Iu和Iw被输入到电流坐标转换器5中，该电流坐标转换器5输出通过将电流坐标转换到比位置基准θ_ref超前90度的轴获得的δ轴电流Iδ。通过使δ轴电流流过低通滤波器8，LPF_out被输出。电压校正器6利用LPF_out作为输入实现比例控制，以输出电压校正量ΔV1。此外，通过使δ轴电流流过高通滤波器9，HPF_out被输出。电压校正器7利用HPF_out作为输入实现比例控制，以输出电压校正量ΔV2。这些电压校正量Δ1和Δ2与电压基准E_ref相加，并且校正之后的电压基准V_ref和位置基准θ_ref被输入到逆变电路2中，以驱动逆变电路2。

专利文献1：JP-A-2003-204694(第6页到第8页，附图2)

专利文献2：JP-A-2005-151610(第3页，附图1)

发明内容

本发明要解决的问题

在第一传统示例的电动机控制系统中，虽然由于调节了无功电流而使能量效率得到提高，但由于控制系统的稳定性和控制响应取决于电动机的惯性和电参数，该惯性和电参数取决于电动机，所以存在目标控制响应不能实现的问题。此外，在第二传统示例的电动机中，虽然在手动地调节电压校正器的增益的情况下也能实现目标控制响应，但是由于调节方法是通过检查实际机器的手动调节，所以需要时间实现最优调节，并且存在这样的风险，即，控制系统在调节阶段发生振荡，从而损坏系统。

注意，控制系统的稳定性和控制响应取决于电动机的惯性和电参数的事实将稍后描述。

鉴于这些问题而提出本发明，本发明的目的在于提供一种电动机控制系统，该系统通过电动机的电参数或者机械参数经由电流反馈来联机调节线性微分控制器的增益，能够实现需要的控制响应和稳定的控制系统。

解决问题的方法

考虑到解决该问题，本发明如下构造。

根据本发明的第一方面，提供了一种电动机控制系统，该系统包括：

FV转换器，用于输出与速度基准的频率成比例的感应电动势基准，

积分器，用于对速度基准进行积分以产生位置基准，

逆变电路，用于基于位置基准将驱动动力提供到电动机，

电流坐标转换器，用于将输入的电动机的电流检测值坐标转换为γ轴电流和δ轴电流，所述γ轴电流具有与位置基准相同的相位，所述δ轴电流具有比位置基准超前90度的相位；

δ轴稳定器，用于对输入的δ轴电流进行线性微分控制，以输出δ轴电压校正量；以及

δ轴稳定增益调节器，用于调节δ轴稳定器的线性微分控制增益，其中，

电动机的速度基于感应电动势基准和δ轴电压校正量被可变地控制。

此外，根据本发明的第二方面，提供了一种如在第一方面中所阐述的电动机控制系统，其中，

δ轴稳定增益调节器基于电动机的电参数或者机械参数调节线性微分控制增益。

此外，根据本发明的第三方面，提供了一种如在第一方面中所阐述的电动机控制系统，其中，

δ轴稳定增益调节器基于控制系统的固有振荡频率和衰减参数调节线性微分控制增益。

根据本发明的第四方面，提供了一种电动机控制系统，该系统包括：

FV转换器，用于输出与速度基准的频率成比例的感应电动势基准，

积分器，用于对速度基准进行积分以产生位置基准，

逆变电路，用于基于位置基准将驱动动力提供到电动机，

电流坐标转换器，用于将输入的电动机的电流检测值坐标转换为γ轴电流和δ轴电流，所述γ轴电流具有与位置基准相同的相位，所述δ轴电流具有比位置基准超前90度的相位，

γ轴稳定器，用于对输入的γ轴电流进行线性微分控制，以输出γ轴电压校正量，

δ轴稳定器，用于对输入的δ轴电流进行线性微分控制，以输出δ轴电压校正量，

γ轴稳定增益调节器，用于调节γ轴稳定器的线性微分控制增益，

δ轴稳定增益调节器，用于调节δ轴稳定器的线性微分控制增益，其中，

电动机的速度基于感应电动势基准、γ轴电压校正量和δ轴电压校正量被可变地控制。

此外，根据本发明的第五方面，提供了一种如在第四方面中所阐述的电动机控制系统，其中，

γ轴稳定增益调节器和δ轴稳定增益调节器基于电动机的电参数或者机械参数调节线性微分控制增益。

此外，根据本发明的第六方面，提供了一种如在第四方面中所阐述的电动机控制系统，其中，

γ轴稳定增益调节器和δ轴稳定增益调节器基于控制系统的固有振荡频率和衰减参数调节线性微分控制增益。

本发明的优点

根据如权利要求1或者权利要求4所述的本发明，可以实现需要的控制响应和稳定的控制系统。此外，可以联机实现由于系统会出现故障的风险而不能完成的增益调节。

此外，根据如权利要求2或者权利要求5所述的本发明，可以使用电动机的已知的电参数或者机械参数，从而可以容易地并在短时间周期内实现增益调节。此外，在改变被控制的电动机的情况下，使用替换电动机的已知电参数和机械参数，可以处理电动机的改变，可以增加电动机控制系统的通用性。

此外，根据如权利要求3或者权利要求6所述的本发明，可以实现考虑了控制系统的控制响应和稳定性的增益调节。此外，可以抑制在增益调节时系统出现故障的风险。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的电动机控制系统的示意性框图。

图2是根据本发明第二实施例的电动机控制系统的示意性框图。

图3是第一传统示例的电动机控制系统的示意性框图。

图4是第二传统示例的电动机控制系统的示意性框图。

11：FV转换器；12：逆变电路；13：同步电动机；14：积分器；15，21：电流坐标转换器；16：δ轴稳定器；17：δ轴稳定增益调节器；18：加法器；22：γ轴稳定器；23：γ轴稳定增益调节器。

具体实施方式

以下，将描述本发明的实施例。

(实施例1)

首先，将描述控制系统的稳定性和控制响应取决于电动机的惯性和电参数的事实。从速度基准ωref到实际速度ω的传输函数由式子(2)表示，从式子(2)中，控制系统的固有振荡频率ωn和衰减系数ξ由式子(3)表示。

[等式2]

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}^2\·J}{s^2\·J\·L\·+s\·J\·R+3/2\·{\mathrm{\Φ}}^2\·{\mathrm{pole}}^2}\·\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ωn}=\mathrm{\Φ}\·\mathrm{pole}\·\sqrt{\frac{3}{2\·J\·L}}$ 、 $\mathrm{\ξ}=\frac{R}{2\·\mathrm{\Φ}\·\mathrm{pole}}\·\sqrt{\frac{2\·J}{3\·L}}---\left(3\right)$

其中，Φ表示电动机的磁通量[wb]，R表示电动机的电阻[Ω]，L表示电动机的电感[H]，J表示电动机的惯量[kg·m²]，pole表示电动机的极性的数量。

这样，从式子(3)可以看到，控制响应和稳定性根据电动机的电参数或者机械参数的组合改变。

图1是根据本发明第一实施例的电动机控制系统的示意性框图。在该图中，11表示FV转换器，12表示逆变电路，13表示同步电动机，14表示积分器，15表示电流坐标转换器，16表示δ轴稳定器，17表示δ轴稳定增益调节器，18表示加法器。

本发明与专利文献1的区别在于，本发明包括积分器14、电流坐标转换器15、δ轴稳定器和δ轴稳定增益调节器17，但是不包括在专利文献1的图3中所示的无功分量电流基准部分9、波形产生部分7、无功分量电流操作部分8和误差电压操作部分10。

此外，本发明与专利文献2的区别在于，本发明包括δ轴稳定器和δ轴稳定增益调节器17，但是不包括专利文献2的图4中所示的电压校正器6、7，低通滤波器8和高通滤波器9。

速度基准ωref被输入到FV转换器11中，FV转换器输出感应电动势基准Eref。此外，速度基准ωref被输出到积分器14，该积分器14输出位置基准θref。另一方面，δ轴稳定器16利用输入δ轴电流来实现线性微分控制并输出δ轴电压校正量ΔVδ，该δ轴电流是通过电流坐标转换器15将同步电动机的电枢电流Iu和Iw坐标转换成比位置基准θref超前90度的相位而获得的。

这里，当电流受到线性微分控制并从其的输出被反馈到电压基准，以调节控制响应和稳定性时，控制系统的传输函数由式子(4)表示，并且控制系统的固有振荡频率ωn和衰减系数ξ由式子(5)表示。

[等式3]

${\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{{\mathrm{\Φ}}^2\·J}{s^2\·J\·(L-K2)+s\·J\·(R-K1)+3/2\·{\mathrm{\Φ}}^2\·{\mathrm{pole}}^2}\·\mathrm{\ω}---\left(4\right)$

$\mathrm{\ωn}=\mathrm{\Φ}\·\mathrm{pole}\·\sqrt{\frac{3}{2\·J\·(L-K2)}}$ 、 $\mathrm{\ξ}=\frac{R-K1}{2\·\mathrm{\Φ}\·\mathrm{pole}}\·\sqrt{\frac{2\·J}{3\·(L-K2)}}---\left(5\right)$

从式子(5)可以看到，可以通过线性微分控制的比例增益K1和微分增益K2调节控制响应和稳定性。这样，使控制响应为ωn[拉德/秒]，使衰减系数ξ中的ξ＝1，即等于临界衰减，比例增益K1和微分增益K2可以由式子(6)被设置。

[等式4]

$K1=R-2\·\mathrm{\Φ}\·\mathrm{pole}\·\sqrt{\frac{3\·(L-K2)}{2\·J}}$ 、 $K2=L-\frac{3{\·\mathrm{\Φ}}^2\·{\mathrm{pole}}^2}{2\·J\·{\mathrm{\ωn}}^2}---\left(6\right)$

实现线性微分控制的δ轴稳定器16的比例增益K1和微分增益K2通过执行式子(6)的操作处理的δ轴稳定增益调节器17被调节。然后，作为FV转换器11的输出的感应电动势基准Eref与作为δ轴稳定器16的输出的δ轴电压校正量ΔVδ通过加法器18求和，作为加法器18的输出的δ轴电压基准Vδref和作为积分器14的输出的位置基准θref被输入到逆变电路12中，以实现起弧。

(实施例2)

图2是根据本发明第二实施例的电动机控制系统的示意性框图。在附图中，21表示电流坐标转换器；22表示γ轴稳定器；23表示γ轴稳定增益调节器。注意到，由于由与实施例1的附图1中的标号相同的标号表示的组成部件提供与实施例1的功能和益处相同的功能和益处，所以将省略对其的描述。

第二实施例与图1中所示的第一实施例的不同之处在于，第二实施例包括：电流坐标转换器21，代替图1中所述的电流坐标转换器5，用于接收同步电动机的电枢电流Iu和Iw作为输入，用于输出δ轴电流Iδ和γ轴电流Iγ；γ轴稳定器22，用于利用γ轴电流作为输入来输出γ轴电压校正量；和γ轴稳定增益调节器23，用于调节γ轴稳定器的控制增益。

速度基准ωref输入到FV转换器11中，FV转换器输出感应电动势基准Eref。此外，速度基准ωref输出到积分器14，该积分器14输出位置基准θref。另一方面，γ轴稳定器22利用输入γ轴电流来实现线性微分控制并输出γ轴电压校正量ΔVγ，该γ轴电流是通过电流坐标转换器21将同步电动机的电枢电流Iu和Iw坐标转换成与位置基准θref相同的相位而获得的。γ轴稳定器22的比例增益K1γ和微分增益K2γ通过执行式子(6)的操作处理的γ轴稳定增益调节器23被调节。而且，δ轴稳定器16利用输入δ轴电流来实现线性微分控制并输出δ轴电压校正量ΔVδ，该δ轴电流是通过电流坐标转换器15将同步电动机的电枢电流Iu和Iw坐标转换成比位置基准θref超前90度的相位而获得的。δ轴稳定器16的比例增益K1δ和微分增益K2δ通过执行式子(6)的操作处理的δ轴稳定增益调节器17被调节。然后，作为FV转换器11的输出的感应电动势基准Eref作为δ轴稳定器16的输出的δ轴电压校正量ΔVδ通过加法器18求和，作为加法器18的输出的δ轴电压基准Vδref、γ轴电压校正量ΔVγ和位置基准θref被输入到逆变电路12中，以实现起弧。

工业实用性

本发明的电动机控制系统是利用无速度传感器驱动方法的电动机的电动机控制系统，并且由于利用逆变电路，机电控制系统可以通过利用经目标控制响应速度控制电动机来实现期望的控制响应和稳定的控制系统，所以电动机控制系统可以应用到用于在被驱动的同时防止速度偏差或者节约能量的目的的升降机、起重机、空调等各种领域。

Claims (3)

1.一种电动机控制系统，包括：

FV转换器，用于输出与速度基准的频率成比例的感应电动势基准；

积分器，用于对所述速度基准进行积分以产生位置基准；

逆变电路，用于基于所述位置基准将驱动动力提供到电动机；

电流坐标转换器，用于将输入到所述电动机的电流转换为γ轴电流和δ轴电流，所述γ轴电流具有与所述位置基准相同的相位，所述δ轴电流具有比所述位置基准超前90度的相位；

δ轴稳定器，用于对输入的所述δ轴电流进行线性微分控制，以输出δ轴电压校正量；以及

δ轴稳定增益调节器，用于调节所述δ轴稳定器的比例增益和微分增益，由此使具有固有振荡频率和衰减系数的所述电动机的速度控制系统的传输函数为所需的值，其中，

所述电动机的速度基于所述感应电动势基准和所述δ轴电压校正量被可变地控制。

2.如权利要求1所述的电动机控制系统，其中，所述传输函数为二次式，所述δ轴稳定增益调节器调节所述比例增益和微分增益，以使衰减系数为临界衰减系数。

3.如权利要求1所述的电动机控制系统，其中，所述比例增益和所述微分增益是所述电动机的电参数和机械参数。

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