CN102076589A - 设置可变速驱动器的速度环的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置用来控制连接到吊重负载的电动机的可变速驱动器的速度调节环的方法。该方法包括计算速度调节环的比例增益(K_P)和积分增益(K_I)的步骤，所述比例增益和积分增益作为负载的额定线性速度，电动机的额定旋转频率，电动机极对数以及负载总质量的函数。

Description

设置可变速驱动器的速度环的方法

技术领域

本发明涉及一种可变速驱动器的速度调节环的设置方法，可变速驱动器用来控制同步或者异步电动机，这种电动机用来驱动提升负载，特别是电梯轿厢。

背景技术

为了控制电动机，可变速驱动器通常包括控制系统，该控制系统具有用来调节电动机速度的调节环以及用来调节输入到电动机不同相的电流的调节环。在吊重应用中，特别是电梯应用中，正确地设置用来控制吊重轿厢的电动机的可变速驱动器的电流调节环与速度调节环的参数尤其重要。具体地说，正确地设置这些调节环一方面对于电梯的整体性能，另一方面对于电梯使用者感受到的舒适感和安全感都有着直接的影响。但是，当使用可变速驱动器时，这种设置使用起来有时耗时过长并且/或者很复杂。

文档US5929400已经记载了一种在吊重应用中自动使用可变速驱动器的方法。但是该方法包含在启动之前的预校正阶段，在这个阶段中尤其必要的是将电流注入电动机，同时保持转子不动。

文档JP 08 012206示出一种可调节电梯速度调节环的设备。不过该设备需要使用负载传感器来确定电梯轿厢的实际重量，以便可以自动调节速度调节环的比例增益。

发明内容

因此，本发明的目的是通过提供对速度控制环的比例增益和积分增益的估测来更容易且更简单地使用控制吊重电动机的可变速驱动器。这些增益只基于少量的被输入的用户参数来计算出来，不需要可以用来对速度调节环进行预先设定的电流注入步骤。有利的是，这种设置是离线实现的，也就是说该增益只基于被输入的参数计算一次，不需要在电梯工作过程中进一步调节增益作为负载的实际重量的函数。该方法因此简单而且经济，因为它不需要负载传感器。

而且，有利的是，所述被输入的参数都对应于应用中已知的物理幅值。由于这些物理幅值可以简单地识别出来，因此可以非常简单地由用户输入。本发明因此可以降低在吊重应用中可变速驱动器的使用的时间和成本，例如电梯类型。

为此，本发明记载一种设置控制连接到吊重负载的电动机的可变速驱动器的速度调节环的方法。该方法包含计算速度调节环的比例增益和积分增益的步骤，这些增益作为轿厢额定线性速度，电动机的额定旋转频率，电动机极对数以及负载总重量的函数。整个重量是预先确定的参数，而非通过传感器测量而得到。

根据一个特征，负载包括电梯轿厢，该负载的总重量成比例于电梯轿厢的额定容量、电梯轿厢的重量或电梯轿厢的对重的重量。有利的是，该方法因此不但考虑了电梯轿厢的重量，而且考虑了整个系统的总重量。

根据另一个特征，该方法也包含计算作为电动机的额定扭矩和电动机极对数的函数的电动机惯性的步骤，从而细化速度控制环的比例增益和积分增益的计算。

根据另一个特征，该方法也包含计算过滤速度测量的时间常量的步骤，作为电动机的额定扭矩和用来测量电动机转速的编码器的分辨率信息项的函数，从而改善速度调节环的正比增益和积分增益的计算。

本发明也涉及包含控制系统的可变速驱动器，其形成速度控制环并且设计成控制连接到吊重负载的电动机，可变速度驱动器的控制系统包含采用这种设置方法的计算模块。

附图说明

其他的特性和优势会出现在以下关于实施例的细节描述中，作为实例以及附图：

图1代表控制可变速度驱动器的系统的局部视图，该可变速度驱动器用来控制电动机，

图2示出根据本发明的简化的方块图，示出对速度控制环的比例增益K_P以及积分增益K_I的计算。

具体实施方式

参照图1，可变速驱动器包含用于控制电动机M的目的的控制系统。电动机M是同步或者异步电动机，被设计来驱动吊重类型的负载，例如电梯类型的应用。在本类型的应用中，负载(在图中没有显示)主要包括电梯轿厢，它的配重以及相关的缆线。

控制可变速度驱动器的系统包含构成速度调节环的速度调节器5。采用已知的方式，速度调节环5接收到源自于电动机M旋转的速度参考值V_ref与电动机M旋转的速度测量值V_mes之间的差值的设定点作为输入。速度调节器5使用比例增益K_P和积分增益K_I来构成速度调节环。速度调节器5的输出提供电动机扭矩电流的参考值Iq_ref。速度测量值V_mes例如由测量模块9提供。

可变速度驱动器的控制系统也形成电流调节环。为此，它包含调节扭矩的电流I_q的调节器6以及流量I_d的电流调节器7。扭矩电流调节器6接收源自于扭矩电流的参考值Iq_ref和扭矩电流的测量值Iq_mes之间的差值的设定点作为输入。电流调节器6和7的输出然后转换为可变的电流，由转换模块8送到电动机M的每一相。

图2呈现用于控制可变速驱动器的系统的不同计算模块的方块图，可以估测根据本发明的速度调节环的比例增益K_P和积分增益K_I。速度调节器5使用这些增益K_P以及K_I来构成速度调节环。

第一计算模块10的功能是确定被移动的负载的总重M_tot。第二计算模块20的功能是通过使用由第一模块10计算的总重M_tot来确定负载的惯性J_load。第三计算模块30的功能是通过使用由第二模块20计算的负载的惯性J_load来确定K_P和K_I。

可选择地，第三计算模块30可以使用由第四计算模块40计算的电动机的惯量值J_mot。相似地，第三计算模块30可以使用由第五计算模块50计算的带宽系数值(请看下面的详细内容)。

在电梯应用中，负载的惯性J_load考虑了当电梯轿厢装载有电梯的额定容量时电梯轿厢的惯性以及轿厢配重的惯性，不包括电动机的惯性。电梯缆线的惯性可以忽略。负载的惯性J_load基于以下的参数来计算：M_tot＝被移动的负载的总重量，F_nom＝电动机的额定旋转频率，P_N＝电动机的极对的数量，V_nom＝轿厢的额定的线性速度，通过以下的公式计算：

J_load＝M_tot*(V_nom*P_N/(2п*F_nom))²

电动机的额定旋转频率F_nom代表电动机转子的额定旋转频率。在同步电机中，电动机的额定旋转频率F_nom对应于定子的电能供给的频率。在异步电机中，电动机的额定旋转频率F_nom对应于定子的电能供给的频率乘以小于1的滑动(slippage)系数。该滑动系数对于电机工作的额定点来说可以被认为是固定的。

根据通过第一简化的实施例，吊重电动机的惯性J_mot被选为一个固定的值，该值在没有用户干预的情况下在可变速驱动器中预先被确定。应用的总惯性J_tot然后由以下的方式确定：

J_tot＝J_mot+J_load＝J_mot+M_tot*(V_nom*P_N/(2п*F_nom))²

第三模块30然后计算速度调节环的比例增益K_P和积分增益K_I。第三模决30使用了以下的公式：

K_P＝α*ξ*J_tot/P_N

K_I＝α²*J_tot/P_N

其中，α对应于速度调节环的带宽系数(有时叫做ω_BP)以及ξ对应于速度调节环的衰减系数(也叫稳定系数)。在第一实施例中，两个系数α和ξ的值均是固定的并且在可变速度驱动器中预先分别确定为α₀以及ξ₀。

设置速度调节环的方法因此包含计算增益K_P和K_I的步骤。有利的是，K_P和K_I作为下述的用户参数的函数单独地被计算出来：负载的额定线性速度V_nom，电动机的额定旋转频率F_nom，电动机的极对数P_N和被移动的负载的总重M_tot。参数F_nom，P_N和V_nom对应于特定应用中容易由用户确定的物理幅值，而整个重量M_tot对于用户来说比较难以确定。本发明因此也提供了对于总体重量M_tot的简单的估测。

被移动的负载的总重M_tot等于空轿厢的重量M_cab，轿厢配重的重量M_ctp以及与电梯轿厢的额定承载容量对应的重量M_load的总和，忽略电缆的重量。

M_tot＝M_cab+M_ctp+M_load

优选地，总重量M_tot正比于与给定的电梯容易被用户确定的物理幅值相对应的电梯轿厢的额定容量M_load。因此，通过仅仅输入轿厢的这一额定容量，第一模块10能够推算负载的总重M_tot。无区别地，轿厢的这一额定容量M_load也可以由用户基于最大的承载人数(例如，8个人)或者直接基于等同重量(例如，600kg，每个人平均重量为75kg)来输入。

相似地，总重量M_tot正比于空电梯轿厢的重量M_cab或者正比于电梯轿厢的配重的重量M_ctp。这两个参数也对应于在给定应用中由用户容易确定的物理幅值。计算规则如下使用：

-认为电梯是平衡的，因此，电梯配重M_ctp近似地等于空轿厢的重量M_cab，加上轿厢的额定容量M_load的一半，

-空轿厢的重量M_cab近似等于轿厢额定容量M_load，

-梯的缆线的重量可忽略。

给出：

$M_{\mathrm{tot}}\≅3.5*M_{\mathrm{load}}\mathrm{or}{M}_{\mathrm{tot}}\≅3.5*M_{\mathrm{cab}}\mathrm{or}{M}_{\mathrm{tot}}\≅2.33*M_{\mathrm{ctp}}$

总重量M_tot因此正比于三个物理幅值中的每一个，使得快速估算成为可能。用户可以选择为第一计算模块10输入这些物理幅值中的仅一个，来计算被移动的负载的总重量M_tot的估测值。

另一个相似的规则也当然可以用来估测整个重量M_tot。而且，如果使用者能够确定三个物理幅值的每一个：空轿厢的重量M_cab，配重的重量M_ctp以及轿厢的额定容量M_load，那么这三个物理幅值很明显地可以单独被输入，从而在第一模块10中更精确地计算总重M_tot。在任何情况下，可以发现总重M_tot是固定且预定的参数，不需要在电梯工作过程中由给出轿厢实际重量的传感器实时地测量，从而考虑的例如轿厢中的人数。

根据第二实施例，吊重电机的惯性J_mot不是固定且预先确定的，但是可以由第四计算模块40计算作为电动机极对数P_N和电机额定扭矩T_N的函数。为计算吊重电动机的惯性J_mot，用户因此必须输入额外的参数，也就是，电动机的额定扭矩T_N，该参数是容易输入的参数，因为其也对应于电动机的已知物理幅量。这一第二实施例可以改善该应用的总惯性的值J_tot以及因此细化增益K_P以及K_I的计算。在第四模块40中，电动机的惯性J_mot计算为等于：

J_mot＝J₀*(T_N/T₀)^1.5*P_N/2

在这里，T₀代表恒定基本扭矩，等于1N.m，以及J₀代表惯性的固定系数，这里选择为基本上等于10^-5kg.m².

第三实施例可以进一步细化增益K_P和K_I的计算。为此，该设置方法计算出带宽系数α的值α_cal，而取代预先确定的固定值α₀。为此，第五计算模块50计算时间常量T_filt，用于过滤由测量模块9执行的速度测量。这一时间常量T_filt介于最小值T_filtmin和最大值T_filtmax之间。

在这一被测量的情况下，最小值T_filtmin基于用来测量电动机转速V_mes的编码器的分辨率N_S和电动机的额定扭矩T_N进行确定。例如，这一值T_filtmin选择为具有添加到额定扭矩T_N上的2％的最大噪声。而且，最大值T_filtmax通过对用于控制可变速驱动器的系统的稳定性进行限制来得以加强。

为了具有优化的设置，必须要确保T_filt等于T_filtmin，而T_filtmax保持大于或者等于T_filtmin。这些条件可以得到带宽系数α的计算值α_cal，等于：

α_cal＝((N_S*T_N)/(1000*п*J_tot))^1/2

而且，可以将α_cal包括在两个预先确定的最小和最大的极限值之间。

因此，为了计算带宽系数α的值α_cal，用户必须要输入额外的参数，也就是编码器的分辨率N_S，该值是容易输入的参数，因为其也对应于该应用的已知的物理幅值。

本发明因此通过使用预先确定的和已知的函数参数而不必须使用测量传感器来确定速度调节环的比例增益K_P和积分增益K_I。因此，该方法非常简单，因为增益K_P和K_I只需要离线地进行一次计算，也就是说，在电梯实际工作之前，因为增益不需要实时地重新计算或重新调节。

Claims (7)

1.一种设置用来控制连接到吊重负载的电动机(M)的可变速驱动器的速度调节环的方法，其特征在于，该方法包括计算速度调节环的比例增益(K_P)和积分增益(K_I)的步骤，所述比例增益和积分增益作为负载的额定线性速度(V_nom)，电动机的额定旋转频率(F_nom)，电动机极对数(P_N)以及负载总重量(M_tot)的函数，所述总重量(M_tot)是预先确定的参数，而不是通过传感器测量出来的。

2.如权利要求1所述的设置方法，其特征在于，负载包括电梯轿厢，负载的总重量(M_tot)成比例于电梯轿厢的额定容量。

3.如权利要求1所述的设置方法，其特征在于，负载包括电梯轿厢，负载的总重量(M_tot)成比例于电梯轿厢的重量。

4.如权利要求1所述的设置方法，其特征在于，负载包括电梯轿厢，负载的总重量(M_tot)成比例于电梯轿厢的配重的重量。

5.如前述任一权利要求所述的设置方法，其特征在于，该方法也包括计算电动机惯性(J_mot)作为电动机的额定扭矩(T_N)和电动机极对数(P_N)的函数的步骤，从而改善速度调节环的比例增益(K_P)和积分增益(K_I)的计算。

6.如前述任一权利要求所述的设置方法，其特征在于，该方法也包括计算速度调节环的带宽系数作为电动机的额定扭矩(T_N)和测量电动机速度的编码器的分辨率(N_s)的函数的步骤，从而改善速度调节环的比例增益(K_P)和积分增益(K_I)的计算。

7.一种包含控制系统的可变速驱动器，其形成速度调节环并且设计用来控制连接到吊重负荷的电动机，其特征在于，所述可变速驱动器的控制系统包括使用如前述任一权利要求所述的设置速度调节环的方法的计算模块(10，20，30，40，50)。

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