CN102651628A - 一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法及其电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法，包括：(1)信号采集单元采集电机转子转速信号，将转速信号通过带通滤波单元，提取出转子扭振分量信号；(2)将转子扭振分量信号经过超前滞后单元调节扭振信号的相位，得到与转子扭振分量信号反相位的电磁转矩分量信号；(3)调节增益放大单元的增益放大倍数，并经过限幅单元，将电磁转矩分量信号加入转速反馈点，产生与转子扭振信号反相位的电磁转矩分量，从而有效地抑制电机转子扭振和功率振荡。本发明不仅能够抑制转子发散性扭振，同时可以抑制转子扭振导致的功率振荡，并且信号采集简单方便。本发明具有结构简单，节省成本，调节参数少，易于实现等优点，具有较大的推广价值。

Description

一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法及其电路
技术领域
本发明涉及电机调速系统，具体涉及一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法及其电路。
背景技术
电机闭环调速系统一般是由电流内环和速度外环组成的双闭环调速系统，内环为电流调节器，实现对电磁转矩的快速控制，一般等效为一阶延时环节
Figure BDA0000159457800000011
外环为速度调节器，
一般采用PI调节器，速度反馈滤波环节等效为一阶延时环节
Figure BDA0000159457800000012
速度调节器输出作为电流调节器的输入。电机既可以是直流电动机也可以是交流电动机，既可以是同步电动机也可以是异步电动机。
在电机闭环调速系统的一些应用场合，特别是在桥吊起重机，轧机传动，矿井提升机和油田抽油机等场合，传动系统涉及传动轴，变速箱等设备，负荷可以等效为弹性轴加刚性负载，电机转子与负荷系统组成两质量块弹性系统，如图2和图3所示。由于弹性系统存在固有的振荡频率，如果振荡频率位于电机闭环调速系统负阻尼频段以内，将导致电机闭环调速系统出现转子扭振，在电网线路上表现为发散性的功率振荡，严重时甚至会损坏传动系统。
目前针对电动机闭环调速驱动弹性负荷的系统中存在的扭振现象，普遍采用陷波器和负荷观测器进行抑制，陷波滤波器属于被动抑制方法，效果有限，负荷观测器方法并没有指出对于发散性扭振是否具有抑制效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法其电路，解决桥吊起重机，轧机传动，矿井提升机，油田抽油机等应用场合普遍存在的转子扭振和功率振荡的问题，本发明不仅能够抑制转子发散性扭振，同时可以抑制转子扭振导致的功率振荡，只需要采集电机转子转速信号或者电机功率信号，信号采集简单方便。
本发明提供的一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)信号采集单元采集电机转子转速信号，将所述转速信号通过带通滤波单元，提取出转子扭振分量信号；
(2)将所述转子扭振分量信号经过超前滞后单元调节扭振信号的相位，得到与所述转子扭振分量信号反相位的电磁转矩分量信号；
(3)调节增益放大单元的增益放大倍数，并经过限幅单元，将所述电磁转矩分量信号加入转速反馈点。
其中，所述信号采集单元采集的信号包括电机转子转速与电机功率的组合信号、电机转子转速信号或电机功率信号。
其中，所述增益放大单元和限幅单元的参数设定的步骤：求出系统振荡的临界增益，放大倍数为所述临界增益的1/3，限幅单元的上下限幅值为所述临界增益幅值的±1％
其中，所述超前滞后单元的二阶超前滞后传递函数为
Figure BDA0000159457800000021
其中Ta，Tb，Tc，Td为时间常数。
其中，所述带通滤波单元的通带频段是根据电机闭环调速驱动弹性负荷系统固有扭振频率设计通带频段的中心频率f0，通带频段设在(0.9f0，1.1f0)之间，其滤除输入信号的其他频段，提取出对应的转子扭振分量信号。
其中，所述时间常数Ta和时间常数Tb的设定步骤为：测量在转子固有扭振频率下整个速度闭环系统的相位偏移δ1，调节超前滞后单元的时间常数调节转子扭振信号的相位δ2，保证δ1+δ2＝π，使输出的所述电磁转矩分量信号与所述电机转子扭振信号反相位。
其中，所述时间常数Tc和时间常数Td的设定步骤为：
a：所述相位偏移δ1位于[0，π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行超前调整；
b：所述相位偏移δ1位于(π，2π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行滞后调整；
本发明基于另一目的提供的一种抑制电机闭环调速系统转子扭振方法的电路，电机闭环调速系统为电流内环和速度外环组成的双闭环调速系统；其改进之处在于，所述电路包括依次串联的信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元；转速反馈信号与转速反馈信号依次通过信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元的信号求取差值，作为转速差值信号反馈回系统。
其中，所述信号采集单元采集的信号包括电机转子转速与电机功率的组合信号、电机转子转速信号或电机功率信号。
其中，所述带通滤波单元包括带通滤波器。
其中，所述增益放大单元和限幅单元的参数设定的步骤：求出系统振荡的临界增益，放大倍数为所述临界增益的1/3，限幅单元的上下限幅值为所述临界增益幅值的±1％其中，所述超前滞后单元的二阶超前滞后传递函数为
Figure BDA0000159457800000031
其中Ta，Tb，Tc，Td为时间常数。
其中，所述信号采集单元包括光电编码器。
14、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述带通滤波器的通带频段是根据电机闭环调速驱动弹性负荷系统固有扭振频率设计通带频段的中心频率f0，通带频段设在(0.9f0，1.1f0)之间，其滤除输入信号的其他频段，提取出对应的转子扭振分量信号。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明不仅能够抑制转子发散性扭振，同时可以抑制转子扭振导致的功率振荡，只需要采集电机转子转速信号或者电机功率信号，信号采集简单方便。
本发明的调节过程为一个简单的闭环负反馈调节过程，可以作为抑制转子扭振和功率振荡的控制算法，很方便添加到电机控制系统中。
本发明特别是应用于电机闭环调速系统驱动弹性负荷的场合，可以抑制电机转子扭振和功率振荡，实现系统稳定运行。
本发明具有结构简单，节省成本，调节参数少，易于实现等优点，具有较大的推广价值。
附图说明
图1为抑制电机闭环调速系统转子扭振方法结构框图；
图2为弹性负荷模型示意图；
图3为弹性负荷模型的结构框图；
图4为闭环调速系统驱动弹性负荷的系统结构框图；
图5为采用该方法的闭环调速系统驱动弹性负荷的系统结构框图；
图6为未采用本发明转速阶跃对应的转速波形；
图7为采用本发明转速阶跃对应的转速波形；
图8为未采用本发明转速阶跃对应的功率波形；
图9为采用本发明转速阶跃对应的功率波形；
图10为未采用本发明加负载对应的转速波形；
图11为采用本发明加负载对应的转速波形；
图12为未采用本发明加负载对应的功率波形；
图13为采用本发明加负载对应的功率波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
电机闭环调速系统为电流内环和速度外环组成的双闭环调速系统，其示意图如图4所示。
本实施例的一种抑制电机闭环调速系统转子扭振方法的电路，如图1所示，所述电路包括依次串联的信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元；转速反馈信号与转速反馈信号依次通过信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元的信号求取差值，作为转速差值信号反馈回系统。其总的电路图如图5所示。
对上述电路的控制方法，包括如下步骤：
(1)信号采集单元采集电机转子转速信号，将所述转速信号通过带通滤波单元，提取出转子扭振分量信号；
(2)将所述转子扭振分量信号经过超前滞后单元调节扭振信号的相位，得到与所述转子扭振分量信号反相位的电磁转矩分量信号；
(3)调节增益放大单元的增益放大倍数，并经过限幅单元，将所述电磁转矩分量信号加入转速反馈点。
其中：
信号采集单元一般采用光电编码器采集电机转子转速信号，转子扭振时在电机功率中也存在响应的振荡信号，如果转子扭振信号比较微弱，还可以从电动机功率信号中提取振荡信号。所以信号采集单元采集的信号包括电机转子转速与电机功率的组合信号、电机转子转速信号或电机功率信号。
带通滤波单元的作用是从输入信号中提取出扭振频率。带通滤波单元可为带通滤波器。因此带通滤波器的通带频段需要根据实际电机闭环调速驱动弹性负荷系统中存在的固有扭振频率确定，通带频段的中心频率f0，通带频段设在(0.9f0，1.1f0)之间，其滤除输入信号的其他频段，提取出对应的转子扭振分量信号。
超前滞后单元的作用是调整转子扭振信号的相位，一般设置为二阶超前滞后传递函数
Figure BDA0000159457800000051
其中Ta，Tb，Tc，Td为待调整的时间常数。通过调整Ta，Tb，Tc，Td的数值来调整转子扭振信号的相位，从而调整输出电磁转矩分量的相位，保证输出的电磁转矩分量与转子扭振信号反相位。具体的，二阶超前滞后传递函数的时间常数整定，根据转子固有扭振频率，首先测量在该频率下整个速度闭环系统的相位偏移δ1，然后调节超前滞后单元的时间常数来调节转子扭振信号的相位δ2，保证δ1+δ2＝π，使输出的电磁转矩分量与转子扭振信号反相位，一般取Ta＝0.2，Tc＝0.2，对于Tb，Td的取值一般分两种情况进行整定：
a：相位偏移δ1位于[0，π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行超前调整，Tb∈(0，0.2)，Td∈(0，0.2)；
b：相位偏移δ1位于(π，2π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行滞后调整，Tb∈(02，+∝)，Td∈(02，+∝)；
对于δ1＝π的特殊情况，时间常数Ta，Tb，Tc，Td则全部置零。
增益放大单元和限幅单元的作用是保证参数适中，保证该方法在抑制转子扭振的同时不对电机动态调节性能产生反面效果，增益放大倍数过小抑制扭振效果有限，增益放大倍数过小则会激发扭振，在增益放大倍数调试过程中，逐渐增大增益放大倍数，使系统最终出现等幅振荡时，此时的增益放大倍数定义为临界增益，一般整定增益放大倍数为临界增益的1/3，限幅单元的上下限幅值一般整定为转子转速反馈值的±1％。
将本实施例应用在实际中，具体实现步骤为：(1)采集电机转子转速信号，通过带通滤波器，滤波器采用4阶Butterworth带通滤波器，虑得18.5赫兹的转子扭振分量；(2)将转子扭振信号经过超前滞后单元
Figure BDA0000159457800000052
整定时间常数Ta＝0.2，Tb＝0.14，Tc＝0.2，Td＝0.03，使输出电磁转矩分量与转子扭振信号保持反相位；(3)调节增益放大倍数K＝0.6，并经过限幅单元，调整限幅单元的上下限为umax＝10％，umin＝-10％，将其加入转速反馈点，产生与转速同相位的电磁转矩分量，从而有效地抑制了转子扭振和功率振荡。
图5-图9分别为速度阶跃的转速和功率波形，图10-图13分别为负载阶跃的转速和功率波形，可以看出，未投入该抑制方法之前系统转速很功率呈现发散趋势，投入该抑制方法以后转速和功率收敛到正常值。由此说明本发明对系统稳定性有较大的改善作用。
需要说明的是，本发明也可通过软件模拟实现。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种抑制电机闭环调速系统转子扭振的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)信号采集单元采集电机转子转速信号，将所述转速信号通过带通滤波单元，提取出转子扭振分量信号；
(2)将所述转子扭振分量信号经过超前滞后单元调节扭振信号的相位，得到与所述转子扭振分量信号反相位的电磁转矩分量信号；
(3)调节增益放大单元的增益放大倍数，并经过限幅单元，将所述电磁转矩分量信号加入转速反馈点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号采集单元采集的信号包括电机转子转速与电机功率的组合信号、电机转子转速信号或电机功率信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增益放大单元和限幅单元的参数设定的步骤：求出系统振荡的临界增益，放大倍数为所述临界增益的1/3，限幅单元的上下限幅值为所述临界增益幅值的±1％
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超前滞后单元的二阶超前滞后传递函数为
Figure FDA0000159457790000011
其中Ta，Tb，Tc，Td为时间常数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述带通滤波单元的通带频段是根据电机闭环调速驱动弹性负荷系统固有扭振频率设计通带频段的中心频率f0，通带频段设在(0.9f0，1.1f0)之间，其滤除输入信号的其他频段，提取出对应的转子扭振分量信号。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时间常数Ta和时间常数Tb的设定步骤为：测量在转子固有扭振频率下整个速度闭环系统的相位偏移δ1，调节超前滞后单元的时间常数调节转子扭振信号的相位δ2，保证δ1+δ2＝π，使输出的所述电磁转矩分量信号与所述电机转子扭振信号反相位。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时间常数Tc和时间常数Td的设定步骤为：
a：所述相位偏移δ1位于[0，π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行超前调整；
b：所述相位偏移δ1位于(π，2π)区间内，则对二阶超前滞后传递函数的相位进行滞后调整；
8.一种抑制电机闭环调速系统转子扭振方法的电路，电机闭环调速系统为电流内环和速度外环组成的双闭环调速系统；其特征在于，所述电路包括依次串联的信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元；转速反馈信号与转速反馈信号依次通过信号采集单元、带通滤波单元、超前滞后单元、增益放大单元和限幅单元的信号求取差值，作为转速差值信号反馈回系统。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述信号采集单元采集的信号包括电机转子转速与电机功率的组合信号、电机转子转速信号或电机功率信号。
10.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述带通滤波单元包括带通滤波器。
11.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述增益放大单元和限幅单元的参数设定的步骤：求出系统振荡的临界增益，放大倍数为所述临界增益的1/3，限幅单元的上下限幅值为所述临界增益幅值的±1％
12.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述超前滞后单元的二阶超前滞后传递函数为
Figure FDA0000159457790000021
其中Ta，Tb，Tc，Td为时间常数。
13.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述信号采集单元包括光电编码器。
14.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述带通滤波器的通带频段是根据电机闭环调速驱动弹性负荷系统固有扭振频率设计通带频段的中心频率f0，通带频段设在(0.9f0，1.1f0)之间，其滤除输入信号的其他频段，提取出对应的转子扭振分量信号。
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