CN102739148B - 一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法，包括：速度/悬停联动控制模块和转子磁场定向矢量控制模块，速度/悬停联动控制模块向电流控制环节输出给定转矩信号，频率控制环节向速度/悬停联动控制模块输出转子的频率信号；电流控制环节根据速度/悬停联动控制模块输出的给定转矩信号和频率控制环节输出的转子磁链角度信号，经过计算向脉冲调制环节输出励磁电压和转矩电压；脉冲调制环节根据电流控制环节输出的励磁电压和转矩电压，以及频率控制环节输出的转子磁链角度信号，对外输出调制脉冲信号。本发明解决了在变频驱动提升类负载无位置编码器情况下实现长时间的悬停，并实现速度控制和悬停控制的无冲击切换的技术问题。

Description

一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种无位置编码器悬停控制装置及其方法，尤其是涉及一种应用于变频驱动提升类负载的无位置编码器悬停控制装置及其方法。

背景技术

用变频器驱动电机提升、下放和移动重物的时候不仅需要精确的速度控制，在某些场合还需要在机械制动装置不抱闸的情况下具备长时间将重物悬吊在空中保持位置不动的能力。一般的做法是在需要悬停时向电机注入直流电流，产生一个较大的静止磁场，通过直流制动方式使重物保持静止，但这种方式耐冲击能力差，对于负载冲击导致的位置漂移没有自动修正能力，且异步电机长时间的注入直流电流也会对电机造成不利影响。在很多只有速度传感器没有位置传感器的异步电机使用场合，需要精确速度控制的同时还需具备长时间可靠悬停的能力(如油田钻机的绞车负载)。

发明内容

本发明的目的是提供一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法，该装置及其方法解决了在变频驱动提升类负载无位置编码器情况下实现长时间的悬停，并实现速度控制和悬停控制的无冲击切换的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置的技术实现方案，一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，包括：速度/悬停联动控制模块和转子磁场定向矢量控制模块，转子磁场定向矢量控制模块包括电流控制环节、频率控制环节和脉冲调制环节。速度/悬停联动控制模块分别与电流控制环节和频率控制环节相连，速度/悬停联动控制模块向电流控制环节输出给定转矩信号，频率控制环节向速度/悬停联动控制模块输出转子的频率信号。电流控制环节分别与频率控制环节和脉冲调制环节相连，电流控制环节根据速度/悬停联动控制模块输出的给定转矩信号和频率控制环节输出的转子磁链角度信号，经过计算向脉冲调制环节输出励磁电压和转矩电压。来自电机的速度脉冲信号输入频率控制环节，频率控制环节与脉冲调制环节相连，脉冲调制环节根据电流控制环节输出的励磁电压和转矩电压，以及频率控制环节输出的转子磁链角度信号，对外输出调制脉冲信号。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，速度/悬停联动控制模块包括：转速/悬停选择环节、PI参数互传环节、悬停闭环控制环节、转速闭环控制环节、转子位置计算环节和转矩选择环节；转速/悬停选择环节分别与悬停闭环控制环节和转速闭环控制环节相连，当输入转速/悬停选择环节的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式；PI参数互传环节分别与悬停闭环控制环节和转速闭环控制环节相连，实现转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式切换时两个控制闭环PI参数的交换；转子位置计算环节与悬停闭环控制环节相连，转子位置计算环节通过对齿频率进行计数得到电机的转子的实际位置，并将电机的转子的实际位置信号输出至悬停闭环控制环节；转矩选择环节分别与转速/悬停选择环节、悬停闭环控制环节和转速闭环控制环节相连，转矩选择环节根据转速/悬停选择环节的输出信号，分别选择悬停闭环控制环节和转速闭环控制环节的输出信号作为给定转矩信号T。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，悬停闭环控制环节包括位置初始化环节、第三PI环节和第四PI环节，转子位置计算环节向第三PI环节输出电机的转子的实际位置信号，第三PI环节将经过位置初始化环节输出的目标位置信号与转子的实际位置信号的差值进行PI调节，产生悬停闭环控制的速度给定；第四PI环节将速度给定和实际速度的差值进行PI调节，产生需要的转矩指令信号T_ref2；转速闭环控制环节包括PI主环节，PI主环节对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，转子位置计算环节包括限幅环节和脉冲计数环节，来自电机的速度脉冲信号输入脉冲计数环节，经过脉冲计数环节计算得到转子的位置值，经过限幅环节对外输出转子的位置值。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，频率控制环节包括转子时间常数计算环节、转差频率计算环节、定子频率计算环节、积分环节和转速计算环节，转速计算环节检测电机的运行速度，得到实际的转子频率信号Wr，实际的转子频率信号Wr与转差频率计算环节输出的转差频率信号Ws1相加作为定子频率信号Ws，积分环节对定子频率信号Ws进行积分产生转子磁链角度信号θs，转子磁链角度信号θs作为电流控制环节和脉冲调制环节的坐标定向角度信号。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，电流控制环节包括给定计算环节、第一PI环节、第二PI环节、αβ-dq变换环节和abc-αβ变换环节，给定计算环节将频率控制环节输出的磁链信号Tr和速度/悬停联动控制模块输出的给定转矩信号变换为M-T坐标系下的给定电流信号im_ref和it_ref；实际的电机电流信号依次经过abc-αβ变换环节和αβ-dq变换环节进而得到实际的电流信号im和it；给定电流信号和实际的电流信号的差值信号分别经过第一PI环节和第二PI环节进行PI调节，输出励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置技术方案的进一步改进，脉冲调制环节包括dq-αβ反变换环节和脉宽调制环节，dq-αβ反变换环节根据频率控制环节输出的转子磁链角度信号θs，将电流控制环节输出的励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust转换为输入脉宽调制环节的电压信号Usa和Usb，脉宽调制环节根据电压采样环节环节输出的逆变器直流电压信号Ud，向逆变器输出调制脉冲。

本发明还另外具体提供了一种利用上述变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置实现变频驱动负载无位置编码器悬停控制的方法，该方法包括以下步骤：

S10：转子位置计算环节检测速度脉冲信号，并计算电机的转子位置，以及转子转速；

S20：转速/悬停选择环节通过判断速度给定和实际速度，进行转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式的选择，在切换控制方式时，通过PI参数互传环节进行两个控制闭环PI参数的互传；

S30：悬停闭环控制环节通过对位置信号进行闭环调节得到速度给定，再通过对速度信号进行闭环调节得到需要的转矩指令信号T_ref2；转速闭环控制环节通过对速度信号进行闭环调节得到转矩指令信号T_ref1；速度/悬停联动控制模块通过转速/悬停选择环节选择悬停闭环控制环节或转速闭环控制环节的输出作为给定转矩信号T；

S40：将速度/悬停联动控制模块输出的给定转矩信号T传入转子磁场定向矢量控制模块，通过对实际的励磁电流im和转矩电流it进行闭环调节得到励磁电压Usm和转矩电压Ust，并结合逆变器的直流电压进行脉冲调制，供给电机。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法技术方案的进一步改进，当输入转速/悬停选择环节的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法技术方案的进一步改进，步骤S30还进一步包括以下步骤：转速闭环控制环节通过对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1；悬停闭环控制环节通过对速度信号进行积分计算得到电机的实际位置，实际位置和给定位置的差值经过PI调节，获得速度给定，该速度给定和电机的实际速度的差值再进行PI调节，通过限幅后转换成为转矩指令信号T_ref2。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法技术方案的进一步改进，步骤S10中的转子位置计算过程还具体包括以下步骤：

S101：转子位置计算环节检测速度脉冲信号，当转子的旋转为正方向时，转子的位置值加1；当转子的旋转为反方向时，转子的位置值减1；

S102：对转子的位置值进行限幅，当转子的位置值大于上限时，转子的位置值变为0；当转子的位置值小于下限时，转子的位置值变为0；

S103：转子位置计算环节检测两个速度脉冲信号之间的时间差值△T，则速度脉冲频率为Fpulse＝1/△T，通过公式Wr＝Fpulse*pi*2/Gear计算得到实际的转子频率信号Wr；

式中，Fpulse为速度脉冲频率，Gear为速度编码器的齿数，pi为圆周率，Wr为转子频率信号，转子频率信号一般采用转子的机械角速度。

作为本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法技术方案的进一步改进，步骤S20中还具体包括以下步骤：

S201：转速/悬停选择环节判断速度给定和转子的实际速度，当速度给定大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式；当速度给定小于门槛速度N_1时，结合转子的实际速度进行判断，当转子的实际速度大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式，当转子的实际速度小于门槛速度N_1时，则选择悬停闭环控制方式；

S202：当从转速闭环控制方式切换到悬停闭环控制方式时，PI参数互传环节将在转速闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref1传送给悬停闭环控制环节，作为转矩的初始值；当从悬停闭环控制方式切换到转速闭环控制方式时，PI参数互传环节将在悬停闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref2传送给转速闭环控制环节，作为转矩的初始值。

通过实施上述本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法的技术方案，具有以下技术效果：

1、能使变频驱动提升类负载时，在无位置编码器的情况下实现长时间的悬停，并实现速度控制和悬停控制的无冲击切换。

2、仅通过使用速度传感器即可以实现提升类负载精确的速度控制和位置控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置一种具体实施方式速度/悬停联动控制模块的系统结构框图。

图2是本发明变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置一种具体实施方式的系统结构框图。

图3是本发明变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法一种具体实施方式的程序流程图。

图中：1-速度/悬停联动控制模块，2-电流控制环节，3-频率控制环节，4-脉冲调制环节，5-电压采样环节，6-逆变器，7-电机，11-转速/悬停选择环节，12-PI参数互传环节，13-悬停闭环控制环节，14-转速闭环控制环节，15-转子位置计算环节，16-转矩选择环节，21-给定计算环节，22-第一PI环节，23-第二PI环节，24-αβ-dq变换环节，25-abc-αβ变换环节，31-转子时间常数计算环节，32-转差频率计算环节，33-定子频率计算环节，34-积分环节，35-转速计算环节，41-dq-αβ反变换环节，42-脉宽调制环节，131-位置初始化环节，132-第三PI环节，133-第四PI环节，141-PI主环节，151-限幅环节，152-脉冲计数环节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图3所示，给出了本发明一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置的具体实施方式，包括：速度/悬停联动控制模块1和转子磁场定向矢量控制模块。如附图1中所示，速度/悬停联动控制模块1进一步包括：转速/悬停选择环节11、PI参数互传环节12、悬停闭环控制环节13、转速闭环控制环节14、转子位置计算环节15和转矩选择环节16。转速/悬停选择环节11分别与悬停闭环控制环节13和转速闭环控制环节14相连，当输入转速/悬停选择环节11的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节11的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式。PI参数互传环节12分别与悬停闭环控制环节13和转速闭环控制环节14相连，实现转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式切换时两个控制闭环PI参数的交换。转子位置计算环节15与悬停闭环控制环节13相连，转子位置计算环节15通过对齿频率进行计数得到电机7的转子的实际位置，并将电机7的转子的实际位置信号输出至悬停闭环控制环节13。转矩选择环节16分别与转速/悬停选择环节11、悬停闭环控制环节13和转速闭环控制环节14相连，转矩选择环节16根据转速/悬停选择环节11的输出信号，分别选择悬停闭环控制环节13和转速闭环控制环节14的输出信号作为给定转矩信号T。

悬停闭环控制环节13进一步包括位置初始化环节131、第三PI环节132和第四PI环节133，转子位置计算环节15向第三PI环节132输出电机7的转子的实际位置信号，第三PI环节132将位置初始化环节131输出的目标位置信号与转子的实际位置信号的差值进行PI调节，产生悬停闭环控制的速度给定。第四PI环节133将速度给定和实际速度的差值进行PI调节，产生需要的转矩指令信号T_ref2。转速闭环控制环节14包括PI主环节141，PI主环节141对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1。转速闭环控制环节14进一步包括PI主环节141。转子位置计算环节15进一步包括限幅环节151和脉冲计数环节152，来自电机7的速度脉冲信号和速度方向信号输入脉冲计数环节152，经过脉冲计数环节152计算得到转子的位置值，经过限幅环节151对外输出转子的位置值。

如图2所示的转子磁场定向矢量控制模块进一步包括电流控制环节2、频率控制环节3和脉冲调制环节4。速度/悬停联动控制模块1分别与电流控制环节2和频率控制环节3相连，速度/悬停联动控制模块1向电流控制环节2输出给定转矩信号，频率控制环节3向速度/悬停联动控制模块1输出转子的频率信号。电流控制环节2分别与频率控制环节3和脉冲调制环节4相连，电流控制环节2根据速度/悬停联动控制模块1输出的给定转矩信号和频率控制环节3输出的转子磁链角度信号，经过计算向脉冲调制环节4输出励磁电压和转矩电压。来自电机7的速度脉冲信号输入频率控制环节3，频率控制环节3与脉冲调制环节4相连，脉冲调制环节4根据电流控制环节2输出的励磁电压和转矩电压，以及频率控制环节3输出的转子磁链角度信号，对外输出调制脉冲信号。

频率控制环节3进一步包括转子时间常数计算环节31、转差频率计算环节32、定子频率计算环节33、积分环节34和转速计算环节35，转速计算环节35检测电机7的运行速度，得到实际的转子频率信号Wr，实际的转子频率信号Wr与转差频率计算环节32输出的转差频率信号Ws1相加作为定子频率信号Ws，积分环节34对定子频率信号Ws进行积分产生转子磁链角度信号θs，转子磁链角度信号θs作为电流控制环节2和脉冲调制环节4的坐标定向角度信号。

电流控制环节2进一步包括给定计算环节21、第一PI环节22、第二PI环节23、αβ-dq变换环节24和abc-αβ变换环节25，给定计算环节21将频率控制环节3输出的磁链信号Tr和速度/悬停联动控制模块1输出的给定转矩信号变换为M-T坐标系下的给定电流信号im_ref和it_ref。实际的电机电流信号依次经过abc-αβ变换环节25和αβ-dq变换环节24进而得到实际的电流信号im和it。给定电流信号和实际的电流信号的差值信号分别经过第一PI环节22和第二PI环节23进行PI调节，输出励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust。其中，ia、ib、ic分别为电机7的a相、b相和c相的电流。

脉冲调制环节4进一步包括dq-αβ反变换环节41和脉宽调制环节42，dq-αβ反变换环节41根据频率控制环节3输出的转子磁链角度信号θs，将电流控制环节2输出的励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust转换为输入脉宽调制环节42的电压信号Usa和Usb，脉宽调制环节42根据电压采样环节环节5输出的逆变器6直流电压信号Ud，向逆变器6输出调制脉冲。

在附图1和附图2中，输入至转子位置计算环节15的速度脉冲信号与输入至频率控制环节3的速度脉冲信号为同一信号。但是，转子位置计算环节15是根据速度脉冲和速度方向信号计算出变化的位置，而频率控制环节3则是输出角速度和相位。此外，变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置在悬停时才调用转子位置计算环节15和频率控制环节3，而在正常运行时只调用频率控制环节3。

如附图3所示，本发明还提供了一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法的具体实施方式，分为电机速度/悬停联动控制过程和转子磁场定向矢量控制过程两部分。

其中，电机速度/悬停联动控制过程由以下五个环节组成：转速/悬停选择环节11、PI参数互传环节12、悬停闭环控制环节13、转速闭环控制环节14和转子位置计算环节15。以上5个环节的具体实现方法如下：

1、转速/悬停选择环节11：当速度给定大于门槛速度(N_1)时，则选择转速闭环控制方式；当速度给定小于或等于门槛速度(N_1)，并且实际速度也小于门槛(N_1)时，则选择悬停闭环控制方式。

2、PI参数互传环节12：实现转速和悬停两种闭环控制方式切换时两个控制闭环的PI参数交换，这样可以避免工况切换时的转矩突变，具体实现方法如下:

(1)当电机7的速度给定小于N_1，并且实际速度也小于门槛(N_1)的时候，从转速闭环控制方式切入悬停闭环控制方式。此时控制装置需要初始化悬停闭环控制环节13的控制器参数：

初始化目标位置：取进入悬停闭环控制方式时，转子的位置值作为悬停闭环的目标位置；

初始化转矩环输出T_ref2：取转速闭环转矩输出作为初始化值。

(2)当电机7的速度给定大于N_1，从悬停闭环控制方式切入转速闭环控制方式。此时，控制装置需要初始化转速闭环控制环节14的控制器参数：

初始化PI输出(T_ref1)：取悬停闭环转矩输出为T_ref1初值。

3、悬停闭环控制环节13：通过两个PI调节器实现转矩输出，具体过程如下：

将目标位置和转子实际位置信号的差值做PI调节，产生悬停闭环控制的速度给定；将此速度给定和实际速度的差值做PI调节即可产生需要的转矩指令。

4、转速闭环控制环节14，具体过程如下：

将速度给定和实际速度的差值做PI调节，产生转速闭环控制时的转矩给定。

5、转子位置计算环节15：通过计数齿频率，计算实际位置，具体实现过程如下：

(1)利用硬件中断对速度脉冲计数，当速度方向为正方向时候，每来一个脉冲，将脉冲计数器加1；当速度方向为反方向时候，每来一个脉冲，将脉冲计数器减1；

(2)脉冲计数器的门槛值如下设置：±传感器齿数*旋转圈数。

传感器齿数由传感器决定，圈数可以任意选择，只要保证传感器齿数*旋转圈数不超过数据表示范围即可。当脉冲计数值大于正门槛值，则将计数器清0；当脉冲计数值小于负门槛值，也将计数器清0。

转子磁场定向矢量控制过程具体包括频率控制环节、电流控制环节和SVPWM脉冲调制环节，以上3个环节具体实现方法如下：

1、频率控制环节3检测电机7的运行速度，转子频率信号Wr经处理后乘以电机7的极对数Pn，与转差频率信号Ws1相加作为定子频率信号Ws，对定子频率信号Ws进行积分得到转子磁链角度信号θs。转子磁链角度信号θs作为电流控制环节2，以及脉冲调制环节4的坐标定向角度信号。

2、电流控制环节2将磁链信号Tr，给定转矩信号T经过变换成为M-T坐标系下的励磁电流给定im_ref和转矩电流给定it_ref；实际的电机电流经过坐标变换得到实际的励磁电流im和转矩电流it；给定电流和实际电流经过PI调节器，输出励磁电压Usm和转矩电压Ust两个电压分量。其中，电流转换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{it}\\ \mathrm{im}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θs}& \cos (\mathrm{\θs}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θs}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})\\ \sin \mathrm{\θs}& \sin (\mathrm{\θs}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \sin (\mathrm{\θs}-\frac{4}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}\mathrm{ia}\\ \mathrm{ib}\\ \mathrm{ic}\end{array}\right)---\left(1\right)$

3、脉冲调制环节4取电流控制环节2输出的两个电压分量，励磁电压Usm和转矩电压Ust，频率控制环节3输出的转子磁链角度信号θs作为坐标定向角度转换为脉冲调制环节4的输入电压信号Usa和Usb；同时取逆变器6的直流电压，决定输出的调制脉冲，电压转换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Usa}\\ \mathrm{Usb}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θs}& -\sin \mathrm{\θs}\\ \sin \mathrm{\θs}& \cos \mathrm{\θs}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Usm}\\ \mathrm{Ust}\end{array}\right]---\left(2\right)$

电机速度/悬停联动控制模块1输出的给定转矩信号作为转子磁场定向矢量控制模块的转矩输入。电流矢量控制模块采用的两个给定量，励磁电流给定im_ref和转矩电流给定it_ref由磁链给定MFn，给定转矩信号T及电机参数决定。计算方法见式3和式4。

im_ref＝MFn/Lm；      (3)

it_ref＝(T*Lr)/(MFn*Pn*Lm)      (4)

式中，im_ref为励磁电流给定，it_ref为转矩电流给定，Pn为电机7的极对数，MFn为磁链给定，Lm为电机互感，Lr为电机转子电感，T为给定转矩信号。

如附图3所示，为本发明实施例所描述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法的程序流程图。变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法包括以下步骤：

S10：转子位置计算环节15检测来自电机7的速度脉冲信号，并计算电机7的转子位置，以及转子转速；

S20：转速/悬停选择环节11通过判断速度给定和实际速度(即为转子速度信号)，进行转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式选择，在切换控制方式时，通过PI参数互传环节12进行两个控制闭环PI参数的互传；

S30：悬停闭环控制环节13通过对位置信号进行闭环调节得到速度给定，再通过对速度信号进行闭环调节得到需要的转矩指令信号T_ref2；转速闭环控制环节14通过对速度信号进行闭环调节得到转矩指令信号T_ref1；速度/悬停联动控制模块1通过转速/悬停选择环节11选择悬停闭环控制环节13或转速闭环控制环节14的输出作为给定转矩信号T；

S40：将速度/悬停联动控制模块1输出的给定转矩信号T传入转子磁场定向矢量控制模块，通过对实际的励磁电流im和转矩电流it进行闭环调节得到励磁电压Usm和转矩电压Ust，并结合逆变器6的直流电压进行脉冲调制，供给电机7。

当输入转速/悬停选择环节11的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节11的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式。

在上述步骤S30中还进一步包括以下步骤：

转速闭环控制环节14通过对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1；悬停闭环控制环节13通过对速度信号进行积分计算得到电机7的实际位置，实际位置和给定位置的差值经过PI调节，获得速度给定，该速度给定和电机7的实际速度的差值再进行PI调节，通过限幅后转换成为转矩指令信号T_ref2。

在步骤S10中的转子位置计算过程进一步包括以下步骤：

S101：转子位置计算环节15检测来自电机7的速度脉冲信号，当转子的旋转为正方向时，转子的位置值加1；当转子的旋转为反方向时，转子的位置值减1；

S102：对转子的位置值进行限幅，当转子的位置值大于上限时，转子的位置值变为0；当转子的位置值小于下限时，转子的位置值变为0；

S103：转子位置计算环节15检测两个速度脉冲信号之间的时间差值△T，则速度脉冲频率为Fpulse＝1/△T，通过公式Wr＝Fpulse*pi*2/Gear计算得到实际的转子频率信号Wr；

式中，Fpulse为速度脉冲频率，Gear为速度编码器的齿数，pi为圆周率，近似为3.14159，Wr为转子频率信号，转子频率信号一般取转子的机械角速度，单位为弧度/秒。

步骤S20中还进一步包括以下步骤：

S201：转速/悬停选择环节11判断速度给定和转子的实际速度，当速度给定大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式；当速度给定小于门槛速度N_1时，结合转子的实际速度进行判断，当转子的实际速度大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式，当转子的实际速度小于门槛速度N_1时，则选择悬停闭环控制方式；

S202：当从转速闭环控制方式切换到悬停闭环控制方式时，PI参数互传环节12将在转速闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref1传送给悬停闭环控制环节13，作为转矩的初始值；当从悬停闭环控制方式切换到转速闭环控制方式时，PI参数互传环节12将在悬停闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref2传送给转速闭环控制环节14，作为转矩的初始值。转速闭环和悬停闭环的PI控制器在切换时需要进行初始化赋值的目的在于避免切换前后转矩发生突变。

转矩给定作为转子磁场定向的空间矢量控制输入，通过电流变换，电流PI调节及SVPWM调制最终实现调制电压的输出。

本发明只用速度传感器即可实现提升类负载精确的速度控制和位置控制，在速度大于门槛值时采用转速闭环控制方式，当速度给定及实际速度小于门槛值时采用悬停闭环控制方式，本发明公开了它们之间的切换条件及切换过程。控制装置主要由速度/悬停联动控制模块、转子磁链定向的电流矢量控制两个模块组成。速度/悬停联动控制模块在选择转速闭环控制时将速度给定及实际速度经过PI调节器变换成为转矩给定，在悬停闭环控制时将转子速度积分得到实际位置，并将实际位置及给定位置通过PI调节，形成速度给定，该速度给定和电机实际速度再进行PI调节，通过限幅后转换成为转矩给定。转矩给定作为转子磁链定向的电流空间矢量控制的输入，通过电流变换，电流PI调节及SVPWM调制最终实现调制电压的输出。本发明提供的具体实施例能使变频驱动提升类负载时，在无位置编码器的情况下实现长时间的悬停，并实现速度控制和悬停控制的无冲击切换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于，包括：速度/悬停联动控制模块(1)和转子磁场定向矢量控制模块，所述转子磁场定向矢量控制模块包括电流控制环节(2)、频率控制环节(3)和脉冲调制环节(4)；

所述速度/悬停联动控制模块(1)分别与电流控制环节(2)和频率控制环节(3)相连，所述速度/悬停联动控制模块(1)向电流控制环节(2)输出给定转矩信号，所述频率控制环节(3)向速度/悬停联动控制模块(1)输出转子的频率信号；

所述电流控制环节(2)分别与频率控制环节(3)和脉冲调制环节(4)相连，所述电流控制环节(2)根据速度/悬停联动控制模块(1)输出的给定转矩信号和频率控制环节(3)输出的转子磁链角度信号，经过计算向脉冲调制环节(4)输出励磁电压和转矩电压；

来自电机(7)的速度脉冲信号输入所述频率控制环节(3)，频率控制环节(3)与脉冲调制环节(4)相连，所述脉冲调制环节(4)根据电流控制环节(2)输出的励磁电压和转矩电压，以及频率控制环节(3)输出的转子磁链角度信号，对外输出调制脉冲信号；

所述速度/悬停联动控制模块(1)包括：转速/悬停选择环节(11)、PI参数互传环节(12)、悬停闭环控制环节(13)、转速闭环控制环节(14)、转子位置计算环节(15)和转矩选择环节(16)；

所述转速/悬停选择环节(11)分别与悬停闭环控制环节(13)和转速闭环控制环节(14)相连，当输入转速/悬停选择环节(11)的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节(11)的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式；

所述PI参数互传环节(12)分别与悬停闭环控制环节(13)和转速闭环控制环节(14)相连，实现转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式切换时两个控制闭环PI参数的交换；

所述转子位置计算环节(15)与悬停闭环控制环节(13)相连，转子位置计算环节(15)通过对齿频率进行计数得到电机(7)的转子的实际位置，并将电机(7)的转子的实际位置信号输出至悬停闭环控制环节(13)；

所述转矩选择环节(16)分别与转速/悬停选择环节(11)、悬停闭环控制环节(13)和转速闭环控制环节(14)相连，转矩选择环节(16)根据转速/悬停选择环节(11)的输出信号，分别选择悬停闭环控制环节(13)和转速闭环控制环节(14)的输出信号作为给定转矩信号T。

2.根据权利要求1所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于：所述悬停闭环控制环节(13)包括位置初始化环节(131)、第三PI环节(132)和第四PI环节(133)，转子位置计算环节(15)向第三PI环节(132)输出电机(7)的转子的实际位置信号，所述第三PI环节(132)将位置初始化环节(131)输出的目标位置信号与转子的实际位置信号的差值进行PI调节，产生悬停闭环控制的速度给定；所述第四PI环节(133)将所述速度给定和实际速度的差值进行PI调节，产生需要的转矩指令信号T_ref2；所述转速闭环控制环节(14)包括PI主环节(141)，所述PI主环节(141)对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1。

3.根据权利要求2所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于：所述转子位置计算环节(15)包括限幅环节(151)和脉冲计数环节(152)，速度脉冲信号输入所述脉冲计数环节(152)，脉冲计数环节(152)经过计算得到转子的位置值，经过限幅环节(151)对外输出转子的位置值。

4.根据权利要求3所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于：所述频率控制环节(3)包括转子时间常数计算环节(31)、转差频率计算环节(32)、定子频率计算环节(33)、积分环节(34)和转速计算环节(35)，所述转速计算环节(35)检测电机(7)的运行速度，得到实际的转子频率信号Wr，实际的转子频率信号Wr与转差频率计算环节(32)输出的转差频率信号Ws1相加作为定子频率信号Ws，所述积分环节(34)对定子频率信号Ws进行积分产生转子磁链角度信号θs，转子磁链角度信号θs作为电流控制环节(2)和脉冲调制环节(4)的坐标定向角度信号。

5.根据权利要求4所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于：所述电流控制环节(2)包括给定计算环节(21)、第一PI环节(22)、第二PI环节(23)、αβ-dq变换环节(24)和abc-αβ变换环节(25)，所述给定计算环节(21)将频率控制环节(3)输出的磁链信号Tr和速度/悬停联动控制模块(1)输出的给定转矩信号变换为M-T坐标系下的给定电流信号im_ref和it_ref；实际的电机电流信号依次经过abc-αβ变换环节(25)和αβ-dq变换环节(24)进而得到实际的电流信号im和it；给定电流信号和实际的电流信号的差值信号分别经过第一PI环节(22)和第二PI环节(23)进行PI调节，输出励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust。

6.根据权利要求5所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制装置，其特征在于：所述脉冲调制环节(4)包括dq-αβ反变换环节(41)和脉宽调制环节(42)，所述dq-αβ反变换环节(41)根据频率控制环节(3)输出的转子磁链角度信号θs，将电流控制环节(2)输出的励磁电压信号Usm和转矩电压信号Ust转换为输入脉宽调制环节(42)的电压信号Usa和Usb，所述脉宽调制环节(42)根据电压采样环节(5)输出的逆变器(6)直流电压信号Ud，向逆变器(6)输出调制脉冲。

7.一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S10：转子位置计算环节(15)检测速度脉冲信号，并计算电机(7)的转子位置，以及转子转速；

S20：转速/悬停选择环节(11)通过判断速度给定和实际速度，进行转速闭环控制方式和悬停闭环控制方式的选择，当速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式；在切换控制方式时，通过PI参数互传环节(12)进行两个控制闭环PI参数的互传；

S30：悬停闭环控制环节(13)通过对位置信号进行闭环调节得到速度给定，再通过对速度信号进行闭环调节得到需要的转矩指令信号T_ref2；转速闭环控制环节(14)通过对速度信号进行闭环调节得到转矩指令信号T_ref1；速度/悬停联动控制模块(1)通过转速/悬停选择环节(11)选择悬停闭环控制环节(13)或转速闭环控制环节(14)的输出作为给定转矩信号T；

S40：将速度/悬停联动控制模块(1)输出的给定转矩信号T传入转子磁场定向矢量控制模块，通过对实际的励磁电流im和转矩电流it进行闭环调节得到励磁电压Usm和转矩电压Ust，并结合逆变器(6)的直流电压进行脉冲调制，供给电机(7)。

8.根据权利要求7所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法，其特征在于：当输入转速/悬停选择环节(11)的速度给定大于门槛速度时，则选择转速闭环控制方式；当输入转速/悬停选择环节(11)的速度给定小于或等于门槛速度，并且实际速度也小于门槛速度时，则选择悬停闭环控制方式。

9.根据权利要求8所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法，其特征在于，所述步骤S30中还进一步包括以下步骤：

转速闭环控制环节(14)通过对速度给定和实际速度的差值进行PI调节得到转矩指令信号T_ref1；悬停闭环控制环节(13)通过对速度信号进行积分计算得到电机(7)的实际位置，实际位置和给定位置的差值经过PI调节，获得速度给定，该速度给定和电机(7)的实际速度的差值再进行PI调节，通过限幅后转换成为转矩指令信号T_ref2。

10.根据权利要求7、8、9中任一权利要求所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法，其特征在于，所述步骤S10中的转子位置计算过程还包括以下步骤：

S101：转子位置计算环节(15)检测速度脉冲信号，当转子的旋转为正方向时，转子的位置值加1；当转子的旋转为反方向时，转子的位置值减1；

S102：对转子的位置值进行限幅，当转子的位置值大于上限时，转子的位置值变为0；当转子的位置值小于下限时，转子的位置值变为0；

S103：转子位置计算环节(15)检测两个速度脉冲信号之间的时间差值△T，则速度脉冲频率为Fpulse＝1/△T，通过公式Wr＝Fpulse*pi*2/Gear计算得到实际的转子频率信号Wr；

式中，Fpulse为速度脉冲频率，Gear为速度编码器的齿数，pi为圆周率，Wr为转子频率信号。

11.根据权利要求10所述的一种变频驱动负载无位置编码器悬停控制方法，其特征在于，所述步骤S20中还具体包括以下步骤：

S201：转速/悬停选择环节(11)判断速度给定和转子的实际速度，当速度给定大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式；当速度给定小于门槛速度N_1时，结合转子的实际速度进行判断，当转子的实际速度大于或等于门槛速度N_1时，选择转速闭环控制方式，当转子的实际速度小于门槛速度N_1时，则选择悬停闭环控制方式；

S202：当从转速闭环控制方式切换到悬停闭环控制方式时，PI参数互传环节(12)将在转速闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref1传送给悬停闭环控制环节(13)，作为转矩的初始值；当从悬停闭环控制方式切换到转速闭环控制方式时，PI参数互传环节(12)将在悬停闭环控制方式中产生的转矩指令信号T_ref2传送给转速闭环控制环节(14)，作为转矩的初始值。