CN103078581A - 一种电惯量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电惯量控制系统包括电机、电机信号采集单元、变流器控制单元和控制器，所述控制器包括电机转速换算模块和电机转速控制模块。其利用交流电机的变压变频调速技术，通过测量交流电机三相电的电压和电流，计算电机磁链和电磁转矩，并采用在滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态来实现磁通和电磁转矩的分别控制。利用电机变频调速的频率信号，实现对电机转速的控制。通过对电机转速的控制，来模拟机械惯量，从而达到惯量可以动态调节，且惯量模拟级差小。

Description

一种电惯量控制系统

技术领域

本发明属于力学控制领域，具体来说为一种电惯量控制系统，特别是一种在试验台上实现机车电惯量控制的系统。 

背景技术

现有的惯量模拟技术主要有两种： 

1、纯机械方法：该方法利用飞轮的转动惯量来模拟原负载的平动或者转动惯量。飞轮是一种储藏能量的机械部件，角速度上升时吸收能量，在角速度下降时释放能量，这种方法虽然可以比较充分和准确地再现制动机构的工作状况，但是存在模拟级差、试验误差大的问题。 

2、电机输出力矩模拟惯量(简称电惯量)：电机在工作时能够将电能转换为机械能，因此电机也能够替代惯性飞轮模拟车的惯量。因此对电机进行控制，使得转轴制动速度曲线能够与原制动速度的吻合，就实现了惯量的电机模拟。电机模拟惯量已有以下两种方法： 

1)纯电机模拟，用电动机代替原有机械惯量模拟试验台的所有的机械惯量盘(飞轮)； 

2)电机与固定惯量盘相结合，用电动机和一个固定大飞轮来代替原有的机械惯量试验台的机械惯量盘(飞轮)。 

滚动试验台在进行动力学性能试验、牵引系统性能试验、轴/轮盘制动性能试验、综合性能试验时，尤其是测试机车起动、牵引和制动特性时，需要试验台能够模拟机车的机械惯性。目前广泛应用的是利用惯性飞轮来模拟大型机械装置的惯性。利用惯性飞轮模拟机械惯量存在以下缺点： 

a.惯性飞轮模拟机械惯量存在有模拟级差； 

b.试验过程中，无法动态调节惯量； 

c.进行不同的试验时，要拆卸或加装飞轮，增加了操作的复杂性，降 低了试验台的安全性。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种电惯量控制系统，其惯量可以动态调节，惯量模拟级差小。 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电惯量控制系统，包括电机、电机信号采集单元、变流器控制单元和控制器，其中， 

所述控制器包括电机转速换算模块和电机转速控制模块； 

所述电机转速换算模块根据预设的电惯量值和电机信号采样频率计算出欲设置的电机转速； 

所述电机转速控制模块以所述电机转速换算模块计算出的电机转速和所述电机信号采集单元采集到的电机转速的偏差作为输入，利用所述电机信号采集单元采集到的电机电流电压信号，计算电机磁链和电机电磁转矩，并根据计算出的电机转速和采集到的电机转速的偏差来得到欲设的电机电磁转矩和电机磁链，并将电机磁链转化为电机变频调速的频率信号，再将所述频率信号输入到变流器控制单元中，变流器控制单元将逆变的频率信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电惯量控制系统还包括上位机，与控制器连接，用于接收用户输入的电惯量预设值。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电惯量控制系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮和电机共同提供电惯量。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电机转速控制模块具体包括： 

转速调节器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到转矩滞环比较器； 

磁链控制器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到磁链滞环比较器； 

开关状态控制器，以转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输出为输 入，根据开关状态表查找的选择空间电压矢量，并转化为对逆变器的控制脉冲； 

逆变器，以开关状态控制器输出的控制脉冲为输入，输出逆变的控制脉冲信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述转矩滞环比较器和/或磁链滞环比较器采用bang-bang控制方式，用以控制电机定子磁链的幅值在预设误差半径的范围之内。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电机转速控制模块还包括： 

转矩仿真器，以采集到的电机三相电流信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到转矩滞环比较器； 

磁链仿真器，以采集到的电机三相电压信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到磁链滞环比较器。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电机转速控制模块还包括：扇区比较器，用于确定当前的磁链所在相平面的扇区，以磁链仿真器的输出为输入，输出到开关状态控制器。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电惯量控制系统还包括预测回路，采用闭环脉冲响应预测模型，以采集到的电机转速和预测模型预测的电机转速的偏差为输入，输出到控制器。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电惯量控制系统还包括校正回路，以系统延时和采集到的电机转速为输入，输出到控制器。 

在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述控制器为PLC或单片机。 

本发明所述的电惯量控制系统与现有技术不同的是，其包括电机、电机信号采集单元、变流器控制单元和控制器，所述控制器包括电机转速换算模块和电机转速控制模块；所述电机转速换算模块根据预设的电惯量值和电机信号采样频率计算出欲设置的电机转速；所述电机转速控制模块以所述电机转速换算模块计算出的电机转速和所述电机信号采集单元采集到的电机转速的偏差作为输入，利用所述电机信号采集单元采集到的电机 电流电压信号，计算电机磁链和电机电磁转矩，并根据计算出的电机转速和采集到的电机转速的偏差来得到欲设的电机电磁转矩和电机磁链，并将电机磁链转化为电机变频调速的频率信号，再将所述频率信号输入到变流器控制单元中，变流器控制单元将逆变的频率信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。所述电惯量控制系统；利用交流电机的变压变频调速技术，通过测量交流电机三相电的电压和电流，计算电机磁链和电磁转矩，并采用在滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态来实现磁通和电磁转矩的分别控制。利用电机变频调速的频率信号，实现对电机转速的控制。通过对电机转速的控制，来模拟机械惯量，从而达到惯量可以动态调节，且惯量模拟级差小。 

附图说明

图1为电惯量模拟示意图； 

图2为本发明所述电惯量控制系统的控制模块图； 

图3为本发明所述电惯量控制系统的转速控制模块的控制结构图； 

图4为本发明所述电惯量控制系统的控制结构图。 

图5为电模拟控制框图。 

具体实施方式

以下，用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。 

实施例 

先从理论上分析下，如何使电机输出的转速变化逼近于具有惯量的系统所输出的转速变化。如图1所示，以交流异步电机作为被控对象，图1(a)为有惯量盘I时的情形，为了使在没有惯量盘时候轴的运动特性能够跟图1(a)中的情况相同，需要利用轴上的电机输入与闸制动力矩相反的力矩，达到与惯量盘等效的效果。 

如前所述，当系统上加载有惯性飞轮时，制动力矩与飞轮惯量、转速 的关系可表达为：M=Lε 

$T_B=I\frac{{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_1}{t}=I\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}$ 或 $\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=\frac{T_B}{I}---1)$

式中T_B——制动力矩； 

ε——飞轮角减速度； 

I——飞轮惯量； 

ω₀——飞轮初始角速度； 

ω₁——飞轮在制动t时刻角速度； 

——飞轮瞬时减速度； 

由上式可知，当惯量I-定时，制动减速度与制动力矩有关。这里惯量I的存在是为了储存动能。如果用电机不断输出能量替代飞轮储存动能，而保持制动力矩T_B与减速度 

的关系不变，则可等效飞轮惯量的作用。电模拟过程可表达为： 

$T_B=T_M+I_O\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---2)$

式中T_B——制动力矩； 

T_M——电机在制动器制动时输出的力矩； 

I_O——系统机械惯量； 

ε——系统角减速度(机械模拟的飞轮减速度)； 

——系统瞬时减速度。 

将式1)代入式2)可得： 

$\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}=T_M/(I-I_0)---3)$

式中I——被模拟惯量，其数值同机械模拟惯量相同。 

式3)中I和I_O均为已知，因此，所谓电模拟就是通过控制电机的输出力矩T_M使被试制动器具有同机械模拟系统相同的减速度 在机械模拟系统关系式1)的 

中，T_B为制动力矩，是测量值，I为被模拟惯量，均为已知，因此 也就已知，可作为控制量。再看式3)： 

$T_M=(I-I_O)\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}$

可说明在电模拟系统中，电机输出力矩T_M，与 

的关系： 

当=I=I_O时，即模拟惯量等于系统机械惯量，即为机械模拟系统，电机不输出力矩； 

当 

时，T_M为负值，即电机输出制动力矩，力矩方向与旋转方向相反； 

当I>I₀时，T_M为正值，即电机输出驱动力矩；力矩方向与旋转方向相同。 

电模拟控制框图如图5所示： 

实际减速度 

可通过测量微小时间间隔内的角速度变化得到，即 

${\left(\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{s2}-{\mathrm{\ω}}_{s1}}{t_2-t_1}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{t2}-{\mathrm{\ω}}_{t1}}{\mathrm{\Δt}}$

式中ω₂——t₂时刻角速度； 

ω_s1——t₁时刻角速度； 

Δt——角速度采样时间隔 

采样速度Δt不但取决于计算机的计算速度，更决定于转速控制系统的响应速度。 

为使轴以计算的角加速度 

转动，即需采集当前的轴的转动速度 w(k)，并确定一个时间微元，Δt，将电机速度调整为： 

$w(k+1)=w\left(k\right)+\frac{\mathrm{dw}}{\mathrm{dt}}\×\mathrm{\Δt}---4)$

为达到在时间微元的时间范围内，将转速控制到w(k+1)。 

从上所述，该模拟系统即可转化为对电机的调速问题。 

如图2所示电惯量控制系统，包括电机、电机信号采集单元、变流器控制单元和控制器，其中，所述控制器包括电机转速换算模块和电机转速控制模块；所述电机转速换算模块根据预设的电惯量值和电机信号采样频率计算出欲设置的电机转速；所述电机转速控制模块以所述电机转速换算模块计算出的电机转速和所述电机信号采集单元采集到的电机转速的偏差作为输入，利用所述电机信号采集单元采集到的电机电流电压信号，计算电机磁链和电机电磁转矩，并根据计算出的电机转速和采集到的电机转速的偏差来得到欲设的电机电磁转矩和电机磁链，并将电机磁链转化为电机变频调速的频率信号，再将所述频率信号输入到变流器控制单元中，变流器控制单元将逆变的频率信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。 

其中，电机转速换算模块具体计算欲设置的电机转速方法如下： 

$\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_N/(I-I_0)$

ω=2πf 

n=60f/z 

式中T_N——电机在制动器制动时输出的力矩； 

I_O——系统机械惯量； 

I——设定的惯量； 

——系统瞬时减速度； 

ω——角速度； 

n——预设值的电机转速(转/分)； 

f——电源的频率； 

z——测速传感器的齿数。 

优选的是，所述电惯量控制系统还包括上位机，与控制器连接，用于接收用户输入的电惯量预设值。在所述的电惯量控制系统中，较好的是，所述电惯量控制系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮和电机共同提供电惯量。 

如图3所示，所述电机转速控制模块具体包括： 

转速调节器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到转矩滞环比较器； 

磁链控制器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到磁链滞环比较器； 

开关状态控制器，以转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输出为输入，根据开关状态表查找的选择空间电压矢量，并转化为对逆变器的控制脉冲； 

逆变器，以开关状态控制器输出的控制脉冲为输入，输出逆变的控制脉冲信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。 

其中转速调节器和磁链控制器一般采用PID调节器，PID调节器具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点。可加快对对转速和磁链的跟随作用，对外可近似等效为一阶惯性环节。但是传统的PID控制往往不能适应控制对象的参数变化和非线性特性，不能满足各种工况下的性能指标；由于PI调节器本身的特性，使得无论怎样整定参数，系统响应总存在一定的超调量；而且传统PID系统起动过程时间过长，甚至会出现振荡现象。 

因此也可以采用模糊自适应的方法去自动调节PID的整定参数，如采用神经网络控制方法，利用神经网络能够通过自身的学习过程了解系统的结构、参数、不确定性和非线性特性，经过神经网络进行在线的训练和学习，可以使转速调节器具有更强的适应性和鲁棒性。 

优选的是，所述转矩滞环比较器和/或磁链滞环比较器采用bang-bang控制方式，用以控制电机定子磁链的幅值在预设误差半径的范围之内。 

优选的是，所述电机转速控制模块还包括：转矩仿真器，以采集到的电机三相电流信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到转矩滞环比较器； 磁链仿真器，以采集到的电机三相电压信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到磁链滞环比较器。电机的转矩和磁链是采用电机采集到的三相电流电压信号换算得到。其换算过程需要先经历一个3/2坐标变化，再利用磁链模型和电磁模型得到。 

优选的是，所述电机转速控制模块还包括：扇区比较器，用于确定当前的磁链所在相平面的扇区，以磁链仿真器的输出为输入，输出到开关状态控制器。 

如图4所示，所述电惯量控制系统还包括预测回路和校正回路，采用闭环脉冲响应预测模型，以采集到的电机转速和预测模型预测的电机转速的偏差为输入，输出到控制器。所述校正回路，以系统延时和采集到的电机转速为输入，输出到控制器。在实际的实验台上，控制器向变流器控制单元发送控制指令和变流器控制单元向电机施加控制作用会存在一定的延迟，而且传感器数据反馈也会存在一定的延迟。如果不能很好的补偿时延，会影响系统的稳定性，使系统失去调节速率的作用，无法正确模拟系统的惯量。在实验台的控制闭环中加入预测预测回路，就可以减少系统时延对实验台的影响。校正回路能够防止模型误差，提高抗干扰能力。经实验证明，预测回路的输出能够提前τ，控制系统能够跟踪给定的目标值变动和克服系统中的外扰。 

以下采用线性二次型求解预测回路的预测模型： 

假设在设定值为零时，从预测控制的一步预测公式可以得到以下等式， 

y_m(k+1)-y_m(k)+(1-α)y_k=0 

已知 

经转换，代入上式可得： 

${\hat{h}}_{1}u\left(k\right)=[{\hat{h}}_1-{\hat{h}}_2-(1-\mathrm{\α})h_1]u(k-1)+\·\·\·$

$+[{\hat{h}}_{N-1}-{\hat{h}}_N-(1-\mathrm{\α})h_{N-1}]u(k-N+1)+$

$+[{\hat{h}}_N-(1-\mathrm{\α})h_N]u(k-N)$

设通过预测模型输出的预测值与系统实际输出值之间的误差为e(k)则： 

e(k)=y_p(k)-y_r(k)=y(k)-αy(k-1) 

将上式展开为： 

$e\left(k\right)=[h_1,h_2-\mathrm{\α}{h}_1,\·\·\·,h_N-\mathrm{\α}{h}_{N-1},-\mathrm{\α}{h}_N]\left[\begin{array}{c}u(k-1)\\ u(k-2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ u(k-N)\\ u(k-N-1)\end{array}\right]$

$=q^T\mathrm{\ξ}(k-1)$

其中q=[h₁，h₂-αh₁，…，h_N-αh_N-1，-αh_N]^T

$\mathrm{\ξ}(k-1)=\left[\begin{array}{c}u(k-1)\\ u(k-2)\\ \·\\ \·\\ \·\\ u(k-N)\\ u(k-N-1)\end{array}\right]$

考虑到ξ(k)-Hξ(k-1)=u(k) 

消去u(k)得到：ξ(k)=Hξ(k-1)+b[L^T|0]ξ(k-1) 

                   =Hξ(k-1)+bβ(k-1) 

b=[1，0，…，0]^T    其中 

$L=\frac{1}{h_1}{[{\hat{h}}_1+{\hat{h}}_2-(1-\mathrm{\α})h_1,\·\·\·{\hat{h}}_{N-1}+{\hat{h}}_N-(1-\mathrm{\α})h_{N-1},{\hat{h}}_N-(1-\mathrm{\α})h_N]}^T$

β(k-1)=[L^T|0]ξ(k-1) 

采用二次型最优目标确定预测模型参数，即令： 

$J=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{e}^2\left(j\right)=\frac{1}{2}\underset{1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\mathrm{\ξ}}^T\left(j\right){\mathrm{qq}}^T\mathrm{\ξ}\left(j\right)\right]$

将ξ(k)和q的公式代入，可得L关于二次型的 $\mathrm{\β}\left(k\right)=-\left[{\left(b^T\mathrm{Pb}\right)}^{-1}{b}^T\mathrm{PH}\right]\mathrm{\ξ}\left(k\right)=\hat{L}\mathrm{\ξ}\left(k\right)$ 最优解方程 

本发明所述的电惯量控制系统利用交流电机的变压变频调速技术，通过测量交流电机三相电的电压和电流，计算电机磁链和电磁转矩，并采用在滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态来实现磁通和电磁转矩的分别控制。利用电机变频调速的频率信号，实现对电机转速的控制。通过对电机转速的控制，来模拟机械惯量，从而达到惯量可以动态调节，且惯量模拟级差小。 

Claims (10)

1.一种电惯量控制系统，包括电机、电机信号采集单元、变流器控制单元和控制器，其特征在于：

所述控制器包括电机转速换算模块和电机转速控制模块；

所述电机转速换算模块根据预设的电惯量值和电机信号采样频率计算出欲设置的电机转速；

所述电机转速控制模块以所述电机转速换算模块计算出的电机转速和所述电机信号采集单元采集到的电机转速的偏差作为输入，利用所述电机信号采集单元采集到的电机电流电压信号，计算电机磁链和电机电磁转矩，并根据计算出的电机转速和采集到的电机转速的偏差来得到欲设的电机电磁转矩和电机磁链，并将电机磁链转化为电机变频调速的频率信号，再将所述频率信号输入到变流器控制单元中，变流器控制单元将逆变的频率信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。

2.根据权利1所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电惯量控制系统还包括上位机，与控制器连接，用于接收用户输入的电惯量预设值。

3.根据权利2所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电惯量控制系统还包括惯性飞轮，所述惯性飞轮和电机共同提供电惯量。

4.根据权利1至3中任一项所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电机转速控制模块具体包括：

转速调节器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到转矩滞环比较器；

磁链控制器，以采集到的电机转速为输入，采用PID或神经网络控制方法，其输出到磁链滞环比较器；

开关状态控制器，以转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的输出为输入，根据开关状态表查找的选择空间电压矢量，并转化为对逆变器的控制脉冲；

逆变器，以开关状态控制器输出的控制脉冲为输入，输出逆变的控制脉冲信号施加到电机上，实现对电机转速的控制。

5.根据权利4所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述转矩滞环比较器和/或磁链滞环比较器采用bang-bang控制方式，用以控制电机定子磁链的幅值在预设误差半径的范围之内。

6.根据权利4所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电机转速控制模块还包括：

转矩仿真器，以采集到的电机三相电流信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到转矩滞环比较器；

磁链仿真器，以采集到的电机三相电压信号经3/2坐标变化后值为输入，输出到磁链滞环比较器。

7.根据权利6所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电机转速控制模块还包括：扇区比较器，用于确定当前的磁链所在相平面的扇区，以磁链仿真器的输出为输入，输出到开关状态控制器。

8.根据权利1所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电惯量控制系统还包括预测回路，采用闭环脉冲响应预测模型，以采集到的电机转速和预测模型预测的电机转速的偏差为输入，输出到控制器。

9.根据权利1所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述电惯量控制系统还包括校正回路，以系统延时和采集到的电机转速为输入，输出到控制器。

10.根据权利1所述的电惯量控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC或单片机。

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