CN103475301B - 一种交流电动机转速测量方法、转速控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电动机转速测量方法。本发明方法首先利用转速观测模型观测出交流电动机的转矩电流和观测转速；然后利用速度传感器获取交流电动机的测量转速，并以测量转速以及此前获得的交流电动机转速作为输入，利用PI调节器进行比例积分调节，得到输出量K，输出量K的初始值为预先设定的定值；以输出量K与转矩电流的乘积作为转速偏差，用观测转速减去转速偏差，得到最终的交流电动机转速。本发明还公开了一种交流电动机转速控制方法及控制系统，利用上述转速测量方法得到的交流电动机转速作为反馈转速，对交流电动机的转速进行闭环控制。相比现有技术，本发明能更准确地控制电动机的输出转速，同时提高了电动机转速控制系统的鲁棒性。

Description

一种交流电动机转速测量方法、转速控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种交流电动机控制方法，尤其涉及一种转速控制方法及控制系统，属于电机控制技术领域。

背景技术

在交流电动机的转速反馈控制中，现有方法一般分为两种：第一种通过转速传感器实际测量得到反馈转速，再根据转速指令和转速反馈经过闭环控制器调制出转矩指令，该转矩指令再经过逆变控制器调制输出电压、电流给交流电动机。第二种，无需转速传感器，通过电流传感器采样得到交流电动机的三相或者两相定子输入电流，通过转速观测模型（例如最常见的电流模型或者电压模型）观测得到电动机的反馈转速，再根据转速指令和转速反馈经过闭环控制器调制出转矩指令，该转矩指令再经过逆变控制器调制输出电压、电流给交流电动机。

第一种方法，由于编码器计算出的转速反馈信号采样频率较慢，采样时间一般在100ms左右，而在转速控制装置中转速指令采样频率快，采样时间一般为一个载波周期，一般在100～500us左右，所以在转速控制上的反馈转速滞后于实际的电动机转速，存在反馈转速的时延问题，使输出转矩指令不准确，该转矩指令经过逆变控制器调制出的输出电压、电流不准确，从而影响转速控制精度，而且该方法对转速传感器的依赖度过高，所以，一旦转速传感器损坏或者精度不高时，变频器的控制将出错，导致整个系统不稳定。第二种方法，受电动机参数影响较大，而且由于电动机工况的不同变化和环境的影响，电动机的定子电阻，转子电阻会随着电动机运行而变化，在高速方波模式下，由于输出电流，电压波形较差，电流解耦非常困难且精度不高，影响电动机转子转速计算精度，而转速计算不准确将直接导致输出转矩的准确性，因而不能准确控制电动机的转速，也无法发挥电动机的功率。

综上可知，现有交流电动机的转速控制方法，无论是采用第一种还是第二种方法，控制精度和可靠性都不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种交流电动机转速测量方法、转速控制方法及控制系统，对利用转速观测模型得到的观测转速与实际测量得到的测量转速进行数据融合，从而得到更准确的反馈转速，进而根据该反馈转速对交流电动机的转速进行闭环控制。

本发明具体采用以下技术方案：

一种交流电动机转速测量方法，首先利用转速观测模型观测出交流电动机的转矩电流和观测转速；然后利用速度传感器获取交流电动机的测量转速，并以所述测量转速以及此前获得的交流电动机转速作为输入，利用PI调节器进行比例积分调节，得到输出量K，输出量K的初始值为预先设定的定值；以输出量K与转矩电流的乘积作为转速偏差，用观测转速减去所述转速偏差，得到最终的交流电动机转速。。

优选地，所述此前获得的交流电动机转速为与所述测量转速的采样时间最接近的交流电动机转速。

一种交流电动机转速控制方法，以上述交流电动机转速测量方法得到的交流电动机转速作为反馈转速，对交流电动机的转速进行闭环控制。

一种交流电动机转速控制系统，包括转速反馈单元、闭环控制单元、逆变控制单元，转速反馈单元对交流电动机的转速进行测量并将转速测量结果反馈至闭环控制单元，闭环控制单元根据转速反馈单元所反馈的转速测量结果以及预设的转速指令调制出转矩指令，逆变控制单元根据该转矩指令调制输出相应的电压、电流至交流电动机，从而实现交流电动机转速的闭环控制；所述转速反馈单元包括：

转速观测模块，包括用于对所述交流电动机的电流和/或电压进行实时检测的检测模块，以及，用于根据检测模块检测到的电流和/或电压对交流电动机的转矩电流和转速进行观测的磁链—转速观测器；

转速传感器，用于对所述交流电动机的转速进行实际测量；

反馈转速计算模块，包括PI调节器和转速修正器，其中，PI调节器用于对此前获得的交流电动机转速和转速传感器输出的测量转速进行比例积分调节，得到输出量K；转速修正器以输出量K与转速观测模块输出的转矩电流的乘积作为转速偏差，用转速观测模块输出的观测转速减去所述转速偏差，得到最终的交流电动机转速并将其反馈至闭环控制单元。

优选地，所述PI调节器的输入端和转速修正器的输出端之间串联有信号采样速率匹配模块，用于从转速修正器所输出的一组交流电动机转速测量数据中选择与当前测量转速的采样时间最接近的数据输出至PI调节器。

本发明针对现有基于转速观测模型以及基于转速传感器的电动机转速控制技术的不足，将两者分别得到的反馈转速进行数据融合，从而得到更准确的反馈转速，进而根据该反馈转速对交流电动机的转速进行闭环控制。相比现有技术，本发明能够更加准确地控制电动机的输出转速，同时大大提高了电动机转速控制系统的鲁棒性。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明交流电动机转速控制系统的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是对利用转速观测模型得到的观测转速与实际测量得到的测量转速进行数据融合，从而得到更准确的反馈转速，进而根据该反馈转速对交流电动机的转速进行闭环控制。

图1显示了本发明交流电动机转速控制系统的结构原理。如图所示，该控制系统包括转速反馈单元、闭环控制单元、逆变控制单元，转速反馈单元对交流电动机的转速进行测量并将转速测量结果反馈至闭环控制单元，闭环控制单元根据转速反馈单元所反馈的转速测量结果以及预设的转速指令调制出转矩指令，逆变控制单元根据该转矩指令调制输出相应的电压、电流至交流电动机，从而实现交流电动机转速的闭环控制。现有技术中，转速反馈单元通常采用转速传感器实际测量得到的电动机测量转速，或者通过电流传感器采样得到交流电动机的三相或者两相定子输入电流，通过转速观测模型（例如最常见的电流模型或者电压模型）观测得到电动机的观测转速。本发明同时采用了这两种转速测量方式，并将两者的测量结果进行数据融合，从而得到更准确的反馈转速。本发明的转速反馈单元如图1所示，包括：转速观测模块、转速传感器、反馈转速计算模块；其中，转速观测模块包括用于对所述交流电动机的电流和/或电压进行实时检测的检测模块，以及用于根据检测模块检测到的电流和/或电压对交流电动机的转矩电流和转速进行观测的磁链—转速观测器。本发明中，检测模块可以是电流检测单元和/或电压检测单元，电流检测单元检测交流电动机的三相或者两相定子输入电流，电压检测单元检测交流电动机定子输入电压；磁链—转速观测器采用相应的现有观测模型（例如电流模型、电压模型等），根据检测模块检测到的电流和/或电压对交流电动机的转矩电流和转速进行观测，得到转矩电流Ist和观测转速ω_obv。本具体实施例中安装于电动机侧的转速传感器采用PG速度传感器，对电动机的转速进行实时检测，其输出的测量转速记为ω_rPG。作为本发明核心部分的反馈转速计算模块，其作用是对观测转速ω_obv和测量转速ω_rPG进行数据融合，输出更准确的反馈转速。如图1所示，反馈转速计算模块包括PI调节器、转速修正器，PI调节器用于对此前获得的反馈速度ω_fbk和转速传感器输出的测量转速ω_rPG进行比例积分调节，得到一个输出量K；转速修正器首先用输出量K与转速观测模块输出的转矩电流Ist相乘，乘积Ws作为转速偏差，然后用观测转速ω_obv减去转速偏差Ws，得到最终的反馈速度ω_fbk。上述过程是一个循环迭代的过程，因此需要预先设定输出量K在初始阶段的值为一个定值。由于PG速度传感器的采样周期为100ms，而观测转速的采样时间通常为一个载波周期，一般为100～500us左右，这两种速度采样时延相差比较大，为了消除采样时延差距对最终转速测量结果的影响，本具体实施方式中进一步地在PI调节器和转速修正器之间设置了信号采样速率匹配模块，用于持续接收转速修正器每个周期计算得到的反馈速度ω_fbk（其计算周期与观测转速的采样周期相同）并不断更新，信号采样速率匹配模块中始终保存着最新的反馈速度ω_fbk；当PI调节器接收到速度传感器所输出的测量转速ω_rPG时，信号采样速率匹配模块将当前所保存的反馈速度（即与当前测量转速ω_rPG的采样时间最接近的反馈速度，为区别起见，用ω_fbk^*表示）输出至PI调节器，PI调节器对ω_fbk^*和测量转速ω_rPG进行比例积分调节，输出一个输出量K，转速修正器再利用输出量K与转矩电流Ist以及观测转速ω_obv计算得到新的反馈速度。如此循环，即可输出与观测转速的采样周期相同的反馈转速，且输出的反馈转速更准确。

上述交流电动机转速控制系统对电动机转速进行控制的流程具体如下：

步骤1、电流检测单元检测交流电动机的三相（或者两相）定子输入电流I_A、I_B、I_C，通过电压霍尔采样或者通过逆变控制单元中开关管的开通、关断时间与母线电压计算得到定子输入电压U_A、U_B、U_C；

步骤2、磁链—转速观测器将检测到的定子输入电流I_A、I_B、I_C和定子输入电压U_A、U_B、U_C根据clark变换：

$\left[\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\\ I_C\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& 0& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\\ I_o\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{U}_A\\ U_B\\ U_C\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& 0& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\\ U_o\end{array}\right]$

求出静止坐标系的两相电压U_α、U_β及两相电流I_α、I_β，其中I_ο为零序电流。利用静止坐标系的两相电压U_α、U_β及两相电流I_α、I_β可以计算出磁链和磁链角，并估计出电动机的转子速度ω_obv，把检测到的定子输入电流I_A、I_B、I_C通过clark变换和park变换与磁链角的计算得到转矩电流Ist。其变换公式为：

其中为磁链角，I_sm为励磁电流；

然后将观测得到的观测转速ω_obv、转矩电流Ist传输至反馈转速计算模块中的转速修正器。

利用磁链—转速观测器观测电动机的转速及转矩电流为现有技术，更详细内容可参见文献（电子工业出版社出版，《电力拖动控制系统（运动控制系统）》，P212-214页）。步骤3、电动机侧的PG速度传感器采样得到电动机的测量转速ω_rPG，并将其输出至反馈转速计算模块中的PI调节器。

步骤4、信号采样速率匹配模块将所存储的与当前反馈转速计算模块收到的测量转速ω_rPG的采样时间最接近的反馈转速ω_fbk^*传输至反馈转速计算模块中的PI调节器。

步骤5、反馈转速计算模块中的PI调节器对接收到的反馈转速ω_fbk^*和测量转速ω_rPG进行比例积分调节，得到一个输出量K，并将K输出至转速修正器；转速修正器首先用输出量K与接收到的转矩电流Ist相乘，乘积Ws作为转速偏差，然后用观测转速ω_obv减去转速偏差Ws，即得到当前周期的反馈速度ω_fbk。

步骤5、闭环控制单元根据预先设定的速度指令ω_ref和反馈转速计算模块输出的反馈速度ω_fbk输出转矩信号，逆变控制单元根据该转矩信号输出相应的电流或电压到交流电动机。

上述过程重复进行即可完成交流电动机的转速闭环控制。

Claims (5)

1.一种交流电动机转速测量方法，其特征在于，首先利用转速观测模型观测出交流电动机的转矩电流和观测转速；然后利用速度传感器获取交流电动机的测量转速，并以所述测量转速以及此前获得的交流电动机转速作为输入，利用PI调节器进行比例积分调节，得到输出量K；以输出量K与转矩电流的乘积作为转速偏差，用观测转速减去所述转速偏差，得到最终的交流电动机转速；上述过程是一个循环迭代的过程，输出量K的初始值为预先设定的定值。

2.如权利要求1所述交流电动机转速测量方法，其特征在于，所述此前获得的交流电动机转速为与所述测量转速的采样时间最接近的交流电动机转速。

3.一种交流电动机转速控制方法，其特征在于，以权利要求1或2所述方法测量得到的交流电动机转速作为反馈转速，对交流电动机的转速进行闭环控制。

4.一种交流电动机转速控制系统，包括转速反馈单元、闭环控制单元、逆变控制单元，转速反馈单元对交流电动机的转速进行测量并将交流电动机转速反馈至闭环控制单元，闭环控制单元根据转速反馈单元所反馈的交流电动机转速以及预设的转速指令调制出转矩指令，逆变控制单元根据该转矩指令调制输出相应的电压、电流至交流电动机，从而实现交流电动机转速的闭环控制；其特征在于，所述转速反馈单元包括：

转速观测模块，包括用于对所述交流电动机的电流和/或电压进行实时检测的检测模块，以及，用于根据检测模块检测到的电流和/或电压对交流电动机的转矩电流和转速进行观测的磁链—转速观测器；

转速传感器，用于对所述交流电动机的转速进行实际测量；

反馈转速计算模块，包括PI调节器和转速修正器，其中，PI调节器用于对此前获得的交流电动机转速和转速传感器输出的测量转速进行比例积分调节，得到输出量K；转速修正器以输出量K与转速观测模块输出的转矩电流的乘积作为转速偏差，用转速观测模块输出的观测转速减去所述转速偏差，得到最终的交流电动机转速并将其反馈至闭环控制单元；上述过程是一个循环迭代的过程，输出量K的初始值为预先设定的定值。

5.如权利要求4所述交流电动机转速控制系统，其特征在于，所述PI调节器的输入端和转速修正器的输出端之间串联有信号采样速率匹配模块，用于从转速修正器所输出的一组交流电动机转速测量数据中选择与当前测量转速的采样时间最接近的数据输出至PI调节器。