CN103501153B - 三相交流异步电动机的智能调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流异步电动机的智能调速系统，所述智能调速系统包括顺次相连的主电路、检测电路、控制电路和驱动电路，其中，所述控制电路包括：低速控制模块、高速控制模块和切换模块，通过低速控制模块控制三相交流异步电动机在低速状态下的稳定运行，通过高速控制模块控制三相交流异步电动机在高速状态下稳定运行，根据三相交流异步电动机的运行状态，切换模块在所述低速控制模块和高速控制模块之间自动切换，使得三相交流异步电动机能够在低速和高速状态下稳定运行，对设备成本、维护、节能等也将产生重要的意义。

Description

三相交流异步电动机的智能调速系统

技术领域

本发明涉及电动机的调速领域，具体涉及一种三相交流异步电动机的智能调速系统。

背景技术

随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，许多新型交流异步电动机的控制技术被不断提出，交流异步电机的调速系统取得了突破性进展，主要有矢量控制技术和无速度传感控制技术两种调速方法。

矢量控制技术虽然已经在交流调速领域得到广泛应用，要实现异步电机高性能的矢量控制，转速闭环是必不可少的，而转速闭环需要实时的电机转速，速度传感器的安装使得整个系统变得复杂，并且影响检测精确，不适用于在恶劣环境（如：高温、潮湿）中使用。

无速度传感控制技术仍沿用磁场定向控制技术，其核心是如何准确的获取电机的转速信息，目前转速估计方法中，模型参考自适应（MRAS）算法速度估计算法由于其简单容易实现而得到了广泛的应用，然而该方法需要知道定子电阻的阻值，由于定子电阻的阻值对温度的变化比较敏感，因此该方法低速性能的优化非常困难。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种三相交流异步电动机的智能调速系统，来优化三相交流异步电动机的智能调速系统。

本发明实施例提供了一种三相交流异步电动机的智能调速系统，所述系统包括：

主电路，用于给三相交流异步电动机提供电压；

检测电路，用于检测所述三相交流异步电动机的电流并进行电流采样；

控制电路，用于将采样到的电流信号运算生成脉宽控制信号；

驱动电路，用于根据产生的脉宽控制信号控制所述三相交流异步电动机，

其中，所述控制电路包括：

低速控制模块，用于估算三相交流异步电动机在低速状态下的转速；

高速控制模块，用于估算三相交流异步电动机在高速状态下的转速；

切换模块，用于根据三相交流异步电动机的转速，在低速控制模块和高速控制模块之间自动切换。

进一步地，所述低速控制模块包括：

低速转速环模块，用于接收低速转速环的给定转速和反馈转速，计算低速电流环的给定值并输出到低速电流环，所述低速电流环的给定值包括给定励磁电流、给定转矩电流和给定相位；

低速电流环模块，用于接收低速转速环的输出值和低速电流环反馈值，并输出低速电流环的输出值；

低速脉宽控制信号生成模块，用于接收所述低速电流环的输出值并生成控制三相交流异步电动机的脉宽控制信号。

进一步地，所述低速转速环模块接收的反馈转速可根据下述公式5运算得到：

式5

ω=ω₁-ω₂

其中，ω1为定子频率，根据转速环模块的给定转速和反馈转速之差再通过积分器获得；ω₂为滑差转速，记为其中，T_r为转子的时间常数，为低速电流环给定转矩电流，为低速电流环给定励磁电流。

进一步地，所述低速电流环给定转矩电流根据参考无功功率和反馈无功功率之差再经过比例积分调节器运算获得。

进一步地，所述低速电流环模块还包括转矩电流补偿单元，用于当所述三相交流异步电动机在低速和空载状态时，提高所述低速电流环模块中的给定转矩电流。

进一步地，所述转矩电流补偿模块通过电流补偿来提高转矩电流，所述电流补偿根据下述公式6运算得到：

式6

$\mathrm{\ΔI}=T_r\·\mathrm{\Δ\ω}\·i_d^{*}$

其中，T_r为转子的时间常数，记为T_r=L_m/R，R为转子电阻，Δω为滑差补偿，所述滑差补偿根据下述公式7运算得到：

式7

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\&omega;}}^{*}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\\ ({\mathrm{\&omega;}}_L^{*}-{\mathrm{\&omega;}}^{*})/2& {\mathrm{\&omega;}}^2<{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\end{array}\right.$

其中，为第一阈值，ω^*为低速转速环模块接收到的给定转速。

进一步地，所述高速控制模块包括：

高速转速环模块，用于接收高速转速环的给定转速和反馈转速，计算高速电流环的给定值并输出到高速电流环，所述高速电流环的给定值包括给定励磁电流、给定转矩电流、给定相位；

高速电流环模块，用于接收高速转速环的输出值和高速电流环反馈值，并输出高速电流环的输出值；

高速脉宽控制信号生成模块，用于接收所述高速电流环的输出值并生成控制三相交流异步电动机的脉宽控制信号。

进一步地，所述高速电流环的给定转矩电流根据高速转速环的给定转速和反馈转速之差再通过PI调节器获得，其中，所述高速转速环的反馈转速根据模型参考自适应算法算出。

进一步地，所述高速电流环的给定相位根据电流模型运算获得。

进一步地，所述给定励磁电流按照下述公式8的规律线性变化，

式8

$I_d=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{m0}+I_{m0}\&CenterDot;K_{\mathrm{\&omega;com}}\&CenterDot;(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_0})& {\mathrm{\&omega;}}_1<{\mathrm{\&omega;}}_0\\ I_{m0}& {\mathrm{\&omega;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_0\end{array}\right.$

其中，I_m0为给定励磁电流的阈值电流值，ω₀为第二阈值，K_ωcom为比例常数。

进一步地，所述控制电路是以TMS320F28035微控器为核心的DSP处理芯片。

进一步地，所述切换模块在三相交流异步电动机额定速度百分之十以下与低速控制模块连接；所述切换模块在三相交流异步电动机额定速度百分之十以上与高速控制模块连接。

本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统，通过低速控制模块估算电动机低速状态下的转速，通过高速控制模块估算高速状态下电动机的转速，并且能够在低速控制模块和高速控制模块之间自动切换。本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统不受温度的影响，且能够在低速状态和高速状态之间自动切换，从而提高了由变频器构成的调速系统的调速特性和动态品质指标。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统的整体结构图；

图2为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速状态下的结构框图；

图3是本发明实施例的三相交流异步电动机的三轴、二维的A-B-C坐标轴与二轴、二维的两相静止α-β坐标轴的关系矢量图；

图4是本发明实施例的三相交流异步电动机的以磁极轴为基准的两相旋转d-q坐标轴与控制上假定的dc-qc轴的关系矢量图；

图5是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统中dc轴上给定励磁电流变化示意图；

图6为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在高速状态下的结构框图；

图7为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速在高速状态下的BEMF_MARS估算转速原理图；

图8为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速和高速状态下的切换示意图；

图9是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速状态下电流的正弦波形图；

图10是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速状态下的磁链角波形图；

图11是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统从静止加速到1Hz时转速和转矩电流波形图；

图12是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在1Hz时加负载后转速和转矩电流波形图。

图13是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在1s内从静止加速到额定转速时的切换标志变化、转速波形及电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统可以运用于装有三相交流异步电动机的驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械以及家用电器和医疗器械等方面，其中，在家用电器中的应用最多，该家用电器可以是洗衣机、电风扇、空调机、吸尘器、电冰箱、油烟机等等中的任意一种，运用包括本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统的三相交流异步电动机，能够使得电机在低速和高速状态下稳定运行，从而提高电机的工作效率和调试性能。

图1是本发明实施例的三相交流异步电动机的低速控制装置的整体结构图。

如图1所示，该三相交流异步电动机的低速控制装置包括主电路11、检测电路12、控制电路13、驱动电路14。其中，所述主电路11包括整流电路111和逆变电路112。

在本实施例中，所述主电路11用于给三相交流异步电动机提供电压，包括整流电路111和逆变电路112。其中，所述整流电路111用于将可变电压、可变频率的三相交流电压转换为固定电压、固定频率的直流电压。所述整流电路111与逆变电路112连接，所述逆变电路112用于将所述固定电压、固定频率的直流电压转换为交流电压，并将所述交流电压施加到三相交流异步电动机。所述逆变电路112的输出端与三相交流异步电动机相连，另一端与驱动电路14相连。

在本实施例中，所述检测电路12包括霍尔电流采样元件121，用于对由所述逆变电路112施加到三相交流异步电动机15的电流进行采样。

在本发明的一个优选实施例中，所述检测电路12还包括温度检测模块122、辅助电源模块123、母线电压检测模块124。如图1中的虚线框所示，其中，所述温度检测模块122用于对所述逆变电路112的温度进行的运行检测。所述辅助电源模块123用作备份电源，在应急状态下，可作应急电源。所述母线电压检测模块124用于对由所述逆变模块施加到三相交流异步电动机的电压进行检测，避免过高的母线电压对驱动电路中器件造成损坏。

在本实施例中，所述三相交流异步电动机的低速控制装置采用的控制电路13是以TMS320F28035微控制器为核心的DSP处理芯片。

在本实施例中，所述驱动电路14用于根据所述控制电路13运算生成的所述脉宽控制信号，输出到上述逆变电路112。

在本发明的一个优选实施例中，所述三相交流异步电动机的智能调速系统还包括故障保护电路15，如图1中的虚线框所示，所述故障保护电路15用于根据所述检测电路中霍尔电流采样模块121、温度检测模块122和母线电压检测模块124分别检测到的电流、温度和电压对所述三相交流异步电动机进行保护，并且所述故障保护电路15可以连接外部端子，使得控制电路13的屏内设备和屛外设备的线路相连接，起到信号传输的作用。

图2为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速状态下的结构框图，该三相交流异步电动机的低速控制装置包括主电路21、检测电路22、低速控制电路23、驱动电路24。其中，所述主电路21包括整流电路211和逆变电路212，所述检测电路22包括霍尔电流采样模块221、温度检测模块222、辅助电源223和母线电压检测模块224，所述低速控制电路23包括低速转速环模块231、低速电流环模块232和低速脉宽控制信号生成模块233。

在图2中，所述主电路21、检测电路22和驱动电路24与图1中所述的主电路11、检测电路12和驱动电路14相同，在此不再赘述。

图3是本发明实施例的三相交流异步电动机的三轴、二维的A-B-C坐标轴与二轴、二维的α-β两相静止坐标轴的关系矢量图。在本实施例中，检测电路22采样得到三相交流异步电动机的交流电流i_a、i_b和i_c，经过Clark坐标变换后变换为二相电流i_α和i_β。

如图4所示，图4是本发明实施例的三相交流异步电动机的磁极轴为基准的两相旋转d-q坐标轴与控制上假定的dc-qc轴的关系矢量图，将经过Clark坐标变换后成的两相电流i_α和i_β经过Park坐标变换，分别得到电动机在dc轴和与dc轴正交的qc轴的反馈电流i_d和i_q。

在本实施例中，所述低速转速环模块231用于接收低速转速环的给定转速ω^*和反馈转速ω，计算低速电流环模块232的给定值并输出到低速电流环，其中，所述低速电流环模块232的给定值包括给定励磁电流给定转矩电流和给定相位θ。所述低速转速环模块231的响应时间为1ms，所述低速电流环模块232的响应时间为200us。

具体地，所述低速转速环模块231接收的反馈转速根据下述公式9运算得到：

式9

ω=ω₁-ω₂

其中，ω₁为定子频率，根据低速转速环模块231的给定转速ω^*和反馈转速ω之差再通过积分器获得；ω₂为滑差转速，如果把转子电阻记为R，转子的时间常数记为T_r=L_m/R，则所述滑差转速ω₂可根据以下的式10运算得到，

式10

${\mathrm{\&omega;}}_2=\frac{1}{T_r}\&CenterDot;\frac{i_q^{*}}{i_d^{*}}$

在本实施例中，所述给定励磁电流根据定子频率ω₁的变化线性变化，当所述三相交流异步电动机刚启动时，所述给定励磁电流较大，使得所述三相交流异步电动机能够快速建立磁场；当所述三相交流异步电动机的磁场稳定后，所述给定励磁电流较小

图5是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统的低速控制模块中的给定励磁电流变化示意图，如图5所示，如果把励磁电流的阈值电流值记为I_m0，阈值频率记为ω₀，三相交流异步电动机的定子频率记为ω₁，比例常数记为K_ωcom，则当所述三相交流异步电动机的定子频率小于第二阈值频率ω₀时，所述给定励磁电流按照下述公式11的规律线性变化，

式11

$I_d=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{m0}+I_{m0}\&CenterDot;K_{\mathrm{\&omega;com}}\&CenterDot;(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_0})& {\mathrm{\&omega;}}_1<{\mathrm{\&omega;}}_0\\ I_{m0}& {\mathrm{\&omega;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_0\end{array}\right.$

在本实施例中，所述给定转矩电流根据参考无功功率与反馈无功功率q_m之差再通过比例积分调节器得到。

如果把三相交流异步电动机的qc轴互感记为L_m，则所述参考无功功率为所述反馈无功功率其中I_s为三相交流异步电动机的定子电流，e_m为三相交流异步电动机的感应电压，则将参考无功功率与反馈无功功率q_m之差再通过第一PI调节器，便得到qc轴上的给定转矩电流

在本实施例中，当三相交流异步电动机在低速和空载状态下运行时，由于无功功率很小，干扰通常使得qc轴上的给定转矩电流为负值，这使得三相交流异步电动机的带载能力很小甚至完全丧失，因此，低速电流环模块232通过转矩电流补偿单元2321来提高qc轴上的给定转矩电流。具体地，所述转矩电流补偿单元2321通过增加电流补偿来提高给定转矩电流，所述电流补偿根据下述公式12运算得到：

式12

$\mathrm{\&Delta;I}=T_r\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&omega;}\&CenterDot;i_d^{*}$

其中，Δω为滑差补偿，所述滑差补偿根据下述公式13运算得到：

式13

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\&omega;}}^{*}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\\ ({\mathrm{\&omega;}}_L^{*}-{\mathrm{\&omega;}}^{*})/2& {\mathrm{\&omega;}}^2<{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\end{array}\right.$

其中，为第一阈值，ω^*为转速环模块231接收的给定转速，当ω^*大于等于于第一阈值时，转矩电流补偿单元2321不进行电流补偿，当ω^*小于第一阈值时，转矩电流补偿单元2321进行电流补偿，来提高给定转矩电流

在本实施例中，将定子频率ω₁通过第二积分器，便得到三相交流异步电动机的驱动频率相关的给定相位θ。

在本实施例中，所述低速电流环模块232接收低速转速环模块231的输出值和低速电流环反馈值，将给定励磁电流和给定转矩电流分别与低速电流环模块232的反馈电流i_d和i_q相减，将二者之差分别经过第二和第三PI调节器，便得到低速电流环的dc轴和qc轴上的输出电压和将和θ经过Park逆变换后得到施加于三相交流异步电动机的电压和再将和*进行矢量运算后得到三个脉冲占空比和其中，所述矢量运算算法优选可以是空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法。

在本实施例中，所述低速脉宽控制信号生成模块233根据脉冲占空比 和得到脉宽控制（PWM）信号，将PWM信号施加到驱动电路24上，驱动逆变电路212的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开通和断开，当驱动电路24开通时，将该脉宽控制信号输送到逆变电路212，将逆变电路212的交流输出一侧作为控制对象，例如可以连接着由磁铁电动机构成的三相交流异步电动机，从而控制三相交流异步电动机在低速状态下稳定运行，所述低速是指三相交流异步电动机的转速在额定转速的10%以下，由此，实现了三相交流异步电动机在低速状态下稳定的运行，能够很好的抑制电机低速运行时出现的脉动和噪声大的问题，提高电机的工作效率和调试性能。

图6为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在高速状态下的结构框图，该三相交流异步电动机在高速状态下的结构主要包括主电路61、检测电路62、高速控制电路63、驱动电路64和故障保护电路65。其中，所述主电路61包括整流电路611和逆变电路612，所述检测电路62包括霍尔电流采样模块621、温度检测模块622、辅助电源623和母线电压检测模块624，所述高速控制电路63包括高速转速环模块631、高速电流环模块632和高速脉宽控制信号生成模块633。

在图6中，所述主电路61、检测电路62、驱动电路64和故障保护电路65分别与图2中所述的主电路21、检测电路22、驱动电路24和故障保护电路25相同，在此不再赘述。

在本实施例中，所述高速转速环模块631用于接收高速转速环的给定转速ω^*和反馈转速ω，计算高速电流环模块632的给定值并输出到高速电流环，其中，所述高速电流环模块632的给定值包括给定励磁电流给定转矩电流和给定相位θ。所述高速转速环模块631的响应时间为1ms，所述高速电流环模块632的响应时间为200us。

具体地，所述高速转速环模块631接收的反馈转速根据下述公式14运算得到：

式14

ω=ω₁+ω₂

其中，ω₁′根据高速转速环模块231的给定转速ω^*和反馈转速ω之差再通过PI调节器后再乘以获得，其中，T_r为转子的时间常数。

ω₂′为高速状态下的估算转速，所述三相交流异步电动机高速状态下的估算转速根据基于反电动势的模型参考自适应算法（BEMF_MRAS）算法运算得到。图7为BEMF_MARS估算转速原理示意图，该转速估算算法是根据异步电机的T－II等效电路，用定子侧反电动势作为模型参考自适应系统的参考模型，用转子侧反电动势作为模型参考自适应系统的自适应模型。由于定子侧建立的参考模型所涉及的物理量容易测量，并且比较准确，因此只要含有电机转速的自适应模型能够比较精确地跟随参考模型，或者参考模型和自适应模型之间的误差经过自适应机制调节后基本趋近于0，则在线实时估算的转速可以认为是电机的实际转速。

在本实施例中，将高速转速模块631的误差转速通过PI调节器便得到高速电流环模块632的给定转矩电流其中，所述误差转速为给定转速ω^*和反馈转速ω之差。因为三相交流异步电动机在高速状态下，由于无功功率不会很小，因此给定转矩电流与反馈电流i_q之差不会为负值，因此，不需要进行电流补偿来提高给定转矩电流。

在本实施例中，将高速电流环模块的给定相位θ通过电流模型计算得到θ。

在本实施例中，所述电流环模块632接收转速环模块631的输出值和电流环反馈值，将给定励磁电流和给定转矩电流分别与电流环模块632的反馈电流i_d和i_q相减，将二者之差分别经过第二和第三PI调节器，便得到电流环的dc轴和qc轴上的输出电压和将和θ经过Park逆变换后得到施加于三相交流异步电动机的电压和再将和进行矢量运算后得到三个脉冲占空比和其中，所述矢量运算算法优选可以是空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）算法。

在本实施例中，所述高速脉宽控制波形生成模块633根据三个脉冲占空比和生成脉宽控制信号（PWM信号）。将PWM信号施加到驱动电路64上，驱动逆变电路612的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开通和断开，在逆变电路612的输出一侧作为控制对象，例如连接着由磁铁电机构成的三相交流异步电动机，由此实现了三相交流异步电动机在高速状态下良好的运行，所述高速是指是指三相交流异步电动机的转速在额定转速的10%以上。

图8为本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在低速和高速状态下的切换示意图。如图8所示，图中1代表三相交流异步电动机的高速状态，0代表三相交流异步电动机的低速状态，当三相交流异步电动机额定速度10%以下时，所述切换模块与低速控制模块连接；当三相交流异步电动机额定速度10%以上时，所述切换模块与高速控制模块连接。由此实现了三相交流异步电动机的智能调速，使得三相交流异步电动机在低速和高速状态下都能够稳定运行。

图9是本发明实施例的三相交流异步电动机在1Hz时的电流正弦波形图。本发明实施例中电动机的额定转速为50HZ，因此，电动机在1HZ时处于低速运行状态，在图9中，线条91和线条92分别代表三相交流异步电动的在低速状态下的A相电流波形图和B相电流波形图，可以发现，当三相交流异步电动机的转速为1Hz时，本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统使得电流的波形比较平滑，电机转动比较平稳。

图10是本发明实施例的三相交流异步电动机在转速为1HZ时的磁链角波形图。从图中可以发现，当三相交流异步电动机的转速为1Hz时，可以看到本发明实施例提供的低速控制模块使得磁链角在0°～360°（对应的标幺值为0～1）的范围内的连续平稳的变化。

图11是本发明实施例的三相交流异步电动机从静止加速到1Hz时转速和转矩电流波形图。在图11中，线条111代表三相交流异步电动机从静止加速到1Hz时的转速波形图，线条112代表三相交流异步电动机从静止加速到1Hz时的转矩电流波形图，从图中可以发现，三相交流异步电动机在开始加速的时候，转矩电流有些波动，但是在很短的时间内迅速的稳定下来，三相交流异步电动机也较快地达到平稳状态。

图12是本发明实施例的三相交流异步电动机在1Hz时加负载后转速和转矩电流波形图。在图12中，线条121代表三相交流异步电动机在1Hz时加负载后的转速波形图，线条122代表三相交流异步电动机在1Hz时加负载后的转矩电流波形图，从图中可以看到，电机的转矩电流随着负载的加大而加大，从而和三相交流异步电动机所加的负载相匹配，最终达到一个能够平衡负载的稳定值。该波形说明本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统使得三相交流异步电动机在低速状态下有很强的带载能力，一般情况下，三相交流异步电动机的输出电流可以达到额定电流的150%左右。

图13是本发明实施例的三相交流异步电动机的智能调速系统在1s内从静止加速到额定转速时的切换标志变化、转速波形及电流波形示意图。在图13中，图中，线条131代表电动机从低速向高速切换的标志，可以发现，电动机在5Hz的时候发生了低速向高速的切换，线条132代表电动机的实际转速，线条133代表电动机的反馈转速，从图中可以看到发现，反馈转速紧紧跟随实际转速的变化而变化，线条134代表反馈励磁电流，线条135代表给定励磁电流，从图中可以发现，反馈励磁电流分量id在给定励磁电流分量的上下波动，线条136代表转矩电流，可以发现，当电动机的转速达到额定转速50Hz后，电机的转矩电流接近0。因此，本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统可以使得三相交流异步电动机在低速和高速状态下自动切换，使得电动机在低速和高速状态下都能够稳定运行。

本发明实施例提供的三相交流异步电动机的智能调速系统，通过低速控制模块控制三相交流异步电动机在低速状态下的稳定运行，通过高速控制模块使得三相交流异步电动机在高速状态下稳定运行，根据三相交流异步电动机的运行状态，切换开关在所述低速控制模块和高速控制模块之间自动切换，使得三相交流异步电动机能够在低速和高速状态下能够稳定运行、转矩脉动小、电流和磁链平稳、响应速度快，对设备成本、维护、节能等也将产生重要的意义。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，包括：

主电路，用于给三相交流异步电动机提供电压；

检测电路，用于检测所述三相交流异步电动机的电流并进行电流采样；

控制电路，用于将采样到的电流信号运算生成脉宽控制信号；

驱动电路，用于根据产生的脉宽控制信号控制所述三相交流异步电动机，

其中，所述控制电路包括：

低速控制模块，用于估算三相交流异步电动机在低速状态下的转速；

高速控制模块，用于估算三相交流异步电动机在高速状态下的转速；

切换模块，用于根据三相交流异步电动机的转速，在低速控制模块和高速控制模块之间自动切换；

所述低速控制模块包括：

低速转速环模块，用于接收低速转速环的给定转速和反馈转速，计算低速电流环的给定值并输出到低速电流环，所述低速电流环的给定值包括给定励磁电流、给定转矩电流和给定相位；

低速电流环模块，用于接收低速转速环的输出值和低速电流环反馈值，并输出低速电流环的输出值；

低速脉宽控制信号生成模块，用于接收所述低速电流环的输出值并生成控制三相交流异步电动机的脉宽控制信号；

所述低速转速环模块接收的反馈转速可根据下述公式1运算得到：

式1

ω＝ω₁-ω₂

其中，ω₁为根据转速环模块的给定转速和反馈转速之差再通过积分器获得用于表示定子角频率的物理量；ω₂为滑差转速，记为其中，T_r为转子的时间常数，为低速电流环给定转矩电流，为低速电流环给定励磁电流。

2.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述低速电流环给定转矩电流根据参考无功功率和反馈无功功率之差再经过比例积分调节器运算获得。

3.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述低速电流环模块还包括转矩电流补偿单元，用于当所述三相交流异步电动机在低速和空载状态时，提高所述低速电流环模块中的给定转矩电流。

4.根据权利要求3所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述转矩电流补偿单元通过电流补偿来提高转矩电流，所述电流补偿根据下述公式2运算得到：

式2

$\mathrm{\&Delta;}I=T_r\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;i_d^{*}$

其中，T_r为转子的时间常数，记为T_r＝L_m/R，R为转子电阻，Δω为滑差补偿，L_m为三相交流异步电动机的qc轴互感，所述滑差补偿根据下述公式3运算得到：

式3

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\&omega;}}^{*}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\\ \left({\mathrm{\&omega;}}_L^{*}-{\mathrm{\&omega;}}^{*}\right)/2& {\mathrm{\&omega;}}^{*}<{\mathrm{\&omega;}}_L^{*}\end{array}\right.$

其中，为第一阈值，ω^*为低速转速环模块接收到的给定转速。

5.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的低速控制装置，其特征在于，所述高速控制模块包括：

高速转速环模块，用于接收高速转速环的给定转速和反馈转速，计算高速电流环的给定值并输出到高速电流环，所述高速电流环的给定值包括给定励磁电流、给定转矩电流、给定相位；

高速电流环模块，用于接收高速转速环的输出值和高速电流环反馈值，并输出高速电流环的输出值；

高速脉宽控制信号生成模块，用于接收所述高速电流环的输出值并生成控制三相交流异步电动机的脉宽控制信号。

6.根据权利要求5所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述高速电流环的给定转矩电流根据高速转速环的给定转速和反馈转速之差再通过PI调节器获得，其中，所述高速转速环的反馈转速根据模型参考自适应算法算出。

7.根据权利要求5所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述高速电流环的给定相位根据电流模型运算获得。

8.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述给定励磁电流按照下述公式4的规律线性变化，

式4

$i_d^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{m0}+I_{m0}\&CenterDot;K_{\mathrm{\&omega;}com}.(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_1}{{\mathrm{\&omega;}}_0})& {\mathrm{\&omega;}}_1<{\mathrm{\&omega;}}_0\\ I_{m0}& {\mathrm{\&omega;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&omega;}}_0\end{array}\right.$

其中，I_m0为给定励磁电流的阈值电流值，ω₀为第二阈值，K_wcom为比例常数。

9.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述控制电路是以TMS320F28035微控器为核心的DSP处理芯片。

10.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的智能调速系统，其特征在于，所述切换模块在三相交流异步电动机额定速度百分之十以下与低速控制模块连接；所述切换模块在三相交流异步电动机额定速度百分之十以上与高速控制模块连接。