CN103684171A - 交流电机速度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电机控制方法，其包括首先依据交流电机的电机参数，建立电机的数学模型；利用高频注入法将高频电流注入交流电机；测量高频注入法得到的电机的响应，并根据建立的电机数学模型，估算电机的转速和位置值；检测物理传感器件的反馈是否正常，如果反馈正常则使用根据物理传感器件的反馈解算的电机的转速和位置的值作为电机矢量控制的输入，而如果反馈不正常则使用估算的电机的转速和位置值作为电机矢量控制的输入。本发明还公开了对应的系统。

Description

交流电机速度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及交流电机速度控制技术，尤其涉及无机械传感器反馈转速、位置信号时对交流电机速度的控制系统和方法。 

背景技术

交流电机伺服控制一般为三个环控制，所谓三环就是三个闭环负反馈PID调节系统。最内的PID环就是电流环，此环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快。 

第2环是速度环，通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。 

第3环是位置环，它是最外环，可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建，要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算，此时的系统运算量最大，动态响应速度也最慢。 

随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的发展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。满足高性能系统的技术要求。 以永磁同步电机电力传动系统为例，为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制,一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制.但是无论采取哪种控制方案,都需要测量转子的速度和位置，这一般是通过机械式传感器，例如编码器、解算器和测速发电机，来实现。但是，这类传感器在安装、电缆连接、故障等方面都会存在问题，并影响系统的可靠性和限制系统的使用范围，不符合集成应用系统的要求。 

以大型风力发电设备中的交流电机的控制为例，在这种设备中需要具备根据风力大小调整桨叶迎风面的角度，以便在较小风速时能以最大能力进行发电，而同时在过大风力出现时能减小桨叶迎风面从而保证风塔的安全。最早的变桨技术是采用直流电机便于调速，但随着发电机组功率等级的提高，直流电机在造价、重量、维护性以及功率体积比上相对于交流电机而言都处于劣势，故2MW以上机组使用交流变桨电机成为大方向，交流变桨驱动器也将替换原来的直流变桨驱动器成为趋势。 

风力发电机组强调安全性，尤其是风塔在大风情况下的安全，所以强调了桨叶在变桨驱动器损坏或者故障、电机反馈线断线等故障发生时，可通过其他手段进行收桨保护。以前采用直流电机的方案时是通过切换电池至电机绕组进行收桨保护，目前更换到交流变桨方案时，由于电池无法直接驱动交流电机，故需要变桨驱动器具备在电机反馈丢失的情况下实施电机控制，主要用于安全收桨的模式。 

为了摆脱传感器件的存在的潜在问题，例如无速度、位置反馈控制也是伺服控制系统研究的目的，其原理是通过观测电机绕组运行中的相关参数，包括：电机的线电感、反电势系数、电机内阻、极对数、DQ轴电感分布。推算出转子的位置。现阶段无反馈器控制实现使用的方法主要有两种： 

第一种被称为基波激励法，其根据电机的基波激励数学模型，推算出转子的位置和速度，该方法的特点是在中高速范围内有很高的动态性能，对电机参数的依赖性很强，在低速时对转子位置的估算误差大甚至失效，不适合直接低速大扭矩场合。 

另一种被称为高频注入法。该方法利用电机的凸极效应，通过在基波中注入高频分量，观测对应的响应来估算转子的位置和速度。该方法由于不受电机参数和状态的影响，特别适用于初始定位和低速场合，但不适用于凸极效应不明显的电机，此外，该方法的使用会使电机的效率降低。 

据此，需要一种能够在交流电机的机械传感器件发生故障而不能提供实时的反馈信号时能够仍然能够保障电机顺利运行的系统和方法。 

发明内容

本发明的一个目的为开发出交流电机控制功能，以解决电机在丢失反馈，例如连接线断路，或者反馈器件损坏的情况下，仍能在一定时间输出基本接近于反馈器件正常工作时的输出，从而在一定范围内控制交流电机的转速，使得电机转子相对于定子转动至期望的位置上。 

为此，本发明的一种形态提供了一种交流电机控制方法，其包括首先依据交流电机的电机参数，建立电机的数学模型；利用高频注入法将高频电流注入交流电机；测量高频注入法得到的电机的响应，并根据建立的电机数学模型，估算电机的转速和位置值；检测物理传感器件的反馈是否正常，如果反馈正常则使用根据物理传感器件的反馈解算的电机的转速和位置的值作为电机矢量控制的输入，而如果反馈不正常则使用估算的电机的转速和位置值作为电机矢量控制的输入。 

本发明解决了交流电机在发生反馈丢失、物理传感器损坏等问题时，能够在一定的时间内继续提供电机控制电路的正确输入，从而在一定范围内控制电机的正常工作。 

本发明可以用于风塔的桨叶控制，解决旋转编码器等物理传感器件损坏或反馈丢失时，无法确保桨叶收回至安全位置的问题。按照本发明的控制方法，对于用于风电变桨场合的交流永磁电机，如编码器损坏或者丢失时，仍能够依照估算值来控制桨叶，从而解决了不能实施桨叶控制的问题，增加了发电机组控制风险的能力。 

优选的是，可以为该交流电机速度控制方法提供自学习特性，具体而言，通过物理反馈器件得到的电机的反馈正常时，通过反馈解算得到其转子的转速和位置信息，同时对电机实施高频注入，根据注入响应利用电机数学模型估算出转子的转速和位置信息，将解算的转速、位置信息与估算的转速和位置信息分别反复校验，并根据校验结果自动调整电机数学模型中的参数从而将通过注入响应估算出的转速和位置和转速纠正为与物理传感器件反馈解算出的转子转速和位置相一致。这样，估算出的电机的转速和位置信息的精度 会更接近物理反馈器件的值，从而大大增加电机数学模型的精度，从而提高电机控制的输入的精度。 

通过为该功能提供自学习特性，可以在已经建立的电机的数学模型的基础上，根据对应的物理电机的运行状况，调节电机数学模型的各项参数，从而使得该电机的数学模型更接近物理电机。 

其中，所述电机的参数包括线电感、反电势系数、电机内阻、极对数、D轴、Q轴电感分布等电机参数中的至少几个。 

本发明的另一种形态提供了一种的电机速度控制系统的原理图，其包括处于电流环中的电流控制电路，用于驱动电机的驱动电路，用于向电流控制电路提供电流反馈的电流反馈部；处于速度环中的根据目标速度值产生的速度控制信号的速度控制部，检测当前电机转子与定子相对位置的旋转编码器检测部，对旋转编码器的信号进行解码从而解算出当前定子和转子的相对位置以及电机当前转速的转速反馈部。其中所述速度控制部的输出经过与电流反馈部的叠加后送入电流控制部用于确定电流给定； 

其中，电流控制部包括电流给定设定部，针对经确定的电流给定确定相应坐标变换值的坐标变换部，对坐标变换结果进行空间矢量调制的空间矢量调制部，空间矢量调制结果被送入驱动电路以驱动电机； 

依据本发明的控制系统，其中在电流给定设定部还包括一高频电流注入部，用于通过驱动电路向电机定子绕组中注入一个对称三相高频旋转电压，电压矢量在电机内部产生旋转磁场，并产生包含有转子相对于定子的位置信息的高频载波电流。 

优选的是，所述高频电流注入部包括CLACK或PARK变换部，接收经过CLACK或PARK变换的D轴电压分量并对齐进行比例和积分调节的PI控制部，对PI控制部的输出带入电机数学模型模型部提供的d轴输出电压Ud以及需要注入电压的幅值Uc进行输出的电压输出部，以及进行反PARK、CLACK变换以获得送至坐标变换部的输出的反PARK、CLACK变换部。 

优选的是，电流反馈部包括用于提取电流的电机模型中的D轴分量Id的CLACK或PARK变换部，对提取得到的D轴电流分量Id进行滤波操作的带通滤波部52，通过带入 电机数学模型模型部60提供的参数利用相角偏移折算得到位置相角的相角计算部53；对位置相角进行滤波的低通滤波部54；进行比例和积分调节的PI控制部55。 

电机驱动电路可以采用传统的SPWM控制方式。 

电流控制部还包括校验部，该校验部对来速度控制部与电流反馈部的叠加的输入所确定的电流给定所得的位置信息与物理器件的反馈位置信息进行反复校验，并根据校验结果调整电机数学模型的相关参数，以至于通过高频注入估算得到的位置纠正与实际反馈解算出的转子位置信号相一致。 

利用校验部可以优化电机模型的参数，以使得电机模型更加接近被控电机，从而使得当旋转编码器失效或发生断路而无法获得旋转编码器的反馈时，基于无反馈控制信号的电机的控制更加接近依据旋变反馈进行的控制。 

通过下面的说明书中结合附图进行的详细描述，本发明的以上目的和其它目的、特征和优点将变得更加明显。 

附图说明

参照下面的详细描述并结合附图，可更容易地理解本发明的各种特征和优点，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中： 

图1为现有技术中的电机速度控制的原理框图； 

图2为依据本发明的一种实施方式的电机速度控制的原理框图； 

图3为依据本发明的一种具体实施方式的通过提取反馈电流中的D轴分量推算转子和定子的相对位置的软件流程图； 

图4示出了无反馈控制信号的产生具体过程。 

具体实施方式

为了便于理解本发明的各种实施例的原理和特征，下文将详述本发明的各种说明性实施例。虽然本发明的示例性实施例进行了详细解释，但是应当理解的是，其它实施例也是可以想象的。因此，不意欲将本发明限制在以下的说明中所述的或附图中示出的部件的结构和布置的细节的范围内。本发明也可以由其他实施方式或通过各种方式进行实践或实施。此外，在对这些示例性实施例进行描述时，为了清楚起见，将诉诸特定的术语。 

还必须注意的是，除非上下文明确的地另有规定，在本说明书和所附的权利要求书所用的，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数指代。例如，对一个组分的引用意欲还包括组合物的多个组分。对包含“一个”成分的组合物的引用意在还包括除了所列举的成份的外的成分的引用。 

此外，在描述的示例性实施例时，为了清楚起见，将借助术语。每个术语都意欲涵盖本技术领域的技术人员所理解的其最广泛的含义，并包括以类似的方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。 

在本文中，范围可表示为从“约”或“大约”或“实质上”一个特定的值和/或到“约”或“大约”或“实质上”另一个特定的值。当表示这样的范围内，其他的示例性实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。 

“包含”或“含有”或“包括”是指至少所列举的组件、部分或方法步骤存在于该产品或方法中，但并不排除其它化组分、部分，方法步骤的存在，即使其它的这类组分、部分，方法步骤具有与所例举者相同的功能。 

还应当理解，提及一个或多个方法步骤并不排除存在额外的方法步骤或在已明确识别的那些步骤的间介入其他的方法步骤。同样，也应当理解，提及组合物中的一个或多个组分并不排除还存在已明确识别的组分之外的其他组分。 

所描述的作为本发明中的各个元素的材料意欲为说明性的而非限制性。许多将执行与本文中所描述的器件相同的或者类似功能的合适的材料意欲包含在本发明的范围的内。本文中未作描述的该等其它器件可以包括，但不限于，例如，本发明的开发时间后开发出的器件。 

在对电机实施速度控制时，根据速度误差来计算电流调节量，由于是要保证同步控 制，电流调节量的输出是要以确定的定子转子相对位置才可施加的。 

当电机失去来自旋转编码器的反馈时，依据本发明的实施例，电机的低转速控制可通过注入高频电流，其中，注入的频率和电流幅值可通过参数设置，选择最适宜某种电机的参数，在已经建立电机数学模型的基础之上，通过高频电流的反馈，计算得出理论上的电角度，根据得到的电角度，对电机施加调制后的电流，从而实现对电机的无物理器件反馈控制。 

图2示出了根据本发明的一种具体实施方式的电机速度控制系统的原理图，参照图2，在本发明的电机速度控制系统包括处于电流环中的电流控制电路30，用于驱动电机的驱动电路40，用于向电流控制电路提供电流反馈的电流反馈部50；处于速度环中的根据目标速度值产生的速度控制信号的速度控制部20，检测当前电机转子与定子相对位置的旋转编码器检测部80，对旋转编码器的信号进行解码从而解算出当前定子和转子的相对位置以及电机当前转速的转速反馈部70。其中所述速度控制部的输出经过与电流反馈部50的叠加后送入电流控制部30用于确定电流给定。 

电流控制部30包括电流给定设定部31，针对经确定的电流给定确定相应坐标变换值的坐标变换部32，对坐标变换结果进行空间矢量调制的空间矢量调制部33，空间矢量调制结果被送入驱动电路40以驱动电机。 

依据本发明的控制系统，其中在电流给定设定部还包括一高频电流注入部318，用于通过驱动电路向电机定子绕组中注入一个对称三相高频旋转电压，电压矢量在电机内部产生旋转磁场，并产生高频载波电流。其中，注入信号的角速度要远高于转子旋转角速度，如果电机磁路具有凸极性，那么就会对注入的高频载波电压信号产生调制作用，调制的结果反映在高频载波电流信号中，使反馈电流成为包含有转子相对于定子的位置信息的高频载波电流，解调出载波信号，就会提取出转子位置信息。再根据转子位置信息，对电机实施转矩和转速控制。 

对电机进行数学建模已经是本领域的常规技术，不同的文献和专利都对电机的数学建模进行了描述，一般情况下，可根据电机的诸如线电感、反电势系数、电机内阻、极对数、D、Q轴电感分布等电气参数来建立电机模型。电机模型根据电机的不同而不同，具有不同的响应。前述对电机模型相关参数的调整即包括对所列参数进行调整。本发明即需 要首先为物理电机建立一个数学模型，或者说提供一数学模型部60用于提供电机的各项参数从而确定诸如基本d轴输出电压U_d，需要注入电压的幅值U_C，注入频率ω_c等。 

所述高频电流注入部318可以包括CLACK或PARK变换部3181，经过CLACK或PARK变换的D轴电压分量被送入PI控制部3182进行比例和积分调节，再通过带入已经电机数学模型模型部60提供的d轴输出电压Ud以及需要注入电压的幅值Uc进行输出的电压输出部3183，最后在反PARK、CLACK变换部3184进行反PARK、CLACK变换以获得送至坐标变换部32的输出。 

电流反馈部50包括CLACK或PARK变换部51，其用于提取电流的电机模型中的D轴分量Id，提取得到的D轴电流分量Id经带通滤波部52进行滤波操作，再通过带入电机数学模型模型部60提供的参数在一相角计算部53利用相角偏移折算得到位置相角，再对位置相角通过低通滤波部54进行滤波以及PI控制部55进行比例和积分调节后得到相角θ并送入电流给定部。 

相角θ送入坐标变换部再送入空间矢量调节部以及功率输出部最后送入电机驱动电路40。电机驱动电路40将据此对电机M进行类似依据旋转编码器80的反馈结果而进行的控制。 

电机驱动电路可以采用传统的SPWM控制方式。 

然而，通常情况下，电机的数学模型都具有较强的经验性，因此，一般的数学模型对一输入并不能有非常理想的响应。 

为解决该问题，可以为电流控制部提供校验部61，该校验部61对来速度控制部20与电流反馈部50的叠加的输入所确定的电流给定所得的位置信息与物理器件的反馈位置信息，例如对旋转编码器的反馈处理而得的位置解算，进行反复校验，并根据校验结果调整电机数学模型60的相关参数，以至于通过高频注入估算得到的位置纠正与实际反馈解算出的转子位置信号相一致。 

利用校验部61可以优化电机模型的参数，以使得电机模型更加接近被控电机，从而使得当旋转编码器失效或发生断路而无法获得旋转编码器的反馈时，基于无反馈控制信号的电机的控制更加接近依据旋变反馈进行的控制。 

由于注入电压幅值和频率等参数需要根据不同的情况进行适当的微调，以保证原来建立电机的数学模型当中的个别参数校正的准确性，加上电机的制造会产生一定的离散型和偏移性，所以前述通过校验部58的实时的校准参数显得尤为重要，最有效的还是在有反馈的前提之下通过校验部62校准好所有参数，这样可以得到最优的低速无反馈控制效果。 

本发明在主要在原有的控制体系中，通过加入新的软件部分而实现。图3示出了一种具体实施方式的通过提取反馈电流中的D轴分量推算转子和定子的相对位置的软件流程图。参照图3，首先依据被控交流电机的电机参数，建立电机的数学模型S100；再利用高频注入法将高频电流注入交流电机S200；测量高频注入法得到的电机的响应，并根据建立的电机数学模型提供过的参数估算电机的位置值S300，检测物理传感器件的反馈是否正常S500，如果正常则使用根据物理传感器件的反馈解算的电机的转速和位置的值作为电机控制电路的输入S510，如果不正常则使用估算的电机的转速和位置值作为电机控制电路的输入S520。 

如图3所示，可选的步骤为在S300与S500之间加入用物理传感器件检测得到的位置解算值校验估算的位置值的步骤S400，校验结果则用来更新已经建立的电机数学模型的参数S410。如上所述，更新电机参数可以提高控制精度。 

本发明的无反馈控制信号的产生具体过程如图4所示：输出的SPWM调节量根据速度环输出和注入电流幅值和频率合成后已知，同时根据已校准的电机参数所建立的电机数学模型，将电流反馈值通过一定时间的延迟和滤波处理后S310，进行CLACK、PARK变换S320，提取出电流中的D轴分量S331，再经过带通滤波滤除干扰值和无效值S332，最后经过相角偏移的折算S333，这是因为得到的是电流相角，与位置相角是不同的，因此，需要相角偏移的折算，各厂家会有定义。对折算的结果滤波后S334，就可以得到定义中的定子和转子的相对位置，从而可以提供给电流环参与控制S335、S336。 

本发明的电机控制系统可以应用于许多控制场景中，尤其是当旋转编码器会发生严重后果的场景中。 

例如，本发明可以应用于风机桨叶的控制领域。以风机系统各桨叶的桨距控制为例；桨距控制主要通过控制桨叶的电机控制桨叶的倾角实现，每个电机由一个控制器控制，控 制器对旋转编码器的反馈的电机的定子和转子的相对位置信息来获知电机当前位置状态，从而了解桨叶的倾角，并根据中央控制器发来的桨叶的目标倾角而向该目标倾角驱动电机。 

此外，本发明也可以应用于抽油机中用于对抽油机电机进行控制，这是因为抽油机一般都工作在严寒等环境严酷地区，因此旋转变压器等器件容易发生失效或严重的参数漂移等问题。 

上述说明书中已经详述了许多特性及优势以及结构和功能，虽然本发明已用若干形式揭示，但熟知此项技术的人将显而易见：在不背离本发明的精神及范畴及如以下申请专利范围中所陈述的其等效物的情况下，可在本发明中进行许多修改、添加及删除（尤其关于部件的形状、大小及配置）。因此，尤其保留可由本文中的教导或启发的其它修改或实施例，因为其属于本文随附的权利要求书的广度及范畴内。 

Claims (8)

1.一种交流电机控制方法，其特征在于包括以下步骤：

依据交流电机的电机参数，建立电机的数学模型；

利用高频注入法将高频电流注入交流电机；测量高频注入法得到的电机的响应，并根据建立的电机数学模型，估算电机的转速和位置值；

检测物理传感器件的反馈是否正常，如果反馈正常则使用根据物理传感器件的反馈解算的电机的转速和位置的值作为电机矢量控制的输入，而如果反馈不正常则使用估算的电机的转速和位置值作为电机矢量控制的输入。

2.根据权利要求1所述的交流电机控制方法，其特征在于：通过物理传感器到的电机的反馈正常时，通过反馈解算得到其转子的转速和位置信息，同时对电机实施高频注入；根据注入响应利用电机数学模型估算出转子的转速和位置信息，将解算的转速、位置信息与估算的转速和位置信息分别反复校验，并根据校验结果自动调整电机数学模型中的参数从而将通过注入响应估算出的转速和位置和转速纠正为与物理传感器件反馈解算出的转子转速和位置相一致。

3.根据权利要求1所述的交流电机控制方法，其特征在于：所述电机的参数包括线电感、反电势系数、电机内阻、极对数、D轴、Q轴电感分布等电机参数中的至少几个。

4.一种电机速度控制系统，其特征在于：包括

处于电流环中的电流控制电路，用于驱动电机的驱动电路，以及用于向电流控制电路提供电流反馈的电流反馈部；

处于速度环中的根据目标速度值产生的速度控制信号的速度控制部，检测当前电机转子与定子相对位置的旋转编码器检测部，对旋转编码器的信号进行解码从而解算出当前定子和转子的相对位置以及电机当前转速的转速反馈部；

其中所述速度控制部的输出经过与电流反馈部的叠加后送入电流控制部用于确定电流给定；

其中，电流控制部包括电流给定设定部，针对经确定的电流给定确定相应坐标变换值的坐标变换部，对坐标变换结果进行空间矢量调制的空间矢量调制部，空间矢量调制结果被送入驱动电路以驱动电机；

其中在电流给定设定部还包括一高频电流注入部，用于通过驱动电路向电机定子绕组中注入一个对称三相高频旋转电压，电压矢量在电机内部产生旋转磁场，并产生包含有转子相对于定子的位置信息的高频载波电流。

5.根据权利要求4所述的电机速度控制系统，其特征在于：所述高频电流注入部包括CLACK或PARK变换部，接收经过CLACK或PARK变换的D轴电压分量并对齐进行比例和积分调节的PI控制部，对PI控制部的输出带入电机数学模型模型部提供的d轴输出电压Ud以及需要注入电压的幅值Uc进行输出的电压输出部，以及进行反PARK、CLACK变换以获得送至坐标变换部的输出的反PARK、CLACK变换部。

6.根据权利要求4所述的电机速度控制系统，其特征在于：电流反馈部包括用于提取电流的电机模型中的D轴分量Id的CLACK或PARK变换部，对提取得到的D轴电流分量Id进行滤波操作的带通滤波部，通过带入电机数学模型模型部提供的参数利用相角偏移折算得到位置相角的相角计算部；对位置相角进行滤波的低通滤波部；以及对低通滤波结果进行比例和积分调节的PI控制部。

7.根据权利要求4所述的电机速度控制系统，其特征在于：电机驱动电路可以采用传统的SPWM控制方式。

8.根据权利要求4所述的电机速度控制系统，其特征在于：电流控制部还包括校验部，该校验部对来速度控制部与电流反馈部的叠加的输入所确定的电流给定所得的位置信息与物理器件的反馈位置信息进行反复校验，并根据校验结果调整电机数学模型的相关参数，以至于通过高频注入估算得到的位置纠正与实际反馈解算出的转子位置信号相一致。

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