CN104283476A - 感应电动机的矢量控制装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种矢量控制装置，其通过具有增强操作可靠性的无直径计算的卷绕机速度控制算法进行操作。被配置为不使用直径计算来控制电动机张力的该矢量控制装置包括：张力速度产生器，其被配置为通过把PID(比例积分微分)输出值加到计算补偿增益值的值上，代替所要控制的电动机的直径计算值和从外部提供的命令线速度，来产生用于恒定地保持电动机张力的命令速度信息；和矢量控制器，其被配置为通过接收所述张力速度产生器提供的命令速度信息来执行电动机的张力控制。

Description

感应电动机的矢量控制装置
技术领域
根据本公开的示例性实施例的教导，总的来说涉及一种感应电动机的矢量控制装置，并且更具体地，涉及一种被配置为通过无需直径计算的卷绕机控制算法进行操作的感应电动机的矢量控制装置。
背景技术
在例如钢铁、造纸、纺织品和膜制造业的连续产品生产线上，数个电动机同时驱动辊子。在连续加工中控制辊子的目的在于，恒定地保持生产线的生产线速度并同时保持对材料的张力。当由于速度偏差而在辊子上产生过大的张力时，材料可能断裂，而当产生过小的张力时，可能发生扭曲。当连续加工系统中的高级控制器响应于线速度命令而计算材料的直径和电动机命令转矩，并且指示逆变器时，逆变器根据该命令转矩来驱动电动机。这样，通过逆变器对电动机进行的精确控制可以确定连续产品生产线上辊子的稳定运行。
发明内容
本公开的示例性实施例在于提供一种被配置为通过无直径计算的卷绕机控制算法进行操作的感应电动机的矢量控制装置，由此能增强操作可靠性。
在本公开的一个总的方案中，提供了一种矢量控制装置，其被配置为不使用直径计算来控制电动机的张力，该矢量控制装置包括：
张力速度产生器，其被配置为通过把PID(比例积分微分)输出值加到计算补偿增益值的值上，代替所要控制的电动机的直径计算值和从外部提供的命令线速度，来产生用于恒定地保持电动机张力的命令速度信息；和
矢量控制器，其被配置为通过接收所述张力速度产生器提供的命令速度信息来执行电动机的张力控制。
优选地，但非必须地，所述张力速度产生器可包括：比较器，其被配置为将从外部输入的PID命令与PID反馈值进行比较并响应于比较而输出PID值的偏差；PID控制器，其被配置为输出用于对从所述比较器输出的PID值的偏差进行补偿的PID输出；补偿增益计算元件，其被配置为通过确定PID输出来计算与电动机的直径值对应的补偿增益；乘法器，其被配置为使从外部提供的用于控制电动机的命令速度乘以补偿增益；和加法器，其被配置为使从所述乘法器输出的命令速度与从所述PID控制器输出的PID输出相加。
优选地，但非必须地，被配置为通过所述矢量控制装置控制电动机的最终命令速度计算结果，可基于公式(命令速度[rad/s]＝{(线速度命令[rad/s]*补偿增益(Comp Gain))+PID输出[rad/s]})来计算。
本公开的有益效果
根据本公开示例性实施例的感应电动机的矢量控制装置具有的第一个有益效果在于，由补偿增益计算元件通过使用PID控制器的输出值来计算补偿增益。
第二个有益效果是，通过在PID控制器之外将计算得到的补偿增益施加于命令线速度来对用于保持张力的线速度进行补偿而不使用直径计算，实现了一种不使用直径计算的、用于恒定地保持张力的、无直径计算的卷绕机速度控制算法。
附图说明
图1是示出了根据本公开的示例性实施例的无直径计算的速度控制卷绕机算法的框图。
图2是示出了根据本公开的另一示例性实施例的无直径计算的速度控制卷绕机算法的框图。
图3是示出了图2的补偿增益计算元件的框图。
具体实施方式
下文中，通过审查下面的附图和详细说明，所公开的实施例的特征和优点对于本领域技术人员来说将是或将变得明显。将参考附图详细描述根据本公开的示例性实施例的感应电动机的矢量控制装置。
本公开涉及一种无直径计算的卷绕机速度控制算法，其能够在线速度和基准张力被指示给连续加工线上的逆变器时通过响应于材料的实际直径变化而计算电动机的命令转矩但不使用直径计算来恒定地保持逆变器的张力，从而执行张力控制而不会使得材料断裂和扭曲。
逆变器通过响应于材料直径而执行电动机命令速度和张力控制来驱动电动机。在这种情况下，逆变器使用直径计算算法并使用从其获得的直径来控制电动机命令速度和张力控制，其中张力PID控制器对瞬时张力进行补偿。
在通过在矢量逆变器上安装卷绕机功能使用PID控制器来执行电动机命令转矩和张力控制时，本公开被配置为通过提出一种不使用材料的直径计算的新的无直径计算的速度控制卷绕机算法来改进逆变器功能。
图1是示出了根据本公开的示例性实施例的感应电动机的矢量控制装置的框图。
参见图1，感应电动机的矢量控制装置包括张力速度产生器100和矢量控制器200。张力速度产生器100包括比较器10、PID控制器11、直径计算元件12、加法器1和命令速度计算元件2。
比较器10比较从外部输入的命令速度、从外部输入的PID命令和实际PID反馈值(Fbk)，并响应于其比较而输出偏差。PID控制器11输出用于对从比较器10输出的PID值的偏差进行补偿的PID输出。加法器1将从外部输入的命令速度与从PID控制器11输出的PID输出相加。直径计算元件12使用命令线速度、命令线速度和最大线速度命令下的电动机的最大速度(RPMmax)和最小直径(Dmin)以及由速度检测器19检测到的旋转速度来计算直径。命令速度计算元件2通过对从加法器1输出的速度施加(applying)从直径计算元件12得到的直径值来计算命令速度。
矢量控制器200包括比较器3、速度控制器4、比较器5、电流控制器6、电压坐标变换器7、3相电压变换器8、矢量控制逆变器9、比较器13、转差(slip)计算元件14、加法器15、积分器16、电流坐标变换器17和电流变换器18。
比较器3将由速度检测器19检测到的旋转速度ωr与由命令速度计算元件2输出的命令值进行比较并响应于其比较而输出偏差。比较器5将用于补偿由比较器3输出的速度所引起的偏差的转矩电流命令值与实际的转矩电流进行比较并输出比较结果。比较器13将从外部输入的磁通电流命令值与实际输出的磁通电流进行比较并输出比较结果。电流控制器6通过在被比较器5和比较器13比较后输出的转矩电流和磁通电流而生成磁通电压命令值和转矩电压命令值电压坐标变换器7将从电流控制器6输出的旋转坐标下的磁通电压命令值和转矩电压命令值从旋转坐标变换为固定坐标，并将其输出。
3相电压变换器8将从电压坐标变换器7输出的固定坐标下的磁通电压命令值和转矩电压命令值变换至固定坐标的3相电压(vas，vbs，vcs)，并将其输出。矢量控制逆变器9将3相电压变换器8的3相电压(vas，vbs，vcs)施加至感应电动机20并使感应电动机旋转。
2相电流变换器18接收在感应电动机20的旋转期间检测到的3相电流(ias，ibs，ics)并输出被变换到固定坐标的d轴和q轴的电流 电流坐标变换器17将从2相电流变换器18输出的固定坐标的电流变换为旋转坐标的实际磁通电流和转矩电流并将其输出。转差计算元件14使用从速度控制器4输出的转矩电流命令值从外部输入的磁通电流命令值和感应电动机转子时间常数Tr来计算转差频率ωsl。加法器15将由转差计算元件14计算得到的转差频率ωsl和由速度检测器19检测到的速度ωr相加。
积分器16对通过加法器15相加得到的值进行积分从而设定由电压坐标变换器7和电流坐标变换器17所使用的转子磁通的位置θ。
接下来将对图1中示出的矢量控制装置进行描述。当感应电动机20旋转时，速度检测器19检测旋转速度ωr并输出检测到的速度。对从外部输入的命令速度、从外部输入的PID命令和实际的PID反馈值(Fbk)进行比较，并将速度输出给加法器1，在加法器1中PID控制器11的输出被相加，PID控制器11输出用于对响应于比较输出偏差的比较器10的输出偏差进行补偿的PID输出。
当通过向从加法器1输出的速度施加从直径计算元件12通过使用命令线速度、在最大线速度命令下的电动机的最大速度(RPMmax)和最小直径以及由速度检测器19检测到的旋转速度而输出的直径值，来将计算最终速度命令的命令速度计算元件2的输出输入至比较器3的正相端(+)时，比较器3从速度检测器19接收输入至反相端(-)的旋转速度ωr以获得这两个值之间的偏差并输出该偏差给速度控制器4。
此外，从外部输入的磁通电流命令值被输入至比较器13的正相端(+)。感应电动机20旋转时所检测到的3相电流(ias，ibs，ics)被2相电流变换器18输出为固定坐标2相电流由2相电流变换器18输出的固定坐标2相电流被输入至电流坐标变换器17并被输出为旋转坐标的实际磁通电流和转矩电流此外，从电流坐标变换器17输出的磁通电流被输出至比较器13的反相端(-)。随后，比较器13得到从外部输入的磁通电流命令值与从电流坐标变换器17输出的实际磁通电流之间的偏差并将该偏差输出至电流控制器6。此外，比较器5在正相端(+)接收从速度控制器4输出的转矩电流命令值并在反相端(-)接收从电流坐标变换器17输出的实际转矩电流从而得到这两个值之间的偏差，所得到的偏差被输出至电流控制器6。然后，作为输入接收从比较器输出的转矩电流和从比较器输出的磁通电流的电流控制器6输出至电压坐标变换器7，经由控制将磁通电压命令值和转矩电压命令值输出至电压坐标变换器7。电压坐标变换器7接收磁通电压命令值和转矩电压命令值通过3相电压变换器8变换为3相电压(vas，vbs，vcs)，并将其提供给矢量控制逆变器9，其中矢量控制逆变器9将该3相电压(vas，vbs，vcs)施加给感应电动机20。这样，感应电动机20旋转，并且此时，通过电流坐标变换器18和2相电流变换器17从实际旋转坐标变换到d轴和q轴的实际磁通电流和转矩电流产生，并且由此产生的电流中的磁通电流被输出至比较器13，而转矩电流被输出至比较器。此外，转差计算元件14使用从外部输入的转矩电流命令值从外部输入的磁通电流命令值和感应电动机转子时间常数来计算转差频率ωsl，并且该转差频率ωsl被输出至加法器15一侧的端子。
随后，加法器15将从速度检测器19输出的速度ωr和从转差计算元件14输出的转差频率ωsl相加并将相加结果输出至积分器16，其中积分器16将对从加法器15输出的值进行积分得到的值(即转子磁通的位置θ)输出至电压坐标变换器7和电流坐标变换器17。这样，电压坐标变换器7和电流坐标变换器17响应于从积分器16输入的转子磁通的位置θ而控制坐标变换，后续操作如前所述。
这样描述的矢量控制装置通过施加主要计算得到的直径值而输出命令速度以用于获得保持张力的转矩命令。此时，为了计算直径，使用者必须知道精确的最大线速度、卷绕机系统的绕线管直径以及传动比。然而，在实际使用了多种绕线管的直径并且不能获得用于直径计算的精确测量值的情况下，此时，若使用计算功能，则只能由PID控制器来补偿响应于实际直径变化的转矩命令变化值。在这种情况下，由于PID控制器的饱和，不能实现响应于瞬时变化的快速控制。这样，就需要一种能够在不存在PID控制器的输出值饱和的前提下应对实际直径变化的控制技术。
为此，根据本公开的矢量控制装置被如此配置：当上级控制器向逆变器发出线速度和张力的指令时，通过向所施加的线速度施加可取代直径值的补偿增益(Comp Gain)来计算命令线速度，并且通过使用经由所施加的张力命令和张力传感器所获得的张力测量值而将命令线速度与计算得到的PID控制器输出值相加来计算命令速度以用于恒定地保持张力。
此时，PID控制器输出值用于补偿增益计算以免产生饱和。可以通过在连续加工生产线上实现无直径计算元件、无直径计算的卷绕机控制算法而预期一种使用矢量控制方法的、使用计算得到的最终命令速度驱动电动机的逆变器的改进。
图2是示出了根据本公开的另一示例性实施例的无直径计算的速度控制卷绕机算法的框图，图3是示出了图2的补偿增益计算元件的框图。
参见图2，根据本公开的示例性实施例被配置为实现无直径计算的卷绕机控制算法的矢量控制装置包括张力速度产生器300和矢量控制器400。
张力速度产生器300包括乘法器31、加法器32、补偿增益计算元件40、PID控制器41和比较器43。
乘法器31提供命令速度，在乘法器31中从外部提供的用于电动机50控制的命令速度乘以从补偿增益计算元件40输出的补偿增益。加法器32将从乘法器31输出的命令速度和从PID控制器41输出的PID输出相加。比较器43将从外部输入的PID命令与PID反馈值(Fbk)进行比较，并输出由该比较产生的偏差。PID控制器41输出用于对从比较器43输出的PID值的偏差进行补偿的PID输出。补偿增益计算元件40通过确定PID控制器41的PID输出而计算与电动机的直径值对应的补偿增益。
此外，速度检测器检测感应电动机50的旋转速度。
矢量控制器400包括比较器33、速度控制器34、比较器35、电流控制器36、电压坐标变换器37、3相电压变换器38、矢量控制逆变器39、比较器42、转差计算元件44、加法器45、积分器46、电流坐标变换器47和电流变换器48。
比较器33将由速度检测器49检测到的旋转速度ωr和从加法器32输出的命令值进行比较，并输出由该比较产生的偏差。速度控制器34输出用于对由比较器33输出的速度产生的偏差进行补偿的转矩电流命令值比较器35将从速度控制器34输出的转矩电流命令值与实际的转矩电流进行比较并输出比较结果。比较器42将从外部输入的磁通电流命令值与实际输出的磁通电流进行比较并输出比较结果。
电流控制器36通过控制器将在被比较器35、比较器42比较之后输出的转矩电流和磁通电流产生作为磁通电压命令值和转矩电压命令值并将其输出。
电压坐标变换器37将从电流控制器36输出的旋转坐标下的磁通电压命令值和转矩电压命令值变换为固定坐标下的磁通电压命令值和转矩电压命令值并将其输出。
3相电压变换器38将从电压坐标变换器37输出的固定坐标下的磁通电压命令值和转矩电压命令值变换为固定坐标下的3相电压(vas，vbs，vcs)并将其输出。矢量控制逆变器39施加3相电压变换器38的3相电压(vas，vbs，vcs)给感应电动机50并使感应电动机旋转。2相电流变换器48接收在感应电动机50的旋转期间检测到的3相电流(ias，ibs，ics)并输出变换到固定坐标下的d轴和q轴的电流
电流坐标变换器47将从2相电流变换器48输出的固定坐标的电流变换为旋转坐标的实际磁通电流和转矩电流并将其输出。转差计算元件44使用从速度控制器34输出的转矩电流命令值和从外部输入的磁通电流命令值以及感应电动机转子时间常数Tr来计算转差频率ωsl。
计算元件44使用从速度控制器34输出的转矩电流命令值从外部输入的磁通电流命令值和感应电动机转子时间常数Tr来计算转差频率ωsl。加法器45将由转差计算元件44计算得到的转差频率ωsl和由速度检测器49检测到的速度ωr相加。积分器46将由加法器45相加得到的值进行积分从而设定由电压坐标变换器37和电流坐标变换器47所使用的转子磁通的位置θ。
现在，将详细描述根据本公开的示例性实施例如此配置的感应电动机的矢量控制装置。
通过使所施加的命令线速度与初始设定的补偿增益(Comp Gain)值相乘而输出速度命令。通过将PID控制器41的输出与所输出的线速度相加而输出最终的命令速度随着卷绕机的操作的进行，材料的直径发生变化，张力也根据材料的变化直径而发生变化。此时，为了将张力保持在预定恒定水平，命令速度值通过PID控制器41而改变，其中，当PID控制器41的输出值超过预定值(PID输出限值)时，补偿增益计算元件40自动加上或减去补偿增益(Comp Gain)值以通过命令线速度乘法器31对值进行补偿，从而减小由PID控制器41改变的速度值。补偿增益计算元件40可被详细限定为如图3中所示。
可基于下面的等式1经由计算得到的补偿增益(Comp Gain)值和PID控制器41的输出来计算最终的命令速度计算结果。
[等式1]
命令速度[rad/s]＝{(线速度命令[rad/s]*补偿增益(Comp Gain))+PID输出[rad/s]}
当由加法器32计算得到的速度命令值被输入至比较器33的正相端(+)时，比较器33接收输入至反相端(-)的速度检测器49的旋转速度ωr以获得这两个值之间的偏差，并将该偏差输出至速度控制器34。速度控制器34的输出被输入至比较器35的正相端(+)。从外部输入的磁通电流命令值被输入至比较器42的正相端(+)。由2相电流变换器48将从感应电动机50在感应电动机50的旋转期间检测到的3相电流(ias，ibs，ics)输出作为固定坐标2相电流由2相电流变换器48输出的固定坐标2相电流被输入至电流坐标变换器47以被输出作为旋转坐标的实际磁通电流和转矩电流由此从电流坐标变换器47输出的磁通电流被输出至比较器42的反相端(-)。
随后，比较器42获得从外部输入的磁通电流命令值与从电流坐标变换器47输出的实际磁通电流之间的偏差并将该偏差输出至电流控制器36。然后，比较器35在正相端(+)接收从速度控制器34输出的转矩电流命令值并在反相端(-)接收从电流坐标变换器47输出的实际转矩电流以得到这两个值之间的偏差，并将由此得到的偏差输出至电流控制器36。此后，已接收了从比较器35输出的转矩电流和从比较器42输出的磁通电流的电流控制器36通过控制将磁通电压命令值和转矩电压命令值输出至电压坐标变换器37。电压坐标变换器37接收磁通电压命令值和转矩电压命令值并通过3相电压变换器38将所接收到的磁通电压命令值和转矩电压命令值变换为3相电压(vas，vbs，vcs)并提供给矢量控制逆变器39。现在，矢量控制逆变器39将3相电压(vas，vbs，vcs)施加给感应电动机50，由此感应电动机50旋转以经由电流坐标变换器47和2相电流变换器48产生被变换到实际旋转坐标的d轴和q轴的实际磁通电流和转矩电流其中由此产生的电流中的磁通电流被输出至比较器42，转矩电流被输出至比较器35。
此外，转差计算元件44使用从速度控制器34输出的转矩电流命令值从外部输入的磁通电流命令值和感应电动机转子时间常数Tr来计算转差频率ωsl，并将转差频率ωsl输出至加法器45一侧的端子。然后，加法器45将从转差计算元件44输出的转差频率ωsl与从速度检测器49输出的速度ωr相加并将相加的结果输出至积分器46，其中积分器46将对从加法器45输出的值进行积分得到的值(即转子磁通的位置θ)输出至电压坐标变换器37和电流坐标变换器47。这样，电压坐标变换器37和电流坐标变换器47响应于从积分器46输入的转子磁通的位置θ而控制坐标变换。后续的操作根据如前所述的内容。
根据本公开示例性实施例的感应电动机的矢量控制装置的第一个有益效果是，由补偿增益计算元件通过使用PID控制器的输出值来计算补偿增益。
第二个有益效果是，通过在PID控制器之外将计算得到的补偿增益施加于命令线速度来对用于保持张力的线速度进行补偿而不使用直径计算，实现了一种不使用直径计算的、用于恒定地保持张力的、无直径计算的卷绕机速度控制算法。
尽管已经参考前述实施方式和优点对本公开进行了详细描述，但是对本领域的技术人员来说，在权利要求的范围内的许多替代、更改和变化将会是显而易见的。因此，应当理解，除非另作说明，否则上述实施例不限于前述描述的任何细节，而是应当在所附权利要求书限定的范围内做广义地解释。

Claims (3)

1.一种矢量控制装置，其被配置为不使用直径计算来控制电动机的张力，该矢量控制装置包括：
张力速度产生器，其被配置为通过把PID(比例积分微分)输出值加到计算补偿增益值的值上，代替所要控制的电动机的直径计算值和从外部提供的命令线速度，来产生用于恒定地保持电动机张力的命令速度信息；和
矢量控制器，其被配置为通过接收所述张力速度产生器提供的命令速度信息来执行电动机的张力控制。
2.如权利要求1所述的矢量控制装置，其中，所述张力速度产生器包括：比较器，其被配置为将从外部输入的PID命令与PID反馈值进行比较并响应于比较而输出PID值的偏差；PID控制器，其被配置为输出用于对从比较器输出的PID值的偏差进行补偿的PID输出；补偿增益计算元件，其被配置为通过确定PID输出来计算与电动机的直径值对应的补偿增益；乘法器，其被配置为使从外部提供的用于控制电动机的命令速度乘以补偿增益；和加法器，其被配置为使从所述乘法器输出的命令速度与从所述PID控制器输出的PID输出相加。
3.如权利要求1所述的矢量控制装置，其中，被配置为通过所述矢量控制装置控制电动机的最终命令速度计算结果，基于公式(命令速度[rad/s]＝{(线速度命令[rad/s]*补偿增益)+PID输出[rad/s]})来计算。
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