CN104300844A - 多电机同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多电机同步控制系统，主机由两台或两台以上参数相同的异步电机组成的电机组构成，电机组中各个异步电机的接线端子并联连接，电机轴刚性连接，从机2a由两台参数相同的异步电机A、B组成的电机组构成，电机组中各个异步电机的接线端子并联连接，电机轴刚性连接，主机的输出轴与从机的输出轴之间采用刚性连接。主机控制装置和从机控制装置，采用无速度传感器矢量控制方式，以电机组整体为对象进行集中控制和电机转速估算。主机控制装置与从机控制装置之间建立连接，主机的电机状态通过连接传递到从机控制装置，从机控制装置根据主机的电机状态，在从机的同步转速与主机的同步转速相比有较大的差值时，限制从机的同步转速，使其与主机保持同步。

Description

多电机同步控制系统

技术领域

本发明应用于工业电气传动领域，涉及对多电机的同步控制，尤其涉及利用无速度传感器矢量控制对异步电机实行多电机同步控制。

背景技术

异步电机的控制方式通常有三种，即，V/F控制、无速度传感器矢量控制和有速度传感器矢量控制。V/F控制方式是一种宏观控制，用于多电机的同步控制时，在微观上主机和从机差别不大；同步控制比较容易实现。有速度传感器矢量控制，由于电机速度是通过码盘等实测出来的，精度较高，主机和从机的同步控制也很容易实现。而无速度传感器矢量控制与上述两种控制方式不同，电机转速是通过辨识的方式估算出来的，估算精度与电机参数有关，参数越准精度越高，但电机参数很难精确测量。就是同型号同批生产的电机参数也有微小差别，使电机转速的估算出现偏差。因此，直接将无速度传感器矢量控制应用于多电机同步控制中时，尽管各个变频器输出的频率相等，由于每一台变频器的速度环都是相互独立的，电机转速的估算偏差将直接反映到电机转速中，造成输出功率的不平衡，以致在某一瞬间有一台在加速而另一台也可能在减速，出现“顶牛(一台电机处于电动状态，另一台电机处于发电状态)”等问题。

对此，本发明的申请人在专利申请号CN201210352344.X中提出了一种能够防止“顶牛”问题出现的控制方法。其要点是将主机的电机状态及时、准确传递到各个从机；其中包括：电机起/停、电机转矩电流、电机转差率、电机估算转速。在从机的同步速与主机的同步速的差值大于同步速限幅值时，限制从机的同步速，即使主机与从机的电机转速估算有误差，也能使从机与主机保持同步。

由于该方法需要单独(一对一)对电机实行控制，当电机数量较多时，相同数量的控制器不仅成本高，主机控制装置与从机控制装置之间的连接会变得非常复杂，而任何一个连接出现故障，都将导致该从机控制装置无法正常控制，使同步控制失效。并且，过多的连接也使得数据在传递过程中丢失和失真的可能性增大，降低了系统的可靠性。

本发明的目的在于，提供一种既能够使从机与主机保持同步，又能够减少控制器数量，提高系统可靠性的多电机同步控制系统。

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，即使主机和从机通过估算或测得的转速与实际的转速有误差，也能使主机和从机很好地保持同步运行，避免顶牛等问题发生，又能够减少控制器数量，提高系统可靠性的多电机同步控制系统。

发明内容

本发明的技术方案是将主机的电机状态及时、准确传递到各个从机；其中包括：电机起/停、电机转矩电流、电机转差率、电机估算转速。在从机的同步速与主机的同步速的差值大于同步速限幅值时，限制从机的同步速，使从机与主机保持同步。

由于主机控制装置与从机控制装置以电机组整体为对象进行集中控制，与现有技术中一对一的控制方式相比，可以减少控制器的数量。控制器数量的减少，不仅降低了成本，还减少了主机控制装置与从机控制装置之间的连接数量，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的多电机同步控制系统的说明框图；

图2是主机控制装置的系统框图；

图3是从机控制装置的系统框图；

图4是从机同步速限幅流程图；

具体实施方式

在本实施方式中，如图1所示，电机由主机1a、从机2a、从机3a、从机4a构成，主机1a与从机2a、从机3a、从机4a之间，输出轴互相刚性连接。主机1a、从机2a、从机3a、从机4a分别由主机控制装置1、从机控制装置2、从机控制装置3、从机控制装置4控制。主机1a如图2所示由两台电机A、B组成的电机组构成，电机A、B的接线端子并联连接后与主机控制装置1连接，电机A、B的电机轴刚性连接。从机2a与主机1a同样如图3所示由两台电机A、B组成的电机组构成，两台电机A、B的接线端子并联连接后与从机控制装置2连接，电机A、B的电机轴刚性连接。从机3a、从机4a与从机2a同样。主机1a、从机2a、从机3a、从机4a中的电机全部采用参数相同的异步电机，优选同型号或同批生产异步电机。

主机控制装置1和从机控制装置2、3、4分别采用无速度传感器矢量控制方式，以电机组整体为对象进行集中控制和电机转速估算。即，将两台电机轴刚性连接，绕组并联连接的电机作为一台电机，用电机组的电流进行控制和对电机转速的估算。由于两台电机之间参数上的差别，并且无法区分各个电机之间电流的分配，通常认为绕组并联的两台电机是无法正确解耦出各个电机的励磁电流和转矩电流的，即，无速度传感器矢量控制是不适合于同时控制两台电机的情况。

经过发明人的研究，如果绕组并联、电机轴刚性连接，由于两台电机的转速、同步速、电机转差率均相同，电机的负载分配将相同，即，电机处于相同的状态，此时，各个电机的电流、转矩电流、励磁电流不会出现较大的差异。因此，即使电机参数有微小差别，也能以电机组的各项参数来估算电机的转速，而不会出现较大的误差。实际的使用也验证了以电机组整体为对象进行无速度传感器矢量控制，电机的启动以及控制特性均处于可接受的范围。

由于绕组并联、电机轴刚性连接的两台电机，相当于两个定子绕组并联的电机，其等效电路为各个电机等效电路的并联，因此能够按照与单台电机相同的方法，确定电机组的各项参数。如定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感、励磁电感均为单台电机的二分之一，空载励磁电流、定子电流、转子电流则为单台电机的二倍。如果参数采用自整定的方法设定，与单台电机的不同是，空载励磁电流要按照电机空载励磁电流的二倍设定，其他与单台电机时一样设定即可。具体的控制方式可参照现有技术，在此不再赘述。

以下对主机和从机的同步控制进行说明。在以下的说明中，以主机、从机代替电机组，而不区分其中的电机A和B。

如图1所示，主机控制装置1与从机控制装置(2、3、4)通过光传相连，主机1a的状态如，起/停、转差率、转矩电流，主机1a的估算转速(辨识转速)等通过光传，周期性的传输到各从机控制装置(2、3、4)。各从机控制装置(2、3、4)结合主机1a的状态，调整从机(2a、3a、4a)的同步速，使从机(2a、3a、4a)与主机1a保持同步运行。在本实施方式中，从机2a、从机3a、从机4a及从机控制装置2、从机控制装置3、从机控制装置4采用相同的结构，以下，以主机控制装置1、从机控制装置2为例进行说明。

图2是主机控制装置的系统框图，如图2所示，主机控制装置1由主机变频器1b，主机转矩电流/励磁电流计算器1c，主机转差率计算器1d，主机转速估算器1e，主机转速控制器1f，主机转速PI调节器1g，主机转矩电流计算器1h，主机励磁电流计算器1i，主机变频控制器1j构成。

主机转矩电流/励磁电流计算器1c根据主机1a的驱动电流(ia1、ib1、ic1)通过坐标转换的方法求得主机1a的转矩电流it1，励磁电流im1。

主机转差率计算器1d根据主机1a的转矩电流it1，励磁电流im1计算出主机1a的转差率ωs1。

主机转速估算器1e根据主机1a的驱动电流(ia1、ib1、ic1)及驱动电压(va1、vb1、vc1)通过估算的方式计算出主机1的估算转速ω1。估算方法采用现有技术如利用电机的数学模型进行估算。

估算转速ω1反馈到主机转速控制器1f。主机转速控制器1f计算转速的目标值ωref与估算转速ω1之间的差值，该差值作为控制量经主机转速PI调节器1g比例积分(PI)运算后，由主机转矩电流计算器1h计算出转矩电流itref1。主机变频控制器1j根据主机1a的转差率ωs1和估算转速ω1计算主机1a的同步速x，对同步速x进行积分运算求得转子磁链位置θ，由转子磁链位置θ，对主机的转矩电流itref1和励磁电流imref1进行坐标转换产生控制信号对主机变频器1b进行控制，使主机的转速与目标值ωref保持一致。

以上，以闭环的方式对主机的转速进行控制，根据需要也可对主机转矩电流和励磁电流实行闭环控制。此时，将实际的转矩电流it1，励磁电流im1反馈，由转矩电流itref1和励磁电流imref1与其的差值作为控制量输入主机变频控制器1j即可。以上简述了本发明所采用的无速度传感器失量控制技术，作为无速度传感器失量控制可采用任何现有技术，其详细说明可参考现有的文献，在此不再赘述。

图3是从机控制装置的系统框图，如图2所示，从机控制装置2由从机变频器2b，从机转矩电流/励磁电流计算器2c，从机转差率计算器2d，从机转速估算器2e，从机转速控制器2f，从机转速PI调节器2g，从机转矩电流计算器2h，从机励磁电流计算器2i，从机变频控制器2j构成。与图2的主机控制装置1相比，从机控制装置2仅在从机变频控制器2j对同步速的处理方面存在不同，其余部分均相同。

以下，只对从机变频控制器2j中对同步速的处理进行说明，其余部分参照以上主机控制装置1的说明。

图4是从机变频控制器2j中，对从机同步转速进行限幅的流程图，如图4所示，

步骤1中，根据主机1a的转差率ωs1和估算的主机1的转速ω1计算主机1的同步速X。

步骤2中，根据从机2a的转差率ωs2和估算的从机2的转速ω2计算从机2的同步速Y。

步骤3中，计算从机同步速的限幅值H。限幅值H可根据从机的电气特性计算，也可预先计算好，将其存储在存储器中，需要时调用。

步骤4中，计算主机1的同步速X和从机2的同步速Y的同步速差Z。

步骤5中，比较同步速差Z和限幅值H的大小，如同步速差Z大于限幅值H，则限制从机同步速，使同步速差Z保持在较小的范围内，如同步速差Z小于等于限幅值H，则流程结束。

以下，对举例对从机同步速限幅进行说明。

1.同步速差Z<同步速限幅值H时的控制。

例如：

主机转速＝50Hz

主机转差＝0.1Hz

主机同步速X＝50+0.1＝50.1Hz

从机转速＝50Hz

从机转差＝0.12Hz

从机同步速Y＝50+0.12＝50.12Hz

同步速差＝50.12-50.1＝0.01Hz

同步速限幅值H＝0.05Hz

同步速差Z<同步速限幅值H

则对从机2a的同步速不作修正，此时，从机变频控制器2j根据从机同步速Y(50.12Hz)，计算转子磁链位置θ后，对从机的转矩电流itref2和励磁电流imref2进行坐标转换产生控制信号对从机变频器2b进行控制，使从机的转速与目标值ωref保持一致。

2.同步速差Z>同步速限幅值H时的控制。

例如：

主机转速＝50Hz

主机转差＝0.1Hz

主机同步速X＝50+0.1＝50.1Hz

从机转速＝50Hz

从机转差＝0.19Hz

从机同步速Y＝50+0.19＝50.19Hz

同步速差＝50.19-50.1＝0.09Hz

同步速限幅值＝0.05Hz

同步速差Z>同步速限幅值H

则对从机2a的同步速作出修正。

此时，将主机同步速X与同步速限幅值H相加后的值作为从机的同步速Y。即，从机同步速Y＝50.1+0.05＝50.15Hz。从机变频控制器2j根据从机同步速Y(50.15Hz)，计算转子磁链位置θ后，对从机的转矩电流itref2和励磁电流imref2进行坐标转换产生控制信号对从机变频器2b进行控制，使从机的转速与目标值ωref保持一致。

以上是本发明的技术方案的具体实施方式，在该实施方式中，主机和从机都采用了无速度传感器矢量控制，在控制时，如果主机的同步速与从机的同步速的差值大于同步速限幅值，以主机的同步速和同步速限幅值作为从机的同步速对从机实行控制，即使主机和从机的通过估算或测得的转速与实际的转速有误差，也能使主机和从机很好地保持同步运行，避免顶牛等问题发生。实际的测试也证明，本发明的技术方案可使从机与主机运转平稳、可靠。

由于主机1a、从机2a、从机3a、从机4a分别由两台电机组成的电机组构成，对电机组整体进行控制，以四台控制器控制八台电机，如图1所示，只要在主机控制装置1与从机控制装置2、从机控制装置3、从机控制装置4之间设置三条光传用连接即可，不仅减少了控制器数量减低了成本，主机控制装置与从机控制装置之间的连接也变得简单，降低了出现故障的概率，提高了系统的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，只要在本发明的精神和原则之内，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 (8)

1.一种多电机同步控制系统，包括对主机进行控制的主机控制装置和对从机进行控制的从机控制装置，其特征在于，主机由两台或两台以上参数相同的异步电机组成的电机组构成，电机组中各个异步电机的接线端子并联连接，电机轴刚性连接，从机由两台或两台以上参数相同的异步电机组成的电机组构成，电机组中各个异步电机的接线端子并联连接，电机轴刚性连接，主机的输出轴与从机的输出轴之间采用刚性连接，

主机控制装置和从机控制装置，采用无速度传感器矢量控制方式，以电机组整体为对象进行集中控制和电机转速估算，

主机控制装置与从机控制装置之间建立连接，主机控制装置在对主机进行控制时，将主机的电机状态数据通过连接传递给从机控制装置，从机控制装置根据主机的电机状态，在从机的同步速与主机的同步速的差值大于同步速限幅值时，限制从机的同步速，使从机与主机保持同步。

2.根据权利要求1所述的多电机同步控制系统，其特征在于，在从机的同步速与主机的同步速的差值大于同步速限幅值时，将主机的同步速与同步速限幅值相加，将相加值作为从机的同步速，以限制从机的同步速。

3.根据权利要求2所述的多电机同步控制系统，其特征在于，同步速限幅值，根据从机的电气特性计算得到，或预先计算好后存储在存储器中，需要时调用。

4.根据权利要求3所述的多电机同步控制系统，其特征在于，主机控制装置和从机控制装置之间通过光传建立连接。

5.根据权利要求4所述的多电机同步控制系统，其特征在于，主机控制装置将包括电机起/停、电机转差率，电机速度在内的电机状态通过光传传递到从机控制装置，从机控制装置根据主机的电机状态控制从机的起/停和同步速控制。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多电机同步控制系统，其特征在于，所述主机和从机采用参数相同的异步电机，优选同型号或同批生产的异步电机。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多电机同步控制系统，其特征在于，所述主机和从机中的异步电机数量相同。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多电机同步控制系统，其特征在于，所述从机及从机控制装置至少包括二组。