CN104868815A - 一种异步电机的高可靠性控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种异步电机的高可靠性控制装置，包括彼此电连接的采集模块、处理模块和驱动模块。采集模块用于实时采集被控电机三相定子的电流信号和转速信号；处理模块用于计算机端虚拟磁链、单位无功电流和有功电流，计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号以及给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号和无功电流信号，合成给定的三相定子电流信号，还用于对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，驱动模块用于根据PWM开关信号驱动被控电机。本申请还公开了一种异步电机的高可靠性控制方法。本申请提升了电机控制系统的可靠性和稳定性。

Description

一种异步电机的高可靠性控制装置及方法

技术领域

本申请涉及电气工程领域，特别是一种异步电机的高可靠性控制装置及方法。

背景技术

异步电动机作为主要拖动电机，广泛应用于工农业生产和生活中，而且，随着社会的发展，其所占市场比重越来越大。同时，现代工业技术的发展也对异步电动机高性能驱动系统的动态性能要求也越来越高。因此，提高异步电动机系统的性能与效率，对社会经济建设具有巨大意义。

但是，异步电动机运行过程中，由于温度等工况条件的变化，导致电机相关参数发生变化，进而影响电机运行的准确性和稳定性。目前，主要解决方法是采用学习算法或者系统辨识的闭环自适应控制策略，但这种方法的稳定性分析困难，在对电动机稳定性和可靠性要求较高的场合，如航空、航天或核电等，其电动机稳定性较差、可靠性不高，因此异步电动机高可靠性控制成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供一种异步电机的高可靠性控制装置及方法，解决现有技术中电机控制系统稳定性差、可靠性不高的问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种异步电机的高可靠性控制装置，包括彼此电连接的采集模块、处理模块和驱动模块，驱动模块包括逆变器，逆变器和采集模块均用于与被控电机电连接，采集模块还与驱动模块电连接；

采集模块用于实时采集被控电机三相定子的电流信号                                               、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块;

处理模块用于根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和; 被控电机三相机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：;

处理模块用于计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，三相异步电机机转子磁链，转子磁链幅值;;

处理模块用于对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号;

处理模块用于根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号;

处理模块还用于对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，并将PWM开关信号发送至驱动模块； 

驱动模块用于根据PWM开关信号驱动被控电机。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种异步电机的高可靠性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

采集模块实时采集被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块;

处理模块根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和; 被控电机三相机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：;

处理模块计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，三相异步电机机转子磁链，电机转子磁链幅值;;

处理模块对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号；

处理模块根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号;

处理模块对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，并将PWM开关信号发送至驱动模块；

驱动模块根据PWM开关信号驱动被控电机。

本申请的有益效果是，由于本申请采用机端虚拟磁链定向方法，无需任何坐标变换，在自然坐标系下利用定子电流的有功／无功分量，直接实施定子电流的内环控制，使电流内环控制不依赖电机模型及参数，同时，采用基于常规模型设计对电机参数变化敏感度较低的转矩和磁链幅值观测器，保证了电机控制系统的动稳态性能，因而提高了电机控制系统的鲁棒性和可靠性。

附图说明

图1为某些实施例的结构示意图；

图2为某些实施例的原理图；

图3为待控电机转速的对比波形图；

图4为待控电机转矩的对比波形图；

图5为待控电机定子电流的对比波形图；

图6为待控电机机端虚拟磁链幅值的对比波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种异步电机的高可靠性控制装置，在某些实施例中，如图1和图2所示，包括彼此电连接的采集模块1、处理模块2和驱动模块3，驱动模块3包括逆变器31，逆变器31和采集模块1均用于与被控电机4电连接，采集模块1还与驱动模块3电连接，驱动模块3还包括与逆变器31电连接的直流电源单元32，三相交流电经过不可控整流后与逆变器31直流侧相接，为逆变器31直流侧提供直流电源。处理模块2包括DSP芯片、单片机和FPGA中的一种或两种以上的组合。

采集模块1包括但不限于设置在被控电机4三相定子处的电流感应器和被控电机4处的转速感应器，采集模块1用于实时采集被控电机4的三相定子电流信号、、和被控电机4的转速信号，并将采集到的被控电机4的三相定子的电流信号、、和电机转速信号发送至处理模块2。

如图2所示，处理模块2用于根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和。三相定子电压信号、和本身含有大量的高次谐波，主要考虑其基波，因而对其进行积分运算获得仅含基波分量的机端虚拟磁链。被控电机4机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：。

处理模块2用于计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，电机转子三相磁链幅值，电机转子磁链幅值;。上述磁链幅值和电磁转矩信号的观测是基于常规的磁链观测器和转矩观测器，所使用的机端虚拟磁链、电机转子磁链幅值和电磁转矩信号的计算式，避免了磁链位置角估计偏差影响观测器精度的问题，提升了观测精度。

其中，、Rs、、Ls、Lm、np、分别表示电机的转子电感，定子电阻，定子电感，漏感，极对数，定子电流β轴分量，定子电流α轴分量，转子磁链α轴分量，转子磁链β轴分量。

处理模块2用于对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号。

处理模块2用于根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号。在自然坐标系下，直接实施定子有功/无功电流的闭环控制，避免了磁链位置观测对电流内环控制的影响，提高了电机控制系统的可靠性。

处理模块2还用于对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，并将PWM开关信号发送至驱动模块3；

驱动模块3用于根据PWM开关信号驱动被控电机4。通过逆变器31三个桥臂上的开关管的控制端接收处理模块2产生的PWM开关信号，以实现对被控电机4的驱动。

在某些实施例中，采集模块1还用于实时采集逆变器31直流侧电压信号并将采集到的逆变器31直流侧电压信号发送至处理模块；PWM开关信号还用作反馈信号；处理模块2用于根据直流侧电压信号和反馈的PWM开关信号，合成被控电机4三相定子电压信号、和。三相定子电压信号、和的计算式为：；其中，、和分别为反馈的三相PWM开关信号。这代替了使用多个传感器直接获取三相定子的电压，而使用少量的传感器获取逆变器31直流侧电压信号，从而减少了传感器的使用个数，节约了成本。

单位无功电流分量、和的计算式为：，，；单位有功电流分量、和的计算式为：，，。

一种异步电机的高可靠性控制方法，在某些实施例中，包括以下步骤：

S101：采集模块实时采集被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块;

S102：处理模块根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和; 被控电机三相机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：;

S103：处理模块计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，电机转子三相磁链幅值，电机转子磁链幅值;;

S104：处理模块对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号；

S105：处理模块根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号;

S106：处理模块对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号并将PWM开关信号发送至驱动模块；

S107：驱动模块根据PWM开关信号驱动被控电机。

在某些实施例中，PWM开关信号还用作反馈信号；步骤S101采集模块实时采集被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块还包括：采集模块实时采集逆变器直流侧电压信号并将采集到的逆变器直流侧电压信号发送至处理模块；

在步骤S102处理模块根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链之前，还包括：处理模块根据直流侧电压信号和反馈的PWM开关信号，合成被控电机三相定子电压信号、和；三相定子电压信号、和的计算式为：；其中，、和分别为反馈的三相PWM开关信号。

单位无功电流分量、和的计算式为：，，；单位有功电流分量、和的计算式为：，，。

如图3-6所示，分别为异步电机在使用本申请的异步电机控制装置和方法呈现的转速、转矩、定子电流和机端虚拟磁链幅值的实验对比图，每幅图的左边为常规定子电阻的实验结果，图的右边为定子电阻增大35%后所达到的实验结果。由图可以看出，本申请异步电机的控制装置和方法具有动态响应快，稳态精度高等优点，在定子电阻变化35%时，该装置仍具有较好的控制性能，其提高了电机控制系统的可靠性和稳定性。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (6)

1. 一种异步电机的高可靠性控制装置，包括彼此电连接的采集模块、处理模块和驱动模块，所述驱动模块包括逆变器，所述逆变器和采集模块均用于与被控电机电连接，采集模块还与驱动模块电连接，其特征在于：

采集模块用于实时采集被控电机三相定子的电流信号                                               、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块;

处理模块用于根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和; 被控电机三相机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：;

处理模块用于计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，三相异步电机机转子磁链，转子磁链幅值;电磁转矩信号;

处理模块用于对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号;

处理模块用于根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号;

处理模块还用于对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，并将PWM开关信号发送至驱动模块；

驱动模块用于根据PWM开关信号驱动被控电机。

2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

采集模块还用于实时采集逆变器直流侧电压信号并将采集到的逆变器直流侧电压信号发送至处理模块；PWM开关信号还用作反馈信号；处理模块用于根据直流侧电压信号和反馈的PWM开关信号，合成被控电机三相定子电压信号、和；三相定子电压信号、和的计算式为：；其中，、和分别为反馈的三相PWM开关信号。

3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

单位无功电流分量、和的计算式为：，，；单位有功电流分量、和的计算式为：，，。

4. 一种异步电机的高可靠性控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

采集模块实时采集被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块;

处理模块根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链，根据机端虚拟磁链计算单位无功电流分量、和以及单位有功电流分量、和; 被控电机三相机端虚拟磁链的计算式为：,,; 被控电机机端虚拟磁链的幅值的计算式为：;

处理模块计算电机转子磁链幅值和电磁转矩信号，三相异步电机机转子磁链，电机转子磁链幅值;;

处理模块对给定转速信号与转速信号进行PI控制得到给定电磁转矩信号，对给定电磁转矩信号和电磁转矩信号进行PI控制，得到给定的定子有功电流信号，对给定的电机转子磁链幅值与电机转子磁链进行PI控制，得到给定的定子无功电流信号；

处理模块根据给定的定子有功电流信号、给定的定子无功电流信号、单位无功电流分量和单位有功电流分量合成给定的三相定子电流信号;

处理模块对给定的三相电流信号和对应的三相定子的电流信号进行PI控制，得到PWM开关信号，并将PWM开关信号发送至驱动模块；

驱动模块根据PWM开关信号驱动被控电机。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

PWM开关信号还用作反馈信号；

所述采集模块实时采集被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号，并将采集到的被控电机三相定子的电流信号、、和转速信号发送至处理模块的步骤还包括：采集模块实时采集逆变器直流侧电压信号并将采集到的逆变器直流侧电压信号发送至处理模块；

在所述处理模块根据获取的三相定子电压信号、和计算机端虚拟磁链的步骤之前，还包括：处理模块根据直流侧电压信号和反馈的PWM开关信号，合成被控电机三相定子电压信号、和；三相定子电压信号、和的计算式为：

其中，、和分别为反馈的三相PWM开关信号。

6. 根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：

单位无功电流分量、和的计算式为：，，；单位有功电流分量、和的计算式为：，，。