CN105634355B - 变频器和用于变频器的控制装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于变频器的控制装置和控制方法，该装置包括：第一计算模块，其基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压的差值生成调节量；第二计算模块，用于基于变频器驱动的异步电机的特性和该调节量计算变频器的矢量控制使用的随着该调节量的增大而增大的励磁电流的给定值；以及，第三计算模块，其基于异步电机的反馈转速和给定转速的差值生成转矩电流的初步给定值，以及基于该初步给定值和转矩电流的给定值的上限值和下限值计算变频器的矢量控制使用的转矩电流的给定值，该上限值和下限值的绝对值随着该调节量的增大而减小。利用该装置和方法，能实现变频器的过励磁制动且不出现变频器的输出电流过流和直流母线过压等故障。

Description

变频器和用于变频器的控制装置和控制方法

技术领域

本发明涉及变频器领域，尤其涉及变频器和用于变频器的控制装置和控制方法。

背景技术

随着技术的发展，变频调速系统在工业和日常生活中得到了广泛的应用。变频调速系统通常包括用于牵引负载工作的异步电机和用于通过改变电源的频率来向异步电机提供其所需要的电源电压的变频器。

当异步电机所牵引的负载减速或停车时，变频器需要对异步电机进行制动。其中，变频器的过励磁制动是许多变频器制动方式的其中一种。目前，变频器的过励磁制动通过增加异步电机的定子的励磁电流的给定值或通过增加变频器的输出电压来实现。

然而，在目前的变频器的过励磁制动中，增加异步电机的定子的励磁电流的给定值和增加变频器的输出电压都是开环实现的，因此，当变频器进行过励磁制动时，变频器容易出现故障，例如变频器的输出电流过流或直流母线过压等。

发明内容

考虑到现有技术的以上缺陷，本发明实施例提供变频器和用于变频器的控制装置和控制方法，其不但能够实现变频器的过励磁制动，而且不会出现变频器的输出电流过流和直流母线过压故障。

按照本发明的实施例的一种用于变频器的控制装置，包括：第一计算模块，用于基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值执行调节处理以生成调节量；第二计算模块，用于基于所述变频器所驱动的异步电机的特性来计算所述异步电机的定子的励磁电流的初步给定值，并且计算所述初步给定值与所述调节量的乘积作为所述变频器的矢量控制所使用的所述异步电机的定子的励磁电流的给定值，其中，所述励磁电流的给定值随着所述调节量的增大而增大；以及，第三计算模块，用于基于所述异步电机的反馈转速和给定转速之间的差值来执行调节处理以生成所述定子的转矩电流的初步给定值，以及基于所述转矩电流的初步给定值和所述转矩电流的给定值的上限值和下限值来计算所述变频器的矢量控制所使用的所述转矩电流的给定值，其中，所述上限值的绝对值和所述下限值的绝对值随着所述调节量的增大而减小。

其中，所述控制装置还包括：第四计算模块，用于基于所述异步电机的反馈转速计算所述异步电机的转子位置角；坐标变换模块，用于基于所述转子位置角对所述变频器输出的至少两相电流值进行坐标变换，以获得所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值；解耦模块，用于基于所述转子位置角、所述励磁电流的给定值、所述转矩电流的给定值、所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值来计算α轴输出电压和β轴输出电压；以及，脉宽调制模块，用于基于所述α轴输出电压和所述β轴输出电压来生成用于控制所述变频器的工作电路的脉宽调制信号。

按照本发明的实施例的一种用于变频器的控制方法，包括：基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值执行调节处理以生成调节量；基于所述变频器所驱动的异步电机的特性来计算所述异步电机的定子的励磁电流的初步给定值，并且计算所述初步给定值与所述调节量的乘积作为所述变频器的矢量控制所使用的所述异步电机的定子的励磁电流的给定值，其中，所述励磁电流的给定值随着所述调节量的增大而增大；基于所述异步电机的反馈转速和给定转速之间的差值来执行调节处理以生成所述定子的转矩电流的初步给定值；以及，基于所述转矩电流的初步给定值和所述转矩电流的给定值的上限值和下限值，计算所述变频器的矢量控制所使用的所述转矩电流的给定值，其中，所述上限值的绝对值和所述下限值的绝对值随着所述调节量的增大而减小。

其中，所述控制方法还包括：基于所述异步电机的反馈转速计算所述异步电机的转子位置角；基于所述转子位置角对所述变频器输出的至少两相电流值进行坐标变换，以获得所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值；基于所述转子位置角、所述励磁电流的给定值、所述转矩电流的给定值、所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值，计算α轴输出电压和β轴输出电压；以及，基于所述α轴输出电压和所述β轴输出电压来生成用于控制所述变频器的工作电路的脉宽调制信号。

从上面的描述可以看出，在按照本发明的实施例的方案中，变频器的矢量控制所使用的励磁电流的给定值随着基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值所生成的调节量增大而增大，而变频器的矢量控制所使用的转矩电流的给定值的上限值和下限值的绝对值随着改调节量增大而减小。从而，当异步电机所牵引的负载减速或停车而导致异步电机向变频器输入功率时，变频器的直流母线的实际电压快速升高而大于变频器的直流母线的给定电压。因而，基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值所生成的调节量增大，相应地，励磁电流的给定值增大以及转矩电流的给定值的上限值和下限值的绝对值减小，而转矩电流的给定值的上限值和下限值的绝对值减小导致转矩电流的给定值也减小。由于励磁电流的给定值增大使得变频器能够实现过励磁制动，而转矩电流的给定值减小使得不会出现变频器的输出电流过流和直流母线过压等故障，因此，与现有技术相比，按照本发明的实施例的方案不但能够实现变频器的过励磁制动，而且不会出现变频器的输出电流过流和直流母线过压等故障。

附图说明

本发明的其它特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：

图1示出了按照本发明一个实施例的变频器的示意图；

图2示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制方法的流程图；

图3示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制装置的示意图；以及

图4示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制设备的示意图。

具体实施方式

下面，将结合附图详细描述本发明的各个实施例。

现在参见图1，其示出了按照本发明一个实施例的变频器的示意图。如图1所示，变频器100包括工作电路200和控制设备300。其中，工作电路200用于通过改变电源的频率的方式来向异步电机400提供其需要的电源电压以驱动异步电机400，其主要包括整流(交流变直流)部分、滤波部分、逆变(直流变交流)部分和驱动单元等。控制设备300用于对工作电路200执行矢量控制并且实现变频器100的过励磁制动。

现在参见图2，其示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制方法的流程图。图2所示的控制方法由变频器100中的控制设备300实现。

如图2所示，在步骤S200，控制设备300计算变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}和实际电压U_{dc_fed}之间的电压差值ΔU。

在步骤S204，控制设备300计算异步电机400的给定转速ω_r ^*和反馈转速ω_r之间的转速差值Δω。其中，反馈转速ω_r可以用编码器从异步电机400检测得到。

在步骤S208，控制设备300通过对异步电机400的反馈转速ω_r执行积分运算，计算得到异步电机400的转子位置角θ。

在步骤S212，控制设备300对步骤S200计算的电压差值ΔU执行比例积分(PI)调节处理，计算得到调节量T1。

在步骤S216，控制设备300根据异步电机400的特性来计算异步电机400的定子的励磁电流的初步给定值，并且计算该初步给定值与调节量T1的乘积作为异步电机400的定子的励磁电流的给定值i_{sd_ref}。这里，根据异步电机400的特性来计算异步电机400的定子的励磁电流的初步给定值，与本领域公知的根据异步电机的特性来计算异步电机的定子的励磁电流的给定值是相同的，因此，这里省略对其的具体描述。

在步骤S220，控制设备300根据调节量T1设置异步电机400的定子的转矩电流的给定值的上限值和下限值。其中，该上限值的绝对值和该下限值的绝对值随着调节量T1的增大而变小。例如，当调节量T1等于1时，该上限值和该下限值分别为初始设置的10和-10；当调节量T1等于1.5时，该上限值和该下限值分别为6和-6；当调节量T1等于2时，该上限值和该下限值分别为4和-4。

在步骤S224，控制设备300对步骤S204计算的转速差值Δω执行PI调节处理，计算得到异步电机400的定子的转矩电流的初步给定值。

在步骤S228，控制设备300根据步骤S220所设置的转矩电流的给定值的上限值和下限值以及步骤S224所计算的转矩电流的初步给定值，计算异步电机400的定子的转矩电流的给定值i_{sq_ref}。

其中，如果步骤S224所计算的转矩电流的初步给定值大于步骤S220所设置的转矩电流的给定值的下限值且小于步骤S220所设置的转矩电流的给定值的上限值，则将步骤S224所计算的转矩电流的初步给定值确定为异步电机400的定子的转矩电流的给定值i_{sq_ref}。如果如果步骤S224所计算的转矩电流的初步给定值小于步骤S220所设置的转矩电流的给定值的下限值，则将步骤S220所设置的转矩电流的给定值的下限值确定为异步电机400的定子的转矩电流的给定值i_{sq_ref}。如果如果步骤S224所计算的转矩电流的初步给定值大于步骤S220所设置的转矩电流的给定值的上限值，则将步骤S220所设置的转矩电流的给定值的上限值确定为异步电机400的定子的转矩电流的给定值i_{sq_ref}。

在步骤S232，控制设备300利用步骤S208所计算的异步电机400的转子位置角θ对变频器100向异步电机400输出的A相电流值i_a和B相电流值i_b执行坐标变换，计算得到异步电机400的定子的励磁电流的反馈值(即d轴反馈电流值)i_sd和转矩电流的反馈值(即q轴反馈电流值)i_sq。

步骤S232中的坐标变换对本领域技术而言是公知的，其包括如下两个坐标变换：静止坐标系下的3相到2相的坐标变换和2相静止坐标系到2相旋转坐标系的坐标变换。

其中，静止坐标系下的3相到2相的坐标变换如等于(1)所示。

2相静止坐标系到2相旋转坐标系的坐标变换如等于(2)所示。

在步骤S236，控制设备300利用步骤S208所计算的转子位置角θ、步骤S232所计算的励磁电流的反馈值i_sd和转矩电流的反馈值i_sq、步骤S216所计算的励磁电流的给定值i_{sd_ref}、步骤S228所计算的转矩电流的给定值i_{sq_ref}执行解耦控制处理，以计算α轴输出电压U_sα和β轴输出电压U_sβ。其中，步骤S236的解耦控制处理对于本领域技术人员来说是公知的，因此，这里省略对其的具体描述。

在步骤S240，控制设备300基于步骤S236所计算的α轴输出电压U_sα和β轴输出电压U_sβ，生成脉宽调制(PWM)信号并输出给工作电路200，以控制工作电路200的工作。其中，基于α轴输出电压U_sα和β轴输出电压U_sβ来生成输出给工作电路200的PWM信号对于本领域技术人员而言是公知的，因此，这里省略对其的具体描述。

基于图2所示的控制方法，变频器100的过励磁制动的工作原理如下。

当异步电机400处于牵引状态时，变频器100向异步电机400输入功率，变频器100的直流母线的实际电压U_{dc_fed}保持在与变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}基本相同的水平，因而变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}和实际电压U_{dc_fed}之间的电压差值ΔU很小甚至等于0，且对电压差值ΔU执行PI调节处理得到的调节量T1基本上等于1，从而，励磁电流的给定值i_{sd_ref}就等于根据异步电机400的特性所计算的异步电机400的定子的励磁电流的初步给定值，而异步电机400的定子的转矩电流的给定值的上限值和下限值等于初始设置的上限值和下限值。

当异步电机400牵引的负载减速或停车时，异步电机400从牵引状态转变为发电状态，从而异步电机400反过来给变频器100输入功率，导致变频器100的直流母线的实际电压U_{dc_fed}随之快速升高，大于变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}。因而，变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}和实际电压U_{dc_fed}之间的电压差值ΔU很大，对电压差值ΔU执行PI调节处理得到的调节量T1也会大于1。由于调节量T1大于1，因此，励磁电流的给定值i_{sd_ref}大于根据异步电机400的特性所计算的异步电机400的定子的励磁电流的初步给定值，异步电机400的定子的转矩电流的给定值的上限值和下限值的绝对值小于初始设置的上限值和下限值的绝对值。由于异步电机400的定子的转矩电流的给定值的上限值和下限值的绝对值小于初始设置的上限值和下限值的绝对值，因此，异步电机400的定子的转矩电流的给定值i_{sq_ref}相应地会减小。可见，采用图2所示的控制方法，当异步电机400牵引的负载减速或停车时，励磁电流的给定值i_{sd_ref}被增大，同时转矩电流的给定值i_{sq_ref}被减小。由于励磁电流的给定值i_{sd_ref}被增大使得变频器100能够实现过励磁制动，而转矩电流的给定值i_{sq_ref}被减小使得不会出现变频器100的输出电流过流和直流母线过压等故障，因此，采用图2所示的控制方法不但能够实现变频器100的过励磁制动，而且不会出现变频器100的输出电流过流和直流母线过压等故障。

其它变型

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，在步骤S212和S224执行PI调节处理，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，在步骤S212和S224也可以执行比例积分微分(PID)调节处理、比例(P)调节处理或积分(I)调节处理。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，在步骤S232仅利用变频器100输出的A相电流值i_a和B相电流值i_b执行坐标变换，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，在步骤S232，也可以利用变频器100输出的A相电流值i_a和C相电流值i_c执行坐标变换，或者利用变频器100输出的B相电流值i_b和C相电流值i_c执行坐标变换，或者利用变频器100输出的A相电流值i_a、B相电流值i_b和C相电流值i_c执行坐标变换。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，在步骤S216，计算励磁电流的初步给定值与调节量T1的乘积作为异步电机400的定子的励磁电流的给定值i_{sd_ref}以实现异步电机400的定子的励磁电流的给定值i_{sd_ref}随调节量T1增大而增大，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，也可以通过其它的方式来实现异步电机400的定子的励磁电流的给定值i_{sd_ref}随调节量T1增大而增大。

本领域技术人员应当理解，图2所示的控制方法所包括的各个步骤不需要按照图2所示的次序来顺序执行，其中，某些步骤可以同时执行(例如，步骤S200、S204和S208可以同时执行，步骤S216、S228和S232可以同时执行)，或者某些步骤可以按照与图2所示的次序相反的次序来顺序执行(例如，步骤S204可以在步骤S2200执行之前执行，步骤S208可以在步骤S200和S204执行之前执行，步骤S228可以在步骤S216执行之前执行，步骤S232可以在步骤S216和S228执行之前执行)。

本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，转矩电流的给定值的上限值和下限值各自的绝对值是相同的，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，转矩电流的给定值的上限值和下限值各自的绝对值也可以是不相同的。

本领域技术人员应当理解，上面的实施例中示出的、考虑了变频器100的直流母线的给定电压U_{dc_ref}和实际电压U_{dc_fed}之间的电压差值ΔU而确定的励磁电流的给定值i_{sd_ref}和转矩电流的给定值i_{sq_ref}，不仅可以适用于具有步骤S232所示的坐标变换和步骤S236所示的解耦控制处理的矢量控制，也可以适用于未具有步骤S232所示的坐标变换和步骤S236所示的解耦控制处理的矢量控制。

现在参见图3，其示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制装置的示意图。图3所示的控制装置可以位于变频器100的控制设备300中或者就是控制设备300，并且可以利用软件、硬件(例如集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)、单片机等)或软硬件结合的方式来实现。

如图3所示，控制装置310可以包括第一计算模块312、第二计算模块314和第三计算模块316。

第一计算模块312用于基于变频器100的直流母线的实际电压U_{dc_fed}和给定电压U_{dc_ref}之间的差值执行调节处理以生成调节量T1。

第二计算模块314用于基于变频器100所驱动的异步电机400的特性和调节量T1来计算变频器100的矢量控制所使用的异步电机400的定子的励磁电流的给定值i_{sd_ref}，其中，励磁电流的给定值i_{sd_ref}随着调节量T1的增大而增大。

第三计算模块316用于基于异步电机400的给定转速ω_r ^*和反馈转速ω_r之间的差值来执行调节处理以生成所述定子的转矩电流的初步给定值，以及基于转矩电流的初步给定值和转矩电流的给定值的上限值和下限值来计算变频器100的矢量控制所使用的转矩电流的给定值i_{sq_ref}，其中，所述上限值的绝对值和所述下限值的绝对值随着调节量T1的增大而减小。

其中，控制装置310还可以包括第四计算模块318、坐标变换模块320、解耦模块322和脉宽调制模块324。

第四计算模块318用于基于异步电机400的反馈转速ω_r计算异步电机400的转子位置角θ。

坐标变换模块320用于基于转子位置角θ对变频器100输出的至少两相电流值进行坐标变换，以获得励磁电流的反馈值i_sd和转矩电流的反馈值i_sq。

解耦模块322用于基于转子位置角θ、励磁电流的给定值i_{sd_ref}、转矩电流的给定值i_{sq_ref}、励磁电流的反馈值i_sd和转矩电流的反馈值i_sq来计算α轴输出电压和β轴输出电压。

脉宽调制模块324用于基于α轴输出电压和β轴输出电压来生成用于控制变频器100的工作电路200的脉宽调制信号。

现在参见图4，其示出了按照本发明一个实施例的用于变频器的控制设备的示意图。如图4所示，控制设备300包括存储器410和与存储器410耦合的处理器420，其中，处理器420用于执行控制装置310所包括的各个模块所执行的操作。

本发明的实施例还提供一种机器可读介质，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得机器执行处理器420所执行的操作。

虽然上面参考具体的实施方式描述了本发明，但是本发明的范围并不局限于这里所示出的细节。在不偏离本发明的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改，这些修改都落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于变频器的控制装置，包括：

第一计算模块，用于基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值执行调节处理以生成调节量；

第二计算模块，用于基于所述变频器所驱动的异步电机的特性来计算所述异步电机的定子的励磁电流的初步给定值，并且计算所述初步给定值与所述调节量的乘积作为所述变频器的矢量控制所使用的所述异步电机的定子的励磁电流的给定值，其中，所述励磁电流的给定值随着所述调节量的增大而增大；以及

第三计算模块，用于基于所述异步电机的反馈转速和给定转速之间的差值来执行调节处理以生成所述定子的转矩电流的初步给定值，以及基于所述转矩电流的初步给定值和所述转矩电流的给定值的上限值和下限值来计算所述变频器的矢量控制所使用的所述转矩电流的给定值，其中，所述上限值的绝对值和所述下限值的绝对值随着所述调节量的增大而减小。

2.如权利要求1所述的控制装置，其中，还包括：

第四计算模块，用于基于所述异步电机的反馈转速计算所述异步电机的转子位置角；

坐标变换模块，用于基于所述转子位置角对所述变频器输出的至少两相电流值进行坐标变换，以获得所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值；

解耦模块，用于基于所述转子位置角、所述励磁电流的给定值、所述转矩电流的给定值、所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值来计算α轴输出电压和β轴输出电压；以及

脉宽调制模块，用于基于所述α轴输出电压和所述β轴输出电压来生成用于控制所述变频器的工作电路的脉宽调制信号。

3.一种用于变频器的控制方法，包括：

基于变频器的直流母线的实际电压和给定电压之间的差值执行调节处理以生成调节量；

基于所述变频器所驱动的异步电机的特性来计算所述异步电机的定子的励磁电流的初步给定值，并且计算所述初步给定值与所述调节量的乘积作为所述变频器的矢量控制所使用的所述异步电机的定子的励磁电流的给定值，其中，所述励磁电流的给定值随着所述调节量的增大而增大；

基于所述异步电机的反馈转速和给定转速之间的差值来执行调节处理以生成所述定子的转矩电流的初步给定值；以及

基于所述转矩电流的初步给定值和所述转矩电流的给定值的上限值和下限值，计算所述变频器的矢量控制所使用的所述转矩电流的给定值，其中，所述上限值的绝对值和所述下限值的绝对值随着所述调节量的增大而减小。

4.如权利要求3所述的控制方法，其中，还包括：

基于所述异步电机的反馈转速计算所述异步电机的转子位置角；

基于所述转子位置角对所述变频器输出的至少两相电流值进行坐标变换，以获得所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值；

基于所述转子位置角、所述励磁电流的给定值、所述转矩电流的给定值、所述励磁电流的反馈值和所述转矩电流的反馈值，计算α轴输出电压和β轴输出电压；以及

基于所述α轴输出电压和所述β轴输出电压来生成用于控制所述变频器的工作电路的脉宽调制信号。

5.一种用于变频器的控制设备，包括：

存储器；以及

处理器，与所述存储器耦合，用于执行权利要求4所包括的操作。

6.一种机器可读介质，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得机器执行权利要求3或4所述的方法。

7.一种变频器，包括：

工作电路；以及

如权利要求2所述的控制装置或如权利要求5所述的控制设备。

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