CN105656382A - 一种电机转速定速控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机转速定速控制方法及装置，包括：确定电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩；根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定电机的等效阻力距和等效转动惯量；根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩；控制电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。本发明提供的电机转速定速控制方法及装置，能够自动求解电机运行时负载阻力矩的大小，并能在电机负载发生变化时迅速求出变化后的等效负载阻力矩，使电机快速恢复到目标转速，从而达到定速的目的。

Description

一种电机转速定速控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种电机转速定速控制方法及装置。

背景技术

电动机是一种实现电能量转换的电磁装置。目前，电动机的种类繁多，其中三相交流感应电机的应用最为广泛。

由于三相感应电机应用广泛，其中不乏泵类、马达等要求电机既具有一定变速功能又具有一定恒定转速性能的场合，尤其在用电机作牵引动力的场合，比如机车、地铁、轻轨等交通类设施，这些场合均会要求牵引电机按照指定转速运行，这就需要电机控制单元具有定速控制功能。三相感应电机通常用的调速方法有变级调速以及变频调速。

变级调速方法是根据三相感应电机转速公式：

n＝60f₁(1-S)/p

通过改变三相感应电机定子绕组的磁极对数来改变电机转速，其中，n为电机转速，f₁为定子频率，S为转差率，p为磁极对数；变频调速是三相感应电机应用最多的一种调速方法，其原理是在电机定子绕组极对数一定的情况下，旋转磁场的转速与电源频率成正比，连续的调节电源频率可以平滑地调节电机转速。这两种调速方法都能使电机达到指定转速，但其定速稳定性比较差。

发明内容

本发明提供一种电机转速定速控制方法及装置，用以解决现有技术中电机转速定速稳定性较差的问题。

本发明提供一种电机转速定速控制方法，包括：

确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

本发明提供一种电机转速定速控制装置，包括：

第一确定模块，用于确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

第二确定模块，用于根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

第三确定模块，用于根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

控制模块，用于控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

本发明提供的电机转速定速控制方法及装置，通过获得电机在达到目标转速前的不同输出转矩所对应的加速度和电磁转矩，求解电机运转过程中的等效负载阻力矩与等效转动惯量，以得到的等效阻力距和等效转动惯量为依据确定电机达到目标转速时所需的待施加电磁转矩，以该待施加电磁转矩作用到电机上，使电机快速达到定速运转的状态。当电机转速达到目标转速后，根据电机的实时运转状态即加速度、输出转矩来确定需要重新施加到电机上的电磁转矩，使得电机能够快速重新达到目标转速，并稳定维持在目标转速的定速运转状态，具有良好的定速效果。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的电机转速定速控制方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的电机转速定速控制方法的流程图；

图3为本发明实施例三提供的电机转速定速控制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的电机转速定速控制装置的结构示意图。

具体实施方式图

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的电机转速定速控制方法的流程图，本实施例提供的所述电机转速定速控制方法可以由一控制装置来执行，该控制装置与被控制的电机连接，用于在电机需要进行定速运转时，控制电机达到并维持电机以目标转速进入定速运转状态。如图1所示，本实施例提供的所述电机转速定速控制方法，具体包括如下步骤：

步骤101、确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

具体地，在需要控制电机以目标转速进行定速运转时，首先根据电机在未满足目标转速时在不同转速状态下的输出转矩，即上述的第一输出转矩和第二输出转矩，分别计算出第一输出转矩和第二输出转矩对应的第一加速度、第一电磁转矩以及第二加速度和第二电磁转矩。具体来说，假设电机开始运转之后稳定于第一输出转矩，此时，电机转速为第一转速，由该第一转速计算得到电机的第一加速度，并根据此时电机的输入电流来计算获得电机的第一电磁转矩。之后，比如可以通过调整控制装置调整输出到电机上的电压脉冲来改变电机的输出转矩为第二输出转矩，从而相应的计算获得电机的第二加速度和第二电磁转矩。

进一步的，当电机输出转矩稳定在第一输出转矩时，获取此时电机的三相电流即第一输入电流，可以根据如下公式计算此时电机的第一电磁转矩T1：

$T_1=C_m\mathrm{\φ}{E}_{20}{\mathrm{SR}}_2/(R_2^2+X_{L2}^2)$

其中，C_m为电机结构常数，R₂为转子电阻，S为转差率，Φ为旋转磁场每极磁通，E₂₀为转子不动时感应电动势，X_L2为转子漏感抗。其中，E₂₀的大小与定子电流有关，X_L2的大小与定子电流和转速有关。

获取此时电机的第一转速ω₁，并通过电机转速加速度的计算公式：

a₁＝dω₁/dt₁

计算此时电机转速的第一加速度a₁，其中，此时刻对应的时间为t1。

通过调整控制装置调整输出到电机上的电压脉冲，当电机输出转矩稳定在第二输出转矩时，获取此时电机的三相电流即第二输入电流，根据如下公式计算此时电机的第二电磁转矩T₂：

$T_1=C_m\mathrm{\φ}{E}_{20}{\mathrm{SR}}_2/(R_2^2+X_{L2}^2)$

获取此时电机的第二转速ω₂，并通过电机转速加速度的计算公式：

a₂＝dω₂/dt₂

计算此时电机转速加速度a₂，其中，此时刻对应的时间为t₂。

上述步骤101的方法中，由于所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度、所述第二电磁转矩是在电机转矩稳定在第一输出转矩与第二输出转矩时计算出的，因此，确保了计算出的所述第一加速度、第一电磁转矩、第二加速度、第二电磁转矩都是一个定值，从而方便后续计算。

步骤102、根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

具体地，考虑到实际应用中，改变电机转矩成为T₂后，负载也可能发生变化，从而使上述所述a₁、所述a₂相同，为了获得两次不同的加速度，因此，需要对所述a₁与所述a₂的值进行比较，若所述a₁的值等于所述a₂的值或所述T₁的值等于所述T₂的值，则再次改变电机的输出转矩，以获得两次不同的加速度。若所述a₁的值不等于所述a₂的值，则可以根据公式：

T_f＝(a₁×T₂-a₂×T₁)/(a₁-a₂)

计算等效阻力矩T_f，并可以根据公式：

J＝(T₂-T₁)/(a₂-a₂)

计算电机的等效转动惯量J。

上述步骤102的方法中将所述a₁与所述a₂的值进行比较，确保了获得的第一加速度与第二加速度是两个不同的值，从而进一步确保了可以应用阻力矩与转动惯量的计算公式进行计算。

步骤103、根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

步骤104、控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

具体地，根据步骤102获取所述电机的等效阻力矩和等效转动惯量之后，可以根据电机达到目标转速时所需输出的电磁转矩与当前电机的等效阻力距和等效转动惯量之间的相互关系来确定为使电机达到目标转速所需要施加的电磁转矩。从而以该电磁转矩作用到电机上，以使电机能够快速达到目标转速。

进一步可选地，步骤103中根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩，可以通过如下方式实现：通过判断电机的实际转速ω与预先设定的电机在定速运转时所需达到的转速ω₀之间的大小关系，确定待施加电磁转矩，其中电机的实际转速ω可以是所述第二转速ω₂，也可以是不同于所述第二转速的电机实际转速。其中，

若ω<ω₀-β，则通过调节作用到电机上的电压输出脉冲，使得待施加电磁转矩T＝T_f+J×a_u，以使电机的转速增大，从而使电机转速达到目标转速。其中，所述a_u为设定的电机最大加速度，β为定速控制允许的电机转速误差。

若ω>ω₀+β，此时电机的等效阻力矩减小，通过调节作用到电机上的电压脉冲矢量，使得待施加电磁转矩T＝T_f-J×a_d，以使电机的转速减小，从而使电机转速达到目标转速。其中，所述a_d为设定的电机最大减速度。

当电机的实际转速ω₀-β<ω<ω₀+β时，通过调节作用到电机上的电压脉冲矢量，使得待施加电磁转矩T＝T_f，保持电机发挥的电磁转矩T＝T_f，即可保持电机转速维持在ω₀范围内。

本实施例提供的电机转速定速控制方法，通过获得电机在达到目标转速前的不同输出转矩所对应的加速度和电磁转矩，以求解电机运转过程中的等效负载阻力矩与等效转动惯量，进而得到电机的等效阻力距和等效转动惯量。当电机的实际转速不在所述ω₀的范围内时，通过获得的等效阻力矩和等效转动惯量能够快速确定电机达到目标转速时所需的待施加电磁转矩，从而能够使电机快速达到目标转速，维持电机在目标转速范围内稳定运转。

图2为本发明实施例二提供的电机转速定速控制方法的流程图，如图2所示，本实施例提供的电机转速定速控制方法，包括以下步骤：

步骤201、电机进入定速运转后，实时监测电机的转速以及电机的电流，判断负载是否发生变化。

步骤202、若所述负载变大，电机的实际转速ω降低，即ω<ω₀-β，此时电机等效阻力矩增大，通过调节作用到电机上的电压输出脉冲，使得待施加电磁转矩T＝T_f+J×a_u，以使电机的转速增大，从而使电机转速重新达到目标转速。

步骤203、若所述负载变小时，电机的实际转速ω增大，即ω>ω₀+β，此时电机的等效阻力矩减小，通过调节作用到电机上的电压脉冲矢量，使得待施加电磁转矩T＝T_f-J×a_d，以使电机的转速减小，从而使电机转速重新达到目标转速。

其中，上述步骤202与步骤203顺序可交换。

本实施例中，当由于负载发生变化等原因使电机运转在非目标转速时，根据电机的实时运转状态即加速度、输出转矩来确定需要施加到电机上的电磁转矩，以使电机能够快速达到目标转速，使电机能够稳定维持在目标转速的定速运转状态，具有良好的定速效果。

图3为本发明实施例三提供的电机转速定速控制装置的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的电机转速定速控制装置，包括：

第一确定模块11，用于确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

第二确定模块12，用于根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

第三确定模块13，用于根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

控制模块14，用于控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

进一步地，所述第一确定模块11，包括：获取单元111，用于获取在所述第一输出转矩时所述电机的第一转速和第一输入电流，其中，本实施例获取单元111可以包括电流传感器和电压传感器；确定单元112，用于根据所述第一转速确定所述电机的第一加速度，根据所述第一输入电流确定所述电机的第一电磁转矩；所述获取单元111，还用于获取在所述第二输出转矩时所述电机的第二转速和第二输入电流；所述确定单元112，还用于根据所述第二转速确定所述电机的第二加速度，根据所述第二输入电流确定所述电机的第二电磁转矩。

进一步地，所述第二确定模块12，具体用于,根据公式：

T_f＝(a₁×T₂-a₂×T₁)/(a₁-a₂)

确定所述电机的阻力距T_f；根据公式：

J＝(T₂-T₁)/(a₂-a₂)

确定所述电机的等效转动惯量J，其中，a₁和a₂分别为所述第一加速度和所述第二加速度，T₁和T₂分别为所述第一电磁转矩和所述第二电磁转矩。

进一步地，所述第三确定模块13，具体用于,根据公式:

$T=\{\begin{array}{cc}{T}_f+J\&times;a_u& w<w_0-\mathrm{\&beta;}\\ T_f& w_0-\mathrm{\&beta;}<w<w_0+\mathrm{\&beta;}\\ T_f-J\&times;a_d& w>w_0+\mathrm{\&beta;}\end{array}$

确定待施加电磁转矩T,其中，w为所述当前转速，w₀为所述目标转速，a_u和a_d分别为所述电机的最大加速度和最大减速度，β是定速控制所允许的电机转速误差。

本实施例提供的所述控制装置可以用于执行如图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图4为本发明实施例四提供的电机转速定速控制装置的结构示意，如图4所示，本实施例提供的所述控制装置在图3所示实施例的基础上，还包括：检测模块21，用于实时或周期性检测所述电机在进行所述定速运转后的实际转速；

相应的，所述获取单元111还用于获取检测模块21检测到的所述电机在进行所述电机定速运转后的实际转速和实际输入电流；确定单元112，还用于根据所述电机定速运转后的实际转速和实际输入电流，确定电机的实际加速度和电机的实际电磁转矩；

所述第二确定模块12，还用于若所述实际转速超过w₀±β的目标转速范围，则根据所述实际转速对应的加速度和电磁转矩重新确定等效阻力距和等效转动惯量；

相应地，所述第三确定模块13，还用于根据重新确定的等效阻力距和重新确定的等效转动惯量确定新的待施加电磁转矩；

所述控制模块14，还用于以所述新的待施加电磁转矩控制所述电机的转速不超过所述w₀±β的目标转速范围。

本实施例提供的所述控制装置可以用于执行如图2所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电机转速定速控制方法，其特征在于，包括：

确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

2.根据权利要求1所述的电机转速定速控制方法，其特征在于，所述确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，包括：

获取在所述第一输出转矩时所述电机的第一转速和第一输入电流，并根据所述第一转速确定所述电机的第一加速度，根据所述第一输入电流确定所述电机的第一电磁转矩；

获取在所述第二输出转矩时所述电机的第二转速和第二输入电流，并根据所述第二转速确定所述电机的第二加速度，根据所述第二输入电流确定所述电机的第二电磁转矩。

3.根据权利要求1所述的电机转速定速控制方法，其特征在于，所述根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量，包括：

根据如下公式(1)确定所述电机的阻力距T_f：

T_f＝(a₁×T₂-a₂×T₁)/(a₁-a₂)(1)

根据如下公式(2)确定所述电机的等效转动惯量JJ：

J＝(T₂-T₁)/(a₂-a₂)(2)

其中，a₁和a₂分别为所述第一加速度和所述第二加速度，T₁和T₂分别为所述第一电磁转矩和所述第二电磁转矩。

4.根据权利要求3所述的电机转速定速控制方法，其特征在于，所述根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，包括：

根据如下公式(3)确定待施加电磁转矩T：

$T=\left\{\begin{array}{cc}{T}_f+J\&times;a_u& w<w_0-\mathrm{\&beta;}\\ T_f& w_0-\mathrm{\&beta;}<w<w_0+\mathrm{\&beta;}\\ T_f-J\&times;a_d& w>w_0+\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，w为所述当前转速，w₀为所述目标转速，a_u和a_d分别为所述电机的最大加速度和最大减速度，β是定速控制所允许的电机转速误差。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机转速定速控制方法，其特征在于，所述控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转之后，还包括：

实时或周期性检测所述电机在进行所述定速运转后的实际转速；

若所述实际转速超过w₀±β的目标转速范围，则根据所述实际转速对应的加速度和电磁转矩重新确定所述等效阻力距和所述等效转动惯量；

根据重新确定的等效阻力距和重新确定的等效转动惯量确定新的待施加电磁转矩，并以所述新的待施加电磁转矩控制所述电机的转速不超过所述w₀±β的目标转速范围。

6.一种电机转速定速控制装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于确定所述电机在达到第一输出转矩时所对应的第一加速度和第一电磁转矩，以及所述电机在达到第二输出转矩时所对应的第二加速度和第二电磁转矩，其中，所述第一输出转矩和所述第二输出转矩为所述电机的转速不为目标转速时的两不同转速分别对应的输出转矩，所述目标转速为所述电机在定速运转时所需达到的转速；

第二确定模块，用于根据所述第一加速度、所述第一电磁转矩、所述第二加速度和所述第二电磁转矩确定所述电机的等效阻力距和等效转动惯量；

第三确定模块，用于根据所述等效阻力距和所述等效转动惯量确定待施加电磁转矩，所述待施加电磁转矩为所述电机从当前转速达到所述目标转速所需要的电磁转矩；

控制模块，用于控制所述电机的输出转矩达到所述待施加电磁转矩，以使所述电机进行所述目标转速的定速运转。

7.根据权利要求6所述的电机转速定速控制装置，其特征在于，所述第一确定模块，包括：

获取单元，用于获取在所述第一输出转矩时所述电机的第一转速和第一输入电流；

确定单元，用于根据所述第一转速确定所述电机的第一加速度，根据所述第一输入电流确定所述电机的第一电磁转矩；

所述获取单元，还用于获取在所述第二输出转矩时所述电机的第二转速和第二输入电流；

所述确定单元，还用于根据所述第二转速确定所述电机的第二加速度，根据所述第二输入电流确定所述电机的第二电磁转矩。

8.根据权利要求6所述的电机转速定速控制装置，其特征在于，所述第二确定模量，具体用于：

根据如下公式(1)确定所述电机的阻力距T_f：

T_f＝(a₁×T₂-a₂×T₁)/(a₁-a₂)(1)

根据如下公式(2)确定所述电机的等效转动惯量J：

J＝(T₂-T₁)/(a₂-a₂)(2)

其中，a₁和a₂分别为所述第一加速度和所述第二加速度，T₁和T₂分别为所述第一电磁转矩和所述第二电磁转矩。

9.根据权利要求8所述的电机转速定速控制装置，其特征在于，所述第三确定模块，具体用于：

根据如下公式(3)确定待施加电磁转矩T：

$T=\left\{\begin{array}{cc}{T}_f+J\&times;a_u& w<w_0-\mathrm{\&beta;}\\ T_f& w_0-\mathrm{\&beta;}<w<w_0+\mathrm{\&beta;}\\ T_f-J\&times;a_d& w>w_0+\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，w为所述当前转速，w₀为所述目标转速，a_u和a_d分别为所述电机的最大加速度和最大减速度，β是定速控制所允许的电机转速误差。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电机转速定速控制装置，其特征在于，还包括：

检测模块，用于实时或周期性检测所述电机在进行所述定速运转后的实际转速；

所述第二确定模块，还用于若所述实际转速超过w₀±β的目标转速范围，则根据所述实际转速对应的加速度和电磁转矩重新确定所述等效阻力距和所述等效转动惯量；

所述第三确定模块，还用于根据重新确定的等效阻力距和重新确定的等效转动惯量确定新的待施加电磁转矩；

所述控制模块，还用于以所述新的待施加电磁转矩控制所述电机的转速不超过所述w₀±β的目标转速范围。