CN1066299C - 直接控制感应电机转矩的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过正弦滤波器向磁感应电机直接施加转矩控制的方法和装置，其能够尽可能地不对已有的DTC方法及DTC装置作出较大的调整。为此需降低由滤波器引起的振动效果。这一点是通过下述方式解决的，即测量流过滤波器的电流和/或滤波器输出电压并根据测得的电压和/或测得的电流修正矢通量理论值和转矩理论值。

Description

直接控制感应电机转矩的方法和装置
本发明涉及大功率电子学领域。其与权利要求1前序部分所述直接控制转矩(直接转矩控制=DTC)的方法有关。
在“直接控制三相传动电动机转矩”，ABB技术3/1995，第19-24页中描述了一种这样的方法及相应的装置。该方法源于在EP-B1-0179356中描述的所谓“直接自动控制”。DTC方法(DTC=直接转矩控制)阐述了一种简单、可靠且高动力的感应电机转矩控制方法。该方法基本上包括以下步骤：
·根据变频器电压计算矢通量实际值
·计算转矩实际值
·借助于磁滞控制器将矢通量实际值和转矩实际值与相应的理论值进行比较
·根据磁滞控制器的输出得到适合开关变频器的最佳矢量
为了在损坏绝缘性的陡峭的电压脉冲边缘出现之前保护电机不受损害，希望在变频器和电机之间接入一个正弦滤波器。例如在EP-A2-0595319中给出了一种适合带有正弦滤波器的脉冲宽度调制变频器系统控制方法。滤波器电容和滤波器电感构成了控制技术中的两个积分器。因此在频率范围内，相对于转换频率在电机电压和变频器电压之间产生180°的相移。也就是说，在DTC方法所需的信号中存在错误符号。由于在电机电压和变频器电压之间存在由正弦滤波器引起的180°相移，所以不能把公知的DTC方法直接用于带有正弦滤波器的装置上。此外，还出现了因滤波器谐振而引起的干扰性振动。
因此，本发明的目的是提供一种直接控制感应电机转矩的方法和装置，所述转矩信号由正弦滤波器供给感应电机，这种方法和装置可在尽可能不对已有方法及装置作出较大调整的情况下就可实现。为此，需有效地减小因滤波器引起的振动。
该目的通过如下的方法和装置实现，其中的方法是：
用于直接控制感应电机(1)转矩的方法，其中多相变频器(2)的输出通过中间连接的正弦滤波器(Lfil，Cfil)送至感应电机，所述方法包括以下步骤：
a)用变频器输出电压uinv和修正值计算矢通量的实际值ψist，所述修正值基本为感应电机定子铜电阻上的电压降；
b)用由变频器给出的电流iinv和矢通量实际值ψist计算转矩实际值Tist；
c)将矢通量实际值的总和ψist和转矩实际值的总和Tist借助磁滞控制器(4)与转矩理论值Tsoll及矢通量理论值ψsoll相比较；
d)根据磁滞控制器(4)和矢通量实际值总和ψist建立适合于变频器的最佳控制矢量S(SA，SB，SC)；其特征在于，
e)测量流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压，和
f)在将矢通量理论值ψsoll和转矩理论值Tsoll输入磁滞控制器(4)之前，根据流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil对其进行修正。
而其中的装置是：
用于直接控制感应电机(1)的转矩的装置，其中多相变频器(2)的输出经过中间连接的正弦滤波器(Lfil，Cfil)供给感应电机，所述装置包括：
(a)转矩控制器(3)，该控制器
-利用变频器输出电压uinv和修正值计算矢通量的实际值ψist，其中修正值基本上是感应电机定子铜电阻上的电压降；
-利用变频器(2)给出的电流iinv和矢通量实际值ψist计算转矩实际值Tist；
-将矢通量实际值的总和ψist和转矩实际值Tist借助于磁滞控制器(4)与外部给定的转矩理论值Tsoll及矢通量理论值ψsoll进行比较；和
-根据磁滞控制器(4)和矢通量实际值ψist得到适合变频器(2)的最佳控制矢量S(SA，SB，SC)；其特征在于，
b)设置有电流和电压测量器件，该器件对流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil进行测量，和
c)设置有在将矢通量理论值ψsoll和转矩理论值Tsoll输入磁滞控制器之前根据流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil对其进行修正的器件。
本发明的核心是，测量流过滤波器的电流和/或滤波器输出电压并根据测得的电压和/或测得的电流来修正矢通量理论值和转矩理论值。
所述修正包括将滤波器输出电压转换成垂直于定子通量的第一分量和平行于定子通量的第二分量并使转矩理论值和矢通量理论值与滤波器输出电压中的振荡部分成比例减小。
用这种方式能有效地减小因正弦滤波器引起的振动。
可以用不同的方式完成分量的计算。可以不测量滤波器输出电压而只测量滤波器电流，并由所测电流算出滤波器电压。这种变换是从属权利要求的内容。此外，本发明还提供了一种用于实现本发明所述方法的装置。
其它实施例可以从相应的从属权利要求中得到。
本发明所述结构的优点在于，通过使用正弦滤波器可在损坏绝缘性的陡峭电压脉冲边缘出现之前保护感应电机不受损害，而且还能在不对DTC方法及相应装置的各部分作很大改动的情况下对其加以利用。此外，能有效地减小由滤波器引起的振动。
下面将根据实施例并结合附图对本发明进行详细描述。
图1是与感应电机相连的电路结构图，其中变频器的输出通过正弦滤波器供给感应电机；
图2是图1的变型例；
图3是根据第一实施例所述本发明装置的方框图；
图4是根据第二实施例所述本发明装置的方框图；
图5是根据第三实施例所述本发明装置的方框图；
图6是根据第四实施例所述本发明装置的方框图；
图7是根据第五实施例所述本发明装置的方框图；
附图中使用的标号及其含义列在综合标号表中。原则上用相同的标号表示各附图中相同的部件。
图1表示一个与感应电机1相连的电路结构，其中变频器2的输出通过正弦滤波器送到感应电机1，正弦滤波器由带有滤波电感Lfil和滤波电路Cfil的三相网络构成。滤波器的电容并联到未与中间电路相连的星形接法的中点上。中间电路用中间电路电容器Czk表示。在中间电路电容器上施加直流电压UDC。为了控制电机1的转矩而设置了转矩控制器3。如图1所示，中间电路电压UDC的输出、变频器给出的电流iinv和滤波器输出电压ufil将送至转矩控制器3。根据图2所示的变型例，可以用测量滤波器器电流ifil来代替滤波器输出电压ufil。变频器2既可以是两点逆变器可以是三点逆变器。
在下文中用下划线的值表示矢量。可以通过使测得的线电流或线电压进行已知的120°/90°相位变换来进行矢量转换。
转矩控制器3用测得的值和矢通量理论值ψsoll以及转矩理论值Tsoll计算出最佳控制矢量S(SA，SB，SC)，该控制矢量用于控制变频器2的开关。
图3～7示出了转矩控制器3不同变型例的方框图。控制器中位于虚线的上半部分与现有的DTC控制器相同。下半部分包含本发明所述的调整部分。
下面将首先对DTC控制原理和本发明所要解决的问题作简短说明。
在DTC方法中，用变频器输出电压uinv和校正值来计算矢通量实际值ψist。第一次近似后，校正值相当于定子铜电阻上的电压降Rs·is。如果知道电机的型号，那么该计算将更精确。但由于这对本发明并无意义，所以在具有上述电压降的位置上电机继续转动。
矢通量实际值还可通过ψist=∫(uinv-Rsis)dt得到。因此，中间电路电压UDC和实际的控制矢量S借助于电压形成器8构成了变频器输出电压uinv。接着由算出的矢通量实际值ψist和变频器给出的电流iinv得到转矩实际值Tist。电流iinv是通过测量两个相电流和矢量变换获得的。最后通过计算电流iinv和矢通量ψist的矢量积得到转矩实际值Tist。此外，还算出矢通量实际值ψist的总和ψist。接着，借助磁滞控制器4将Tist和ψist与在外部预先确定的相应理论值ψsoll及Tsoll相比较。把比较的结果和矢量分配器12根据矢通实际值ψist确定的实际矢通量的结果输入逻辑电路13，由逻辑电路13来确定变频器的最佳控制矢量S(SA，SB，SC)。
但是由于在本发明中是把正弦滤波器接在变频器和电机之间，于是在其转换频率下，一方面由于在滤波器双重积分的基础上使电流和电压产生180°的相移，从而无法再直接使用DTC方法。另一方面，该结构将抑制由滤波器产生的谐振。因此必须对现有的方法及现有的装置进行下述调整。
该调整的实质在于，对流过滤波器的电流或电压进行测量并根据测得的滤波器值修正矢通量理论值或其总和以及转矩理论值。这种调整尤其能减少滤波器输出电压中振动分量的比例。为了计算该振动的扰动量而使用了不同的变量。
第一实施例(图3)包括例如借助于120°/90°的矢量ufil转换测量每一相的滤波器输出电压和变换量。此外，从矢通量实际值ψist中减去乘积值iinvLfil。为此，设置了乘法器5和减法器7。用这种方式可得到量值ψs，该量值相当于定子通量。把电压ufil分成平行于ψs的分量和垂直于ψs的分量。为此，设置了将电压ufil与ψs相乘的矢量积形成器9和标量积形成器10。矢量积形成器的输出为分量Ufilq，而标量积形成器的输出为ufild。ufild直接调节滤波器输出电压中产生振动的部分，为此在另一个乘法器5中把ufild与常数K1相乘，将结果输入到限幅器6，然后在减法器7中将限幅器的输出与矢通量理论值ψsoll相减。相反，分量ufilq的振动部分则必须保留。其在图3中是这样实现的，即通过分量ufilq对常数值ω·ψs进行计数。在此，ω为定子能量的角频率。在静止状态下，ufilq精确地相当于该值，所以差值ufilq-ω·ψs直接相当于从ufilq中减去振动部分Δufilq。同样，在乘法器5中将该值与第二常数K2相乘，相乘的结果送入限幅器6。最后用另一个减法器7将转矩理论值与限幅器的输出相减。
本发明所述方法及装置的核心在于，在控制过程中引入正弦滤波器的影响，首先使滤波器输出电压中引起振动的部分衰减而且其不是直接控制电机通量或与滤波器之前的值相应的电机转矩，而是控制作为实际值的有效变频器通量或变频器转矩。
第二实施例(图4)与第一实施例的区别在于，分量ufild和ufilq的振动部分是通过高通滤波得到的。为此在矢量积形成器9和标量积形成器10之后，并在乘法器5之前设置了两个高通滤波器14。
在第三实施例中(图5)，测量的不是滤波器输出电压ufil，而是滤波器电流ifil。例如通过测量流过两个滤波器电容Cfil的电流并对其进行矢量转换便可得到电流ifil。两种电流是足够的，因为在电容器为星形连接的情况下，所有电流之和必须为零。用限幅器对输出电流ifil进行积分，便可得到电容器上的电压ufil。为此，在图5中，在电流ifil的输入端上设置了限幅积分器15。图5中所示结构的其它部分与图4相同。
很显然，也可以将图3中的变型例用于第三实施例。根据第四实施例(图6)，可以在标量积形成器和矢量积形成器之后进行积分。
最后，图7表示一个以图2为基础的实施例。其中，一方面在标量积形成器10之前，另一方面在矢量积形成器9之后对形成的分量进行积分。由于电流ifil一开始就平行于ψs，所以矢量积中剩余的部分直接描述了引起振动的部分。反向的情况与标量积的情况相同，因为在这种情况下电压与ψs相乘应为零。因此，在标量积形成器中首先计算电压而在矢量积形成器中则在其后计算电压。
本发明的优点是，对于带有正弦滤波器的装置来说实际上可以继续使用公知的DTC方法及公知的DTC装置。本发明提供了一种适合于使用正弦滤波器的附加装置，该附加装置实际上并不影响公知的部分。所以可以用简单的方式加入目前已有的系统，而不必失掉正弦滤波器的优点。
标号表
1．磁感应电机
2．变频器
3．转矩控制器
4．磁滞控制器
5．乘法器
6．限幅器
7．减法器
8．电压形成器
9．矢量积形成器
10．标量积形成器
11．总和形成器
12．矢量分配器
13．逻辑电路
14．高通滤波器
15．限幅积分器
ufil滤波器电压
ufild   ufil//ψs的分量
ufilq   ufilψs的分量
Δufilq ufilq中的振动部分
ifil滤波器电流
Lfil滤波器电感
Cfil滤波器电容
Czk中间电路电容器
ψist矢通量实际值
ψist矢通量实际值的总和
ψsoll矢通量理论值
Tist转矩实际值
Tsoll转矩理论值
uinv变频器输出电压
iinv变频器电流
UDC中间电路电压
Rs定子的铜电阻
is定子电流
ψs定子通量
ω定子通量的角频率
S(SA，SB，SC)变频器的控制矢量
K1，K2比例系数

Claims (10)

1．用于直接控制感应电机(1)转矩的方法，其中多相变频器(2)的输出通过中间连接的正弦滤波器(Lfil，Cfil)送至感应电机，所述方法包括以下步骤：
a)用变频器输出电压uinv和修正值计算矢通量的实际值ψist，所述修正值基本为感应电机定子铜电阻上的电压降；
b)用由变频器给出的电流iinv和矢通量实际值ψist计算转矩实际值Tist；
c)将矢通量实际值的总和ψist和转矩实际值的总和Tist借助磁滞控制器(4)与转矩理论值Tsoll及矢通量理论值ψsoll相比较；
d)根据磁滞控制器(4)和矢通量实际值总和ψist建立适合于变频器的最佳控制矢量S(SA，SB，SC)；其特征在于，
e)测量流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压，和
f)在将矢通量理论值ψsoll和转矩理论值Tsoll输入磁滞控制器(4)之前，根据流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil对其进行修正。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，按下述方式对矢通量理论值ψsoll和转矩理论值Tsoll进行修正：
a)从矢通量实际值ψist和由变频器给出的电流iinv与正弦滤波器的电感Lfil之乘积的差值可得到定子通量ψs，
b)根据定子通量ψs可以使滤波器输出电压ufil转换成与定子通量平行的分量ufild和与定子能量垂直的分量ufilq；
c)使矢通量理论值ψsoll减小的量为与分量ufild成比例的部分，而使转矩理论值Tsoll与分量ufilq的振动部分Δufilq成比例减小。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，从分量ufilq和定子通量ψs与定子通量ψs的角频率ω之积ω·ψs的差中得出分量ufilq的振动部分Δufilq。
4．如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过对分量ufilq进行高通滤波可得到分量ufilq的振动部分Δufilq。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，对分量ufild也进行高通滤波。
6．如权利要求3-5之一所述的方法，其特征在于，
a)测量流过滤波器的电流ifil，和
b)通过对电流ifil积分得到滤波器输出电压ufil。
7．如权利要求2-6之一所述的方法，其特征在于，通过在平行于定子通量的分量ufild和垂直于定子通量ψs的分量ufilq中得到ufil和定子通量ψs的标量积及矢量积便可形成滤波器输出电压ufil的变换。
8．用于直接控制感应电机(1)的转矩的装置，其中多相变频器(2)的输出经过中间连接的正弦滤波器(Lfil，Cfil)供给感应电机，所述装置包括：
(a)转矩控制器(3)，该控制器
-利用变频器输出电压uinv和修正值计算矢通量的实际值ψist，其中修正值基本上是感应电机定子铜电阻上的电压降；
-利用变频器(2)给出的电流iinv和矢通量实际值ψist计算转矩实际值Tist；
-将矢通量实际值的总和ψist和转矩实际值Tist借助于磁滞控制器(4)与外部给定的转矩理论值Tsoll及矢通量理论值ψsoll进行比较；和
-根据磁滞控制器(4)和矢通量实际值ψist得到适合变频器(2)的最佳控制矢量S(SA，SB，SC)；其特征在于，
b)设置有电流和电压测量器件，该器件对流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil进行测量，和
c)设置有在将矢通量理论值ψsoll和转矩理论值Tsoll输入磁滞控制器之前根据流过滤波器的电流ifil和/或滤波器输出电压ufil对其进行修正的器件。
9．如权利要求8所述的装置，其特征在于，第二器件包括：
a)一个用于计算由变频器给出的电流iinv和正弦滤波器之电感Lfil乘积的第一乘法器(5)；
b)一个第一减法器(7)，该减法器从矢通量实际值ψist和由变频器给出的电流iinv与正弦滤波器电感Lfil乘积之差值中算出定子通量ψs；
c)一个坐标变换器(9，10)，其根据定子通量ψs把滤波器输出电压ufil变换成平行于定子能量的分量ufild和垂直于定子通量的分量ufilq；和
d)一个理论值调节器，其使矢通量理论值ψsoll为与分量ufild部分成比例减小，而使转矩理论值Tsoll与分量ufilq的振动部分Δuqfil成比例减小。
10．如权利要求9所述的装置，其特征在于，理论值调节器既包括适合分量ufild的乘法器(5)，又包含适合于分量ufilq的乘法器(5)，乘法器分别把所述分量与第一常数K1及第二常数K2相乘，每个乘法器之后连接一个限幅器(6)，且每个限幅器之后连接一个减法器(7)，其中针对分量ufild设置的减法器处理矢通量理论值ψsoll，而针对分量ufilq设置的减法器处理转矩理论值Tsoll。
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