CN111092587A - 一种变频调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变频调速控制方法，包括矢量控制，其中速度环为外环，电流环为内环，速度环的调节包括以下步骤：步骤S1：读取目标速度

速度反馈ω_fb、力矩饱和标志FLAG；步骤S2：根据饱和标志FLAG和目标速度

计算速度环的速度给定ω_ref；步骤S3：计算速度给定ω_ref与速度反馈ω_fb计算速度差值ω_err；步骤S4：根据速度差值ω_err计算比例项与积分项，计算速度环输出T_out＝T_P+T_I；步骤S5：根据力矩限幅值T_max调整速度环输出T_out，同时设置饱和标志FLAG，表明目前速度环是否处于饱和状态，FLAG＝false表示速度环处于未饱和状态，FLAG＝true表示速度环处于饱和状态。通过对速度环速度给定设置、输出限幅与积分项判断与预处理，提高了速度环的刚度，增强了系统的鲁棒性。

Description

一种变频调速控制方法

技术领域

本发明属于变频调速控制技术领域，尤其涉及变频调速系统中增强速度环鲁棒性的方法。

背景技术

变频调速系统的控制对象为电机，电机的种类繁多包括异步机、交流励磁同步机、直流励磁同步机、永磁同步机等。变频调速系统具有优良的调速性能、可观的节能效果、便利的控制方式等优点，目前广泛应用于航空航天、机械制造、家用电器、电力矿山、新能源汽车等领域。针对电机驱动的变频调速系统矢量控制通常采用双闭环设计，即外环为速度环，内环为电流环。速度环与电流环均采用PI调节，通常电流环的设计相对稳定成熟，速度环的鲁棒性与可靠性决定了变频调速系统的性能。

速度环按照给定速度与电机实际速度计算偏差，经过PI调节产生力矩电流给定，可知此力矩给定包含积分项与比例项。在某些应用场合，存在较大的负载惯量与摩擦阻力，或者负载大小波动较大，在快速的加减速过程中，速度环产生的力矩电流给定有可能超过额定值，现有技术中通常采取的措施是在速度环加限幅以避免力矩电流过大，但是这导致了系统产生非线性环节，严重的话其会导致系统失速故障，必须采取措施避免该问题。

本发明的目的在于克服现有技术中变频调速系统速度环适应性差、刚度不够造成系统鲁棒性不够的缺点。

发明内容

本发明的第一技术方案为一种变频调速控制方法，其特征在于，采用矢量控制，其中速度环为外环，电流环为内环，速度环的调节包括以下步骤：

步骤S1：读取目标速度ω_ref1、速度反馈ω_fb、力矩饱和标志FLAG；

步骤S2：根据饱和标志FLAG和目标速度ω_ref1，计算速度环的速度给定ω_ref；

步骤S3：计算速度给定ω_ref与速度反馈ω_fb计算速度差值ω_err；

步骤S4：根据速度差值ω_err计算比例项与积分项，计算速度环输出T_out＝T_P+T_I；

步骤S5：根据力矩限幅值T_max调整速度环输出T_out，同时设置饱和标志FLAG，表明目前速度环是否处于饱和状态，FLAG＝false表示速度环处于未饱和状态，FLAG＝true表示速度环处于饱和状态。

第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，所述步骤S2：根据饱和标志FLAG设置速度环的速度给定ω_ref。FLAG＝false时，此时力矩未饱和，速度给定ω_ref通过斜坡函数输出，ω_ref＝ω_ref1+STEP,其中ω_ref1为目标速度，STEP为加减速步长；FLAG＝true时,速度给定ω_ref设置为电机实际转速。

第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，所述步骤S4：根据速度差值ω_err得到比例项与积分项，其中比例项T_P＝K_P×0.5×(ω_err+ω_{err_old})，积分项T_I＝∑K_i×0.5×(ω_err+ω_{err_old}),其中K_P为速度环比例系数，K_I为速度环积分系数,ω_{err_old}为上一周期速度差值。积分项与比例项之和即为速度环输出T_out＝T_P+T_I。

第四技术方案基于第三技术方案，其特征在于，所述步骤S5：根据速度环输出T_out判断是否大于力矩限幅值T_max，如果速度环输出T_out＞T_max，调整积分量T_I＝T_max-K_pω_err，使之小于力矩饱和值；如果速度环输出T_out＜-T_max，调整积分量T_I＝-T_max-K_pω_err；速度环输出限幅到T_max，并设置饱和标志FLAG＝true。

第五技术方案基于第四技术方案，其特征在于，还具有步骤S6：保存速度差值ω_{err_old}＝ω_err，用于下一中断周期以补偿离散系统带来的时间延迟。

第六技术方案基于第四技术方案，其特征在于，所述力矩限幅值T_max由下述公式计算得到：

其中P_N为电机额定功率，f_N为电机额定频率，I_N为电机额定电流，ψ_N为电机额定磁通，f_slip为电机额定滑差。

第七技术方案基于第一至六中任一项所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述矢量控制为开环矢量控制，所述速度反馈ω_fb由实际检测的三相电压电流结合电机模型估算得到。

第八技术方案基于第一至六中任一项所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述矢量控制为闭环矢量控制，所述速度反馈ω_fb由编码器检测的机械角速度乘以电机极对数得到。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

速度环消除了非线性环节，避免了控制进入非线性环节，并通过调整速度给定值，有效地提高系统的鲁棒性，更好地适应负载扰动、避免加减速过程中速度的过冲等。

附图说明

图1为实施方式所涉及的变频调速系统控制系统框图；

图2为图1的变频调速系统控制系统中；

图3为速度环调节的模块结构图；

图4为变频调速系统中速度环的控制流程图；

图5为变频调速系统的启动效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案与效果表述更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。应该理解，此处描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。

图1为实施方式所涉及的变频调速系统控制系统框图。如图1所示，该控制系统为典型的开环矢量控制系统(无速度传感器的矢量控制)，控制对象为电机，如异步电机。

与现有的开环矢量控制系统相比，图1中的系统增加了斜坡函数输出器12，用增强型速度调节器11替代PI速度调节器，其他均与现有的开环矢量控制系统相同。以下针对与本发明相关的速度环进行说明。电流环部分(励磁电流调节、转矩电流调节、Park逆变换、死区补偿、转矩电流、励磁电流分离等)与现有技术相同，在此不再赘述。

增强型速度调节器11根据速度给定ω_ref与速度反馈ω_fb的差值进行PI调节，输出转矩分量T_out。斜坡函数输出器12根据目标速度ω_ref1与系统设定步长STEP计算出速度给定ω_ref。

图2为图1中增强型速度调节器11及周边部分的结构示意图，其中速度差值ω_err＝ω_ref-ω_fb，经PI调节后，对于超过规定值的转矩分量T_out进行转矩限幅后，输出转矩分量T_out，该转矩分量T_out作为速度环的输出用于调整转矩电流。

图3为速度环调节的模块结构图。

速度给定计算单元21读取目标速度ω_ref1、速度反馈ω_fb、饱和标志FLAG。根据饱和标志FLAG设置速度给定指令ω_ref，当饱和标志FLAG＝false时，通过斜坡函数计算速度给定ω_ref；FLAG＝true时,设定速度给定ω_ref＝ω_fb。速度给定ω_ref输入速度差计算单元22。力矩饱和(速度环输出饱和)时，将速度给定ω_ref设置为速度反馈ω_fb，即将速度给定设置为速度反馈值即电机实际转速,可以快速抑制速度环中比例项与积分项的增长，使负载扰动或加减速过冲消失后快速返回稳定状态。

速度差计算单元22计算速度给定ω_ref和速度反馈ω_fb的速度差ω_err(ω_err＝ω_ref-ω_fb)，速度差ω_err输入输出力矩计算单元23。

力矩计算单元23根据速度差ω_err、上一个速度环周期的ω_{err_old}、比例系数K_P、积分系数K_I/S，计算速度差的比例项和积分项，比例项和积分项之和即为转矩分量T_out＝T_P+T_I，转矩分量作为速度环的输出用于调整转矩电流。

力矩调整单元24输入转矩分量T_out、比例系数K_P、速度差ω_err，根据力矩限幅值T_max判断转矩分量T_out是否饱和，饱和时，设定转矩分量T_out＝T_max，调整积分量T_I,设置饱和标志FLAG；没有饱和时不做处理直接作为转矩分量(速度环输出)输出。

图4为变频调速系统中速度环的控制流程图。

步骤S1、速度给定计算单元21读取速度环的初始值:目标速度ω_ref1、速度反馈ω_fb、力矩饱和标志FLAG。其中ω_ref1为电角频率给定；ω_fb为电角频率反馈，本实施方式中由实际检测的电压ua、ub、uc，电流ia、ib、ic结合电机模型估算得到。FLAG用于表明系统是否处于力矩(速度环输出)饱和状态。

如果控制系统是闭环矢量控制，ω_fb由编码器检测的机械角速度乘以电机极对数得到。

步骤S2、速度给定计算单元21根据力矩饱和标志FLAG调整速度环的速度给定ω_ref。饱和标志FLAG＝false时，表明此时力矩未饱和，速度给定ω_ref通过斜坡函数输出，ω_ref＝ω_ref1+STEP,其中STEP为加减速步长；饱和标志FLAG＝true时,表明力矩饱和，取速度给定ω_ref＝ω_fb。

步骤S3、速度差计算单元22计算速度差值ω_err＝ω_ref-ω_fb。

步骤S4、力矩计算单元23根据速度差值ω_err计算比例项T_P与积分项T_I，本实施方式中，比例项T_P＝K_P×0.5×(ω_err+ω_{err_old})，积分项T_I＝∑K_i×0.5×(ω_err+ω_{err_old})，比例项T_P与积分项T_I相加得到速度环输出T_out＝T_P+T_I。

步骤S5、力矩计算单元23判断速度环输出T_out的大小(步骤S51、S52)，如果速度环输出T_out＞T_max，或小于负T_max，调整积分量T_I，使之等于T_max-K_pω_err，设定速度环输出T_out＝T_max，并置位饱和标志FLAG＝true(步骤S54、S55)。如果速度环输出T_out的绝对值小于T_max，置位饱和标志FLAG＝false，直接将转矩分量T_out作为速度环输出(步骤S53)。

步骤S6、速度差计算单元22保存速度差值ω_{err_old}＝ω_err，用于下一中断周期，补偿离散系统带来的时间延迟。

以下对步骤S5中的力矩限幅值T_max的设置进行说明。

力矩限幅值T_max根据以下公式计算得到。

其中P_N为电机额定功率，f_N为电机额定频率，I_N为电机额定电流，ψ_N为电机额定磁通，f_slip为电机额定滑差。

根据以上方法设置力矩限幅值T_max，本发明能够适用于各种不同规格、参数的电机。

图5为变频调速系统的启动效果图。图中，上图1为速度给定的变化曲线，即本发明中的目标速度ω_ref1，下图2为速度反馈ω_fb的变化曲线，由图可知，速度反馈很好的跟踪速度给定，响应速度和超调等均得到很好的控制。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果。

1、通过对速度环积分项的抗饱和处理，同时调整速度给定值，该速度环的控制方法能够有效地提高系统的鲁棒性，更好地适应负载扰动、避免加减速过程中速度的过冲等；

2、通过结合电机参数模型，准确估算出速度环输出限幅值，能够很好地适应变频器与电机参数不匹配等特殊的工况；

3、速度环消除了非线性环节，避免了系统进入非线性环节。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明描述的技术范围内，可轻易得到的变化与替换方案，都应该包含在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种变频调速控制方法，其特征在于，采用矢量控制，其中速度环为外环，电流环为内环，速度环的调节包括以下步骤：

步骤S1：读取目标速度ω_ref1、速度反馈ω_fb、力矩饱和标志FLAG；

步骤S2：根据饱和标志FLAG和目标速度ω_ref1，计算速度环的速度给定ω_ref；

步骤S3：计算速度给定ω_ref与速度反馈ω_fb计算速度差值ω_err；

步骤S4：根据速度差值ω_err计算比例项与积分项，计算速度环输出T_out＝T_P+T_I；

步骤S5：根据力矩限幅值T_max调整速度环输出T_out，同时设置饱和标志FLAG，表明目前速度环是否处于饱和状态，FLAG＝false表示速度环处于未饱和状态，FLAG＝true表示速度环处于饱和状态。

2.根据权利要求1所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述步骤S2：根据饱和标志FLAG设置速度环的速度给定ω_ref。FLAG＝false时，此时力矩未饱和，速度给定ω_ref通过斜坡函数输出，ω_ref＝ω_ref1+STEP,其中ω_ref1为目标速度，STEP为加减速步长；FLAG＝true时,速度给定ω_ref设置为电机实际转速。

3.根据权利要求2所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述步骤S4：根据速度差值ω_err得到比例项与积分项，其中比例项T_P＝K_P×0.5×(ω_err+ω_{err_old})，积分项T_I＝∑K_i×0.5×(ω_err+ω_{err_old}),其中K_P为速度环比例系数，K_I为速度环积分系数,ω_{err_old}为上一周期速度差值。积分项与比例项之和即为速度环输出T_out＝T_P+T_I。

4.根据权利要求3所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述步骤S5：根据速度环输出T_out判断是否大于力矩限幅值T_max，如果速度环输出T_out＞T_max，调整积分量T_I＝T_max-K_pω_err，使之小于力矩饱和值；如果速度环输出T_out＜-T_max，调整积分量T_I＝-T_max-K_pω_err；速度环输出限幅到T_max，并设置饱和标志FLAG＝true。

5.根据权利要求4所述的变频调速控制方法，其特征在于，还具有步骤S6：保存速度差值ω_{err_old}＝ω_err，用于下一中断周期以补偿离散系统带来的时间延迟。

6.根据权利要求4所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述力矩限幅值T_max由下述公式计算得到：

其中P_N为电机额定功率，f_N为电机额定频率，I_N为电机额定电流，ψ_N为电机额定磁通，f_slip为电机额定滑差。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述矢量控制为开环矢量控制，所述速度反馈ω_fb由实际检测的三相电压电流结合电机模型估算得到。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的变频调速控制方法，其特征在于，所述矢量控制为闭环矢量控制，所述速度反馈ω_fb由编码器检测的机械角速度乘以电机极对数得到。

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