CN111092587A - 一种变频调速控制方法 - Google Patents
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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ωfb、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ωref;步骤S3:计算速度给定ωref与速度反馈ωfb计算速度差值ωerr;步骤S4:根据速度差值ωerr计算比例项与积分项,计算速度环输出Tout=TP+TI;步骤S5:根据力矩限幅值Tmax调整速度环输出Tout,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
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ωref1、速度反馈ωfb、力矩饱和标志FLAG;
步骤S2:根据饱和标志FLAG和目标速度ωref1,计算速度环的速度给定ωref;
步骤S3:计算速度给定ωref与速度反馈ωfb计算速度差值ωerr;
步骤S4:根据速度差值ωerr计算比例项与积分项,计算速度环输出Tout=TP+TI;
步骤S5:根据力矩限幅值Tmax调整速度环输出Tout,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ωref。FLAG=false时,此时力矩未饱和,速度给定ωref通过斜坡函数输出,ωref=ωref1+STEP,其中ωref1为目标速度,STEP为加减速步长;FLAG=true时,速度给定ωref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ωerr得到比例项与积分项,其中比例项TP=KP×0.5×(ωerr+ωerr_old),积分项TI=∑Ki×0.5×(ωerr+ωerr_old),其中KP为速度环比例系数,KI为速度环积分系数,ωerr_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Tout=TP+TI。
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Tout判断是否大于力矩限幅值Tmax,如果速度环输出Tout>Tmax,调整积分量TI=Tmax-Kpωerr,使之小于力矩饱和值;如果速度环输出Tout<-Tmax,调整积分量TI=-Tmax-Kpωerr;速度环输出限幅到Tmax,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ωerr_old=ωerr,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Tmax由下述公式计算得到:
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ωfb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ωfb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ωref与速度反馈ωfb的差值进行PI调节,输出转矩分量Tout。斜坡函数输出器12根据目标速度ωref1与系统设定步长STEP计算出速度给定ωref。
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ωerr=ωref-ωfb,经PI调节后,对于超过规定值的转矩分量Tout进行转矩限幅后,输出转矩分量Tout,该转矩分量Tout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ωref1、速度反馈ωfb、饱和标志FLAG。根据饱和标志FLAG设置速度给定指令ωref,当饱和标志FLAG=false时,通过斜坡函数计算速度给定ωref;FLAG=true时,设定速度给定ωref=ωfb。速度给定ωref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ωref设置为速度反馈ωfb,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ωref和速度反馈ωfb的速度差ωerr(ωerr=ωref-ωfb),速度差ωerr输入输出力矩计算单元23。
力矩计算单元23根据速度差ωerr、上一个速度环周期的ωerr_old、比例系数KP、积分系数KI/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Tout=TP+TI,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Tout、比例系数KP、速度差ωerr,根据力矩限幅值Tmax判断转矩分量Tout是否饱和,饱和时,设定转矩分量Tout=Tmax,调整积分量TI,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ωref1、速度反馈ωfb、力矩饱和标志FLAG。其中ωref1为电角频率给定;ωfb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,ωfb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ωref。饱和标志FLAG=false时,表明此时力矩未饱和,速度给定ωref通过斜坡函数输出,ωref=ωref1+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ωref=ωfb。
步骤S3、速度差计算单元22计算速度差值ωerr=ωref-ωfb。
步骤S4、力矩计算单元23根据速度差值ωerr计算比例项TP与积分项TI,本实施方式中,比例项TP=KP×0.5×(ωerr+ωerr_old),积分项TI=∑Ki×0.5×(ωerr+ωerr_old),比例项TP与积分项TI相加得到速度环输出Tout=TP+TI。
步骤S5、力矩计算单元23判断速度环输出Tout的大小(步骤S51、S52),如果速度环输出Tout>Tmax,或小于负Tmax,调整积分量TI,使之等于Tmax-Kpωerr,设定速度环输出Tout=Tmax,并置位饱和标志FLAG=true(步骤S54、S55)。如果速度环输出Tout的绝对值小于Tmax,置位饱和标志FLAG=false,直接将转矩分量Tout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ωerr_old=ωerr,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Tmax的设置进行说明。
力矩限幅值Tmax根据以下公式计算得到。
根据以上方法设置力矩限幅值Tmax,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ωref1,下图2为速度反馈ωfb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ωref1、速度反馈ωfb、力矩饱和标志FLAG;
步骤S2:根据饱和标志FLAG和目标速度ωref1,计算速度环的速度给定ωref;
步骤S3:计算速度给定ωref与速度反馈ωfb计算速度差值ωerr;
步骤S4:根据速度差值ωerr计算比例项与积分项,计算速度环输出Tout=TP+TI;
步骤S5:根据力矩限幅值Tmax调整速度环输出Tout,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ωref。FLAG=false时,此时力矩未饱和,速度给定ωref通过斜坡函数输出,ωref=ωref1+STEP,其中ωref1为目标速度,STEP为加减速步长;FLAG=true时,速度给定ωref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ωerr得到比例项与积分项,其中比例项TP=KP×0.5×(ωerr+ωerr_old),积分项TI=∑Ki×0.5×(ωerr+ωerr_old),其中KP为速度环比例系数,KI为速度环积分系数,ωerr_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Tout=TP+TI。
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Tout判断是否大于力矩限幅值Tmax,如果速度环输出Tout>Tmax,调整积分量TI=Tmax-Kpωerr,使之小于力矩饱和值;如果速度环输出Tout<-Tmax,调整积分量TI=-Tmax-Kpωerr;速度环输出限幅到Tmax,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ωerr_old=ωerr,用于下一中断周期以补偿离散系统带来的时间延迟。
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ωfb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ωfb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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