CN113992085A - 速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，感应电机在开环情况下运行存在较多问题，如反应慢、过度过程复杂不稳定。通过设计感应电机的闭环调速系统，可以增强感应电机在运行过程中的稳定性与可靠性，提高其适用范围。本发明通过设计速度传感器感应电机转速恒定转矩调节系统，结合速度传感器矢量调速控制，适用于在转速恒定负载转矩需要进行跟随工况环境，该方法通过感应电机速度传感器反馈与电机额定参量为基础，结合矢量坐标系变换原理，通过三变量到两变量变换再到三变量，实现感应电机闭环高效准确的负载转速转矩双变量跟随控制。

Description

速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动领域，尤其适用于对速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其结合感应电机的速度传感器对其转速进行取样反馈，通过反馈控制实现感应电机负载的高精度快速响应负载转速转矩双变量跟随特性的过程。
背景技术
感应电机由于结构简单，制造成本低而应用广泛，但是在调速性能上却存在缺陷，如稳定性差，调速性能不佳等。通过设计其闭环控制方法，如速度传感器闭环矢量控制，可以实现感应电机的快速与高效的控制效果，提高感应电机的应用场景与范围。本发明专利通过设计其负载转速与转矩双变量变化工况，结合闭环矢量控制方法实现负载给定转速及转矩的快速与高效跟随特性，用以对实施变速变负载工况进行响应。
如图1所示为矢量坐标变换基础图示，图1(a)为通过将三相静止坐标变换到两相静止坐标图示，其作用为通过将感应电机三相定子电流转换为静止两相坐标变量，然后在通过图1(b)中的两相静止坐标变量变换到两相旋转坐标变量，以与感应电机转子三相电流进行变换对应，实现整个矢量控制变换的基本过程。
图2所示为基于速度传感器矢量控制恒转矩转速调节系统的结构图，图中感应电机角速度反馈量与给定速度量进行比较，用以在速度调节器ASR中进行PI调节，通过给定速度与ASR中的两变量进行变换，形成两变量中的dq轴信号。在此基础上，结合感应电机额定电流、额定角速度及实际角速度变量，形成矢量坐标系中的角度信号，实现矢量控制坐标系中的角度值的确定。最终，通过dq轴信号与确定的角度信号形成逆变器中的三相脉冲驱动信号，达到感应电机负载脉冲驱动的准确控制，实现高精度调速效果。通过设定其负载转矩及感应电机转子转速变化条件，该系统可以实现负载转矩及转速快速与稳定的跟随特性。
发明内容
结合矢量控制基本原理及速度传感器矢量控制系统框图中的流程。可以得到坐标变换公式，三变量到两变量坐标变换如下：
Figure BDA0003311857160000011
其矩阵形式为：
Figure BDA0003311857160000021
Figure BDA0003311857160000022
式中，iα、iβ为α、β绕组电流，i0为便于逆变换而增加的一相零序分量；iA、iB、iC分别为A、B、C感应电机三相定子电流；式中C3s/2s为坐标变换矩阵。
其两相到三相的变换矩阵方程式为：
Figure BDA0003311857160000023
其变换矩阵为：
Figure BDA0003311857160000024
两相静止坐标系下的电机电压方程为：
Figure BDA0003311857160000025
式中usα，usβ为定子侧坐标电压，Rs为定子电阻，Ls为定子电抗，Lm为互感，p及积分算子，Rr为转子电阻，Lr为转子电抗。
结合矢量控制策略，对三相感应电机进行调速精确快速控制，提高三相感应电机的控制性能，使其适用于更广的驱动领域。
线性PI调节器的传递函数为：
Figure BDA0003311857160000026
结合速度传感器矢量控制策略，通过负载转矩不变特性，改变其速度变量，实现感应电机的速度高效准确跟随特性。通过设定三个速度档，用以模拟实际的速度需求。
通过确定其转矩转速与时间变量关系式：
Figure BDA0003311857160000031
其中，vi表示速度量，ti表示时间量，Ti表示转矩量。
附图说明
图1矢量坐标变换原理
图2速度传感器矢量控制变转速变转矩调节系统结构图
图3 SVPWM矢量控制感应电机变转速变转矩调节系统仿真图
图4变负载变转矩情况感应电机转子电流波形
图5变负载变转矩情况感应电机转子磁链波形
图6变负载变转矩情况感应电机定子电流波形
图7变负载转速变转矩情况感应电机定子磁链波形
图8变负载转速变转矩情况感应电机转速波形
图9变负载转速变转矩情况感应电机转矩波形
具体实施方式
实施例子：
本发明采用速度传感器矢量控制变转速变转矩调节系统的实施参数如表1所示：
表1速度传感器矢量控制变转速变转矩调节系统变量及参数值
Figure BDA0003311857160000032
通过表1中所列实例数据参数，建立仿真模型并调试其运行环境，可以得到仿真结果。
如图3所示为SVPWM矢量控制感应电机变转速变转矩调节系统仿真图，图中包括电机驱动逆变模块、三相感应电机模块、感应电机信号取样模块、感应电机速度取样模块、矢量控制系统模块及脉冲生成驱动模块等。通过在转速给定端给定恒定转速信号，对感应电机负载转矩及转速变化信号可以实现基于矢量控制的感应电机转速与负载转矩调速系统。该调速系统负载转速变化1000-1800rpm，转矩变化0-64N.m。
如图4所示为变负载变转矩情况感应电机转子电流波形，通过周期改变其负载大小及转速大小可以得到转子电流波形，转子电流波形与负载有关，该波形反映出较为快速的响应特性，且转子电流变化过程中冲击不大，调节特性较好。
如图5所示为变负载变转矩情况感应电机转子磁链波形，图中描述的为电机转子dq轴磁链波形，该波形随转速及转矩变化过度比较平稳，稳定性较好。
如图6所示为变负载变转矩情况感应电机定子电流波形，感应电机定子电流频率与所供电源频率有关，因此定子电流频率与转子电流频率存在较为明显的差别。该波形是根据转速及转矩周期得变化跟随变化的，波形表明其过度过程比较平稳，电流大小与转速及转矩大小正相关。当转矩发生变化时刻，其超调小，稳定性高；当转速发生变化时刻，其超调更大一些，这是为了在短时间内实现速度的提高而发生的，该波形随着稳态的到来而实现定子电流的迅速稳定，因此其性能也是很好的。
如图7所示为变负载转速变转矩情况感应电机定子磁链波形，该波形表明dq轴磁链变化随着电机转速及转矩波动均比较平稳，过度过程良好。
如图8所示为变负载转速变转矩情况感应电机转速波形，通过波形可以得到该电机在运行过程中负载转速及转矩均变化情况下都有较好特性，只是当其转矩转速达到极限值64N.m与1800rpm情况转速短时间内发生下降，到达1600rpm附近，这表明该负载及转速电机未能稳定运行。其他位置处电机均表现出快速响应及超调量小的优点。
如图9所示为变负载转速变转矩情况感应电机转矩波形，由改图波形可以看出，电机在启动及速度变化期间均会存在转矩的短时冲击，这是为了电机在速度变化过程提供一定加速度而出现的现象。可以看到，电机在短时间内会实现其转矩的重新稳定，在1800rpm及负载64N.m时刻，其转矩存在短暂下降，随后迅速得到提升，这与电机转速波形达到一致，表明其转矩下降而降速，但之后迅速保持稳定状态，实现速度的稳定。

Claims (5)

1.速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其特征在于：第一，将感应电机角速度作为反馈信号进行调节，通过角速度与矢量控制模块建立联系，实现感应电机的矢量控制模式；第二，通过电机参数给定，将感应电机速度量转换为三相电流量的角度量，以此变量作为三相坐标转换为两相坐标中的角度变量；第三，将此两相坐标系中的双变量转换到三变量参数，用以形成三相感应电机逆变部分的驱动脉冲信号，实现三相感应电机的高精度调速控制；第四，通过对负载的特性确定，用于在负载转速及负载转矩均会发生变化的应用领域，实现高可靠的负载转速与转矩双变量跟随特性。
Figure FDA0003311857150000011
Figure FDA0003311857150000012
2.如权利要求1所述速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其特征在于：给定电流量为三相感应电机额定电流参数，通过确定三相感应电机额定电流及转速对应的拖动特性，这对电机额定参数提出要求。
3.如权利要求1所述速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其特征在于：三相感应电机位置量是通过取定其角速度瞬时值而进行逻辑运算确定的，通过角速度瞬时值的取定与计算转换，可以得到感应电机矢量控制系统坐标系中的角度变量。
4.如权利要求1所述速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其特征在于：通过反馈网络中的PI调节器参数的设计与调试，使其具有高可靠性及低超调的特点，实现感应电机转矩恒定转速调节快速响应效果。
Figure FDA0003311857150000013
5.如权利要求1所述速度传感器感应电机变转速变转矩跟随调节系统，其特征在于：通过三相感应电机瞬时角速度变量的取定与给定电流信号两坐标系下的量经过变换得到的三变量，再由坐标变换获取感应电机逆变驱动信号的值，从而取得三相感应电机调速驱动信号准确值，基于准确信号，结合实际取定三相感应电机的转速及转矩所设定的变化范围，确定参数而实现精确的转速与转矩双变量跟随定位。
Figure FDA0003311857150000014
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