CN117728723A - 一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，包括：异步电机运行矢量方程如下：电压稳态方程：S1、Usd＝Rs·isd‑ω1·(Ls·Lr‑Lm2)/Lr·isq；S2、Usq＝Rs·isq+ω1·(Ls·Lr‑Lm2)/Lr·isd+ω1·Lm/Lr·ψr，其中：Usd、Usq为定子d、q轴电压，isd、isq为定子d、q轴目标电流，Rs、Ls为定子电阻和电感，ω1为定子同步频率，ψr为转子总磁链，Lr为转子电感，Lm为互感；针对异步电机偏心大惯量负载的变转差矢量控制方法发明专利，可以有效解决通过动态转差补偿的控制进而解决重力偏心负载加减速启动、恒速节能和恒速速度稳定的协调关系问题。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动器控制异步电机带动重力偏心负载的控制技术领域，特别是涉及一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法。
背景技术
在电机驱动器控制领域，异步电机带动的负载中，有很多重力中心点不在圆中心位置的偏心负载，在电机驱动器控制这类负载时，加减速启动运行、恒速节能和恒速速度控制稳定性指标就长期是应用的一大难点。
由图1和图2可以看出，均是顺时针方向运行，当负载运行到图1时，重力点在右边，此时靠负载的重力就会使圆盘自动快速往下掉，若此时电机驱动器不做任何处理，则圆盘速度会很快增加，即重力能即势能转换为动能。当负载运行到图2时，重力点在左边，此时靠负载的重力就会使圆盘逆时针方向自动快速往下掉，此时需要电机驱动器带动电机克服重力和负载，处于电动状态，圆盘才能顺时针加速，所以当电机控制器控制异步电机的重力偏心负载时，在图1阶段，若要控制圆盘的速度不快速往下掉，电机驱动器需要把重力能即势能转化为电能，电机处于发电状态，把发出的点存储于电机驱动器的母线电容中，此时母线电容的直流电压就会升高，当直流母线电压升到能耗制动点时，就会触发能耗电阻导通，通过电阻发热把重力能即势能转化为热能，若长期如此，能耗电阻的温度会很高，也会消耗大量的能量，为此我们提出一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，针对异步电机偏心大惯量负载的变转差矢量控制方法发明专利，可以有效解决通过动态转差补偿的控制进而解决重力偏心负载加减速启动、恒速节能和恒速速度稳定的协调关系问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，包括：异步电机中电机驱动器控制负载时，电机运行分为加减速状态、电动恒速状态和发电恒速状态；
电机运行过程中出现不平衡重力偏心负载进行协调的方法如下：
异步电机运行矢量方程如下：
电压稳态方程：
S1、Usd＝Rs·isd-ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isq
S2、Usq＝Rs·isq+ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isd+ω1·Lm/Lr·ψr
其中：Usd、Usq为定子d、q轴电压，isd、isq为定子d、q轴目标电流，Rs、Ls为定子电阻和电感，ω1为定子同步频率，ψr为转子总磁链，Lr为转子电感，Lm为互感；
根据异步电机运行状态可得方程如下：
S3、ωs＝Lm·isq/Tr/ψr
其中：ωs为理论转差频率，Tr＝Lr/Rr为转子电磁时间常数，Rr为转子电阻；
由于获得电机的转子电阻值与电机实际电阻值存在一定的误差，为了消除这种误差，实际起作用的转差频率增加一个转差补偿增益系数K，实际用到的转差频率如下：
S4、ωsj＝ωs·K
其中K为出厂为1.00，取值范围在0.00～3.00之间，为1.00时不进行修正；
电机驱动器实际控制异步电机的定子同步频率如下：
S5、ω1＝ωsj+ωm
其中：ωm是实际辨识或测量的电机的转子频率，也就是控制ωsj就能控制定子频率和转子频率之间的速度差，通过电机驱动器发出ω1同步频率，能控制转差频率ωsj；
异步电机的力矩方程：
S6、T＝np·Lm·isq·ψr/Lr
根据方程公式S4和S6以及转子电磁时间常数Tr，可以得出异步机转矩方程：
S7、T＝(np·ψr2/Rr)·ωsj
其中：np为电机极对数。
作为本发明的一种优选技术方案，通过S7方程公式可知，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，通过控制转差频率ωsj的大小，达到控制异步电机的实际输出转矩值，通过ωsj＝ωs·K，根据当前转矩电流设定值和电机参数从而决定ωs的值；K值改变时，控制K值达到控制异步电机实际输出力矩T的大小，当ωsj为0时，电机驱动器控制异步电机不输出力矩，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，随着ωsj越大，异步电机输出的力矩越大。
与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
针对重力中心点不在圆中心位置的重力偏心负载，我们利用控制K值的不同，在不同的状态下对K值进行控制，以实现不平衡重力偏心负载启动、节能和速度稳定的协调关系，在图1阶段，若要控制圆盘的速度不快速往下掉，电机驱动器需要把重力能即势能转化为电能，电机处于发电状态，把发出的电存储于电机驱动器的母线电容中，此时母线电容的直流电压就会升高。在发电状态，这就提供了一个直流母线电压的变化量。本发明就是把直流母线电压的变化和K值进行了关联，利用直流母线电压值的变化量进行P调解器控制，进而控制K值的变化，使得电机稳速运行时的节能和速度的稳定得到了协调。不对转差频率进行调节时，即K为出厂值(一般为1.00)，速度是得到了稳定，但发电量大，能耗大，不节能。对转差频率控制完全为0时，此时的速度波动很大，系统速度震动大，本发明把直流母线电压的变化量和K值进行了关联，利用直流母线电压值的变化进行P调解器控制，进而控制K值的变化，使得电机稳速运行时即能得到节能效果，但当直流母线电压上升到一定值时，又能很快把速度稳定住，即在节能和速度稳定之间进行了协调控制。
附图说明
图1为本发明的电机带动的重力偏心负载示意图；
图2为本发明的电机带动的重力偏心负载活动状态示意图；
图3为本发明的加入的动态转差频率ωsj控制的总体框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例：
如图1-3所示，一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，包括：
异步电机中电机驱动器控制负载时，电机运行分为加减速状态、电动恒速状态和发电恒速状态；
电机运行过程中出现不平衡重力偏心负载进行协调的方法如下：
异步电机运行矢量方程如下：
电压稳态方程：
S1、Usd＝Rs·isd-ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isq
S2、Usq＝Rs·isq+ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isd+ω1·Lm/Lr·ψr
其中：Usd、Usq为定子d、q轴电压，isd、isq为定子d、q轴目标电流，Rs、Ls为定子电阻和电感，ω1为定子同步频率，ψr为转子总磁链，Lr为转子电感，Lm为互感；
根据异步电机运行状态可得方程如下：
S3、ωs＝Lm·isq/Tr/ψr
其中：ωs为理论转差频率，Tr＝Lr/Rr为转子电磁时间常数，Rr为转子电阻；
由于获得电机的转子电阻值与电机实际电阻值存在一定的误差，为了消除这种误差，实际起作用的转差频率增加一个转差补偿增益系数K，实际用到的转差频率如下：
S4、ωsj＝ωs·K
其中K为出厂为1.00，取值范围在0.00～3.00之间，为1.00时不进行修正；
电机驱动器实际控制异步电机的定子同步频率如下：
S5、ω1＝ωsj+ωm
其中：ωm是实际辨识或测量的电机的转子频率，也就是控制ωsj就能控制定子频率和转子频率之间的速度差，通过电机驱动器发出ω1同步频率，能控制转差频率ωsj；
异步电机的力矩方程：
S6、T＝np·Lm·isq·ψr/Lr
根据方程公式S4和S6以及转子电磁时间常数Tr，可以得出异步机转矩方程：
S7、T＝(np·ψr2/Rr)·ωsj
其中：np为电机极对数。
通过S7方程公式可知，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，通过控制转差频率ωsj的大小，达到控制异步电机的实际输出转矩值，通过ωsj＝ωs·K，根据当前转矩电流设定值和电机参数从而决定ωs的值；K值改变时，控制K值达到控制异步电机实际输出力矩T的大小，当ωsj为0时，电机驱动器控制异步电机不输出力矩，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，随着ωsj越大，异步电机输出的力矩越大。
针对重力中心点不在圆中心位置的重力偏心负载，我们利用控制K值的不同，在不同的状态下对K值进行控制，以实现不平衡重力偏心负载启动、节能和速度稳定的协调关系，在图1阶段，若要控制圆盘的速度不快速往下掉，电机驱动器需要把重力能即势能转化为电能，电机处于发电状态，把发出的电存储于电机驱动器的母线电容中，此时母线电容的直流电压就会升高。在发电状态，这就提供了一个直流母线电压的变化量。本发明就是把直流母线电压的变化和K值进行了关联，利用直流母线电压值的变化量进行P调解器控制，进而控制K值的变化，使得电机稳速运行时的节能和速度的稳定得到了协调。不对转差频率进行调节时，即K为出厂值(一般为1.00)，速度是得到了稳定，但发电量大，能耗大，不节能。对转差频率控制完全为0时，此时的速度波动很大，系统速度震动大，本发明把直流母线电压的变化量和K值进行了关联，利用直流母线电压值的变化进行P调解器控制，进而控制K值的变化，使得电机稳速运行时即能得到节能效果，但当直流母线电压上升到一定值时，又能很快把速度稳定住，即在节能和速度稳定之间进行了协调控制。
根据异步电机的状态，电机运行分为加减速状态、电动恒速状态和发电恒速状态。
在异步电机加减速状态和电动恒速状态，K值不变，为出厂值，一般出厂值为1.00，即不对K值进行调节。
在发电恒速状态，对母线直流电压变化量进行P调节器的闭环控制，输出是K值。具体步骤如下：
设定一个调节K值的直流母线电压目标值UdcRef1，此直流母线电压目标值UdcRef1一般小于能耗制动动作点UdcRef2值10V即可，但比正常待机直流母线电压值UdcRat高50V，即UdcRef1＝UdcRat+50。
K＝kp(Udc-UdcRef1)，kp是P调节器调节比例增益；
K值范围0～出厂值，一般出厂值为1.00，当前直流母线电压小于UdcRef1，K值为出厂值，当前直流母线电压等于UdcRef1，当前的K值为0，当前的直流母线电压值大于等于UdcRef2时，当前的K值为出厂值，并且此时能耗制动动作，通过能耗电阻发热消耗母线上的能量来维持母线电压稳定。
固有转差频率ωs＝Lm·isq/Tr/ψr
实际转差频率ωsj＝ωs·K
实际异步电机的同步频率ω1＝ωsj+ωm，ωm是实际辨识或测量的电机的转子频率；
电机驱动器通过电压稳态方程S1和S2发出控制异步电机的输出电压；
电机驱动器发出同步频率，控制实际转差频率，通过异步机转矩方程7进而控制电机的输出实际转矩，又进一步控制异步电机的转速。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，其特征在于，包括：异步电机中电机驱动器控制负载时，电机运行分为加减速状态、电动恒速状态和发电恒速状态；
电机运行过程中出现不平衡重力偏心负载进行协调的方法如下：
异步电机运行矢量方程如下：
电压稳态方程：
S1、Usd＝Rs·isd-ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isq
S2、Usq＝Rs·isq+ω1·(Ls·Lr-Lm2)/Lr·isd+ω1·Lm/Lr·ψr
其中：Usd、Usq为定子d、q轴电压，isd、isq为定子d、q轴目标电流，Rs、Ls为定子电阻和电感，ω1为定子同步频率，ψr为转子总磁链，Lr为转子电感，Lm为互感；
根据异步电机运行状态可得方程如下：
S3、ωs＝Lm·isq/Tr/ψr
其中：ωs为理论转差频率，Tr＝Lr/Rr为转子电磁时间常数，Rr为转子电阻；
由于获得电机的转子电阻值与电机实际电阻值存在一定的误差，为了消除这种误差，实际起作用的转差频率增加一个转差补偿增益系数K，实际用到的转差频率如下：
S4、ωsj＝ωs·K
其中K为出厂为1.00，取值范围在0.00～3.00之间，为1.00时不进行修正；
电机驱动器实际控制异步电机的定子同步频率如下：
S5、ω1＝ωsj+ωm
其中：ωm是实际辨识或测量的电机的转子频率，也就是控制ωsj就能控制定子频率和转子频率之间的速度差，通过电机驱动器发出ω1同步频率，能控制转差频率ωsj；
异步电机的力矩方程：
S6、T＝np·Lm·isq·ψr/Lr
根据方程公式S4和S6以及转子电磁时间常数Tr，可以得出异步机转矩方程：
S7、T＝(np·ψr2/Rr)·ωsj
其中：np为电机极对数。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机偏心大惯量负载的动态转差矢量控制方法，其特征在于：通过S7方程公式可知，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，通过控制转差频率ωsj的大小，达到控制异步电机的实际输出转矩值，通过ωsj＝ωs·K，根据当前转矩电流设定值和电机参数从而决定ωs的值；K值改变时，控制K值达到控制异步电机实际输出力矩T的大小，当ωsj为0时，电机驱动器控制异步电机不输出力矩，在电机固有转速转矩特性曲线稳定区域内，随着ωsj越大，异步电机输出的力矩越大。
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