CN117728724A - 一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法。所述控制系统包括：永磁同步电动机，用于矿井下重载运行；永磁同步电动机控制装置，对永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制；不可控整流装置，用于向永磁同步电动机控制装置输出额定电压；转子角度位置检测装置，用于检测永磁同步电动机的转子角度值；闭环控制装置，包括转速闭环控制模块，根据永磁同步电动机的转速参考值与基于转子角度值得出的转速实际值比较后向永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。本发明对永磁同步电动机采用矢量控制和变频调速控制方式，对于带式输送机重载启动的工况，控制系统精度高、响应速度快，满足矿井环境下的带式输送机重载启动工作需求。
Description
技术领域
本发明涉及矿井下永磁同步电机控制领域；具体地，本发明涉及一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法。
背景技术
永磁同步电动机（PMSM）具有可带负载大、内部设计简单、重量轻等特点，常被应用于矿井环境下的带式输送机重载启动工作中。PMSM的常见控制方式为转矩控制方式，但是对于带式输送机重载启动的工况，负载随机变化大、大幅度增减的情况更多，转矩控制方式精度低、响应速度慢，且常常导致带式输送机重载无法启动，因此无法满足矿井环境下的带式输送机重载启动工作需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其它方面的问题中的一个或多个。
为了实现前述目的，本发明的第一方面提供了一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统，其中，所述控制系统包括：
永磁同步电动机，所述永磁同步电动机用于矿井下重载运行；
永磁同步电动机控制装置，所述永磁同步电动机控制装置在转子磁场和定子磁场的控制基础上对所述永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制；
不可控整流装置，所述不可控整流装置用于向所述永磁同步电动机控制装置输出额定电压；
转子角度位置检测装置，所述转子角度位置检测装置用于检测所述永磁同步电动机的转子角度值；
闭环控制装置，所述闭环控制装置包括转速闭环控制模块，所述转速闭环控制模块根据所述永磁同步电动机的转速参考值与基于所述转子角度值得出所述永磁同步电动机的转速实际值比较后向所述永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述控制系统包括编码器，所述编码器基于实时检测所述永磁同步电动机的转子角度值输出所述转速实际值。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述闭环控制装置基于所述转子角度值通过斜坡处理获取所述转速实际值。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述永磁同步电动机控制装置包括：
所述转速闭环控制模块包括转矩/磁链控制器，所述转矩/磁链控制器根据所述转速参考值和所述转速实际值输出两相控制电流指令值并通过2r/2s坐标转换器与2/3变换运算器转化后得到三相电流指令值；
所述永磁同步电动机控制装置包括电流控制逆变器，所述不可控整流装置向所述电流控制逆变器提供所述额定电压，所述电流控制逆变器将所述三相电流指令值逆变成三相输出电流并经过3/2变化运算器以及2s/2r坐标转换器输出励磁电流与转矩电流的调节值以控制所述永磁同步电动机的磁链与转矩。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述变频调速闭环控制构成具有自动速度调节器的转速外环，在所述自动速度调节器后引入电流表获取所述自动速度调节器的所述励磁电流和所述转矩电流的参考值。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述磁场定向矢量闭环控制构成具有自动电流调节器的电流内环，并且在所述电流内环中设置有电压前馈解耦单元。
在如前所述的控制系统中，可选地，在所述变频调速闭环控制中设置有转速滤波环节，在所述磁场定向矢量闭环控制中设置有电流滤波环节。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述不可控整流装置还包括移相变压器，所述移相变压器将引入的三相交流电压整流成所述额定电压输出。
在如前所述的控制系统中，可选地，所述控制系统采用定子电流id=0控制所述永磁同步电动机。
为了实现前述目的，本发明的第二方面提出了一种基于如前述第一方面中任一项所述的控制系统控制矿井下重载永磁同步电动机的方法，其中，所述方法步骤如下：
步骤A：所述不可控整流装置输出所述额定电压；
步骤B：所述永磁同步电动机控制装置根据所述永磁同步电动机的转速参考值控制所述永磁同步电动机启动；
步骤C：所述转子角度位置检测装置检测所述永磁同步电动机的转子角度值，并将其反馈至所述闭环控制装置；
步骤D：所述闭环控制装置根据所述永磁同步电动机的转速参考值与基于所述转子角度值得出所述永磁同步电动机的转速实际值比较后向所述永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制；
步骤E：所述永磁同步电动机控制装置根据所述闭环控制装置得出的所述变频调速闭环控制控制所述永磁同步电动机的所述转子磁场和定子磁场；返回步骤C。
本发明提出了一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法。本发明的控制系统对永磁同步电动机采用矢量控制和变频调速控制方式，对于带式输送机重载启动的工况，该种控制系统精度高、响应速度快，满足了矿井环境下的带式输送机重载启动工作需求。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1为本发明的一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统的一个实施例的示意框图。
图2为图1中示出的实施例的原理图。
图3为图1中示出的实施例的内部结构示意图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例，下面将以示例方式来说明本发明的一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统及方法的结构、组成、特点和优点等，然而所有描述不应用于对本发明形成任何限制。
此外，对于在本文提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，从而应当认为这些根据本发明的更多实施例也是在本文的记载范围之内。
还需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
图1为本发明的一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统的一个实施例的示意框图。
从图1中可以看出，该控制系统可以包括永磁同步电动机、永磁同步电动机控制装置、不可控整流装置、转子角度位置检测装置以及闭环控制装置。
永磁同步电机用于矿井下带式输送机的重载运行。依据图示可以看出，永磁同步电动机控制装置对永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制，不可控整流装置用于向永磁同步电动机控制装置输出额定电压，转子角度位置检测装置检测永磁同步电动机的转子角度值，闭环控制装置包括有转速闭环控制模块，闭环控制装置用于提供永磁同步电动机的转速参考值和转速实际值的比较，以便向永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。
在该实施例中，所述控制系统从高压接口引入三相交流电压，该电压进入不可控整流装置后，经过不可控整流装置中的移相变压器的电压变换，进而通过不可控整流装置进行整流，而后进入永磁同步电动机控制装置提供额定电压。相对于可控整流装置，不可控整流装置具有成本低、无高频谐波分量等优点，通过移相整流设计将符合要求的电压等级引入高压变频主控电路中，实现了额定电压的稳定提供。
转子角度位置检测装置实时检测永磁同步电动机的转子角度实际值，并通过闭环控制装置中的斜坡处理后变为转速实际值。控制系统实时获取或者预先设置了给定的转速参考值，该参考值可以根据负载的大小和/或所述控制系统应用的工况确定。最终，闭环控制装置上的转速闭环控制模块将所述转速实际值与给定的转速参考值比较后向永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。永磁同步电动机控制装置基于该变频调速闭环控制，在转子磁场和定子磁场的控制基础上对永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制。
在此需要说明的是，所述斜坡处理是指通过斜坡函数对所述转子角度实际值进行处理，所述斜坡函数r(t)可以为：
。
图2为图1中示出的实施例的原理图。图1实施例中，永磁同步电动机控制装置包括电流控制逆变器，转速闭环控制模块包括转矩/磁链控制器，其中，电流控制逆变器与所述不可控整流装置相连，用于接收整流后的额定电压，转矩/磁链控制器用于输出变频调速闭环控制。
具体而言，在图2所示的原理图中，转矩/磁链控制器根据调速的需求设定合理的电动机转矩与磁链目标值，结合PMSM转矩与电流的关系，并根据给定的转速参考值和从转子磁场旋转坐标系动态数学模型中反馈而来的转速实际值输出合理的两相控制电流指令值。
由于该两相控制电流指令值，即励磁电流指令值和转矩电流指令值，仅仅存在于转子磁场旋转坐标系下永磁同步电动机的数学模型中，无法直接用于控制永磁同步电动机，因此转矩/磁链控制器后设置了2r/2s坐标转换器和2/3变换运算器，两相控制电流指令值经过2r/2s坐标转换器与2/3变换运算器转化后得到三相电流指令值并进入电流控制逆变器。
电流控制逆变器接收来自不可控整流装置的额定电压，并将所述三相电流指令值逆变成三相输出电流，由于静止坐标系下三相输出电流无法直接控制永磁同步电动机，因此电流控制逆变器后设置了3/2变化运算器和2s/2r坐标转换器，三相输出电流经过3/2变化运算器以及2s/2r坐标转换器输出励磁电流与转矩电流的调节值，该调节值控制永磁同步电动机的磁链与转矩，同时通过SVPWM控制电流控制逆变器输出电流紧紧跟随该电流参考值。
这样以来，当永磁同步电动机三相输出电流得到很好的控制时，可以理解，转子磁场旋转坐标系中的励磁电流指令值和转矩电流指令值得到了很好的控制，进而可以认为，PMSM的磁场与电磁转矩得到了很好的控制。
图3为图1中示出的实施例的内部结构示意图。
从图3中可以看出，所述变频调速闭环控制构成具有自动速度调节器(ASR)的转速外环，该转速外环可以包括永磁同步电动机、转子角度位置检测装置、速度计算模块以及自动速度调节器。所述磁场定向矢量闭环控制构成具有自动电流调节器(ACR)的电流内环，该电流内环可以包括电压前馈解耦单元、2r/2s坐标转换器、SVPWM模块、电流控制逆变器、3/2变化运算器、2s/2r坐标转换器以及自动电流调节器。转速外环和电流内环中均可以添加有滤波环节，从而避免线路中的谐波干扰。
在图3所示的实施例中，给定的速度参考值经过自动速度调节器后，所述控制系统通过查表的方式读取励磁电流和转矩电流的指令值。在此需要说明的是，对永磁同步电动机调速系统的转速控制需要通过对永磁同步电动机电磁转矩Te的控制来实现，因此电动机的转矩控制是电气调速系统的核心任务。永磁同步电动机在转子旋转坐标系中的转矩公式可以为：
从公式中可以看出，永磁同步电动机转矩分为两个部分，其一为永磁体产生的磁链ψf与转矩电流iq作用后产生的永磁转矩Te1，其二为转子的凸极结构使得励磁电流id与转矩分量iq产生的磁阻转矩Te2，具体可以为：
。
从公式中可以看出，控制系统通过控制转矩电流和励磁电流的指令值来实现对电动机转矩的控制。在该实施例中，为了方便控制系统对永磁同步电动机的控制，所述励磁电流的指令值可以被设定为0。由于励磁电流的指令值为0，磁阻转矩分量为0，定子电流仅由转矩电流构成，而Ψf为永磁体磁链，是个常值，因此上述Te1和Te2都与转矩电流iq成正比例，进而永磁电动机的转矩控制可以转化为转矩电流的控制，控制系统可以通过控制转矩电流的大小来控制电动机的转矩。这种控制方法有着以下优点：控制系统结构简单，调节器设计容易，转矩控制性能好，转矩脉动小。
在电流内环中，两个电流指令值分别通过自动电流调节器并经过电压解耦单元解耦，最终获得控制电压udref与uqref。通过2r/2s坐标转换器将电压变换到静止坐标系后，采用SVPWM模块控制电流控制逆变器输出电流紧紧跟随该电流参考值，同时向永磁同步电动机供电。
在转速外环中，转子角度位置检测装置获取永磁同步电动机的转子角度值并将其传输至闭环控制装置上的转速闭环控制模块，进而得到永磁同步电动机的转速实际值，转速闭环控制模块比较转速实际值和给定的转速参考值，通过转矩/磁链控制器向永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。在此需要说明的是，在该实施例中，所述转子角度位置检测装置可以是位置传感器，在可选的其它实施例中，该装置也可以是能够获取转子角度值的其它合适装置。
结合图1和图3，本发明提出了一种所述控制系统控制矿井下重载永磁同步电动机的方法。该方法可以包括以下步骤：
步骤A：所述不可控整流装置输出所述额定电压；
步骤B：所述永磁同步电动机控制装置根据所述永磁同步电动机的给定的转速参考值控制所述永磁同步电动机启动；
步骤C：所述转子角度位置检测装置检测所述永磁同步电动机的转子角度值，并将其反馈至所述闭环控制装置；
步骤D：所述闭环控制装置根据所述永磁同步电动机的转速参考值与基于所述转子角度值得出所述永磁同步电动机的转速实际值比较后向所述永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制；
步骤E：所述永磁同步电动机控制装置根据所述闭环控制装置得出的所述变频调速闭环控制控制所述永磁同步电动机的所述转子磁场和定子磁场；返回步骤C。
接下来将对每个步骤进行详细的说明。
步骤A用于给永磁同步电动机控制装置提供额定电压。在步骤A中，所述控制系统从高压接口引入三相交流电压，该电压进入不可控整流装置后，经过不可控整流装置中的移相变压器的电压变换，并通过不可控整流装置进行整流，而后进入永磁同步电动机控制装置提供额定电压。
步骤B用于启动永磁同步电动机。在步骤B中，永磁同步电动机根据给定的转速参考值启动，给定的转速参考值是根据负载的大小和/或所述控制系统应用的工况确定的。
步骤C用于构成转速闭环反馈控制方式。在步骤C中，转子位置传感器内部设置有编码器，编码器基于实时检测所述永磁同步电动机的转子角度值，最终输出转子角度值。
步骤D用于输出变频调速闭环控制。在步骤D中，转子位置传感器实时监测的转子角度值经过闭环控制装置中的转速闭环控制模块转换为转速实际值，最终通过转矩/磁链控制器向永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。
步骤E用于对永磁同步电动机进行矢量控制。在步骤E中，所述永磁同步电动机控制装置根据闭环控制装置得出的变频调速闭环控制，控制所述永磁同步电动机的转子磁场和定子磁场，并在转子磁场和定子磁场的控制基础上对所述永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制。
本发明为解决PMSM的大功率重载启动问题，采用了闭环控制方式对永磁同步电动机进行矢量控制和变频调速控制。闭环控制下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度范围内，电流也能够充分转换成转矩。开环控制下励磁恒定，无法根据电机负载决定电流值，易导致电流超限的问题。本发明采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速，不会出现多台电机之间的转速不平衡现象。
本发明提出了一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统。该控制系统从高压接口引入三相交流电压，经过移相变压器，通过移相整流设计将符合要求的电压等级引入高压变频主控电路中。系统整体的鲁棒性与全控器件的耐压性和使用寿命十分相关，故而在逆变装置中仍然采用中点钳位式三电平逆变电路。控制侧则采用提出的PI限幅、磁链转换与间接转矩反馈的驱动策略，利用所建立的基于定子侧电流、磁通和转子侧转速的三环矢量控制系统对永磁同步电机进行驱动和调速。
综上所述，本发明的控制系统对永磁同步电动机采用矢量控制和变频调速控制方式。本发明采用速度闭环控制，可以实现精准的永磁同步电动机转子磁极定位，对于电动机的控制更为精确，实践中本发明控制永磁同步电动机速度控制精度小于0.1%、转矩脉动小于0.2%。对于带式输送机重载启动的工况，该种控制系统精度高、响应速度快，满足了矿井环境下的带式输送机重载启动工作需求。
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明书中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种用于矿井下重载永磁同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
永磁同步电动机，所述永磁同步电动机用于矿井下重载运行；
永磁同步电动机控制装置，所述永磁同步电动机控制装置在转子磁场和定子磁场的控制基础上对所述永磁同步电动机进行磁场定向矢量闭环控制；
不可控整流装置，所述不可控整流装置用于向所述永磁同步电动机控制装置输出额定电压；
转子角度位置检测装置，所述转子角度位置检测装置用于检测所述永磁同步电动机的转子角度值；
闭环控制装置，所述闭环控制装置包括转速闭环控制模块，所述转速闭环控制模块根据所述永磁同步电动机的转速参考值与基于所述转子角度值得出所述永磁同步电动机的转速实际值比较后向所述永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括编码器，所述编码器基于实时检测所述永磁同步电动机的转子角度值输出所述转速实际值。
3.如权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述闭环控制装置基于所述转子角度值通过斜坡处理获取所述转速实际值。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述永磁同步电动机控制装置包括：
所述转速闭环控制模块包括转矩/磁链控制器，所述转矩/磁链控制器根据所述转速参考值和所述转速实际值输出两相控制电流指令值并通过2r/2s坐标转换器与2/3变换运算器转化后得到三相电流指令值；
所述永磁同步电动机控制装置包括电流控制逆变器，所述不可控整流装置向所述电流控制逆变器提供所述额定电压，所述电流控制逆变器将所述三相电流指令值逆变成三相输出电流并经过3/2变化运算器以及2s/2r坐标转换器输出励磁电流与转矩电流的调节值以控制所述永磁同步电动机的磁链与转矩。
5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述变频调速闭环控制构成具有自动速度调节器的转速外环，在所述自动速度调节器后引入电流表获取所述自动速度调节器的所述励磁电流和所述转矩电流的参考值。
6.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述磁场定向矢量闭环控制构成具有自动电流调节器的电流内环，并且在所述电流内环中设置有电压前馈解耦单元。
7.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在所述变频调速闭环控制中设置有转速滤波环节，在所述磁场定向矢量闭环控制中设置有电流滤波环节。
8.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述不可控整流装置还包括移相变压器，所述移相变压器将引入的三相交流电压整流成所述额定电压输出。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统采用定子电流id=0控制所述永磁同步电动机。
10.一种基于如前述权利要求1至9中任一项所述的控制系统控制矿井下重载永磁同步电动机的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤A：所述不可控整流装置输出所述额定电压；
步骤B：所述永磁同步电动机控制装置根据所述永磁同步电动机的转速参考值控制所述永磁同步电动机启动；
步骤C：所述转子角度位置检测装置检测所述永磁同步电动机的转子角度值，并将其反馈至所述闭环控制装置；
步骤D：所述闭环控制装置根据所述永磁同步电动机的转速参考值与基于所述转子角度值得出所述永磁同步电动机的转速实际值比较后向所述永磁同步电动机控制装置输出变频调速闭环控制；
步骤E：所述永磁同步电动机控制装置根据所述闭环控制装置得出的所述变频调速闭环控制控制所述永磁同步电动机的所述转子磁场和定子磁场；返回步骤C。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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