CN1229308A - 用于同步系统电流控制器的二维可变极限比例积分调节器 - Google Patents

用于同步系统电流控制器的二维可变极限比例积分调节器 Download PDF

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Abstract

可变速度感应电动机(498)的控制器(400)包括磁场定向控制(410,476),磁场定向控制器在反馈(402)装置中检测电动机参数以得到磁场及转矩差值信号。磁场差值信号由第一限定状态PI处理器(490a)进行处理,处理器将励磁电压比例分量的幅值限定为不大于母线电压的数值。磁场差值信号也可由状态限定积分器(426a)进行处理,状态限定积分器将励磁电压的积分分量限定为比例分量和母线电压之间的差值。

Description

用于同步系统电流控制器的 二维可变极限比例积分调节器
本发明总的来说涉及负载控制器，且特别涉及用于控制感应电动机的控制器。
电动机车在工业中变得日益重要。这种机车包括一牵引电池及一牵引电动机。当前的一些建议方案是应用混合概念，其中是利用一附加电源如电动机/发电机、通过在机车运行期间为牵引电池充电来提高机车的有效范围。由于机车由直流电压牵引电池进行供电，所以这些机车使用直流电压电动机。直流电动机具有电刷，这些电刷属磨损点。dc(直流)无电刷电动机是一种永磁电动机，由交流电压供电。感应电动机更加鲁棒性，且可以比dc无电刷电动机更加便宜地得到相对较高的功率输出。
感应需要可变电压、可变频率的交流电压来进行完备的控制。一些感应电动机控制器利用电压/频率(V/F)控制器，但这种控制不如磁场定向控制(FOC)精确，且难以使感应电动机在高于电动机标称速度的速度上旋转，电动机标称速度指的是当施加了特定驱动电压、电动机自转时的无负载速度。感应电动机典型地能够在大于标称速度的旋转速度下自转。最好是将感应牵引电动机通过一个固定齿数比连接到驱动轮上，以便能够消除传输装置的损失及重量的影响。当牵引电动机直接连接到驱动轮上时，确定固定齿数比的条件可通过将一台具有4000RPM标称速度、且具有16000RPM最大可能(损坏)旋转速度的感应电动机作为例子来进行理解。一方面，如果希望将最大电动机速度限定为4000RPM、且所期望的最大机车速度为65MPH，则齿轮减速比应比最大速度选定为16000RPM时小4倍。另一方面，在16000RPM时给出65MPH的齿轮减速比要大于在4000RPM时给出65MPH所需的齿轮减速比。这个较大的齿轮减速比本身又有利于在整个速度范围上产生较大的转矩。从而使感应电动机在标称母线电压附近运行。
图1是感应电动机速度ω与场强λ关系特性的简化曲线1。在图1中，曲线1包括在速度从0到电动机标称速度ωnominal时、磁通量值恒定为λnominal的部分2，曲线的这一部分代表电动机不受所施加的母线电压限制、而受其他因素诸如最大绕组电流限制的运行区域。曲线1的区域3是一个电动机速度高于标称速度ωnominal的区域，其中反电动势由下式给出：
VEMF＝ω.λnom(1)它表明在标称速度时反电动势(EMF)等于特定的母线电压。标示为ωmax的电动机速度代表离心力达到使转子分离时的速度，从而代表一个绝对最大的上限速度。在高于标称速度ωnominal的速度ω处，只要保持磁通量场强不变，反电动势(EMF)便超过母线电压。因此，为了在高于标称速度的速度上运行必须减少场强，以降低反电动势，因此在母线电压和反电动势(EMF)之间便存在压差，从而产生电动机电流。而减少磁通量的同时也会减少转矩。为了在从标称速度到所选择的最大允许速度(小于ωmax)的整个电动机速度范围上保持最大转矩量，必须使反电动势(EMF)低于母线电压。因此，电动机总是在高于标称速度区域内的母线电压极限附近运行。结果，在控制器要求施加大于最大母线电压的电动机电压期间，可以兼顾到稳定性。
状态限定比例-积分调节器已用于控制电路当中，例如由DusanBorojevic1986年在Blacksburg，Virginia(弗吉尼压)的弗吉尼压工业学院及州立大学的PHD(哲学博士)论文“电力驱动的快速及鲁棒控制的非线性算法”中所描述的。图2是根据已有技术的控制系统10的简化方框图。在图2中，参考信号或用户指令通过端子12加到差值信号发生器14的同相(+)输入端14i1上。应当理解的是本说明书中所述的信号代表其名字所隐含的数值，因此，例如电动机励磁电压指令信号，不论是直接的还是乘以一个比例常数，都表示在其他参考系中所测得的磁场、或者励磁电流、或者磁场本身的对应值、或者产生磁场的电流的实际数值，因此信号处理可利用代表信号或信号所表示的数值来进行描述。图2的差值信号发生器14从参考信号当中减去代表施加到反相输入端(一)14i2的被控变量的反馈信号，生成系统差值信号。差值信号分别施加到第一和第二乘法器16和18上。本领域中都知道，第一乘法器16将此差值信号乘以一个常数Kp，便在其输出端16o处生成一个比例指令分量。该比例指令分量施加到限幅器20的输入端20i上。限幅器20将该比例分量的范围限定在分别施加到其上限端20ul和下限端20ll上的最大和最小值之间。施加到限幅器20上限端20ul上的上限信号或数值由MAX CMD(最大命令)源22产生，施加到下限输入端20ll上的下限信号或数值则由MIN CMD(最小命令)源24产生。限幅器20在其输出端20o处生成一个有限比例指令信号。
图2的第二乘法器18将施加到其输入端18i上的差值信号乘以一个常数Ki，在其输出端18o处生成一个信号，该信号在下面所述的反馈回路的作用下，代表有限积分指令积分分量的第一导数。状态限定积分器26对来自乘法器18输出端18o的信号进行积分，生成一个积分信号，该积分信号通过限定限幅器26的积分状态来进行限定。特别地，状态限定积分器26的积分状态被限定为低于施加到其上限端26ul上的上限值，且高于施加到其下限端26ll上的下限值。施加到状态限定积分器26上限端26ul的上限信号由减法或差值电路28的输出信号表示。差值电路28求得来自限幅器20输出端20o的指令的有限比例分量与来自源22的MAX CMD之间的差值。相类似的，施加到状态限定积分器26下限端26ll上的下限信号可由差值电路30产生，该差值电路可从源24所产生的MIN CMD数值当中减去指令信号的有限比例分量。因此，积分器26的积分上限被限定为低于差值电路28所产生的最大极限，积分器26的积分下限被限定为高于差值电路30所产生的最小极限。限位积分器26输出端26o处的输出为指令信号的有限积分分量。
图2的求和电路32对指令信号的有限比例分量和有限积分分量进行求和运算，生成控制设备34的总指令信号。设备34响应该总指令信号来调节被控变量，从而返回到差值信号发生器14反相输入端14i2的反馈信号使负反馈回路闭合。图2的结构在存在瞬时输入或参考信号的情况下，具有能够限制由设备的慢速响应及积分器的时间常数引起的过调的优点。
当利用两个控制限幅器来控制感应电动机的磁场及转矩分量时，电动机控制在某些运行方式下是不稳定的。因此需要改进的感应电动机控制器。
根据本发明的一个系统利用由具有母线电压的直流电压母线供电的感应电动机。该系统包括一个用于在同步系统中产生相互正交的磁通量和转矩电流指令的磁场定向控制器。第一差值信号发生器连接到该磁场定向控制器上，用于从磁通量电流指令信号中减去反馈励磁电流信号，从而生成励磁电流差值信号。第二差值信号发生器连接到磁场定向控制器上，用于从转矩电流指令中减去反馈转矩电流信号，从而生成转矩电流差值信号。第一可变极限比例积分调节器连接到第一差值信号发生器上，并响应磁通量电流差值信号。第一可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控磁通量电压信号，并将受控磁通量电压的比例和积分分量都限定在受控磁通量电压的比例和积分分量之和不大于有效母线电压的数值上。第二可变极限比例积分调节器连接到第二差值信号发生器上，并响应转矩电流差值信号。第二可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控转矩电压信号，并将受控转矩电压的比例和积分分量都限定在使受控磁通量电压和受控转矩电压矢量和的幅值不大于有效母线电压的所选数值上。连接一反馈装置来检测电动机绕组中的电流，用于产生反馈励磁电流信号和反馈转矩电流信号，并将反馈励磁电流信号耦合到第一差值信号发生器上，将反馈转矩电流信号耦合到第二差值信号发生器上，从而使电动机控制电流反馈回路闭合。
在本发明的一个特定实施例中，第一可变极限比例积分调节器进一步包括一个相连接的用以接收励磁电流差值信号的第一乘法器，用于生成一个代表电动机励磁电压比例分量的信号。第一限幅器连接到第一乘法器上，用以接收代表电动机励磁电压比例分量的信号，并将此代表电动机励磁电压比例分量的信号限定为最大母线电压，从而生成一个代表电动机励磁电压有限比例分量的信号。连接第二乘法器来接收励磁电流差值信号，用于生成一个代表励磁电压积分分量第一导数的信号。一个状态限定积分器连接到第二乘法器上，用于接收代表励磁电压积分分量第一导数的信号，并对此代表励磁电压积分分量第一导数的信号进行积分，从而生成第一积分信号。第一积分信号被限定到一个数值，该数值应使得(a)第一积分信号和代表磁通量电压(c)的比例分量的(b)信号之和不大于母线电压。第一求和装置连接到第一限幅器及状态限定积分器上，对代表电动机励磁电压有限比例分量的信号和第一积分信号进行求和运算，从而生成代表受控磁通量电压的信号。在此实施例的一个进一步具体方案中，第二可变极限比例积分调节器包括一个连接到第一可变极限比例积分调节器上的转矩电压有限信号发生器，通过生成一个代表(a)受控磁通量电压的平方和(b)有效母线电压的平方之间差值平方根的转矩电压有限信号，来响应受控磁通量电压。连接一第三乘法器来接收转矩电流差值信号，用来生成一个代表电动机转矩电压比例分量的信号。第二限幅器连接到第三乘法器上，接收电动机转矩电压的比例分量，用来将电动机转矩电压的比例分量限定为由转矩电压有限信号所表示的数值，从而生成一个电动机转矩电压有限比例分量。连接第四乘法器来接收转矩电流差值信号，用于生成一个代表转矩电压积分分量第一导数的信号。一第二状态限定积分器连接到第四乘法器上，用于对代表转矩电压积分分量第一导数的信号进行积分，生成第二积分信号。此第二积分信号被限定为使第二积分信号和电动机转矩电压有限比例分量之和不大于转矩电压有限信号。设置第二求和装置，对电动机转矩电压的有限比例分量和第二积分信号进行求和，从而生成受控转矩电压。
一优选实施例利用该系统来控制连接到电力供电机车例如一混合电动机车驱动轮上的牵引电动机。
根据本发明的一种方法，用于控制由直流电压母线驱动的感应电动机，包括生成励磁电流指令信号和转矩电流指令信号的步骤。励磁电流差值信号通过从励磁电流指令信号中减去励磁电流反馈信号来生成。转矩电流差值信号通过从转矩电流指令信号中减去转矩电流反馈信号来生成。励磁电流差值信号乘以第一和第二常数，生成磁场及第二信号。将励磁电压信号的数值限定为不大于直流电压母线有效母线电压，从而生成一个有限比例励磁电压信号。第二信号在状态限定方式下进行积分，生成积分励磁电压信号，积分器的状态被限定为使得(a)有限比例励磁电压信号和(b)积分励磁电压信号之和(c)不大于母线电压。对有限比例励磁电压信号和积分励磁电压信号进行求和，生成磁通量电压指令信号。所生成的有限信号代表(a)有效母线电压的平方与(b)磁通量电压指令的平方之间差值的平方根。转矩差值信号乘以第三和第四常数，分别生成代表转矩电压比例分量的信号和第四信号。代表转矩电压比例分量的信号经限定后代表不大于有限信号的数值，从而生成有限比例转矩电压信号。第四信号在一状态限定方式下进行积分，生成积分转矩电压信号；积分器的状态被限定为使得(a)有限比例转矩电压信号和(b)积分励磁电压信号之和不大于有限信号。对比例转矩电压信号和积分转矩电压信号进行求和运算，生成转矩电压指令信号。励磁电压指令信号及转矩电压指令信号被转换为电动机绕组电流。电动机绕组电流经检测生成检测的电动机绕组电流信号，且所检测的电动机绕组电流信号又被转换为励磁电流反馈信号和转矩电流反馈信号。
图1是在一感应电动机中磁通量与速度对应关系的简化曲线；
图2是已有技术利用一状态限定积分器的可变阀值比例积分控制器的一部分的方框及示意图形式的简化图；
图3a，3b，3c和3d是感应电动机运行有关的、具有d及q轴的同步系统图；及
图4为一方框及示意图形式的简化图，给出了根据本发明一个方面的感应电动机控制电路。
图3a的图形示出了受FOC控制的感应电动机的同步控制系统中的母线电压，给出了Vq和Vd轴。在图3a中，圆310代表最大母线电压，矢量312代表施加到电动机上的交流电压的幅值。矢量312有一个沿Vd轴的分量314和一个平行于Vq轴的分量316。工作在图3a所示条件下的电动机具有最大有效母线电压，这意味着电动机的速度不小于标称速度，因为在速度低于标称速度时，电动机的反电动势(EMF)小于额定母线电压，且不必施加全部母线电压；只有当反电动势(EMF)较高时才施加全部母线电压。调节器的输出可发出一个电压指令，如图3b中的矢量318所示，该矢量产生沿Vd轴的分量320，和沿Vq轴的分量319。很明显，实际母线电压无法达到受控值319。因此，当所施加的电动机电压被限定为实际最大母线电压时，矢量318的幅值减少，幅值减少的矢量318如图3c中的324所示。当如此减少时，所施加的电动机电压324分别产生沿d和q轴的分量326和328，它们的幅值相对于其原有数值320和319成比例地减少。
已经发现，在诸如结合图2所述的控制器当中，所施加的电动机电压在d和q分量上的成比例减少将导致其特征在于大于预期值的电动机电流及在特定运行方式下可能不稳定的瞬态响应。根据本发明的一个方面，所施加的矢量电压，如图3b中的318，当其受控值趋于超过最大有效母线电压320时，便在FOC同步系统中旋转并对其幅值进行调节。结果在图3d中，当受控施加电压由图3b中的矢量318表示时，受控电压旋转且幅值减少，如图3d中的矢量338所示，以此来保持图3b中磁通量电压分量320的幅值不变。如图3d中所示，原先大于母线电压的矢量318的旋转位置338及其减少的幅值，导致产生了一个q轴或转矩分量，该分量相对于其原先受控值来说大大减少。已经发现，通过使磁通量幅值320保持不变并使转矩幅值减少，如从319到339，则电动机的控制相对于由图3b转换到3c所代表的情形来说可以得到稳定，其中可以简单地减少受控矢量318的幅值而不必使其保持在恒定磁通量指令左右。
图4是根据本发明的一个控制系统的方框及示意图形式的简化图。此特殊控制系统对电动机机车、也可以是混合电气机车的牵引电动机进行控制。在图4中，磁场定向电动机控制(FOC)410接收转矩输入信号及电动机速度信号，并产生分别施加到差值信号发生器414a和414b同相输入端上的id*和iq*信号。差值信号发生器414a和414b从其相应的id*和iq*信号中分别减去反馈电动机电流信号idFB和iqFB，分别在信号通道415a和415b上产生磁通量和转矩差值信号。
来自图4差值信号发生器414a的磁场磁通量(d)差值信号施加到单元490a上，该单元通常与图2中的单元10相类似。在图4中，来自差值信号发生器414a的磁场磁通量差值信号通过通道415a的接点施加到乘法器416a上，此乘法器416a将磁场磁通量差值信号乘以一个比例常数Kpd。来自乘法器416a输出端416ao的经放大的磁场磁通量差值信号通过一个求和电路488a施加到限幅器420a的输入端420ai上。求和电路488a将由所示单元486a产生的前馈校正信号VdFF加到来自乘法器416a的放大磁场磁通量差值信号上，以校正系统400d和q通道之间信号的交叉耦合。施加到限幅器420a上的经交叉耦合校正的放大磁场磁通量差值信号受到限定，如结合图2限幅器20所述的相同。施加到限幅器420a上限输入端420aul的上限等于最大有效母线电压Vavailable，在三相感应电动机情形下最大有效母线电压Vavailable等于 V available = ( V dc 3 ) - V d 2 - - - ( 2 ) 此Vavailable信号在源22a的输出处产生并直接施加到限幅器420a的上限输入端420aul上，且通过一反相器或-1运算器24a施加到限幅器420a的下限输入端420all上。结果来自限幅器420a的输出信号的最大最小值都与有效总线电压相对应。励磁电流电压的有限比例分量由限幅器420a通过信号通道421a施加到求和电路432a的同相输入端上。
来自图4差值信号发生器414a的磁场磁通量(d)差值信号还通过通道415a的接点施加到乘法器418a上，该乘法器418a将此磁场磁通量差值信号乘以一个积分常数KId。由于下面所述的整个反馈回路的作用，来自乘法器418a输出端418ao的放大磁场磁通量差值信号具有量纲优/秒，并表示励磁电压指令Vd积分分量的第一导数。励磁电压指令信号控制功率信号处理器或反相器496在电动机绕组两端产生一个有效励磁电压，此电压应足以使所需的等效励磁电流在电动机内流动。如上所述，本文中所描述的信号代表其名称所隐含的数值，因此励磁电压指令信号Vd，不论是直接的地还是乘以一个比例常数，都代表电动机励磁绕组磁场的实际值，或者代表与在不同坐标系中测得的励磁绕组磁场呈函数对应关系的磁场值，因此可利用代表信号或信号所表示的数值来描述信号处理。特别地，FOC控制可在与电动机磁场及转矩相对应的d和q坐标上进行分析和信号处理，但施加到感应电动机上的电流却不能轻易地分为磁场和转矩分量，只能在a，b和c坐标上测得。励磁电压指令积分分量的第一导数，或者更准确地说，是代表励磁电压指令积分分量第一导数的信号，从乘法器418a的输出端418ao施加到单元490a中的状态限定积分器426a的输入端426ai上。差值电路484a具有一连接于信号通道421a上的、用以接收励磁电压电流指令有限比例分量的反相输入端，同时该差值电路484a还有一连接于源22a上的、用以接收代表有效母线电压的信号的同相输入端。差值电路484a求得励磁电压指令有限比例分量和有效母线电压之间的差值，生成用于施加到状态限定积分器426a上限输入端426aul上的上限信号。相类似地，差值电路482a具有一连接于信号通道421a上的、用于接收励磁电压指令有限比例分量的反相输入端，且还包括一个连接到反相器24a的输出上的同相输入端，该差值电路482a求得励磁电压指令Vd有限比例分量之间的差值，并将此差值施加于状态限定积分器426a的下限输入端426all上。状态限定积分器426a生成励磁电压指令积分分量，并将此积分分量通过信号通道427a施加到求和电路432a的第二同相输入端上。
图4的求和电路432a对励磁电压指令的有限比例分量及有限积分分量进行求和运算，且在信号通道433a上生成一个励磁电压指令信号Vd，施加到所示的坐标转换器单元496上。如下所述，坐标转换器单元496接收来自通道433a的励磁电压指令信号Vd、来自母线497的母线电压，且还接收转矩电压指令信号Vq及代表电动机498磁场位置的信号θRF，用来生成a，b和c电压分量以激励绕组并控制电动机。
如上所述，差值信号发生器414b自其iq*参考或输入信号中减去反馈电动机电流信号iqFB，在信号通道415b上产生转矩差值信号。来自图4差值信号发生器414b的转矩磁通量(q)差值信号施加到单元490b中，该单元通常与图2中的单元10及图4中的单元490a相似。在图4中，来自差值信号发生器414b的转矩磁通量差值信号通过通道415b施加于乘法器416b上，该乘法器将此转矩磁通量差值信号乘以一个比例常数Kpq。来自乘法器416b输出端416bo的放大转矩磁通量差值信号通过求和电路488b施加于限幅器420b的输入端420bi上。求和电路488b将由所示单元486b产生前馈校正信号VqFF施加于来自乘法器416b的放大磁场磁通量差值信号上，用于校正系统400中d和q通道之间信号的交叉耦合。经交叉耦合校正的放大转矩磁通量差值信号施加于限幅器420b上并被进行限幅，大部分如上面结合限幅器420a所述的相同。
图4的控制单元490b包括连接到母线497上的、用于接收母线电压的单元480，且还包括连接到信号通道433a上、用于接收有限励磁电压指令信号Vd的输入端480i。单元480生成一个施加于转矩有限值总线481上的转矩电压有限信号Vtorpue limit。在单元480中计算出的Vtorque limit值为由单元490b的限幅器所控制的转矩电压指令信号Vq的比例及积分分量的幅值设定了极限，如此使得转矩电压指令信号的允许值被限定为在励磁电压指令信号Vd得到尽可能大的、在闭合回路条件下获得所需励磁电流的励磁电压之后的余数。另一方面，在单元480中所选的数值，与在单元490a中所选的极限值一起，优先选择励磁电压指令Vd，为电动机提供达到受控值的受控励磁电流，且使转矩电压指令Vq只能得到有效母线电压。因此，根据本发明的一个方面，给予励磁电流超过转矩电流的在先或优先选择权。
由图4的单元480生成的Vtorque limit值施加于限幅器420b的上限输入端420bul上，且Vtorque limit的反相值通过示为24b的反相或-1乘法电路施加于限幅器420b的下限输入端420bll上。限幅器420b将施加到限幅器420b输入端420bi上的经交叉耦合校正的放大转矩磁通量差值信号值限定在施加于极限输入端420bul的+Vtorque limit和施加于下限输入端420bll的-Vtorque limit之间。在限幅器420b的输出端420bo处生成转矩电压指令Vq的有限比例分量，且此有限比例分量通过一信号通道421b施加于求和电路432b的同相输入端，在此与转矩电压指令的有限积分部分或分量进行求和运算。
由图4的差值信号发生器414b在信号通道415b上产生的转矩差值信号施加于乘法器418b上，用于乘以一个常数Kiq，所得到具有伏/秒量纲、且代表转矩电压指令Vq积分分量第一导数的信号，被施加到状态限定积分器426b的输入端426bi上。状态限定积分器426b，只要其状态不超过分别施加于其上下限输入端426bul和426bll上的极限值，便对施加于其输入端426bi上的信号进行积分。上限值由差值电路484b生成，该差值电路包括一个相连接的用以接收来自信号通道421b的转矩电压指令有限比例分量的反相输入端，且还包括一个相连接的用以通过通道481接收来自单元480的转矩电压有限信号Vtorque limit的同相输入端。差值电路484b求得转矩电压有限信号Vtorque limit和转矩电压指令有限比例分量之间的差值，生成用于施加到状态限定积分器426b上限输入端426bul上的上限值。相类似的，另一差值电路482b具有一相连接的用于接收来自信号通道421b的转矩电压指令有限比例分量的反相输入端，且还包括一个相连接的用于接收来自反相器24b的反相转矩电压有限信号-Vtorque limit的同相输入端。状态限定积分器426b在信号通道427b上生成用于施加到求和电路432b上的转矩电压指令有限积分分量。求和电路432b对转矩电压指令的有限比例分量与转矩电压指令的有限积分分量进行求和运算，在信号通道433b上生成转矩电压指令Vq。
在图4中，在信号通道433a上的由单元490a产生的励磁电压指令Vd和在信号通道433b上的由单元490b产生的转矩电压指令Vq在一处理单元496中相加到一起。处理单元496接收代表电动机498磁通量角位置的θRF信号、励磁及转矩电压指令，并将此指令转换为abc坐标，用于控制来自母线497的、以Va、Vb和Vc施加到感应电动机498三相绕组上的电压部分。对电动机498转子的角位置进行检测并将其通过一个信号通道θROT施加到用于其中的FOC控制器410上。
图4电动机498绕组中的电流，可通过只测量a，b和c电动机绕组中两个绕组电流、例如通过测量a和c线圈分支中的电流来确定。如478a和478c所示的电流传感器，连接到电动机498的a和c线圈分支上，生成施加于所示的运算单元476上的电流代表信号ia和ic。单元476，利用与电动机498磁场位置有关的信息θRF，产生呈同步磁场形式、也就是呈idFB和iqFB信号形式的电动机电流反馈信号，该信号返回分别施加于FOC控制器410及差值信号发生器414a和414b的反相输入端上，此反馈使得负反馈回路402闭合，该负反馈闭合回路趋于使电动机电流在能够提供由励磁和转矩电压指令所代表的性能的方式下流动。
本发明的其他实施例对于本领域的技术人员来说将是很清楚的。例如，所述的信号处理器实质上可以是模拟的或数字的，尽管数字的更好一些。数字信号可由专用的硬件处理器进行处理，或优选地由在通用处理器中操作的软件来进行处理。数字信号可以是并行或串行形式，这可根据子系统的实质要求进行适当的转换。
因此，根据本发明的一个系统(400)利用由具有总线电压的直流电压总线进行供电的感应电动机(498)。该系统(400)包括一个磁场定向控制器(410)，用于在一个同步系统(如图3a或3b中的系统)中生成相互正交的磁通量(“磁场”)和转矩电流指令(id*，iq*)。一第一差值信号发生器(414a)连接到磁场定向控制器(410)上，用于从磁通量电流指令信号(id*)中减去反馈励磁电流信号(在导线413a上的idFB)，从而生成励磁电流差值信号(在通路415a上)。第二差值信号发生器(414b)连接到磁场定向控制器(410)上，用于从转矩电流指令(iq*)中减去反馈转矩电流信号(在信号通道413b上的iqFB)，从而生成转矩电流差值信号(在通路415b上)。第一可变极限比例积分调节器(490a)连接到第一差值信号发生器(414a)上，并响应磁通量电流差值信号。第一可变极限比例积分调节器(490a)生成包括比例和积分分量(分别在通路421a和427a上)的受控磁通量电压信号(在信号通道433a上的Vd)，并将受控磁通量电压(Vd)的比例和积分分量都限定在受控磁通量电压(Vd)的比例和积分分量之和不大于有效母线(497)电压的数值上。第二可变极限比例积分调节器(490b)连接到第二差值信号发生器(414b)上，并响应转矩电流差值信号。第二可变极限比例积分调节器(490b)生成包括比例和积分分量(分别在通路421b和426b上)的受控转矩电压信号(在信号通道433b上的Vq)，并将受控转矩电压(Vq)的比例和积分分量都限定在使受控磁通量电压(Vd)和受控转矩电压(Vq)矢量和的幅值(例如图3a中的312)不大于有效母线电压(310)的所选数值上。连接一反馈装置(413a，413b，476，478a，478b，θROT)来检测电动机498绕组中的电流，用于产生反馈励磁电流信号(idFB)和反馈转矩电流信号(iqFB)，并将反馈励磁电流信号(idFB)耦合到第一差值信号发生器(414a)上，将反馈转矩电流信号(iqFB)耦合到第二差值信号发生器(414b)上，从而使电动机控制电流反馈回路(402)闭合。反馈装置(402)还包括用于检测电动机转子位置的部分(θROT)。
在本发明的一个特定实施例中，第一可变极限比例积分调节器(490a)进一步包括一个相连接的用以接收励磁电流差值信号的第一乘法器(416a)，用于生成一个代表电动机励磁电压比例分量的信号。第一限幅器(420a)连接到第一乘法器(416a)上，用以接收代表电动机励磁电压比例分量的信号(在端口420ai上)，并将此代表电动机励磁电压比例分量的信号限定为最大母线电压，从而生成(在信号通道421a上)一个代表电动机励磁电压有限比例分量的信号。连接第二乘法器(418a)来接收励磁电流差值信号，用于生成(在端口418ao上)一个代表励磁电压积分分量第一导数的信号。一个状态限定积分器(426a)连接到第二乘法器(418a)上，用于接收代表励磁电压积分分量第一导数的信号，并对此代表励磁电压积分分量第一导数的信号进行积分，从而生成第一积分信号。第一积分信号被限定(通过限定积分器的状态)到一个数值，该数值应使得(a)第一积分信号和(b)代表磁通量电压的比例分量的信号之和(c)不大于母线(497)的电压；如此限定的第一积分信号为励磁电压指令(Vd)的积分分量。第一求和装置(432a)连接到第一限幅器(420a)及状态限定积分器(426a)上，对代表励磁电压有限比例分量的信号和第一积分信号(等效于励磁电压指令的积分分量)进行求和运算，从而生成代表受控磁通量电压的(Vd)信号。在此实施例的一个进一步具体方案中，第二可变极限比例积分调节器(490b)包括一个连接到第一可变极限比例积分调节器(490a)上的转矩电压有限信号发生器(480)，通过生成一个代表(a)受控磁通量电压的平方和(b)有效母线电压的平方之间差值平方根的转矩电压有限信号(在通道481上)，来响应受控磁通量电压(在信号通道433a上的Vd)。连接一第三乘法器(416b)来接收转矩电流差值信号(从通道415上)，用来生成(在其输出端416bo上)一个代表电动机转矩电压指令(Vq)比例分量的信号。第二限幅器(420b)连接到第三乘法器(416b)上，接收电动机转矩电压的比例分量，并将电动机转矩电压的比例分量限定为由转矩电压有限信号所表示的数值(在信号通道418上)，从而生成(在其输出端418bo上)电动机转矩电压(Vq)的有限比例分量。连接(到信号通道415b上)第四乘法器(418b)来接收转矩电流差值信号，用于生成一个代表转矩电压(Vq)积分分量第一导数的信号(在输出端418bo上)。第二状态限定积分器(426b)连接到第四乘法器(418b)上，用于对代表转矩电压积分分量第一导数的信号进行积分，生成(在信号通道427b上)第二积分信号(等于转矩电压指令Vq的积分分量)。此第二积分信号被限定为使第二积分信号和电动机转矩电压的有限比例分量之和不大于转矩电压有限信号(在信号通道481上)。设置第二求和装置(432b)，对电动机转矩电压的有限比例分量和第二积分信号进行求和，从而生成受控转矩电压(Vq)。
一优选实施例利用该系统来控制连接到电力供电机车、例如一混合电动机车驱动轮(499)上的牵引电动机(498)。

Claims (8)

1、一种利用由具有母线电压的直流电压母线供电的感应电动机的系统，该系统包括：
一个用于在同步系统中产生相互正交的磁通量和转矩电流指令的磁场定向控制器；
连接到该磁场定向控制器上的第一差值信号发生器，用于从所述磁通量电流指令信号中减去反馈励磁电流信号，从而生成励磁电流差值信号；
连接到该磁场定向控制器上的第二差值信号发生器，用于从所述转矩电流指令中减去反馈转矩电流信号，从而生成转矩电流差值信号；
连接到所述第一差值信号发生器上、并响应所述磁通量电流差值信号的第一可变极限比例积分调节器，该第一可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控磁通量电压信号，并将该受控磁通量电压的所述比例和积分分量都限定在使该受控磁通量电压的所述比例和积分分量之和不大于有效母线电压的数值上；
连接到所述第二差值信号发生器上、并响应所述转矩电流差值信号的第二可变极限比例积分调节器，该第二可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控转矩电压信号，并将该受控转矩电压的所述比例和积分分量都限定在使受控磁通量电压和受控转矩电压矢量和的幅值不大于有效母线电压的所选数值上；
相连接的用于检测电动机绕组中电流的反馈装置，用于产生所述反馈励磁电流信号和所述反馈转矩电流信号，并将反馈励磁电流信号耦合到第一差值信号发生器上，将反馈转矩电流信号耦合到第二差值信号发生器上，从而使电动机控制电流反馈回路闭合。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的第一可变极限比例积分调节器进一步包括：
一个相连接的用以接收所述励磁电流差值信号的第一乘法器，用于生成一个代表电动机励磁电压比例分量的信号；
第一限幅器，连接到所述第一乘法器上、用以接收所述代表电动机励磁电压比例分量的信号，并将此代表电动机励磁电压比例分量的信号限定为最大母线电压，从而生成一个代表电动机励磁电压有限比例分量的信号；
一个相连接的用来接收励磁电流差值信号的第二乘法器，用于生成一个代表励磁电压积分分量第一导数的信号；
一个状态限定积分器，连接到第二乘法器上用于接收代表励磁电压积分分量第一导数的信号，并对此代表励磁电压积分分量第一导数的信号进行积分，从而生成第一积分信号，该第一积分信号被限定到一个数值，该数值使得第一积分信号和代表磁通量电压比例分量的信号之和不大于母线电压；
一第一求和装置，连接到第一限幅器及状态限定积分器上，对代表电动机励磁电压有限比例分量的信号和第一积分信号进行求和运算，从而生成代表受控磁通量电压的信号。
3、根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述的第二可变极限比例积分调节器包括：
一个连接到第一可变极限比例积分调节器上的转矩电压有限信号发生器，响应所述受控磁通量电压，生成一个代表(a)受控磁通量电压的平方和(b)有效母线电压的平方之间差值平方根的转矩电压有限信号；
一相连接的用来接收转矩电流差值信号的第三乘法器，生成一个代表电动机转矩电压比例分量的信号；
一第二限幅器，连接到第三乘法器上来接收电动机转矩电压的比例分量，用来将电动机转矩电压的比例分量限定为由转矩电压有限信号所表示的数值，从而生成一个电动机转矩电压有限比例分量；
一个相连接的用来接收转矩电流差值信号的第四乘法器，生成一个代表转矩电压积分分量第一导数的信号；
一第二状态限定积分器，连接到第四乘法器上用于对代表转矩电压积分分量第一导数的信号进行积分，生成第二积分信号，该第二积分信号被限定为使第二积分信号和电动机转矩电压有限比例分量之和不大于转矩电压有限信号；
一第二求和装置，对电动机转矩电压的有限比例分量和第二积分信号进行求和，生成所述的受控转矩电压。
4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括：
一机车车体；和
连接到该机车车体及所述电动机上的机车运动齿轮，使机车随着电动机的旋转而移动。
5、一种利用由具有母线电压的直流电压母线供电的感应电动机的电动机车，其特征在于所述机车包括：
一个用于在同步系统中产生相互正交的磁通量和转矩电流指令的磁场定向控制器；
连接到该磁场定向控制器上的第一差值信号发生器，用于从所述磁通量电流指令信号中减去反馈励磁电流信号，从而生成励磁电流差值信号；
连接到该磁场定向控制器上的第二差值信号发生器，用于从所述转矩电流指令中减去反馈转矩电流信号，从而生成转矩电流差值信号；
连接到所述第一差值信号发生器上、并响应所述磁通量电流差值信号的第一可变极限比例积分调节器，该第一可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控磁通量电压信号，并将该受控磁通量电压的所述比例和积分分量都限定在使该受控磁通量电压的所述比例和积分分量之和不大于有效母线电压的数值上；
连接到所述第二差值信号发生器上、并响应所述转矩电流差值信号的第二可变极限比例积分调节器，该第二可变极限比例积分调节器生成包括比例和积分分量的受控转矩电压信号，并将该受控转矩电压的所述比例和积分分量都限定在使受控磁通量电压和受控转矩电压矢量和的幅值不大于有效母线电压的所选数值上；
相连接的用于检测电动机绕组中电流的反馈装置，用于产生所述反馈励磁电流信号和所述反馈转矩电流信号，并将反馈励磁电流信号耦合到第一差值信号发生器上，将反馈转矩电流信号耦合到第二差值信号发生器上，从而使电动机控制电流反馈回路闭合。
6、根据权利要求5所述的机车，其特征在于所述的第一可变极限比例积分调节器进一步包括：
一个相连接的用以接收所述励磁电流差值信号的第一乘法器，用于生成一个代表电动机励磁电压比例分量的信号；
第一限幅器，连接到所述第一乘法器上、用以接收所述代表电动机励磁电压比例分量的信号，并将此代表电动机励磁电压比例分量的信号限定为最大母线电压，从而生成一个代表电动机励磁电压有限比例分量的信号；
一个相连接的用来接收励磁电流差值信号的第二乘法器，用于生成一个代表励磁电压积分分量第一导数的信号；
一个状态限定积分器，连接到第二乘法器上用于接收代表励磁电压积分分量第一导数的信号，并对此代表励磁电压积分分量第一导数的信号进行积分，从而生成第一积分信号，该第一积分信号被限定到一个数值，该数值使得第一积分信号和代表磁通量电压比例分量的信号之和不大于母线电压；
一第一求和装置，连接到第一限幅器及状态限定积分器上，对代表电动机励磁电压有限比例分量的信号和第一积分信号进行求和运算，从而生成代表受控磁通量电压的信号。
7、根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述的第二可变极限比例积分调节器包括：
一个连接到第一可变极限比例积分调节器上的转矩电压有限信号发生器，响应所述受控磁通量电压，生成一个代表(a)受控磁通量电压的平方和(b)有效母线电压的平方之间差值平方根的转矩电压有限信号；
一相连接的用来接收转矩电流差值信号的第三乘法器，生成一个代表电动机转矩电压比例分量的信号；
一第二限幅器，连接到第三乘法器上来接收电动机转矩电压的比例分量，用来将电动机转矩电压的比例分量限定为由转矩电压有限信号所表示的数值，从而生成一个电动机转矩电压有限比例分量；
一个相连接的用来接收转矩电流差值信号的第四乘法器，生成一个代表转矩电压积分分量第一导数的信号；
一第二状态限定积分器，连接到第四乘法器上用于对代表转矩电压积分分量第一导数的信号进行积分，生成第二积分信号，该第二积分信号被限定为使第二积分信号和电动机转矩电压有限比例分量之和不大于转矩电压有限信号；
一第二求和装置，对电动机转矩电压的有限比例分量和第二积分信号进行求和，生成所述的受控转矩电压。
8、一种控制由直流电压母线驱动的感应电动机的方法，包括以下步骤：
生成励磁电流指令信号和转矩电流指令信号；
通过从所述励磁电流指令信号中减去励磁电流反馈信号来生成励磁电流差值信号；
通过从所述转矩电流指令信号中减去转矩电流反馈信号来生成转矩电流差值信号；
将所述的励磁电流差值信号乘以第一和第二常数，分别生成励磁信号及第二信号；
将所述励磁电压信号的数值限定为不大于直流电压母线的有效母线电压，从而生成一个有限比例励磁电压信号；
在状态限定方式下对所述第二信号进行积分，生成积分励磁电压信号，所述状态被限定为使得有限比例励磁电压信号和积分励磁电压信号之和不大于母线电压；
对该有限比例励磁电压信号和该积分励磁电压信号进行求和，生成磁通量电压指令信号；
生成代表(a)所述有效母线电压的平方与(b)所述磁通量电压指令的平方之间差值的平方根的有限信号；
将所述转矩差值信号乘以第三和第四常数，分别生成代表转矩电压比例分量的信号和第四信号；
将所述代表转矩电压比例分量的信号限定为代表不大于所述有限信号的数值，从而生成有限比例转矩电压信号；
在一状态限定方式下对该第四信号进行积分，生成积分转矩电压信号，该状态被限定为使得有限比例转矩电压信号和积分励磁电压信号之和不大于所述有限信号，从而生成积分转矩电压信号；
对该比例转矩电压信号和该积分转矩电压信号进行求和运算，生成转矩电压指令信号；
将该励磁电压指令信号及该转矩电压指令信号转换为电动机绕组电流；
检测该电动机绕组电流，生成检测的电动机绕组电流信号；
将所检测的电动机绕组电流信号转换为所述励磁电流反馈信号和所述转矩电流反馈信号。
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