CN1249565A - 控制和调节电驱动装置的方法及实现该方法的设备 - Google Patents

Abstract

在一种控制和调节电驱动装置的方法中包括一个异步电动机,它由一个其下游连接有正弦波输出级滤波器的直－交流变流器提供一个具有预定角频率(ω)的交流电压,其特征在于,测出在正弦波输出级滤波器的输出端上的电压,将所测出的滤波器电压设置为一个具有角频率(ω)的旋转的复数参考系统中的复数滤波电压矢量,直－交流变流器以这样的方式实现控制,使复数滤波电压矢量与一个预先给定的额定电压矢量(E^*)相一致。

Description

控制和调节电驱动装置的方法及 实现该方法的设备

本发明涉及一种电驱动装置，属于电驱动技术领域。具体地说，本发明涉及一种控制和调节电驱动装置的方法，其中包括由一个直流-交流变流器供给具有预定角频率的交变电压的异步电动机，所述直流-交流变流器的下游连接有正弦波输出级滤波器。

异步电动机要求由交流电压驱动，而且其频率是可选择的，所述频率的电压由一个直流-交流变流器供给，这个变流器是由一个直流电压中间电路，或是一个桥式电路中的功率二极管控制的直流电压源供电，在所述变流器的输出端一般配置LC滤波器，这种滤波器起正弦波输出级滤波器作用，并且能够将变流器产生的陡峭边沿的电压脉冲波变换成供给电动机的具有可变频率和幅值的正弦电压。

异步电动机的电机绝缘和支座如果经常承受变流器产生的陡峭边沿脉冲波易发生问题，这种易受损的危险由于采用经过滤波的正弦波电压得到极大缓解。而且，正弦波电机电压可以降低铁损，减小机器中的可感觉到的噪音和电磁干扰场。

如果一个驱动装置配置有一个正弦波输出级滤波器，人们必须考虑滤波器自身的振荡因素。变流器本身在工作时必须能够减振，这是因为仅依靠滤波器自身的衰减一般不能解决问题。此外，还要考虑在异步电动机和滤波器之间的相互作用这一因素，因为异步电动机是一种非线性负载，使这种相互作用相当复杂，在对驱动装置配置控制调节器时应当考虑这个问题及其复杂性。

为使由变流器、滤波器和异步电动机构成的组合电路能稳定工作，并且具有快速动态响应的特性，应当寻找一种适用于这种组合电路工作特性的整体标准技术方案，同时希望实现调节控制所需的测量手段和测量消耗最小化。

目前已有的调节控制方法主要是从以下两种方法中选取一种，这两种方法是：

-至少采用两个传感器测量在输出级滤波器的滤波器电容器中流过的电流。这样需要增加附加的费用和要求额外的安装空间。

-在控制调节输出电压时使用一个高通滤波器。这样作的有利之处在于，调节器的响应主要依赖于输出频率，并且在输出电压的额定值和实际值之间存在的与频率有关的、随时间规则变化的差会对大功率异步电动机产生负面影响。此外，高通滤波器又称为差动调节器对测量噪声非常敏感。

为此，本发明的目的是提供一种控制和调节由直流-交流变流器、正弦波输出及滤波器和异步电动机构成的驱动装置的方法，它只需很小的测量投入，可以保证输出及滤波器能可靠减振，而且对噪音不敏感，能够使所述驱动装置在整个速度和转矩范围内稳定运行。本发明还提供采用上述方法的设备。

上述目的是由权利要求1的所有技术特征实现的。本发明的核心是测量出正弦波输出及滤波器的输出端上的电压，并将测量结果用作控制变量。之后在一个具有由变流器频率产生的输出交变电压驱动转动的基准系统中进行控制调节。

根据本发明方法的第一个推荐实施例，为了形成复数滤波器电压矢量，测量出在正弦波输出级滤波器的输出端上的各相相电压e_u，e_v和e_w，将测出的各相电压按变换比变换成一个空间矢量的分量e_q、e_d： $\left[\begin{array}{c}{e}_q\\ e_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_u\\ \frac{1}{\sqrt{3}}(e_w-e_v)\end{array}\right]$ 式中θ是变换角，

复数滤波器电压矢量由空间矢量的分量e_q，e_d构成，即E＝e_q-je_d，其中 这种变换具有如下优点，可以采用一个人们熟悉的数字信号处理器(DSP)毫不困难地实现，同时所述调节装置只需设计为适用于直流电压电平。

根据本发明的又一个推荐的实施例，它采用一个以复数的旋转的参考系统工作的正比例控制线路和一个根据额定电压矢量和复数滤波器电压矢量之间的差运算的积分电路生成一个直流-交流变流器的复数通量(Fluss)额定电压矢量，所述直流-交流变流器根据上述通量额定矢量参数控制脉冲宽度调制。如果结合由PI调节器构成的调节器将非常容易实现所述的正向通量控制。

本发明的实现上述方法的设备包括一个调节器，该调节器的输入端与在正弦波输出级滤波器输出端上的测量正弦波输出级滤波器的相电压的装置相连接，该调节器的输出端通过一个脉冲宽度调制器与直流-交流变流器相连接，该调节器的输入端包括根据输入信号生成复数滤波电压矢量的第一变换装置和将所生成的复数滤波电压矢量和预先设定的额定电压矢量进行比较的装置，并且所述调节器是复数PI调节器。

下面将结合附图所示的实施例进一步说明本发明。附图为：

图1是适于采用本发明的一个驱动装置的电路方框图；

图2是本发明的控制调节或调节器实施例的工作顺序方框示意图。

下面说明的控制调节涉及图1所示的电驱动装置。图1中，电驱动装置10包括一个直流-交流变流器14，它的输出侧通过一个正弦波输出级滤波器15向异步电机18供电，所供给的(三相)交变电压频率可调。变流器14的输入侧以公知的方式与一个直流电压中间回路13相连接，后者与一个交流-直流变流器12的输出端相连接，这个变流器12具有一个与交流供电线路相连接的交流电压输入端11。

正弦波输出级滤波器15是一个LC滤波器，包括三个串接在各相上的滤波电感16和三个由各相引出并连接到一个公共连接点上的滤波电容17。

调节器19的配置是用于控制调节驱动装置10，它将测出的该驱动装置的实际值与一个预先设置的额定值相比较，继而根据比较结果的值对直流-交流变流器14进行控制。

图2给出了根据本发明的一个推荐实施例以功能块方式表示的调节器19的简化(示意)图。调节变量是一个复数滤波电压矢量E，将其在减法器21中与一个预先设置的额定电压矢量E^*进行比较，滤波器电压矢量E如下构成：在正弦波输出级滤波器15的输出端上测量出各相的相电压值e_u，e_v和e_w，将测出的相电压传送到滤波器电压输入端33，然后在一个变换方框28内根据变换比例进行变换，变为一个空间矢量的分量e_q，e_d： $\left[\begin{array}{c}{e}_q\\ e_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_u\\ \frac{1}{\sqrt{3}}(e_w-e_v)\end{array}\right]$ 其中

(ω＝在正弦波输出级滤波器15的输出端上获得的交流电压的角频率)是变换角。由这个空间矢量的分量e_q、e_d在一个第一变流器27中按等式

求出滤波电压矢量E，然后在一个第一乘法器24中将其与因子e^jωt相乘，变换成一个以角频率ω旋转的参考系统。

在减法器21中，将在额定电压输入端20上具有的额定电压矢量E^*和滤波电压矢量E构成的差一方面供给一个由第一放大器22和积分器25构成的积分调节支路，另一方面供给一个由第二放大器23构成的正比例调节支路。这两个放大器22，23各自具有复放大因子K1＝K₁₁+jK₁₂和K2＝K₂₁+jK₂₂。两个滤波器支路的输出变量在一个加法器26中累加，求出一个复通量额定矢量ψ^* _v，然后将其在第二乘法器29中与因子e^-jωt相乘，变换回所述旋转的参考系统，接着在第二变流器30内再次分解成实分量ψ^* _α和ψ^* _β，根据上述实分量参数进行脉冲宽度调制31，产生一个相应于控制信号输出32的控制信号，实现对直流-交流变流器14的功率开关的控制。

直流-交流变流器14和其下游的正弦波输出级滤波器15可以采用下式描述为复数旋转参考系统： $\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{E}\\ \stackrel{\·}{{\mathrm{\ψ}}_e}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\mathrm{j\ω}& -\frac{1}{\mathrm{LC}}\\ 1& -\mathrm{j\ω}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}E\\ {\mathrm{\ψ}}_e\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{LC}}& -\frac{1}{C}\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_v\\ I_L\end{array}\right],$ 式中E是滤波电压矢量，I_L是它的时间导数，负载电流矢量，ψ_e是正弦波输出级滤波器15的空间矢量，ψ_v是变流器通量的空间矢量，L是滤波电感的值，C是滤波电容17的值。正弦波输出级滤波器15的空间矢量ψ_e在一个稳定的参考系统中由

定义，变流器通量的空间矢量ψ_v由 定义，其中V是变流器输出电压矢量E的模拟复矢量。

现在调节的目的是要改变变流器通量的空间矢量ψ_v，滤波电压矢量E设定与额定电压矢量E^*相同。调节方框21、22、23和25根据下列公式进行调节： $\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{E}\\ \stackrel{\·}{{\mathrm{\ψ}}_e}\\ \stackrel{\·}{{\mathrm{\ψ}}_v}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\mathrm{j\ω}& -{\mathrm{\ω}}_{\∫}^2& {\mathrm{\ω}}_{\∫}^2\\ 1& -\mathrm{j\ω}& 0\\ \mathrm{j\ωk}2-k1& k2{\mathrm{\ω}}_{\∫}^2& -k2{\mathrm{\ω}}_{\∫}^2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}E\\ {\mathrm{\ψ}}_e\\ {\mathrm{\ψ}}_v\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -\frac{1}{C}\\ 0& 0& 0\\ k1& k2& \frac{k2}{C}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}^{*}\\ E^{*}\\ I_L\end{array}\right],$

式中ω_f是正弦波输出级滤波器15中LC组合的谐振频率，K1和K2是两个复放大因子，E^*表示额定电压矢量(它与一个其上带点的变量各为第一时间导数)。

控制调节的目标是，在旋转的复变参考系统中，滤波电压矢量E是个常数，并且等于固定不变的预先给定的额定电压矢量E^*。为实现这一目标，意味着在滤波器中的各相相电压具有所希望的频率和幅值。同时在施行这种控制调节时应自动实现正弦波输出级滤波器15的自然产生振荡的所需衰减，这是由于在每个时刻，要调整两矢量E和E^*相互平行。与目前常规的调节控制方法的区别在于，测量流过滤波电容17的电流，本方法不要求任何电容器电流的知识，从而节省了电流传感器，减小了设备所需费用和所占空间。

调节器19产生供给直流-交流变流器15的所要求的通量额定矢量ψ^* _v，这个值如上所述应当是复数变流器输出电压V的时间积分，变流器14被进行脉宽调制，达到所希望值或达到近似值。在某种特殊情况下，可以将额定电压矢量E^*专门设置为实变量(虚数部分＝0)。接着调节器将滤波器电压定位调整到旋转的参考系统的正交轴(q-轴)上，并且将滤波器电压变量调节为值E＝|E^*|。输出频率中的变化是通过改变变换速度ω实现的。然后调节器对不同的电变量进行调节，直到符合在新的旋转参考系统中的预先给定值为止。

相对于异步电机18的参数的估计值和滤波器电感16和滤波电容17的值，可以根据已有标准或经验选取复数放大因子K1和K2，使调节器19具有稳定的控制作用和快速的响应功能。采用这种调节方法的结果能够抑制正弦波输出级滤波器15本身的谐振和削弱滤波器和异步电机18之间的相互作用，由此为电机稳定运行创造了条件，而且这种调节器构造极其简单，只需借助于一个数字式信号处理器DSP实现。

应用本发明的调节方法控制电动机驱动，可以实现对电动机绝缘和正弦波输出级滤波器的支座的保护，特别是电动机的电子驱动变流器包括老的部件组合的情况同样适用，例如飞机场的400Hz地面网经常要求正弦波输出电压，其他可能的应用包括具有正弦输出电压的换能器，由此本发明的调节方法能够用于制成功率电子集成模块。

部件标号表

10  电驱动装置

11  交流电压输入端

12  交-直流变流器

13  直流电压中间电路

14  直-交流变流器

15  正弦波输出级滤波器

16  滤波电感

17  滤波电容

18  异步电动机

19  调节器

20  额定电压输入端

21  减法器

22，23放大器

24，29乘法器

25  积分器

26  加法器

27，30变流器

28  变换方框

31  脉冲宽度调制器

32  控制信号输出

33  滤波电压输入

Claims (5)

1.一种控制和调节电驱动装置的方法，包括一个异步电动机(18)，它由一个其下游连接有正弦波输出级滤波器(15)的直流-交流变流器(14)提供一个具有预定角频率(ω)的交流电压，其特征在于，测出在正弦波输出级滤波器(15)的输出端上的电压，将所测出的滤波器电压设置为一个具有角频率(ω)的旋转的复数参考系统中的复数滤波电压矢量(E)，直流-交流变流器(14)以这样的方式实现控制，使复数滤波电压矢量(E)与一个预先给定的额定电压矢量(E^*)相一致。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，为形成所述复数滤波器电压矢量(E)，测量出在正弦波输出级滤波器(15)的输出端上的各相相电压e_u、e_v和e_w，将测出的相电压按照变换公式 $\left[\begin{array}{c}{e}_q\\ e_d\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_u\\ \frac{1}{\sqrt{3}}(e_w-e_v)\end{array}\right]$ 变换成一个具有分量e_q、e_d的空间矢量，其中

是变换角，这个复数滤波电压矢量(E)根据空间矢量的分量e_q、e_d按等式E＝e_q-je_d求出，其中

3.根据权利要求1和2之一的方法，其特征在于，采用一个在复数旋转参考系统中工作的比例控制系统(23)和一个积分调节器(22，25)，由额定电压矢量(E^*)和复数滤波器电压矢量(E)之间的差计算出直流-交流变流器(14)的复数通量额定矢量(ψ^* _v)，并且直流-交流变流器根据这个求出的通量额定矢量(ψ^* _v)进行脉冲宽度调制控制。

4.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，应用一个数字信号处理机(DSP)进行各种不同的测量变量和控制变量的变换。

5.实现权利要求1-4之一的方法的设备，其特征在于，该设备包括一个调节器(19)，它的输入端与一个安装在正弦波输出级滤波器(15)的输出端上的测量正弦波输出级滤波器(15)的相电压的装置相连接，调节器(19)的输出端经由一个脉宽调制器(31)与直流-交流变流器(14)相连接，调节器(19)的输入端包括用于根据输入信号产生复数滤波电压矢量(E)的第一变换装置(24，27，28)，以及将所产生的复数滤波电压矢量(E)与一个预定额定电压矢量(E^*)相比较的装置(21)，所述调节器(19)是复数PI调节器。