专利名称：无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电机控制技术，特别是一种无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法。
在高性能的变频调速系统中，为了达到较高的动、静态性能，速度传感器是必不可少的，但由于成本、使用环境及可靠性等限制，许多场合又不宜安装速度传感器，因而近期以来无速度传感器控制一直是变频调速系统研究与开发的主题。而在某些负载(例如各式轨道或公路电动车辆)的交流传动中，出现一种对无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法的需求。
在异步电机变频调速中，最重要的问题是如何将电机磁链保持在给定值上而不受电机运行温度变化的影响，具体来说就是不受定子电阻R1与转子时间常数T2随温度而变化的影响，但数十年以来为了实现此要求仍是困难多多。
在电压脉寛调制定子磁链定向矢量控制(为了便于分析，通常将定子磁链给定值ψ1*定向于直轴D)的变频调速系统中，已由专利号ZL02223487.X“高性能变频调速器”提供了一种解决方法，其中以专利号ZL 00225853.6“异步电机变频调速用的定子磁链的校正器”作基础并利用发明专利号01106851.5“异步电机变频调速中含有基变量的参数的观测方法”的定子磁链观测式(与基变量有关)而对定子侧电阻值进行自校正或自设定亦即自适应电机温度变化而得到了实现，从而进入了定子磁链定向矢量控制工况并能将定子磁链保持在所给定值上。在所述情况下，R1正是定子磁链闭环自校正的对象以达到将电机定子磁链值保持在给定值上的目的，而且即使T2大范围变化也不会对上述自校正过程带来影响，从而排除了电机运行温度变化的影响，首次解决了长期以来所存在的难题，其中定子磁链观测式的基变量Z起到了关键作用。既能在无速度传感器下运行，又能获得很高的起动转矩且起动电流小，从而使变频器的电流容量大为减少和产品成本显著降低。
本发明的目的是提供一种无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法。
在包括含有与基变量有关的电机定子侧电阻自适应电机温度变化的环节及横轴电流实际值IQ、直轴电流实际值ID的三相/二相的同步旋转坐标变换环节在内的电压脉寛调制(正弦波电压脉寛调制或电压空间矢量脉寛调制等等)定子磁链定向矢量控制的变频调速器00的前提下，本发明的技术方案按层次分述如下转矩电流即横轴电流给定值IQ**经过正负限幅环节10后的IQ*在加减环节11处减去来自同步旋转坐标变换环节的横轴电流实际值IQ后得电流误差，电流误差再经放大系数为K1的比例环节14及积分环节15，最后得出转速估计值N；转速估计值经放大系数为K2的比例环节16后为转速角频率WM，转速角频率又在加减环节12处与来自函数F1运算环节17所输出的转差角频率W2相加而得出定子角频率W1并被送往变频调速器00；函数F1运算环节的输入共有三个，第一个为IQ**经过正负限幅环节10后的IQ*，第二个为来自同步旋转坐标变换环节的直轴电流实际值ID，第三个为定子磁链给定值ψ1*；定子磁链给定值ψ1*又被分别送往变频调速器及比例环节14；定子磁链给定值ψ1*定向于直轴D；当用软件实施时，比例环节(14)及(16)则用乘法环节来实现。
在现有技术中当电机转速小于或等于电机额定转速(或基速)时，定子磁链给定值ψ1*为常数；如要扩大到电机转速大于电机额定转速(或基速)区域，则定子磁链给定值ψ1*常来自以电机定子角频率为自变量的函数发生器的输出而非常数，以实现弱磁控制。
放大系数为K1的表达式是375PMψ1*/GD2；放大系数为K2的表达式是3.1416PM/30；PM为电机磁极对数，GD2为设定的飞轮惯量。
函数(F1)的表达式有多种，一是L1IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或是L1(1+σT2P)IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或进一步简化是L1IQ*/(T2ψ1*)，或再进一步简化是IQ*×0(但这会使系统反应速度降低)；T2＝L2/R2，σ＝1-M2/(L1L2)；T2为转子时间常数，σ为漏磁系数，L1、L2、M及R2分别为电机的定子绕组自感、转子绕组自感、定转子绕组间互感及转子电阻，均归算到电机的定子侧；P为微分符号；函数F1表达式的运算结果即为转差角频率W2并向外输出。
下面结合附图对本发明进一步作详细说明。
图1为系统控制方框图。
在图1中，变频调速器00输出的VA、VB和VC三相电压送往异步电机01，并在每条输出线上设有电流传感器A、B和C，其分别检测出的电流IA、IB和IC又被送回变频调速器，以供产生横轴电流实际值IQ及直轴电流实际值ID的三相/二相的同步旋转坐标变换环节之用。图中其余部分则如前面所述。
本发明的优特点如下一、转矩控制十分简单而又实用当IQ*大于负载转矩(折合成电流值)时，电机转速上升；当IQ*小于负载转矩(折合成电流值)时，电机转速下降；当IQ*等于负载转矩(折合成电流值)时，电机进入稳速状态。
二、由于定子磁链得到有效的利用，故起动转矩高，且起动电流小，从而使变频器的电流容量大为减少和产品成本显著降低。
三、当IQ*为负值时，电机能进入再生制动运行状态。
四、经计算机大量仿真证明所设定的飞轮惯量与电力拖动系统整个转动部分所折算到电机轴上的实际飞轮惯量这二者之间允许有相当大的范围出入；另外转子时间常数T2值常随电机运行温度而变化，但其对转矩控制所产生的影响可以忽略不计。
五、如IA+IB+IC＝0条件得到满足，则图1中可只设二个电流传感器。
六、如遇到电源短时中断情况，可降低IQ*值，以使电机转速亦即定子角频率下降到某一预定值，等候检测到电源恢复后再提高IQ*值以恢复正常运行。
权利要求
1.一种无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法，包括含有与基变量有关的电机定子侧电阻自适应电机温度变化的环节及横轴电流实际值IQ、直轴电流实际值ID的三相/二相的同步旋转坐标变换环节在内的电压脉寬调制定子磁链定向矢量控制的变频调速器(00)，其特征在于转矩电流即横轴电流给定值IQ**经过正负限幅环节(10)后的IQ*在加减环节(11)处减去来自同步旋转坐标变换环节的横轴电流实际值IQ后得电流误差，电流误差再经放大系数为K1的比例环节(14)及积分环节(15)，最后得出转速估计值N；转速估计值经放大系数为K2的比例环节(16)后为转速角频率WM，转速角频率又在加减环节(12)处与来自函数F1运算环节(17)所输出的转差角频率W2相加而得出定子角频率W1并被送往变频调速器(00)；函数F1运算环节的输入共有三个，第一个为IQ**经过正负限幅环节(10)后的IQ*，第二个为来自同步旋转坐标变换环节的直轴电流实际值ID，第三个为定子磁链给定值ψ1*；定子磁链给定值ψ1*又被分别送往变频调速器及比例环节(14)；定子磁链给定值ψ1*定向于直轴D；当用软件实施时，比例环节(14)及(16)则用乘法环节来实现。
2.根据权利要求1所述的转矩控制方法，其特征在于定子磁链给定值ψ1*为常数，也有的来自以电机定子角频率为自变量的函数发生器的输出而非常数。
3.根据权利要求1所述的转矩控制方法，其特征在于放大系数为K1的表达式是375PMψ1*/GD2；放大系数为K2的表达式是3.1416PM/30；PM为电机磁极对数，GD2为设定的飞轮惯量。
4.根据权利要求1所述的转矩控制方法，其特征在于函数F1的表达式有多种，一是L1IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或是L1(1+σT2P)IQ*/(T2(ψ1*-σL1ID))，或进一步简化是L1IQ*/(T2ψ1*)，或再进一步简化是IQ*×0；T2＝L2/R2，σ＝1-M2/(L1L2)；T2为转子时间常数，σ为漏磁系数，L1、L2、M及R2分别为电机的定子绕组自感、转子绕组自感、定转子绕组间互感及转子电阻，均归算到电机的定子侧；P为微分符号；函数F1表达式的运算结果即为转差角频率W2并向外输出。
全文摘要
本发明“无速度传感器异步电机变频调速的转矩控制方法”为一种电机控制技术。含有与基变量有关的电机定子侧电阻自适应电机温度变化的环节，并具有十分简单而又实用的转矩控制功能，能方便地升降速；又由于定子磁链得到有效的利用，故起动转矩高，且起动电流小，从而使变频器的电流容量大为减少和产品成本显著降低；另外转子时间常数T
文档编号H02P21/00GK1797936SQ200410047070
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者卢骥 申请人:卢骥