专利名称：交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器，适用于交流异步电机或交流永磁同步电机的高性能调速或伺服控制，属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术：
目前，在工业电气传动与伺服系统中，采用交流电机替代直流电机成为一种发展方向。交流电机由于具有结构简单、维护方便、大容量、不需要换向器等优点，在实际中的应用越来越多。在工业应用领域，一般采用通用变频器来驱动交流电机运行，变频器的控制方法主要有两种开环恒压频比控制和闭环矢量控制。开环恒压频比控制一般用于调速性能要求不高的应用场合，如空调器、洗衣机以及风机和泵类的调速，具有软起动和节能降耗的作用；对于调速和伺服控制性能要求较高的应用场合，如大功率传送带、机床、机器人、钢材轧制生产线以及造纸厂生产线等，则采用闭环矢量控制。闭环矢量控制的实现，通常需要在电机转轴上安装速度传感器来获取转速反馈信号。安装速度传感器使系统硬件结构复杂，降低了系统运行的可靠性，增加了系统实现成本。使采用闭环矢量控制的交流电机调速系统的应用受到很大限制。因此，如何使交流电机在不安装速度传感器的条件下，获得优良的电机转速和位置控制性能，是一个很有意义和急待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种无需在电机转轴上安装速度传感器、硬件结构简单、易于实现，运行可靠的交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器。本实用新型的技术解决方案交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器由交流异步电机的无速度传感器逆控制器、复合被控对象中的功率逆变器、霍尔传感器构成，其中交流异步电机的无速度传感器逆控制器中的空间矢量脉宽调制模块的三个输出端对应连接功率逆变器的三个输入端，功率逆变器中的二个输出端分别接霍尔传感器的二个电流输入端和电压输入端，霍尔传感器的四个输出端对应连接转速与转子磁链观测器中Clarke变换的四个输入端。
本实用新型的优点可用于许多不宜在电机轴上安装传感器，并要求有高精度调速和高可靠性运行性能的工业电气传动应用场合，可显著提高异步电机无速度传感器调速系统的控制性能。用于构造新型的异步电机控制器，实现异步电机无速度传感器的高精度转速控制。不仅可应用于以异步电机为动力装置的交流传动系统，在以其它类型的交流电机(交流永磁同步电机、直流无刷电机等)为动力装置的交流传动和交流伺服系统中也有非常广阔的应用前景。
图1是复合被控对象的原理图。
图2是伪线性系统的结构示意图。
图3是图2的等效图。
图4是闭环解耦控制系统的结构图。
图5是转速与转子磁链估计器的结构示意图。
图6是采用交流异步电机的无速度传感器逆控制器对复合被控对象进行控制的原理图。
图7是由数字信号处理器，功率逆变器和霍尔传感器共同组成交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器对异步电机进行控制的本发明装置组成的结构示意图。
图8是采用数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器对异步电机进行控制时的运行程序框图。
图中的1是功率逆变器(CM15MD/MDL-12H)、2是交流异步电机(Y90S-4)、3是负载、4是复合被控对象、5是空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块、6是异步电机的逆系统、7是伪线性系统、8是线性闭环控制器(含磁链控制器、转速控制器)、9是扩展的卡尔曼滤波器、10是Clarke变换(3/2变换)、11是转速与转子磁链观测器、12是交流异步电机的无速度传感器逆控制器、13是霍尔传感器(二个LM25-NP和2个LV25-NP)、14是数字信号处理器(TMS320LF2407)、15是交流异步电机无速度传感器逆控制变频器、16是磁链控制器(PD控制器)、17是转速控制器(PD控制器)、18是转子磁链子系统、19是转速子系统。
具体实施方式
对照附图6，交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器由交流异步电机的无速度传感器逆控制器12、复合被控对象4中的功率逆变器1、霍尔传感器13构成，其中交流异步电机的无速度传感器逆控制器12中的空间矢量脉宽调制模块5的输出端Sa、Sb、Sc对应连接功率逆变器1的三个输入端，功率逆变器1中的输出端ua、ub分别接霍尔传感器13的电流输入端ia、ib和电压输入端ua、ub，霍尔传感器13的输出端ia、ib、ua、ub对应连接交流异步电机的无速度传感器逆控制器12中的转速与转子磁链观测器11中Clarke变换10的四个输入端。
所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制器12由线性闭环控制器8、异步电机的逆系统6、空间矢量脉宽调制模块5、转速与转子磁链观测器11构成，其中线性闭环控制器8中的磁链控制器16、转速控制器17的输出端分别接异步电机的逆系统6的二个输入端，异步电机的逆系统6的输出端usα、usβ分别接空间矢量脉宽调制模块5的二个输入端，异步电机的逆系统6的另外五个输入端中的二个输入端接转速与转子磁链观测器11中的Clarke变换10的输出端isα、isβ，异步电机的逆系统6的另三个输入端接转速与转子磁链观测器11中的扩展的卡尔曼滤波器9的输出端 Clarke变换10的输出端isα、isβ、usα、usβ对应连接扩展的卡尔曼滤波器9的四个输入端，扩展的卡尔曼滤波器9的输出端 分别接线性闭环控制器8中的磁链控制器16、转速控制器17的输入端。
所述的复合被控对象4中的功率逆变器1中的输出端ua、ub接交流异步电机2的输入端，交流异步电机2的输出端接负载3。
对照附图7，其中异步电机逆系统、线性闭环控制器、SVPWM模块和转速与转子磁链观测器由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现。DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320LF2407，功率逆变器采用三菱公司的PIM模块CM15MD/MDL-12H、霍尔传感器采用瑞士LEM公司的二个LM25-NP和二个LV25-NP。交流异步电机参数为额定功率PN＝1.1kW，额定转速ωrN＝1420r/min，极对数np＝2，定子电感Ls＝0.574H，转子电感Lr＝0.580H，互感Lm＝0.55H，转子惯量J＝0.0021kgm2，定子电阻Rs＝5.9Ω，转子电阻Rr＝5.6Ω。
对照附图8，异步电机的逆系统6、空间矢量脉宽调制模块5、线性闭环控制器8和转速与转子磁链观测器11为采用数字信号处理器14，通过编制程序软件来实现。
实施时，首先由功率逆变器、异步电机及其负载组成一个复合被控对象，该复合被控对象等效为静止两相坐标系(αβ坐标系)下的一个5阶微分方程i·sα=-γisα+δβψrα+npβωrψrβ+usα/(σLs)i·sβ=-γisβ-npβωrψrα+δβψrβ+usβ/(σLs)ψ·rα=Lmδisα-δψrα-npωrψrβψ·rβ=Lmδisβ+npωrψrα-δψrβω·r=μ(isβψrα-isαψrβ)-TL/J]]>上式中np为异步电机的极对数，J为转动惯量，δ=LrRr,β=LmσLsLr,μ=npLmJLr,]]>γ=Lm2RrσLsLr2+RsσLs,σ=1-Lm2LsLr;]]>Rs、Rr分别为定、转子电阻；Ls、Lr和Lm为定、转子自感及互感；状态变量x＝[isα，isβ，ψrα，ψrβ，ωr]τ；输入控制量为u＝[usα，usβ]τ；其中isα、isβ和ψrα、ψrβ分别为定子电流和转子磁链的α、β分量，ωr为转子角速度；usα、usβ分别为定子电压的α、β分量。
由该方程可解得复合被控对象的逆系统usα=f1(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>usβ=f2(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>
将逆系统串接在复合被控对象之前，逆系统与复合被控对象合成为由2个二阶积分子系统s-2，即一个转子磁链二阶子系统和一个转速二阶子系统，从而将一个复杂的多变量非线性系统的控制转化为二个简单的二阶积分子系统的控制。对于已经解耦的2个二阶积分子系统，采用一种线性系统的综合方法，如PID或极点配置等，分别作出一个磁链控制器和一个转速控制器。最终形成由闭环线性控制器、逆系统、SVPWM模块和、扩展的卡尔曼滤波器、霍尔传感器和功率逆变器六个部分组成的无速度传感器逆控制器变频器，对交流异步电机进行控制。根据不同的要求，可选择不同的硬件和软件来实现。
权利要求1.交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器，其特征是由交流异步电机的无速度传感器逆控制器(12)、复合被控对象(4)中的功率逆变器(1)、霍尔传感器(13)构成，其中交流异步电机的无速度传感器逆控制器(12)中的空间矢量脉宽调制模块(5)的输出端(Sa、Sb、Sc)对应连接复合被控对象(4)中的功率逆变器(1)的三个输入端，功率逆变器(1)中的输出端(ua、ub)分别接霍尔传感器(13)的电流输入端(ia、ib)和电压输入端(ua、ub)，霍尔传感器(13)的输出端(ia、ib、ua、ub)对应连接交流异步电机的无速度传感器逆控制器(12)中转速与转子磁链观测器(11)中的Clarke变换(10)的四个输入端。
2.根据权利要求1所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器，其特征是交流异步电机的无速度传感器逆控制器(12)由线性闭环控制器(8)、异步电机的逆系统(6)、空间矢量脉宽调制模块(5)、转速与转子磁链观测器(11)构成，其中线性闭环控制器(8)中的磁链控制器(16)、转速控制器(17)的输出端分别接异步电机的逆系统(6)的二个输入端，异步电机的逆系统(6)的输出端(usα、usβ)分别接空间矢量脉宽调制模块(5)的二个输入端，异步电机的逆系统(6)的另外五个输入端中的二个输入端接转速与转子磁链观测器(11)中的Clarke变换(10)的输出端(isα、isβ)，异步电机的逆系统(6)的另三个输入端接转速与转子磁链观测器(11)中的扩展的卡尔曼滤波器(9)的输出端 Clarke变换(10)的输出端(isα、isβ、usα、usβ)对应连接扩展的卡尔曼滤波器(9)的四个输入端，扩展的卡尔曼滤波器(9)的输出端 分别接线性闭环控制器(8)中的磁链控制器(16)、转速控制器(17)的输入端。
3.根据权利要求1所述的交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器，其特征是复合被控对象(4)中的功率逆变器(1)中的输出端(ua、ub)接交流异步电机(2)的输入端，交流异步电机(2)的输出端接负载(3)。
专利摘要本实用新型是交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器，交流异步电机的无速度传感器逆控制变频器由交流异步电机的无速度传感器逆控制器、复合被控对象中的功率逆变器、霍尔传感器构成，其中交流异步电机的无速度传感器逆控制器中的空间矢量脉宽调制模块的三个输出端对应连接功率逆变器的三个输入端，功率逆变器中的二个输出端分别接霍尔传感器的二个电流输入端和电压输入端，霍尔传感器的四个输出端对应连接转速与转子磁链观测器中Clarke变换的四个输入端。本实用新型的优点获得优良的调速和抗负载扰动的电机运行性能和高精度的转速跟踪控制性能。系统不需要在电机转轴上安装速度传感器，硬件简单，运行可靠，实现成本低廉。
文档编号H02P6/00GK2805220SQ20052007241
公开日2006年8月9日 申请日期2005年6月7日 优先权日2005年6月7日
发明者张兴华 申请人:南京工业大学