专利名称：开环无速度传感器电压定向变频控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种感应电机控制技术，具体涉及一种无速度传感器定子电压定
向的、使用恒压频比(VVVF)控制算法的控制器。
背景技术：
随着工农业生产的不断发展和进步，人们对调速的要求越来越高。感应电 机欠量控制根据电机动态模型，按照磁场定向对电机电流进行解耦，得到转矩 电流分量和励磁电流分量，然后分别对其进行控制。能获得很快的转速响应， 且运行非常平稳。但矢量控制的性能与电机参数的准确性有很大的关系，在实 际应用中需对电机参数进行在线辨识，控制算法非常复杂。
与矢量控制相比，恒压频比控制(Variable Voltage and Variable Frequency, VVVF)方法具有简单、可靠、成本低等优点，在交流调速领域得到 广泛的应用。但是传统的恒压频比控制(VVVF)在低速运行时，由于受到定子 电阻压降、转差频率和死区等因素的影响，电机带负载能力差。而且还存在轻 载振荡等问题。
发明内容
本发明提供一种开环无速度传感器电压定向变频控制器，以克服传统恒压频 比控制在低速运行时，由于受到定子电阻压降、转差频率和死区等因素的影响， 电机带负载能力差以及轻载振荡的问题。 本发明的控制器由以下单元组成 电流传感器l:以通过电流传感器l检测出感应电机IM定子上的相电流； 矢量坐标变换单元2:以实现对感应电机IM定子电压定向坐标变换，将检测
到的定子电流分解成瞬时有功电流/,和瞬时无功电流/q;
1调节器3:把给定无功电流//与瞬时无功电流~相减作为？1调节器3的输入， 将PI调节器的输出r/乍为SVP丽单元12的q轴电压给定量，以利用PI调节器3对瞬 时无功电流"进行反馈控制，从而使感应电机IM定子上的无功电流保持恒定；电压提升量计算单元4:利用瞬时有功电流,;和感应电机定子电阻A的乘积作 为带载运行时的电压提升量^ ;
滑差频率计算单元5:根据公式乂=1.&，计算当前滑差频率y;，其中；为
2《z;
感应电机的励磁电感，《为感应电机的转子电阻；
频率相加器6:根据频率给定值,和滑差频率/;，得到当前运行频率
一号运算单元7:根据压频比^v/和当前运行频率y;，依据公式^
得到参考输出电压K;
二号运算单元8:根据参考输出电压^和PI调节器3的输出电压^，依据公式
G = V^ ，得到d轴电压的基值G;
三号运算单元9:将d轴电压的基值G与电压提升量^相叠加，作为SVP丽单
元12的d轴电压给定量^， &=^ + ^;
四号运算单元10:通过对当前运行频率y;进行积分得到定子电压d轴分量与
固定坐标的角度《；
五号运算单元ll:根据公式^ :w"g^得到定子电压矢量与d轴之间的夹角
、
^，
六号运算单元13:将《和&进行叠加，从而得到定子电压矢量与固定坐标之 间的角度，0 =《+^，此角度是矢量坐标变换单元2中坐标变换所需的定子电压
矢量角度；
SVP丽单元12:根据d轴电压给定量巳、PI调节器的输出p;和定子电压矢量角
度^输出对逆变器的P丽控制信号。
本发明是基于定子电压定向的开环无速度传感器的恒压频比控制器，该控制 器通过引入PI电流调节器对电机无功电流进行控制，并保持其恒定，有效解决 了电机轻载振荡的问题，电机运行平稳。并根据有功电流和定子电阻的乘积对转矩进行提升，从而使得感应电机在低速时具有很高的输出转矩。
本发明的有益效果在于由于引入PI调节器对感应电机无功电流进行控制，
可使得感应电机的磁场很快的建立起来，并在整个工作频率段保持恒定，使得 电机恒磁通调速，能有效抑制电机轻载振荡的现象。同时，根据有功电流和定 子电阻的乘积作为带载时的电压提升量，可使电机的输出转矩得到很大的提高。 在一些生产机械设备的应用领域需要成本低且性能介于普通恒压频比
(VVVF)控制和高性能矢量控制或直接转矩控制之间的变频调速系统。本发明 所提出的控制器在不增加算法复杂性的基础上大幅提高了控制器的性能。
图l是本发明的电路结构示意图；图2是感应电机非对称T型等效电路示意图； 图3是感应电机的定子电压、电流矢量关系示意图；图4是应用了本发明控制器 的空载电机电流波形图；图5是应用了本发明控制器的满载起动电机电流波形 图；图6是应用了本发明控制器的、满载、1.5Hz运行时的电机电流波形图；图7 是应用了本发明控制器的、1.5Hz运行时的电机满载运行]^、 K、转速和^波形 对照示意图；图8是应用了本发明控制器的、0.5Hz运行时的电机满载电流波形 图；图9是0.5Hz运行时的电机满载运行j^、 ^、转速和^波形对照示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本发明的控制 器由以下单元组成；
电流传感器l:以通过电流传感器1检测出感应电机IM定子上的相电流； 矢量坐标变换单元2:以实现对感应电机IM定子电压定向坐标变换，将检测
到的定子电流分解成瞬时有功电流^和瞬时无功电流^;
1调节器3:把给定无功电流//与瞬时无功电流~相减作为？1调节器3的输入， 将PI调节器的输出^作为SVP丽单元12的q轴电压给定量，以利用PI调节器3对瞬 时无功电流^进行反馈控制，从而使感应电机IM定子上的无功电流保持恒定；
电压提升量计算单元4:利用瞬时有功电流,;和感应电机定子电阻A的乘积作 为带载运行时的电压提升量^ ;
滑差频率计算单元5:根据公式/5=』一.&，计算当前滑差频率y;，其中i^为
6感应电机的励磁电感，《为感应电机的转子电阻；
频率相加器6:根据频率给定值,和滑差频率y;，得到当前运行频率
频率给定值尸根据运行的需要由用户自行选定。 一号运算单元7:根据压频比r/y和当前运行频率y;，依据公式^ =/l*r//， 得到参考输出电压^;
二号运算单元8:根据参考输出电压^和PI调节器3的输出电压^，依据公式
^'=7^7，得到d轴电压的基值rj;
三号运算单元9:将d轴电压的基值G与电压提升量^相叠加，作为SVPWM单
元12的d轴电压给定量^， &=Fj+rA;
四号运算单元10:通过对当前运行频率力进行积分得到定子电压d轴分量与
固定坐标的角度《，
五号运算单元ll:根据公式^ -w"gi得到定子电压矢量与d轴之间的夹角
六号运算单元13:将《和&进行叠加，从而得到定子电压矢量与固定坐标之 间的角度，P =《+^，此角度是矢量坐标变换单元2中坐标变换所需的定子电压 矢量角度；
SVP^fM单元12:根据d轴电压给定量^、 PI调节器的输出^和定子电压矢量角 度P输出对逆变器的P丽控制信号。
结合附图对本发明的原理、实现及效果作一详细阐述。本改进开环无速度传 感器电压定向控制器的原理框图如图l所示。在图2所示电路图中，由于电机定 子漏感^远小于励磁电感^ (;<<、)，因此从工程的角度，可近似认为电机 的有功电流/,主要产生电机的功率输出；无功电流主要来建立产生电机功率输 出所必须的磁场。所以当保持无功电流恒定即可保持电机磁通的恒定，实现恒 磁通调速。且根据有功电流和定子电阻的乘积来对输出电压进行提升，可提高 电机低频的输出转矩。
首先，通过电流传感器检测变频器的输出电流，将测量结果输入到坐标变换 单元。采样得到的为三相定子电流^、 ，V和；。也可只检测其中的两相，通过三 相瞬时电流之和为零计算得到第三相电流。然后，根据定子电压矢量角《对采样的电流进行坐标变换，其变换公式如下所示.-
<formula>formula see original document page 8</formula>，和<formula>formula see original document page 8</formula>(1)
其中，S为定子电压矢量角，其计算公式为:
<formula>formula see original document page 8</formula>(2)
通过坐标变换，将定子电流分解成有功电流分量^和无功电流分量"。然后， 通过PI调节器对无功电流々进行控制，并保持其恒定。PI调节器的无功电流给定 值匸取为电机额定电流的1/3，调节器的输出作为SVP丽单元中q轴电压的给定值， 其计算公式如下所示-<formula>formula see original document page 8</formula>, (3)
将坐标变换得到的定子电流有功电流分量^与定子电阻《相乘作为电压幅值 的补偿量^，其公式如下所示
根据图2电机的等效电路可知，励磁电感两端的电压与转子电阻两端的电压 相等。因此有<formula>formula see original document page 8</formula>(5)
由此，可根据有功电流和无功电流以及电机的转子电阻和励磁电感，计算出滑
差频率，其公式如下<formula>formula see original document page 8</formula>(6)
将计算出来的滑差频率跟频率给定值相加得到当前的运行频率，如下所示
根据压频比P7/和当前运行频率y;产生的参考输出电压^，其计算公式如下
所示:k, (8) 然后，根据参考输出电压e和PI调节器的输出电压^，依据如下公式得到d轴电 压的基值kj。
最后，将d轴电压基值G和电压幅值补偿量^叠加，作为SVP丽单元中的d轴电压 的给定值^。
SVP丽单元根据直轴电压^，交轴电压&以及电压矢量角0，产生6路PWM信号， 驱动逆变器，来对电机进行控制。
具体实施方式
二下面结合图4至图9给出一个具体实施例。该实施例采用本
发明的控制器及一个逆变器和一个感应电机，该电机的参数如下额定电压 380V，额定电流15.4A，额定功率为7.5Kw，额定转速为1440r/min，额定频率为 50Hz，定子电阻为0.61lQ，转子电阻为0.434Q，励磁电感为105.6mH，定子漏 感为2.32raH。图4为电机空载时电流波形，从图中可以看出空载时电机电流平稳， 没有振荡的现象。图5为满载起动时电机电流波形，从图中可看出电机的带载能 力强，反应快，在第二个周波电流就达到了稳定运行电流大小。图6为满载时 1.5Hz运行时的电机电流波形。图7分别为1.5Hz满载运行时的有功电流、电机转 速、^输出和、输出波形，1. 5Hz满载时电机的平均转速为45. 28rpm。图8为0. 5Hz 满载运行时的电机电流波形。图9分别为0.5Hz满载运行时的有功电流、电机转 速、^输出和^输出波形，0.5Hz满载时电机的平均转速为18.75rpm。采用本发 明方法电机的低速性能得到了明显的提高，在O. 5Hz时电机能满载稳定运行。
9
权利要求
1、开环无速度传感器电压定向变频控制器，其特征在于它由以下单元组成电流传感器(1)以通过电流传感器1检测出感应电机(IM)定子上的相电流；矢量坐标变换单元(2)以实现对感应电机(IM)定子电压定向坐标变换，将检测到的定子电流分解成瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq；PI调节器(3)把给定无功电流iq*与瞬时无功电流iq相减作为PI调节器(3)的输入，将PI调节器的输出Vq作为SVPWM单元(12)的q轴电压给定量，以利用PI调节器(3)对瞬时无功电流iq进行反馈控制，从而使感应电机(IM)定子上的无功电流保持恒定；电压提升量计算单元(4)利用瞬时有功电流id和感应电机定子电阻R1的乘积作为带载运行时的电压提升量Vb；滑差频率计算单元(5)根据公式计算当前滑差频率fs，其中Lm为感应电机的励磁电感，R′2为感应电机的转子电阻；频率相加器(6)根据频率给定值f*和滑差频率fs，得到当前运行频率f1＝f*+fs；一号运算单元(7)根据压频比V/f和当前运行频率f1，依据公式V1＝f1*V/f，得到参考输出电压V1；二号运算单元(8)根据参考输出电压V1和PI调节器(3)的输出电压Vq，依据公式 得到d轴电压的基值三号运算单元(9)将d轴电压的基值与电压提升量Vb相叠加，作为SVPWM单元(12)的d轴电压给定量Vd，四号运算单元(10)通过对当前运行频率f1进行积分得到定子电压d轴分量与固定坐标的角度θ1，五号运算单元(11)根据公式得到定子电压矢量与d轴之间的夹角θV，六号运算单元(13)将θ1和θV进行叠加，从而得到定子电压矢量与固定坐标之间的角度，θ＝θ1+θV，此角度是矢量坐标变换单元(2)中坐标变换所需的定子电压矢量角度；SVPWM单元(12)根据d轴电压给定量Vd、PI调节器的输出Vq和定子电压矢量角度θ输出对逆变器的PWM控制信号。
全文摘要
开环无速度传感器电压定向变频控制器，本发明涉及一种感应电机控制技术，它克服了传统恒压频比控制在低速运行时，由于受到定子电阻压降、转差频率和死区等因素的影响，电机带负载能力差以及轻载振荡的问题。它由以下单元组成电流传感器、矢量坐标变换单元、PI调节器、电压提升量计算单元、滑差频率计算单元、频率相加器、一号运算单元、二号运算单元、三号运算单元、四号运算单元、五号运算单元、六号运算单元和SVPWM单元，通过引入PI调节器对无功电流进行控制，有效抑制了感应电机轻载振荡的问题；根据有功电流和电机定子电阻的乘积作为带载时的电压提升，明显提高了电机的带负载能力，电机的低速性能得到了很大的提高。
文档编号H02P27/04GK101425777SQ20081020965
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者泳 于, 徐殿国, 明 杨, 杨荣峰, 王高林, 贵献国, 伟 陈 申请人:哈尔滨工业大学