专利名称：一种交流电动机变频调速动态控制方法
技术领域：
本发明属于电力传动与自动控制技术领域，涉及一种控制方法，具体涉及一种交
流电动机变频调速动态控制方法。
背景技术：
交流电动机由于结构简单，工作稳定，维护简单等优点，已得到广泛应用。变频调 速是异步电动机调速运行的一种较为理想的方式。但是异步电动机的动态数学模型具有多 变量、非线性、强耦合等特点，使得其动态控制不像直流电动机那么容易，动态特性也不是 很好。上世纪70年代初提出了通过坐标变换实现转矩和磁链相互解耦的矢量控制的原理。 现已形成了一整套趋于成熟的理论和工程设计方法，其动态性能已经达到了与直流电动机 同等的水平。矢量控制系统可实现较宽的调速范围，但控制结构较为复杂，实时计算量大， 且按转子磁链定向时受转子参数变化的影响，会降低系统的鲁棒性。上世纪80年代提出的 直接转矩控制响应速度更快、不用坐标变换使得控制结构更简单；但是转矩脉动较大，不宜 低速运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种交流电动机变频调速动态控制方法，解决了现有的矢量 控制系统结构复杂的问题，且动态性能良好。 本发明所采用的技术方案是，一种交流电动机变频调速动态控制方法，采用控制 器，控制器包括转速调节器和解耦控制器，
具体按照以下步骤实施 步骤1 :设置一个给定转速"*和给定磁链Ws*作为给定信号输入给控制器；通过 机械转速检测装置检测交流电动机的实际转速w ，并且通过磁链和转矩观测器检测交流电 动机的定子磁链Ws和电磁转矩L，将实际转速"、定子磁链Ws和电磁转矩L作为反馈信 号输入给控制器； 步骤2 :转速调节器的输出是转矩给定T/，解耦控制器以T/和Ws*为给定输入， 以实际定子磁链^s和电磁转矩i;为反馈信号，输出控制信号c^和Usm作为逆变器的控制 信号，用线性控制方法对L和Ws实施解耦控制； 步骤3 :设计转速调节器，用转速调节器对转矩的解耦的理想目标模型进行控制， 使得控制器输出相应的控制信号给逆变器，让交流电动机的实际转速跟踪上给定转速。
本发明的有益效果是，不需知道被控对象的精确数学模型，不需空间矢量逻辑判 断，不需要非线性变换，系统动态设计和实现完全在线性系统理论的范畴内。因此该方法更 容易掌握、计算量更小、工程实现更简单。
图1为本发明交流电动机变频调速动态控制方法的原理 图2为基于矢量控制原理的控制方法的控制效果图，a为转速给定和转速输出对 比效果图，实线为转速给定，虚线为转速输出；b为转矩给定和转矩输出对比效果图，实线 为转矩给定，虚线为转矩输出；c为磁链给定和磁链输出对比效果图，实线为磁链给定，虚 线为磁链输出； 图3为本发明实施例基于交流电动机变频调速动态控制方法的控制效果
图，a为转速给定和转速输出对比效果图，实线为转速给定，虚线为转速输出；b为 转矩给定和转矩输出对比效果图，实线为转矩给定，虚线为转矩输出；c为磁链给定和磁链 输出对比效果图，实线为磁链给定，虚线为磁链输出。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 本发明交流电动机变频调速动态控制方法，具体按照以下步骤实施 步骤1 :设置一个给定转速"*和给定磁链W/作为给定信号输入给控制器；通过
机械转速检测装置检测交流电动机的实际转速w ，并且通过磁链和转矩观测器检测交流电
动机的定子磁链Ws和电磁转矩L，将实际转速"、定子磁链Ws和电磁转矩L作为反馈信
号输入给控制器。控制器由对电磁转矩i;和定子磁链Ws实施解耦控制的解耦控制器和转
速调节器组成。
步骤2 :用线性控制方法实现对i;和Ws的解耦控制，此部分称为解耦控制器。转
速调节器的输出是转矩给定l ，解耦控制器以T/和W/为给定输入，以实际电磁转矩L和
定子磁链Ws为反馈信号，输出控制信号"^PUsm作为逆变器的输入。如图l所示，具体按
照以下步骤实施 1.确定系统被控对象E p 三相交流电动机由VVVF (变压变频)逆变器驱动，设定系统被控对象E p由变频器 和三相交流电动机组成，被控对象E p的输入为与逆变器输出三相正弦电压的角频率(定
子电压频率)和电压峰值相对应的控制信号A和u^，输出为定子磁链^和电磁转矩i;。 定子磁链ws和电磁转矩作为解耦控制反馈信号。 2.确定解耦的理想目标模型E工 根据上步确定的系统被控对象E p的控制性能指标，选择一个解耦的线性定常的 两输入两输出系统作为对定子磁链W,和电磁转矩i;的理想目标模型E It)事实上，被控对 象是非线性强耦合的。将系统被控对象E p与解耦的理想目标模型E工之间因耦合和非线
性导致的差异等效为扰动输入，记为A。具体按照以下步骤实施 设解耦的定子磁链l和电磁转矩Te的理想目标模型分别Sll/(S + Sn)和SI2/ (S + SI2)。解耦的理想目标模型极点"-811"和"-812"根据希望被控对象解耦后所要达到的动
态性能而定。可以得到该解耦的理想目标模型E工的传递函数的最小实现是
<formula>formula see original document page 6</formula>
按输入输出等效，考虑系统被控对象E p和解耦的理想目标模型E工之间的等效扰
动A，得到被控对象的线性定常替代模型，记为E s。 E s和E p是输入输出等价的。
3.将扰动A扩充为状态变量，具体按照以下步骤实施E s是E p的线性替代模
型，是由扰动A和E工组成，所以在上述解耦的理想目标模型已知的情况下，经简化可得到
替代模型Es为 设扰动A是系统的一个线性扰动量，且是恒值扰动。事实上A是个复杂函数，但
是，如果实际被控对象E p的频带比A的信号频带宽的多，则这一假设是允许的，而且很多 实际系统满足这一假设条件，即可以令A^O。并且将其扩充成为状态变量，即可得到线性定
常替代模型E s的状态扩充模型
施
<formula>formula see original document page 7</formula>
(3)
4.设计状态观测器，对上步得到的扰动A进行状态估值，具体按照以下步骤实 首先构造降维系统为
<formula>formula see original document page 7</formula>
其次，取观测器极点分别为"-sQ1"和"_s。2"，得到观测器为
<formula>formula see original document page 7</formula> (4 ). 其中Ls是由观测器极点构成的对角阵，A =
<formula>formula see original document page 7</formula> 将解耦的理想模型极点"-sn"与"_sI2"和观测器极点"-s。 式(4)可得观测器模型为
<formula>formula see original document page 7</formula>
与<formula>formula see original document page 7</formula>分别代入
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)
式中，Wl和w2是中间变量，对于观测器E 。， Usm、U/s、 Te都是输入量，A^PA2
是输出量。 5.设计前馈控制器E c，使得观测出的估值A (Ai和A^与实际扰动相抵消，即可 实现对E s中A (A工和A2)进行补偿。这样施控后的复合系统的输入输出性能跟踪上解
耦的理想目标模型E工，从而达到使i和i;解耦的目的。 E 。是一个渐近观测器，前馈控制器只是对E s中A进行一种近似全补偿。因此 含有线性扰动函数向量A的Es经非理想的前馈控制器施控后，其复合系统只能是向解耦 的理想目标模型E工逼近。 步骤3 :设计转速调节器ASR，用转速调节器ASR对转矩的解耦的理想目标模型进 行控制，使得控制器输出相应的控制信号给逆变器，从而让交流电动机的实际转速跟踪上 给定转速。
实施例 电机参数<formula>formula see original document page 8</formula>
现在对同一个电机，同样的主电路，按照矢量控制方法和本发明中的方法分别进 行控制。 按照矢量控制的方法控制电机，采用转矩磁链均闭环的矢量控制系统，并且磁链 指令直接给定，将磁链环和转矩环的闭环频带分别为设计在40rda/s和100rad/s，即磁链 环和转矩环的闭环传递函数分别为40/(s+40)和100/(s+100)。转速调节器设计为PI调节 器，具体参数为2+34/s。得到的效果图为图2所示。 现在不需要知道被控对象精确数学模型，用本发明中的方法实现对电机的控制。 设定系统被控对象E p由变频器和三相交流电动机组成，被控对象E p的输入为与逆变器输 出三相正弦电压的角频率(定子电压频率)和电压峰值相对应的控制信号A和U^输出 为定子磁链Ws和电磁转矩L。定子磁链Ws和电磁转矩L作为解耦控制反馈信号。
现设定解耦的理想目标模型为一阶惯性环节，同上述矢量控制系统中磁链环和转 矩环的闭环频带解耦的磁链和转矩的理想目标模型分别为40/(s+40)和100/(s+100)。可 以得到该传递函数的最小实现是<formula>formula see original document page 8</formula>
现设观测器的极点分别为[-400， -1000]，比解耦的理想目标模型极点 [-40， -100]快10倍，将这两组极点代入式(5)得到观测器模型<formula>formula see original document page 9</formula> 而后把转矩的解耦的理想目标模型作为被控对象设计转速调节器，转速调节器选 为PI调节器2+34/s，和上述矢量控制系统中的转速调节器中的参数一致。
在此取前馈控制器等于-1，即可实现对E s中的A进行补偿。 图2是基于矢量控制原理的控制效果图，图3是用的本发明中的方法控制的效果 图。两图中横轴均为时间(s)，从上往下分别为转速给定和转速输出、转矩给定和转矩输出， 以及磁链给定和磁链输出的响应曲线。仿真时先空载起动，待磁链稳定建立后在O. ls时刻 加入100rad/s的给定转速。转速调节器都加了积分分离，所以转速超调很小。在0.4s时 加入20N m的负载转矩。由图2及图3可见，在整个动态过程中，本发明的控制方法的磁 链保持恒定，实现了转矩和磁链的解耦；局部放大能看到基于矢量控制原理进行控制负载 扰动引起的转速下陷深度和扰动恢复时间和用本发明方法进行控制负载扰动引起的转速 下陷深度和扰动恢复时间基本相同；两种方法的动态性能几乎完全相同。
本发明交流电动机变频调速动态控制方法不需知道被控对象的精确数学模型，不 需空间矢量逻辑判断，不需非线性变换，系统动态设计和实现完全在线性系统理论的范畴 内，容易掌握、计算量小、工程实现简单。 :
权利要求
一种交流电动机变频调速动态控制方法，其特征在于，采用控制器，控制器包括转速调节器和解耦控制器，具体按照以下步骤实施步骤1设置一个给定转速ω*和给定磁链Ψs*作为给定信号输入给控制器；通过机械转速检测装置检测交流电动机的实际转速ω，并且通过磁链和转矩观测器检测交流电动机的定子磁链Ψs和电磁转矩Te，将实际转速ω、定子磁链Ψs和电磁转矩Te作为反馈信号输入给控制器；步骤2转速调节器的输出是转矩给定Te*，解耦控制器以Te*和Ψs*为给定输入，以实际定子磁链Ψs和电磁转矩Te为反馈信号，输出控制信号ω1和Usm作为逆变器的控制信号，用线性控制方法对Te和Ψs实施解耦控制；步骤3设计转速调节器，用转速调节器对转矩的解耦的理想目标模型进行控制，使得控制器输出相应的控制信号给逆变器，让交流电动机的实际转速跟踪上给定转速。
2. 根据权利要求1所述的交流电动机变频调速动态控制方法，其特征在于，所述的步骤2中用线性控制方法对i;和Ws解耦控制，具体按照以下步骤实施a. 确定系统被控对象E p设定系统被控对象E p由变频器和三相交流电动机组成，被控对象E p的输入为与逆变 器输出三相正弦电压的角频率和电压峰值相对应的控制信号"i和U^，输出为定子磁链Ws和电磁转矩L，定子磁链^s和电磁转矩i;作为解耦控制反馈信号；b. 确定解耦的理想目标模型E工根据上步确定的系统被控对象E p的控制性能指标，选择一个解耦的线性定常的两输 入两输出系统作为对定子磁链Ws和电磁转矩L控制的解耦的理想目标模型E p将系统被 控对象E p与解耦的理想目标模型E工之间因耦合和非线性导致的差异等效为扰动输入，记 为△;c. 将扰动A扩充为状态变量；d. 设计状态观测器，对上步得到的扰动A的状态变量进行状态估值；e. 设计前馈控制器E c，使得观测出的估值A^P^2与实际扰动相抵消，实现对E s中A工和A2进行补偿，施控后的复合系统的输入输出性能跟踪上解耦的理想目标模型E p使 L和L解耦。
3. 根据权利要求2所述的交流电动机变频调速动态控制方法，其特征在于，所述的确 定解耦的理想目标模型E p具体按照以下步骤实施设解耦的定子磁链W s和电磁转矩Te的理想目标模型分别为sn/ (s+sn)和sI2/ (s+sI2)，解耦的理想目标模型极点_Sll和_sI2根据希望对被控对象解耦后所要达到的动态 性能而定，得到该解耦的理想目标模型E工的传递函数的最小实现是<formula>formula see original document page 2</formula>按输入输出等效，考虑系统被控对象E P和解耦的理想目标模型E工之间的等效扰动 A，得到被控对象的线性定常替代模型，记为E S，E s和E p是输入输出等价的。
4.根据权利要求2所述的交流电动机变频调速动态控制方法，其特征在于，所述的将 扰动A扩充为状态变量，具体按照以下步骤实施E s是E p的线性替代模型，是由扰动A和E工组成，经简化可得到替代模型为设扰动A是系统的一个线性扰动量，且是恒值扰动，并且将其扩充成为状态变量，得 到线性定常替代模型E s的状态扩充模型<formula>formula see original document page 3</formula>
5.根据权利要求2所述的交流电动机变频调速动态控制方法，其特征在于，所述的设 计状态观测器，对扰动A的状态变量进行状态估值，具体按照以下步骤实施 首先构造降维系统为<formula>formula see original document page 3</formula>其次，取观测器极点分别为"-sQ1"和"_s。2"，得到观测器为<formula>formula see original document page 3</formula>为其中Ls是由观测器极点构成的对角阵，<formula>formula see original document page 0</formula>解耦的理想目标模型极点和观测器极点分别代入观测器表达式可得观测器模型<formula>formula see original document page 3</formula>出量。
全文摘要
本发明公开了一种交流电动机变频调速动态控制方法，它是基于完全线性定常控制的解耦控制方法。首先选择一个解耦的线性定常的两输入两输出系统作为转矩和磁链控制的解耦的理想目标模型；将实际变频调速系统与此理想模型之间的“差异”等效为解耦的理想目标模型的“扰动”输入；然后设计状态观测器对此扰动进行状态估值；再设计前馈控制器对此扰动进行补偿控制；从而实现对转矩和磁链的动态解耦。最后对此已解耦的理想模型设计转速调节器，从而达到对交流电动机的转速进行动态控制的目的。本发明控制方法不需知道被控对象的精确数学模型，系统动态设计和实现完全在线性系统理论范畴内，容易掌握、计算量小、工程实现简单。
文档编号H02P27/06GK101699762SQ20091021883
公开日2010年4月28日 申请日期2009年11月6日 优先权日2009年11月6日
发明者赵文武, 钱慧芳, 陈增禄 申请人:西安工程大学