专利名称：异步电机矢量控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及异步电机矢量控制器，是一种交流调速设备，属于电机控制技术 领域。
背景技术：
在异步电机矢量控制器的设计中，控制器的算法是其核心部分，在目前通用的异 步电机矢量控制算法中，对电机转子磁链的观测十分重要，直接影响异步电机控制效果和 电机运行性能，转子磁链观测可以通过对定子磁链的幅值和相位的观测来间接实现，定子 磁链的观测方法主要有以下3种1)直接计算法，这种方法简单、动态响应快，但依赖的电机参数较多，且为开环而 无补偿，容易导致计算结果随电机运行工况变化而变得不准确；2)基于各种观测器的方法，当估计系统状态时，为使系统全局稳定，不同运行速度 范围的观测器需要采取不同的增益矩阵.这种方法受电机参数的影响很大，需要设置额外 的在线状态观测器来实时估计电机参数，增加了系统结构的复杂性；3)基于反电势积分的方法，这种方法仅依赖电机定子电阻参数，实现非常简单，但 低速性能不好.
发明内容本实用新型的目的在于，克服现有技术的缺点，提供一种使异步电机可靠精度运 行控制、改善反电势积分初始值和直流偏移、同时也改善积分相位偏差问题、改善异步电机 磁链控制效果、提高定子磁链的观测精度与电机在额定负载时的稳定性的异步电机矢量控 制器。本实用新型异步电机矢量控制器的技术方案是它包括一个具有积分器的异步电 机矢量控制算法的DSP控制板，一个用于IO量和速度信号测控的I/O板，一个用于PWM驱 动和制动驱动的光纤板，一个用于直流母线电压和输出电流信号测控的调理板；所述积分 器在异步电机模型观测模块中，由前馈部分和反馈部分两部分组成，包括积分正交性检测 模块，正交补偿PI调节模块，笛卡尔坐标系到极坐标转换模块，极坐标系到笛卡尔坐标转 换模块，磁链幅值限幅模块；所述的笛卡尔坐标系到极坐标转换模块，是一个实现α，β轴 定子磁链到磁链幅值与和磁链角度转换的模块；所述的极坐标系到笛卡尔坐标转换模块， 是一个实现定子磁链幅值与磁链角度到α，β轴定子磁链分量转换的模块；所述的磁链幅 值限幅模块，是一个实现定子磁链幅值限幅，消除定子磁链积分偏移与积分初始值影响的 模块。进一步的技术方案是所述的异步电机矢量控制器，其积分正交性检测模块是一个通过计算反电势与其 积分后得到的α，β轴定子磁链分量的正交性误差检测的检测模块；积分器中加入正交检 测补偿量为定子磁链幅值补偿量，用于对定子磁链分量计算中产生的相位偏差进行补偿。[0010]所述的异步电机矢量控制器，其正交检测补偿量小于等于0. 02倍额定值。所述的异步电机矢量控制器，其DSP控制板包括DSP数字信号处理器、保存数据 与故障信息的外扩的(NVRAM)非易失性存储器、监控I/O板输入的开关信号状态并通知 DSP及时处理的(CPLD)可编程逻辑器件、模数转换器、与(PLC)可编程逻辑控制器通讯的 (RS485)串行通讯器件，还有(ADC)模数转换器，(PWM)脉宽调制信号处理器。所述的异步电机矢量控制器，其I/O板包括光电编码器，输入状态信号检测器，以 及输出开关动作信号的隔离与电平转换处理器件。所述的异步电机矢量控制器，其光纤板包括控制回路与功率单元之间的光纤联接 器件，以及控制单元上电和掉电过程的保护器件。所述的异步电机矢量控制器，其DSP控制板、I/O板、光纤板、调理板的联接关系 是I/O板与DSP控制板中的(CPLD)可编程逻辑器件联接，光纤板与DSP控制板中的(PWM) 脉宽调制信号处理器输出联接，调理板与DSP控制板中的(ADC)模数转换器联接。所述的异步电机矢量控制器，其调理板包括对输出电流与直流母线电压模拟信号 的隔离、滤波器件和电平转换，同时具备电流电压保护功的器件；所述的积分正交补偿PI 调节模块是一个用于通过检测计算得到的正交性检测误差进行PI调节得到磁链幅值补偿 值的模块。本实用新型的技术效果是改善了反电势积分初始值和直流偏移，同时也改善了 积分相位偏差问题，还改善了异步电机磁链控制效果，提高定子磁链的观测精度与电机在 额定负载时的稳定性。本实用新型是在现有技术上做了相应改进，结构比较简单，没有涉及 异步电机的大量参数，易于实现。
图1为本实用新型控制器结构原理框图；图2为本实用新型一个实施例的DSP控制板矢量控制系统结构框图；图3为现有技术的幅值补偿积分器原理图；图4为本实用新型的积分器结构图；图5为现有技术的磁链控制效果图；图6为本实用新型一个实施例磁链控制效果图图7为本实用新型一个实施例异步电机额定负载电压电流图。图中各标记的名称为1-DSP控制板；1.0-DSP数字信号处理器；1. 1_模数转换 器；1. 2-数模转换器；1. 3-静态随机存储器；1. 4-非易失性存储器；1. 5-串行通讯器件； 1. 6-局域网控制器；1. 7-可编程逻辑器件；1. 8-脉宽调制信号处理器；2-1/0板；3-光纤 板；4-调理板；5-可编程逻辑控制器；6-人机界面；7-积分正交性检测模块；8-正交补偿 PI调节模块；9-笛卡尔坐标系到极坐标转换模块；10-极坐标系到笛卡尔坐标转换模块； 11-磁链幅值限幅模块。
具体实施方式
结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明如下如图所示，本实用新型异步电机矢量控制器，它有一个具有积分器的异步电机矢量控制算法的DSP控制板1，一个用于IO量和速度信号测控的I/O板2，一个用于PWM驱动 和制动驱动的光纤板3，一个用于直流母线电压和输出电流信号测控的调理板4 ；如图4所 示，所述积分器在异步电机模型观测模块中，由前馈部分和反馈部分两部分组成，有一个积 分正交性检测模块7，正交补偿PI调节模块8，笛卡尔坐标系到极坐标转换模块9，极坐标系 到笛卡尔坐标转换模块10，磁链幅值限幅模块11 ；所述的笛卡尔坐标系到极坐标转换模块 9，是一个实现α，β轴定子磁链到磁链幅值与和磁链角度转换的模块；所述的极坐标系到 笛卡尔坐标转换模块10，是一个实现定子磁链幅值与磁链角度到α，β轴定子磁链分量转 换的模块；所述的磁链幅值限幅模块11，是一个实现定子磁链幅值限幅，消除定子磁链积 分偏移与积分初始值影响的模块；采用此改进积分器的磁场观测技术保证了异步电机转子 磁场的精确观测。所述的积分正交性检测模块7是一个通过计算反电势与其积分后得到的 α, β轴定子磁链分量的正交性误差检测的检测模块；积分器中加入正交检测补偿量为定 子磁链幅值补偿量，用于对定子磁链分量计算中产生的相位偏差进行补偿。所述的正交检 测补偿量小于等于0. 02倍额定值，本实施例正交检测补偿量为0. 02倍额定值(额定值为 1)，根据需要可以选为0. 01倍，还可以不补偿。所述的DSP控制板1，其组成包括DSP数字 信号处理器1. 0、保存数据与故障信息的外扩的(NVRAM)非易失性存储器1. 4、监控I/O板 输入的开关信号状态并通知DSP及时处理的(CPLD)可编程逻辑器件1. 7、模数转换器1. 1、 与(PLC)可编程逻辑控制器5通讯的(RS485)串行通讯器件1.5，还有(ADC)模数转换器 1. 1，PWM脉宽调制信号处理器1.8。所述的I/O板2，其组成包括光电编码器，输入状态信号 检测器，以及输出开关动作信号的隔离与电平转换处理器件。所述的异步电机矢量控制器， 其光纤板3包括控制回路与功率单元之间的光纤联接器件，以及控制单元上电和掉电过程 的保护器件。所述的DSP控制板1、1/0板2、光纤板3、调理板4的联接关系是1/0板2与 DSP控制板1中的(CPLD)可编程逻辑器件1. 7联接，光纤板3与DSP控制板1中的(PWM) 脉宽调制信号处理器1.8输出联接，调理板4与DSP控制板1中的(ADC)模数转换器1. 1 联接。所述的调理板4，其组成包括对输出电流与直流母线电压模拟信号的隔离、滤波器件 和电平转换，同时具备电流电压保护功的器件；所述的积分正交补偿PI调节模块8，是一个 用于通过检测计算得到的正交性检测误差进行PI调节得到磁链幅值补偿值的模块。对本实用新型的原理、技术方案和积极效果作进一步说明如下本实用新型异步电机矢量控制器，把积分检波器的计算作为闭环反馈来实现积分 相位补偿，在积分器中加入正交检测补偿量，实现了定子磁链矢量与反电势的完全正交，提 高了磁链观测精度。本实用新型异步电机矢量控制器采用如图2所示的算法结构，由人机 界面6得到异步电机给定转速与异步电机参数，通过克拉克变换模块计算得到α，β轴电 流分量，结合对控制器输出电压的重构对异步电机的转子磁场进行观测，得到转子磁场角 度从而实现励磁电流与转矩电流的解耦，结合给定转速与异步电机实际转速进行PI运算 得到转矩电流的给定，磁链幅值给定与实际磁链幅值PI运算得到励磁电流给定，通过电流 环的控制计算得到输出电压给定，最后通过空间矢量调制算法得到异步电机控制的PWM控 制信号，实现对异步电机的精确控制。如图1所示，是本实用新型异步电机矢量控制器的控制原理框图，DSP控制板1其 算法系统框图如图2所示，本实用新型算法是采用改进了的积分器的矢量控制算法，控制 对象为300KW异步电机，负载为300KW交流自励同步发电机组，异步电机三角形形接法时额定电压为380V，额定电流为526A，对异步电机采用了星形接法时额定电压为658V，额定 电流为304A。如图3所示的是现有技术幅值补偿的积分器进行定子磁链计算，电机带载运 行在30hz时，转子磁链圆如图5所示控制效果较差。图4所示本实用新型的加积分正交补 偿的改进的积分器后的效果，在同样的工况下，转子磁链如图6所示控制效果有了很大的 改善。如图7所示，定子磁链计算中，反电势与定子磁链积分正交在采用幅值补偿的改进积 分器时有很大的偏差，而且随着输出频率的增加，正交相位检测偏移越大，变频器带仿真器 运行，带载输出频率在30hz时积分正交相位偏差，最大偏差接近8，采用本实用新型加积分 正交补偿的改进积分器后，同样工况下，反电势与定子磁链积分正交性得到很大改善，基本 收敛在零值附近；在电机带载方面，采用幅值补偿的积分器时，如图所示的转子磁链幅值控 制不够恒定且积分相位偏差影响，随着电机运行频率的增加，磁链幅值波动和积分相位偏 差越来越大，并最终引起输出电流波动过大，导致输出电流过流，电机不能达到额定工况运 行；采用本实用新型加积分正交补偿的改进的积分器后，电机运行在额定工况时的变频器 输出电压电流波形如图7所示；采用本实用新型的积分器不但具有其固有的改善积分初始 值和直流偏移的效果，同时也改善了积分相位偏差问题，保证了反电势积分的完全正交性， 改善了异步电机磁链控制效果，提高了定子磁链的观测精度与电机在额定负载时的稳定 性。
权利要求一种异步电机矢量控制器，其特征在于，它包括一个具有积分器的异步电机矢量控制算法的DSP控制板(1)；一个用于IO量和速度信号测控的I/O板(2)；一个用于PWM驱动和制动驱动的光纤板(3)；一个用于直流母线电压和输出电流信号测控的调理板(4)；所述积分器在异步电机模型观测模块中，由前馈部分和反馈部分两部分组成，包括积分正交性检测模块(7)，正交补偿PI调节模块(8)，笛卡尔坐标系到极坐标转换模块(9)，极坐标系到笛卡尔坐标转换模块(10)，磁链幅值限幅模块(11)；所述的笛卡尔坐标系到极坐标转换模块(9)，是一个实现α，β轴定子磁链到磁链幅值与和磁链角度转换的模块；所述的极坐标系到笛卡尔坐标转换模块(10)，是一个实现定子磁链幅值与磁链角度到α，β轴定子磁链分量转换的模块；所述的磁链幅值限幅模块(11)，是一个实现定子磁链幅值限幅，消除定子磁链积分偏移与积分初始值影响的模块。
2.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的积分正交性检测模 块(7)是一个通过计算反电势与其积分后得到的α，β轴定子磁链分量的正交性误差检测 的检测模块；积分器中加入正交检测补偿量为定子磁链幅值补偿量，用于对定子磁链分量 计算中产生的相位偏差进行补偿。
3.如权利要求2所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的正交检测补偿量小 于等于0. 02倍额定值。
4.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的DSP控制板(1)，其 组成包括DSP数字信号处理器(1. 0)、保存数据与故障信息的外扩的NVRAM非易失性存储 器(1. 4)、监控I/O板输入的开关信号状态并通知DSP及时处理的CPLD可编程逻辑器件 (1. 7)、模数转换器(1. 1)、与PLC可编程逻辑控制器(5)通讯的RS485串行通讯器件(1. 5)， 还有ADC模数转换器(1. 1)，PWM脉宽调制信号处理器(1. 8)。
5.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的I/O板(2)，其组成 包括光电编码器，输入状态信号检测器，以及输出开关动作信号的隔离与电平转换处理器 件。
6.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的光纤板(3)，其组成 包括控制回路与功率单元之间的光纤联接器件，以及控制单元上电和掉电过程的保护器 件。
7.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的DSP控制板(1)、1/0 板(2)、光纤板(3)、调理板(4)的联接关系是:1/0板(2)与DSP控制板(1)中的CPLD可编 程逻辑器件(1. 7)联接，光纤板(3)与DSP控制板(1)中的PWM脉宽调制信号处理器(1. 8) 输出联接，调理板(4)与DSP控制板(1)中的ADC模数转换器(1. 1)联接。
8.如权利要求1所述的异步电机矢量控制器，其特征在于，所述的调理板(4)，其组成 包括对输出电流与直流母线电压模拟信号的隔离、滤波器件和电平转换，同时具备电流电 压保护功的器件；所述的积分正交补偿PI调节模块(8)，是一个用于通过检测计算得到的 正交性检测误差进行PI调节得到磁链幅值补偿值的模块。
专利摘要本实用新型涉及异步电机矢量控制器，它有一个DSP控制板，一个I/O板，一个光纤板，一个调理板；积分器在异步电机模型观测模块中，由前馈部分和反馈部分两部分组成，包括积分正交性检测模块，正交补偿PI调节模块，笛卡尔坐标系到极坐标转换模块，极坐标系到笛卡尔坐标转换模块，磁链幅值限幅模块。采用本实用新型的积分器的异步电机矢量控制器不但具有改善反电势积分初始值和直流偏移的效果，同时也改善了积分相位偏差问题，改善了异步电机磁链控制效果，提高了定子磁链的观测精度与电机在额定负载时的稳定性，且结构比较简单，易于实现。
文档编号H02P21/14GK201733272SQ201020119219
公开日2011年2月2日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者刘忠举, 宋飞, 张伟, 李瑞昌, 汪伟, 胡传西 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所