专利名称：交流传动控制系统和方法及其逆变器电压误差测量方法
技术领域：
本发明涉及交流传动控制系统及其误差测量方法，尤其是涉及一种应用于交流传动控制系统的考虑逆变器电压误差的交流传动控制系统及误差测量方法。
背景技术：
交流传动系统是指以交流电机为控制对象，对电机的输出转矩和转速进行调节的新型传动系统。与直流传动系统相比，交流传动系统具有良好的牵引性能，功率因素高，体积小，重量轻，运行可靠。交流传动系统正逐步取代直流传动系统，广泛应用于工业生产，国民生活和国防建设等领域。交流传动系统一般由控制系统、主回路和控制对象等构成，其中主回路是指由直 流母线，直流支撑电容，以及功率开关半导体器件组成的变流器；控制系统则包括基于高速微处理器的硬件平台，和实时运算的各种控制算法。它通过对传动系统中电机转速、电机电流和直流母线电压等信号的采集和处理，根据要求的转速或转矩指令，控制主回路中功率半导体器件的通断进行PWM控制以调节作用于电机的交流电压的幅值和频率，实现对电机转速或转矩的控制。PWMCPulse Width Modulation，脉冲宽度调制)是交流传动控制系统中极其重要组成部分，该部分的功能是根据输入的参考电压和当前直流母线电压，调节控制主回路功率半导体器件通断的脉冲信号的宽度，使主回路输出的基波电压等于随输入的参考电压。其中SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)为空间矢量脉冲宽度调制。在逆变器控制中，由于开关器件固有开关时间的影响，开通时间往往小于关断时间，因此很容易导致同一相的上下两个开关管发生同时导通的现象而造成短路故障，为了防止故障的产生，通常设置一定的开通延时时间Td，称之为死区时间，以保证同相的一个开关器件完全关断后，另外一个开关器件才开通。脉宽调制技术广泛应用于交流传动系统中，目前工业领域应用较为广泛的为电压型逆变器，通过功率半导体器件的开关进行输出电压的调制以实现对电机输出转矩和转速的控制。由于半导体器件的本身固有特性和控制系统的器件延时等因素，以及逆变器到电机三相之间连接电缆的内阻损耗(电缆越长电压损耗越大)，使得实际电机端电压和逆变器理论输出电压之间存在一定的幅值和相位误差，该误差会影响交流传动系统的控制效果(尤其是在低速小调制比运行工况下)。调制比为变流器输出的交流线电压基波幅值同变流器输入的直流电压值之比。根据功率半导体的器件特性，器件导通时存在一定的导通电压降。并且由于器件导通时存在一定的内阻，因此通过电流时也会产生一定的电压降。同时，逆变器和电机三相之间连接电缆的阻值会影响逆变器的输出电压，造成实际输出电压和理论输出电压之间存在一定的误差，影响系统的控制性能。逆变器存在一定的开通延时和关断延时，其中的关断延时和导通电流存在非线性关系。在实际工业应用中为防止同一相的上下桥臂同时导通造成的母线短路损坏器件，加入了一定的死区时间。另外，逆变器三相输出端和电机三相之间的连接线缆也存在一定的内阻，并且线缆越长内阻越大，因此造成的压降也越大。这些因素都会影响逆变器的输出电压，在低速运行区域或调制比较小的运行情况下，误差影响更加明显，甚至会造成控制失败。因此，提出一种交流传动控制系统逆变器电压误差的测量方法及具有该误差补偿功能的交流传动控制系统及其方法成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑逆变器电压误差的交流传动控制系统和方法及其逆变器电压误差测量方法，该系统和方法及其逆变器电压误差测量方法能够极大地提高系统的控制性能，尤其是低速或小调制比下，能够减小逆变器电压误差造成的影响。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种交流传动控制系统的技术实现方 案，一种交流传动控制系统，包括转矩给定单元，用于设定电机输出的目标转矩指令；磁链计算单元，用于进行磁链指令的计算和设定；指令电流计算单元，根据目标转矩指令和磁链指令进行d轴指令电流和q轴指令电流G的计算；转差频率计算单元，用于根据目标转矩指令和磁链指令计算电机的转差频率；定子频率计算单元，根据测速单元反馈的速度ω和转差频率计算出电机的定子频率ω s ；角度计算单元，对电机的定子频率进行积分，计算出定子的旋转角度Θ ；反馈电流计算单元，根据检测到的电机相电流经坐标变化后得到d轴反馈电流Id和q轴反馈电流Iti ;PI调节单元,d轴指令电流/，q轴指令电流^分别与d轴反馈电流Id, q轴反馈电流1 进行差分处理，然后通过PI调节单元进行PI控制，得到d轴电压指令f/〗和q轴电压指V电压坐标变换单元，将d轴电压指令f/丨和q轴电压指令f ^变换到静止坐标系上的α轴电压指令f/I和β轴电压指令U;;PWM调制单元，进行目标输出电压的调制，根据α轴电压指令K和β轴电压指令%得到PWM输出控制信号S ' ab。，控制逆变器各相开关器件的通断；误差补偿单元，根据电机的三相电流得出逆变器的电压误差，对PWM输出控制信号S ' ab。进行修正以对逆变器的电压误差进行预先补偿，得到最终的PWM输出控制信号Sab。，使得电机的实际端电压与理论电压一致。作为本发明一种交流传动控制系统技术方案的进一步改进，磁链计算单元根据电机的输出频率进行弱磁控制，计算并输出设定磁链指令，实现电机在基频以下按恒转矩进行控制，在基频以上按恒功率进行控制。作为本发明一种交流传动控制系统技术方案的进一步改进，误差补偿单元根据电机的三相电流，通过查表或在线计算的方式得到逆变器的电压误差，然后将此电压误差折算成逆变器需要提前或推后开通或关断的时间，形成新的PWM输出控制信号Sab。对逆变器的电压误差进行补偿。本发明还另外具体提供了一种交流传动控制系统的控制方法的技术实现方案，一种交流传动控制系统的控制方法，包括以下步骤SlOO :转矩给定单元设定电机输出的目标转矩指令；SlOl :磁链计算单元进行磁链指令的计算和设定；S102 :指令电流计算单元根据目标转矩指令和磁链指令进行d轴指令电流<和q轴指令电流<的计算； S103:转差频率计算单元根据目标转矩指令和磁链指令计算电机的转差频率ω ；
r ，S104 :定子频率计算单元根据测速单元反馈的速度ω和转差频率计算出电机的定子频率ω S ；S105:角度计算单元对电机的定子频率进行积分，计算出定子的旋转角度Θ ；S106 :反馈电流计算单元根据检测到的电机相电流经坐标变化后得到d轴反馈电流Id和q轴反馈电流ItJ ;S107 d轴指令电流，q轴指令电流<与d轴反馈电流Id, q轴反馈电流Itl分别进行差分处理后，由PI调节单元进行PI控制，得到d轴电压指令t/ .和q轴电压指令&S108 电压坐标变换单元将d轴电压指令f/和q轴电压指令％变换到静止坐标系上的α轴电压指令和β轴电压指令^ ;S109 :PWM调制单元进行目标输出电压的调制，根据α轴电压指令C/〗和β轴电压指令^得到PWM输出控制信号S ’ abc,控制逆变器各相开关器件的通断；SllO :误差补偿单元根据电机的三相电流得出逆变器的电压误差，对PWM输出控制信号S ' ab。进行修正以对逆变器的电压误差进行预先补偿，得到最终的PWM输出控制信号Sab。，使得电机的实际端电压与理论电压一致。作为本发明一种交流传动控制系统的控制方法技术方案的进一步改进，步骤SllO中误差补偿单元根据电机三相电流，得出逆变器的电压误差的过程进一步包括以下步骤误差补偿单元根据电机的三相电流，通过查表或在线计算的方式得到逆变器总的电压误差，然后将此电压误差折算成逆变器需要提前或推后开通或关断的时间，形成新的PWM输出控制信号Sab。对逆变器的电压误差进行补偿。本发明还另外具体提供了一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，包括以下步骤SlO :在交流传动控制系统离线状态下采用电流控制，对电机通以一定的指令电流，同时测量电机的实际反馈电流；Sll :将指令电流和反馈电流的差值进行PI调节，得到一个电压输出；S12 :步骤Sll中的所述电压输出和消耗在电机内阻上的电压之间的差值即为逆变器的电压误差；S13 :通过调节指令电流的大小，得到每个电流值下对应的逆变器的电压误差，并进行数据处理形成列表。作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的进一步改进，逆变器电压误差测量方法进一步包括以下步骤S200 :测定电机的等效定子电阻R' s ；S201 :施加流过电机其中两相的导通电流in，另外一相不通过电流；根据电流^和实际反馈的电流值进行PI控制调节，得到稳定状态下的逆变器的理论输出电压U1,根据公式6得到逆变器的电压误差Merrjm =- - Rs X im、,S202 :调节导通电流im，(iffl= I1,imax)，分别得到逆变器的电压误差
, ^ieirh ,…，Δ吣,_，然后对电压误差进行曲线拟合，得到导通电流和电压误差的非线性关系。
作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的进一步改进，电机的等效定子电阻R丨s为逆变器的开关器件内阻Rm、电机的定子电阻Rs、电缆电阻&之和。作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的进一步改进，电机的等效定子电阻R丨s的测定过程包括以下步骤在电机的其中两相之间加以一直流电压，电机的另外一相不通过电流，将逆变器的开关器件等效为内阻Rm和误差电压Auot，首先使流过的电流值为I1，通过对电流I1和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变器理论输出电压U1 ;然后使流过的电流值为i2，通过对电流i2和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆
变器理论输出电压U2，得到电机的等效定子电阻尺。
丄 k ~h作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的另一种改进，电机的等效定子电阻R丨s的测定过程包括以下步骤在电机的A，B和C相均通过电流，其中一相的幅值是另外两相的两倍，将逆变器的开关器件等效为内阻Rm和误差电压Auot，首先使流过的电流值为I1，通过对电流I1和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变器理论输出电压U1 ;然后使流过的电流值为i2，通过对电流i2和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变
器理论输出电压U2，得到电机的等效定子电阻夂=。
J Ιγ —作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的进一步改进，逆变器电压误差测量方法进一步包括以下步骤S300 :在电机的Α，Β相之间通以一定的电流I111，电机的C相断开，得到公式9 ;对电机的B，C相之间同样通以电流4，电机的A相断开，得到公式10 ;对电机的C，A之间通以电流im，电机的B相断开，得到公式11 ΔU1+ Δu6 = uab-2*R ' s*im = Au ; AB(9)ΔU3+ Δu2 = ubc-2*R ' s*im = Δu ; BC(10)Δu5+ ΔU4 = uca-2*R ; s*im = Au ; CA(11)其中，Au1,Au2, Au3, Au4, Au5, Λ U6 分别为开关器件 V1, V2，V3，V4，V5，V6 的电压误差，Uab为A，B相之间的电压，uBC为B，C相之间的电压，uCA为A，C相之间的电压，Au丨AB为A，B相的电压误差，Λ %为B，C相的电压误差，Λ C，A相的电压误差。S301 :根据逆变器同一相的开关器件的上下两个桥臂特性一致，误差一致，即ΔU1 = Δu4, ΔU3 = Δu6，ΔU2 = ΔU5(12)S302 :根据公式9、10、11、12得到各个电压误差；S303 :同样，通过调节导通电流im，如(im = I1, i2，· · ·，imax)，分别得到逆变器每相与之对应的电压误差-—，Kh，…，&1,、,_然后对电压误差分别进行曲线拟合，得到导通电流和电压误差的非线性关系。作为本发明一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法技术方案的进一步改进，电机的等效定子电阻R丨s的测定过程包括以下步骤在电机的A，B相之间通以电流I，电机的C相断开，得到电机A，B相的等效电阻R ’ sl ;在电机的B，C相之间通以电流I，电机的A相断开，得到电机B，C相的等效电阻ITs2 ;在电机的C，A相之间通以电流I，电机的B相断开，得到电机C，A相的等效电阻R ; s3，
则电机的等效定子电阻为
权利要求
1.一种交流传动控制系统,其特征在于,包括 转矩给定单元(I)，用于设定电机(13 )输出的目标转矩指令； 磁链计算单元(2 )，用于进行磁链指令的计算和设定； 指令电流计算单元(3 )，根据目标转矩指令和磁链指令进行d轴指令电流和q轴指令电流<的计算； 转差频率计算单元(4)，用于根据目标转矩指令和磁链指令计算电机(13)的转差频率CO ；r ， 定子频率计算单元(5)，根据测速单元(14)反馈的速度《和转差频率计算出电机(13)的定子频率Ws ； 角度计算单元(6)，对电机(13)的定子频率进行积分，计算出定子的旋转角度0 ； 反馈电流计算单元(7)，根据检测到的电机(13)相电流经坐标变化后得到d轴反馈电流Id和q轴反馈电流I,; PI调节单元(8), d轴指令电流，q轴指令电流&分别与d轴反馈电流Id, q轴反馈电流I,进行差分处理，然后通过PI调节单元(8)进行PI控制，得到d轴电压指令C/和q轴电压指令; 电压坐标变换单元(9)，将d轴电压指令(和q轴电压指令变换到静止坐标系上的a轴电压指令和P轴电压指令 PWM调制单元(10)，进行目标输出电压的调制，根据a轴电压指令C和P轴电压指令$得到PWM输出控制信号S ' ab。，控制逆变器(12)各相开关器件的通断； 误差补偿单元(11)，根据电机(13)的三相电流得出逆变器(12)的电压误差，对PWM输出控制信号S ' ab。进行修正以对逆变器(12)的电压误差进行预先补偿，得到最终的PWM输出控制信号Sab。，使得电机(13)的实际端电压与理论电压一致。
2.根据权利要求I所述的一种交流传动控制系统，其特征在于所述磁链计算单元(2)根据电机(13)的输出频率进行弱磁控制，计算并输出设定磁链指令，实现电机(13)在基频以下按恒转矩进行控制，在基频以上按恒功率进行控制。
3.根据权利要求I或2所述的一种交流传动控制系统，其特征在于所述误差补偿单元(11)根据电机(13)的三相电流，通过查表或在线计算的方式得到逆变器(12)的电压误差，然后将此电压误差折算成逆变器(12)需要提前或推后开通或关断的时间，形成新的PWM输出控制信号Sab。对逆变器(12)的电压误差进行补偿。
4.一种交流传动控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤 .100:转矩给定单元(I)设定电机(13)输出的目标转矩指令； . 5101:磁链计算单元(2)进行磁链指令的计算和设定； . 5102:指令电流计算单元(3 )根据目标转矩指令和磁链指令进行d轴指令电流和q轴指令电流<的计算； . 5103:转差频率计算单元(4)根据目标转矩指令和磁链指令计算电机(13)的转差频率CO ；r ， . 5104:定子频率计算单元(5)根据测速单元(14)反馈的速度Co和转差频率计算出电机(13)的定子频率Ws ； s105:角度计算单元(6)对电机(13)的定子频率进行积分，计算出定子的旋转角度.0 ; s106:反馈电流计算单元(7)根据检测到的电机(13)相电流经坐标变化后得到d轴反馈电流Id和q轴反馈电流I,; s107d轴指令电流，Q轴指令电流<与d轴反馈电流Id，q轴反馈电流Itl分别进行差分处理后，由PI调节单元(8)进行PI控制，得到d轴电压指令^和q轴电压指令 s5108:电压坐标变换单元(9)将d轴电压指令C/〗和q轴电压指令C/:变换到静止坐标系上的a轴电压指令C/I和P轴电压指令 s109:PWM调制单元(10)进行目标输出电压的调制，根据a轴电压指令 /和P轴电压指令％得到PWM输出控制信号S ' ab。，控制逆变器(12)各相开关器件的通断； s110:误差补偿单元(11)根据电机(13)的三相电流得出逆变器(12)的电压误差，对PWM输出控制信号S ' ab。进行修正以对逆变器(12)的电压误差进行预先补偿，得到最终的PWM输出控制信号Sab。，使得电机(13)的实际端电压与理论电压一致。
5.根据权利要求4所述的一种交流传动控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤SllO中误差补偿单元(11)根据电机三相电流，得出逆变器(12)的电压误差的过程进一步包括以下步骤 所述误差补偿单元(11)根据电机(13)的三相电流，通过查表或在线计算的方式得到逆变器(12)总的电压误差，然后将此电压误差折算成逆变器(12)需要提前或推后开通或关断的时间，形成新的PWM输出控制信号Sab。对逆变器(12)的电压误差进行补偿。
6.一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电压误差测量方法包括以下步骤 s10:在交流传动控制系统离线状态下采用电流控制，对电机(13)通以一定的指令电流，同时测量电机(13)的实际反馈电流； s11:将指令电流和反馈电流的差值进行PI调节，得到一个电压输出； S12:步骤Sll中的所述电压输出和消耗在电机(13)内阻上的电压之间的差值即为逆变器(12)的电压误差； S13 :通过调节指令电流的大小，得到每个电流值下对应的逆变器(12)的电压误差，并进行数据处理形成列表。
7.根据权利要求6所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述逆变器电压误差测量方法进一步包括以下步骤 s200:测定电机(13)的等效定子电阻IT s ； s201:施加流过电机(13)其中两相的导通电流im，另外一相不通过电流；根据电流im和实际反馈的电流值进行PI控制调节，得到稳定状态下的逆变器(12)的理论输出电压U1,根据公式6得到逆变器(12)的电压误差 s202:调节导通电流im，(iffl=分别得到逆变器(12)的电压误差A err,h，^errJ2也 ，…，，然后对电压误差进行曲线拟合，得到导通电流和电压误差的非线性关系。
8.根据权利要求7所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电机(13)的等效定子电阻R ' 3为逆变器(12)的开关器件内阻Rm、电机(13)的定子电阻Rs、电缆电阻&之和。
9.根据权利要求8所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电机(13)的等效定子电阻R ' s的测定过程包括以下步骤 在电机(13)的其中两相之间加以一直流电压，电机(13)的另外一相不通过电流，将逆变器(12)的开关器件等效为内阻Rm和误差电压Aum，首先使流过的电流值为I1，通过对电流I1和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变器理论输出电压U1 ;然后使流过的电流值为i2，通过对电流i2和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状 态下的逆变器理论输出电压U2，得到电机(13)的等效定子电阻
10.根据权利要求8所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电机(13)的等效定子电阻R ' s的测定过程包括以下步骤 在电机(13)的A，B和C相均通过电流，其中一相的幅值是另外两相的两倍，将逆变器(12)的开关器件等效为内阻Rm和误差电压Au6 ，首先使流过的电流值为I1，通过对电流^和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变器理论输出电压U1 ;然后使流过的电流值为i2，通过对电流i2和反馈的实际电流的差值进行PI调节得到稳定状态下的逆变器理论输出电压U2，得到电机(13)的等效定子电阻
11.根据权利要求6所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述逆变器电压误差测量方法进一步包括以下步骤 5300:在电机(13)的A，B相之间通以一定的电流4，电机(13)的C相断开，得到公式9 ;对电机(13)的B，C相之间同样通以电流4，电机(13)的A相断开，得到公式10 ;对电机(13)的C，A之间通以电流4，电机(13)的B相断开，得到公式11 AU1+Au6 = uAB_2*R ' s*im = Au ;(9) Au3+Au2 = uBC_2*R ' s*im = Au ; BC(10) Au5+Au4 = uCA_2*R ' s*im = Au ; CA(11) 其中，Au1, Au2, Au3, Au4, Au5, A u6分别为开关器件V1, V2，V3，V4，V5，V6的电压误差，Uab为A，B相之间的电压，uBC为B，C相之间的电压，uCA为A，C相之间的电压，Au ; AB为A，B相的电压误差，Au' B，C相的电压误差，Au ' C，A相的电压误差； 5301:根据逆变器(12)同一相的开关器件的上下两个桥臂特性一致，误差一致，即 AU1 = Au4, Au3 = Au6, Au2 = AU5(12) 5302:根据公式9、10、11、12得到各个电压误差； 5303:同样，通过调节导通电流im，如(im = I1, i2，. . .，i_)，分别得到逆变器(12)的每相与之对应的电压误差，^err>…，■然后对电压误差分别进行曲线拟合，得到导通电流和电压误差的非线性关系。
12.根据权利要求11所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电机(13)的等效定子电阻R ' s的测定过程包括以下步骤 在电机(13)的A，B相之间通以电流I，电机(13)的C相断开，得到电机A，B相的等效电阻R ; sl ;在电机(13)的B，C相之间通以电流I，电机(13)的A相断开，得到电机B，C相的等效电阻R丨s2 ;在电机(13)的C，A相之间通以电流I，电机(13)的B相断开，得到电机 C，A相的等效电阻R 1 s3，则电机(13)的等效定子电阻为允
13.根据权利要求11所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述电机(13)的等效定子电阻R ' s的测定过程包括以下步骤 在电机(13)的A，B相之间分别通以电流I和-I，电机(13)的C相断开，分别得到电机A，B相的等效电阻R ' sl，R ’ s4 ;在电机(13)的B，C相之间分别通以电流I和-I，电机(13)的A相断开，分别得到电机B，C相的等效电阻得到R' s2，R' 35;在电机(13)的(，八相之间分别通以电流I和-I，电机(13)的B相断开，分别得到电机C，A相的等效电阻R丨33和1^ s6，则电机(13)的等效定子电阻为
14.根据权利要求8或11所述的一种交流传动控制系统的逆变器电压误差测量方法，其特征在于，所述逆变器(12)因关断延时导致的电压误差为逆变器(12)的总误差电压减去因开关器件死区时间和开通延时导致的电压误差。
全文摘要
本发明公开了一种交流传动控制系统和方法及其逆变器电压误差测量方法，转矩给定单元设定电机输出的目标转矩指令，磁链计算单元进行磁链指令的计算和设定，误差补偿单元根据电机三相电流得出逆变器电压误差，对PWM输出控制信号进行修正以对逆变器的电压误差进行预先补偿，得到最终的PWM输出控制信号，使得电机的实际端电压与理论电压一致。误差补偿单元根据电机的三相电流，通过查表或在线计算的方式得到逆变器总的电压误差，然后将此电压误差折算成逆变器提前或推后开通或关断的时间，形成新的PWM输出控制信号对逆变器电压误差进行补偿。本发明能够极大地提高系统控制性能，尤其在低速或小调制比下，能够减小逆变器电压误差造成的影响。
文档编号H02P21/00GK102811013SQ20121026840
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者刘可安, 尚敬, 冯江华, 倪大成, 刘勇, 梅文庆, 张玉婷 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司