專利名稱：異步電機定向控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電機控制領域，更具體地說，涉及一種異步電機定向控制系統(tǒng)及方法。
背景技術：
異步電機矢量控制技術中，轉子磁場定向控制方案因為技術實現簡單，轉矩響應快等優(yōu)點，在異步電機驅動技術領域中得到了廣泛應用。在轉子磁場定向控制技術實現過程中，為了實現轉子的準確磁場定向，必須得到轉差的準確計算結果，然后利用該結果進行同步角度計算和累加，從而分別解耦異步電機的轉矩控制和磁場控制。如圖I所示，是現有的轉子磁場定向控制技術的示意圖。在該方案中，僅考慮異步電機磁通處于穩(wěn)態(tài)過程，即認為電機的磁通是恒定。磁通幅度λ計算采用以下公式
λ =LmX Isd(I)其中Lm為電機互感，Isd為電機控制的勵磁電流。將上述公式(I)代入轉差Wsl的計算公式Wsl=LmX IsqバTr X λ)得Wsl=Isq/ (TrXIsd) (2)其中Isq為電機控制的轉矩電流，Tr為電機轉子時間常數。根據異步電機原理可知，異步電機的磁場是隨著勵磁電流的變化而緩慢變化的，變化快慢由電機的轉子時間常數決定。如圖2所示，采用恒定勵磁電流啟動過程中，磁通幅度是從零緩慢增加的。而采用現有的近似估計異步電機當前磁通幅度僅適用于電機磁通處于穩(wěn)定狀態(tài)。當電機磁場建立或者變化過程采用已有方案得到的磁通幅度與電機實際磁通幅度誤差較大。由于轉差是由磁通幅度等參數計算得到的，磁通幅度的誤差導致了轉差計算的較大誤差，最終影響了異步電機的磁場定向精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對上述在異步電機啟動時，異步電機定向控制中因磁通幅度誤差而影響異步電機的磁場定向精度的問題，提供一種異步電機定向控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案是，提供ー種異步電機定向控制系統(tǒng)，包括磁通計算單元、轉差計算單元、磁通角度計算單元以及驅動單元，其中所述磁通計算單元，用于根據勵磁電流計算所述異步電機的磁通幅度估計值；所述轉差計算單元，用于根據所述磁通幅度估算值計算轉差；所述磁通角度計算單元，用于根據所述轉差及電機轉子的轉速計算磁通角度；所述驅動単元，用于根據所述磁通角度控制電機轉子運行。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制系統(tǒng)中，所述磁通計算單元包括低通濾波子單元，所述低通濾波子単元用于根據以下公式計算磁通幅度估計值A=LmXISd/(TrXS+l)，其中Lm為電機互感，Isd為勵磁電流，s為拉普拉斯算子，Tr為電機轉子時間常數。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)還包括電感矯正單元，用于根據所述磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數；所述轉差計算單元根據所述磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制系統(tǒng)中，所述磁通計算單元還包括幅度限制子単元，所述幅度限制子単元用于對低通濾波子単元計算獲得的磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制系統(tǒng)中，所述電感矯正單元包括電感矯正子單元以及時間常數矯正子単元，其中所述電感矯正子単元，用于根據所述磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，所述電機轉子電感隨著磁通幅度増加不斷減小；所述時間常數矯正子単元，用于使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，所述電機轉子的時間常數Tr=Lr/Rr，其中Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻，所述轉差計算單元根據以下公式計算轉差轉差Wsl=IsqXRr/ ((LrX Isd)/ (LrXs/Rr+Ι)),其中Isq為電機控制的轉矩電流。、
本發(fā)明還提供一種異步電機定向控制方法，包括以下步驟Ca)根據勵磁電流計算所述異步電機的磁通幅度估計值；(b)根據所述磁通幅度估算值計算轉差；(c)根據所述轉差計算磁通角度并根據所述磁通角度驅動電機運轉。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制方法中，所述步驟(a)之后包括根據所述磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數；所述步驟(b)中，根據所述磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制方法中，所述步驟(a)中通過以下公式計算磁通幅度估計值X=LmXIsd/ (TrXs+Ι),其中Lm為電機互感,Isd為勵磁電流,s為拉普拉斯算子，Tr為電機轉子時間常數。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制方法中，所述步驟(a)中包括對所述磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定。在本發(fā)明所述的異步電機定向控制方法中，所述步驟(b)包括(bI)根據所述磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，所述電機轉子電感隨著磁通幅度增加而不斷減小；(b2)使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，所述電機轉子的時間常數Tr=Lr/Rr，其中Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻；所述步驟(c)中轉差Wsl=IsqXRr/((Lr X Isd) / (Lr X s/Rr+1)),其中 Isq 為電機控制的轉矩電流。本發(fā)明的異步電機定向控制系統(tǒng)及方法，通過磁通幅度估算以及電感矯正，使得轉差計算更為精確，從而保證異步電機在啟動、加減速過程中的磁場定向精度，使得電機轉子加速或減速力矩最大，電機加速或減速明效果顯提高。


圖I是現有轉子磁場定向控制方案的示意圖。圖2是現有轉子磁場定向控制方案中勵磁電流與實際磁通的示意圖。圖3本發(fā)明異步電機定向控制系統(tǒng)實施例的示意圖。圖4是圖3中的磁通計算單元的實施例的示意圖。
圖5是圖3中的磁通計算單元的磁通幅度估計值的示意圖。圖6是本發(fā)明異步電機定向控制方法實施例的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖3所示，是本發(fā)明異步電機定向控制系統(tǒng)實施例的示意圖。在本實施例中，系統(tǒng)包括磁通計算單元31、電感矯正単元32、轉差計算單元33、磁通角度計算單元34以及驅動單元36。上述磁通計算單元31、電感矯正単元32、可集成到變頻器或電機伺服驅動器中，也可位于獨立的設備并與變頻器或電機伺服驅動器通信。磁通計算單元31用于根據勵磁電流計算異步電機的磁通幅度估計值。具體地，如 圖2所示，上述磁通計算單元31可包括一個低通濾波子単元311，該低通濾波子単元311利用低通濾波模擬磁場變化過程，以計算磁通幅度估計值，其將輸入的勵磁電流代入以下公式計算磁通幅度估計值入λ =LmX Isd/ (Tr X s+1) (3)其中Lm為電機互感，Isd為電機控制的勵磁電流，Tr為電機轉子時間常數，s為拉
普拉斯算子。由電機磁場特性可知，磁通幅度與勵磁電流在磁場變化和穩(wěn)態(tài)過程同時滿足公式(3)，即低通濾波子単元311可較為準確地獲得在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種情況下的磁通幅度。因此在異步電機啟動、加減速時，低通濾波子單元311獲得的磁通幅度估計值λ更接近磁通幅度的實際值，如圖5所示。在實際工程實現過程中，由于低通濾波后磁通幅度估計值λ最開始一段時間輸出值為零及ー些很小數值。此時用該值計算轉差會出現超出現實情況的異常值，因此必須對估計的磁通幅度進行最大和最小邊界的限定。可在磁通計算單元21中増加一個幅度限制子単元3 12，該幅度限制子単元3 12用于對低通濾波子単元311計算獲得的磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定，例如在公式(3)計算獲得的磁通幅度估計值λ小于第一設定值時λ等于該第一設定值，當λ大于第二設定值時λ等于該第二設定值。上述經過幅度限制子単元312處理后的磁通幅度估計值λ再送入電感矯正単元32和轉差計算單元33，作為其輸入值。電感矯正単元32用于根據磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數。具體地，該電感矯正單元32包括電感矯正子單元以及時間常數矯正子単元。電感矯正子単元用于根據磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，其中電機轉子電感隨著磁通幅度增加而不斷減小(電機學上稱之為磁飽和效應)。時間常數矯正子単元用于使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，該電機轉子的時間常數Tr滿足以下公式Tr=Lr/Rr (4)其中Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻。由于電機轉子電感Lr隨電機磁通幅度呈非線性變化。為了提高轉差Wsl計算精度，本發(fā)明在磁通幅度變化的過程中，根據磁通幅度估計值λ對電感Lr進行了矯正。轉差計算單元33用于根據磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。具體地，該轉差計算單元33將公式(3)和(4)代入轉差計算公式Wsl=Isq/ (TrXIsd)即得到精確的轉差Wsl Wsl=IsqXRr/ ((LrXIsd)/(LrXs/Rr+1)) (5)其中Isq為電機控制的轉矩電流。磁通角度計算單元34用于根據轉差及電機轉子的轉速計算磁通角度。驅動單元36用于根據磁通角度控制電機轉子運行。磁通角度計算和轉子 控制方法與現有方案相同。在實際應用中，上述系統(tǒng)也可省略電感矯正単元32，相應地，磁通計算單元31僅根據磁通幅度估算值計算轉差。當然，該方式較公式(5)計算獲得的轉差效果稍差。如圖6所示，是本發(fā)明異步電機定向控制方法實施例的流程圖，該方法包括以下步驟步驟S61 :在異步電機啟動(或加減速)時,根據勵磁電流計算異步電機的磁通幅度估計值。具體地，可通過利用低通濾波模擬磁場變化過程，采用以下公式計算磁通幅度估計值λ =LmX Isd/(TrX s+1),其中Lm為電機互感，Isd為勵磁電流，s為拉普拉斯算子，Tr為電機轉子時間常數。并且，由于低通濾波后磁通幅度估計值λ最開始一段時間輸出值為零及ー些很小數值，因此可對低通濾波獲得的磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定，例如在公式
(3)計算獲得的磁通幅度估計值λ小于第一設定值時λ等于該第一設定值，當λ大于第ニ設定值時λ等于該第二設定值。上述經過幅度限制處理后的磁通幅度估計值λ再送入后續(xù)步驟作為新的磁通幅度估計值入。步驟S62 :根據磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數。具體地，該步驟首先根據磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，其中電機轉子電感隨著磁通幅度增加而不斷減小；然后使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，其中電機轉子的時間常數Tr=Lr/Rr, Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻。步驟S63 :根據磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。具體地，轉差Wsl=IsqX Rr/ ((LrXIsd) / (LrXs/Rr+Ι))，其中Isq為電機控制的轉矩電流。步驟S64 :根據轉差計算磁通角度井根據磁通角度驅動電機運轉。利用本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，在異步電機剛啟動到磁場建立過程中，由于轉差計算準確，磁場準確定向在轉子上，使得電機加速カ矩最大，電機加速最快。并且在異步電機電機進入弱磁區(qū)域的加速和減速過程中，由于轉差計算準確，磁場準確定向在轉子上，使得電機加速カ矩最大，電機加速最快。此外，由于磁場定向準確，電壓控制更精準，本發(fā)明可有效抑制磁場定向不準引起的電壓飽和問題。在實際應用中，上述方法也可省步驟S62，相應地，步驟S63中僅根據磁通幅度估算值計算轉差。當然，采用該方法的電機控制效果稍差。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種異步電機定向控制系統(tǒng)，其特征在于包括磁通計算單元、轉差計算單元、磁通角度計算單元以及驅動單元，其中所述磁通計算單元，用于根據勵磁電流計算所述異步電機的磁通幅度估計值；所述轉差計算單元，用于根據所述磁通幅度估算值計算轉差；所述磁通角度計算單元，用于根據所述轉差及電機轉子的轉速計算磁通角度；所述驅動單元，用于根據所述磁通角度控制電機轉子運行。
2.根據權利要求I所述的異步電機定向控制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括電感矯正單元，用于根據所述磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數；所述轉差計算單元根據所述磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。
3.根據權利要求I或2所述的異步電機定向控制系統(tǒng)，其特征在于所述磁通計算單元包括低通濾波子單元，所述低通濾波子單元用于根據以下公式計算磁通幅度估計值入=Lm X Isd/ (TrX s + I),其中Lm為電機互感，Isd為勵磁電流，s為拉普拉斯算子，Tr為電機轉子時間常數。
4.根據權利要求3所述的異步電機定向控制系統(tǒng)，其特征在于所述磁通計算單元還包括幅度限制子單元，所述幅度限制子單元用于對低通濾波子單元計算獲得的磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定。
5.根據權利要求4所述的異步電機定向控制系統(tǒng)，其特征在于所述電感矯正單元包括電感矯正子單元以及時間常數矯正子單元，其中所述電感矯正子單元，用于根據所述磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，所述電機轉子電感隨著所述磁通幅度估計值增加不斷減小；所述時間常數矯正子單元，用于使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，所述電機轉子的時間常數Tr = Lr/Rr，其中Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻；所述轉差計算單元根據以下公式計算轉差轉差Wsl = IsqXRr/((LrX Isd)/( LrXs/Rr + 1))，其中Isq為電機控制的轉矩電流。
6.一種異步電機定向控制方法，其特征在于包括以下步驟 Ca)根據勵磁電流計算所述異步電機的磁通幅度估計值； (b)根據所述磁通幅度估算值計算轉差； (C)根據所述轉差計算磁通角度并根據所述磁通角度驅動電機運轉。
7.根據權利要求6所述的異步電機定向控制方法，其特征在于所述步驟(a)之后包括根據所述磁通幅度估計值修正電機轉子的時間常數；所述步驟(b)中，根據所述磁通幅度估算值和修正的電機轉子的時間常數計算轉差。
8.根據權利要求6或7所述的異步電機定向控制方法，其特征在于所述步驟(a)中通過以下公式計算磁通幅度估計值\二 Lm X Isd/ (TrX s + I),其中Lm為電機互感,Isd為勵磁電流，s為拉普拉斯算子，Tr為電機轉子時間常數。
9.根據權利要求8所述的異步電機定向控制方法，其特征在于所述步驟(a)中包括對所述磁通幅度估計值進行最大和最小邊界限定。
10.根據權利要求9所述的異步電機定向控制方法，其特征在于所述步驟(b)包括 (bI)根據所述磁通幅度估計值矯正電機轉子電感，所述電機轉子電感隨著磁通幅度增大而不斷減小； (b2)使用矯正后的電機轉子電感修正電機轉子的時間常數，所述電機轉子的時間常數Tr = Lr/Rr，其中Lr為矯正后的電機轉子電感，Rr為電機轉子電阻；所述步驟(C)中轉差 Wsl = IsqXRr/((LrX Isd)/( LrX s/Rr + I))，其中 Isq 為電機控制的轉矩電流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種異步電機定向控制系統(tǒng)，包括磁通計算單元、轉差計算單元、磁通角度計算單元以及驅動單元，其中所述磁通計算單元，用于根據勵磁電流計算所述異步電機的磁通幅度估計值；所述轉差計算單元，用于根據所述磁通幅度估算值計算轉差；所述磁通角度計算單元，用于根據所述轉差及電機轉子的轉速計算磁通角度；所述驅動單元，用于根據所述磁通角度控制電機轉子運行。本發(fā)明還提供了一種對應的方法。本發(fā)明通過磁通幅度估算以及電感矯正，使得轉差計算更為精確，從而保證異步電機在啟動、加減速過程中的磁場定向精度，使得電機轉子加速或減速力矩最大，電機加速或減速明效果顯提高。
文檔編號H02P21/06GK102710205SQ20121019401
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權日2012年6月13日
發(fā)明者何俊輝 申請人:深圳市匯川技術股份有限公司, 蘇州匯川技術有限公司, 蘇州默納克控制技術有限公司