專利名稱：交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器，適用于交流異步電機或交流永磁同步電機的高性能調速或伺服控制，屬于電力傳動控制設備的技術領域。
背景技術：
目前，在工業電氣傳動與伺服系統中，采用交流電機替代直流電機成為一種發展方向。交流電機由于具有結構簡單、維護方便、大容量、不需要換向器等優點，在實際中的應用越來越多。在工業應用領域，一般采用通用變頻器來驅動交流電機運行，變頻器的控制方法主要有兩種開環恒壓頻比控制和閉環矢量控制。開環恒壓頻比控制一般用于調速性能要求不高的應用場合，如空調器、洗衣機以及風機和泵類的調速，具有軟起動和節能降耗的作用；對于調速和伺服控制性能要求較高的應用場合，如大功率傳送帶、機床、機器人、鋼材軋制生產線以及造紙廠生產線等，則采用閉環矢量控制。閉環矢量控制的實現，通常需要在電機轉軸上安裝速度傳感器來獲取轉速反饋信號。安裝速度傳感器使系統硬件結構復雜，降低了系統運行的可靠性，增加了系統實現成本。使采用閉環矢量控制的交流電機調速系統的應用受到很大限制。因此，如何使交流電機在不安裝速度傳感器的條件下，獲得優良的電機轉速和位置控制性能，是一個很有意義和急待解決的問題。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種無需在電機轉軸上安裝速度傳感器、硬件結構簡單、易于實現，運行可靠的交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器。本實用新型的技術解決方案交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機的無速度傳感器逆控制器、復合被控對象中的功率逆變器、霍爾傳感器構成，其中交流異步電機的無速度傳感器逆控制器中的空間矢量脈寬調制模塊的三個輸出端對應連接功率逆變器的三個輸入端，功率逆變器中的二個輸出端分別接霍爾傳感器的二個電流輸入端和電壓輸入端，霍爾傳感器的四個輸出端對應連接轉速與轉子磁鏈觀測器中Clarke變換的四個輸入端。
本實用新型的優點可用于許多不宜在電機軸上安裝傳感器，并要求有高精度調速和高可靠性運行性能的工業電氣傳動應用場合，可顯著提高異步電機無速度傳感器調速系統的控制性能。用于構造新型的異步電機控制器，實現異步電機無速度傳感器的高精度轉速控制。不僅可應用于以異步電機為動力裝置的交流傳動系統，在以其它類型的交流電機(交流永磁同步電機、直流無刷電機等)為動力裝置的交流傳動和交流伺服系統中也有非常廣闊的應用前景。
圖1是復合被控對象的原理圖。
圖2是偽線性系統的結構示意圖。
圖3是圖2的等效圖。
圖4是閉環解耦控制系統的結構圖。
圖5是轉速與轉子磁鏈估計器的結構示意圖。
圖6是采用交流異步電機的無速度傳感器逆控制器對復合被控對象進行控制的原理圖。
圖7是由數字信號處理器，功率逆變器和霍爾傳感器共同組成交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器對異步電機進行控制的本發明裝置組成的結構示意圖。
圖8是采用數字信號處理器作為無速度傳感器逆控制器對異步電機進行控制時的運行程序框圖。
圖中的1是功率逆變器(CM15MD/MDL-12H)、2是交流異步電機(Y90S-4)、3是負載、4是復合被控對象、5是空間矢量脈寬調制(SVPWM)模塊、6是異步電機的逆系統、7是偽線性系統、8是線性閉環控制器(含磁鏈控制器、轉速控制器)、9是擴展的卡爾曼濾波器、10是Clarke變換(3/2變換)、11是轉速與轉子磁鏈觀測器、12是交流異步電機的無速度傳感器逆控制器、13是霍爾傳感器(二個LM25-NP和2個LV25-NP)、14是數字信號處理器(TMS320LF2407)、15是交流異步電機無速度傳感器逆控制變頻器、16是磁鏈控制器(PD控制器)、17是轉速控制器(PD控制器)、18是轉子磁鏈子系統、19是轉速子系統。
具體實施方式
對照附圖6，交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機的無速度傳感器逆控制器12、復合被控對象4中的功率逆變器1、霍爾傳感器13構成，其中交流異步電機的無速度傳感器逆控制器12中的空間矢量脈寬調制模塊5的輸出端Sa、Sb、Sc對應連接功率逆變器1的三個輸入端，功率逆變器1中的輸出端ua、ub分別接霍爾傳感器13的電流輸入端ia、ib和電壓輸入端ua、ub，霍爾傳感器13的輸出端ia、ib、ua、ub對應連接交流異步電機的無速度傳感器逆控制器12中的轉速與轉子磁鏈觀測器11中Clarke變換10的四個輸入端。
所述的交流異步電機的無速度傳感器逆控制器12由線性閉環控制器8、異步電機的逆系統6、空間矢量脈寬調制模塊5、轉速與轉子磁鏈觀測器11構成，其中線性閉環控制器8中的磁鏈控制器16、轉速控制器17的輸出端分別接異步電機的逆系統6的二個輸入端，異步電機的逆系統6的輸出端usα、usβ分別接空間矢量脈寬調制模塊5的二個輸入端，異步電機的逆系統6的另外五個輸入端中的二個輸入端接轉速與轉子磁鏈觀測器11中的Clarke變換10的輸出端isα、isβ，異步電機的逆系統6的另三個輸入端接轉速與轉子磁鏈觀測器11中的擴展的卡爾曼濾波器9的輸出端 Clarke變換10的輸出端isα、isβ、usα、usβ對應連接擴展的卡爾曼濾波器9的四個輸入端，擴展的卡爾曼濾波器9的輸出端 分別接線性閉環控制器8中的磁鏈控制器16、轉速控制器17的輸入端。
所述的復合被控對象4中的功率逆變器1中的輸出端ua、ub接交流異步電機2的輸入端，交流異步電機2的輸出端接負載3。
對照附圖7，其中異步電機逆系統、線性閉環控制器、SVPWM模塊和轉速與轉子磁鏈觀測器由數字信號處理器即DSP控制器通過軟件來實現。DSP控制器采用TI公司的電機控制專用芯片TMS320LF2407，功率逆變器采用三菱公司的PIM模塊CM15MD/MDL-12H、霍爾傳感器采用瑞士LEM公司的二個LM25-NP和二個LV25-NP。交流異步電機參數為額定功率PN＝1.1kW，額定轉速ωrN＝1420r/min，極對數np＝2，定子電感Ls＝0.574H，轉子電感Lr＝0.580H，互感Lm＝0.55H，轉子慣量J＝0.0021kgm2，定子電阻Rs＝5.9Ω，轉子電阻Rr＝5.6Ω。
對照附圖8，異步電機的逆系統6、空間矢量脈寬調制模塊5、線性閉環控制器8和轉速與轉子磁鏈觀測器11為采用數字信號處理器14，通過編制程序軟件來實現。
實施時，首先由功率逆變器、異步電機及其負載組成一個復合被控對象，該復合被控對象等效為靜止兩相坐標系(αβ坐標系)下的一個5階微分方程i·sα=-γisα+δβψrα+npβωrψrβ+usα/(σLs)i·sβ=-γisβ-npβωrψrα+δβψrβ+usβ/(σLs)ψ·rα=Lmδisα-δψrα-npωrψrβψ·rβ=Lmδisβ+npωrψrα-δψrβω·r=μ(isβψrα-isαψrβ)-TL/J]]>上式中np為異步電機的極對數，J為轉動慣量，δ=LrRr,β=LmσLsLr,μ=npLmJLr,]]>γ=Lm2RrσLsLr2+RsσLs,σ=1-Lm2LsLr;]]>Rs、Rr分別為定、轉子電阻；Ls、Lr和Lm為定、轉子自感及互感；狀態變量x＝[isα，isβ，ψrα，ψrβ，ωr]τ；輸入控制量為u＝[usα，usβ]τ；其中isα、isβ和ψrα、ψrβ分別為定子電流和轉子磁鏈的α、β分量，ωr為轉子角速度；usα、usβ分別為定子電壓的α、β分量。
由該方程可解得復合被控對象的逆系統usα=f1(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>usβ=f2(isα,isβ,ψrα,ψrβ,ωr,ω··r,ψ··r)]]>
將逆系統串接在復合被控對象之前，逆系統與復合被控對象合成為由2個二階積分子系統s-2，即一個轉子磁鏈二階子系統和一個轉速二階子系統，從而將一個復雜的多變量非線性系統的控制轉化為二個簡單的二階積分子系統的控制。對于已經解耦的2個二階積分子系統，采用一種線性系統的綜合方法，如PID或極點配置等，分別作出一個磁鏈控制器和一個轉速控制器。最終形成由閉環線性控制器、逆系統、SVPWM模塊和、擴展的卡爾曼濾波器、霍爾傳感器和功率逆變器六個部分組成的無速度傳感器逆控制器變頻器，對交流異步電機進行控制。根據不同的要求，可選擇不同的硬件和軟件來實現。
權利要求1.交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是由交流異步電機的無速度傳感器逆控制器(12)、復合被控對象(4)中的功率逆變器(1)、霍爾傳感器(13)構成，其中交流異步電機的無速度傳感器逆控制器(12)中的空間矢量脈寬調制模塊(5)的輸出端(Sa、Sb、Sc)對應連接復合被控對象(4)中的功率逆變器(1)的三個輸入端，功率逆變器(1)中的輸出端(ua、ub)分別接霍爾傳感器(13)的電流輸入端(ia、ib)和電壓輸入端(ua、ub)，霍爾傳感器(13)的輸出端(ia、ib、ua、ub)對應連接交流異步電機的無速度傳感器逆控制器(12)中轉速與轉子磁鏈觀測器(11)中的Clarke變換(10)的四個輸入端。
2.根據權利要求1所述的交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是交流異步電機的無速度傳感器逆控制器(12)由線性閉環控制器(8)、異步電機的逆系統(6)、空間矢量脈寬調制模塊(5)、轉速與轉子磁鏈觀測器(11)構成，其中線性閉環控制器(8)中的磁鏈控制器(16)、轉速控制器(17)的輸出端分別接異步電機的逆系統(6)的二個輸入端，異步電機的逆系統(6)的輸出端(usα、usβ)分別接空間矢量脈寬調制模塊(5)的二個輸入端，異步電機的逆系統(6)的另外五個輸入端中的二個輸入端接轉速與轉子磁鏈觀測器(11)中的Clarke變換(10)的輸出端(isα、isβ)，異步電機的逆系統(6)的另三個輸入端接轉速與轉子磁鏈觀測器(11)中的擴展的卡爾曼濾波器(9)的輸出端 Clarke變換(10)的輸出端(isα、isβ、usα、usβ)對應連接擴展的卡爾曼濾波器(9)的四個輸入端，擴展的卡爾曼濾波器(9)的輸出端 分別接線性閉環控制器(8)中的磁鏈控制器(16)、轉速控制器(17)的輸入端。
3.根據權利要求1所述的交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器，其特征是復合被控對象(4)中的功率逆變器(1)中的輸出端(ua、ub)接交流異步電機(2)的輸入端，交流異步電機(2)的輸出端接負載(3)。
專利摘要本實用新型是交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器，交流異步電機的無速度傳感器逆控制變頻器由交流異步電機的無速度傳感器逆控制器、復合被控對象中的功率逆變器、霍爾傳感器構成，其中交流異步電機的無速度傳感器逆控制器中的空間矢量脈寬調制模塊的三個輸出端對應連接功率逆變器的三個輸入端，功率逆變器中的二個輸出端分別接霍爾傳感器的二個電流輸入端和電壓輸入端，霍爾傳感器的四個輸出端對應連接轉速與轉子磁鏈觀測器中Clarke變換的四個輸入端。本實用新型的優點獲得優良的調速和抗負載擾動的電機運行性能和高精度的轉速跟蹤控制性能。系統不需要在電機轉軸上安裝速度傳感器，硬件簡單，運行可靠，實現成本低廉。
文檔編號H02P6/00GK2805220SQ20052007241
公開日2006年8月9日 申請日期2005年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者張興華 申請人:南京工業大學