电压矢量选择方法及依该方法建立的多电机同步控制系统

摘要

电压矢量选择方法及依该方法建立的多电机同步控制系统，包括：检测多电机运行的同步误差、定子磁链误差、电磁转矩误差、磁链所在扇区，构建适合多电机同步控制的新型电压矢量开关表；从新型电压矢量开关表中选择合适的空间电压矢量。系统包括基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器、逆变器、电机、磁链转矩估算模块，基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器主要由同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块和开关电压矢量模块组成。本发明可以很好地解决多电机系统的同步控制性能和快速响应控制性能的问题。采用一个控制器实现基于直接转矩控制技术的多电机同步控制。

说明书

技术领域

本发明属于交流调速技术领域，具体指一种实现多电机同步控制的新型电压矢量选择方法，以及依据该方法所设计的多电机同步控制系统。

背景技术

单台电机驱动在某些场合已经不能满足现代化生产的需要。在造纸、印染、纺织、数控机床等高精度、高转速传动系统中多电机同步控制得到广泛的应用。在许多现代制造业中，大型高精度、高转速传动系统的多电机同步控制是最为核心的问题之一，它的控制性能直接决定了整个加工设备乃至整体自动化生产线的生产水平。多电机同步控制技术在工业领域的应用已经成为自动化生产的一种发展趋势。

直接转矩控制技术以其结构简单、动态特性好、鲁棒性好和易于实现等优点备受关注。但是传统的直接转矩控制技术是根据估算的定子磁链误差、电磁转矩误差以及磁链所在的扇区选择合适的电压矢量实现单台电机的转矩控制。

传统的多电机同步控制系统中，一台电机和一套驱动器配一台控制器形成整体模块，通过各种反馈信号进行耦合控制。由于控制过程中存在多个反馈控制环节，大大的影响了多电机系统的同步控制性能和快速响应性能。

发明内容

本发明公开一种电压矢量选择方法及依该方法建立的多电机同步控制系统，可以很好地解决多电机系统的同步控制性能和快速响应控制性能的问题。采用一个控制器实现基于直接转矩控制技术的多电机同步控制。

本发明的技术方案为：

电压矢量选择方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

检测多电机运行的同步误差；

检测定子磁链误差；

检测电磁转矩误差；

检测磁链所在扇区；

根据上述检测结果设计新型电压矢量开关表；

在电机控制过程中从前述新型电压矢量开关表中选择合适的空间电压矢量，实现基于直接转矩控制技术的多电机同步控制。

依电压矢量选择方法所建立的多电机同步控制系统，其特征在于：所述系统包括一个基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器信号输出端连接逆变器信号输入端，逆变器信号输出端分别连接电机信号输入端和磁链转矩估算模块的信号输入端，电机信号输出端分别连接磁链转矩估算模块信号输入端和基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器的信号输入端，磁链转矩估算模块的信号输出端连接基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器信号输入端；

基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制器由同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块和开关电压矢量模块组成，其中同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块的信号输出端分别连接开关电压矢量模块的信号输入端。

磁链比较模块、转矩比较模块和开关电压矢量模块的数量与电机数量相对应，同步误差比较模块数量为电机数量减一。

逆变器数量与电机数量相对应。

结合多电机同步控制系统的要求以及直接转矩控制技术，本发明在采用了直接转矩控制技术的多电机同步控制系统中，改变了传统的直接转矩控制技术中的电压开关矢量表的产生方法，设计了适合多电机同步控制系统的新型电压矢量开关表。很好地解决了多电机系统的同步控制性能和快速响应控制性能的问题。同时改变了传统的多电机同步控制模块构成方式， 采用一个控制器实现基于直接转矩控制技术的多电机同步控制。

本发明在采用多电机直接转矩控制系统中，根据检测的多电机运行的同步误差、定子磁链误差、电磁转矩误差和磁链所在扇区重新设计电压矢量开关表，进而在控制过程中通过选择合适的空间电压矢量来保证多电机系统同步快速响应运行。即在考虑同步误差后构建新的适合于多电机同步控制的新型电压矢量开关表。在整个控制环节中，同步误差直接参与空间矢量电压的选择，没有经过其他的控制环节，因此反馈过程更快。控制器的同步调整过程更短，进而同步控制性能更好。

附图说明：

图1为多电机同步控制器的内部结构图；

图2为基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制系统示意图。

具体实施方式：

本发明的多电机同步控制思想是：根据检测的多电机运行的同步误差、定子磁链误差、电磁转矩误差和磁链所在扇区重新设计新型电压矢量开关表，进而在控制过程中通过从新型电压矢量开关表中选择合适的空间电压矢量来保证多电机系统同步快速响应运行。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

图1为多电机同步控制器的内部结构图，如图所示，控制器主要由同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块和开关电压矢量模块组成，其中同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块的信号输出端分别连接开关电压矢量模块的信号输入端，具体设计思路如下：

1）同步误差比较模块设计：

在同步控制系统中当电机的参数不同，或每台电机的负载不同，即使没有负载端的扰动也会出现电机间的同步误差。当这种误差超出所允许的数值时，必须采取措施减少误差达到所允许的范围。

将多台电机的转速进行比较，然后采用滞环比较器来调节，当同步误差被限制在一定的容差范围内输出为0；当同步误差超过了给定容差的上限值输出为1；当同步误差超过了给定容差的下限值输出为-1。

2）磁链比较模块设计：

磁链幅值是通过滞环比较器来调节的，滞环调节采用两点式调节。磁链幅值被限制在一定的容差范围内，当磁链幅值偏差大于设定的容差上限时，滞环状态置为0，选择适当的电压矢量来减小磁链幅值；当小于设定的容差下限时，滞环状态置为1。

3）转矩比较模块设计：

电动机的电磁转矩也是通过滞环比较器来进行控制的。当需要定子磁链矢量向前旋转时，将电磁转矩给定值                                                与反馈值进行比较，当时，滞环控制器输出为1，表示要求增大转矩，当时滞环控制器输出为0表示要维持当前转矩大小；当需要定子磁链矢量向后旋转时，当时，滞环控制器输出为-1，表示要求减小转矩，当时滞环控制器输出为0表示要维持当前转矩大小。

4）开关电压矢量模块设计：

开关电压矢量模块的功能是根据同步误差比较模块、磁链比较模块、转矩比较模块送进来的比较结果和当前磁链所在的扇区，从新型电压矢量开关表中选择下一控制周期所需要施加的空间电压矢量，如表1所示。

 

表1 新型电压矢量开关表

图2为基于新型电压矢量开关表的多电机同步控制系统示意图，从图2中可以看出整个控制系统中只用一个核心控制器，并且转速误差直接参与电压矢量的选择没有经过过多控制环节，进而有最快的响应速度。 图中：Δn、Δn*-同步误差；ni-电机转速；Tei*- 给定转矩，Tei-实际转矩；ψi*-给定磁链，ψi-实际磁链；θi-磁链扇区角（i=1,2,3）。

根据要控制的电机台数来确定控制器内部结构。以三台电机为例。控制这三台电机同步运行的控制器有十一个输入端和三个输出端。输入端为每台电机转矩误差共三个，每台电机的磁链误差共三个，每台电机的磁链扇区的夹角共三个，另有两个表示三台电机速度同步误差的输入端。输出为每台电机在下一个控制周期中所要施加的电压矢量。

步骤1. 检测电机电压和电流，在定子静止坐标系下估算电磁转矩，

步骤2. 检测电机电压和电流，在定子静止坐标系下估算定子磁链。根据定子电压方程，利用反电势积分法来估算定子磁链。定子磁链在轴和轴的分量为： ，估算定子磁链幅值为   。

步骤3. 扇区判断。将定子磁链、变换为如下形式

                                (8)

           

                                        (9)

  

设，根据P的值，查表2就可以确定磁链所在的扇区。

表2   P值与扇区对应关系表

步骤4. 利用速度传感器检测电机转速，比较电机间的速度同步误差。

步骤5. 将电磁转矩的给定值与估算值进行比较，将定子磁链给定值与估算值进行比较，将他们的误差值、电机间的同步误差和扇区判断的结果送往多电机同步控制器中。

步骤6. 采用三个滞环比较器来判断同步误差、磁链幅值偏差、转矩幅值偏的与给定容差范围的情况。按照以电机间的同步误差优先原则，即当电机间出现同步误差后首先对其同步误差进行调整，然后再按给定指令或各自的状态运行的原则，构造适合多电机同步控制的新型空间电压矢量表，见表1。

步骤7. 根据误差判断的结果，选择对应的电压矢量。从表1看出当Δn在容差范围内时，根据ΔT和ΔΨ可以判断出下一个控制周期所要施加的电压矢量。Δn超出容差范围的上限时对应表中的1，这是说明这台电机的速度已经超出其他电机的速度，这时候就要做同步调整，无论这个电机的ΔT如何都要减少转矩，来最快恢复与其它电机间的同步。Δn超出容差范围的下限时对应表中的-1，说明这台电机转速已经慢于其它电机，这时就必须要增大转矩。

步骤8. 根据步骤7. 查表1可得每台电机下一个控制周期施加的控制电压，将其直接送往逆变器实现多电机的同步控制。逆变器的数量要与电机数量相对应，即每台电机对应一台逆变器。