专利名称：一种防止母线电压过高的方法
技术领域：
本发明涉及电机技术，具体涉及一种交流电动机矢量控制系统中防止变频器直流母线电压泵升过高的方法。
图1示出的定子电流力矩分量指令和励磁电流分量指令都是同步旋转坐标系中的电流值，力矩电流分量指令是速度调节器的输出，而励磁电流分量指令与电机的空载电流以及弱磁控制有关，弱磁控制一般是根据检测的电机运行速度进行的。力矩电流和励磁电流的调节都在同步旋转坐标系中进行，两个电流调节器的输出即为定子电压矢量在同步旋转坐标系中两个坐标轴上的分量。电流调节器输出的两个电压指令分量经坐标变换后得到三相电压指令的瞬时值，这三个电压瞬时值就是PWM逆变器的输入指令。另一方面，检测到的三相电流值经过坐标变换得到电流在同步旋转坐标系中的两个电流反馈分量，这两个电流分量一方面作为电流闭环控制的反馈，一方面用于计算电机的定转子磁通，从而计算出坐标系的旋转角度，将之用于前述的坐标变换，还可以在无速度传感器的矢量控制中用来辨识电机的转速以形成转速的闭环控制。
在交流电动机的矢量控制系统中，在电机减速过程中的会出现变频器直流母线泵升电压过高，常采用的防止直流母线电压泵升过高的方法包括能耗制动、磁通制动和回馈制动几种方法。基于能耗制动方法的系统结构如图2所示，该方法在变频器的直流母线正负母线之间串联一个开关管(例如IGBT)和制动电阻，当检测到的母线电压到达设定的电压阈值时，控制开关管导通，使直流母线电压加在制动电阻两端，由制动电阻给直流母线放电从而达到避免直流母线电压泵升过高的目的。该方法由于增加了一个开关管和一个制动电阻，增加了成本和硬件系统的复杂性。
常规的另一种控制母线电压泵升过高的方法是电机的磁通制动，这种方法的思路是在电机减速过程中增加交流电机的磁通量，让一部分能量消耗在电机内部，从而消弱变频器直流母线电压的泵升。该方法在VVVF的变频控制系统中可以通过增加电机输入电压的方法增加电机磁通。在交流电动机的矢量控制系统中，定子电流的励磁分量代表电机的磁通，直接增加定子励磁电流分量，就可以使电动机的磁通增加。但是该方法由于将电机的旋转能量快速转化为热消耗在电机中，造成电机发热严重，在频繁启停的场合是不能采用的。
前面两种避免变频器泵升电压过高的方法都是在电机减速过程中将需要回馈到直流电容侧的能量消耗掉，或者消耗在直流侧制动电阻中，或消耗在电机中。还有一种防止泵升电压过高的方法是变频器的回馈制动，这种方法是在变频器中装有有源逆变装置，通过有源逆变器可以将电动机回馈到直流侧的有功能量回馈到电网侧。回馈制动方法最大优点是不用将电机减速过程中回馈的能量消耗掉，节约能源，但是由于增加了有源逆变器，硬件成本和硬件系统的复杂性大大增加，而且也使控制系统变得非常复杂，所以一般在大功率提升机械等的调速系统采用，一般小功率变频系统应用较少。
在通用变频器中，一般都有失速保护的功能，该功能的主要思路是在加减速过程中实时检测系统的电压和电流等参数，当检测到电压或电流变量超出设定范围时停止加速或减速。失速保护功能能有效地抑制变频器在减速过程中的泵升电压过高，在检测到变频器直流母线电压过高时停止减速，可以避免变频器直流母线电压继续上升。但是，过压失速在交流电动机的矢量控制系统中如何实现呢？在检测到直流母线电压过高后停止给定运行速度的降低，可能会发生母线电压控制不住而出现过压故障，或者会使系统的运行速度不稳定，使系统减速过程的速度曲线出现阶梯状，而且难以保证系统能在不出现过压前提下以最快的速度减速。
本发明要解决的技术问题是，如何在电动机的矢量控制系统中对直流母线电压进行控制，可以保证系统在不出现过压故障的前提下以最快的速度平稳减速，进而达到防止变频器直流母线电压泵升过高的目的。
本发明的上述技术问题是这样解决的，构造一种防止电机控制系统母线电压过高的方法，其特征在于，包括以下步骤检测直流母线电压，根据检测到的直流母线电压对变频器直流母线电压进行闭环控制。
在上述按照本发明提供的方法中，所述对变频器直流母线电压进行闭环控制包括根据电动机的运行方向决定是否对电压闭环的输出进行取反的步骤，当电动机正向运行时需要将电压闭环的输出进行反向操作，而电动机反向运行时电压闭环的输出无需进行取反操作。
在上述按照本发明提供的方法中，还包括以下步骤对电动机进行速度的闭环控制，将所述速度闭环控制的输出与所述变频器直流母线的闭环控制输出进行叠加，将叠加结果作为矢量控制系统定子电流力矩分量的指令值。
在上述按照本发明提供的方法中，还包括以下步骤检测电动机运行速度，当该运行速度的绝对值小于设定速度的绝对值，并且此时速度闭环输出的力矩电流指令有利于速度绝对值的增加，则进行速度调节，并将速度调节的控制输出与所述变频器直流母线的闭环控制输出进行叠加，将叠加结果作为矢量控制系统定子电流力矩分量的指令值。
在上述按照本发明提供的方法中，其特征在于，所述速度闭环控制器为PID控制器时，在将速度闭环切入系统时，必须保证PID的积分器为0，而切出系统时将上一拍速度环的输出加入到电压环的PID积分累加器上，以保证切换平滑。
在上述按照本发明提供的方法中，其特征在于，在减速开始和减速过程结束时，在将电压闭环切入系统时，必须保证PID的积分器为0，而切出系统时将上一拍速度环的输出加入到电压环的PID积分累加器上，以保证系统能够平滑切换。
在上述按照本发明提供的方法中，其特征在于，在减速过程执行以下步骤在检测直流母线电压值同时检测或辩识电机转速，根据检测到的直流母线电压进行电压闭环PI调节后，根据转速方向确定K1值并修正转速调节器的输出，根据反馈速度进行转速环PI调节，根据转速与速度环调节器的输出，判断取消转速环的条件是否成立，如果成立，则置转速环输出为0并保证平滑过渡；如果不成立或已经置转速环输出为0，则将电压环和转速环输出相加，得到力矩电流指令；在非减速过程执行以下步骤取消电压环调节并保证平滑过渡；进行转速闭环PI调节得到力矩电流指令。
实施本发明提供的防止电机控制系统母线电压过高的方法，能有效防止交流传动系统电机的减速过程中变频器直流母线出现过压故障，并在系统不出现过压的前提下使系统能够以最快的速度减速，同时减速过程平稳，电机的减速速度曲线不出现阶梯状，而在减速时间相对比较长时，保证减速过程中速度控制的准确性。
图2是变频调速系统能耗制动的系统结构图。
图3是按照本发明提供的采用变频器直流母线电压闭环调节矢量控制系统的力矩电流指令的产生框图。
图4是采用变频器闭环控制的矢量控制系统力矩电流指令计算流程图。
图5是采用本发明方法进行交流电动机控制，在速度给定为由50HZ阶跃减速信号时，系统中电机设定速度和运行速度的曲线。
图6是用本发明方法进行交流电动机控制，在速度给定缓慢下降时系统中电机设定速度和运行速度的曲线。
在交流电动机的矢量控制系统中，电动机运行在基频以下为恒磁通控制，此时定子电流励磁分量为电机的空载电流值，在电机基频以上为恒功率控制，此时定子励磁电流按弱磁控制规律变化，也就是说电机的励磁电流分量在一定的电机转速下一般是确定的，控制电机的力矩或转速是靠控制电机定子电流的力矩分量来实现的。本发明中控制变频器直流母线电压也是通过控制电机的定子电流力矩分量实现的。
根据以上思路，对矢量控制系统的力矩电流指令的产生部分加以调整，图3示出在基于本发明方法构造的系统中，生成力矩电流指令的结构框图。简单地讲，系统中定子电流力矩分量指令值是由速度环调节器输出与变频器母线电压闭环调节器输出相加得到的，而系统中在电压调节器后面增加一个力矩电流符号的判断处理K1(请检查说明书中的括号，建议删除)，同时，在速度调节器的输出后面增加一个开关K2，根据一定的条件决定速度环的取舍。下面将结合图3，详细介绍整个矢量控制系统的工作原理。
首先，直流母线电压闭环调节器的控制思路是检测母线直流电压(302)，在母线电压比较高甚至超过设定电压阈值时，需要使电机的减速或停机变慢，以电机反向运行为例，电机在减速过程中的力矩电流指令为正值，电机处于发电状态，如果这时母线电压泵升过高，母线电压调节器输出力矩电流分量必须使电机力矩电流变小，从而减小电机的正向力矩，电机的减速或停机变慢，电机通过逆变器向直流测回馈能量减少，保证了直流母线电压不会超过设定电压阈值。
在图3中，经过直流电压调节器301之后，有确定力矩电流符号的处理环节303，该环节相当于在电压调节器输出上乘系数K1，(K1＝1或-1)。以PID调节器作为母线电压调节器301为例，假设PID调节器的积分器初始值为0，当母线电压大于设定电压阈值时，电压环PID调节器输出为负，如果电机反向运行则PID调节器的输出值不需要改变符号，也就是K1＝1，如果电机正向运转则需要将电压环的输出反向，即K1＝-1，这样无论电机转向如何电压环输出都是减小力矩电流的绝对值，起到抑制母线电压进一步上升的目的。
应该指出的是，该母线电压的调节是通过削弱电机减速或停机的速度来避免变频器泵升电压过高的，这相当于通用变频器中的失速保护，该方法能自动保证系统在不使母线电压超过设定阈值的情况下以最快速度减速，达到一种最优的调节结果。
另一个重要的环节是速度调节器304输出后面的开关K2(306)。交流调速控制系统的控制目标是在保证不出故障的前提下保证良好的速度控制精度加上速度闭环(305)可以确保控制的稳定。但是电压环作用在不同的电机运行情况下可能使电机减速比预定的减速慢，也可能使电机减速比预定的快，这样电压环在某些情况下其控制作用与速度环的调节是不一致的，系统中的开关K2(306)就是调节这个矛盾的。
如果系统设定的减速时间非常短，以系统设定速度的给定信号为一个阶跃的减速信号为例，这种情况下系统中单独一个电压调节器就可以，系统只需要在保证母线电压不超过设定电压阈值的前提下尽快减速即可，不需要速度调节器304来调节速度，此时开关K2(306)是断开的，若设定速度不是阶跃信号，但是只要设定的减速时间比系统在保证母线电压不超过设定电压阈值情况下最快的减速时间短，开关K2就应该是打开的；如果系统设定的减速时间相对比较长，单独一个电压闭环调节器可能使电机的减速比设定的更快，造成速度控制不准确，这时需要将转速环切入系统，开关K2需要闭合。具体地讲，开关K2闭合的条件是当电机运行速度绝对值小于设定速度绝对值，并且此时速度闭环输出的力矩电流指令有利于速度绝对值的增加。之所以加入后面的条件由于电机在减速到零速附近时，电机转速出现反向或者仅仅是辨识和检测的速度出现反向，这种情况下单纯靠设定速度与反馈速度绝对值的大小决定开关K2的状态容易造成错误。
为保证系统正常的工作，还有一点非常重要在减速过程中电压环一直在控制系统中起作用，所以可以保证变频器母线电压不会超过设定阈值，但是速度闭环是在电机减速过快的情况下加入系统的，为保证速度闭环切入系统后能很快的起到应有的作用，速度调节器的输出限幅应比电压环的输出限幅大，速度调节器的增益比电压调节器的增益高，这样可以既发挥了电压环防止过压的作用，又保证速度控制的精度和控制稳定度。
另外，由于系统中转速调节器后面是一个开关，如果速度调节器和电压调节器应用PID调节器，则存在一个平滑过渡的问题，也就是说在开关K2断开时，速度调节器的输出从原来的值变为0，会造成系统速度运行不平稳。在数字控制系统中，如果在开关K2断开时将上一拍速度调节器的输出直接加入到电压环PID调节器的积分器中，这样可以非常简单的实现平滑过渡。另一方面，在减速过程结束后，母线电压的调节环路应该从系统中剔除，这里同样需要去除电压环的平滑过渡，将电压环PID调节器切出系统时上一拍的输出加入到转速环调节器中即可。当速度环和电压闭环切入系统之前，必须保证两个PID调节器的积分累加器初始值为0。
将上述电压闭环调节器输出与转速闭环调节器输出经过K1，K2处理后相加，作为矢量控制系统的力矩电流指令，通过力矩电流的闭环控制可以得到很好的控制效果。能够保证任何减速过程系统都不会出现减速过压故障，系统减速过程中速度运行平稳，在减速时间相对比较长的情况下速度控制准确。
在通用变频器中，一般用户可以选择电机停机制动的方法，包括选择能耗制动、磁通制动和本发明介绍的带有母线电压控制的减速停机方式，按照本发明提供的方法可以作为一种单独的方法，由用户根据系统的具体情况选择使用。下面介绍本发明介绍的方法在一种矢量控制通用变频器中的实现方式以及控制效果。
所涉及的矢量控制系统基本与图1的系统结构框图一致，速度反馈可以是码盘测速也可以是根据磁通模型辨识的速度，速度调节器采用PI调节器。力矩电流指令的产生如结构图3所示，电压调节器也采用PI调节器。按照本发明方法的母线电压的控制方法可全部由软件完成，系统的控制周期为2MS，两个PI调节器的积分累加器采用32位的双字结构以保证控制效果。图4是实现母线电压调节的控制流程图。如图4所示，开始于框401，在框402中，判断是否处于减速过程；如处于减速过程，则在框403中，在检测直流母线电压值同时检测或辩识电机转速；在框404中，根据检测到的直流母线电压进行电压闭环PI调节，在框405中，根据转速方向确定K1值并修正转速调节器的输出；在框406中，根据反馈速度进行转速环PI调节，在框407中，根据转速与速度环调节器的输出，判断取消转速环的条件是否成立，如果成立，则在框408中置转速环输出为0并保证平滑过渡；如果不成立或已经置转速环输出为0，则在框409中将电压环和转速环输出相加，得到力矩电流指令；如果在框402中判断出处于非减速过程，则在框410中，取消电压环调节并保证平滑过渡；在框411中进行转速闭环PI调节得到力矩电流指令，最后结束于框412。
为保证变频器直流母线电压控制的准确性，直流电压检测的采样频率越高，控制的母线电压越平稳。图5是在减速信号为阶跃信号时，15KW电机设定速度与运行速度的曲线，图6是在减速时间比较长时(T＝20S)，15KW电机设定速度与运行速度的曲线。从控制结果来看，在设定减速时间非常短时，该方法可以保证母线电压控制在设定电压阈值附近而不会出现过压故障，而设定减速时间相对比较长时，该方法的速度控制精度是非常准确的，不会由于电压环的加入影响了速度闭环的控制。
需要指出，该方法也可以与其他的减速制动方法结合使用。如果在矢量控制系统中，减速过程中适当提高系统的励磁电流，就实现了将磁通制动与该母线电压调节方法的混合使用；或者在减速到某一设定频率时，系统输出直流电压，则可以实现停机的直流制动。在本发明方法实施例的产品中，可以将多种制动方法结合在一起，以满足用户多方面需求。
在基于本发明方法的交流矢量控制系统中，将变频器直流母线电压进行闭环控制，闭环调节器的输出作为矢量控制系统力矩指令的一部分，通过调节系统减速过程速度下降的快慢，保证系统减速过程不出现直流母线过压故障。在交流矢量控制系统的减速过程中，变频器直流母线电压闭环调节器的输出与系统速度调节器的输出之和作为矢量控制系统定子电流力矩分量的指令值，两个调节器共同调节系统的力矩输出。电压闭环用来保证减速过程不出现直流过压，速度闭环用来保证速度控制准确。其中，直流母线的电压闭环在整个减速过程中一直在系统中起作用，而速度调节器则根据一定的判断条件决定其取舍。减速过程中系统加入速度调节器的条件为电动机运行速度的绝对值小于设定速度的绝对值，并且此时速度闭环输出的力矩电流指令有利于速度绝对值的增加。变频器直流母线电压调节器的输出在电机的正向与反向运行情况下对系统的减速效果不同，系统必须根据电动机的运行方向决定是否对电压闭环的输出进行取反。即，当电动机正向运行时需要将电压闭环的输出取反，而电动机反向运行时电压闭环的输出不需要取反。
由于系统减速过程中，速度闭环可能多次切入与切出控制系统，所以必须保证速度环切入和切出系统时的平滑过渡。对闭环控制器为PID控制器的系统来讲，速度闭环切入系统时必须保证PID的积分器为0，而切出系统时将上一拍速度环的输出加入到电压环的PID积分累加器上。同样，在减速开始和减速过程结束时，电压闭环调节器切入切出系统也需要平滑切换。
权利要求
1.一种防止母线电压过高的方法，其特征在于，包括以下步骤检测直流母线电压，根据检测到的直流母线电压对变频器直流母线电压进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对变频器直流母线电压进行闭环控制包括根据电动机的运行方向决定是否对电压闭环的输出进行取反的步骤，当电动机正向运行时需要将电压闭环的输出进行反向操作，而电动机反向运行时电压闭环的输出无需进行取反操作。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括以下步骤对电动机进行速度的闭环控制，将所述速度闭环控制的输出与所述变频器直流母线的闭环控制输出进行叠加，将叠加结果作为矢量控制系统定子电流力矩分量的指令值。
4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，还包括以下步骤检测电动机运行速度，当该运行速度的绝对值小于设定速度的绝对值，并且此时速度闭环输出的力矩电流指令有利于速度绝对值的增加，则进行速度调节，并将速度调节的控制输出与所述变频器直流母线的闭环控制输出进行叠加，将叠加结果作为矢量控制系统定子电流力矩分量的指令值。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述速度闭环控制器为PID控制器时，在将速度闭环切入系统时，必须保证PID的积分器为0，而切出系统时将上一拍速度环的输出加入到电压环的PID积分累加器上，以保证切换平滑。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，在减速开始和减速过程结束时，在将电压闭环切入系统时，必须保证PID的积分器为0，而切出系统时将上一拍速度环的输出加入到电压环的PID积分累加器上，以保证系统能够平滑切换。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在减速过程执行以下步骤在检测直流母线电压值同时检测或辩识电机转速，根据检测到的直流母线电压进行电压闭环PI调节后，根据转速方向确定K1值并修正转速调节器的输出，根据反馈速度进行转速环PI调节，根据转速与速度环调节器的输出，判断取消转速环的条件是否成立，如果成立，则置转速环输出为0并保证平滑过渡；如果不成立或已经置转速环输出为0，则将电压环和转速环输出相加，得到力矩电流指令；在非减速过程执行以下步骤取消电压环调节并保证平滑过渡；进行转速闭环PI调节得到力矩电流指令。
全文摘要
本发明涉及电机技术,具体涉及一种交流电动机矢量控制系统中防止变频器直流母线电压升高的方法,是通过以下步骤实现的:检测直流母线电压,根据检测到的直流母线电压对变频器直流母线电压进行闭环控制,其中,对变频器直流母线电压进行闭环控制包括:根据电动机的运行方向决定是否对电压闭环的输出进行取反的步骤,当电动机正向运行时需要将电压闭环的输出进行反向操作,而电动机反向运行时电压闭环的输出无需进行取反操作。这种方法能有效防止电机减速过程中变频器直流母线出现过压故障,并在不出现过压前提下使系统快速平稳减速,且电机的减速速度曲线不出现阶梯状,而在减速时间相对比较长时,保证减速过程中速度控制的准确性。
文档编号H02P21/00GK1354556SQ01130040
公开日2002年6月19日 申请日期2001年11月28日 优先权日2001年11月28日
发明者李俊田, 刘宏鑫, 裔杰 申请人:深圳安圣电气有限公司