过压失速抑制参数自适应、失速损耗时间自补偿的方法与流程

本发明涉及一种过压失速抑制参数自适应、失速损耗时间自补偿的方法，属于电机控制领域。

背景技术：

目前主流的变频器多采用电压型脉宽调制(pwm)方式实现变压变频控制。其基本构成由三相整流器、三相电压型pwm逆变器和直流储能电容组成。该模式为单向功率流，只可整流，无法能量回馈。在成本与结构控制下，变频器母线上的电容在满足功率要求情况下，不能设计的很大。当控制电机减速时，系统处于发电状态，造成母线电压泵升，母线电压控制为大惯性环节，存在滞后情况，故极易造成超调，导致变频器报过压故障。

交流电动机调速系统分两大类：标量控制系统与高性能控制系统。标量控制系统主要采用电压-频率控制(v/f控制)，是按电动机稳态关系进行控制的开环系统。该控制方法不需要准确的电机参数，单台变频可带载多台电机，实现简单，性能也能够满足一般的调速要求，应用最为广泛。但正由于v/f控制算法是开环系统，无法实现电机内部状态参数精确控制，也无法实现对母线电压精确控制，一直以来v/f模式如何更好的进行过压失速抑制是变频驱动器研发与应用的难点。

在一些减速较快及电动机和负载转动惯量较大的场合(如风机传动)，送到直流母线的能量不能全部被吸收或馈回电网，则母线电压升到过电压保护动作值，导致停机。为保持生产的连续性，许多现场希望避免这种事故停机发生，不得不额外加装制动电阻用来做能量泄放。但这样会导致用户使用成本上升，后期维护麻烦。另在一些空间受限和裸露的场合，因防潮、防尘、防水等需求，实际无法有效安装制动电阻。

目前低压变频器中对过压失速抑制方法主要有如下两种。一是通过改变减速时间来改变频率变化量，降低母线电压泵升斜率。二是实现某种过压抑制，依据电机功率及场合不同，调整过压失速参数，在母线电压超过保护点后动作，这种方法参数适应性较差。且这两种方法主要都通过延长实际减速时间来避免变频器过压停机，但其对因过压失速抑制额外增加的减速时间并无补偿，一定程度上降低了使用效果。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种过压失速抑制参数自适应、失速损耗时间自补偿的方法。

本发明包含依据母线电压实时调整减速输出频率的步长控制单元；该系统还包含rfg控制单元、增益自适应控制单元、母线电压控制单元、电流控制单元和失速损耗自补偿单元，本发明自补偿的方法包括如下步骤：

1)其中所述rfg控制单元，比较设定的目标频率f^*与输出同步频率fs，更新变频器当前状态，并依据设定的减速时间计算减速参考步长

2)所述增益自适应控制单元依据rfg状态指示，对失速限定电压ud.max和减速参考步长进行预处理，计算获得参考失速增益系数kdec；

3)所述母线电压控制单元，采样直流母线电压ud，并与失速限定电压ud.max一起输入电压调节器，生成减速参考制动转矩

4)所述电流控制单元，先采样电机两相电流iu和iv，并将同步频率fs转换为定子电压矢量角θu，再通过电流坐标转换获得当前反馈的励磁分量im与转矩分量it，将与it输入电流调节器，结合kdec生成减速瞬时步长sdec；

5)所述失速损耗自补偿单元，当系统为减速状态时，累计减速参考步长与减速瞬时步长sdec的差值，当母线电压低于ud.max*0.95时，计算获取失速损耗补偿步长

6)所述步长控制单元将减速瞬时步长sdec与失速损耗补偿步长合成，与上一节拍(步骤l中所述过程)同步输出频率作用，计算出最新同步输出频率fs。

本发明中的rfg控制单元，作用在给定回路，用于限定给定信号的变化率。本发明包含rfg状态指示单元与减速步长计算单元；其中状态指示单元比较目标频率f^*与输出同步频率fs的差值关系，更新系统状态(加速、减速、恒速)；减速步长计算单元采用变频器最大频率fmax与减速时间tdec计算得出减速参考步长

所述增益自适应控制单元，用来计算获取失速增益系数kdec，其依据原理为，当变频器输出频率以一固定步长量递减时，单位时间内母线电压增量δu与该步长成一定关系。本单元依据rfg控制单元结果和失速限定电压ud.max，处理计算出一个增益系数kdec。

所述母线电压控制单元，包含母线电压采样子单元与母线电压调节子单元，其中：母线电压采样子单元，采样当前直流母线电压ud；母线电压调节器单元，依据当前母线电压ud与过压失速限定电压ud.max进行调节，采用pid调节器控制，输出结果为减速参考制动转矩

所述电流控制单元，包含相电流采样子单元、定子电压矢量角计算子单元和坐标转换计算子单元及电流调节子单元；其中：相电流采样子单元，采样电机两相电流iu和iv；定子电压矢量角计算单元，根据系统当前输出同步频率fs，计算当前定子电压矢量角θu，其中θu＝∫2πfsdt；坐标转换计算单元：依据采样的两相电流iu和iv，及电压矢量角θu，采用坐标变换计算出当前反馈的励磁分量im与转矩分量it：

电流调节子单元，采用比例算法，基于减速参考制动转矩与反馈转矩分量it之间的差值δit，再将δit与失速增益系数kdec进行计算获得减速步长sdec；其中电流调节器输出限定范围为

所述失速损耗自补偿单元，包含失速损耗累加子单元和失速损耗补偿子单元；其中：失速损耗累加子单元，计算减速参考步长与减速瞬时步长sdec的差值，累加到损耗总和adec；失速损耗补偿子单元，当检测母线电压低于ud.max*0.95时，如果损耗累计量adec＞0，则计算获得损耗补偿值

所述步长控制单元，计算减速瞬时步长sdec与损耗补偿步长的合成值，通过该值计算获取最新的同步频率fs。

本发明的具体实现步骤为：

(a)获取变频器当前加减速状态，计算减速参考步长

(b)依据失速限定电压ud.max、当前电压ud、减速参考步长自适应计算获取失速增益系数kdec；

(c)采样母线电压ud，并计算该电压与失速限定电压ud.max之间差值，输入电压调节器aur进行pid调节计算，输出瞬时减速参考制动转矩

(d)采样电机两相电流iu和iv，并依据同步频率fs计算定子电压矢量角θu，将所述采样电流与矢量角输入坐标转换关系，计算获取反馈制动转矩it，将失速增益系数kdec、减速参考制动转矩与反馈制动转矩it输入电流调节器acr进行调节计算，输出减速瞬时步长sdec；

(e)计算减速参考步长与减速瞬时步长sdec差值，将此差值累加为adec；判断当前母线电压范围，计算得出失速补偿步长并从损耗累计值中减去补偿步长；

(f)根据减速瞬时步长sdec、失速补偿步长计算更新同步输出频率fs，实现母线电压控制；

所述步骤(b)包含：

(b1)判断当前rfg状态，若为减速状态，直接执行步骤(c)；

(b2)计算失速限定电压ud.max与当前母线电压ud的差值δu；

(b3)依据电压差值δu与减速参考步长计算失速增益系数：

所述步骤(c)包含：

(c1)更新变频器采样母线电压ud；

(c2)计算采样母线电压ud与失速限定电压ud.max之间差值，输入电压调节器aur进行pid运算；aur调节器输出值为瞬时减速参考制动转矩该转矩限定范围为变频器制动电流参数设定，一般默认为电机额定转矩的150％。

所述步骤(d)包含：

(d1)变频器采样电机两相电流iu和iv；

(d2)根据变频器当前输出同步频率fs，计算当前定子电压矢量角θu，其中θu＝∫2πfsdt；

(d3)通过电流坐标变换，将静止坐标系转换为旋转坐标系，计算得出励磁分量im与转矩分量it：

(d4)计算参考制动转矩与反馈制动转矩it之间的差值，并输入电流调节器acr进行比例运算，调节器输出值为减速瞬时步长sdec；调节器输出上下限范围受减速参考步长约束，限定范围为

所述步骤(e)包含：

(e1)计算减速参考步长与减速瞬时步长sdec的差值，将该差值通过累加器累加，累计值adec是失速损耗步长总和；

(e2)进行补偿判断，如果条件成立，则计算获取失速补偿步长不成立，补偿值

(e3)判断失速损耗补偿从损耗累adec中减去失速损耗补偿值

本发明所述的过压失速自适应及自补偿系统中，运算周期分为高、低两种；其中高周期每0.00025秒调用一次；低周期每0.002秒执行一次；所述步骤(c1)、(d1)、(d2)在高周期中调用，其余步骤全部在低周期中调用。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过失速限压点与减速之间的电压差，自适应计算出一个失速增益系数；同时采用串级双环调节器，前级母线电压调节器输出的参考制动转矩作为后级电流调节器的参考输入，实现了母线电压-制动转矩-同步频率的有效控制，具有适应性强的特点。

附图说明

图1是本发明变频器过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿方法的结构示意图。

图2是本发明过压失速抑制参数自适应中对失速增益系数计算示意图。

图3是本发明过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿方法第一实施例的示意图。

图4是本发明过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿方法的第二实施例的流程图。

图5是采用本发明的过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿第一实例实测效果图。

图6是采用本发明的过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿第二实例实测效果图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图6，本发明一种过压失速抑制参数自适应、失速损耗时间自补偿的方法，本发明的硬件部分包括rfg控制单元11、增益自适应控制单元12、母线电压控制单元13、电流控制单元14、损耗自补偿单元15及步长控制单元16，各单元通过变频器控制软件实现，各部件的功能和用途将将结合实例予以详细阐述。

rfg控制单元11用于获取变频器当前状态，具体实现方法是通过比较给定目标频率与当前输出同步频率的大小，计算方法：正向输出(f^*≥0，fs≥0)时，当fs＜f^*时，为加速状态；当fs＞f^*时，为减速状态；当fs＝f^*时，为恒速状态；反向输出(f^*≤0，fs≤0)

时，当fs＜f^*时，为减速状态；当fs＞f^*时，为加速状态；当fs＝f^*时，为恒速状态；

采用变频器最大频率fmax与减速时间tdec计算减速参考步长，考虑到计算精度，将最大频率左移15位，计算方法为：

增益自适应控制单元12用于计算获取失速增益系数kdec。如图2所示，依据的原理为：当变频器处于恒速或加速状态时，处于电动状态，向负载侧输出能量，此时母线电压不会升高，记录该状态下母线电压ud；当变频器减速时，电机处于发电状态，母线电压抬升。对于间隔时间内电压变化值，可认为与减速步长近似成一定比例关系；由上述可知，进入减速状态前的电压越高，失速增益系数越小；反之，失速增益系数较大，实现较快减速。

如图3所示，是本发明变频器过压失速抑制参数自适应、损耗自补偿方法第一实施例的示意图。该方法包括以下步骤：

步骤300：获取变频器当前rfg状态及计算减速参考步长所述rfg状态可依据目标频率f^*与当前同步频率fs大小关系计算；减速参考步长由变频器输出最大频率fmax与给定减速时间tdec计算获得：

步骤301：计算获取失速增益系数kdec。由减速前母线电压ud、失速限定电压ud.max、减速参考步长计算：

步骤302：采样获取当前母线电压ud；同时采样电机相电流iu和iv，并依据当前输出同步频率fs计算求取定子电压矢量角θu，随后使用该矢量角对相电流进行坐标变换，计算获取当前电流反馈的励磁分量im与转矩分量it。

步骤303：将采样的母线电压ud与失速限定电压ud.max输入电压控制单元，进行pid运算，计算求取减速参考制动转矩

步骤304：计算减速参考制动转矩与实际反馈转矩分量it之间的差值，结合失速增益系数kdec计算获得减速瞬时步长sdec。

步骤305：对过压失速损耗进行处理。计算减速参考步长与减速瞬时步长sdec的差值，将结果进行累加计入失速总损耗adec；判断当前母线电压ud是否小于失速限定电压ud.max*0.95。当条件成立时，计算求得一个失速损耗补偿步长并从adec减去该损耗补偿步长

步骤306：计算减速瞬时步长sdec与损耗补偿步长的最终合成值，并使用该值计算求取最新同步输出频率fs。

在上述方法中步骤303放入高调度周期中，每0.00025秒调用一次，其余步骤在低调度周期中，每0.002秒执行一次。

图4是根据本发明所述方法的第二实施例示意图。本发明的方法从步骤400开始。首先，在高调度周期执行如下步骤：

步骤410，母线电压采样电路进行采样处理，获取当前母线电压ud；同时在步骤411，相电流采样电路对电流进行采样获得iu和iv；随后，在步骤412，使用当前同步频率fs计算获取定子电压矢量角θu；在步骤413进行坐标转换，由静止坐标系变换到旋转坐标系，获取励磁分量im与转矩分量it：

在低周期循环中执行如下步骤：

首先，在步骤420，变频器比较参考频率f^*与同步频率fs关系，计算出当前状态(加速、减速和恒速)，并使用最大频率fmax与减速时间tdec这2个给定量，计算获取减速参考步长在步骤421判断系统是否为减速状态，条件成立，进入步骤422，否则进入步骤430；

步骤430，此时系统处于加速或恒速状态，电机为电动状态，记录下此时母线电压ud；

步骤431，依据记录的电压ud、失速限定电压ud.max、减速参考步长用计算获取预测的失速增益参数kdec；步骤432，非失速控制模式，将母线电压pid控制器清零复位；步骤433，失速损耗补偿单元此时不工作，相关变量清零复位adec＝0。

步骤422，从本步骤开始，进入失速控制状态，将当前母线电压ud设为pid给定量，失速限定电压ud.max为反馈量，依照pid控制算法，计算出减速参考制动转矩之后，在步骤423，计算参考制动转矩与反馈制动转矩it的差值δit；步骤424，依据失速增益系数kdec与转矩差值δit计算出减速瞬时步长sdec；步骤425开始，进入损耗补偿处理，首先计算减速参考与瞬时步长sdec之间的差值；之后，在步骤426，将步长差值累加，获取失速总损耗adec；步骤427，判断当前母线电压ud是否小于失速限定电压ud.max*0.95，且失速总损耗累计值adec＞0，若条件成立，进入步骤428，计算当前损耗补偿步长值并从总损耗中减去该补偿值；否则，损耗补偿为零直接进入步骤429；在步骤429，将减速瞬时步长sdec与损耗补偿步长合成，计算步长合成新值，以此计算更新同步频率fs。执行完以上步骤，结束本周期失速控制运行，下一次从步骤400重新开始执行。

图5时采用本发明的过压失速抑制参数自适应及损耗自补偿的方法，第一实例中实际测得的曲线图。测试变频器功率为30kw带载30kw电机，负载为大惯性，设置减速时间为0.1秒，减速过程中对过压抑制参数自计算与补偿后，实际减速时间为22.6秒。其中图5中，横轴表示时间，纵轴表示电压。

图6时采用本发明的过压失速抑制参数自适应及损耗自补偿的方法，第二实例中实际测得的曲线图。测试变频器连接200kw电机，带大惯性负载，设置减速时间为2.0秒，减速过程中对过压抑制参数自计算与补偿后，实际减速时间为24.0秒。其中图6中，横轴表示时间，纵轴表示电压。

从上述第一、第二实施例测得的图形上看，减速时候母线电压得到了有效的抑制，整个减速过程中电流平稳，母线电压未超过故障报警点。

本发明给出的方法，实现了过压失速抑制系数的自适应计算；同时采用串级双环调节器，前级母线电压调节器输出的参考制动转矩作为后级电流调节器的参考输入，实现了母线电压-制动转矩-同步频率的有效控制，具有适应性强的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。