RU2141719C1 - Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor - Google Patents
Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2141719C1 RU2141719C1 RU98105585A RU98105585A RU2141719C1 RU 2141719 C1 RU2141719 C1 RU 2141719C1 RU 98105585 A RU98105585 A RU 98105585A RU 98105585 A RU98105585 A RU 98105585A RU 2141719 C1 RU2141719 C1 RU 2141719C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- inputs
- rotor
- speed
- current
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока и может быть использовано для регулирования момента, скорости и углового перемещения рабочих органов машин и механизмов, в том числе для глубинных погружных электронасосов при добыче нефти, в подводных аппаратах, в атомных реакторах, в электромобилях, электрошпинделях станков и специальных роботах, в бортовой автоматике и специальных следящих системах. The invention relates to electrical engineering, in particular to controlled AC electric drives and can be used to control the moment, speed and angular movement of the working bodies of machines and mechanisms, including for deep submersible electric pumps in oil production, in underwater vehicles, in nuclear reactors, electric vehicles, machine spindles and special robots, on-board automation and special tracking systems.
Цель изобретения - повышение устойчивости, диапазона и точности регулирования момента и скорости электродвигателя без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем. The purpose of the invention is to increase the stability, range and accuracy of regulation of the moment and speed of the electric motor without sensors structurally associated with the electric motor.
Известен способ векторного управления электродвигателем, при котором питают электродвигатель m-фазным током и от m-фазного инвертора, измеряют действительные фазные токи, регулируют фазу, частоту и амплитуду фазных токов путем переключения силовых ключей m-фазного инвертора, в зависимости от рассогласования заданных и измеренных токов, при этом заданные фазные токи формируют в виде двух ортогональных составляющих вектора тока относительно сигнала развертки, характеризующего заданную фазу синхронизации, а фазы фазных токов сдвигают относительно фазы синхронизации на угол, пропорциональный отношению указанных ортогональных составляющих вектора тока [1]. There is a method of vector control of an electric motor, in which the electric motor is supplied with an m-phase current and from an m-phase inverter, the actual phase currents are measured, the phase, frequency and amplitude of the phase currents are regulated by switching the power switches of the m-phase inverter, depending on the mismatch between the set and measured currents, while the given phase currents are formed in the form of two orthogonal components of the current vector relative to the scan signal characterizing the given synchronization phase, and the phases of the phase currents are shifted from ositelno synchronization phase by an angle proportional to the ratio of said orthogonal components of the current vector [1].
Электропривод для осуществления этого способа содержит последовательно соединенные m-фазный инвертор, m-фазный датчик тока и m-фазный электродвигатель, при этом управляющие входы m-фазного инвертора через устройства управления ключами, m-фазного широтно-импульсного модулятора и m-фазного регулятора тока подключены к выходам преобразователя декартовых координат [1]. The electric drive for implementing this method comprises a m-phase inverter, an m-phase current sensor and an m-phase electric motor in series, while the control inputs of the m-phase inverter are through key management devices, an m-phase pulse-width modulator and an m-phase current controller connected to the outputs of the Cartesian coordinate transducer [1].
Недостатками этого технического решения являются неустойчивость движения ротора, малый диапазон и низкая точность регулирования момента и скорости электродвигателя без датчика, конструктивно связанного с электродвигателем, что вызвано неопределенностью ориентации координат вектора тока и несоответствие фазы синхронизации временного вектора тока, задаваемой на входе преобразователя декартовых координат, начальному и текущему углу пространственного вектора потокосцепления ротора электродвигателя относительно неподвижной геометрической оси статора. The disadvantages of this technical solution are the instability of the rotor movement, the small range and low accuracy of regulating the moment and speed of the electric motor without a sensor structurally associated with the electric motor, which is caused by the uncertainty of the orientation of the coordinates of the current vector and the mismatch of the synchronization phase of the temporary current vector specified at the input of the Cartesian coordinate converter to the initial and the current angle of the spatial vector of the flux linkage of the rotor of the electric motor relative to the stationary geometrical stator axis.
Наиболее близким к предлагаемому является способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе [2], согласно которому питают статорные обмотки электродвигателя фазными токами, равными разности двух раздельно регулируемых периодических токов статора - косинусоидального (синфазного) и синусоидального (ортофазного) токов статора, изменяемых в функции фазы синхронизации φs, характеризующей пространственный угол текущего углового положения продольной магнитной оси постоянных магнитов на роторе, относительно оси α статора, для чего измеряют двухфазный ток статора isα,isβ, по величинам которого в зависимости от синусной и косинусной функций фазы синхронизации φs вычисляют измеренные величины амплитуд ортофазного и синфазного токов статора, в зависимости от которых амплитуду ортофазного тока регулируют пропорционально заданной величине момента электродвигателя, а амплитуду синфазного тока регулируют на нулевом уровне в основной зоне регулирования скорости до граничной скорости и увеличивают с ростом скорости выше граничной скорости [2].Closest to the proposed method is a vector control of a synchronous permanent magnet motor on the rotor [2], according to which the stator windings of the electric motor are supplied with phase currents equal to the difference of two separately regulated periodic stator currents - cosine (in-phase) and sinusoidal (orthophase) stator currents, variable a clock phase φ s function characterizing the spatial angle of the current angular position of the longitudinal magnetic axis of the permanent magnets on the rotor, of in relative axis α of the stator, which is measured two-phase stator current i sα, i sβ, according to the values which according to the sine and cosine functions of the clock phase φ s is calculated measured values of the amplitudes ortofaznogo and phase stator currents, depending on which amplitude ortofaznogo current is adjusted proportionally a predetermined value of the electric motor moment, and the common-mode current amplitude is regulated at a zero level in the main speed control zone to the boundary speed and increases with increasing speed above the boundary velocity grow [2].
Электропривод для осуществления способа векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе, содержит инвертор, через датчик фазного тока, подключенный к статорным обмоткам синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе, управляющие входы инвертора через блок формирования импульсов и блок ШИМ-регуляторов фазных токов подключен к выходам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат, входы которого соединены с выходами прямого преобразователя декартовых координат, подключенного двумя первыми входами к выходам регуляторов ортофазного и синфазного токов, входы обратных связей которых соединены с выходами обратного преобразователя декартовых координат, двумя первыми входами подключенного через обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат к датчикам фазного тока, выходы которых подключены также ко входам блока ШИМ-регуляторов фазных токов, два других входа прямого и обратного преобразователей декартовых координат соответственно объединены и образуют синусный и косинусный входы преобразователей декартовых координат, при этом управляющие входы регуляторов синфазного и ортофазного токов подключены через блок управления вектором тока к выходу регулятора скорости [2]. The electric drive for implementing the vector control method for a synchronous permanent magnet motor on the rotor comprises an inverter through a phase current sensor connected to the stator windings of the synchronous permanent magnet motor on the rotor, the control inputs of the inverter through a pulse generation unit and a block of PWM phase current regulators are connected to the outputs of the direct converter of two-phase-three-phase coordinates, the inputs of which are connected to the outputs of the direct converter of Cartesian coordinates, connected by the first two inputs to the outputs of the orthophase and common mode current regulators, the feedback inputs of which are connected to the outputs of the inverse Cartesian coordinate converter, the two first inputs connected through the inverse of the two-phase-three-phase coordinates to phase current sensors, the outputs of which are also connected to the inputs of the PWM controller block phase currents, the other two inputs of the forward and reverse transducers of the Cartesian coordinates, respectively, are combined and form the sine and cosine inputs of the transform cartesian coordinates, while the control inputs of the in-phase and orthophase current regulators are connected through the current vector control unit to the output of the speed controller [2].
Недостатком этого технического решения являются неустойчивость движения ротора, малый диапазон и низкая точность регулирования момента и скорости электродвигателя без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем, что вызвано применением способа ориентации декартовых координат регулирования тока по угловой ориентации нулевых меток и сигналов датчиков на статоре и роторе электродвигателя. The disadvantage of this technical solution is the instability of the rotor movement, the small range and low accuracy of regulating the moment and speed of the electric motor without sensors structurally associated with the electric motor, which is caused by the use of the method of orientation of the Cartesian coordinates of current regulation by the angular orientation of zero marks and sensor signals on the stator and rotor of the electric motor.
Указанный недостаток существенно снижает эффективность и ограничивает область применения синхронных электродвигателей с постоянными магнитами на роторе, так как в химически активных, жидкостных радиоактивных средах и в мобильных агрегатах часто оказывается невозможным или малоэффективным применение датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем, в том числе в глубинных погружных электронасосах для добычи нефти, в подводных аппаратах, в атомных реакторах, в электромобилях, электрошпинделях станков и специальных роботах, в бортовой автоматике и специальных следящих системах. Исключение датчика углового положения ротора из состава электропривода в таких машинах и механизмах приводит к неуправляемости взаимной ориентацией векторов тока и магнитного потока, выпадению из синхронизма, остановам электродвигателя, колебаниям момента и скорости и снижению диапазона регулирования, особенно при широких изменениях нагрузки. This drawback significantly reduces the efficiency and limits the scope of application of permanent magnet synchronous motors on the rotor, since in chemically active, liquid radioactive media and in mobile units it is often impossible or inefficient to use sensors structurally coupled to an electric motor, including deep-well submersible electric pumps for oil production, in underwater vehicles, in nuclear reactors, in electric vehicles, machine spindles and special robots, in large Automation and special tracking systems. The exclusion of the rotor angular position sensor from the electric drive in such machines and mechanisms leads to uncontrollability by the mutual orientation of the current and magnetic flux vectors, loss of synchronism, motor shutdowns, torque and speed fluctuations, and a decrease in the control range, especially with wide load changes.
Целью изобретения является исключение этого недостатка, а именно, повышение устойчивости, диапазона и точности регулирования момента и скорости электродвигателя без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем. The aim of the invention is to eliminate this drawback, namely, increasing the stability, range and accuracy of regulation of the moment and speed of the electric motor without sensors structurally associated with the electric motor.
Для этого в способе векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе, согласно которому питают статорные обмотки электродвигателя фазными токами, равными разности двух раздельно регулируемых периодических токов статора - косинусоидального (синфазного) и синусоидального (ортофазного) токов статора, изменяемых в функции фазы синхронизации φs характеризующей пространственный угол текущего углового положения продольной магнитной оси постоянных магнитов на роторе относительно оси α статора, для чего измеряют двухфазный ток статора isα,isβ, по величинам которого в зависимости от синусной и косинусной функций фазы синхронизации φs вычисляют измеренные величины амплитуд ортофазного и синфазного токов статора, в зависимости от которых амплитуду ортофазного тока регулируют пропорционально заданной величине момента электродвигателя, а амплитуду синфазного тока регулируют на нулевом уровне в основной зоне регулирования скорости граничной скорости и увеличивают с ростом скорости выше граничной скорости, дополнительно регулируют фазу тока статора, равную фазе синхронизации φs, в зависимости от величины напряжения статора, для чего измеряют двухфазное напряжение статора usα,usβ,usβ затем по измеренным величинам двухфазного напряжения статора usα,usβ,usβ и двухфазного тока статора isα,isβ изменяют фазу ортофазного тока статора по закону
sinφs= ∫(usβ-Rsisβ)dt-Lsisβ,
а фазу синфазного тока статора изменяют по закону
cosφs= ∫(usα-Rsisα)dt-Lsisα,
где Rs - активное сопротивление фазной обмотки статора, Ls - индуктивность статора электродвигателя, причем текущую величину скорости ротора вычисляют по измеренным величинам двухфазного напряжения статора и двухфазного тока статора в виде производной фазы синхронизации φs и регулируют скорость ротора в зависимости от вычисленной текущей величины скорости путем изменения заданной величины момента электродвигателя пропорционально рассогласованию вычисленной текущей величины скорости с заданной величиной скорости, которая может изменяться в зависимости от рассогласования величины пропорциональной фазе синхронизации и заданной величины углового положения ротора.To do this, in the vector control method of a permanent magnet synchronous electric motor on the rotor, according to which the stator windings of the electric motor are supplied with phase currents equal to the difference of two separately adjustable periodic stator currents - cosine (in-phase) and sinusoidal (orthophase) stator currents, changed as a function of the synchronization phase φ s characterizing the spatial angle of the current angular position of the longitudinal magnetic axis of the permanent magnets on the rotor relative to the axis α of the stator, for which measure the two-phase stator current i sα , i sβ , according to the values of which, depending on the sine and cosine functions of the synchronization phase φ s, the measured values of the amplitudes of the orthophase and in-phase stator currents are calculated, depending on which the amplitude of the orthophase current is regulated in proportion to the set value of the motor moment, and the amplitude common-mode current is regulated at zero level in the main zone for controlling the speed of the boundary speed and increase with increasing speed above the boundary speed, the phases are additionally regulated stator current equal to the synchronization phase φ s, depending on the stator voltage magnitude, which is measured two-phase stator voltage u sα, u sβ, u sβ then the measured values of the two-phase stator voltage u sα, u sβ, u sβ and the two-phase stator current i sα , i sβ change the phase of the orthophase current of the stator according to the law
sinφ s = ∫ (u sβ -R s i sβ ) dt-L s i sβ ,
and the phase of the common-mode current of the stator is changed according to the law
cosφ s = ∫ (u sα -R s i sα ) dt-L s i sα ,
where R s is the active resistance of the stator phase winding, L s is the stator inductance of the electric motor, and the current value of the rotor speed is calculated from the measured values of the biphasic stator voltage and biphasic stator current as a derivative of the synchronization phase φ s and the rotor speed is regulated depending on the calculated current value speed by changing the set value of the moment of the electric motor in proportion to the mismatch of the calculated current value of speed with a given value of speed, which can measure nyatsya based on the error value proportional to the phase synchronization and a predetermined value of the angular position of the rotor.
В электроприводе для осуществления способа векторного управления, содержащем инвертор, через датчики фазного тока подключенный к статорным обмоткам синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе, управляющие входы инвертора через блок формирования импульсов и блок ШИМ-регуляторов фазных токов подключен к выходам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат, входы которого соединены с выходами прямого преобразователя декартовых координат, подключенного двумя первыми входами к выходам регуляторов ортофазного и синфазного токов, входы обратных связей которых соединены с выходами обратного преобразователя декартовых координат, двумя первыми входами подключенного через обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат к датчикам фазного тока, выходы которых подключены также ко входам блока ШИМ-регуляторов фазных токов, два других входа прямого и обратного преобразователей декартовых координат соответственно объединены и образуют синусный и косинусный входы преобразователей декартовых координат, при этом управляющие входы регуляторов синфазного и ортофазного токов подключены через блок управления вектором тока к выходу регулятора скорости, дополнительно на выходах инвертора подключен датчик двухфазного напряжения, два выхода которого соединены через первую пару сумматоров со входами двух интеграторов, выходы которых через вторую пару сумматоров соединены с косинусным и синусным входами преобразователей декартовых координат, вторые входы каждой из двух пар сумматоров подключены к выходам обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат, а синусный и косинусный входы прямого и обратного преобразователей декартовых координат соединены с двумя входами блока вычисления угла и скорости, выход канала вычисления скорости которого подключен ко входу обратной связи регулятора скорости. In an electric drive for implementing a vector control method comprising an inverter, connected to the stator windings of a synchronous electric motor with permanent magnets on the rotor through phase current sensors, the inverter control inputs are connected to the outputs of the direct two-phase three-phase coordinate converter via the pulse generation unit and the PWM phase current regulator unit , the inputs of which are connected to the outputs of the direct Cartesian coordinate converter connected by the two first inputs to the outputs of the orthophase regulators phase and common-mode currents, the feedback inputs of which are connected to the outputs of the inverse Cartesian coordinate converter, the first two inputs connected through the inverse of the two-phase-three-phase coordinates to the phase current sensors, the outputs of which are also connected to the inputs of the block of PWM phase current regulators, two other direct inputs and the inverse of the Cartesian coordinates transducers are respectively combined and form the sine and cosine inputs of the Cartesian coordinates transducers, while the control inputs of the reg Common-mode and orthophase current generators are connected through the current vector control unit to the speed controller output, in addition, a two-phase voltage sensor is connected to the inverter outputs, two outputs of which are connected through the first pair of adders to the inputs of two integrators, the outputs of which are connected through the second pair of adders to the cosine and sine inputs Cartesian coordinates transducers, the second inputs of each of the two pairs of adders are connected to the outputs of the inverse transducer of two-phase-three-phase coordinates, and the sine The input and output inputs of the Cartesian coordinates converters are connected to two inputs of the angle and speed calculation unit, the output of the speed calculation channel of which is connected to the feedback input of the speed controller.
Кроме того, в электропривод дополнительно введен регулятор положения, вход обратной связи которого подключен к выходу канала вычисления угла блока вычисления угла и скорости, а управляющий вход образует вход задания углового положения ротора, при этом выход регулятора положения соединен с управляющим входом регулятора скорости. In addition, a position controller is additionally introduced into the electric drive, the feedback input of which is connected to the output of the angle channel of the angle and speed calculation unit, and the control input forms the input of the rotor angular position setting, while the output of the position controller is connected to the control input of the speed controller.
Дополнительно, в электроприводе блок вычисления угла и скорости содержит на двух входах узел деления, выход которого подключен через узел вычисления арктангенсной функции к узлу вычисления знака, кроме того, вычислитель угла, выходом подключенный через узел вычисления производной к узлу умножения, второй вход которого соединен с выходом узла вычисления знака, причем выход узла умножения образует выход канала вычисления скорости, выход канала вычисления угла образован выходом вычислителя углового положения ротора, первый вход которого соединен с выходом вычислителя угла, а второй вход подключен к выходу узла вычисления знака. Additionally, in the electric drive, the angle and velocity calculation unit contains a division node at two inputs, the output of which is connected through the arctangent function calculation node to the sign calculation node, in addition, the angle calculator connected via the derivative calculation node to the multiplication node, the second input of which is connected to the output of the sign calculation node, and the output of the multiplication node forms the output of the speed calculation channel, the output of the angle calculation channel is formed by the output of the rotor angular position calculator, the first input of which connected to the output of the angle calculator, and the second input is connected to the output of the sign calculation node.
На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода с синхронным электродвигателем, на фиг 2 - диаграмма пространственных векторов состояния электродвигателя, на фиг. 3 - диаграмма временных векторов, поясняющие способ векторного управления. In FIG. 1 is a functional diagram of an electric drive with a synchronous electric motor; FIG. 2 is a diagram of spatial state vectors of a motor; FIG. 3 is a diagram of time vectors explaining a vector control method.
Электропривод с синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе (фиг. 1) содержит на силовом входе источник питания 1, выполненный в виде выпрямителя 1-а или аккумуляторной батареи 1-б. Выходы источника питания 1 через конденсатор 2 соединены с силовыми входами инвертора 3. An electric drive with a synchronous electric motor with permanent magnets on the rotor (Fig. 1) contains a power source 1 at the power input, made in the form of a rectifier 1-a or a battery 1-b. The outputs of the power source 1 through the capacitor 2 are connected to the power inputs of the inverter 3.
Выходы a, b, c инвертора 3 через датчики 4, 5 фазного тока подключены к статорным обмоткам синхронного электродвигателя 6 с постоянными магнитами 7 на роторе. Управляющие входы инвертора 3 соединены с выходами блока 8 формирования импульсов, входы которого соединены с выходами блока 9 ШИМ-регуляторов тока. Входы блока 9 ШИМ-регуляторов тока подключены к выходам isa *, isb *, isc * прямого преобразователя 10 двухфазно-трехфазных координат, входы которого соединены с выходами i
Два других входа прямого и обратного преобразователей 11, 14 декартовых координат соответственно объединены и образуют синусный и косинусный входы sin, cos преобразователей 11, 14 декартовых координат. The other two inputs of the direct and inverse converters 11, 14 of the Cartesian coordinates are respectively combined and form the sine and cosine inputs sin, cos of the converters 11, 14 of the Cartesian coordinates.
Управляющие входы Iort *, Isyn * регуляторов 12, 13 синфазного и ортофазного токов подключены через блок 15 управления вектором тока к выходу регулятора 16 скорости.The control inputs I ort * , I syn * of the regulators 12, 13 in-phase and orthophase currents are connected via the current vector control unit 15 to the output of the speed controller 16.
Электропривод содержит датчик 20 двухфазного напряжения usα,usβ, подключенный на выходах инвертора 3. Датчик 20 двухфазного напряжения содержит на входе резисторы 21, 22, 23, включенные по схеме, соответствующей схеме соединения фазных обмоток статора синхронного электродвигателя 6, например по схеме "звезда", изображенной на фиг. 1. Выходы двух резисторов 21, 22 подключены ко входам элементов гальванической развязки 24, 25, выходы которых подключены ко входам сумматора 26. Выход первого элемента 24 гальванической развязки, который подключен к резистору 21 фазы "a" инвертора 3, образует первый выход usα датчика 20 двухфазного напряжения. Выход сумматора 26 образует второй выход usβ датчика 20 двухфазного напряжения.Power sensor 20 includes a two-phase voltage u sα, u sβ, connected at the outputs of the inverter 3. The sensor 20 comprises a two-phase voltages at the input resistors 21, 22, 23, included in a pattern corresponding circuit of the stator phase windings of the
Два выхода usα,usβ датчика 20 двухфазного напряжения соединены через первую пару сумматоров 27, 28 со входами двух интеграторов 29, 30, выходы которых через вторую пару сумматоров соединены с косинусным и синусным входами cosφs,sinφs преобразователей 11, 14 декартовых координат. Вторые входы каждой из пар сумматоров 27, 28 и 31, 32 соединены с выходами обратного преобразователя 17 двухфазно-трехфазных координат. Синусный и косинусный входы прямого и обратного преобразователей 11, 14 декартовых координат соединены с двумя входами блока 33 вычисления угла и скорости, содержащего выход канала вычисления скорости ω и выход канала вычисления угла θ. Выход канала вычисления скорости ω подключен ко входу обратной связи регулятора 16 скорости.Two outputs u sα , u sβ of the two-phase voltage sensor 20 are connected through the first pair of adders 27, 28 to the inputs of two integrators 29, 30, the outputs of which through the second pair of adders are connected to the cosine and sine inputs cosφ s , sinφ s of the converters 11, 14 Cartesian coordinates . The second inputs of each of the pairs of adders 27, 28 and 31, 32 are connected to the outputs of the inverter 17 of the two-phase-three-phase coordinates. The sine and cosine inputs of the forward and reverse converters 11, 14 of the Cartesian coordinates are connected to two inputs of the angle and velocity calculation unit 33, which contains the output of the channel for calculating the speed ω and the output of the channel for calculating the angle θ. The output of the channel for calculating the speed ω is connected to the feedback input of the speed controller 16.
Блок 33 вычисления угла и скорости содержит на двух входах cosφs,sinφs узел 34 деления, выход которого подключен через узел 35 вычисления арктангенсной функции к узлу 36 вычисления знака. Кроме того, блок 33 вычисления угла и скорости содержит вычислитель 37 угла, выходом подключенный ко входу узла 38 вычисления производной, выход которого соединен со входом узла 39 умножения. Выход вычислителя 37 угла может быть подключен ко входу вычислителя 40 углового положения ротора, второй вход которого соединен с выходом узла 36 вычисления знака. Выход узла 36 вычислителя знака подключен ко второму входу узла 39 умножения.The angle and velocity calculation unit 33 comprises, at two inputs cosφ s , sinφ s, a division unit 34, the output of which is connected through the arc tangent function calculation unit 35 to the sign calculation unit 36. In addition, the block 33 calculates the angle and speed contains the calculator 37 angle output connected to the input of the derivative calculation node 38, the output of which is connected to the input of the multiplication node 39. The output of the angle calculator 37 can be connected to the input of the rotor angular position calculator 40, the second input of which is connected to the output of the sign calculation unit 36. The output of the node 36 calculator character is connected to the second input of the node 39 multiplication.
Выход узла 39 умножения образует выход канала вычисления скорости ω блока 33, а выход вычислителя 40 углового положения ротора образует выход канала вычисления угла θ блока 33 вычисления угла и скорости. The output of the multiplication unit 39 forms the output of the speed calculation channel ω of the block 33, and the output of the rotor angular position calculator 40 forms the output of the angle calculation channel θ of the angle and speed calculation unit 33.
Электропривод может содержать на входе регулятор 41 положения, выход которого подключен к управляющему входу регулятора 16 скорости. The electric drive may contain at the input a position controller 41, the output of which is connected to the control input of the speed controller 16.
Источник 1 питания может быть выполнен в виде трехфазного диодного выпрямителя, подключаемого к промышленной сети в варианте 1-a, или, в случае применения для автономных, мобильных и бортовых машин и механизмов, в виде аккумуляторной батареи в варианте 1-b. Инвертор 3 может быть выполнен в виде трехфазного транзисторного инвертора, либо в виде твердотельного IGBT - модуля с шестью ключами на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), как показано на фиг. 1. The power source 1 can be made in the form of a three-phase diode rectifier connected to the industrial network in option 1-a, or, in the case of autonomous, mobile and on-board machines and mechanisms, in the form of a battery in option 1-b. Inverter 3 can be made in the form of a three-phase transistor inverter, or in the form of a solid-state IGBT module with six keys on insulated gate bipolar transistors (IGBTs), as shown in FIG. 1.
Блок 8 формирования импульсов может быть выполнен в виде специальной интегральной схемы шестиканального драйвера, а совокупность блоков 9 ШИМ-регуляторов фазного тока, преобразователей 10, 11, 14, 17 координат может быть выполнена в виде сигнального микропроцессора, в который могут быть встроены аналого-цифровые преобразователи сигналов датчиков 4, 5 тока и датчика 20 двухфазного напряжения. Block 8 pulse formation can be made in the form of a special integrated circuit six-channel driver, and the combination of blocks 9 PWM phase current controllers, converters 10, 11, 14, 17 coordinates can be made in the form of a signal microprocessor, which can be integrated analog-digital signal converters of current sensors 4, 5 and two-phase voltage sensor 20.
Устройство блока 15 управления вектором тока выполнено в соответствии с [2]. The device unit 15 control the current vector is made in accordance with [2].
Блок 33 и регуляторы 12, 13, 16, 41 могут быть выполнены в микропроцессорном исполнении, например на цифровом сигнальном процессоре. Block 33 and controllers 12, 13, 16, 41 can be made in microprocessor design, for example, on a digital signal processor.
Электропривод работает следующим образом. The electric drive operates as follows.
С выхода источника 1 питания сглаженное конденсатором 1 постоянное напряжение через транзисторные ключи инвертора 3 и датчики 4, 5 фазного тока подается на статорные обмотки синхронного электродвигателя 6 с постоянными магнитами на роторе 7. Выходные импульсы блока 8 формирования импульсов управляют открытым и закрытым состоянием шести транзисторных ключей инвертора 3 по способу широтно-импульсной модуляции сигналов рассогласования между заданными фазными токами isa *, isb *, isc * и измененными фазными токами isa. isb, isc с помощью блока 9 ШИМ-регуляторов фазных токов.From the output of the power supply 1, the constant voltage smoothed by the capacitor 1 is supplied through the transistor switches of the inverter 3 and the phase sensors 4, 5 to the stator windings of the synchronous
На выходах прямого преобразователя 10 двухфазно-трехфазных координат формируется трехфазная система заданных фазных токов в зависимости от входной двухфазной системы заданных токов i
Двухфазная система заданных фазных токов i
где φs - фаза синхронизации, характеризующая временной процесс управления вектором тока синхронно с изменением временных декартовых координат x, y (фиг. 3);
θ(t) - пространственный угол продольной оси d относительно пространственной неподвижной оси α (фиг. 2);
Zp - число пар полюсов электродвигателя;
θм(t) - угол положения ротора электродвигателя.At the outputs of the direct transducer 10 of two-phase-three-phase coordinates, a three-phase system of predetermined phase currents is formed depending on the input two-phase system of predetermined currents i
Two-phase system of preset phase currents i
where φ s is the synchronization phase characterizing the time process of controlling the current vector synchronously with the change in temporal Cartesian coordinates x, y (Fig. 3);
θ (t) is the spatial angle of the longitudinal axis d relative to the spatial stationary axis α (Fig. 2);
Z p - the number of pairs of poles of the motor;
θ m (t) is the angle of the rotor position of the electric motor.
В прямом преобразователе 11 декартовых координат производится вычисление величин двухфазного тока i
Синхронизация процесса управления вектором тока во времени t (фиг. 3) с процессом пространственного углового перемещения пространственных векторов (фиг. 2) производится с помощью замкнутых контуров регулирования синфазного и ортофазного токов образованных регуляторами 12, 13 ортофазного и синфазного токов, обратного преобразователя 14 декартовых координат, блока 15 управления вектором тока и регулятора 16 скорости и обратного преобразователя 17 двухфазно-трехфазных координат с сумматором 18.In a direct transducer of 11 Cartesian coordinates, the two-phase current i
Synchronization of the current vector control process in time t (Fig. 3) with the process of spatial angular displacement of spatial vectors (Fig. 2) is performed using closed-loop control circuits in-phase and orthophase currents formed by the regulators 12, 13 of the orthophase and common mode currents, the inverse transducer 14 of the Cartesian coordinates, the current vector control unit 15 and the speed controller 16 and the inverse transducer 17 of the two-phase-three-phase coordinates with the adder 18.
С помощью регуляторов 12, 13 ортофазного и синфазного токов регулируются по пропорционально-интегральному закону амплитуды ортофазного тока Iort и синфазного тока Isyn в зависимости от рассогласований ΔIort и ΔIsyn в соответствии с уравнениями:
где T1, T2 - постоянные времени,
p - оператор,
Измеренные величины амплитуд Iort, Isyn ортофазного и синфазного токов, образуются на двух выходах обратного преобразователя 14 декартовых координат в соответствии с уравнениями обратного преобразования декартовых координат из неподвижной декартовой системы α,β во вращающуюся декартовую систему x, y:
На входы обратного преобразователя 14 декартовых координат поступают сигналы измеренного двухфазного тока isα,isβ, преобразованного с помощью обратного преобразователя 17 двухфазно-трехфазных координат и сумматора 18 согласно формулам
Измеренные амплитуды Iort, Isyn в виде выходных сигналов обратного преобразователя 14 декартовых координат сравниваются на входах регуляторов 13, 14 с заданными амплитудами Iort *, Isyn *, которые вычисляются в блоке 15 управления вектором тока статора, предложенном в прототипе [2]. На два входа блока 15 управления вектором тока статора подаются сигналы, пропорциональные заданному моменту M* и граничной скорости ωгр, который ограничивает диапазон регулирования скорости в режиме нулевого синфазного тока Isyn *=Isyn = 0. В этой основной зоне регулирования скорости угол εd пространственного вектора тока статора (фиг. 2) относительно продольной оси d постоянных магнитов составляет 90o, а амплитуда ортофазного тока Iort *=Iort пропорциональна заданному моменту M*.Using the regulators 12, 13 of the orthophase and common mode currents, the amplitudes of the orthophase current I ort and the common mode current I syn are regulated according to the proportional-integral law, depending on the mismatches ΔI ort and ΔI syn in accordance with the equations:
where T 1 , T 2 - time constants,
p is the operator,
The measured amplitudes I ort , I syn of the orthophase and in-phase currents are formed at the two outputs of the inverse transducer of 14 Cartesian coordinates in accordance with the equations of the inverse transformation of the Cartesian coordinates from a fixed Cartesian system α, β to a rotating Cartesian system x, y:
The inputs of the inverse transducer 14 of the Cartesian coordinates receive the signals of the measured two-phase current i sα , i sβ , transformed using the inverse transducer 17 of the two-phase-three-phase coordinates and the adder 18 according to the formulas
The measured amplitudes I ort , I syn in the form of the output signals of the inverse transducer 14 Cartesian coordinates are compared at the inputs of the regulators 13, 14 with the given amplitudes I ort * , I syn * , which are calculated in the block 15 of the stator current vector control proposed in the prototype [2] . The signals of the stator current vector control unit 15 are supplied to the two inputs proportional to the given moment M * and the boundary velocity ω gr , which limits the speed control range in the regime of zero common mode current I syn * = I syn = 0. In this main speed control zone, the angle εd spatial stator current vector (Fig. 2) relative to the longitudinal axis d of the permanent magnets is 90 o , and the amplitude of the orthophase current I ort * = I ort is proportional to the given moment M * .
При возрастании скорости выше граничной скорости ω>ωгр на выходе блока 15 управления вектором тока (фиг. 1) увеличивается сигнал задания амплитуды синфазного тока Isyn > 0 и угол εd уменьшается из условий поддержания выходной мощности при ограниченном напряжении источника питания 1 и изменяемом коэффициенте связи Iort * и M* согласно техническому решению [2].When the speed increases above the boundary speed ω> ω gr at the output of the current vector control unit 15 (Fig. 1), the signal for setting the common-mode current amplitude I syn > 0 increases and the angle εd decreases from the conditions for maintaining the output power with a limited voltage of the power source 1 and a variable coefficient communication I ort * and M * according to the technical solution [2].
Регулятор 16 скорости вырабатывает сигнал задания момента M* электродвигателя в зависимости от входного сигнала рассогласования скорости Δω в соответствии:
где Δω = ω*-ω - рассогласование скорости,
коэффициент усиления пропорциональной части регулятора скорости.The speed controller 16 generates a signal for setting the motor moment M * depending on the input signal of the speed mismatch Δω in accordance with:
where Δω = ω * -ω is the speed mismatch,
gain of the proportional part of the speed controller.
Величина заданного момента M* изменяется пропорционально рассогласованию скорости Δω с коэффициентом пропорциональности Kpc и дополнительно изменяется по интегральному закону с постоянной времени интегрирования T4.The value of the given moment M * changes in proportion to the mismatch of the velocity Δω with the proportionality coefficient K pc and additionally varies according to the integral law with the integration time constant T 4 .
Действительный момент электродвигателя M формируется вследствие взаимодействия вектора тока статора с вектором потокосцепления магнитов ψм согласно выражению:
где Is - амплитуда фазного тока статора, регулируемая с помощью блока 9 ШИМ-регуляторов фазного тока и сумматора 19 с использованием обратных связей по фазным токам isa, isb, isc.The actual moment of the electric motor M is formed due to the interaction of the stator current vector with the flux linkage vector of the magnets ψ m according to the expression:
where I s is the amplitude of the phase current of the stator, controlled by block 9 of PWM phase current controllers and the adder 19 using feedbacks on phase currents i sa , i sb , i sc .
С целью устойчивого регулирования момента и скорости без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем и обеспечения условия синхронизации (2), сигналы синхронизации cos, sin на входах прямого и обратного преобразователей 11, 14 декартовых координат формируются в функции измеренного двухфазного напряжения статора usα,usβ, величины которых измеряются с помощью датчика 20 двухфазного напряжения на выходе инвертора 3.In order to continuously control the moment and speed without sensors structurally connected with the electric motor and to ensure the synchronization condition (2), the synchronization signals cos, sin at the inputs of the forward and reverse transducers 11, 14 Cartesian coordinates are generated as a function of the measured two-phase stator voltage u sα , u sβ , the values of which are measured using the sensor 20 of the two-phase voltage at the output of the inverter 3.
На резисторах 21, 22, 23, включенных на выходе инвертора 3 по схеме, соответствующей схеме соединения фазных обмоток статора электродвигателя 6, образуются напряжения, пропорциональные фазным напряжениям Usa, Usb, Usc статора электродвигателя. Через два элемента гальванической развязки два сигнала напряжения Usa, Usb поступают на входы сумматора 26, в результате чего на двух выходах датчика 20 двухфазного напряжения образуются сигналы измеренного двухфазного напряжения статора в соответствии с выражениями:
Опорная фаза "a" для тока isa, выраженного уравнениями (1), (7) и для напряжения Usa, выраженного уравнением (10) реализована в электроприводе по схеме на фиг. 1 непосредственной связью соответствующих входов и выходов каналов "a" и каналов "α", что обеспечивает условия относительности и синхронизации управления и измерения всех векторов относительно неподвижной ориентирующей оси α (фиг. 2) и совпадение осей α и a (фиг. 3).On the resistors 21, 22, 23, connected to the output of the inverter 3 according to the scheme corresponding to the connection diagram of the phase windings of the stator of the
The reference phase "a" for the current i sa expressed by equations (1), (7) and for the voltage U sa expressed by equation (10) is implemented in the electric drive according to the circuit in FIG. 1 by a direct connection of the corresponding inputs and outputs of channels "a" and channels "α", which provides the conditions for relativity and synchronization of control and measurement of all vectors relative to a fixed orienting axis α (Fig. 2) and the coincidence of the axes α and a (Fig. 3).
С выходов датчика 20 двухфазного напряжения usα,usβ. сигналы поступают на входы сумматоров 27, 28, на другие входы которых подаются сигналы измеренного двухфазного тока isα,isβ. На выходах сумматоров 27, 28 образуются сигналы, пропорциональные производным потокосцеплений статора согласно уравнениям:
где ψsα,ψsβ - потокосцепления статора, которые вычисляются с помощью интеграторов 29, 30 путем интегрирования указанной в (11) разности напряжения и падения напряжения по каждой из осей α,β.
На выходах интеграторов 29, 30 образуются сигналы косвенно измеренных
потокосцеплений статора ψsα,ψsβ, которые изменяются в функции измеренных величин двухфазного напряжения usα,usβ и двухфазного тока isα,isβ. Сигналы косвенно измеренных потокосцеплений статора ψsα,ψsβ с выходов интеграторов 29, 30 поступают на первые входы сумматоров 31, 32, на вторые входы которых подаются сигналы isα,isβ с выходов обратного преобразователя 17 двухфазно-трехфазных координат.From the outputs of the sensor 20 of the two-phase voltage u sα , u sβ . the signals are fed to the inputs of the adders 27, 28, the other inputs of which are fed the signals of the measured two-phase current i sα , i sβ . The outputs of the adders 27, 28 produce signals proportional to the derivatives of the stator flux linkages according to the equations:
where ψ sα , ψ sβ are stator flux linkages , which are calculated using integrators 29, 30 by integrating the voltage difference and voltage drop indicated in (11) along each of the axes α, β.
The outputs of the integrators 29, 30 form signals of indirectly measured
stator flux linkages ψ sα , ψ sβ , which vary as a function of the measured values of the two-phase voltage u sα , u sβ and the two-phase current i sα , i sβ . The signals of indirectly measured stator flux linkages ψ sα , ψ sβ from the outputs of integrators 29, 30 are fed to the first inputs of adders 31, 32, the second inputs of which are fed signals i sα , i sβ from the outputs of the inverter 17 of two-phase and three-phase coordinates.
С помощью указанных сумматоров 31, 32 измеренные величины ψsα,ψsβ,isα,isβ преобразуются в косвенно измеренные величины потокосцепления магнитов ψмα,ψмβ в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2 и выражениями:
Проекции ψмα,ψмβ на оси α,β, получаемые в виде выходных сигналов сумматоров 31, 32, выражаются согласно векторной диаграмме фиг. 2 следующими функциями пространственного угла θ продольной оси d постоянных магнитов относительно неподвижной ориентирующей оси α статора:
где ψм - постоянная амплитуда потокосцепления постоянных магнитов на роторе.Using these adders 31, 32, the measured quantities ψ sα , ψ sβ , i sα , i sβ are converted into indirectly measured values of the flux linkage of the magnets ψ mα , ψ mβ in accordance with the vector diagram shown in FIG. 2 and expressions:
The projections ψ mα , ψ mβ on the α, β axis, obtained as the output signals of adders 31, 32, are expressed according to the vector diagram of FIG. 2 by the following functions of the spatial angle θ of the longitudinal axis d of the permanent magnets with respect to the fixed orienting axis α of the stator:
where ψ m is the constant amplitude of flux linkage of permanent magnets on the rotor.
Сумматоры 31, 32 имеют коэффициент усиления, обратный постоянной величине ψм, в связи с чем выходные сигналы сумматоров 31, 32 имеют нормированную единичную амплитуду и представляют собой периодические функции пространственного угла θ оси d относительно оси α.
Нормированные периодические сигналы cosθ(t),sinθ(t) поступают с выходов сумматоров 31, 32 на косинусный и синусный входы cos, sin прямого и обратного преобразователей 11, 14 декартовых координат и на входы блока 33 вычисления угла и скорости.The adders 31, 32 have a gain inverse to the constant value ψ m , and therefore the output signals of the adders 31, 32 have a normalized unit amplitude and are periodic functions of the spatial angle θ of the d axis relative to the α axis.
The normalized periodic signals cosθ (t), sinθ (t) come from the outputs of the adders 31, 32 to the cosine and sine inputs cos, sin of the direct and inverse converters 11, 14 of the Cartesian coordinates and to the inputs of the angle and velocity calculation unit 33.
Узел 34 деления служит для вычисления тангенса tgθ(t), узел 35 - вычисления арктангенсной функции и узел 36 - вычисления знака выполняют операцию определение знака угла θ и направления вращения ротора электродвигателя. На выходе вычислителя 37 угла образуется сигнал модуля угла на выходе узла 38 вычисления производной получается сигнал модуля скорости Сигнал знака поступает на вход узла 39 умножения и одновременно может подаваться на вход вычислителя 40 положения ротора, в котором с учетом числа пар полюсов электродвигателя Zp производится вычисление угла положения ротора.The division unit 34 serves to calculate the tangent tanθ (t), the site 35 for calculating the arctangent function, and the unit 36 for calculating the sign perform the operation of determining the sign of the angle θ and the direction of rotation of the electric motor rotor. At the output of the angle calculator 37, an angle modulus signal is generated at the output of the derivative calculation node 38, a speed module signal is obtained The sign signal is fed to the input of the multiplication unit 39 and at the same time can be fed to the input of the rotor position calculator 40, in which the rotor position angle is calculated taking into account the number of pole pairs of the electric motor Z p .
С выхода узла 39 умножения на вход обратной связи регулятора 16 скорости поступает сигнал скорости ±ω, величина и знак которого зависят от соотношения измеренных величин фазных напряжений и фазных токов на выходе инвертора 3 и характеризуют действительную скорость ω вращения ротора электродвигателя. From the output of the multiplication unit 39, the speed signal ± ω, the magnitude and sign of which depends on the ratio of the measured values of the phase voltages and phase currents at the output of the inverter 3 and characterizes the actual speed ω of the rotor of the electric motor, is fed to the feedback input of the speed controller 16.
Сигнал обратной связи по скорости ω поступает также на вход блока 15 управления вектором тока, в котором сравнивается с сигналом граничной скорости ωгр и определяет соотношение заданных амплитуд Iort *, Isyn * в зависимости от трех величин: M*,ω,ωгр.
На задающий вход регулятора 16 скорости подается сигнал заданной скорости ω*, который может быть задан с автономного пульта управления электроприводом, либо с выхода регулятора 41 положения, на вход обратной связи которого поступает сигнал θм с выхода вычислителя 40 углового положения ротора.The speed feedback ω also arrives at the input of the current vector control unit 15, which compares it with the boundary speed signal ω gr and determines the ratio of the given amplitudes I ort * , I syn * depending on three values: M * , ω, ω gr .
A signal of a predetermined speed ω * is supplied to the input of the speed controller 16, which can be set from the stand-alone electric drive control panel, or from the output of the position controller 41, to the feedback input of which a signal θ m is supplied from the output of the rotor angular position calculator 40.
С автономного пульта управления электроприводом может быть задан один из трех возможных режимов управления путем внешнего задания: 1) заданного момента M*; 2) заданной скорости ω*; 3) заданного положения θ
Сущность способа векторного управления заключается в том, что вектором тока управляют в зависимости от вектора напряжения вызвавшего этот ток, причем таким образом, что фаза тока статора, равная фазе синхронизации φs, изменяется в функции величин напряжения, а синфазный и ортофазный ток, образующие ток статора электродвигателя, регулируют в координатах фазы синхронизации φs, синхронизированной во время с пространственным углом θ текущего углового положения продольной оси d постоянных магнитов на роторе за счет изменения фазы ортофазного тока статора по закону:
sinφs= ∫(usβ-Rsisβ)dt-Lsisβ (15)
и фазы синфазного тока статора по закону:
cosφs= ∫(usα-Rsisα)dt-Lsisα. (16)
Регулирование момента M электродвигателя осуществляется за счет векторных обратных связей путем измерения амплитуд ортофазного и синфазного токов Iort, Isyn относительно фазы синхронизации φs, задаваемой измеренным двухфазным напряжением статора по законам (15), (16).The essence of the vector control method is that the current vector control depending on the voltage vector which caused this current, so that the phase of the stator current equal to the phase of synchronization φ s varies as a function of voltage values, and the common-mode and orthophase current, forming the stator current of the electric motor, are regulated in the coordinates of the phase of synchronization φ s , synchronized during time with a spatial angle θ of the current angular position of the longitudinal axis d of permanent magnets on the rotor due to a change in the phase of the stator orthophase current according to the law:
sinφ s = ∫ (u sβ -R s i sβ ) dt-L s i sβ (15)
and the phase of the common-mode current of the stator according to the law:
cosφ s = ∫ (u sα -R s i sα ) dt-L s i sα . (16)
The torque M of the electric motor is controlled by vector feedbacks by measuring the amplitudes of the orthophase and in-phase currents I ort , I syn with respect to the synchronization phase φ s specified by the measured two-phase stator voltage according to the laws (15), (16).
Регулирование скорости ω электродвигателя производится за счет векторных обратных связей путем измерения двухфазного тока и двухфазного напряжения и вычисления текущей скорости в функции фазы синхронизации, определенной по законам (15), (16). The motor speed ω is controlled by vector feedbacks by measuring the two-phase current and two-phase voltage and calculating the current speed as a function of the synchronization phase determined by the laws (15), (16).
Регулирование положения θм и углового перемещения θм(t) ротора электродвигателя осуществляется за счет косвенной обратной связи по угловому положению θ, образованной векторными обратными связями по двухфазному напряжению и двухфазному току на выходе инвертора.Regulation of the position θ m and the angular displacement θ m (t) of the electric motor rotor is carried out by indirect feedback on the angular position θ formed by vector feedbacks on the two-phase voltage and two-phase current at the inverter output.
Указанный способ векторного управления с принудительной ориентацией вектора тока по оси d и автоматической генерацией синусного и косинусного управляющих воздействием sinθ,cosθ непосредственно на выходе инвертора без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем, обеспечивает устойчивость поддержания заданных величин момента M*, скорости ω* и углового положения θ* в широком диапазоне нагрузки и скорости вращения синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе.The specified vector control method with forced orientation of the current vector along the d axis and automatic generation of a sine and cosine control action sinθ, cosθ directly at the inverter output without sensors structurally coupled to the electric motor ensures stability of maintaining the given values of the moment M * , speed ω * and angular position θ * in a wide range of load and rotation speed of a synchronous permanent magnet motor on the rotor.
Промышленная применимость и эффективность использования изобретения для машин и механизмов, где по условиям эксплуатации затруднено применение датчиков на двигателе, обусловлены повышением устойчивости, точности и диапазона регулирования момента, скорости и углового положения ротора, которые достигаются совокупностью трех основных результатов в способе векторного управления и электроприводе: 1) автоматической компенсацией отклонения фазы синхронизации φs (фиг. 3) от текущего пространственного угла θ (фиг. 2) и принудительной ориентацией векторных преобразований относительно оси магнитов, производимой в функции вектора напряжения статора 2) автоматической компенсацией отклонения угла фазового сдвига εd вектора тока (фиг. 2) от заданного оптимального значения за счет регулирования синфазного и ортофазного токов в декартовых координатах x, y, вращаемых в функции измеренных векторов и образуемой по формулам фазы φs; 3) автоматической компенсацией отклонения момента M и скорости ω от заданных величин M*, ω* за счет пропорционально-интегрального регулирования скорости и момента в функции текущей скорости ω, вычисленной по измеренным векторам Us, is.Industrial applicability and efficiency of using the invention for machines and mechanisms where the use of sensors on the engine is difficult under operating conditions is due to the increased stability, accuracy and range of regulation of the moment, speed and angular position of the rotor, which are achieved by a combination of three main results in the vector control method and electric drive: 1) automatic compensation of the deviation of the synchronization phase φ s (Fig. 3) from the current spatial angle θ (Fig. 2) and forced orientation vector transformations about the axis of the magnets, performed as a function of the stator voltage vector 2) automatic compensation of the deviation of the phase shift angle ε d current vector (Fig. 2) from a given optimal value due to the regulation of in-phase and orthophase currents in Cartesian coordinates x, y, rotated as functions of the measured vectors and formed by the formulas of the phase φ s ; 3) automatic compensation of the deviation of the moment M and speed ω from the given values M * , ω * due to the proportional-integral control of the speed and moment as a function of the current speed ω calculated from the measured vectors U s , i s .
Технико-экономическая эффективность достигается тем, что получают практически абсолютную жесткость и линейность механических характеристик в широких пределах изменения нагрузки Ms и в широком диапазоне плавного регулирования скорости от нулевой скорости ω = 0 (в режиме упора) до двухкратной скорости от граничной величины ω≤2ωгр без датчика скорости и без любых других датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем. Это новое свойство позволяет применять по новому наиболее компактный и экономичный по потреблению электроэнергии синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов на роторе в химически активных, жидкостных, радиоактивных средах, в дистанционно управляемых и в мобильных агрегатах, где установка на электродвигателе каких-либо датчиков невозможна.Technical and economic efficiency is achieved by the fact that almost absolute rigidity and linearity of mechanical characteristics are obtained over a wide range of load changes M s and in a wide range of smooth speed control from zero speed ω = 0 (in stop mode) to a double speed from the boundary value ω≤2ω gr without a speed sensor and without any other sensors structurally associated with the electric motor. This new property makes it possible to use in a new way the most compact and energy-saving synchronous electric motor with excitation from permanent magnets on the rotor in chemically active, liquid, radioactive environments, in remotely controlled and mobile units where installation of any sensors on the electric motor is impossible.
Применение по новому назначению синхронного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе достигается благодаря способу управления и электроприводу, предложенным в изобретении, при выполнении требований по устойчивости, точности и диапазону регулирования момента и скорости с наибольшим экономическим эффектом в следующих направлениях:
- глубинные погружные электронасосы в нефтяных скважинах для добычи нефти, где использование в два раза укороченных электродвигателей с постоянными магнитами взамен асинхронных электродвигателей с постоянными магнитами взамен асинхронных электродвигателей прежде всего для наклонно-направленных скважин дает экономический эффект для нефтедобывающих предприятий более 10 млн. долларов в год;
- подводные аппараты с жидкостнозаполненным электродвигателем при питании от аккумуляторных батарей и требовании максимального ресурса до перезаряда;
- следящие электроприводы в атомных реакторах для регулирования положения графитовых стержней, для крановых механизмов и манипуляторов, где использование фотоэлектрических датчиков на электродвигателе невозможно из-за радиоактивности среды;
- электромобили, для которых требование минимального потребления электроэнергии и минимальных массы и габаритов электродвигателя сочетаются с требованиями расширения диапазона регулирования скорости с постоянством мощности выше основной скорости при отсутствии датчиков на электродвигателе;
- электрошпиндели станков, где габариты датчика на электродвигателе ограничивают скорость и рабочую зону обработки, а исключение датчика на электродвигателе дает расширение возможностей обработки;
- специальные роботы, бортовые системы автоматики, специальные следящие системы, в которых требуется точная отработка заданного перемещения рабочего органа механизма при отсутствии датчиков на валу, особенно в случаях применения микроэлектродвигателей, масса и габариты которых соизмеримы или меньше в сравнении со стандартными датчиками скорости и углового положения.Application for a new purpose of a synchronous electric motor with permanent magnets on the rotor is achieved thanks to the control method and electric drive proposed in the invention, while meeting the requirements for stability, accuracy and range of torque and speed regulation with the greatest economic effect in the following directions:
- deep submersible electric pumps in oil wells for oil production, where the use of half-shortened permanent magnet motors instead of permanent magnet induction motors instead of asynchronous electric motors, primarily for directional wells, provides an economic effect for oil producers of more than $ 10 million a year ;
- underwater vehicles with a liquid-filled electric motor when powered by rechargeable batteries and requiring a maximum resource before recharging;
- servo drives in nuclear reactors for regulating the position of graphite rods, for crane mechanisms and manipulators, where the use of photoelectric sensors on an electric motor is impossible due to the radioactivity of the medium;
- electric vehicles for which the requirement of minimum energy consumption and minimum mass and dimensions of the electric motor are combined with the requirements of expanding the speed control range with a constant power above the main speed in the absence of sensors on the electric motor;
- machine spindles, where the dimensions of the sensor on the electric motor limit the speed and working area of processing, and the exclusion of the sensor on the electric motor gives an extension of the processing capabilities;
- special robots, on-board automation systems, special tracking systems that require precise testing of a given movement of the working body of the mechanism in the absence of sensors on the shaft, especially in cases of using microelectric motors, the mass and dimensions of which are comparable or less in comparison with standard sensors of speed and angular position .
Источники информации
1. Патент Российской Федерации N 1458951, кл. 4 H 02 M 7/40 Мищенко В.А. , Мищенко Н.И. Способ управления многофазным инвертором и устройство для его осуществления. Приоритет 26.03.1984 г. Зарегистрировано в Госреестре 15.11.1988 г. , 15.02.1989 г. Вып. N 6. Действует взамен авторского свидетельства с 01.07.1991 г. Патентообладатель: Мищенко В.А.Sources of information
1. Patent of the Russian Federation N 1458951, cl. 4 H 02
2. Авторское свидетельство N 1681371, кл. 5 H 02 P 5/40 Мищенко В.А., Мищенко Н. И. Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе. Приоритет 31.03.1987 г. Зарегистрировано 01.06.1991 г., опубл. 30.09.91 Бюл. N 36. 2. Copyright certificate N 1681371, cl. 5 H 02 P 5/40 Mishchenko V.A., Mishchenko N.I. Vector control method for a permanent magnet synchronous electric motor on a rotor. Priority 03/31/1987. Registered on 06/01/1991, publ. 09/30/91 Bull. N 36.
Перечень фигур к заявке на изобретение "Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе и электропривод для осуществления этого способа"
Фиг. 1 Функциональная схема электропривода с синхронным электродвигателем.The list of figures for the application for the invention "Method of vector control of a synchronous electric motor with permanent magnets on the rotor and an electric drive to implement this method"
FIG. 1 Functional diagram of an electric drive with a synchronous electric motor.
Фиг. 2. Диаграмма пространственных векторов состояния электродвигателя. FIG. 2. The diagram of the spatial state vectors of the motor.
Фиг. 3. Диаграмма временных векторов, поясняющие способ векторного управления. FIG. 3. A diagram of time vectors explaining the vector control method.
Перечень обозначений на фиг. 1 "Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе и электропривод для осуществления этого способа"
1 - источник питания (выпрямитель, аккумуляторная батарея);
2 - конденсатор фильтра;
3 - инвертор (транзисторный на IGBT - модулях или БТИЗ-модулях);
4,5 - датчик фазного тока;
6 - синхронный электродвигатель;
7 - постоянные магниты на роторе;
8 - блок формирования импульсов (драйвер IGBT-модулей);
9 - блок ШИМ-регуляторов тока;
10 - прямой преобразователь двухфазно-трехфазных координат;
11 - прямой преобразователь декартовых координат;
12 - регулятор ортофазного тока;
13 - регулятор синфазного тока;
14 - обратный преобразователь декартовых координат;
15 - блок управления вектором тока;
16 - регулятор скорости;
17 - обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат;
18 - сумматор;
19 - сумматор;
20 - датчик двухфазного напряжения;
21, 22, 23 - резисторы;
24, 25 - элемент гальванической развязки;
26 - сумматор;
27, 28 - сумматор;
29, 30 - интегратор;
31, 32 - сумматор;
33 - блок вычисления угла и скорости;
34 - узел деления;
35 - узел вычисления арктангенсной функции;
36 - узел вычисления знака;
37 - вычислитель угла;
38 - узел вычисления производной;
39 - узел умножения;
40 - вычислитель углового положения ротора;
41 - регулятор положения.The notation in FIG. 1 "A vector control method for a permanent magnet synchronous electric motor on the rotor and an electric drive for implementing this method"
1 - power source (rectifier, battery);
2 - filter capacitor;
3 - inverter (transistor on IGBT modules or IGBT modules);
4,5 - phase current sensor;
6 - synchronous electric motor;
7 - permanent magnets on the rotor;
8 - pulse shaping unit (driver of IGBT modules);
9 - block PWM current controllers;
10 - direct converter of two-phase-three-phase coordinates;
11 - direct converter of Cartesian coordinates;
12 - orthophase current regulator;
13 - common mode current regulator;
14 - inverse transducer of Cartesian coordinates;
15 - current vector control unit;
16 - speed controller;
17 - inverse transducer of two-phase-three-phase coordinates;
18 - adder;
19 - adder;
20 - two-phase voltage sensor;
21, 22, 23 - resistors;
24, 25 - element of galvanic isolation;
26 - adder;
27, 28 - adder;
29, 30 - integrator;
31, 32 - adder;
33 - unit for calculating the angle and speed;
34 - division unit;
35 - node calculation arctangent function;
36 - node calculation sign;
37 - angle calculator;
38 - node calculation of the derivative;
39 - multiplication node;
40 - calculator of the angular position of the rotor;
41 - position adjuster.
Claims (5)
где Rs - активное сопротивление фазной обмотки статора;
Ls - индуктивность фазной обмотки статора,
вычисляют текущую величину скорости ротора как производную фазы синхронизации и изменяют величину заданного момента пропорционально рассогласованию вычисленной текущей скорости и заданной.1. The method of vector control of a synchronous permanent magnet motor on the rotor, which consists in the fact that the stator windings are supplied with phase currents equal to the difference of two separately adjustable periodic currents, in-phase and orthophase, varying in the function of the synchronization phase characterizing the spatial angle of the current angular position of the longitudinal magnetic axis of the permanent magnets on the rotor relative to the stator axis, for which the measured stator current in the phases, it is converted into a two-phase system of currents i sα, i sβ, on ve for the reasons of which, depending on the sine and cosine functions of the synchronization phase, the amplitudes of the in-phase and orthophase currents are calculated, which are used to control the amplitudes of the in-phase and orthophase currents depending on the mismatch between the calculated and given amplitudes of the in-phase and orthophase currents, while the predetermined amplitude of the orthophase current is changed proportionally to the value of a given moment of the electric motor, and a given amplitude of the common-mode current in the main zone of speed regulation to the boundary speed live at zero level and increase with increasing speed above the boundary speed, characterized in that the stator current phase is regulated equal to the synchronization phase φ s , for which the stator voltage U sβ , U sα are measured , then the function of the synchronization phase is calculated in accordance with the formulas
where R s is the active resistance of the stator phase winding;
L s is the inductance of the phase stator winding,
calculate the current value of the rotor speed as a derivative of the synchronization phase and change the value of the given moment in proportion to the mismatch of the calculated current speed and the set.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105585A RU2141719C1 (en) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98105585A RU2141719C1 (en) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2141719C1 true RU2141719C1 (en) | 1999-11-20 |
Family
ID=20203922
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98105585A RU2141719C1 (en) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2141719C1 (en) |
Cited By (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470453C1 (en) * | 2009-03-25 | 2012-12-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control device for electric rotary machine |
RU2482599C1 (en) * | 2009-05-13 | 2013-05-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Energy conversion device and method of voltage control on capacitor of energy conversion device |
RU2486658C1 (en) * | 2009-03-04 | 2013-06-27 | Хонда Мотор Ко., Лтд. | Electric motor control device |
RU2491692C2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-08-27 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control unit for ac rotating machine |
RU2496218C2 (en) * | 2009-06-09 | 2013-10-20 | Хонда Мотор Ко., Лтд. | Controller for load start-up system |
RU2516872C1 (en) * | 2010-04-14 | 2014-05-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Power conversion device |
RU2543998C1 (en) * | 2010-12-29 | 2015-03-10 | Арчелык Аноним Ширкети | Control circuit of synchronous motor with permanent magnets |
RU2560090C1 (en) * | 2011-08-15 | 2015-08-20 | Мейденша Корпорейшн | Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors |
RU2561879C2 (en) * | 2009-12-11 | 2015-09-10 | Лабиналь Пауэр Системз | Control device of synchronous machine with permanent magnets |
RU2578165C2 (en) * | 2010-12-24 | 2016-03-20 | Абб Рисерч Лтд | Converter control method |
RU2641723C2 (en) * | 2012-08-06 | 2018-01-22 | Рено С.А.С. | Control system of electromagnetic moment of electric machine, in particular, for motor vehicle |
RU2657868C1 (en) * | 2015-05-21 | 2018-06-18 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Device for electric motor control and method of electric motor control |
RU2658288C2 (en) * | 2012-12-10 | 2018-06-20 | Ксб Актингезелльшафт | Method for synchronising synchronous reluctance electric machine |
RU2667477C1 (en) * | 2015-03-10 | 2018-09-20 | Мейденша Корпорейшн | Device for controlling synchronization of power converter |
RU2717096C1 (en) * | 2016-10-11 | 2020-03-18 | Сименс Акциенгезелльшафт | Operation of gate converter for connection of electric machine with alternating voltage network for operation at alternating voltage |
RU2724603C1 (en) * | 2019-09-16 | 2020-06-25 | Акционерное общество "Чебоксарский электроаппаратный завод" | Synchronous motor control method |
RU2746795C1 (en) * | 2020-07-07 | 2021-04-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Method of frequency control of an electric drive with a synchronous engine without a rotor position sensor |
RU2759558C1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-11-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Русэлпром" (ООО "Инжиниринговый центр "Русэлпром") | Method for forming the flux linkage of an asynchronous motor rotor as part of an electric drive with vector field-oriented control when operating in a limited voltage zone |
RU2760227C1 (en) * | 2020-06-30 | 2021-11-23 | Дмитрий Валерьевич Хачатуров | System and method for vector control of electric engine with permanent magnets |
-
1998
- 1998-03-25 RU RU98105585A patent/RU2141719C1/en active
Cited By (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486658C1 (en) * | 2009-03-04 | 2013-06-27 | Хонда Мотор Ко., Лтд. | Electric motor control device |
US8749184B2 (en) | 2009-03-04 | 2014-06-10 | Honda Motor Co., Ltd. | Control apparatus for electric motor |
RU2491692C2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-08-27 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control unit for ac rotating machine |
RU2470453C1 (en) * | 2009-03-25 | 2012-12-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control device for electric rotary machine |
RU2482599C1 (en) * | 2009-05-13 | 2013-05-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Energy conversion device and method of voltage control on capacitor of energy conversion device |
RU2496218C2 (en) * | 2009-06-09 | 2013-10-20 | Хонда Мотор Ко., Лтд. | Controller for load start-up system |
RU2561879C2 (en) * | 2009-12-11 | 2015-09-10 | Лабиналь Пауэр Системз | Control device of synchronous machine with permanent magnets |
RU2516872C1 (en) * | 2010-04-14 | 2014-05-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Power conversion device |
RU2578165C2 (en) * | 2010-12-24 | 2016-03-20 | Абб Рисерч Лтд | Converter control method |
RU2543998C1 (en) * | 2010-12-29 | 2015-03-10 | Арчелык Аноним Ширкети | Control circuit of synchronous motor with permanent magnets |
RU2560090C1 (en) * | 2011-08-15 | 2015-08-20 | Мейденша Корпорейшн | Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors |
RU2641723C2 (en) * | 2012-08-06 | 2018-01-22 | Рено С.А.С. | Control system of electromagnetic moment of electric machine, in particular, for motor vehicle |
RU2658288C2 (en) * | 2012-12-10 | 2018-06-20 | Ксб Актингезелльшафт | Method for synchronising synchronous reluctance electric machine |
RU2667477C1 (en) * | 2015-03-10 | 2018-09-20 | Мейденша Корпорейшн | Device for controlling synchronization of power converter |
RU2657868C1 (en) * | 2015-05-21 | 2018-06-18 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Device for electric motor control and method of electric motor control |
RU2717096C1 (en) * | 2016-10-11 | 2020-03-18 | Сименс Акциенгезелльшафт | Operation of gate converter for connection of electric machine with alternating voltage network for operation at alternating voltage |
US10666177B2 (en) | 2016-10-11 | 2020-05-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Operating an inverter for coupling an electric machine, designed for operation on AC voltage, with an AC voltage network |
RU2724603C1 (en) * | 2019-09-16 | 2020-06-25 | Акционерное общество "Чебоксарский электроаппаратный завод" | Synchronous motor control method |
RU2760227C1 (en) * | 2020-06-30 | 2021-11-23 | Дмитрий Валерьевич Хачатуров | System and method for vector control of electric engine with permanent magnets |
RU2746795C1 (en) * | 2020-07-07 | 2021-04-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Method of frequency control of an electric drive with a synchronous engine without a rotor position sensor |
RU2759558C1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-11-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Русэлпром" (ООО "Инжиниринговый центр "Русэлпром") | Method for forming the flux linkage of an asynchronous motor rotor as part of an electric drive with vector field-oriented control when operating in a limited voltage zone |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2141719C1 (en) | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor | |
US6636012B2 (en) | Stator and rotor resistance identifier using high frequency injection | |
EP0180083B1 (en) | Control systems for variable reluctance electrical machines | |
US4792741A (en) | Control unit for non-circulating current type cycloconverter | |
JPS62138074A (en) | Method for determining flux angle or driving of rotary magnetic field machine and apparatus for the same | |
CN103051270B (en) | Motor control device that controls d-axis current of permanent magnet synchronous motor | |
US6301136B1 (en) | Floating flame controller | |
Leonhard | Control of AC-Machines with the help of Microelectronics | |
KR900007109B1 (en) | Speed control apparatus for synchronous motor | |
US4484126A (en) | Induction motor controller | |
CN100431257C (en) | Method and device for the sensor reduced regulation of a permanent magnet excited synchronous machine | |
RU2132110C1 (en) | Method for optimal vector control of induction electric motor and electric drive which implements said method | |
JPH0153000B2 (en) | ||
EP0049241B1 (en) | Method and apparatus for controlling an ac induction motor | |
Hanselman et al. | Variable-reluctance resolver design guidelines | |
SE8306677D0 (en) | PRECISION ELECTRONIC SPEED CONTROLLER FOR AN ALTERNATING-CURRENT ENGINE | |
US4322672A (en) | Electric motor control apparatus | |
Muratti et al. | Mathematical Modelling and Simulation of BLDC Motor with Trapezoidal Control Technique | |
US20040066164A1 (en) | Motor driving device | |
RU99671U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF THE DUAL POWER ENGINE | |
EP0150472A2 (en) | Control system for improving induction motor transient response by excitation angle control | |
JPH0632581B2 (en) | Induction motor controller | |
RU2020724C1 (en) | Method of and device for controlling electric drive | |
KR920008802B1 (en) | Acceleration control apparatus | |
RU2656354C1 (en) | Method for controlling ac converter-fed motor and a servo system for its implementation |