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1、(10)申请公布号 CN 102882466 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 4 6 6 A *CN102882466A* (21)申请号 201210378888.3 (22)申请日 2012.10.09 H02P 23/14(2006.01) (71)申请人南京工业大学 地址 210009 江苏省南京市中山北路200号 (72)发明人张兴华 (74)专利代理机构南京君陶专利商标代理有限 公司 32215 代理人沈根水 陈勤 (54) 发明名称 感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频 器及构造法 (57) 摘要 本发明是一种感应电机直接转矩控制调。
2、速系 统的节能变频器，其特征是据定子磁场定向d-q 坐标系中的感应电机近似等效电路模型，可得感 应电机的定子铜损耗、铁芯损耗、总损耗、 电机总损耗，据此来构造定子磁链计算模块，并置 入直接转矩控制系统，组成感应电机节能变频控 制器，感应电机节能变频控制器与功率变换器共 同组成感应电机节能变频器。感应电机节能变频 控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信 号接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开 关信号的输入端。优点：1）可明显地减小电机运 行的功率损耗，提高电机驱动系统的整体综合性 能。结构简单，运行可靠，实现成本低廉；2)尤其 适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的应 用场合。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 9 页 1/2页 2 1.一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器，其特征是根据定子磁 场定向d-q坐标系中的感应电机近似等效电路模型，得到感应电机的定子铜损耗 为 (1) 铁芯损耗 (2) 转子铜损耗为 (3) 总损耗为 (4) 其中和分别为定子电流的d,q分量，为转子电角速度，分别为定、转子电 阻及铁损等效电阻；为互感；，为d、q轴的定、转子电流分量；，分 别为d、q轴铁损等效电流和励磁电流， ； 电磁转矩为 (5) 可得电机总。
4、损耗 (6) 其中； 令，得电机功率损耗极小时的条件为 (7) 据此来构造定子磁链计算模块，将该定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统，组 成感应电机节能变频控制器，感应电机节能变频控制器与功率变换器共同组成感应电机 节能变频器；其中感应电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号 （）接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开关信号（）的输入端。 2.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器，其特征 是所述的功率变换器由整流器、滤波电容器、霍尔电压传感器、三相IGBT逆变器、A霍尔电 流传感器，B霍尔电流传感器构成；其中整流器的第一信号输出端与三相IGBT逆。
5、变器的第 一信号输入端相接，整流器的第二信号输出端与霍尔电压传感器的第一信号输入端相接， 霍尔电压传感器的第一信号输出端与三相IGBT逆变器的第二信号输入端相接，所述的整 流器的第一信号输出端通过滤波电容器与整流器的第二信号输出端相接，霍尔电压传感器 权 利 要 求 书CN 102882466 A 2/2页 3 的第二信号输出端输出直流母线电压（），三相IGBT逆变器的第一信号输出端与A霍尔电 流传感器的信号输入端相接，三相IGBT逆变器的第二信号输出端与B霍尔电流传感器的信 号输入端相接，三相IGBT逆变器的第三信号输出端、A霍尔电流传感器的第一信号输出端、 B霍尔电流传感器的第一信号输出端。
6、输出三相变频交流电源（），所述的A霍尔电流 传感器的输出为相电流（），B霍尔电流传感器的输出为相电流（）；所述的整流器的输入有 三相工频交流电源（），逆变器的输入为逆变器开关信号（）。 3.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器，其特征 是所述的感应电机负载系统，由感应电机、负载、光电编码器共同构成，其中感应电机的输 入为三相变频交流电压（），光电编码器的输出为转子位置信号（）。 4.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器，其特征 是所述的感应电机节能变频控制器，由定子相电压计算模块、Clarke变换、转矩与定子磁链 估计器、开关逻辑表、转矩。
7、滞环比较器、定子磁链滞环比较器、Park变换、转速控制器、定子 磁链计算模块和转速计算模块共同构成；其中定子相电压计算模块的输入是逆变器开关信 号（）和直流母线电压（），输出是定子相电压（）；Clarke变换模块的输入是 定子相电压（）和定子相电流（），输出是定子电压的在静止坐标系中的分量（ ）和定子电流的在静止坐标系中的分量（）；磁链与转矩估计器的输入是Clarke变换 模块的四个输出，输出是定子磁链估计值（）、磁链角估计值（）和转矩估计值（）；开关逻 辑表的输入为转矩状态信号（），磁链状态信号（）和磁链位置信号（），输出为控制逆变 器的开关信号（）；转矩滞环比较器的输入是转矩误差信号（），。
8、输出是转矩状态信号 （）；磁链滞环比较器的输入是磁链误差信号（），输出是磁链状态信号（）；转速控制器 的输入是转速误差信号（），输出是转矩参考值（）；Park变换模块的输入是Clarke变换 的第三和第四个输出和，输出是定子相电流的d,q分量和；定子磁链计算模块由功 率损耗计算模块、磁链调节器共同组成，其中功率损耗计算模块的输入是Park变换的输出 ，和转速，输出是对应于d轴电流分量的电机损耗和对应于q轴电流分量的电机 损耗，磁链调节器的输入是d轴电流分量的电机损耗与q轴电流分量的电机损耗 的差值（），输出是定子磁链（）。 5.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器，。
9、其特征 是所述的感应电机节能变频器和感应电机负载系统共同构成感应电机节能变频调速系统， 其中感应电机节能变频器中的三相IGBT逆变器的第三信号输出端、A霍尔电流传感器的第 一信号输出端、B霍尔电流传感器的第一信号输出端输出的三相变频交流电源（）接 入感应电机负载系统中的感应电机的三相变频交流电源（）的输入端，感应电机、负 载与光电编码器通过机械装置刚性连接，光电编码器的信号输出端与转速计算模块的信号 输入端相连。 权 利 要 求 书CN 102882466 A 1/5页 4 感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造法 技术领域 0001 本发明是一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频。
10、器及构造方法，适用于 高性能感应电机调速或伺服系统控制，属于电力传动控制设备的技术领域。 背景技术 0002 感应电机具有结构简单、坚固耐用、可靠性高和价格低廉等优点，在工农业生产和 国防领域得到广泛应用，其耗电量占工业用电量的一半以上。目前，感应电机调速大都采用 变频技术，为了充分利用电机的定额，获得最大输出转矩，在额定转速以下总是将电机的气 隙磁通设为额定值。感应电机以恒定磁通在额定工作点附近运行时效率较高，但在轻载时， 电机的运行效率和功率因数会明显下降。即现有的变频调速系统在能量转换效率方面并不 是最优的，电机在轻载时的低效率，造成了电能的极大浪费。特别是在电动汽车、空间电驱 动装置和。
11、船舰驱动系统等一些有限能源供电的应用领域，低效率的电机运行方式，直接影 响了系统的整体性能。因此，研究感应电机调速系统的节能运行模式，提高电机运行的能量 转换效率，是一个很有意义和急待解决的问题。 发明内容 0003 本发明提出的是一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造方法， 其目的旨在克服现有变频调速技术所存在的不能兼顾高性能与高效率的缺陷，通过分析感 应电机损耗产生机理，建立定子磁场定向坐标系下的感应电机近似等效电路模型，导出了 一定电机运行工况条件下电机运行损耗与电机转速、输出转矩和定子电流之间的定量关 系，并给出了电机运行功耗极小（效率极大）时的功率平衡条件；采用霍尔传感器。
12、检测定子 相电流和直流母线电压，光电编码器测量转速，电压模型估计定子磁链和电磁转矩，构造最 优定子磁链计算模块，将最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制调速系统，实现对感应 电机的高效率和快响应控制。该节能变频器可在保持直接转矩控制系统转矩动态响应快、 参数鲁棒性和抗负载扰动能力强特点的同时，显著提高电机的运行效率，达到节能降耗的 目的。且无需增加额外硬件，具有结构简单，技术通用，易于实现，成本低廉，运行可靠的优 点。 0004 其工作原理：针对感应电机直接转矩控制调速系统，通过合理的简化，建立了定子 磁场定向坐标系中的感应电机近似等效电路模型，将直接转矩控制技术与效率优化方法相 结合对感应电机。
13、进行控制；采用霍尔传感器检测定子电流和直流母线电压，光电编码器测 量转速，电压模型估计定子磁链和电磁转矩，构造最优定子磁链计算模块，最优定子磁链计 算模块用于产生一定工况条件下的定子磁链给定值；将最优定磁链计算模块、定子相电压 计算模块、Clarke变换模块、定子磁链与转速估计器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、开 关逻辑表、Park变换模块、转速控制器、转速计算模块和功率变换器共同组成感应电机节能 变频器，对感应电机进行高效率快响应的转速控制。 0005 本发明的技术解决方案：其特征是根据定子磁场定向d-q坐标 说 明 书CN 102882466 A 2/5页 5 系中的感应电机近似等效电路。
14、模型（图1），可得到感应电机的定子铜损耗 为 (1) 铁芯损耗 (2) 转子铜损耗为 (3) 总损耗为 (4) 其中和分别为定子电流的d,q分量，为转子电角速度，分别为定、 转子电阻及铁损等效电阻；为互感；，为d、q轴的定、转子电流分量；， ，分别为d、q轴铁损等效电流和励磁电流， ，； 电磁转矩为 (5) 可得电机总损耗 (6) 其中； 令，可得电机功率损耗极小时的条件为 (7) 据此来构造最优定子磁链计算模块，将该最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制系 统，组成感应电机节能变频控制器，感应电机节能变频控制器与功率变换器共同组成感应 说 明 书CN 102882466 A 3/5页 6 电机。
15、节能变频器；其中感应电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信 号（）接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开关信号（）的输入端。 0006 本发明的优点在于：1）采用直接转矩控制与效率优化方法相结合的控制技术，使 电力传动系统兼具高性能和高效率的特性。系统在保持直接转矩控制转矩动态响应快、参 数鲁棒性和抗负载扰动能力强特点的同时，可明显地减小电机运行的功率损耗，提高了电 机驱动系统的整体综合性能。系统无需增加额外硬件，结构简单，运行可靠，实现成本低廉； 2)本发明可用于要求有快速转矩响应和高精度转速控制的电机驱动应用场合，如机器人、 电动汽车和轨道电力机车、空间电驱动装置、新型。
16、船舰电驱动系统等应用领域，提高感应电 机驱动系统的综合性能。在以感应电机为动力装置的交流传动系统和交流伺服系统中有非 常广阔的应用前景，尤其适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的应用场合。 附图说明 0007 图1是计及感应电机定子铁芯损耗的感应电机近似等效电路图中的d轴等效电路 图。 0008 图2是q轴等效电路图。 0009 图3是功率变换器的结构图。 0010 图4是感应电机负载系统。 0011 图5是节能变频控制器。 0012 图6是感应电机节能变频器。 0013 图7是感应电机节能变频调速系统的原理图。 0014 图8是采用数字信号处理器（DSP）作为感应电机节能变频控制器实现的感。
17、应电机 直接转矩控制节能变频调速系统的示意图。 0015 图9是采用节能变频控制器对感应电机负载系统进行控制时的运行程序框图中 的主程序流程图。 0016 图10是中断控制程序流程图。 0017 图中的1是三相二极管整流器、2是滤波电容器、3是霍尔电压传感器、4是三相 IGBT逆变器、5是A霍尔电流传感器、6是B霍尔电流传感器、7是感应电机、8是负载、9是 光电编码器、10是定子相电压计算模块、11是Clarke变换、12是转矩与定子磁链估计器、13 是开关逻辑表、14是转矩滞环比较器、15是定子磁链滞环比较器、16是Park变换、17是转 速控制器、18是功率损耗计算模块、19是磁链调节器（。
18、最优）、20是转速计算模块、21是感应 电机负载系统、22是功率变换器、23是定子磁链计算模块（最优）、24是节能变频控制器、25 是感应电机节能变频器。 具体实施方式 0018 对照附图，根据定子磁场定向坐标系中的感应电机近似等效电路模型（如图1），可 导出一定工况条件下，电机总损耗 说 明 书CN 102882466 A 4/5页 7 其中，； 令，可得功率损耗极小时的条件为 据此来构造最优定子磁链计算模块23，将该最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制 系统，组成感应电机节能变频控制器24，感应电机节能变频控制器24与功率变换器22共同 组成感应电机节能变频器25，其中感应电机节能变频控制。
19、器24中的开关逻辑表13输出的 控制逆变器开关信号（）接入功率变换器22中的三相IGBT逆变器4中的开关信号 （）的输入端，感应电机节能变频器25对感应电机负载系统21进行控制，根据不同 的电机额定功率，可选择不同的硬件和软件来实现。 0019 具体的实施过程可分以下6步： 1）构造功率变换器22（图3），由整流器1、滤波电容器2、霍尔电压传感器3、三相IGBT 逆变器4、A霍尔电流传感器5，B霍尔电流传感器6共同构成功率变换器；其中整流器1的 第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第一信号输入端相接，整流器1的第二信号输出端 与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接，霍尔电压传感器3的第一信号。
20、输出端与三相 IGBT逆变器4的第二信号输入端相接，所述的整流器1的第一信号输出端通过滤波电容器 2与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接，霍尔电压传感器3的第二信号输出端输出直 流母线电压，三相IGBT逆变器4的第一信号输出端与A霍尔电流传感器5的信号输入 端相接，三相IGBT逆变器4的第二信号输出端与B霍尔电流传感器6的信号输入端相接， 三相IGBT逆变器4的第三信号输出端、A霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B霍尔电流 传感器6的第一信号输出端输出三相变频交流电源（），所述的A霍尔电流传感器5 的输出为相电流，B霍尔电流传感器6的输出为相电流。所述的整流器的输入有三相工 频交流电源（），。
21、逆变器的第三，第四和第五输入为逆变器开关信号（）。 0020 2）构造感应电机负载系统21（图4），由感应电机7、负载8、光电编码器9共同构 成，其中感应电机的输入为三相变频交流电压（），光电编码器的输出为转子位置信 号。 0021 3）构造感应电机节能变频控制器24（图5），由定子相电压计算模块10、Clarke 变换11、转矩与定子磁链估计器12、开关逻辑表13、转矩滞环比较器14、定子磁链滞环比较 器15、Park变换16、转速控制器17、定子磁链计算模块23（由功率损耗计算模块18、最优 磁链调节器19共同构成）、转速计算模块20共同构成；其中定子相电压计算模块10的输 入是逆变器开关。
22、信号（）和直流母线电压，输出是定子相电压；Clarke变 换11的输入是定子相电压和定子相电流，输出是定子电压的在静止坐标系中的 分量和定子电流的在静止坐标系中的分量；磁链与转矩估计器12的输入是 Clarke变换模块的四个输出，输出是定子磁链估计值、磁链角估计值和转矩估计值 说 明 书CN 102882466 A 5/5页 8 ；开关逻辑表13的输入为转矩状态信号，磁链状态信号和磁链位置信号，输出为 控制逆变器的开关信号（）；转矩滞环比较器14的输入是转矩误差信号，输出是 转矩状态信号；磁链滞环比较器15的输入是磁链误差信号，输出是磁链状态信号 ；转速控制器17的输入是转速误差信号，输出是转。
23、矩参考值；功率损耗计算模块18的 输入是定子电流、转速，输出是功率损耗、；最优定子磁链调节器19的 输入是d,q电流功率损耗差值信号，输出是最优定子磁链。 0022 4）构造感应电机节能变频器25（图6），由节能变频控制器24与功率变换器22共 同构成感应电机节能变频器25。 0023 5）构造感应电机节能变频调速系统（图7），其结构由感应电机节能变频器25和感 应电机负载系统21共同构成，其中感应电机节能变频器25中的三相IGBT逆变器4的第三 信号输出端、A霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B霍尔电流传感器6的第一信号输出 端输出的三相变频交流电源（）接入感应电机负载系统21中的感应电机7。
24、的三相 变频交流电源（）的输入端，感应电机7、负载8与光电编码器9通过机械装置刚性 连接，光电编码器9的信号输出端接转速计算模块20的信号输入端。 0024 6）采用数字信号处理器DSP作为节能变频控制器，并通过软件编程实现本发明。 0025 实施例，如图8所示，其中DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片 TMS320LF2812，功率逆变器采用三菱公司的智能功率模块CM15MD/MDL-12H、霍尔电流传感 器采用瑞士LEM公司的2个LM25-NP，霍尔电压传感器瑞士LEM公司的1个LV25-NP。交 流感应电机的型号为YVP601-4其参数为：=0.55kW，额定电压=220/380V。
25、，额定转速 =1400r/min，额定转矩=3.5Nm，定子电阻=12.8，转子电阻=4.66，铁芯 损耗电阻=605，励磁电感=0.828H，定子与转子漏感= =0.055H，转子惯量 J=0.035kgm 2 ，粘滞摩擦系数b=0.001Nms。 0026 在实施过程中，为减小电机转矩饱和输入限幅对转速控制性能的影响，外环转速 控制采用了抗积分饱的设计方法。实际调速系统可根据不同的电机额定功率和不同的控制 性能要求，采用不同硬件和软件来实现。 说 明 书CN 102882466 A 1/9页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102882466 A 2/9页 10 图2 说 明 书 附 图CN 102882466 A 10 3/9页 11 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102882466 A 11 4/9页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102882466 A 12 5/9页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102882466 A 13 6/9页 14 图7 说 明 书 附 图CN 102882466 A 14 7/9页 15 图8 说 明 书 附 图CN 102882466 A 15 8/9页 16 图9 说 明 书 附 图CN 102882466 A 16 9/9页 17 图10 说 明 书 附 图CN 102882466 A 17 。