一種電機驅動的動態過載自動降載的控制方法及系統與流程
2023-08-04 23:32:51 5
本發明涉及電機驅動控制領域，尤其涉及一種電機驅動的動態過載自動降載的控制方法及系統。
背景技術：
電機及驅動器都有一個額定負載功率，如果在某種情況下使電機的實際使用功率超過電機的額定功率，則稱這種現象為電機過載。目前，在電動汽車驅動、變頻器驅動、交流伺服驅動、電梯驅動等領域，電機過載發生後，基於安全起見，為了保護電機及相關電氣設備，驅動器一般會進行保護報警並停機處理，如此，會導致用戶使用的停滯，並帶來不便。舉例而言，在動感平臺的應用中，當運動控制指令變化率較大時，電機驅動很容易產生短暫動態過載停機保護的問題，如此，極大地影響了用戶體驗。另外，在很多應用場合，電機發生短暫動態過載而導致設備停止運行甚至會導致危險發生。
因此，為了避免電機發生過載，很多用戶會把電機及驅動器的選型選大，或者降低電機控制指令的動態性。但是，這樣會導致電機及驅動器的成本增加且性能降低的不理想情況。另外，目前一般的驅動器，由於自身不具備過載自動降載的功能，在動感伺服平臺等設備上的應用中，導致用戶需要反覆嘗試控制指令的加減速等平滑濾波方法或參數，帶來諸多不便或不必要的額外硬體和時間成本。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供一種電機驅動的動態過載自動降載的控制方法及系統，能夠實現電機驅動過載時的自動降載，從而避免因電機動態過載造成設備停機及損壞的情況。
為了達到上述技術目的，本發明提供一種電機驅動的動態過載自動降載的控制方法，包括：獲取用於描述電機驅動過載的物理量的額定值、過載倍數、過載時間、實際測量值及電機運行時間；根據獲取的額定值、過載倍數以及過載時間，確定物理量的過載累計門限值，並根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值；當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值。
進一步地，所述根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值之後，該方法還包括：當所述過載累計值小於零時，對所述過載累計值進行歸零處理。
進一步地，所述確定物理量的過載累計門限值為：(n-1)·p0·Td，其中，p0表示物理量的額定值，n為過載倍數，Td為過載時間。
進一步地，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
進一步地，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
進一步地，所述確定物理量的過載累計值為：
其中，OL表示物理量的過載累計值，p0表示物理量的額定值，p表示物理量的實際測量值，T表示電機運行時間。
進一步地，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ Σ [ ( i mag pu I b ) 2 2 - ( k I rate pu I b ) 2 ] T mod , ]]>
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間。
進一步地，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ Σ [ i mag pu 2 I b - k I rate pu I b ] T mod , ]]>
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間。
進一步地，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值包括：當物理量為電機電流時，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，通過閉環控制降低轉矩電流指令值至小於或等於轉矩電流的額定值，以調節電機電流，使得電機電流的當前實際測量值小於或等於額定值。
進一步地，該方法還包括：當確定出的過載累計值不大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值位於預設範圍內，其中，所述預設範圍為不小於額定值且不大於最大輸出值。
本發明還提供一種電機驅動的過載自動降載的控制系統，包括：數據獲取模塊，用於獲取用於描述電機驅動過載的物理量的額定值、過載倍數、過載時間、實際測量值及電機運行時間；運算模塊，用於根據獲取的額定值、過載倍數以及過載時間，確定物理量的過載累計門限值，並根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值；控制模塊，用於當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值。
進一步地，該系統還包括處理模塊，用於在所述運算模塊根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值之後，當所述過載累計值小於零時，對所述過載累計值進行歸零處理。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：確定物理量的過載累計門限值為：(n-1)·p0·Td，
其中，p0表示物理量的額定值，n為過載倍數，Td為過載時間。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ OL = 0 T ( p - p 0 ) dt , ]]>
其中，OL表示物理量的過載累計值，p0表示物理量的額定值，p表示物理量的實際測量值，T表示電機運行時間。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計值為：
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間。
進一步地，所述運算模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計值為：
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間
進一步地，所述控制模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，通過閉環控制降低轉矩電流指令值至小於或等於轉矩電流的額定值，以調節電機電流，使得電機電流的當前實際測量值小於或等於額定值。
進一步地，所述控制模塊，還用於當確定出的過載累計值不大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值位於預設範圍內，其中，所述預設範圍為不小於額定值且不大於最大輸出值。
本發明提供的電機驅動的動態過載自動降載的控制方法及系統，通過計算確定用於描述電機驅動過載的物理量的過載累計門限值和過載累計值，當過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值，如此，使得電機驅動的輸出功率降低，從動態過載狀態自動降載。本發明提供的控制方法可以使過載累計值小於或等於過載累計門限值，從而使得電機驅動工作於最大輸出能力狀態下，當短時動態過載時(即過載累計值大於過載累計門限值時)，通過對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值降低，從而使得電機驅動自動降額進入安全工作邊界，保留額定持續驅動能力而不會保護停機。此外，驅動器應用本發明提供的控制方法及系統後，不但具有峰值過載能力，還具有自動降載及自動恢復動態過載的能力，在動感伺服平臺等設備上的應用中，避免了用戶反覆嘗試控制指令的加減速等平滑濾波方法或參數，減少了不必要的額外硬體和時間成本。
附圖說明
圖1為本發明較佳實施例提供的電機驅動的動態過載自動降載的控制方法的流程圖；
圖2為本發明較佳實施例提供的電機驅動的動態過載自動降載的控制原理圖；
圖3為本發明較佳實施例提供的電機驅動的動態過載自動降載的標么化處理原理圖；
圖4為本發明較佳實施例提供的控制系統應用於伺服驅動器的部分原理框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明，應當理解，以下所說明的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
圖1所示為本發明較佳實施例提供的電機驅動的動態過載自動降載的控制方法的流程圖。如圖1所示，本發明較佳實施例提供的電機驅動的動態過載自動降載的控制方法包括以下步驟：
步驟11：獲取用於描述電機驅動過載的物理量的額定值、過載倍數、過載時間、實際測量值及電機運行時間。
具體而言，過載能力由過載倍數和過載周期兩個指標決定。所謂的過載倍數指額定負載的百分比，過載周期指過載倍數的通斷周期。因此，過載能力是由系統功率器件硬體決定的，與散熱面積、過載倍數的允許條件有關，而與電機控制無關。可見，用於描述電機驅動過載的物理量的過載倍數及過載時間由電機及驅動器硬體確定。物理量的額定值根據電機設備的設置確定。此外，物理量的實際測量值在電機實際運行過程中檢測得到，電機運行時間根據電機實際運行情況確定。
步驟12：根據獲取的額定值、過載倍數以及過載時間，確定物理量的過載累計門限值，並根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值。
本步驟中，確定物理量的過載累計門限值為：(n-1)·p0·Td，
其中，p0表示物理量的額定值，n為過載倍數，Td為過載時間。
本步驟中，確定物理量的過載累計值為：
其中，OL表示物理量的過載累計值，p0表示物理量的額定值，p表示物理量的實際測量值，T表示電機運行時間。
於本步驟之後，該方法還包括：當所述過載累計值小於零時，對所述過載累計值進行歸零處理。換而言之，若過載累計值OL小於零，則將過載累計值OL歸零，從而保證過載累計值是一個非負量。
於第一實施例中，當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，Irpaute為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
於第一實施例中，當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ Σ [ ( i mag pu I b ) 2 2 - ( k I rate pu I b ) 2 ] T mod , ]]>
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間。
於第二實施例中，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計門限值為：
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值。
於第二實施例中，當物理量為電機電流時，所述確定物理量的過載累計值為：
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數(k)，Tmod為採樣時間。
步驟13：當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值。
在本步驟中，過載累計值大於過載累計門限值即為OL大於(n-1)·p0·dT。
於第一實施例中，當物理量為電機電流時，過載累計值大於過載累計門限值，即為式3.1成立：
<![CDATA[ Σ [ ( i mag pu I b ) 2 2 - ( k I rate pu I b ) 2 ] T mod > ( n - 1 ) ( k I rate pu I b ) 2 T d ]]> (式3.1)
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數(其中，k>＝1)，n為過載倍數，Td為過載時間，Tmod為採樣時間。
具體而言，定義電機電流額定值為Irate，定義電機電流額定峰值作為電機電流基值，即：則電流標么化形式的過程如下：
<![CDATA[ I rate 2 = I b 2 2 ( I rate pu ) 2 = ( I rate I b ) 2 = 1 2 ]]>
即，電機電流額定值的標么值
因此，式3.1最後可等效為式3.2：
k 2 ( n - 1 ) T d T mod ]]> (式3.2)。
於此，當式3.2成立時，電機驅動處於電流熱過載狀態。
於第二實施例中，當物理量為電機電流時，過載累計值大於過載累計門限值，即為式4.1成立：
<![CDATA[ Σ [ i mag pu 2 I b - k I rate pu I b ] T mod > ( n - 1 ) ( k I rate pu I b ) T d ]]> (式4.1)
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數(其中，k>＝1)，n為過載倍數，Td為過載時間，Tmod為採樣時間。
具體而言，定義電機電流額定值為Irate，定義電機電流額定峰值作為電機電流基值，即：則電流標么化形式的過程如下：
<![CDATA[ I rate 2 = I b 2 2 ( I rate pu ) 2 = ( I rate I b ) 2 = 1 2 ]]>
即，電機電流額定值的標么值
因此，式4.1最後可等效為式4.2：
k ( n - 1 ) T d T mod ]]> (式4.2)
於此，當式4.2成立時，電機驅動處於電流過載狀態。
此外，當沒有電流檢測時，即物理量為非電流時，可以將電流的概念通 過等效換算為電壓或其他可知物理量進行過載累計值及過載累計門限值的計算。其中，將電流等效換算為電壓或其他可知物理量屬於本領域技術人員的公知技術，具體實現並不用於限定本發明的保護範圍，這裡不再贅述。
另外，於本實施例中，當確定出的過載累計值不大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值位於預設範圍內，其中，所述預設範圍為不小於額定值且不大於最大輸出值。
舉例而言，當物理量為電機電流時，當確定出的過載累計值不大於過載累計門限值時，通過閉環控制使得電機電流的當前實際測量值位於預設範圍內，其中，預設範圍例如為不小於額定值(作為最小值)且不大於電機電流最大輸出值(作為最大值)。其中，最小值亦可通過參數進行設定。
本步驟中，當物理量為電機電流時，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，通過閉環控制降低轉矩電流指令值至小於或等於轉矩電流的額定值，以調節電機電流，使得電機電流的當前實際測量值小於或等於額定值。
具體而言，以電流熱過載狀態為例，當電機電流的過載累計值大於過載累計門限值時(即式3.2成立時)，根據設置的比例積分(PI)控制參數對過載累計門限值與過載累計值的差值進行比例和積分處理得到控制數據，由於電機電流的轉矩電流分量對電機過載產生關鍵影響，因此，根據該控制數據對電機電流的轉矩電流分量進行調節(如降低轉矩電流指令值)，在電機驅動電路中，轉矩電流分量的降低會影響電機電流的實際測量值，使得電機電流的實際測量值降低，從而自動使得電機驅動的輸出功率降低，以實現自動降載的效果。於此，轉矩電流分量的最小電流值例如為小於或等於額定電流值的電流值。一旦電機發生超載，通過比例積分控制獲得的控制數據可將轉矩電流分量降低至最小電流值進行工作。其中，設置不同的PI控制參數(如比例係數及積分時間常數)，動態過載自動降載的電流過程會有不同的平滑過程。於此，設置不同PI控制參數，使得輸出信號具有不同的平滑效果，屬於本領域技術人員的慣用技術手段，具體實現並不用於限定本發明的保護範圍，這裡不再贅述。
另外，當物理量為非電流時，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，可通過閉環調節該物理量，以使得電機驅動的輸出功率降低，以實現 自動降載的效果。然而，本發明對此並不限定。於實際應用中，可根據實際情況確定需要閉環調節的物理量。
此外，本發明較佳實施例還提供一種電機驅動的動態過載自動降載的控制系統，包括：
數據獲取模塊，用於獲取用於描述電機驅動過載的物理量的額定值、過載倍數、過載時間、實際測量值及電機運行時間；
運算模塊，用於根據獲取的額定值、過載倍數以及過載時間，確定物理量的過載累計門限值，並根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間，確定物理量的過載累計值；
控制模塊，用於當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值小於或等於額定值。
於本實施例中，運算模塊，具體用於：
確定物理量的過載累計門限值為：(n-1)·p0·Td，
其中，p0表示物理量的額定值，n為過載倍數，Td為過載時間；
確定物理量的過載累計值為：
其中，OL表示物理量的過載累計值，p0表示物理量的額定值，p表示物理量的實際測量值，T表示電機運行時間。
於一實施例中，運算模塊，具體用於：
當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計門限值為：
<![CDATA[ ( n - 1 ) ( k I rate pu I b ) 2 T d , ]]>
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值；
當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ Σ [ ( i mag pu I b ) 2 2 - ( k I rate pu I b ) 2 ] T mod , ]]>
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標 么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數，Tmod為採樣時間。
於另一實施例中，運算模塊，具體用於：
當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計門限值為：
<![CDATA[ ( n - 1 ) ( k I rate pu I b ) 2 T d , ]]>
其中，n為過載倍數，Td為過載時間，k為超載使用係數，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值；
當物理量為電機電流時，確定物理量的過載累計值為：
<![CDATA[ Σ [ i mag pu 2 I b - k I rate pu I b ] T mod , ]]>
其中，為電機電流矢量的幅值的標么值，為電機電流額定值的標么值，Ib為電機電流基值，k為超載使用係數(k)，Tmod為採樣時間。
於一較佳實施例中，上述系統還包括處理模塊，用於在運算模塊根據獲取的額定值、實際測量值及電機運行時間確定過載累計值之後，當過載累計值小於零時，對所述過載累計值進行歸零處理。
於一較佳實施例中，控制模塊，具體用於：當物理量為電機電流時，當確定出的過載累計值大於過載累計門限值時，通過閉環控制降低轉矩電流指令值至小於或等於轉矩電流的額定值，以調節電機電流，使得電機電流的當前實際測量值小於或等於額定值。
於一較佳實施例中，控制模塊，還用於當確定出的過載累計值不大於過載累計門限值時，對物理量進行閉環調節，使得當前實際測量值位於預設範圍內，其中，所述預設範圍為不小於額定值且不大於最大輸出值。
如圖2所示，以電流熱過載的處理為例，於此，運算模塊例如包括積分器，積分器用於確定過載累計值，處理模塊例如為歸零處理器，用於當過載累計值為負數時進行取零處理。控制模塊例如為比例積分PI控制器，用於根據確定出的過載累計值和過載累計門限值，調節轉矩電流分量。其中，轉矩電流分量的最大電流值例如為電機正常工作的最大輸出值，最小電流值例如為小於或等於額定電流值的電流值。關於比例積分PI調節同上述方法步驟13所述，故於此不再贅述。其中，當比例積分控制參數的比例增益和積 分增益很大時，PI控制器可等效為邦邦(Bang-Bang)控制器，即採用Bang-Bang控制代替PI控制。關於Bang-Bang控制的具體設置，屬於本領域技術人員的慣用技術手段，具體實現並不用於限定本發明的保護範圍，這裡不再贅述。
於實際應用中，可將圖2所示的過程進行標么化處理等效為圖3所示的過程，以便於實際應用實現。如圖3所示，於此，運算模塊例如包括積分器與標么處理器，積分器用於確定過載累計值，標么處理器用於對確定的過載累計值進行標么化計算，得到過載累計值的標么值。
此外，關於本發明較佳實施例提供的系統具體操作過程同上述方法所述，故於此不再贅述。
圖4所示為本發明較佳實施例提供的控制系統應用於伺服驅動器的部分原理框圖。其中，應用所述控制系統的伺服驅動器採用雙核數位訊號處理(DSP)的快速電流環浮點CLA內核處理實現全浮點的數位化矢量控制，且具有良好的動態跟隨性。如圖4所示，電機電流採樣後，通過Clarke和Park變換到同步坐標上，經處理後得到電流矢量的幅值imag。過載自動降載控制系統用於根據得到的電流矢量的幅值imag進行過載自動降載處理，其內部原理如圖2或圖3所示。過載限制模塊用於根據過載自動降載控制系統的輸出對轉矩電流命令值進行幅值限制，該限制包括正負兩個方向。通過對轉矩電流值的限制，調節電流矢量的幅值imag，實現對電機電流的過載累計值的閉環調節，自動降低伺服驅動的輸出功率，以實現自動降載的效果。其中，在圖4中，過載限制模塊的輸出經逆Park變換、空間矢量脈寬調製至電壓源型逆變器，及電機電流採樣後通過Clarke和Park變換得到電流矢量的幅值imag的電路部分，屬於本領域技術人員的現有技術手段，具體實現並不用於限定本發明的保護範圍，這裡不再贅述。
如此，該伺服驅動器應用本發明提供的控制系統後，不但具有峰值過載能力，還具有自動降載及自動恢復過載的能力，在動感伺服平臺等設備上的應用中，避免了用戶反覆嘗試控制指令的加減速等平滑濾波方法或參數，減少了不必要的額外硬體和時間成本。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本發 明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。