專利名稱：一種感應電動機的矢量控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動機領域，特別是用于控制感應電動機的變速運轉的無速度傳感器矢量控制方法。
背景技術：
隨著矢量控制理論的引入和高性能的中央處理器(CPU)和數字信號處理器(DSP)的發展，可以高性能的控制感應電動機做變速運轉。即需要感應電動機的速度信息或磁通信息來對感應電動機進行矢量控制。通常為了檢測速度信息或磁通信息，需要速度傳感器或磁通傳感器，諸如速度機、解析器或脈沖編碼器。但傳感器的電子電路在使用溫度方面受到局限，速度傳感器和變流器之間信號接線費用高，而且感應電動機與速度傳感器之間的連接部分要經受沖擊，出于設備可靠性考慮最好避免使用傳感器。因此近來提出了無傳感器矢量控制設備的各種感應電動機速度估算方法，但現有的方法都有各自的局限性。
現有方法一基于模型參考自適應系統，MRAS(Model Reference Adaptive System)方法辨識參數的主要思想是將含有待估計參數的方程作為可調模型，將不含未知參數的方程作為參考模型，利用兩個模型輸出量的偏差根據一定自適應率來實時調節可調模型的參數。MRAS方法的框圖如圖1所示，它存在以下幾個問題首先，MRAS方法存在一個收斂速度的問題。因為電機的轉速不是直接計算出的，而是通過自適應調節器通過調節和控制產生的，自適應調節器的收斂速度與調節器的參數相關。其次，MRAS方法存在穩定性的問題。自適應調節器存在一個穩定的參數范圍，對于不同的電機，調節器穩定的參數范圍不一樣。設計者還必須在自適應調節器的收斂速度和穩定性方面作一些折衷。另外，MRAS方法的結構較為復雜，實現起來也較為困難。
現有方法二為改進的電壓模型法，對電機磁鏈的電壓模型法做了改進，其原理如圖2所示。用一階慣性濾波環節替代采用純積分器進行反電動勢計算，在低速運行時，一階慣性濾波環節的計算值與實際值相差很大，且與轉子速度相干擾，使不可能進行完全的矢量控制，對在整個速度范圍內進行適當的矢量控制來說，這一解決方案是不令人滿意的。其次，磁鏈觀測的補償量為轉子磁鏈給定值，磁鏈觀測器在磁鏈幅值變化的過程中，如啟動過程、勵磁電流交流注入實現無速度傳感器Rr辨識、弱磁控制等都不能準確觀測。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種感應電動機的矢量控制方法，能夠進行穩定準確的控制電機磁鏈和轉速觀測。
為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案一種感應電動機的矢量控制方法，包括磁鏈觀測的步驟，其特征在于，所述磁鏈觀測步驟包括如下幾步首先分別進行電壓模型計算和電流模型計算得到磁鏈ψrhpf和ψrlpf，然后兩部分磁鏈相加再進行直角坐標/極坐標變換得到磁鏈角θs和磁鏈幅值，磁鏈角θs作為參數再反饋到電流模型計算步驟中去。
所述電流模型計算包括以下步驟1)旋轉變換，根據電機檢測的電流is和磁場角θs得到α-β坐標系下的電機定子電流isα、isβ，is＝{isα，isβ}T，繼而計算出同步旋轉d-q坐標系下的電機磁場電流isd，isdisq=cosθssinθs-sinθscosθsisαisβ]]>isq為電機力矩電流；2)電流磁鏈模型計算，使用上述電機磁場電流isd算出同步旋轉d-q坐標系下磁鏈ψrd，ψrd=Lm1+τrsisd]]>式中，τr為轉子時間常數，Lm為電機定轉子互感；3)旋轉逆變換，使用上述d-q坐標系下磁鏈ψrd進行逆變換，算出α-β坐標系下的磁鏈ψr 4)低通濾波，通過第二積分器，在高速時將電流模型計算的觀測值濾掉， 即得到磁鏈ψrlpf。
所述電壓模型計算包括以下兩個步驟
1)反電動勢計算，根據電機檢測的電流is與逆變器發出的電壓Us計算出電機反電動勢e，e‾=LrLm(Us‾-Rs·is-σLsddtis)]]>式中，e為電機反電動勢，Lr為電機轉子電感，Lm為電機定轉子互感，Rs為電機定子電阻，Ls為電機轉子電感，σ為電機漏感系數；2)高通濾波，通過第一積分器，在低速時將電壓模型計算的觀測值濾掉，即得到磁鏈ψrhpf， 所述磁鏈相加和直角坐標/極坐標變換過程為電壓模型計算的磁鏈ψrhpf和電流計算的磁鏈ψrlpf經過相加得到觀測到的電機磁鏈 ψr^=ψrlpf+ψhpfr,]]>因此，混合的磁鏈計算公式為 計算的磁鏈再經過直角坐標/極坐標變換得到磁鏈幅值和磁鏈角，θs=arctgψsβψsα.]]>計算出的磁鏈角θs作為參數反饋到旋轉變換和旋轉逆變換。
本發明同時提供一種感應電動機的矢量控制裝置，包括磁鏈觀測模塊，所述磁鏈觀測模塊包括電壓模型部分、電流模型部分、加法器、直角坐標/極坐標變換裝置和一個反饋裝置。
所述電流模型部分包括1)旋轉變換裝置，根據電機檢測的電流is和磁場角θs得到α-β坐標系下的電機定子電流isα、isβ，
is＝{isα，isβ}T，繼而計算出同步旋轉d-q坐標系下的電機磁場電流isd，isdisq=cosθssinθs-sinθscosθsisαisβ]]>isq為電機力矩電流；2)電流磁鏈模型計算裝置，使用上述電機磁場電流isd算出同步旋轉d-q坐標系下磁鏈ψrd，ψrd=Lm1+τrsisd]]>式中，τr為轉子時間常數，Lm為電機定轉子互感；3)旋轉逆變換裝置，使用上述d-q坐標系下磁鏈ψrd進行逆變換，算出α-β坐標系下的磁鏈ψr 4)低通濾波裝置，通過第二積分器，在高速時將電流模型的觀測值濾掉， 即得到磁鏈ψrlpf。
所述電壓模型部分包括1)反電動勢計算裝置，根據電機檢測的電流is與逆變器發出的電壓Us計算出電機反電動勢e，e‾=LrLm(Us‾-Rs·is-σLsddtis)]]>式中，e為電機反電動勢，Lr為電機轉子電感，Lm為電機定轉子互感，Rs為電機定子電阻，Ls為電機轉子電感，σ為電機漏感系數；2)高通濾波裝置，通過第一積分器，得到磁鏈ψrhpf，
所述加法器和直角坐標/極坐標變換裝置，電壓模型法的磁鏈ψr和電流模型法磁鏈ψrlpf經過加法器得到觀測到的電機磁鏈 ψ^r=ψrlpf+ψhpfr]]>因此，混合模型的磁鏈計算公式為 計算的磁鏈再經過直角坐標/極坐標變換得到磁鏈幅值和磁鏈角，θs=arctgψsβψsα.]]>反饋裝置將計算出的磁鏈角θs作為參數反饋到旋轉變換裝置和旋轉逆變換裝置。
本發明在結合電壓模型法、電流模型法的優點，彌補其不足的基礎上，采用了改進電壓模型法。考慮到電壓模型和電流模型的各自特點，將兩者結合起來使用，即在高速時讓電壓模型起作用，通過低通濾波器將電流模型的觀測值濾掉；在低速時讓電流模型起作用，通過高通濾波器將電壓模型觀測值濾掉，這樣磁鏈觀測在高速和低速時都有較高的精確度。
本發明算法穩定，估計值對實際值的收斂速度快，對受控對象參數變化和測量噪聲具有較好的魯棒性，結構上也不過于復雜，實現起來較為方便。
圖1是一種現有技術，MRAS方法辨識電機轉速的框圖。
圖2是另一種現有技術，改進電壓模型法的原理框圖。
圖3是本發明磁鏈觀測模塊的框圖。
圖4是本發明的一個實施例，一種無速度傳感器矢量控制總體框圖。
具體實施例方式
圖4為本發明的一個無速度傳感器矢量控制系統的實施例，現就圖4進行說明。檢測的電機電流經過3/2變換，變換后isα，isβ為α-β坐標系下的電機定子電流。同時，逆變器發出的電壓Usα，Usβ進入本發明的磁鏈觀測模塊，isα，isβ同時進入旋轉坐標變換模塊，得到isd，isq為同步旋轉d-q坐標系下的電機定子電流。磁場電流isd進入磁鏈觀測模塊。通過磁鏈觀測模塊的計算，得到估計的電機同步轉速 給定磁鏈ψr*和給定的電機力矩電流isq*進入滑差計算模塊，得到滑差轉速ωsl*，電機同步轉速ωs和滑差轉速ωsl*經減法器計算出轉子轉速，再經過低通濾波器濾波，得到估計的轉子轉速。估計的轉子轉速與給定轉速經過減法器，再經過速度控制器，速度控制器輸出指令電機轉矩，指令電機轉矩經過轉矩電流計算模塊，計算出給定的電機力矩電流；指令磁鏈ψr*經過磁場計算模塊，計算出給定的電機磁場電流。給定的電機力矩電流與檢測的電機力矩電流進入減法器，再經過電流控制器，產生給定的電機力矩電壓；給定的電機磁場電流與檢測的電機磁場電流進入減法器，再經過電流控制器，產生給定的電機磁場電壓。給定的電機力矩電壓和給定的電機磁場電壓分別加上補償電壓，進入旋轉變換模塊，然后通過電壓變換模塊，施加到三相感應電機上。
其中，磁鏈觀測模塊的計算，包括電壓模型部分、電流模型部分、加法器、直角坐標/極坐標變換裝置和一個反饋裝置。
所述電流模型部分包括1)旋轉變換裝置，根據電機檢測的電流is和磁場角θs得到α-β坐標系下的電機定子電流isα、isβ，is＝{isα，isβ}T，繼而計算出同步旋轉d-q坐標系下的電機磁場電流isd，isdisq=cosθssinθs-sinθscosθsisαisβ]]>isq為電機力矩電流；2)電流磁鏈模型計算裝置，使用上述電機磁場電流isd算出同步旋轉d-q坐標系下磁鏈ψrd，ψrd=Lm1+τrsisd]]>
式中，τr為轉子時間常數，Lm為電機定轉子互感；3)旋轉逆變換裝置，使用上述d-q坐標系下磁鏈ψrd進行逆變換，算出α-β坐標系下的磁鏈ψr 4)低通濾波裝置，通過第二積分器，在高速時將電流模型的觀測值濾掉， 即得到磁鏈ψrlpf。
所述電壓模型部分包括1)反電動勢計算裝置，根據電機檢測的電流is與逆變器發出的電壓Us計算出電機反電動勢e，e‾=LrLm(Us‾-Rs·is-σLsddtis)]]>式中，e為電機反電動勢，Lr為電機轉子電感，Lm為電機定轉子互感，Rs為電機定子電阻，Ls為電機轉子電感，σ為電機漏感系數；2)高通濾波裝置，通過第一積分器，得到磁鏈ψrhpf， 所述加法器和直角坐標/極坐標變換裝置，電壓模型法的磁鏈ψr和電流模型法磁鏈ψrlpf經過加法器得到觀測到的電機磁鏈 ψ^r=ψrlpf+ψhpfr]]>因此，混合模型的磁鏈計算公式為
計算的磁鏈再經過直角坐標/極坐標變換得到磁鏈幅值和磁鏈角，θs=arctgψsβψsα.]]>反饋裝置將計算出的磁鏈角θs作為參數反饋到旋轉變換裝置和旋轉逆變換裝置。
無速度傳感器矢量控制系統的轉速根據觀測出的磁鏈進行估計。
由矢量關系可知，同步旋轉速度ωs=ddtθs=ddt[arctgψsβψsα]=pψsβψsα-pψsαψsβψsα2+ψsβ2]]>滑差頻率的計算公式在不同的參考坐標系下有不同的表達形式。在轉子磁場定向控制中ωsl=Lmτrisqψrd]]>ωsl為滑差頻率，則估計的轉子轉速為ωr＝ωs-ωsl本發明在結合電壓模型法、電流模型法的優點，彌補其不足的基礎上，采用了改進電壓模型法。考慮到電壓模型和電流模型的各自特點，將兩者結合起來使用，即在高速時讓電壓模型起作用，通過低通濾波器將電流模型的觀測值濾掉；在低速時讓電流模型起作用，通過高通濾波器將電壓模型觀測值濾掉，這樣磁鏈觀測在高速和低速時都有較高的精確度。
本發明算法穩定，估計值對實際值的收斂速度快，對受控對象參數變化和測量噪聲具有較好的魯棒性，結構上也不過于復雜，實現起來較為方便。
權利要求
1.一種感應電動機的矢量控制方法，包括磁鏈觀測的步驟，其特征在于，所述磁鏈觀測步驟包括如下幾步首先分別進行電壓模型計算和電流模型計算得到磁鏈ψrhpf和ψrlpf，然后兩部分磁鏈相加再進行直角坐標/極坐標變換得到磁鏈角θs和磁鏈幅值，磁鏈角θs作為參數再反饋到電流模型計算步驟中去。
2.根據權利要求1所述的感應電動機的矢量控制方法，其特征在于，所述電流模型計算包括以下步驟1)旋轉變換，根據電機檢測的電流is和磁場角θs得到α-β坐標系下的電機定子電流isα、isβ，is＝{isα，isβ}T，繼而計算出同步旋轉d-q坐標系下的電機磁場電流isd，isdisq=cosθssinθs-sinθscosθsisαisβ]]>isq為電機力矩電流；2)電流磁鏈模型計算，使用上述電機磁場電流isd算出同步旋轉d-q坐標系下磁鏈ψrd，ψrd=Lm1+τrsisd]]>式中，τr為轉子時間常數，Lm為電機定轉子互感；3)旋轉逆變換，使用上述d-q坐標系下磁鏈ψrd進行逆變換，算出α-β坐標系下的磁鏈ψr 4)低通濾波，通過第二積分器，在高速時將電流模型計算的觀測值濾掉， 即得到磁鏈ψrlpf。
3.根據權利要求1所述的感應電動機的矢量控制方法，其特征在于，所述電壓模型計算包括以下兩個步驟1)反電動勢計算，根據電機檢測的電流is與逆變器發出的電壓Us計算出電機反電動勢e，e‾=LrLm(Us‾-Rs·is-σLsddtis)]]>式中，e為電機反電動勢，Lr為電機轉子電感，Lm為電機定轉子互感，Rs為電機定子電阻，Ls為電機轉子電感，σ為電機漏感系數；2)高通濾波，通過第一積分器，在低速時將電壓模型計算的觀測值濾掉，即得到磁鏈ψrhpf，
4.根據權利要求2所述的感應電動機的矢量控制方法，其特征在于，所述磁鏈相加和直角坐標/極坐標變換過程為電壓模型計算的磁鏈ψrhpf和電流計算的磁鏈ψrlpf經過相加得到觀測到的電機磁鏈 ψr^=ψrlpf+ψhpfr,]]>因此，混合的磁鏈計算公式為 計算的磁鏈再經過直角坐標/極坐標變換得到磁鏈幅值和磁鏈角，θs=arctgψsβψsα.]]>計算出的磁鏈角θs作為參數反饋到旋轉變換和旋轉逆變換。
5.一種感應電動機的矢量控制裝置，包括磁鏈觀測模塊，其特征在于，所述磁鏈觀測模塊包括電壓模型部分、電流模型部分、加法器、直角坐標/極坐標變換裝置和一個反饋裝置。
6.根據權利要求5所述的感應電動機的矢量控制裝置，其特征在于，所述電流模型部分包括1)旋轉變換裝置，根據電機檢測的電流is和磁場角θs得到α-β坐標系下的電機定子電流isα、isβ，is＝{isα，isβ}T，繼而計算出同步旋轉d-q坐標系下的電機磁場電流isd，isdisq=cosθssinθs-sinθscosθsisαisβ]]>isq為電機力矩電流；2)電流磁鏈模型計算裝置，使用上述電機磁場電流isd算出同步旋轉d-q坐標系下磁鏈ψrd，ψrd=Lm1+τrsisd]]>式中，τr為轉子時間常數，Lm為電機定轉子互感；3)旋轉逆變換裝置，使用上述d-q坐標系下磁鏈ψrd進行逆變換，算出α-β坐標系下的磁鏈ψr 4)低通濾波裝置，通過第二積分器，在高速時將電流模型的觀測值濾掉， 即得到磁鏈ψrlpf。
7.根據權利要求5所述的感應電動機的矢量控制裝置，其特征在于，所述電壓模型部分包括1)反電動勢計算裝置，根據電機檢測的電流is與逆變器發出的電壓Us計算出電機反電動勢e，e‾=LrLm(Us‾-Rs·is-σLsddtis)]]>式中，e為電機反電動勢，Lr為電機轉子電感，Lm為電機定轉子互感，Rs為電機定子電阻，Ls為電機轉子電感，σ為電機漏感系數；2)高通濾波裝置，通過第一積分器，得到磁鏈ψrhpf，
8.根據權利要求6所述的感應電動機的矢量控制裝置，其特征在于，所述加法器和直角坐標/極坐標變換裝置，電壓模型法的磁鏈ψr和電流模型法磁鏈ψrlpf經過加法器得到觀測到的電機磁鏈 ψr^=ψrlpf+ψhpfr]]>因此，混合模型的磁鏈計算公式為 計算的磁鏈再經過直角坐標/極坐標變換得到磁鏈幅值和磁鏈角，θs=arctgψsβψsα.]]>反饋裝置將計算出的磁鏈角θs作為參數反饋到旋轉變換裝置和旋轉逆變換裝置。
全文摘要
一種感應電動機的矢量控制方法及裝置，其中磁鏈觀測步驟包括首先分別進行電壓模型計算和電流模型計算得到磁鏈ψ
文檔編號H02P21/00GK101043194SQ20061002502
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月23日 優先權日2006年3月23日
發明者李永東, 杜耀武 申請人:上海格立特電力電子有限公司, 李永東