專利名稱：用于使同步電機中的轉子角度估算誤差最小的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于使同步電機中的轉子角度估算誤差最小的方法，所述方法包括以下步驟根據同步電機的電流模型確定同步電機的定子磁通，根據電壓積分和定子磁通的初始值確定同步電機的定子磁通，以及確定同步電機的轉子角度。
同步電機一般包括具有三相繞組的定子和磁化轉子。所述轉子一般借助于永久激勵或單獨激勵被磁化。在永久激磁中，轉子具有永磁體塊，在定子中產生的磁場把所述永磁體塊拉向定子，同時使轉子轉動。轉子的單獨激磁指的是在轉子內部具有被供電的線圈。這種在轉子中的線圈形成轉子磁極，其按照和永磁體構成的磁極相同的原理工作。同步電機的轉子可以是凸極轉子或圓柱轉子。在圓柱轉子電機中，轉子的電感相對于定子幾乎是常數，而在凸極電機中，因為在轉子和定子之間的氣隙根據轉子的位置角度而改變，其電感有較大改變。
在速度控制的同步電機中，在控制系統的功能方面重要的是電機轉子的位置角度被盡可能精確地獲知。特別是在基于電機定子磁通的直接控制的控制方法中，角度確定的精度對于控制的精度具有相當的影響。通常使用脈沖編碼器或絕對值檢測器確定轉子位置的角度，并且從中獲得的信息可用于確定轉子角度。
由角度檢測器獲得的測量結果含有由可以確定的至少兩個分量引起的誤差。引起誤差的第一個已知的分量是由角度檢測器確定的不正確的初始角度，提出了若干種算法用于計算初始角度。不過，轉子在初始時可以是沿所需的方向轉動的，只要電機的負載允許如此。轉子最好被這樣轉動，使得其轉動方向例如和一相線圈的方向相同。通過對所需的相提供直流電流可以使轉子轉動，并且因而可以使轉子沿著所需的方向旋轉。不過，通過使轉子轉動確定和校正初始角度通常是不可能的，因為電機通常用作同步電機。
在離散所控制系統中轉子角度的誤差可能由延遲引起。如果用于計算電機狀態的轉子角度已經在計算電機模型之前的一個時間ΔT被確定，按照公式Δθ=ωΔt，這將引起和轉子的角頻率成正比的附加誤差。換句話說，在轉子旋轉時確定的角度信息在其被用于計算電機模型之前已經過時了。因而由所述延遲引起的角度誤差直接地和轉子的角速度成正比。
在基于由同步電機的定子電流引起的轉矩的直接控制的電機控制方法中，要施加于定子的電壓根據磁通估算值Ψssu來選擇，其基于電壓的積分，并根據短的采樣周期來計算。磁通估算值Ψssu使用積分定理(1)來確定ψssu=ψssuO+∫ll+Δl(uss-Rsiss)dt]]>其中Ψssu0是磁通的初始值，uss是要被施加的電壓，iss是被確定的定子電流，Rs是定子電阻。在復數平面內，磁通估算值Ψssu由一個振蕩的圓環路徑描述，因為磁通在某個滯后的限制內被控制。如果磁通估算值Ψssu等于定子中的實際磁通Ψss，則要被產生的定子電流的相量iss的軌跡是一個中心在原點的圓。然而，因為錯誤的電壓或電阻計算，實際磁通Ψss可以跟隨一個和所述估算不同的軌跡。
根據電機的電流模型的估算值Ψsest被用于穩定基于積分(2)的估算值Ψssest=f[L1(θr),L1(θr),…,Ln(θr),is,Ψf(θr)]其中L1(θr),L2(θr),…,Ln(θr)表示影響定子磁通的電感，θr是轉子角度，Ψf(θr)是由轉子產生的并且獨立于定子電流的磁通，例如單獨激勵或永磁激勵。由所述模型產生的磁通的估算值相互比較，其差值在電壓模型產生的估算值中被刷新。由公式(2)可見，在同步電機中，電流模型需要以定子坐標表示的轉子角度的信息。如果從脈沖編碼器或絕對檢測器接收的角度信息是錯誤的，則磁通估算值也將是錯誤的，并且使得在電壓模型中進行的刷新是錯誤的。即使上述的方式提供了轉子磁通幅值的可靠的估算，但是當轉子角度誤差相當大時，電機操作的轉矩與速度控制的精度受到大的妨礙。
本發明的目的在于提供一種方法，其能夠避免上述的缺點，因而精確地估算同步電機的轉子角度，可靠而精確地控制同步電機的操作。所述目的是通過本發明的方法實現的，其特征在于所述方法包括以下步驟根據確定的定子磁通確定角度的校正項，以及將角度的校正項加到同步電機的確定的轉子角度，從而獲得轉子角度估算值。
本發明的方法基于這樣的構思，即，當校正項θr被加于確定的轉子角度時，便獲得轉子角度的精確的估算值，所述校正項和根據同步電機的電流和電壓模型確定的定子磁通的直軸分量的差值成正比。
本發明的方法通過簡單的操作提供了同步電機的實際轉子位置角度的可靠的估算，這對于獲得同步電機的精確的可控性是重要的。由于該方法簡單，使得其容易實現，并且不需要附加的測量或參數信息。
下面結合附圖借助于優選實施例詳細說明本發明，其中
圖1是按照本發明的方法的方塊圖；以及圖2說明本發明的方法是如何和同步電機的驅動操作相關的。
如圖1所示，當根據電流模型1估算同步電機的定子磁通時，需要關于影響定子磁通的電感的估算值L1,L2…Ln的參數信息。當所述的情況在靜止的坐標系統中觀察時，所述的電感值隨著轉子位置角度θr的改變而改變。還需要關于磁通Ψf的參數信息，例如由對轉子單獨激勵或永磁激勵而產生的，其獨立于定子電流，是由轉子產生的。當從靜止坐標系統看時，由轉子產生的磁通Ψf也隨轉子位置角度的改變而改變。因為定子磁通也依賴于定子電流iss，所以必須確定電流的大小。因而同步電機的電流模型可被用于確定定子磁通估算值Ψssest，其是上述變量的函數。
定子磁通也可以根據同步電機的電壓模型2來確定。在電壓模型中，在定子中的有效電壓被積分，其根據電壓模型產生一個估算值Ψssu’。定子的有效電壓的大小通過從被施加于定子線圈的電壓中減去當在線圈中流過電流時由定子線圈的電阻產生的電壓降來獲得。在電壓模型中，需要關于定子線圈電阻的大小和定子磁通的幅值的初值的參數信息。在基于電機轉矩的直接控制的電機控制方法中，要施加于電機的電壓通常根據基于電壓積分的磁通估算值進行選擇，并根據一個短的采樣周期來估算。以兩種不同方式獲得的定子磁通估算值，即基于電流模型的估算值和基于電壓模型的估算值用作減少轉子位置角度并穩定磁通的基礎。借助于比較通過不同的模型獲得的估算值進行穩定性處理，并且可能的差值在電壓模型估算中被刷新。
按照本發明的方法確定的定子磁通被用于確定角度的校正項，其被加于測量的轉子角度估算。按照本發明的優選實施例，當確定角度校正項時，被確定的定子磁通估算值被變換為估算的轉子坐標。圖1中的電流模型塊1包括坐標變換的元件，因而電流模型塊的輸出是以估算的轉子坐標表示的定子磁通估算值ψr’sest。在定子坐標中表示的并在電壓模型2的輸出中獲得的定子磁通估算值ψssu’使用坐標變換4被變換成計算的轉子坐標。為了把磁通估算值變換成估算的轉子坐標，需要知道轉子位置角度。作為由和轉子相連的角度檢測器檢測的測量結果而獲得的轉子角θr和本發明的方法確定的角度校正項θk的和或者角度校正項的初始值被用作位置角。
由本發明的兩種方法確定的定子磁通估算值是矢量變量。按照所述方法，從根據電流模型確定的定子磁通ψr’sest中減去根據電壓模型確定的定子磁通估算值ψssu’。按照圖1，由加法器3提供磁通之間的差值。基于電流模型的估算和加法器的正輸入端相連，基于電壓模型估算的值和加法器的負輸入端相連。加法器3的輸出，即作為所述計算值的差而獲得的定子磁通的差值變量Δψr’s被連接到變換器6和坐標變換器5的輸入端。
從加法器3獲得的差值變量Δψr’s也是一個矢量變量，其包括實部分量和虛部分量。變換器6從差值變量Δψr’s中除去虛部分量，因而只剩下差值信號的實部Δψsd，其對應于在計算的轉子坐標系統中電流模型和電壓模型的磁通估算值的直軸分量的差。
變換器6的輸出和乘法器8的輸入端相連。乘法器8通過使差值變量的實部Δψsd乘以一個恒定的系數k對其進行比例放大，因而乘法器的輸出是一個被放大的差值變量。在乘法器8的輸出端獲得的放大的差值變量被加法器9加于角度校正項的前一個值θk(n-1)，從而獲得新的值θk(n)作為角度校正項。通過把校正項加于由確定角度的測量元件獲得的轉子角θest，所述的角度校正項被用于確定轉子位置角度。用這種方式獲得的轉子位置角度θn的校正的估算值是精確的，因而能夠更可靠地控制同步電機。
在本發明的優選實施例中，通過由加法器7把被變換為定子坐標的定子磁通的差值變量加于基于電壓模型的定子磁通ψssu’確定校正的定子磁通ψssu。定子磁通的差值變量由坐標變換器5變換成定子坐標。在測量信息和角度校正項中所獲的轉子角度和值被用在此變換中。從加法器7獲得的校正的定子磁通ψssu被用于控制同步電機，如圖2所示。
當同步電機處于工作狀態時，可以以上述的方式應用本發明的方法，在這種情況下，可以連續地確定角度校正項。按照本發明的一個優選實施例，本發明的方法也可以用于在電機被實際使用之前識別所需的角度校正。在這種情況下，同步電機的一個或幾個角速度被用于按照本發明確定角度校正項。此后，和電機的所有其它角速度相關的校正項可以根據已被確定的校正項來確定。和其它角速度相關的被確定的校正項被這樣存儲，使得當同步電機以某個角速度旋轉時，正確的校正項可被加于測量的位置角。因而，轉子的位置角可以用可靠而簡單的方式確定。根據按照本發明的方法確定的一個或幾個校正項確定所有速度下的校正項的是可行的，因為按照誤差發生的原理在位置角中的誤差對于角速度是線性的。因而，通過內插確定的校正項，可以獲得關于所有可能的角速度下的校正項。
按照圖2所示的本發明的示意圖，在塊13中使角度誤差最小并計算磁通。圖2表示角度誤差的最小化是如何和電機控制系統的其余部分相關的。圖中所示的方法使用基于電機轉矩的直接控制的控制方法。角度誤差最小化塊13在其輸入端接收關于使用的電壓、定子電流的大小的信息以及來自角度檢測器的測量信息。電機電感的大小也被包括在參數信息中。角度誤差最小化塊的輸出是使用本發明的方法被校正過的定子磁通。
在轉矩計算塊14中根據測量的定子電流和在塊13的輸出中獲得的定子磁通計算作用在電機軸上的轉矩Te。由電機產生的轉矩Te和磁通ψssu(n)和相應的參考值Teref以及ψsref進行比較以便獲得差值變量。在控制塊15中，磁通和轉矩被控制使得保持定子磁通和轉矩恒定。根據控制塊的輸出從最佳轉換表中選擇適用于給定情況的電壓指令，用于控制和電機的定子線圈相連的逆變器11的轉換，使得達到定子磁通和轉矩的所需的值。
顯然，隨著技術的發展，本領域的技術人員可以用多種方式實施本發明。因而本發明及其實施例不受上述例子的限制，在權利要求的范圍內，這些實施例可以被改變。
權利要求
1．一種用于使同步電機中的轉子角度估算值的誤差最小化的方法，所述方法包括以下步驟根據同步電機的電流模型確定同步電機的定子磁通(ψssest)，根據電壓積分和定子磁通的初始值(ψssu(n-1))確定定子磁通(ψssu’)，以及確定同步電機的轉子角度(θest(n))，其特征在于，所述方法還包括以下步驟根據確定的定子磁通(ψssest,ψssu’)確定角度的校正項(θk(n))，以及將角度的校正項(θk(n))加到同步電機的確定的轉子角度(θest(n))上，從而獲得轉子角度估算值(θ(n))。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于，其中角度校正項的確定還包括以下步驟在坐標變換中使用確定的轉子角度(θest(n))和角度校正項(θk(n-1))的和把確定的兩個定子磁通變換成估算的轉子坐標，從基于電流模型的并被轉換成計算的轉子坐標的定子磁通(ψr’sest)中減去基于電壓模型的并被變換成轉子坐標的定子磁通(ψr’su’)，從而獲得定子磁通的差值變量(Δψr’s)，從定子磁通的差值變量(Δψr’s)中取出實部部分(Δψsd)，利用放大系數(k)乘以定子磁通的實部部分(Δψsd)，從而獲得放大的差值變量，以及把所述放大的差值變量加于角度校正項的初始值(θk(n-1))，獲得一個更新的角度校正項(θk(n))。
3．如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟通過把被變換成定子坐標的定子磁通的差值變量(Δψss)加于積分的定子磁通(ψssu’)上確定校正的定子磁通(ψssu(n))，借以使校正的定子磁通(ψssu(n))用作定子磁通的下一個初始值，用于確定定子磁通的電壓積分。
4．如權利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下步驟根據電機的一個或幾個角速度確定角度校正項(θk)，根據使用電機的一個或幾個角速度確定的校正項(θk)形成并存儲關于其它角速度的角度校正項，在同步電機的操作期間選擇一個依賴于角速度的角度校正項，以及把所述選擇的角度校正項加于被確定的轉子角度上，從而獲得轉子角度估算值。
全文摘要
一種用于使同步電機中的轉子角度估算值的誤差最小化的方法,所述方法包括以下步驟:根據同步電機的電流模型確定同步電機的定子磁通(Ψ
文檔編號H02P21/14GK1305658SQ99807240
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月9日 優先權日1998年6月11日
發明者J·盧科 申請人:Abb工業公司