CN1294695C - 感应电动机的无传感器矢量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，包括：磁通量与速度控制单元，接收预定命令值并产生DC分量的两相电压；第一参照系转换单元，将DC分量的两相电压转换成AC分量的三相电压；换流器，接收AC分量的三相电压并驱动感应电动机；电流检测单元，接收流过换流器与感应电动机之间的AC分量的三相电功率，检测并输出AC分量的三相电流；第二参照系转换单元，接收AC分量的三相电流，进行转换并输出DC分量的两相电流；磁通量与速度估算单元，接收DC分量的两相电压和DC分量的两相电流，估算矢量控制所需的磁通量与速度；以及一次线圈电阻估算单元，接收DC分量的两相电压、DC分量的两相电流和磁通量与速度的估算值，估算一次线圈电阻。

Description

感应电动机的无传感器矢量控制系统及方法

                    技术领域

本发明涉及一种感应电动机的矢量控制系统，具体地说，涉及一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，该系统不用速度测量装置就能估算感应电动机的磁通量和速度。

                    背景技术

通常，由于DC电动机具有易控制性，因此长时间以来它都用作固定速度和可变速度的控制装置。但DC电流具有以下缺点：使用预定时间后会消耗电刷，由此需要维护和修理。

在感应电电动机的情况下，由于其坚固的结构，其在维护和修理方面是优良的。特别是其低廉的价格，因此在工业领域中广泛应用。但是，由于感应电动机与DC电动机相比其控制困难，因此它主要用于恒速运行。

然而，近来，随着矢量控制理论的引入而能通过利用速度传感器分别地控制磁通量和转矩分量，以及随着高速功率半导体器件的出现和高性能微处理器(中央处理器或数字信号处理器)的发展，就可能实现感应电动机的可变速运行，并且能根据速度控制特性的效能以超过DC电动机的水平控制感应电动机，从而使采用DC电动机的可变速控制领域越来越多地采用感应电动机代替DC电动机。

为对感应电动机进行矢量控制，应当从感应电动机反馈电动机的速度或磁通量信息，为此就需要速度信息传感器或磁通量传感器，例如测速发电机、解算器(resolver)或脉冲编码器。

然而，由于传感器包括电路，因此，由于电路的使用温度范围和速度传感器与换流器(inverter)之间花费较大的信号配线致使带有传感器的感应电动机也受到限制。

即使可以安装速度传感器，也由于感应电动机与速度传感器之间的连接部件禁受不住冲击，因此出于设备可靠性考虑也最好避免使用传感器。

因此，为了解决这些问题，已经成功进行了一种不需要速度传感器的无传感器矢量控制研究。

因此，近来已经提出了各种关于没有速度传感器的无传感器矢量控制系统的感应电动机速度估算方法。其中，对通过利用模型(model)参考自适应性系统(MRAS)、磁通量检测器和电机的联立微分方程直接估算并控制磁通量的方法进行了研究。

图1是依照常规技术的无传感器矢量控制系统的示意性方框图。

如图1所示，一种用于接收电源装置13的电力并驱动感应电动机的无传感器控制系统包括：速度控制器(speed controller)，向其反馈有参考速度(ω_r ^*)和来自积分与比例常数计算单元20的估算速度值

当指定了预定参考速度(ω_r ^*)和参考磁通量分量的电流(i_1α ^*)时，对它们进行运算，并输出参考转矩分量的电流(i_1β ^*)；电流变电压命令单元10，它接收参考磁通量分量的电流(i_1α ^*)和参考转矩分量电流(i_1β ^*)，并输出DC参考电压(v_1α ^*，v_1β ^*)；DC变AC转换器11，它接收DC参考电压(v_1α ^*，v_1β ^*)，并输出两相参考AC电压(v_1d ^*，v_1q ^*)；相电压转换器(converter)12，用以接收两相参考AC电压(v_1d ^*，v_1q ^*)和三相参考相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)；换流器(inverter)14，用于接收三相参考相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)，并控制感应电动机(IM)；感应电动机15，用于接收来自换流器的三相参考相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)，并受到驱动；电流检测器16，用于检测流过换流器与感应电动机之间的电流，并输出测得的相电流(i_a，i_b，i_c)；相电流转换器17，用于接收检测的相电流(i_a，i_b，i_c)并将它们转换成d-轴电流(i_d)、q-轴电流(i_q)；磁通量运算器18，用于接收输入的d-轴电流(i_d)和q-轴电流(i_q)，接收两相参考AC电压(v_1d ^*，v_1q ^*)，估算两相AC磁通量

并将其输出；AC/DC转换器19，用于接收估算的两相AC磁通量

估算DC磁通量

并将其输出；积分/比例常数计算单元20，它通过利用估算的DC磁通量分量的

估算速度，并将其输出；滑差(slip)运算器23，用于接收磁通量分量的电流(i_1α ^*)和转矩分量电流(i_1β ^*)，获得并输出滑差；以及积分器25，用于接收滑差和估算的速度

对它们进行积分以估算角度。

现在将解释按上述构造的无传感器矢量控制系统的操作。

首先，当积分/比例常数计算单元20从用户处接收参考速度(ω_r ^*)时，就运算并输出一个值。速度控制器22接收该值并输出转矩分量电流(i_1β ^*)。

其后，电流/电压命令单元10通过利用磁通量分量的电流(i_1α ^*)和转矩分量电流(i_1β ^*)输出DC参考电压(v_1α ^*，v_1β ^*)。由DC变AC转换器11将DC参考电压(v_1α ^*，v_1β ^*)转换成两相AC参考电压(v_1d ^*，v_1q ^*)。

然后，为驱动感应电动机，相电压转换器12接收两相AC参考电压(v_1d ^*，v_1q ^*)，并输出三相参考相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)，然后换流器14通过利用供电装置提供的电力和三相参考相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)驱动感应电动机。

可按以下方式获得估算速度

和估算角度

检测流过换流器14与感应电动机15之间的电流以获得三相电流(i_a，i_b，i_c)。通过相电流转换器17将三相电流(i_a，i_b，i_c)转换成两相d轴-电流(i_d)和q-轴电流(i_q)并将其输出，所述两相电流容易控制。

磁通量运算器18接收DC/AC转换器11的输出值(v_1d ^*，v_1q ^*)和d轴-电流(i_d)与q-轴电流(i_q)，然后估算两相AC磁通量以估算两相AC磁通量

AC/DC转换器19将两相AC磁通量

转换成两相DC磁通量

(该DC磁通量可方便地被控制)，然后积分/比例常数计算单元通过利用两相DC磁通量分量中的分量

进行运算并获得经估算的速度

将估算出的速度 与滑差运算器23的输出相加获得估算的角速度

积分器25通过利用估算的角速度 估算参照系变换所需的角度

上面描述了常规的无传感器矢量控制系统，但它存在许多问题。

例如，第一，由于电流/电压命令单元不包括磁通量的微分项而仅考虑了正常状态，因此在瞬变状态中不可能实现瞬时转矩控制。

第二，为获得估算速度 应当精确计算积分与比例常数计算单元20要使用的比例常数与积分常数值，由于对每个电机来说比例常数和积分常数值都不同，且实际很难获得这些常数，因此进行精确计算非常困难。

第三，正如上面所述的，在通过常规的无传感器矢量控制系统控制电机速度的情况下，当以低速算法驱动电机时，采用其中将高频电压或电流加到基波电压上以查找电机磁通量绝对位置的方法。该方法在低速时是有效的，但在高速时就不能使用。同时，在高速算法的情况下，当控制电机速度时，算法在高速时有效，但在低速时实施就非常困难。因此，该方法不能覆盖整个速度范围。

                    发明概述

因此，本发明的一个目的是提供一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，它能在每个速度范围内稳定运行，并能精确地控制速度和转矩。

本发明的另一个目的是提供一种能自动偏移电机常数变化和低速时电压误差的无传感器矢量控制系统。

本发明的再一个目的是提供一种容易实现的算法，它通过降低对感应电动机参数的依赖性来实现，该和运算操作不使用高性能的操作单元。

正如此处体现和概括描述的，为达到这些和其它优点并依照本发明的目的，提供了一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，它由电源装置供电以驱动感应电动机，该系统包括：磁通量与速度控制单元，用于接收预定命令值并产生DC分量的两相电压；第一坐标转换单元，用于将DC分量的两相电压转换成AC分量的三相电压；换流器，用于接收AC分量的三相电压并驱动感应电动机；电流检测器，用于接收流过换流器与感应电动机之间的AC分量的三相电功率，并检测和输出AC分量的三相电流；第二参照系转换单元，用于接收AC分量的三相电流，进行转换并输出DC分量的两相电流；磁通量与速度估算单元，用于接收DC分量的两相电压和DC分量的两相电流，估算矢量控制所需的磁通量与速度；以及一次线圈电阻估算单元，用于接收DC分量的两相电压、DC分量的两相电流和磁通量与速度估算值，估算一次线圈电阻并将其输出。

为达到上述目的，进一步提供了一种感应电动机的无传感器矢量控制方法，其中由电源装置供电以驱动感应电动机，该方法包括以下步骤：接收预定命令值并产生DC分量的两相电压；将DC分量的两相电压转换成三相电压以驱动感应电动机；在驱动感应电动机时检测流过感应电动机的AC分量的三相电功率，并输出AC分量的三相电流；将AC分量的三相电流转换成DC分量的两相电流；接收DC分量的电压与电流，并利用通过磁通量与速度估算值进行矢量控制所需的算法输出磁通量与速度估算值；以及接收DC分量的电压和电流、磁通量与速度估算值，并通过一次线圈电阻估算器估算一次线圈电阻。

下面通过结合附图对本发明进行详细描述，以使本发明的前述以及其它目的、特征、方面和优点变得更加清楚。

                    附图说明

所包含的附图用于提供对本发明的进一步理解，将其并入并构成本说明书的一部分，附图连同描述一起说明本发明的实施例，用于解释本发明原理。

在附图中：

图1是表示普通无传感器矢量控制系统的结构的示意方框图；

图2是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的结构示意方框图；

图3是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度控制单元的结构示意图；

图4是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度估算单元的结构示意图；

图5是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度运算单元的结构示意图；

图6是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的一次线圈电阻估算单元的结构示意图，该估算单元用于估算一次线圈的电阻值；

                    具体实施方式

现在将详细描述本发明优选的实施例，其例子示于附图中。

图2是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的结构示意方框图。

如图2所示，一种感应电动机无传感器矢量控制系统，其由电源装置34供电以驱动感应电动机，该系统包括：磁通量与速度控制单元30，用于接收预定命令值并产生DC分量的两相电压；第一参照系转换单元31，用于将DC分量的两相电压转换成AC分量的三相电压；换流器35，用于接收AC分量的三相电压并驱动感应电动机；电流检测器37，用于检测流过换流器与感应电动机之间的AC分量的三相电功率，检测并输出AC分量的三相电流；第二参照系转换单元38，用于接收AC分量的三相电流，对其进行转换并输出DC分量的两相电流；磁通量与速度估算单元41，用于接收DC分量的两相电压和DC分量的两相电流，估算矢量控制所需的磁通量与速度；以及一次线圈电阻估算单元42，用于接收DC分量的两相电压、DC分量的两相电流和磁通量与速度的估算值，估算一次线圈电阻并将其输出。

第一参照系转换单元31包括：与静止参照系同步的转换器32，用于接收DC分量的两相电压(v_qs ^e*，v_ds ^e*)，将其转换成静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)，然后将其输出；以及2相向3相的参照系转换器33，用于将静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)转换成AC分量的三相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)，然后将其输出。

第二参照系转换单元38包括：3相向2相的参照系转换器39，用于接收AC分量的三相电流(i_a，i_b，i_c)，将其转换成两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)并将其输出；相对同步参照系静止的转换器40，用于接收DC分量的两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)，将其转换成两相电流(i_qs ^e，i_ds ^e)并将其输出。

现在将解释按上面描述构造的感应电动机无传感器矢量控制系统的操作。

在从用户处接收参考值以控制感应电动机速度的无传感器矢量控制的方法中，在从用户处接收参考速度(ω_r ^*)的同时接收感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)，以输出同步坐标系系统中的q-轴电压(v_qs ^e*)和同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)。

将同步参照系中的q-轴电压(v_qs ^e*)和d-轴电压(v_ds ^e*)转换成作为磁通量和速度估算单元41的输入电源使用的静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)，并为了驱动感应电动机36，将坐标系统中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)转换成三相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)。

其后，换流器35接收三相电压(v_a ^*，v_b ^*v_c ^*)连同由供电装置提供的DC链路(link)检测电压(v_dc)，并按照其切换控制驱动感应电动机36。

此时，当驱动感应电动机36时，检测流过换流器36与感应电动机35之间的三相电流(i_a，i_b，i_c)，将测得的三相电流(i_a，i_b，i_c)转换成静止坐标系统中的两相电流，其作为输入电流提供到磁通量与速度估算单元41，并将静态坐标系统中的两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)转换成同步参照系中的两相电流(i_qs ^e，i_ds ^e)。

由此，磁通量与速度估算器39接收静止参照系中的电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)和静止参照系中的电流(i_qs ^s，i_ds ^s)，进行估算并输出d轴DC磁通量(λ_dr ^e)、q轴DC磁通量(λ_qr ^e)、磁角

磁通量角速度

和估算出的速度

一次线圈电阻估算单元42接收同步参照系中的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)、同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)和磁通量与速度估算单元41的输出值

λ_dr ^e，λ_qr ^e)，估算一次线圈电阻值

并将其输出给磁通量与速度估算单元41，由此无需速度传感器通过矢量控制系统就能经常地控制感应电动机。

图3是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度控制单元的结构示意图。

如图3所示，磁通量与速度控制单元包括：第一运算器43，用于接收参考速度(ω_r ^*)和估算的速度 并对它们进行算术运算；速度控制器44，用于接收第一运算器的输出并输出参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)；第二运算器，用于接收坐标系统中参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)和转矩分量的电流(i_qs ^e)，对它们进行算术运算；转矩分量的电流控制器46，用于接收第二运算器的输出并产生同步参照系中的q-轴电压(v_qs ^e*)；第三运算器47，用于接收参考磁通量(λ_dr ^e*)和感应电动机的估算磁通量(λ_dr ^e)，对它们进行算术运算；磁通量控制器48，用于接收第三运算器的输出并输出磁通量分量的偏移(offset)电流(i_ds-offset ^e*)；磁通量电流运算器49，用于接收感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)并输出初始磁通量分量的电流(i_ds-init ^e*)；第四运算器50，用于接收磁通量分量的偏移电流(i_ds-offset ^e*)和初始磁通量分量的电流(i_ds-init ^e*)，并对它们进行运算；第五运算器51，用于接收第四运算器48的输出值(i_ds ^e*)和同步参照系中磁通量分量的电流(i_ds ^e)；以及磁通量分量的电流控制器52，用于接收第五运算器的输出并产生同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)。

现在将解释按上面所述构造的无传感器矢量控制系统的磁通量与速度控制单元的操作。

首先，为通过利用参考速度(ω_r ^*)产生同步参照系中的q-轴电压(v_qs ^e*)，需要控制转矩分量的电流。

因此，从用户处接收参考速度(ω_r ^*)和估算速度

并输出运算值。然后，一接收输出，速度控制器就输出参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)。此时，当转矩电流控制器44接收参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)与同步坐标系统中转矩分量的电流(i_qs ^e)之间的差值时，就能产生同步参照系中的q-轴电压(v_qs ^e*)。

另外，为通过利用参考磁通量(λ_dr ^e*)产生同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)，需要控制磁通量分量的电流。

由此，输出感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)与估算磁通量(λ_qr ^e)之间的差值，输出磁通量分量的偏移电流(i_ds-offset ^e*)。

此时，磁通量电流运算器49接收感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)，并输出初始磁通量分量的电流(i_ds-init ^e*)。

因此，通过利用磁通量分量的偏移电流(i_ds-offset ^e*)和初始磁通量分量的电流(i_ds-init ^e*)获得第四运算器的输出值(i_ds ^e*)。此时，磁通量分量的电流控制器52能通过利用第四运算器的输出值(i_ds ^e*)和实际磁通量分量的电流(i_ds ^e)之间的差值产生同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)。

图4是表示根据本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度估算单元的结构示意图。

如图4所示，磁通量与速度估算单元包括：依照具有第一坐标转换器54的电流模型的转子磁通量估算器53，用于接收以静止参照系表示的两相电流(i_dqs ^s，i_ds ^s，i_qs ^s)值，并将它们转换成同步参照系的值，然后将其输出；第六运算器57，用于输出通过第一坐标转换器54的输出值(i_dqs ^r，i_ds ^r，i_qs ^r)乘以感应电动机常数(Lm/L_r)56而获得的值与通过同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r，λ_dr ^r，λ_qr ^r)乘以由感应电动机常数限定的时间常数(1/T_r)59而获得的值之间的差值；第一积分器58，用于接收第六运算器47的输出值并输出同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r)；第二积分器55，用于接收来自磁通量与速度运算器71(后面将描述)的估算速度 并对其积分；以及第二坐标转换器60，用于接收第一积分器59的输出值(λ_dqr ^r)和第二积分器44的输出值，对它们进行参照系转换，然后输出静止参照系中的转子磁通量(λ_dqr-cm ^r)；具有第八运算器65的转子磁通量估算单元63，用于对通过将静止参照系转换器的计算值电压(v_dqs ^s*，v_ds ^s*，v_qs ^s*)与一次线圈电阻64相乘(multiplying)而得到的实际电流(i_dqs ^s)值进行运算，并将其输出；第九运算器66，用于对第八运算器65的输出值和控制器62(后面将描述)的输出值进行运算并将其输出；第三积分器67，用于对第九运算器66的输出值进行运算，第十运算器69，用于对通过将实际电流(i_dqs ^s)乘以漏磁通量分量(σL_s)68获得的值与第三积分器57的输出值之间的差值与感应电动机常数(Lm/L_r)70进行运算；第七运算器61，用于对第十运算器69的输出值乘以感应电动机常数(Lm/L_r)70之后输出的值(λ_dqr-vm ^r)和第二静止参照系转换器的输出值(λ_dqr-cm ^r)进行运算；控制器62，用于接收第七运算器61的输出值，将其作为比例常数运算并输出转子磁通量估算值(λ_dqs ^s，λ_ds ^s，λ_qs ^s)；以及磁通量与速度运算器69，用于接收磁通量的估算值(λ_dqs ^s)，对矢量控制所需的值进行运算。

下面将解释按上面所述构造的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度估算单元的操作。

通过利用CPU(中央处理器)或DSP(数字信号处理器)进行磁通量与速度估算的操作。

本发明的磁通量与速度估算单元不使用速度传感器，而是通过利用以静止参照系表示的电流和电压依照电流模型估算转子磁通量(λ_dqr-cm ^r)并依照电压模型估算转子磁通量(λ_dqr-vm ^r)，获得电压模型的估算值与电流模型的估算值之间的差值，将差值乘以与感应电动机速度成比例的比例常数，从而获得了磁通量的估算值(λ_dqs ^s)。由此，能通过利用磁通量估算值(λ_dqs ^s)获得矢量控制所需的值 λ_dr ^e，λ_qr ^e，ω_slip)。

首先，现在描述依照电流模型的转子磁通量估算器53的操作。

第一坐标转换器54接收静止参照系中的实际电流(i_dqs ^s)和第二积分器55的输出值，将它们转换成同步参照系中的电流并将其输出。

由此，第六运算器(57)接收通过将输出值(i_dqs ^r)乘以感应电动机常数(Lm/L_r)获得的值，同时接收通过将同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r)乘以由感应电动机常数限定的时间常数(1/T_r)59得到的值，计算其差值并将其输出。

其后，第一积分器58接收第六运算器(57)的输出值，并输出同步坐标系统中的转子磁通量(λ_dqr ^r)。于是，第二参照系转换器60接收第一积分器58的输出值(λ_dqr ^r)和第二积分器55的输出值，对它们进行坐标转换，然后输出依照电流模型的转子磁通量(λ_dqr-cm ^s)。

按下式获得依照磁通量估算方法的同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r)。

$\frac{d{\widehat{\mathrm{\λ}}}^r}{\mathrm{dt}}=-\frac{r_r}{L_r}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}+r_r\frac{L_m}{L_r}{i}_{\mathrm{ds}}^r---\left(1\right)$

$\frac{d{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^r}{\mathrm{dt}}=-\frac{r_r}{L_r}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}+r_r\frac{L_m}{L_r}{i}_{\mathrm{qs}}^r---\left(2\right)$

其中“L_r”表示同步电抗，“L_m”表示磁化电抗，“r_r”表示同步侧电阻，“i_ds ^r”和“i_qs ^r”表示同步参照系中的电流。

利用公式(1)和(2)获得同步参照系中的转子磁通量，可按照下式表示成静止坐标系统中的转子磁通量

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}^s={\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_r-{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_r---\left(3\right)$

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^s={\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}^r\sin {\mathrm{\θ}}_r+{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^r\cos {\mathrm{\θ}}_r---\left(4\right)$

现在描述依照电压模型的转子磁通量估算单元的操作。

第八运算器65对通过静止参照系转换器的计算值电压(i_dqs ^s)与一次线圈电阻64相乘得到的实际电流值(v_dqs ^s*)进行计算。

第九运算器66接收第八运算器63的输出值和控制器62的输出值，对其计算并将其输出。

第三积分器67对第九运算器66的输出值进行积分。

其后，第十运算器69接收通过将实际电流(i_dqs ^s)乘以漏磁通量分量(σL_s)68获得的值，并计算差值。

于是，能通过将第十运算器69的输出值乘以感应电动机常数(Lm/L_r)70获得依照电压模型的转子磁通量

通过下式可获得依照磁通量估算方法的静止坐标系统中的转子磁通量

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{ds}}^s=\∫(V_{\mathrm{ds}}^s-r_s{i}_{\mathrm{ds}}^s)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qs}}^s=\∫(V_{\mathrm{qs}}^s-r_s{i}_{\mathrm{qs}}^s)\mathrm{dt}---\left(6\right)$

其中“v_ds ^s*”和“v_qs ^s*”表示静止参照系中的电压，“i_ds ^s”和“i_qs ^s”表示静止参照系中的电流，“r_s”表示一次线圈电阻。

在公式(5)和(6)中，考虑到定子漏磁通量分量(σL_s)获得了下面的转子磁通量

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}^s=\frac{L_r}{L_m}({\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{ds}}^s-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{ds}}^s)---\left(7\right)$

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^s=\frac{L_r}{L_m}({\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qs}}^s-\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{qs}}^s)---\left(8\right)$

其中“L_r”表示同步电抗，“L_m”表示磁化电抗，而“λ_dr ^s”和“λ_qr ^s”表示静止参照系中的电流。

于是，为避免由于电机常数变化带来的磁通量估算误差的产生，而在低速范围内使用利用电流模型并一起使用低通滤波器的转子磁通量估算方法，而在高速范围内，为消除例如变量偏移、积分器饱和、低速时的阻抗压降和由于噪音引起的磁估算误差，就使用利用电压模型并一起使用高通滤波器的转子磁通量估算方法。

另外，由于电流模型与电压模型利用积分函数和微分函数，因此可以控制瞬时转矩和矢量控制的稳定点(strong point)。用于控制器的值是与感应电动机速度成比例的恒定值，因此在该速度范围内能容易确定该值。

通过采用与电压模型和电流模型相适合的滤波器得到下面的公式(9)。

${\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqr}}^s=\frac{s}{s+K_p}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqr}\_\mathrm{vm}}^s+\frac{K_p}{s+K_p}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dqr}\_\mathrm{cm}}^s---\left(9\right)$

在该情况下，矢量控制所需的磁通量估算值(λ_dqr ^s)意味着通过利用依照电流模型的转子磁通量(λ_dqr-cm ^s)和依照电压模型的转子磁通量(λ_dqr-vm ^s)而估算的磁通量。电压模型利用高通滤波器(s/(s+K_p))而电流模型利用低通滤波器(K_p/(s+K_p))来估算最终的转子磁通量。

图5是表示依照本发明优选实施例的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度运算单元的结构示意图。

如图5所示，感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度运算单元包括：反正切函数运算器72，用于接收磁通量估算值(λ_dqr ^s)，然后估算出磁通量角度

微分器74，用于接收估算的磁通量角度，然后估算出磁通量角速度

第三参照系转换器73，用于接收磁通量的估算值(λ_dqr ^s)、磁通量的角度

并输出同步参照系中的DC磁通量(λ_dqr ^e)；滑移(slip)角速度估算单元75，用于接收第三参照系转换器的输出值和同步参照系中的电流(i_qs ^e)，并估算出滑移角速度(ω_slip)；以及第十一运算器76，用于对微分器的输出值

和估算出的滑移角速度(ω_slip)进行运算，并输出估算速度

现在解释按照上面所述构造的感应电动机无传感器矢量控制系统的磁通量与速度运算单元的操作。

首先，通过利用由电压模型和电流模型获得的磁通量估算值(λ_dqr ^e)和反正切函数运算器72估算磁通量角度

接收经估算的磁通量角度

以便通过利用微分器74估算磁通量角速度

此时，第三坐标系统转换器73接收磁通量的估算值(λ_dqr ^s)和磁通量的角度 然后输出同步参照系中的DC磁通量(λ_dqr ^e)，滑移角速度估算单元75接收第三参照系转换器输出值(λ_dqr ^e)中的d-轴磁通量值(λ_dr ^e)和同步参照系中的电流(i_qs ^e)，然后估算滑移角速度(ω_slip)。据此，通过对微分器的输出值

和估算的滑移角速度(ω_slip)进行运算可获得估算速度

图6是表示依照本发明优选实施例的用于估算感应电动机无传感器矢量控制系统中的一次线圈电阻值的一次线圈电阻估算单元的结构示意图。

如图6所示，无传感器矢量控制系统的用于估算一次线圈电阻值的一次线圈电阻估算单元包括：第十二运算器77，用于接收同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)和输入电压运算器78(将在后面描述)的同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e)，然后对它们进行运算；控制器79，用于接收第十二运算器77的输出值并输出一次线圈电阻偏移值；限制器，用于接收一次线圈电阻偏移值，并将其限定为预定值；低通滤波器81，用于接收限制器80的输出值，去除其中不需要的部分，并输出经滤波的值(r_s-offset)；第十三运算器82，用于对低通滤波值和初始一次线圈电阻值(r_s-int)进行运算，并估算一次线圈电阻值 以及输入电压运算器78，用于接收估算的一次线圈电阻值

来自磁通量与速度估算单元的值 λ_dr ^e，λ_qr ^e)和同步参照系中的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)，然后输出同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e)。

下面将描述按上面所述构造的感应电动机无传感器矢量控制系统的用于估算一次线圈电阻值的一次线圈电阻估算单元的操作。

接收同步坐标系统中经计算的d-轴电压(v_ds ^e*)、磁通量与速度估算单元的输出值

λ_dr ^e，λ_qr ^e)和同步坐标系统中的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)以估算一次线圈电阻值

然后，当依照电压模型的转子磁通量估算单元的一次线圈电阻值17变化时，通过利用估算的一次线圈电阻值

控制该一次线圈电阻值，由此即使在低速情况下也能稳定地控制感应电动机。

也就是说，第十二运算器77接收同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e*)和输入电压运算器78的d-轴电压(v_ds ^e)，对它们进行运算并将其输出。然后，控制器79接收输出值，并输出一次线圈电阻偏移值。限制器80接收一次线圈电阻偏移值，并将该偏移值限制为预定值。接收限制器80的输出值，去掉其中不必要的部分。输出经滤波的值(r_s-offset)，对经滤波的值(r_s-offset)和初始一次线圈电阻值(r_s-int)进行运算，由此估算出一次线圈电阻值

输入电压运算单元78利用下式(10)获得同步参照系中的d-轴电压(v_ds ^e)。

$v_{\mathrm{ds}}^e=({\hat{r}}_s+r_r\frac{L_m^2}{L_r^2})i_{\mathrm{ds}}^e+\mathrm{\σ}{L}_{s}p{i}_{\mathrm{ds}}^e-{\mathrm{\ω}}_e\mathrm{\σ}{L}_s{i}_{\mathrm{qs}}^e-r_r\frac{L_m}{L_r^2}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{dr}}^e-{\hat{W}}_r\frac{\mathrm{Lm}}{\mathrm{Lr}}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{qr}}^e---\left(10\right)$

其中“L_m”表示磁化电抗，“L_r”表示同步电抗，“r_r”表示同步参照系中的电阻。

正如至此所描述的，依照本发明的感应电动机无传感器矢量控制系统具有许多优点。

例如，首先，由于能够控制感应电动机的速度和转矩，因此，即使对于需要拉伸控制的应用场合来说，例如纸张、金属膜或纤维领域，它们仅允许矢量控制以及可变速，它们也可以采用该矢量控制系统。

第二，解决了由于需要对感应电动机进行速度控制和转矩控制的应用场合中安装附加传感器而带来的问题，并可以实现精确的矢量控制。

第三，由于对于每个速度范围都能进行矢量控制，且不需要使用速度传感器，因此可将无传感器矢量控制装置制成产品。

第四，由于实施运算的运算量不大，因此可利用普通CPU和DSP容易地进行感应电动机的速度控制和转矩控制。

最后，由于感应电动机不太依赖于参数，并且系统在稳定范围内运行，因此可该系统易于用到工业现场。

由于本发明以不脱离其构思和必要技术特征的若干形式体现，因此可以理解的是，通过前面描述的任一细节描述的上述实施例不是限制性的，除非专门指明，都应当认为是这在所附加权利要求限定的构思和范围内进行的概括性解释，因此所有落入权利要求的集合和范围的变化和改进或这些集合和范围的等效替代都认为包含在所附加的权利要求中。

Claims (18)

1.一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，其由电源装置供电以驱动感应电动机，该系统包括：

磁通量与速度控制单元，用于接收预定的命令值并产生直流分量的两相电压；

第一坐标转换单元，用于将直流分量的两相电压转换成交流分量的三相电压；

换流器，用于接收交流分量的三相电压并驱动感应电动机；

电流检测单元，用于检测并输出流过换流器与感应电动机之间的交流分量的三相电流；

第二坐标转换单元，用于将来自电流检测单元的交流分量的三相电流转换成直流分量的两相电流；

磁通量与速度估算单元，用于接收直流分量的两相电压和直流分量的两相电流，和用于估算矢量控制所需的磁通量与速度的估算值；以及

一次线圈电阻估算单元，用于接收直流分量的两相电压、直流分量的两相电流和磁通量与速度的估算值，估算一次线圈的电阻。

2.根据权利要求1所述的系统，其中磁通量与速度控制装置包括：第一运算器，用于接收参考速度(ω_r ^*)和估算速度

并对它们进行算术运算；

速度控制器，用于接收第一运算器的输出并输出参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)；

第二运算器，用于接收参考转矩分量的电流(i_qs ^e*)和同步参照系中转矩分量的电流(i_qs ^e)，

进行算术运算；

转矩分量电流控制器，用于接收第二运算器的输出并产生同步参照系中的q轴电压(v_qs ^e*)；

第三运算器，用于接收感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)和估算磁通量(λ_dr ^e)，并进行算术运算；

磁通量控制器，用于接收第三运算器的输出并输出磁通量分量的偏移电流(i_ds-offset ^e*)；

磁通量电流运算器，用于接收感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)并输出初始磁通量分量的电流(i_ds-init ^e*)；

第四运算器，用于接收磁通量分量的偏移电流(i_ds-offset ^e*)和初始磁通量分量的电流，并对它们进行运算；

第五运算器，用于接收第四运算器的输出值(i_ds ^e*)和同步参照系中的磁通量分量的电流(i_ds ^e)；以及

磁通量分量电流控制器，用于接收第五运算器的输出并产生同步参照系中的d轴电压(ν_ds ^e*)。

3.根据权利要求1所述的系统，其中第一坐标转换单元包括：

与静止参照系同步的转换器，用于接收直流分量的两相电压(v_qs ^e*，v_ds ^e*)，将其转换成静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)，然后输出；以及

2相向3相的参照系转换器，用于将静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)转换成交流分量的三相电压(v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*)，并将其输出。

4.根据权利要求1所述的系统，其中第二坐标转换单元包括：

3相向2相的坐标转换器(39)，用于接收交流分量的三相电流(i_a，i_b，i_c)，将其转换成两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)并将其输出；以及

相对同步参照系静止的转换器(40)，用于接收直流分量的两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)，将其转换成两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)并将其输出。

5.根据权利要求1所述的系统，其中磁通量与速度估算单元包括：

利用电流模型的转子磁通量估算器，用于根据静止参照系中的电流(i_dqs ^s)和电压(v_dqs ^s*)输出转子磁通量(λ_dqr-cm ^s)；

利用电压模型的转子磁通量估算器，用于根据静止参照系中的电流(i_dqs ^s)和电压(v_dqs ^s*)输出转子磁通量(λ_dqr-vm ^s)；

第七运算器，用于计算利用电压模型的转子磁通量估算器输出值与利用电流模型的转子磁通量估算器输出值之间的差值；

控制器，用于接收第七运算器的输出值，将其乘以预定比例的常数值，并获得磁通量的估算值(λ_dqr ^s)；以及

磁通量与速度运算器，用于接收磁通量的估算值(λ_dqr ^s)，并计算矢量控制所需的值。

6.根据权利要求5所述的系统，其中利用电流模型的转子磁通量估算器包括：

第一参照系转换器，用于接收静止参照系中的两相电流(i_dqs ^s，i_ds ^s，i_qs ^s)，将其转换成同步参照系中的值并将其输出；

第六运算器，用于输出通过将第一参照系转换器的输出值(i_dqs ^r，i_ds ^r，i_qs ^r)与感应电动机常数(L_m/L_r)相乘得到的值与通过同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r，λ_dr ^r，λ_qr ^r)与由感应电动机常数限定的时间常数(1/T_r)相乘得到的值之间的差值；

第一积分器，用于接收第六运算器的输出值，并输出同步参照系中的转子磁通量(λ_dqr ^r)；

第二积分器，用于从磁通量与速度运算器接收估算的速度

对其进行积分：以及

第二坐标转换器，用于接收第一积分器的输出值(λ_dqr ^r)和第二积分器(44)的输出值，对它们进行参照系转换，然后输出静止参照系中的转子磁通量(λ_dqr-cm ^s)。

7.根据权利要求5所述的系统，其中利用电压模型的转子磁通量估算器包括：

第八运算器，用于对通过以静止参照系表示的电压(v_dqs ^s*)与以静止参照系表示的电流(i_dqs ^s)与一次线圈电阻相乘得到的值进行运算，并将其输出；

第九运算器，用于对第八运算器的输出值和控制器的输出值进行运算，并将其输出；

第三积分器，用于对第九运算器的输出值进行积分；

第十运算器，用于对通过以静止参照系表示的电流(i_dqs ^s)与漏磁通量分量(σL_s)相乘得到的值与第三积分器的输出值之间的差值进行运算；以及

乘法器，用于将来自第十运算器的差值乘以通过将磁化电抗划分成同步电抗得到的感应电动机常数(L_m/L_r)。

8.根据权利要求5所述的系统，其中利用电压模型的转子磁通量估算器利用高通滤波器(s/(s+K_p))以及利用电流模型的转子磁通量估算器利用低通滤波器(K_p/(s+K_p))来估算最后的转子磁通量。

9.根据权利要求5所述的系统，其中该磁通量与速度运算单元包括：

反正切函数运算器，用于接收磁通量估算值(λ_dqr ^s)，然后估算出磁通量角度

微分器，用于接收估算的磁通量角度，并估算磁通量角速度

第三坐标转换器，用于接收磁通量的估算值(λ_dqr ^s)和磁通量的角度

并输出同步参照系中的直流磁通量(λ_dqr ^e)；

滑移角速度估算单元，用于接收第三坐标转换器的输出值(λ_dqr ^e)和同步参照系中的电流(i_qs ^e)，并估算滑移角速度(ω_slip)；以及

第十一运算器，用于对微分器的输出值 和估算的滑移角速度(ω_slip)进行运算，并输出估算速度

10.根据权利要求1所述的系统，其中一次线圈电阻估算单元包括：

第十二运算器，用于接收同步坐标系统中的d轴电压(v_ds ^e*)和输入电压运算器的同步参照系中的d轴电压(v_ds ^e)，并对它们进行运算；

控制器，用于接收第十二运算器的输出值并输出一次线圈电阻偏移值；

限制器，用于接收一次线圈电阻偏移值，并将其限定为预定值；

低通滤波器，用于接收限制器的输出值，去除不需要的部分，并输出经滤波的值(r_s-offset)；

第十三运算器，用于对低通滤波值和初始一次线圈电阻值(r_s-int)进行运算，并估算一次线圈电阻值

以及

输入电压运算器，用于接收估算的一次线圈电阻值

来自磁通量与速度估算单元的值 λ_dr ^e，λ_qr ^e)和同步参照系中的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)，并输出同步参照系中的d轴电压(v_ds ^e)。

11.一种感应电动机的无传感器矢量控制系统，它由电源装置供电以驱动感应电动机，包括：

磁通量与速度控制单元，其从用户处接收参考速度(ω_r ^*)和感应电动机的参考磁通量(λ_dr ^e*)，并输出q轴电压(v_qs ^e*)和d轴电压(v_ds ^e*)；

与静止参照系同步的转换单元，用于接收q轴电压(v_qs ^e*)和d轴电压(v_ds ^e*)，将它们转换成静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)，并将其输出；以及

2相向3相的参照系转换单元，用于将静止参照系中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)转换成三相电压(v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*)；

换流器，用于接收三相电压(v_a ^*，v_b ^*，v_c ^*)和由电源装置提供的电压，并通过切换驱动感应电动机；

电流检测单元，用于检测流过换流器与感应电动机之间的三相电流(i_a，i_b，i_c)：

3相向2相的参照系转换单元，用于接收检测的三相电流(i_a，i_b，i_c)，并将其转换成两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)；

相对同步参照系静止的转换单元，用于接收两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)，将其转换成同步参照系中的两相电流(i_qs ^e，i_ds ^e)并将其输出；

磁通量与速度估算单元，用于接收从相对同步参照系静止的转换单元输出的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)中的q轴分量的电流(i_qs ^e)、静态坐标系统中的两相电压(v_qs ^s*，v_ds ^s*)和静止参照系中的两相电流(i_qs ^s，i_ds ^s)，运算磁通量角度

磁通量角速度

同步参照系中的直流磁通量(λ_dr ^e，λ_qr ^e)和估算速度 并将其输出；以及

一次线圈电阻估算单元，用于接收同步参照系中的d轴电压(v_ds ^e*)、从相对同步参照系静止的转换单元输出的两相电流(i_ds ^e，i_qs ^e)、从磁通量与速度估算单元输出的磁通量角速度 同步参照系中的DC磁通量(λ_dr ^e，λ_qr ^e)和估算速度

估算的一次线圈电阻值 并将其输出。

12.一种感应电动机的无传感器矢量控制方法，其中由电源装置供电以驱动感应电动机，它包括以下步骤：

接收预定命令值并产生直流分量的两相电压；

将直流分量的两相电压转换成三相电压以驱动感应电动机；

驱动感应电动机时检测流过感应电动机的交流分量的三相电功率，并输出交流分量的三相电流；

将交流分量的三相电流转换成直流分量的两相电流；

接收直流分量的电压与电流，并估算磁通量与速度；以及

接收直流分量的电压和电流、磁通量与速度的估算值，并通过一次线圈电阻估算单元估算一次线圈电阻；

其中在估算磁通量与速度的步骤中，

通过利用以静止参照系表示的电流和电压，估算出依照电流模型的转子磁通量和依照电压模型的转子磁通量；

得到电压模型和电流模型的估算值之间的差值；

将该差值乘以与感应电动机速度成比例的常数值以获得磁通量的估算值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在估算磁通量与速度的步骤中，通过利用以静止参照系表示的电流和电压、电压模型和电流模型的估算值之间的差值估算出依照电流模型的转子磁通量和依照电压模型的转子磁通量，将输出的差值乘以预定的常数值以获得磁通量的估算值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，为防止由于感应电动机常数变化导致产生磁通量估算误差，在低速范围内使用依照电流模型的转子磁通量估算和低通滤波器。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，为消除变量偏移、积分器饱和、低速时的定子阻抗压降和由于噪声引起的磁估算误差的问题，在高速范围内使用依照电压模型的转子磁通量估算和高通滤波器。

16.根据权利要求13所述的方法，其中在估算磁通量与速度过程中，在低速范围内自动补偿电机常数变化和电压误差。

17.根据权利要求12所述的方法，其中通过利用中央处理器或数字信号处理器执行实施运算的操作。

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