感應電動機的矢量控制方法和裝置的製作方法

2023-05-21 12:58:06 1

專利名稱：感應電動機的矢量控制方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種感應電動機的矢量控制方法和裝置，更具體地說，涉及一種感應電動機的不需速度檢測器的矢量控制方法和裝置。
在工業領域，感應電動機被廣泛利用，作為各種裝置及設備的動力源。這是因為，感應電動機具有結構簡單、維護量小、壽命長及生產成本低等優點。
然而，感應電動機非常難於控制，因為有許多相互作用的變量存在，其動態特性呈明顯的非線性。對高性能感應電動機的控制技術已經作了廣泛的研究。在八十年代，隨著半導體的迅速發展，複雜控制理論被應用於實際系統中，以進一步推進感應電動機控制技術。具體地說，本世紀七十年代早期發展的矢量控制方法將感應電動機的特性分為磁鏈分量和轉矩分量，使得感應電動機能以直流電動機的高性能控制，這大大擴展了感應電動機的應用範圍。然而，矢量控制方法需要轉子角速度方面的數據，因而需要速度檢測器，例如測速發電機和編碼器。這使系統變得複雜、感應電動機的耐用性和可靠性變差、系統的穩定性變差，且增加了生產成本。
Ohtani在一篇題為「無軸編碼器的感應電動機的矢量控制」的論文(IEEE工業應用學報，第28卷，No.1，一月/二月，1992)中提出了一種轉子磁鏈的檢測方法。下面將做介紹。
假設以感應電動機的角速度(電角速度ω)旋轉的d-q坐標的d軸與轉子的磁鏈矢量一致，則感應電動機的磁鏈φr、產生的轉矩Te和角速度ωr的關係可表示為r=MId11+T2P---(1.1)]]>r=-ML2(R2Iq1r)---(2.1)]]>Te=rIq1(-ML2)---(3.1)]]>其中M為互感；Id1為原邊側(定子)電流的d軸分量(磁鏈分量)；Iq1為原邊側(定子)電流的q軸分量(轉矩分量)；T2是副邊側(轉子)的時間常數(L2/R2)；L2是轉子電感；R2是轉子電阻；P是微分算子(d/dt)換句話說，感應電動機的轉矩Te和角速度ωr由轉子的磁鏈矢量φr和原邊側電流Id1和Iq1確定。所產生的轉矩和轉矩分量電流，即主控制變量，可以由在定子的直角坐標系(α-β固定的坐標系或X-Y固定的坐標系)中的下式(4.1)和(5.1)給出。Iq1=-[icos(t+)-isin(t+)]]]>=-[i(2+2)1/2-i(2+2)1/2]---(4.1)]]>=-(i-i)r]]>T=rIq1(-ML2)---(5.1)]]>=-ML2(i-i)]]>其中，φα＝φrcos(ωt+ρ)；φβ＝φrsin(ωt+ρ)；iα＝I1cos(ωt+γ*+ρ)；iβ＝I1sin(ωt+γ*+ρ).
假設ρ是t＝0(可以指定為零)時，d軸相對於α軸的角度，則γ*和I1可表示為γ*＝tan-1(Ia1/Id1)I1＝(Id12+Iq12)由Ohtani採用的用於計算轉子磁鏈的方程式為=0(V-R1i)dt-Lrl---(6.1)]]>=0(V-R1i)dt-Lrl---(7.1)]]>
其中Vα和Vβ是α軸和β軸上的定子電壓；iα和iβ是α軸和β軸上的定子電流；R1是原邊側定子電阻；Lrlα和Lrlβ是α軸和β軸上的總漏感或L1(1-M2/L1L2)；L1是原邊側定子電感。


圖1是由Ohtani提出的轉子磁鏈計算器的框圖。
參見圖1，該計算器包括電流受控變換器1，感應電動機2、減法器3、變量值為R1+LrlP的乘法器4、特徵值為 的積分電路5、特徵值為 的積分電路7和加法器6。
轉子感應電壓e施加到積分電路5上，轉子的磁鏈目標值φ*施加到積分電路7。積分電路5和7的輸出相加，以檢測轉子磁鏈。
減法器3的輸出可表示為下式(8.1)。
e＝V1+(R1+1p)i1...(8.1)其中，V1＝Vα+jVβ，i1＝iα+jiβ.
因而，式(6.1)和(7.1)可表示為下式(9.1)。=e(TL1+TLP)+*(11+TLP)---(9.1)]]>其中，φ*＝φα+jφβ.
如式(6.1)和(7.1)所示，Ohtani的計算轉子磁鏈的方法需要積分。在實現這一方法時，如果採用單純的積分器，且在輸入值中出現直流偏量或漂移，則磁鏈的計算值將發散，因而不可靠。由於這一原因，Ohtani採用類似於積分器的延遲電路替代。然而，在低速運行時，延遲電路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。在Ohtani的方法中，該問題通過在低速時對磁鏈進行控制而得以解決。對在整個速度範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。
另外，Ohtani方法需要另外的外部設備，例如用於開始驅動電動機的加速器，因為在開始驅動時轉子磁鏈的計算值不穩定。
因此，本發明的目的是提供一種感應電動機的矢量控制方法，通過利用定子電壓和電流信息計算轉子的磁鏈和角速度實現高性能動態響應特性，無需速度檢測器，並把計算信息施加到感應電動機的無幹擾控制。
本發明的另一目的是提供一種感應電動機的矢量控制方法，該方法在開始無需外部驅動。
本發明的又一目的是提供一種感應電動機的矢量控制電路，該電路能可靠地檢測轉子的磁鏈。
為實現第一目的，提供一種用於帶有轉子和定子的感應電動機的矢量控制方法，包括如下步驟計算定子電壓和電流ixs、iys、Vxs和Vys；利用下式計算變量αx和αy
αx＝i′xs+a1ixs-a0Vxsαy＝i′ys+a1iys-a0Vys利用下式估算 和 cosr=a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>sinr=a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>*xrxr+*yryr=-a4(xr2+yr2)+a5(xrixs+yriys);]]>利用下式修改 r=-a4r+a5(a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2)ixs]]>+a5(a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2)]]>=-(a4+a2a5(xixs+yiys)x2+y2)r+sgn(r)(xiys-yixax2+y2)x2+y2-|a2r|2]]>根據下式計算轉子的角速度Pr=xa2yr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>-ya2xr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>=sgn(r)1a3rx2+y2-|a2r|2]]>
其中P表示相數被2除之後的值；利用下式計算控制輸入量u1和u2u1=-kP1r+ki10t(r*-r)d]]>u2=-kP2r+ki20t(r*-r)d]]>其中，kpj和kij(j＝1，2)為控制器的控制增益值，ωr*和φr*為ωr和φr的目標值輸入；將上面步驟中得到的值代入下式ixs*iys*=-sinrcosrcosrsinr1/r001u1u2]]>因此得到電流目標值isx和iyr。
為實現本發明的第二目的，提供一種用於帶有轉子和定子的感應電動機的矢量控制器；它包括從交流電壓得到直流電壓的整流裝置；速度控制裝置，利用用戶的速度目標值ωr*和速度反饋估算值 進行控制，輸出控制輸出值u1；磁鏈控制裝置，利用用戶的磁鏈目標值φr*和磁鏈反饋估算值 進行控制，輸出控制輸出值u2；無幹擾控制裝置，通過形成一個非線性反饋，將非線性幹擾系統轉換成線性無幹擾系統，並輸出定子固定的坐標系上的定子電流目標值ixs*和iys*；電流控制裝置，利用電流目標值ixs*和iys*及流經感應電動機的實際反饋電流ixs和iys進行正比積分控制，並將其結果轉換成電壓信號；第一相變換裝置，用於將電流控制裝置的兩相電壓變換為三相電壓信號；開關裝置，用於響應從第一相變換裝置輸出的三相電壓信號驅動感應電動機；第二相變換裝置，用於將感應電動機的三相電流信號變換為兩相電流信號；計算裝置，用於接收電流控制裝置和第二相變換裝置的輸出信號，並計算用於感應電動機控制的轉子速度和轉子磁鏈值。
通過參照附圖詳細描述本發明的優選實施例，本發明的上述目的和優點將更顯而易見，附圖中圖1是感應電動機的無需速度檢測器的常規轉子磁鏈計算電路的框圖；圖2是根據本發明的感應電動機的無需速度檢測器的矢量控制電路的框圖3是流程圖，用於說明根據本發明的感應電動機的無需速度檢測器的矢量控制方法。
參見圖2，用於感應電動機300的矢量控制電路包括整流器100、開關裝置200、速度控制器400、磁鏈控制器500、無幹擾控制器600、電流控制器700、用於將兩相轉變為三相的變換器800、用於將三相轉變為兩相的變換器900和狀態變量計算器1000。
各部分的功能將在下面介紹。
整流器100用來減小直流紋波電壓，電感L和電容C另外連結到該整流器上。速度控制器400利用用戶的速度目標值ωr*和速度反饋估算值 進行控制，輸出控制輸出量u1。磁鏈控制器500利用用戶的磁鏈目標值φr*和磁鏈反饋估算值 進行控制，輸出控制輸出量u2。無幹擾控制器600形成非線性反饋，將感應電動機(非線性幹擾系統)轉換成線性無幹擾系統。此處，感應電動機被分成電磁系統和機械系統。其最後的輸出為在定子固定的坐標系中的定子電流目標值(ixs*，iys*)。電流控制器700利用電流目標值(ixs*，iys*)和流經感應電動機的實際反饋電流(ixs，iys)進行正比積分控制。正比積分控制的輸出與三角波比較，經脈寬調製變為電壓調製信號。開關裝置200輸出三相電壓調製信號，用於通過開關操作驅動感應電動機。相變換器800將x-y坐標系中的電壓調製信號轉換為三相坐標系信號，並驅動開關裝置200的閘門選通電路。電流控制器700和相變換器900通過電流傳感器檢測流經感應電動機的實際電流，並把三相電流信號轉變為易於控制的x-y坐標系中的信號。狀態變量計算器1000用感應電動機的輸入變量和輸出變量計算轉子磁鏈和轉子速度，它們是感應電動機控制所需的內部變量。
參見圖3，定子電壓和電流在步驟10計算。
以定子固定的坐標系(下面稱為x-y坐標系)為參考軸的感應電動機的動態方程為i′xs＝-a1ixs+a2φxr+a3Pωrφyr+a0Vxs...(1)i′ys＝-a1iys+a2φyr-a3Pωrφxr+a0Vys...(2)φ′xr＝-a4φxr-φωrφyr+a5ixs...(3)φ′yr＝-a4φyr+φωrφxr+a5iys...(4)ω′r＝-a6ωr+a7(Te-TL)...(5)其中ixs為定子的x軸電流；iys為定子的y軸電流；φxy為轉子的x軸磁鏈值；φyr為轉子的y軸磁鏈值；Wr是轉子的角速度；Te為產生的轉矩；TL為負載轉矩。
其中，Vxs(定子的x軸電壓)和Vys(定子的y軸電壓)為控制輸入。轉矩Te按下式(6)給出Te＝KT(φxriys-φyrixs) ...(6)在轉子的磁鏈和旋轉速度的估算方程的推導過程中，若各個感應電動機常數和旋轉方向是已知的，則x-y軸轉子的磁鏈φxy和φyr可以用轉子磁鏈的幅值φr和轉子磁鏈的位置角θr表示，如下式
(7a)和(7b)所示。φxr＝φrcosθr...(7a)φyr＝φrsinθr...(7b)除了直接推導控制所必需的轉子磁鏈信息φxr和φyr之外，cosθr、sinθr和φr值估算出。
在步驟20(本發明的特徵)中，αx和αy用下式(8)和(9)計算出αx＝i′xs+a1ixs-a0Vxs...(8)αy＝i′ys+a1iys-a0Vys...(9)其中，αx和αy是轉子變量，可通過估算轉子電流和電壓而計算出。
首先，分別用φxr和φyr乘以式(1)和(2)，然後相加可得φxr(i′xs+a1ixs-a0Vxs)+φyr(i′ys+a1iys-a0Vys)＝a0(φxr2+φyr2) ...(10)當把式(7)、(8)和(9)代入式(10)中，且兩端被φr相除(當然假設φr≠0)，則可得到一個非線性代數表達式(11)。αxcosθr+αysinθr＝a2φr...(11)利用式(11)，θr可以表示為αx、αy和φr的函數。若認為上式相對於θr是一個非線性方程，並從其求出θr的解，則得到兩個解。其中的一個根是無關的，它是當從式(1)和(2)中消去ωr項得到一個方程而產生的根。因而，該根不是θr的實際值。
當利用感應電動機的旋轉方向再求解式(11)以便求出合適的單一解時，cosθr和sinθr按下式計算。
步驟30用來根據式(12)、(13)和(14)估算 和 cosr=a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2---(12)]]>sinr=a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2---(13)]]>現在，為推導出φr的估算方程，分別用φxr和φyr乘以式(3)和(4)，然後相加，得到下式(14)。φ′xrφxr+φ′yrφyr＝-a4(φxr2+φyr2)+a5(φxrixs+φyriys)...(14)如果上式的兩端被φr相除，左側等於φr，因而式(14)可化為式(15)。φ′r＝-a4φr+a5(cosθrixs+sinθriys)...(15)若用式(12)和(13)代入式(15)，得到下面的動態方程。
在步驟40，從下式(16)可更新φr。r=-a4r+a5(a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2)ixs]]>+a5(a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2)]]>=-(a4+a2a5(xixs+yiys)x2+y2)r+sgn(r)(xiys-yixax2+y2)x2+y2-|a2r|2---(16)]]>式(12)、(13)和(16)是不利用速度信息時轉子磁鏈的估算方程。
旋轉速度的估算方程如下推導。
分別用φyr和φxr乘以式(1)和(2)，φyr與式(2)的乘積減去φxr與式(1)的乘積，得到下式(17)。φyr(ixs+a1ixs-a0Vxs)-φxr(iys+a1iys-a0Vys)＝a3Pωr(φxr2+φyr2)..(17)將式(8)和(9)代入式(17)，並相對於Pωr重新排列，得到式(18)。Pr=xsinr-aycosra3r---(18)]]>若將式(12)和(13)代入式(18)，將得到旋轉速度的計算方程。
在步驟50，根據式(19)計算轉子角速度。Pr=xa2yr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>-ya2xr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>=sgn(r)1a3rx2+y2-|a2r|2---(19)]]>在上式(19)中，P表示的值為相數除以2。
下面將描述根據由式(12)、(13)、(16)和(19)表示的轉子磁鏈和轉子速度的間接矢量控制。
假定定子電流ixs和iys被直接控制，並近似等於電流目標值ixs*和iys*(換言之，ixs≌ixs*，iys≌iys*)，式(1)到5可簡化為φ′xr＝-a4φxr-Pωrφyr+a5ixs*...(20)φ′yr＝-a4φyr-Pωrφxr+a5iys*...(21)ω′r＝-a6ωr+a7[kT(-φyrixs*+φxriys*)-TL]...(22)在該簡化的系統中，若φ≠0，滿足無幹擾條件。
對於系統的無幹擾，施加例如下式(23)的非線性反饋。ixs*iys*=-sinrcosrcosrsinr1/r001u1u2---(23)]]>其中u1和u2為新輸入。根據上式，整個系統的輸入/輸出動態特性從下式(24)和(25)可以知道是線性的和無幹擾的。
ω′r＝-a6ωr+a7(kTu1-TL)...(24)φ′r＝-a4φr+a5u2...(25)為得到預定的暫態響應和穩態響應，無幹擾控制器600的控制輸入量u1和u2設定為速度控制器400和磁鏈控制器500的輸出量。
在步驟60，控制輸入量u1和u2用下式(26)和(27)計算。u1=-kP1r+ki10t(r*-r)d---(26)]]>u2=-kP2r+ki20t(r*-r)d---(27)]]>其中，kpj和kij(j＝1，2)是控制器的控制增益值，ωr*和φr*為ωr和φr的目標值輸入。
在步驟70，將步驟60得到的值代入式23來計算電流目標值ixs和iyr。
在步驟80，用式(20)和(21)計算轉子磁鏈。
根據上述方法，確定感應電動機的轉子時間常數。
因此，本發明感應電動機的矢量控制方法和裝置的優點在於，首先無需速度檢測器就能精確地檢測轉子速度；其次，無需起動驅動感應電動機的外部驅動裝置；第三，該裝置在低速及高速下都能精確運行。
權利要求
1.一種用於帶有轉子和定子的感應電動機的矢量控制方法，包括的步驟為計算所述定子的電壓和電流ixs、iys、Vxs和Vys；用下式計算變量αx和αyαx＝ixs+a1ixs-a0Vxsαy＝iys+a1iys-a0Vys用下式估算φxr*和φyr*cosr=a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>sinr=a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>φxrφxr+φyrφyr＝-a4(φxr2+φyr2)+a5(φxrixs+φyriys)；用下式更新φr*r=-a4r+a5(a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2)ixs]]>+a5(a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2)]]>=-(a4+a2a5(xixs+yiys)x2+y2)r+sgn(r)(xiys-yixax2+y2)x2+y2-|a2r|2]]>根據下式計算所述轉子的角速度Pr=xa2yr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>-ya2xr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>=sgn(r)1a3rx2+y2-|a2r|2]]>其中，P表示的值為相數除以2；用下式計算控制輸入量u1和u2u1=-kP1r+ki10t(r*-r)d]]>u2=-kP2r+ki20t(r*-r)d]]>其中，kpj和kij(j＝1，2)是控制器的控制增益值，ωr*和φr*是ωr和φr的目標值輸入；將前述步驟中得到的值代入下式ixs*iys*=-sinrcosrcosrsinr1/r001u1u2]]>因而得到電流目標值ixs和iyr。
2.用於帶有轉子和定子的感應電動機的矢量控制器，包括整流裝置，用於從交流電壓得到直流電壓；速度控制裝置，用於利用用戶的速度目標值ωr*和速度反饋估算值 進行控制，因而輸出控制輸出值u1；磁鏈控制裝置，用於利用用戶的磁鏈目標值φr*和磁鏈反饋估算值 進行控制，因而輸出控制輸出值u2；無幹擾控制裝置，用於將非線性幹擾系統轉變為線性無幹擾系統，通過形成非線性反饋並輸出在定子固定的坐標系中的定子電流目標值ixs*和iys*；電流控制裝置，利用所述電流目標值ixs*和iys*及流經感應電動機的實際反饋電流ixs和iys進行正比積分控制，並將其結果轉換為電壓信號；第一相變換裝置，將所述電流控制裝置的兩相電壓轉換為三相電壓信號；開關裝置，用於響應從所述第一相變換裝置輸出的所述三相電壓信號而驅動感應電動機；第二相變換裝置，用於將從感應電動機來的三相電流信號變換為兩相電流信號；計算裝置，用於接收所述電流控制裝置和所述第二相變換裝置的輸出信號並計算用於感應電動機控制的轉子速度和轉子磁鏈值。
3.一種用於帶有轉子和定子的感應電動機的矢量控制方法，包括的步驟為(a)測量所述定子的電流和電壓ixs、iys、Vxs和Vys，並計算定子變量αx和αy；(b)計算所述轉子的磁鏈的位置角cosθr和sinθr以及所述轉子磁鏈的幅值φr，從而估算相對於x-y坐標系的轉子磁鏈φxr和φyr；(c)計算以固定的坐標係為參考軸的轉子磁鏈φxr和φyr及定子電流ixs和iys的方程式，因而計算轉子角速度Pωr；(d)利用速度目標值ωr*和磁鏈目標值φr*，根據所述轉子磁鏈φxr和φyr及轉子角速度Pωr的計算結果控制估算速度值ωr*和估算磁鏈值φr*，因而計算出所述轉子的速度控制值u1和所述轉子的磁鏈控制值u2；(e)相對於所述轉子的所述速度控制值u1和磁鏈控制值u2運算所述轉子磁鏈φxr和φyr，因而得到定子電流目標值ixs*和iys*。
4.如權利要求3所述的感應電動機的矢量控制方法，其中，在所述(a)步驟，定子變量αx和αy按下式得到αx＝ixs+a1ixs-a0Vxsαy＝i*ys+a1iys-a0Vys
5.如權利要求3所述的感應電動機的矢量控制方法，其中，在所述(b)步驟，用於估算φxr和φyr的方程式為cosr=a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>sinr=a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2]]>φxrφxr+φyrφyr＝-a4(φxr2+φyr2)+a5(φxrixs+φyriys)r=-a4r+a5(a2xr-sgn(r)yx2+y2-|a2r|2x2+y2)ixs]]>+a5(a2yr-sgn(r)xx2+y2-|a2r|2x2+y2)]]>=-(a4+a2a5(xixs+yiys)x2+y2)r+sgn(r)(xiys-yixax2+y2)x2+y2-|a2r|2]]>
6.如權利要求3所述的感應電動機的矢量控制方法，其中，在所述(d)步驟，用於得到所述轉子角速度Pωr的方程式為Pr=xa2yr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>-ya2xr+sgn(r)xx2+y2-|a2r|a3r(x2+y2)]]>=sgn(r)1a3rx2+y2-|a2r|2]]>其中P表示的值為相數除以2。
7.如權利要求3所述的感應電動機的矢量控制方法，其中，在所述(d)步驟，用於計算所述速度控制值u1和磁鏈控制值u2的方程式為u1=-kP1r+ki10t(r*-r)d]]>u2=-kP2r+ki20t(r*-r)d]]>其中，kpj和kij是控制器的控制增益值，ωr*和φr*是ωr和φr的目標值輸入。
8.如權利要求3所述的感應電動機的矢量控制方法，其中，在所述(e)步驟.，得到定子電流目標值ixs和iys的方程為ixs*iys*=-sinrcosrcosrsinr1/r001u1u2]]>
全文摘要
公開了一種用於感應電動機的矢量控制方法和裝置，其中，利用新推出的方程可獲得可靠的磁鏈。該裝置包括轉子磁鏈計算器，且不需要測速發電機，使得能夠計算出轉子磁鏈。
文檔編號H02P21/00GK1106176SQ94117620
公開日1995年8月2日 申請日期1994年11月10日 優先權日1993年11月12日
發明者金渟均 申請人:三星航空產業株式會社