感應電動機的無傳感器矢量控制系統及方法

2023-05-05 01:28:41

專利名稱：感應電動機的無傳感器矢量控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種感應電動機的矢量控制系統，具體地說，涉及一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統，該系統不用速度測量裝置就能估算感應電動機的磁通量和速度。
背景技術：
通常，由於DC電動機具有易控制性，因此長時間以來它都用作固定速度和可變速度的控制裝置。但DC電流具有以下缺點使用預定時間後會消耗電刷，由此需要維護和修理。
在感應電電動機的情況下，由於其堅固的結構，其在維護和修理方面是優良的。特別是其低廉的價格，因此在工業領域中廣泛應用。但是，由於感應電動機與DC電動機相比其控制困難，因此它主要用於恆速運行。
然而，近來，隨著矢量控制理論的引入而能通過利用速度傳感器分別地控制磁通量和轉矩分量，以及隨著高速功率半導體器件的出現和高性能微處理器(中央處理器或數位訊號處理器)的發展，就可能實現感應電動機的可變速運行，並且能根據速度控制特性的效能以超過DC電動機的水平控制感應電動機，從而使採用DC電動機的可變速控制領域越來越多地採用感應電動機代替DC電動機。
為對感應電動機進行矢量控制，應當從感應電動機反饋電動機的速度或磁通量信息，為此就需要速度信息傳感器或磁通量傳感器，例如測速發電機、解算器(resolver)或脈衝編碼器。
然而，由於傳感器包括電路，因此，由於電路的使用溫度範圍和速度傳感器與換流器(inverter)之間花費較大的信號配線致使帶有傳感器的感應電動機也受到限制。
即使可以安裝速度傳感器，也由於感應電動機與速度傳感器之間的連接部件禁受不住衝擊，因此出於設備可靠性考慮也最好避免使用傳感器。
因此，為了解決這些問題，已經成功進行了一種不需要速度傳感器的無傳感器矢量控制研究。
因此，近來已經提出了各種關於沒有速度傳感器的無傳感器矢量控制系統的感應電動機速度估算方法。其中，對通過利用模型(model)參考自適應性系統(MRAS)、磁通量檢測器和電機的聯立微分方程直接估算並控制磁通量的方法進行了研究。
圖1是依照常規技術的無傳感器矢量控制系統的示意性方框圖。
如圖1所示，一種用於接收電源裝置13的電力並驅動感應電動機的無傳感器控制系統包括速度控制器(speed controller)，向其反饋有參考速度(ωr*)和來自積分與比例常數計算單元20的估算速度值 當指定了預定參考速度(ωr*)和參考磁通量分量的電流(i1α*)時，對它們進行運算，並輸出參考轉矩分量的電流(i1β*)；電流變電壓命令單元10，它接收參考磁通量分量的電流(i1α*)和參考轉矩分量電流(i1β*)，並輸出DC參考電壓(v1α*，v1β*)；DC變AC轉換器11，它接收DC參考電壓(v1α*，v1β*)，並輸出兩相參考AC電壓(v1d*，v1q*)；相電壓轉換器(converter)12，用以接收兩相參考AC電壓(v1d*，v1q*)和三相參考相電壓(va*，vb*vc*)；換流器(inverter)14，用於接收三相參考相電壓(va*，vb*vc*)，並控制感應電動機(IM)；感應電動機15，用於接收來自換流器的三相參考相電壓(va*，vb*vc*)，並受到驅動；電流檢測器16，用於檢測流過換流器與感應電動機之間的電流，並輸出測得的相電流(ia，ib，ic)；相電流轉換器17，用於接收檢測的相電流(ia，ib，ic)並將它們轉換成d-軸電流(id)、q-軸電流(iq)；磁通量運算器18，用於接收輸入的d-軸電流(id)和q-軸電流(iq)，接收兩相參考AC電壓(v1d*，v1q*)，估算兩相AC磁通量 並將其輸出；AC/DC轉換器19，用於接收估算的兩相AC磁通量 估算DC磁通量 並將其輸出；積分/比例常數計算單元20，它通過利用估算的DC磁通量分量的 估算速度，並將其輸出；滑差(slip)運算器23，用於接收磁通量分量的電流(i1α*)和轉矩分量電流(i1β*)，獲得並輸出滑差；以及積分器25，用於接收滑差和估算的速度 對它們進行積分以估算角度。
現在將解釋按上述構造的無傳感器矢量控制系統的操作。
首先，當積分/比例常數計算單元20從用戶處接收參考速度(ωr*)時，就運算並輸出一個值。速度控制器22接收該值並輸出轉矩分量電流(i1β*)。
其後，電流/電壓命令單元10通過利用磁通量分量的電流(i1α*)和轉矩分量電流(i1β*)輸出DC參考電壓(v1α*，v1β*)。由DC變AC轉換器11將DC參考電壓(v1α*，v1β*)轉換成兩相AC參考電壓(v1d*，v1q*)。
然後，為驅動感應電動機，相電壓轉換器12接收兩相AC參考電壓(v1d*，v1q*)，並輸出三相參考相電壓(va*，vb*vc*)，然後換流器14通過利用供電裝置提供的電力和三相參考相電壓(va*，vb*vc*)驅動感應電動機。
可按以下方式獲得估算速度 和估算角度 檢測流過換流器14與感應電動機15之間的電流以獲得三相電流(ia，ib，ic)。通過相電流轉換器17將三相電流(ia，ib，ic)轉換成兩相d軸-電流(id)和q-軸電流(iq)並將其輸出，所述兩相電流容易控制。
磁通量運算器18接收DC/AC轉換器11的輸出值(v1d*，v1q*)和d軸-電流(id)與q-軸電流(iq)，然後估算兩相AC磁通量以估算兩相AC磁通量 AC/DC轉換器19將兩相AC磁通量 轉換成兩相DC磁通量 (該DC磁通量可方便地被控制)，然後積分/比例常數計算單元通過利用兩相DC磁通量分量中的分量 進行運算並獲得經估算的速度 將估算出的速度 與滑差運算器23的輸出相加獲得估算的角速度 積分器25通過利用估算的角速度 估算參照系變換所需的角度 上面描述了常規的無傳感器矢量控制系統，但它存在許多問題。
例如，第一，由於電流/電壓命令單元不包括磁通量的微分項而僅考慮了正常狀態，因此在瞬變狀態中不可能實現瞬時轉矩控制。
第二，為獲得估算速度 應當精確計算積分與比例常數計算單元20要使用的比例常數與積分常數值，由於對每個電機來說比例常數和積分常數值都不同，且實際很難獲得這些常數，因此進行精確計算非常困難。
第三，正如上面所述的，在通過常規的無傳感器矢量控制系統控制電機速度的情況下，當以低速算法驅動電機時，採用其中將高頻電壓或電流加到基波電壓上以查找電機磁通量絕對位置的方法。該方法在低速時是有效的，但在高速時就不能使用。同時，在高速算法的情況下，當控制電機速度時，算法在高速時有效，但在低速時實施就非常困難。因此，該方法不能覆蓋整個速度範圍。
發明概述因此，本發明的一個目的是提供一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統，它能在每個速度範圍內穩定運行，並能精確地控制速度和轉矩。
本發明的另一個目的是提供一種能自動偏移電機常數變化和低速時電壓誤差的無傳感器矢量控制系統。
本發明的再一個目的是提供一種容易實現的算法，它通過降低對感應電動機參數的依賴性來實現，該和運算操作不使用高性能的操作單元。
正如此處體現和概括描述的，為達到這些和其它優點並依照本發明的目的，提供了一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統，它由電源裝置供電以驅動感應電動機，該系統包括磁通量與速度控制單元，用於接收預定命令值並產生DC分量的兩相電壓；第一坐標轉換單元，用於將DC分量的兩相電壓轉換成AC分量的三相電壓；換流器，用於接收AC分量的三相電壓並驅動感應電動機；電流檢測器，用於接收流過換流器與感應電動機之間的AC分量的三相電功率，並檢測和輸出AC分量的三相電流；第二參照系轉換單元，用於接收AC分量的三相電流，進行轉換並輸出DC分量的兩相電流；磁通量與速度估算單元，用於接收DC分量的兩相電壓和DC分量的兩相電流，估算矢量控制所需的磁通量與速度；以及一次線圈電阻估算單元，用於接收DC分量的兩相電壓、DC分量的兩相電流和磁通量與速度估算值，估算一次線圈電阻並將其輸出。
為達到上述目的，進一步提供了一種感應電動機的無傳感器矢量控制方法，其中由電源裝置供電以驅動感應電動機，該方法包括以下步驟接收預定命令值並產生DC分量的兩相電壓；將DC分量的兩相電壓轉換成三相電壓以驅動感應電動機；在驅動感應電動機時檢測流過感應電動機的AC分量的三相電功率，並輸出AC分量的三相電流；將AC分量的三相電流轉換成DC分量的兩相電流；接收DC分量的電壓與電流，並利用通過磁通量與速度估算值進行矢量控制所需的算法輸出磁通量與速度估算值；以及接收DC分量的電壓和電流、磁通量與速度估算值，並通過一次線圈電阻估算器估算一次線圈電阻。
下面通過結合附圖對本發明進行詳細描述，以使本發明的前述以及其它目的、特徵、方面和優點變得更加清楚。


所包含的附圖用於提供對本發明的進一步理解，將其併入並構成本說明書的一部分，附圖連同描述一起說明本發明的實施例，用於解釋本發明原理。
在附圖中圖1是表示普通無傳感器矢量控制系統的結構的示意方框圖；圖2是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的結構示意方框圖；圖3是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度控制單元的結構示意圖；圖4是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度估算單元的結構示意圖；圖5是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度運算單元的結構示意圖；圖6是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的一次線圈電阻估算單元的結構示意圖，該估算單元用於估算一次線圈的電阻值；具體實施方式
現在將詳細描述本發明優選的實施例，其例子示於附圖中。
圖2是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的結構示意方框圖。
如圖2所示，一種感應電動機無傳感器矢量控制系統，其由電源裝置34供電以驅動感應電動機，該系統包括磁通量與速度控制單元30，用於接收預定命令值並產生DC分量的兩相電壓；第一參照系轉換單元31，用於將DC分量的兩相電壓轉換成AC分量的三相電壓；換流器35，用於接收AC分量的三相電壓並驅動感應電動機；電流檢測器37，用於檢測流過換流器與感應電動機之間的AC分量的三相電功率，檢測並輸出AC分量的三相電流；第二參照系轉換單元38，用於接收AC分量的三相電流，對其進行轉換並輸出DC分量的兩相電流；磁通量與速度估算單元41，用於接收DC分量的兩相電壓和DC分量的兩相電流，估算矢量控制所需的磁通量與速度；以及一次線圈電阻估算單元42，用於接收DC分量的兩相電壓、DC分量的兩相電流和磁通量與速度的估算值，估算一次線圈電阻並將其輸出。
第一參照系轉換單元31包括與靜止參照系同步的轉換器32，用於接收DC分量的兩相電壓 將其轉換成靜止參照系中的兩相電壓 然後將其輸出；以及2相向3相的參照系轉換器33，用於將靜止參照系中的兩相電壓 轉換成AC分量的三相電壓(va*，vb*vc*)，然後將其輸出。
第二參照系轉換單元38包括3相向2相的參照系轉換器39，用於接收AC分量的三相電流(ia，ib，ic)，將其轉換成兩相電流(iqss，idss)並將其輸出；與靜止參照系同步的轉換器40，用於接收DC分量的兩相電流(iqss，idss)，將其轉換成兩相電流(iqse，idse)並將其輸出。
現在將解釋按上面描述構造的感應電動機無傳感器矢量控制系統的操作。
在從用戶處接收參考值以控制感應電動機速度的無傳感器矢量控制的方法中，在從用戶處接收參考速度(ωr*)的同時接收感應電動機的參考磁通量 以輸出同步坐標系系統中的q-軸電壓 和同步參照系中的d-軸電壓 將同步參照系中的q-軸電壓 和d-軸電壓 轉換成作為磁通量和速度估算單元41的輸入電源使用的靜止參照系中的兩相電壓 並為了驅動感應電動機36，將坐標系統中的兩相電壓 轉換成三相電壓(va*，vb*vc*)。
其後，換流器35接收三相電壓(va*，vb*vc*)連同由供電裝置提供的DC鏈路(link)檢測電壓(vdc)，並按照其切換控制驅動感應電動機36。
此時，當驅動感應電動機36時，檢測流過換流器36與感應電動機35之間的三相電流(ia，ib，ic)，將測得的三相電流(ia，ib，ic)轉換成靜止坐標系統中的兩相電流，其作為輸入電流提供到磁通量與速度估算單元39，並將靜態坐標系統中的兩相電流(iqss，idss)轉換成同步參照系中的兩相電流(iqse，idse)。
由此，磁通量與速度估算器39接收靜止參照系中的電壓 和靜止參照系中的電流(iqss，idss)，進行估算並輸出d軸DC磁通量 q軸DC磁通量 磁角 磁通量角速度 和估算出的速度 一次線圈電阻估算單元42接收同步參照系中的兩相電流(idse，iqse)、同步參照系中的d-軸電壓 和磁通量與速度估算單元41的輸出值 估算一次線圈電阻 並將其輸出給磁通量與速度估算單元41，由此無需速度傳感器通過矢量控制系統就能經常地控制感應電動機。
圖3是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度控制單元的結構示意圖。
如圖3所示，磁通量與速度控制單元包括第一運算器43，用於接收參考速度(ωr*)和估算的速度 並對它們進行算術運算；速度控制器44，用於接收第一運算器的輸出並輸出參考轉矩分量的電流 第二運算器，用於接收坐標系統中參考轉矩分量的電流 和轉矩分量的電流(iqse)，對它們進行算術運算；轉矩分量的電流控制器46，用於接收第二運算器的輸出並產生同步參照系中的q-軸電壓 第三運算器47，用於接收參考磁通量 和感應電動機的估算磁通量 對它們進行算術運算；磁通量控制器48，用於接收第三運算器的輸出並輸出磁通量分量的偏移(offset)電流 磁通量電流運算器49，用於接收感應電動機的參考磁通量 並輸出初始磁通量分量的電流 第四運算器50，用於接收磁通量分量的偏移電流 和初始磁通量分量的電流 並對它們進行運算；第五運算器51，用於接收第四運算器48的輸出值 和同步參照系中磁通量分量的電流(idse)；以及磁通量分量的電流控制器52，用於接收第五運算器的輸出並產生同步參照系中的d-軸電壓 現在將解釋按上面所述構造的無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度控制單元的操作。
首先，為通過利用參考速度(ωr*)產生同步參照系中的q-軸電壓 需要控制轉矩分量的電流。
因此，從用戶處接收參考速度(ωr*)和估算速度 並輸出運算值。然後，一接收輸出，速度控制器就輸出參考轉矩分量的電流 此時，當轉矩電流控制器44接收參考轉矩分量的電流 與同步坐標系統中轉矩分量的電流(iqse)之間的差值時，就能產生同步參照系中的q-軸電壓 另外，為通過利用參考磁通量 產生同步參照系中的d-軸電壓 需要控制磁通量分量的電流。
由此，輸出感應電動機的參考磁通量 與估算磁通量 之間的差值，輸出磁通量分量的偏移電流 此時，磁通量電流運算器49接收感應電動機的參考磁通量 並輸出初始磁通量分量的電流 因此，通過利用磁通量分量的偏移電流 和初始磁通量分量的電流 獲得第四運算器的輸出值 此時，磁通量分量的電流控制器52能通過利用第四運算器的輸出值 和實際磁通量分量的電流(idse)之間的差值產生同步參照系中的d-軸電壓 圖4是表示根據本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度估算單元的結構示意圖。
如圖4所示，磁通量與速度估算單元包括依照具有第一坐標轉換器54的電流模型的轉子磁通量估算器53，用於接收以靜止參照系表示的兩相電流(idqss，idss，iqss)值，並將它們轉換成同步參照系的值，然後將其輸出；第六運算器57，用於輸出通過第一坐標轉換器54的輸出值(idqsr，idsr，iqsr)乘以感應電動機常數(Lm/Lr)56而獲得的值與通過同步參照系中的轉子磁通量 乘以由感應電動機常數限定的時間常數(1/Tr)59而獲得的值之間的差值；第一積分器58，用於接收第六運算器47的輸出值並輸出同步參照系中的轉子磁通量 第二積分器55，用於接收來自磁通量與速度運算器71(後面將描述)的估算速度 並對其積分；以及第二坐標轉換器60，用於接收第一積分器59的輸出值 和第二積分器44的輸出值，對它們進行參照系轉換，然後輸出靜止參照系中的轉子磁通量 具有第八運算器65的轉子磁通量估算單元63，用於對通過將靜止參照系轉換器的計算值電壓 與一次線圈電阻64相乘(multiplying)而得到的實際電流(idqss)值進行運算，並將其輸出；第九運算器66，用於對第八運算器65的輸出值和控制器62(後面將描述)的輸出值進行運算並將其輸出；第三積分器67，用於對第九運算器66的輸出值進行運算，第十運算器69，用於對通過將實際電流(idqss)乘以漏磁通量分量(σLs)68獲得的值與第三積分器57的輸出值之間的差值與感應電動機常數(Lm/Lr)70進行運算；第七運算器61，用於對第十運算器69的輸出值乘以感應電動機常數(Lm/Lr)70之後輸出的值 和第二靜止參照系轉換器的輸出值 進行運算；控制器62，用於接收第七運算器61的輸出值，將其作為比例常數運算並輸出轉子磁通量估算值 以及磁通量與速度運算器69，用於接收磁通量的估算值 對矢量控制所需的值進行運算。
下面將解釋按上面所述構造的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度估算單元的操作。
通過利用CPU(中央處理器)或DsP(數位訊號處理器)進行磁通量與速度估算的操作。
本發明的磁通量與速度估算單元不使用速度傳感器，而是通過利用以靜止參照系表示的電流和電壓依照電流模型估算轉子磁通量 並依照電壓模型估算轉子磁通量 獲得電壓模型的估算值與電流模型的估算值之間的差值，將差值乘以與感應電動機速度成比例的比例常數，從而獲得了磁通量的估算值 由此，能通過利用磁通量估算值 獲得矢量控制所需的值 首先，現在描述依照電流模型的轉子磁通量估算器53的操作。
第一坐標轉換器54接收靜止參照系中的實際電流(idqss)和第二積分器55的輸出值，將它們轉換成同步參照系中的電流並將其輸出。
由此，第六運算器56接收通過將輸出值(idqsr)乘以感應電動機常數(Lm/Lr)獲得的值，同時接收通過將同步參照系中的轉子磁通量 乘以由感應電動機常數限定的時間常數(1/Tr)59得到的值，計算其差值並將其輸出。
其後，第一積分器58接收第六運算器55的輸出值，並輸出同步坐標系統中的轉子磁通量 於是，第二參照系轉換器60接收第一積分器58的輸出值 和第二積分器55的輸出值，對它們進行坐標轉換，然後輸出依照電流模型的轉子磁通量 按下式獲得依照磁通量估算方法的同步參照系中的轉子磁通量 d^drrdt=-rrLr^dr+rrLmLridsr----(1)]]>d^qrrdt=-rrLr^qr+rrLmLriqsr----(2)]]>
其中「Lr」表示同步電抗，「Lm」表示磁化電抗，「rr」表示同步側電阻，「idsr」和「iqsr「」表示同步參照系中的電流。
利用公式(1)和(2)獲得同步參照系中的轉子磁通量，可按照下式表示成靜止坐標系統中的轉子磁通量 ^drs=^drrcosr-^qrrsinr----(3)]]>^qrs=^drrsinr+^qrrcosr----(4)]]>現在描述依照電壓模型的轉子磁通量估算單元的操作。
第八運算器65對通過靜止參照系轉換器的計算值電壓(idqss)與一次線圈電阻64相乘得到的實際電流值 進行計算。
第九運算器66接收第八運算器63的輸出值和控制器62的輸出值，對其計算並將其輸出。
第三積分器67對第九運算器66的輸出值進行積分。
其後，第十運算器69接收通過將實際電流(idqss)乘以漏磁通量分量(σLs)68獲得的值，並計算差值。
於是，能通過將第十運算器69的輸出值乘以感應電動機常數(Lm/Lr)70獲得依照電壓模型的轉子磁通量 通過下式可獲得依照磁通量估算方法的靜止坐標系統中的轉子磁通量 ^dss=(Vdss-rsidss)dt----(5)]]>^qss=(Vqss-rsiqss)dt----(6)]]>其中 和 表示靜止參照系中的電壓，「idss」和「iqss」表示靜止參照系中的電流，「rs」表示一次線圈電阻。
在公式(5)和(6)中，考慮到定子漏磁通量分量(σLs)獲得了下面的轉子磁通量 ^drs=LrLm(^dss-Lsidss)------(7)]]>^qrs=LrLm(^qss-Lsiqss)----(8)]]>其中「Lr」表示同步電抗，「Lm」表示磁化電抗，而「λdrs」和「λqrs」表示靜止參照系中的電流。
於是，為避免由於電機常數變化帶來的磁通量估算誤差的產生，而在低速範圍內使用利用電流模型並一起使用低通濾波器的轉子磁通量估算方法，而在高速範圍內，為消除例如變量偏移、積分器飽和、低速時的阻抗壓降和由於噪音引起的磁估算誤差，就使用利用電壓模型並一起使用高通濾波器的轉子磁通量估算方法。
另外，由於電流模型與電壓模型利用積分函數和微分函數，因此可以控制瞬時轉矩和矢量控制的穩定點(strong point)。用於控制器的值是與感應電動機速度成比例的恆定值，因此在該速度範圍內能容易確定該值。
通過採用與電壓模型和電流模型相適合的濾波器得到下面的公式(9)。^dqrs=ss+Kp^dqr-ms+Kps+Kp^dqr-cms----(9)]]>在該情況下，矢量控制所需的磁通量估算值 意味著通過利用依照電流模型的轉子磁通量 和依照電壓模型的轉子磁通量 而估算的磁通量。電壓模型利用高通濾波器(s/(s+Kp))而電流模型利用低通濾波器(Kp/(s+Kp))來估算最終的轉子磁通量。
圖5是表示依照本發明優選實施例的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度運算單元的結構示意圖。
如圖5所示，感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度運算單元包括Arc_Tan函數運算器72，用於接收磁通量估算值 然後估算出磁通量角度 微分器74，用於接收估算的磁通量角度，然後估算出磁通量角速度 第三參照系轉換器73，用於接收磁通量的估算值 磁通量的角度 並輸出同步參照系中的DC磁通量 滑移(slip)角速度估算單元75，用於接收第三參照系轉換器的輸出值和同步參照系中的電流(iqse)，並估算出滑移角速度 以及第十一運算器76，用於對微分器的輸出值 和估算出的滑移角速度 進行運算，並輸出估算速度 現在解釋按照上面所述構造的感應電動機無傳感器矢量控制系統的磁通量與速度運算單元的操作。
首先，通過利用由電壓模型和電流模型獲得的磁通量估算值 和Arc_Tan函數運算器72估算磁通量角度 接收經估算的磁通量角度 以便通過利用微分器74估算磁通量角速度
此時，第三坐標系統轉換器73接收磁通量的估算值 和磁通量的角度 然後輸出同步參照系中的DC磁通量 滑移角速度估算單元75接收第三參照系轉換器輸出值 中的d-軸磁通量值 和同步參照系中的電流(iqse)，然後估算滑移角速度 據此，通過對微分器的輸出值 和估算的滑移角速度 進行運算可獲得估算速度 圖6是表示依照本發明優選實施例的用於估算感應電動機無傳感器矢量控制系統中的一次線圈電阻值的一次線圈電阻估算單元的結構示意圖。
如圖6所示，無傳感器矢量控制系統的用於估算一次線圈電阻值的一次線圈電阻估算單元包括第十二運算器77，用於接收同步參照系中的d-軸電壓 和輸入電壓運算器78(將在後面描述)的同步參照系中的d-軸電壓(vdse)，然後對它們進行運算；控制器79，用於接收第十二運算器77的輸出值並輸出一次線圈電阻偏移值；限制器，用於接收一次線圈電阻偏移值，並將其限定為預定值；低通濾波器81，用於接收限制器80的輸出值，去除其中不需要的部分，並輸出經濾波的值(rs-offset)；第十三運算器82，用於對低通濾波值和初始一次線圈電阻值(rs-int)進行運算，並估算一次線圈電阻值 以及輸入電壓運算器78，用於接收估算的一次線圈電阻值 來自磁通量與速度估算單元的值 和同步參照系中的兩相電流(idse，iqse)，然後輸出同步參照系中的d-軸電壓(vdse)。
下面將描述按上面所述構造的感應電動機無傳感器矢量控制系統的用於估算一次線圈電阻值的一次線圈電阻估算單元的操作。
接收同步坐標系統中經計算的d-軸電壓 磁通量與速度估算單元的輸出值 和同步坐標系統中的兩相電流(idse，iqse)以估算一次線圈電阻值 然後，當依照電壓模型的轉子磁通量估算單元的一次線圈電阻值17變化時，通過利用估算的一次線圈電阻值 控制該一次線圈電阻值，由此即使在低速情況下也能穩定地控制感應電動機。
也就是說，第十二運算器77接收同步參照系中的d-軸電壓 和輸入電壓運算器78的d-軸電壓(vdse)，對它們進行運算並將其輸出。然後，控制器79接收輸出值，並輸出一次線圈電阻偏移值。限制器80接收一次線圈電阻偏移值，並將該偏移值限制為預定值。接收限制器80的輸出值，去掉其中不必要的部分。輸出經濾波的值(rs-offset)，對經濾波的值(rs-offset)和初始一次線圈電阻值(rs-int)進行運算，由此估算出一次線圈電阻值
輸入電壓運算單元78利用下式(10)獲得同步參照系中的d-軸電壓(vdse)。dse=(r^s+rrLm2Lr2)idse+Lspidse-eLsiqse-rrLmLrs^dre-w^rLmLr^qre----(10)]]>其中「Lm」表示磁化電抗，「Lr」表示同步電抗，「rr」表示同步參照系中的電阻。
正如至此所描述的，依照本發明的感應電動機無傳感器矢量控制系統具有許多優點。
例如，首先，由於能夠控制感應電動機的速度和轉矩，因此，即使對於需要拉伸控制的應用場合來說，例如紙張、金屬膜或纖維領域，它們僅允許矢量控制以及可變速，它們也可以採用該矢量控制系統。
第二，解決了由於需要對感應電動機進行速度控制和轉矩控制的應用場合中安裝附加傳感器而帶來的問題，並可以實現精確的矢量控制。
第三，由於對於每個速度範圍都能進行矢量控制，且不需要使用速度傳感器，因此可將無傳感器矢量控制裝置製成產品。
第四，由於實施運算的運算量不大，因此可利用普通CPU和DSP容易地進行感應電動機的速度控制和轉矩控制。
最後，由於感應電動機不太依賴於參數，並且系統在穩定範圍內運行，因此可該系統易於用到工業現場。
由於本發明以不脫離其構思和必要技術特徵的若干形式體現，因此可以理解的是，通過前面描述的任一細節描述的上述實施例不是限制性的，除非專門指明，都應當認為是這在所附加權利要求限定的構思和範圍內進行的概括性解釋，因此所有落入權利要求的集合和範圍的變化和改進或這些集合和範圍的等效替代都認為包含在所附加的權利要求中。
權利要求
1.一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統，其由電源裝置供電以驅動感應電動機，該系統包括磁通量與速度控制單元，用於接收預定的命令值並產生直流分量的兩相電壓；第一坐標轉換單元，用於將直流分量的兩相電壓轉換成交流分量的三相電壓；換流器，用於接收交流分量的三相電壓並驅動感應電動機；電流檢測單元，用於檢測並輸出流過換流器與感應電動機之間的交流分量的三相電流；第二坐標轉換單元，用於將來自電流檢測單元的交流分量的三相電流轉換成直流分量的兩相電流；磁通量與速度估算單元，用於從第二坐標轉換單元接收DC分量的兩相電壓，和矢量控制所需的磁通量與速度的估算值；以及一次線圈電阻估算單元，用於接收直流分量的兩相電壓、直流分量的兩相電流和磁通量與速度的估算值，估算一次線圈的電阻。
2.根據權利要求1所述的系統，其中磁通量與速度控制裝置包括第一運算器，用於接收參考速度(ωr*)和估算速度 並對它們進行算術運算；速度控制器，用於接收第一運算器的輸出並輸出參考轉矩分量的電流 第二運算器，用於接收參考轉矩分量的電流 和同步參照系中轉矩分量的電流(iqse)，進行算術運算；轉矩電流控制器，用於接收第二運算器的輸出並產生同步參照系中的q-軸電壓 第三運算器，用於接收感應電動機的參考磁通量 和估算磁通量 並進行算術運算；磁通量控制器，用於接收第三運算器的輸出並輸出磁通量分量的偏移電流 磁通量電流運算器，用於接收感應電動機的參考磁通量 並輸出初始磁通量分量的電流 第四運算器，用於接收磁通量分量的偏移電流和初始磁通量分量的電流 和初始磁通量分量的電流 並對它們進行運算；第五運算器，用於接收第四運算器的輸出值 和同步參照系中的磁通量分量的電流(idse)；以及磁通量電流控制器，用於接收第五運算器的輸出並產生同步參照系中的d-軸電壓
3.根據權利要求1所述的系統，其中第一坐標轉換單元包括與靜止參照系同步的轉換器，用於接收直流分量的兩相電壓 將其轉換成靜止參照系中的兩相電壓 然後輸出；以及2相向3相的參照系轉換器，用於將靜止參照系中的兩相電壓 轉換成交流分量的三相電壓(va*，vb*，vc*)，並將其輸出。
4.根據權利要求1所述的系統，其中第二坐標轉換單元包括3相向2相的坐標轉換器(39)，用於接收交流分量的三相電流(ia，ib，ic)，將其轉換成兩相電流(iqss，idss)並將其輸出；以及與靜止參照系同步的轉換器(40)，用於接收DC分量的兩相電流(iqss，idss)，將其轉換成兩相電流(idse，iqse)並將其輸出。
5.根據權利要求1所述的系統，其中磁通量與速度估算單元包括利用電流模型的轉子磁通量估算器，用於根據靜止參照系中的電流(idqss)和電壓 輸出轉子磁通量 利用電壓模型的轉子磁通量估算器，用於根據靜止參照系中的電流(idqss)和電壓 輸出轉子磁通量 第七運算器，用於計算利用電壓模型的轉子磁通量估算器輸出值與利用電流模型的轉子磁通量估算器輸出值之間的差值；控制器，用於接收第七運算器的輸出值，將其乘以預定比例的常數值，並獲得磁通量的估算值 以及磁通量與速度運算器，用於接收磁通量的估算值 並計算矢量控制所需的值。
6.根據權利要求5所述的系統，其中根據電流模型的轉子磁通量估算器包括第一參照系轉換器，用於接收靜止參照系中的兩相電流(idqss，idss，iqss)，將其轉換成同步參照系中的值並將其輸出；第六運算器，用於輸出通過將第一參照系轉換器的輸出值(idqsr，idsr，iqsr)與感應電動機常數(Lm/Lr)相乘得到的值與通過同步參照系中的轉子磁通量 與由感應電動機常數限定的時間常數(1/Tr)相乘得到的值之間的差值；第一積分器，用於接收第六運算器的輸出值，並輸出同步參照系中的轉子磁通量(λdqrr)；第二積分器，用於從磁通量與速度運算器接收估算的速度 對其進行積分；以及第二坐標轉換器，用於接收第一積分器的輸出值 和第二積分器44的輸出值，對它們進行參照系轉換，然後輸出靜止參照系中的轉子磁通量
7.根據權利要求5所述的系統，其中利用公式 和 獲得利用電流模型的轉子磁通量估算器的同步參照系中的轉子磁通量 通過下式 和 獲得靜止參照系中的轉子磁通量，其中「Lr」表示同步電抗，「Lm」表示磁化電抗，「rr」表示同步參照系中的電阻，而「idsr」和「iqsr」表示同步參照系中的電流。
8.根據權利要求5所述的系統，其中利用電壓模型的轉子磁通量估算器包括第八運算器，用於對通過以靜止參照系表示的電壓 與以靜止參照系表示的電流(idqss)與一次線圈電阻相乘得到的值進行運算，並將其輸出；第九運算器，用於對第八運算器的輸出值和控制器的輸出值進行運算，並將其輸出；第三積分器，用於對第九運算器的輸出值進行積分；第十運算器，用於對通過以靜止參照系表示的電流(idqss)與漏磁通量分量(σLs)相乘得到的值與第三積分器的輸出值之間的差值進行運算；以及感應電動機常數(Lm/Lr)。
9.根據權利要求8所述的系統，其中利用公式 和 產生根據電壓模型的轉子磁通量估算器的靜止參照系中的轉子磁通量 利用公式 和 產生上述公式中考慮到定子漏磁通量分量(σLs)的轉子磁通量 其中「vdss」和「vqss」表示靜止參照系中的電壓，「iqss」和「idss」表示靜止參照系中的電流，「rs」表示一次線圈電阻，「Lr」表示同步電抗，「Lm」表示磁化電抗，以及「iqss」和「idss」表示靜止參照系中的電流。
10.根據權利要求5所述的系統，其中矢量控制所需的磁通量估算值 表示通過利用根據電流模型的轉子磁通量 和根據電壓模型的轉子磁通量 估算的磁通量，電壓模型利用高通濾波器(s/(s+Kp))以及電流模型利用低通濾波器(Kp/(s+Kp))來估算最後的轉子磁通量。
11.根據權利要求10所述的系統，其中通過利用 得到磁通量的估算值
12.根據權利要求5所述的系統，其中磁通量與速度運算單元包括Arc_Tan函數運算器，用於接收磁通量估算值 然後估算出磁通量角度 微分器，用於接收估算的磁通量角度，並估算磁通量角速度 第三坐標轉換器，用於接收磁通量的估算值 和磁通量的角度 並輸出同步參照系中的DC磁通量 滑移角速度估算單元，用於接收第三坐標轉換器的輸出值 和同步參照系中的電流(iqse)，並估算滑移角速度 以及第十一運算器，用於對微分器的輸出值 和估算的滑移角速度 進行運算，並輸出估算速度
13.根據權利要求1所述的系統，其中一次線圈電阻估算單元包括第十二運算器，用於接收同步坐標系統中的d-軸電壓 和輸入電壓運算器的同步參照系中的d-軸電壓(vdse)，並對它們進行運算；控制器，用於接收第十二運算器的輸出值並輸出一次線圈電阻偏移值；限制器，用於接收一次線圈電阻偏移值，並將其限定為預定值；低通濾波器，用於接收限制器的輸出值，去除不需要的部分，並輸出經濾波的值(rs-offset)；第十三運算器，用於對低通濾波值和初始一次線圈電阻值(rs-int)進行運算，並估算一次線圈電阻值 以及輸入電壓運算器，用於接收估算的一次線圈電阻值 來自磁通量與速度估算單元的值 和同步參照系中的兩相電流(idse，iqse)，並輸出同步參照系中的d-軸電壓(vdse)。
14.根據權利要求13所述的系統，其中通過利用公式dse=(r^s+rrLm2Lr2)idse+Lspidse-eLsiqse-rrLmLr2^dre-w^rLmLr^qre]]>產生d-軸電壓(vdse)，其中「Lm」表示磁化電抗，「Lr」表示同步電抗，以及「rr」表示同步參照系中的電阻。
15.一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統，它由電源裝置供電以驅動感應電動機，包括磁通量與速度控制單元，其從用戶處接收參考速度(ωr*)和感應電動機的參考磁通量 並輸出q-軸電壓 和d-軸電壓 與靜止參照系同步的轉換單元，用於接收q-軸電壓 和d-軸電壓 將它們轉換成靜止參照系中的兩相電壓 並將其輸出；以及2相向3相的參照系轉換單元，用於將靜止參照系中的兩相電壓 轉換成三相電壓(va*，vb*，vx*)。換流器，用於接收三相電壓(va*，vb*，vx*)和由電源裝置提供的電壓，並通過切換驅動感應電動機；電流檢測單元，用於檢測流過換流器與感應電動機之間的三相電流(ia，ib，ix)；3相向2相的參照系轉換單元，用於接收測檢的三相電流(ia，ib，ix)，並將其轉換成兩相電流(iqss，idss)；與靜止參照系同步的轉換單元，用於接收兩相電流(iqss，idss)，將其轉換成同步參照系中的兩相電流(iqse，idse)並將其輸出；磁通量與速度估算單元，用於接收從靜止到同步參照系轉換單元輸出的兩相電流(idse，iqse)中的q-軸分量的電流(iqse)、靜態坐標系統中的兩相電壓 和靜止參照系中的兩相電流(iqss，idss)，運算磁通量角度 磁通量角速度 同步參照系中的DC磁通量 和估算速度 並將其輸出；以及一次線圈電阻估算單元，用於接收同步參照系中的d-軸電壓 從與靜止參照系同步的轉換單元輸出的兩相電流(idse，iqse)、從磁通量與速度估算單元輸出的磁通量角速度 同步參照系中的DC磁通量 和估算速度 估算的一次線圈電阻 並將其輸出。
16.一種感應電動機的無傳感器矢量控制方法，其由電源裝置供電以驅動感應電動機，它包括以下步驟接收預定命令值並產生DC分量的兩相電壓；將DC分量的兩相電壓轉換成三相電壓以驅動感應電動機；驅動感應電動機時檢測流過感應電動機的AC分量的三相電功率，並輸出AC分量的三相電流；將AC分量的三相電流轉換成DC分量的兩相電流；接收DC分量的電壓與電流，並利用按照磁通量與速度估算值進行矢量控制所需的一種算法，輸出磁通量與速度估算值；以及接收DC分量的電壓和電流、磁通量與速度的估算值，並通過一次線圈電阻估算器估算一次線圈電阻。
17.根據權利要求16所述的方法，其中在估算磁通量與速度的步驟中，通過利用以靜止參照系表示的電流和電壓、電壓模型和電流模型的估算值之間的差值估算出依照電流模型的轉子磁通量和依照電壓模型的磁通量，將輸出的差值乘以控制器的常數值以獲得磁通量的估算值。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，為防止由於感應電動機常數變化導致產生磁通量估算誤差，在低速範圍內使用依照電流模型的轉子磁通量估算和低通濾波器。
19.根據權利要求17所述的方法，其中，為消除例如變量偏移、積分器飽和、低速時的定子阻抗壓降和由於噪聲引起的磁估算誤差的問題，在高速範圍內使用依照電壓模型的轉子磁通量估算和高通濾波器。
20.根據權利要求17所述的方法，其中依照電流模型的轉子磁通量估算和依照電壓模型的轉子磁通量估算利用積分函數和微分函數，由此可控制瞬時轉矩、矢量控制的穩定點。
21.根據權利要求17所述的方法，其中控制器的值為與感應電動機速度成比例的常數值，因此在該速度範圍內容易確定該值。
22.根據權利要求17所述的方法，其中當磁通量與速度估算單元的電阻值發生變化時，通過利用一次線圈電阻估算單元的估算值控制該電阻值，從而即使在低速範圍內也能執行穩定操作。
23.根據權利要求17所述的方法，其中在磁通量與速度估算過程中，在低速範圍內自動偏移電機常數變化和電壓誤差。
24.根據權利要求16所述的方法，其中通過利用中央處理器(CPU)或數位訊號處理器(DSP)執行實施運算的操作。
全文摘要
一種感應電動機的無傳感器矢量控制系統,包括:磁通量與速度控制單元,接收預定命令值並產生DC分量的兩相電壓;第一參照系轉換單元,將DC分量的兩相電壓轉換成AC分量的三相電壓;換流器,接收AC分量的三相電壓並驅動感應電動機;電流檢測單元,接收流過換流器與感應電動機之間的AC分量的三相電功率,檢測並輸出AC分量的三相電流;第二參照系轉換單元,接收AC分量的三相電流,進行轉換並輸出DC分量的兩相電流;磁通量與速度估算單元,接收DC分量的兩相電壓和DC分量的兩相電流,估算矢量控制所需的磁通量與速度;以及一次線圈電阻估算單元,接收DC分量的兩相電壓、DC分量的兩相電流和磁通量與速度的估算值,估算一次線圈電阻。
文檔編號H02P21/00GK1339871SQ0114108
公開日2002年3月13日 申請日期2001年8月18日 優先權日2000年8月18日
發明者趙柄國 申請人:Lg產電株式會社