一種感應電動機的矢量控制裝置的製作方法

2023-08-08 03:31:36

專利名稱：一種感應電動機的矢量控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種感應電動機的控制裝置，具體涉及一種感應電動機的無速度傳感 器矢量控制裝置。
背景技術：
目前，比較常用的交流調速控制方法有V/F控制、矢量控制和直接轉矩控制(DTC) 等幾種方式。矢量控制被認為是感應電機高性能控制場合應用最廣泛的控制方法，其中基 於轉子磁場定向的矢量控制可以實現感應電機的解耦控制，採用這種方法可以使感應電機 的動態性能與直流電機相媲美。在矢量控制系統中，為了實現磁通定向對電機進行解耦，通 常需要速度傳感器。然而，速度傳感器的安裝增加了整個系統的成本和複雜性，在高溫、潮 溼等惡劣條件下，速度傳感器的安裝又降低了系統的可靠性。因此，研究無速度傳感器矢量控制技術具有實際意義，它可以避免傳感器帶來的 環境適應性、安裝維護等麻煩，提高系統的可靠性，並且降低產品成本。無速度傳感器矢量 控制的核心技術是如何來準確地獲取電機的磁鏈和轉速信息，尤其是如何提高低速場合磁 鏈和轉速的觀測性能。20世紀70 80年代以來，很多學者和工程技術人員在這方面傾注 了大量心血，取得了不少成就，提出了很多無速度傳感器矢量控制算法，包括有定子電流 轉矩分量誤差補償法、感應電動勢計算法、模型參考自適應法(MRAS)、轉子磁鏈角速度計算 法、自適應狀態觀測器、擴展的卡爾曼濾波算法以及信號注入法等等。其中自適應狀態觀測 器算法採用自適應算法對電機轉速進行觀測，對測量噪聲具有一定的魯棒性，因而受到廣 泛青睞。但是，傳統的轉速自適應率並不能保證算法的穩定性，在低速發電狀態下系統存在 不穩定問題，且低速時轉速觀測誤差較大。

發明內容
本發明的目的是提供一種感應電動機的矢量控制裝置，以解決傳統感應電動機的 矢量控制方法因轉速自適應率不能保證算法的穩定性，在低速發電狀態下系統存在不穩定 且低速時轉速觀測誤差較大的問題。它包括電流傳感器105、變換器103、第一坐標變換單元102、第二坐標變換單元 110、三相到二相坐標變換單元107、電壓重構單元109、第一電流控制單元101、第二電流控 制單元106、速度控制單元100、磁鏈控制單元122、全階觀測器單元108和轉速自適應觀測 單元111，
感應電機104的定子電流A通過電流傳感器105採樣後，送到三相到二相坐標變換單 元107進行α-β靜止坐標軸系的坐標變換，第二坐標變換單元110根據全階觀測器單元 108觀測出的轉子磁鏈觀測值C的角度對變換到α-β軸系下的電流進行旋轉坐標變換， 使電機定子電流分解成轉矩電流D和勵磁電流Ε，第二電流控制單元106和第一電流控制 單元101分別對勵磁電流E和轉矩電流D進行控制使之分別與其指令值相匹配，其中，轉矩 電流指令J為速度控制單元100根據轉速指令H與轉速自適應觀測單元111觀測出的電機轉速觀測值B的差值進行調節的輸出值；勵磁電流指令I為磁鏈控制單元122根據磁鏈指 令G與全階觀測器單元108觀測出的電機轉子磁鏈觀測值C的幅值的差值進行調節的輸出 值，第一坐標變換單元102把第一電流控制單元101和第二電流控制單元106的輸出值轉 換到α-β靜止坐標軸系，生成定子電壓指令Y並將其輸出給變換器103，變換器103根據 定子電壓指令Y對直流母線電壓Vde執行直流一交流變換並輸出給感應電機104，電壓重構 單元109根據定子電壓指令Y和檢測到的直流母線電壓Vde重構出三相相電壓F，全階觀測 器單元108根據重構的三相相電壓F以及三相到二相坐標變換單元107變換出的α-β靜 止坐標軸系下的電流N以及轉速自適應觀測單元111輸出的電機轉速觀測值B對電機狀態 進行觀測，觀測出電機定子電流觀測值L、定子磁鏈觀測值Z和轉子磁鏈觀測值C，轉速自適 應觀測單元111根據全階觀測器單元108輸出的定子電流觀測值L、定子磁鏈觀測值Z和轉 子磁鏈觀測值C以及三相到二相變換坐標單元107輸出的電流N觀測出電機轉子速度觀測 值B ；
所述轉速自適應觀測單元111包括外積單元300、第一加減運算單元320和PI調整單 元308，第一加減運算單元320求取電流N與定子電流觀測值L之差並輸入到外積單元300， 外積單元300對第一加減運算單元320輸出的定子電流誤差和轉子磁鏈觀測值C進行外積 運算；
轉速自適應觀測單元111還包括一號坐標變換單元301、二號坐標變換單元302、增益 單元303、符號運算單元307、一號乘法單元304、二號乘法單元305、三號乘法單元306、常數 值單元309、減法單元310、限幅單元311、第二加減運算單元321和加法運算單元322，一號 坐標變換單元301基於轉子磁鏈觀測值C的角度信號進行坐標變換，將定子電流觀測值L 分解出勵磁電流觀測值P，由第二加減運算單元321對實際勵磁電流E與勵磁電流觀測值P 進行比較得到勵磁電流觀測偏差，二號乘法單元304將該偏差乘以定子磁鏈q軸分量觀測 值Q，而定子磁鏈q軸分量觀測值Q由二號坐標變換單元302基於轉子磁鏈觀測值C的角度 信號對定子磁鏈觀測值Z進行坐標變換分解得到，符號運算單元307輸出轉矩電流D的符 號值，增益單元303將同步角速度X乘以增益k，其中，同步角速度通過對轉子磁鏈觀測值C 的角度信號進行微分運算得到；二號乘法單元305將增益單元303的輸出與符號運算單元 307的輸出相乘，其結果輸出到減法單元310，減法單元310則
將二號乘法單元305的輸出減去常數值單元309中的數值，限幅單元311將減法單元 310的輸出進行限幅操作後輸出，三號乘法單元306將一號乘法單元304的輸出乘以限幅單 元311的輸出，加法運算單元322將三號乘法單元306的輸出加入到外積單元300的輸出 中，加法運算單元322的結果輸入到PI調整單元308中，獲得電機轉速的觀測值B。
無速度傳感器矢量控制器中應該包含對電機磁鏈觀測誤差的計算，但由於無法測 得電機磁鏈的實際值，這一項往往在傳統技術被忽略。在中高頻段，這種近似處理對系統沒 有影響。但在低頻段，觀測出的電機轉速信號存在較大誤差，並且在低速再生發電狀態下系 統存在一段不穩定區域。本發明主要針對傳統自適應狀態觀測器算法的這些問題提出了 一種改進的轉速觀測自適應率，以進一步提高系統的低速性能以及低速發電狀態下的穩定 性。觀測轉速時不忽略電機磁鏈的實際值，因此觀測誤差小。可明顯提高控制系統的低速 性能以及低速發電狀態下的穩定性。


圖1是採用自適應全階觀測器的無速度傳感器矢量控制裝置的結構示意圖；圖2 是圖1中轉速自適應觀測單元111的結構示意圖；圖3是電機由發電狀態到電動狀態互相 切換時的電機定子電流波形與電機轉速波形的對照波形圖。其中，位於上方的是定子電流 波形；位於下方的是電機轉速波形，定子電流波形中電流為50A/格，電機轉速波形中轉速 為IOOrpm/格，時間為Is/格。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖3具體說明本實施方式。本實施方式包括電 流傳感器105、變換器103、第一坐標變換單元102、第二坐標變換單元110、三相到二相坐標 變換單元107、電壓重構單元109、第一電流控制單元101、第二電流控制單元106、速度控制 單元100、磁鏈控制單元122、全階觀測器單元108和轉速自適應觀測單元111，
感應電機104的定子電流A通過電流傳感器105採樣後，送到三相到二相坐標變換單 元107進行α-β靜止坐標軸系的坐標變換，第二坐標變換單元110根據全階觀測器單元 108觀測出的轉子磁鏈觀測值C的角度對變換到α-β軸系下的電流進行旋轉坐標變換， 使電機定子電流分解成轉矩電流D和勵磁電流Ε，第二電流控制單元106和第一電流控制 單元101分別對勵磁電流E和轉矩電流D進行控制使之分別與其指令值相匹配，其中，轉矩 電流指令J為速度控制單元100根據轉速指令H與轉速自適應觀測單元111觀測出的電機 轉速觀測值B的差值進行調節的輸出值；勵磁電流指令I為磁鏈控制單元122根據磁鏈指 令G與全階觀測器單元108觀測出的電機轉子磁鏈觀測值C的幅值的差值進行調節的輸出 值，第一坐標變換單元102把第一電流控制單元101和第二電流控制單元106的輸出值轉 換到α-β靜止坐標軸系，生成定子電壓指令Y並將其輸出給變換器103，所述變換器103 可以是三相電壓型逆變器等。變換器103根據定子電壓指令Y對直流母線電壓Vde執行直 流一交流變換並輸出給感應電機104，電壓重構單元109根據定子電壓指令Y和檢測到的 直流母線電壓Vde重構出三相相電壓F，全階觀測器單元108根據重構的三相相電壓F以及 三相到二相坐標變換單元107變換出的α-β靜止坐標軸系下的電流N以及轉速自適應觀 測單元111輸出的電機轉速觀測值B對電機狀態進行觀測，觀測出電機定子電流觀測值L、 定子磁鏈觀測值Z和轉子磁鏈觀測值C，轉速自適應觀測單元111根據全階觀測器單元108 輸出的定子電流觀測值L、定子磁鏈觀測值Z和轉子磁鏈觀測值C以及三相到二相變換坐標 單元107輸出的電流N觀測出電機轉子速度觀測值B ；
所述轉速自適應觀測單元111包括外積單元300、第一加減運算單元320和PI調整單 元308，第一加減運算單元320求取電流N與定子電流觀測值L之差並輸入到外積單元300， 外積單元300對第一加減運算單元320輸出的定子電流誤差和轉子磁鏈觀測值C進行外積 運算；
轉速自適應觀測單元111還包括一號坐標變換單元301、二號坐標變換單元302、增益 單元303、符號運算單元307、一號乘法單元304、二號乘法單元305、三號乘法單元306、常數 值單元309、減法單元310、限幅單元311、第二加減運算單元321和加法運算單元322， 一號坐標變換單元301基於轉子磁鏈觀測值C的角度信號進行坐標變換，將定子電流
觀測值L ( 7；&,)分解出勵磁電流觀測值P (。)，由第二加減運算單元321對實際勵磁電流E與勵磁電流觀測值P進行比較得到勵磁電流觀測偏差(U )，二號乘法單元304 將該偏差乘以定子磁鏈q軸分量觀測值),而定子磁鏈q軸分量觀測值Q由二號坐標
變換單元302基於轉子磁鏈觀測值C的角度信號對定子磁鏈觀測值Z (歡a , ^V >進行坐
標變換分解得到，符號運算單元307輸出轉矩電流D的符號值，增益單元303將同步角速度 X乘以增益k，其中，同步角速度通過對轉子磁鏈觀測值C的角度信號進行微分運算得到；二 號乘法單元305將增益單元303的輸出與符號運算單元307的輸出相乘，其結果輸出到減 法單元310，減法單元310則將二號乘法單元305的輸出減去常數值單元309中的數值，(這
個值為I，可根據電機參數計算出)限幅單元311將該輸出進行限幅操作後輸出，三號乘
法單元306將一號乘法單元304的輸出乘以限幅單元311的輸出，加法運算單元322將三 號乘法單元306的輸出加入到外積單元300的輸出中，加法運算單元322的結果輸入到PI
調整單元308中，獲得電機轉速的觀測值B (龜)。下面給出轉速自適應觀測單元111的設計思想
根據感應電機的數學模型，可推導出感應電機的狀態方程，如式(1)所示。
『和A為定子電流和定子電壓；
Ψ:.和ψγ為定子磁鏈和轉子磁鏈；
下標α-和盧表示靜止坐標系α-β中正交的2軸分量;
尾和民為定子、轉子電阻；
Hf^Lm分別表示定子自感，轉子自感以及互感；
表示漏磁係數； %為轉子角速度。 根據式(1)所示的電機狀態方程，可構造出如下所示的全階觀測器，其中上標『 表示觀測量。
(2)
上式中，I為誤差反饋矩陣(在本發明中，誤差反饋矩陣設為0)；通過將矩陣A中的轉 子角速度巧替換成其觀測值屯來獲得矩陣i。根據全階觀測器，採用自適應方法對電機轉 速進行觀測，其中自適應率可根據李亞普洛夫穩定性理論推導出。由式(1)和式(2)可知， 定、轉子磁鏈的觀測誤差為 d
其中，
定義李亞普洛夫函數ν有
其中，λ為正常數；
(3) 對式(4)進行微分有
(5)
進一步展開得
(6 ) 由李亞普洛夫穩定性理論可以得到如下的電機轉速辨識方法
(7)
式(7)中包含有電機磁鏈觀測誤差，由於無法測得電機磁鏈的實際值。因此，一般的傳 統技術將等式(7)右邊第二項忽略，推導出的速度觀測自適應率為在中高頻段，這種近似處理對系統沒有影響。但在低頻段，通過式(8)觀測出的電機轉 速信號存在較大誤差，並且在低速再生發電狀態下系統存在一段不穩定區域。
本發明主要針對這一問題，提出了一種提高觀測器低速性能及穩定性的方法。該 方法通過對速度觀測自適應率進行改進，使得系統的低速性能得到大幅提高。具體的本發 明速度觀測自適應率如下所示
.t
4 = (K +—)[(e；
口 Ψ
(9)
式(9)又可寫成式(10)所示的形式。 &r
其中，
S
1 Iimt
--Sigfi(Iii)- Φε
Mi
^Ji — hqj
+ M-
m
{Μ > M^it)
(-M腦 <M <MMmit)
■limit
IimitJ
(10)
(11)
k為正常數，Mlisit為M的限幅值，k和Mfiffii的具體值可根據實際情況來選定，在本 實施方式中『=0. 1368, Mlimil =1. 08 ；
^為同步角速度，兩=, g為轉子磁鏈觀測值C的角度；
K , h為pi調節器的比例和積分係數；
. t- ■ 々■ sI^『 % =V-V ；
速度觀測自適應率也可採用如下方法
Sr = (k^ +— 或
S
K
mr ={k +
此時，Af取值為 \M
eiJK:) + Μ<· (hi H4 -
M'
limit
k'^ sign(i!q) Oie -Lm -M1r
(M'> M1smii) (^M1mitK M'<M'SMit) (M'<- ..
(12)
(13)
■ SmitMri - —Iimitt
ir'為正常數，其值可根據實際情況來選定，在本實施方式中
(14)
=0. 01, M1limii =0. 079
本實施方式中的第一坐標變換單元102採用的是反帕克變換，第二坐標變換單元110 採用的是帕克變換，一號坐標變換單元301和二號坐標變換單元302採用的都是帕克變換，
9PI調整單元308即是公式9中的(kF +^)項；外積單元300即是公式9中的—βφ:》
項；增益單元303中的增益倍數(或稱增益係數)即是公式11中λ項；符號運算單元307即 是公式11中的ggy、)項；常數值單元309即是公式11中的t項；限幅單元311的操作 即使將K的數值限制在Ai馳與麵f之間。圖3給出了電機由發電狀態到電動狀態互相切換時的電機定子電流與轉速實驗 對照波形示意圖，實驗所用電機的參數如表1所示。電機負載為方向不變大小恆定的負載。 首先，感應電動機工作在正轉發電狀態，通過轉速反向後切換到電動狀態。然後，又通過轉 速反向重新切換到發電狀態。從電機的轉速波形和定子電流波形可看出，電機切換得非常 平滑，低速發電狀態下的不穩定現象得到了消除。表 權利要求
一種感應電動機的矢量控制裝置，它包括電流傳感器(105)、變換器(103)、第一坐標變換單元(102)、第二坐標變換單元(110)、三相到二相坐標變換單元(107)、電壓重構單元(109)、第一電流控制單元(101)、第二電流控制單元(106)、速度控制單元(100)、磁鏈控制單元(122)、全階觀測器單元(108)和轉速自適應觀測單元(111)，感應電機(104)的定子電流(A)通過電流傳感器(105)採樣後，送到三相到二相坐標變換單元(107)進行α β靜止坐標軸系的坐標變換，第二坐標變換單元(110)根據全階觀測器單元(108)觀測出的轉子磁鏈觀測值(C)的角度對變換到α β軸系下的電流進行旋轉坐標變換，使電機定子電流分解成轉矩電流(D)和勵磁電流(E)，第二電流控制單元(106)和第一電流控制單元(101)分別對勵磁電流(E)和轉矩電流(D)進行控制使之分別與其指令值相匹配，其中，轉矩電流指令(J)為速度控制單元(100)根據轉速指令(H)與轉速自適應觀測單元(111)觀測出的電機轉速觀測值(B)的差值進行調節的輸出值；勵磁電流指令(I)為磁鏈控制單元(122)根據磁鏈指令(G)與全階觀測器單元(108)觀測出的電機轉子磁鏈觀測值(C)的幅值的差值進行調節的輸出值，第一坐標變換單元(102)把第一電流控制單元(101)和第二電流控制單元(106)的輸出值轉換到α β靜止坐標軸系，生成定子電壓指令(Y)並將其輸出給變換器(103)，變換器(103)根據定子電壓指令(Y)對直流母線電壓(Vdc)執行直流－交流變換並輸出給感應電機(104)，電壓重構單元(109)根據定子電壓指令(Y)和檢測到的直流母線電壓(Vdc)重構出三相相電壓(F)，全階觀測器單元(108)根據重構的三相相電壓(F)以及三相到二相坐標變換單元(107)變換出的α β靜止坐標軸系下的電流(N)以及轉速自適應觀測單元(111)輸出的電機轉速觀測值(B)對電機狀態進行觀測，觀測出電機定子電流觀測值(L)、定子磁鏈觀測值(Z)和轉子磁鏈觀測值(C)，轉速自適應觀測單元(111)根據全階觀測器單元(108)輸出的定子電流觀測值(L)、定子磁鏈觀測值(Z)和轉子磁鏈觀測值(C)以及三相到二相變換坐標單元(107)輸出的電流(N)觀測出電機轉子速度觀測值(B)；所述轉速自適應觀測單元(111)包括外積單元(300)、第一加減運算單元(320)和PI調整單元(308)，第一加減運算單元(320)求取電流(N)與定子電流觀測值(L)之差並輸入到外積單元(300)，外積單元(300)對第一加減運算單元(320)輸出的定子電流誤差和轉子磁鏈觀測值(C)進行外積運算； 其特徵在於轉速自適應觀測單元(111)還包括一號坐標變換單元(301)、二號坐標變換單元(302)、增益單元(303)、符號運算單元(307)、一號乘法單元(304)、二號乘法單元(305)、三號乘法單元(306)、常數值單元(309)、減法單元(310)、限幅單元(311)、第二加減運算單元(321)和加法運算單元(322)，一號坐標變換單元(301)基於轉子磁鏈觀測值(C)的角度信號進行坐標變換，將定子電流觀測值(L)分解出勵磁電流觀測值(P)，由第二加減運算單元(321)對實際勵磁電流(E)與勵磁電流觀測值(P)進行比較得到勵磁電流觀測偏差，二號乘法單元(304)將該偏差乘以定子磁鏈q軸分量觀測值(Q)，而定子磁鏈q軸分量觀測值(Q)由二號坐標變換單元(302)基於轉子磁鏈觀測值(C)的角度信號對定子磁鏈觀測值(Z)進行坐標變換分解得到，符號運算單元(307)輸出轉矩電流(D)的符號值，增益單元(303)將同步角速度(X)乘以增益(k)，其中，同步角速度通過對轉子磁鏈觀測值(C)的角度信號進行微分運算得到；二號乘法單元(305)將增益單元(303)的輸出與符號運算單元(307)的輸出相乘，其結果輸出到減法單元(310)，減法單元(310)則將二號乘法單元(305)的輸出減去常數值單元(309)中的數值，限幅單元(311)將減法單元(310)的輸出進行限幅操作後輸出，三號乘法單元(306)將一號乘法單元(304)的輸出乘以限幅單元(311)的輸出，加法運算單元(322)將三號乘法單元(306)的輸出加入到外積單元(300)的輸出中，加法運算單元(322)的結果輸入到PI調整單元(308)中，獲得電機轉速的觀測值(B)。
2.根據權利要求1所述的一種感應電動機的矢量控制裝置，其特徵在於所述變換器 (103)是三相電壓型逆變器。
全文摘要
一種感應電動機的矢量控制裝置，本發明涉及一種感應電動機的無速度傳感器矢量控制裝置。它解決了傳統感應電動機的矢量控制方法因轉速自適應率不能保證算法的穩定性，在低速發電狀態下系統存在不穩定且低速時轉速觀測誤差較大的問題。本發明通過將勵磁電流的實際值和觀測值之間的勵磁電流誤差，q軸定子磁鏈觀測值和可變增益(M)的乘積加入到所觀測電流偏差和所觀測的轉子磁鏈的外積中，經由PI調節器觀測得到電機速度。從而控制電機的轉速。本發明大幅提高了系統的低速性能，並有效解決了再生發電狀態下系統的不穩定問題。本發明用於控制感應電機的轉速。
文檔編號H02P21/14GK101931361SQ20101011389
公開日2010年12月29日 申請日期2010年2月25日 優先權日2010年2月25日
發明者於泳, 徐殿國, 楊明, 楊榮峰, 王高林, 貴獻國, 陳偉 申請人:哈爾濱工業大學