CN101043194A - 一种感应电动机的矢量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种感应电动机的矢量控制方法及装置，其中磁链观测步骤包括首先分别进行电压模型计算和电流模型计算得到磁链ψ_rhpf和ψ_rlpf，然后两部分磁链相加再进行直角坐标/极坐标变换得到磁链角θ_s和磁链幅值，磁链角θ_s作为参数再反馈到电流模型计算步骤中去。本发明在结合电压模型法、电流模型法的优点，弥补其不足的基础上，采用了改进电压模型法。考虑到电压模型和电流模型的各自特点，将两者结合起来使用，即在高速时让电压模型起作用，通过低通滤波器将电流模型的观测值滤掉；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器将电压模型观测值滤掉，这样磁链观测在高速和低速时都有较高的精确度。

Description

一种感应电动机的矢量控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电动机领域，特别是用于控制感应电动机的变速运转的无速度传感器矢量控制方法。

背景技术

随着矢量控制理论的引入和高性能的中央处理器(CPU)和数字信号处理器(DSP)的发展，可以高性能的控制感应电动机做变速运转。即需要感应电动机的速度信息或磁通信息来对感应电动机进行矢量控制。通常为了检测速度信息或磁通信息，需要速度传感器或磁通传感器，诸如速度机、解析器或脉冲编码器。但传感器的电子电路在使用温度方面受到局限，速度传感器和变流器之间信号接线费用高，而且感应电动机与速度传感器之间的连接部分要经受冲击，出于设备可靠性考虑最好避免使用传感器。因此近来提出了无传感器矢量控制设备的各种感应电动机速度估算方法，但现有的方法都有各自的局限性。

现有方法一基于模型参考自适应系统，MRAS(Model Reference Adaptive System)方法辨识参数的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，利用两个模型输出量的偏差根据一定自适应率来实时调节可调模型的参数。MRAS方法的框图如图1所示，它存在以下几个问题：首先，MRAS方法存在一个收敛速度的问题。因为电机的转速不是直接计算出的，而是通过自适应调节器通过调节和控制产生的，自适应调节器的收敛速度与调节器的参数相关。其次，MRAS方法存在稳定性的问题。自适应调节器存在一个稳定的参数范围，对于不同的电机，调节器稳定的参数范围不一样。设计者还必须在自适应调节器的收敛速度和稳定性方面作一些折衷。另外，MRAS方法的结构较为复杂，实现起来也较为困难。

现有方法二为改进的电压模型法，对电机磁链的电压模型法做了改进，其原理如图2所示。用一阶惯性滤波环节替代采用纯积分器进行反电动势计算，在低速运行时，一阶惯性滤波环节的计算值与实际值相差很大，且与转子速度相干扰，使不可能进行完全的矢量控制，对在整个速度范围内进行适当的矢量控制来说，这一解决方案是不令人满意的。其次，磁链观测的补偿量为转子磁链给定值，磁链观测器在磁链幅值变化的过程中，如：启动过程、励磁电流交流注入实现无速度传感器Rr辨识、弱磁控制等都不能准确观测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种感应电动机的矢量控制方法，能够进行稳定准确的控制电机磁链和转速观测。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种感应电动机的矢量控制方法，包括磁链观测的步骤，其特征在于，所述磁链观测步骤包括如下几步：首先分别进行电压模型计算和电流模型计算得到磁链ψ_rhpf和ψ_rlpf，然后两部分磁链相加再进行直角坐标/极坐标变换得到磁链角θ_s和磁链幅值，磁链角θ_s作为参数再反馈到电流模型计算步骤中去。

所述电流模型计算包括以下步骤：

1)旋转变换，根据电机检测的电流is和磁场角θ_s得到α-β坐标系下的电机定子电流is_α、is_β，

is＝{is_α，is_β}^T，继而计算出同步旋转d-q坐标系下的电机磁场电流is_d，

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_d\\ {\mathrm{is}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& \sin {\mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& {\cos \mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{is}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

is_q为电机力矩电流；

2)电流磁链模型计算，使用上述电机磁场电流is_d算出同步旋转d-q坐标系下磁链ψ_rd，

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}s}{i}_{\mathrm{sd}}$

式中，τ_r为转子时间常数，L_m为电机定转子互感；

3)旋转逆变换，使用上述d-q坐标系下磁链ψ_rd进行逆变换，算出α-β坐标系下的磁链ψr

4)低通滤波，通过第二积分器，在高速时将电流模型计算的观测值滤掉，

即得到磁链ψ_rlpf。

所述电压模型计算包括以下两个步骤：

1)反电动势计算，根据电机检测的电流is与逆变器发出的电压Us计算出电机反电动势e，

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{L_r}{L_m}(\stackrel{\‾}{\mathrm{Us}}-\mathrm{Rs}\·\mathrm{is}-\mathrm{\σLs}\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{is})$

式中，e为电机反电动势，L_r为电机转子电感，L_m为电机定转子互感，Rs为电机定子电阻，L_s为电机转子电感，σ为电机漏感系数；

2)高通滤波，通过第一积分器，在低速时将电压模型计算的观测值滤掉，即得到磁链ψ_rhpf，

所述磁链相加和直角坐标/极坐标变换过程为电压模型计算的磁链ψ_rhpf和电流计算的磁链ψ_rlpf经过相加得到观测到的电机磁链

$\widehat{{\mathrm{\ψ}}_r}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rlpf}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{hpfr}},$ 因此，混合的磁链计算公式为：

计算的磁链再经过直角坐标/极坐标变换得到磁链幅值和磁链角，

${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}.$

计算出的磁链角θ_s作为参数反馈到旋转变换和旋转逆变换。

本发明同时提供一种感应电动机的矢量控制装置，包括磁链观测模块，所述磁链观测模块包括电压模型部分、电流模型部分、加法器、直角坐标/极坐标变换装置和一个反馈装置。

所述电流模型部分包括：

1)旋转变换装置，根据电机检测的电流is和磁场角θ_s得到α-β坐标系下的电机定子电流is_α、is_β，

is＝{is_α，is_β}T，继而计算出同步旋转d-q坐标系下的电机磁场电流is_d，

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_d\\ {\mathrm{is}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& {\sin \mathrm{\θ}}_s\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_s& {\cos \mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{is}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

is_q为电机力矩电流；

2)电流磁链模型计算装置，使用上述电机磁场电流is_d算出同步旋转d-q坐标系下磁链ψ_rd，

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}s}{i}_{\mathrm{sd}}$

式中，τ_r为转子时间常数，L_m为电机定转子互感；

3)旋转逆变换装置，使用上述d-q坐标系下磁链ψ_rd进行逆变换，算出α-β坐标系下的磁链ψ_r

4)低通滤波装置，通过第二积分器，在高速时将电流模型的观测值滤掉，

即得到磁链ψ_rlpf。

所述电压模型部分包括：

1)反电动势计算装置，根据电机检测的电流 is与逆变器发出的电压 Us计算出电机反电动势 e，

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{L_r}{L_m}(\stackrel{\‾}{\mathrm{Us}}-\mathrm{Rs}\·\mathrm{is}-\mathrm{\σLs}\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{is})$

式中，e为电机反电动势，L_r为电机转子电感，L_m为电机定转子互感，Rs为电机定子电阻，L_s为电机转子电感，σ为电机漏感系数；

2)高通滤波装置，通过第一积分器，得到磁链ψ_rhpf，

所述加法器和直角坐标/极坐标变换装置，电压模型法的磁链ψ_r和电流模型法磁链ψ_rlpf经过加法器得到观测到的电机磁链

${\widehat{\mathrm{\ψ}}}_r={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rlpf}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{hpfr}}$

因此，混合模型的磁链计算公式为：

计算的磁链再经过直角坐标/极坐标变换得到磁链幅值和磁链角，

${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}.$

反馈装置将计算出的磁链角θ_s作为参数反馈到旋转变换装置和旋转逆变换装置。

本发明在结合电压模型法、电流模型法的优点，弥补其不足的基础上，采用了改进电压模型法。考虑到电压模型和电流模型的各自特点，将两者结合起来使用，即在高速时让电压模型起作用，通过低通滤波器将电流模型的观测值滤掉；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器将电压模型观测值滤掉，这样磁链观测在高速和低速时都有较高的精确度。

本发明算法稳定，估计值对实际值的收敛速度快，对受控对象参数变化和测量噪声具有较好的鲁棒性，结构上也不过于复杂，实现起来较为方便。

附图说明

图1是一种现有技术，MRAS方法辨识电机转速的框图。

图2是另一种现有技术，改进电压模型法的原理框图。

图3是本发明磁链观测模块的框图。

图4是本发明的一个实施例，一种无速度传感器矢量控制总体框图。

具体实施方式

图4为本发明的一个无速度传感器矢量控制系统的实施例，现就图4进行说明。检测的电机电流经过3/2变换，变换后is_α，is_β为α-β坐标系下的电机定子电流。同时，逆变器发出的电压Us_α，Us_β进入本发明的磁链观测模块，is_α，is_β同时进入旋转坐标变换模块，得到is_d，is_q为同步旋转d-q坐标系下的电机定子电流。磁场电流is_d进入磁链观测模块。通过磁链观测模块的计算，得到估计的电机同步转速

给定磁链ψ_r ^*和给定的电机力矩电流is_q ^*进入滑差计算模块，得到滑差转速ω_sl ^*，电机同步转速ω_s和滑差转速ω_sl ^*经减法器计算出转子转速，再经过低通滤波器滤波，得到估计的转子转速。估计的转子转速与给定转速经过减法器，再经过速度控制器，速度控制器输出指令电机转矩，指令电机转矩经过转矩电流计算模块，计算出给定的电机力矩电流；指令磁链ψ_r ^*经过磁场计算模块，计算出给定的电机磁场电流。给定的电机力矩电流与检测的电机力矩电流进入减法器，再经过电流控制器，产生给定的电机力矩电压；给定的电机磁场电流与检测的电机磁场电流进入减法器，再经过电流控制器，产生给定的电机磁场电压。给定的电机力矩电压和给定的电机磁场电压分别加上补偿电压，进入旋转变换模块，然后通过电压变换模块，施加到三相感应电机上。

其中，磁链观测模块的计算，包括电压模型部分、电流模型部分、加法器、直角坐标/极坐标变换装置和一个反馈装置。

所述电流模型部分包括：

1)旋转变换装置，根据电机检测的电流 is和磁场角θ_s得到α-β坐标系下的电机定子电流is_α、is_β，

is＝{is_α，is_β}T，继而计算出同步旋转d-q坐标系下的电机磁场电流is_d，

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_d\\ {\mathrm{is}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_s& {\sin \mathrm{\θ}}_s\\ -{\sin \mathrm{\θ}}_s& {\cos \mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{is}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

is_q为电机力矩电流；

2)电流磁链模型计算装置，使用上述电机磁场电流is_d算出同步旋转d-q坐标系下磁链ψ_rd，

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}s}{i}_{\mathrm{sd}}$

式中，τ_r为转子时间常数，L_m为电机定转子互感；

3)旋转逆变换装置，使用上述d-q坐标系下磁链ψ_rd进行逆变换，算出α-β坐标系下的磁链ψ_r

4)低通滤波装置，通过第二积分器，在高速时将电流模型的观测值滤掉，

即得到磁链ψ_rlpf。

所述电压模型部分包括：

1)反电动势计算装置，根据电机检测的电流is与逆变器发出的电压 Us计算出电机反电动势 e，

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{L_r}{L_m}(\stackrel{\‾}{\mathrm{Us}}-\mathrm{Rs}\·\mathrm{is}-\mathrm{\σLs}\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{is})$

式中， e为电机反电动势，L_r为电机转子电感，L_m为电机定转子互感，Rs为电机定子电阻，L_s为电机转子电感，σ为电机漏感系数；

2)高通滤波装置，通过第一积分器，得到磁链ψ_rhpf，

所述加法器和直角坐标/极坐标变换装置，电压模型法的磁链ψ_r和电流模型法磁链ψ_rlpf经过加法器得到观测到的电机磁链

${\widehat{\mathrm{\ψ}}}_r={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rlpf}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{hpfr}}$

因此，混合模型的磁链计算公式为：

计算的磁链再经过直角坐标/极坐标变换得到磁链幅值和磁链角，

${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}.$

反馈装置将计算出的磁链角θ_s作为参数反馈到旋转变换装置和旋转逆变换装置。

无速度传感器矢量控制系统的转速根据观测出的磁链进行估计。

由矢量关系可知，同步旋转速度：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}\right]=\frac{p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}-p{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}^2}$

滑差频率的计算公式在不同的参考坐标系下有不同的表达形式。在转子磁场定向控制中：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sl}}=\frac{L_m}{{\mathrm{\τ}}_r}\frac{i_{\mathrm{sq}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}$

ω_sl为滑差频率，则估计的转子转速为：

ω_r＝ω_s-ω_sl

本发明在结合电压模型法、电流模型法的优点，弥补其不足的基础上，采用了改进电压模型法。考虑到电压模型和电流模型的各自特点，将两者结合起来使用，即在高速时让电压模型起作用，通过低通滤波器将电流模型的观测值滤掉；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器将电压模型观测值滤掉，这样磁链观测在高速和低速时都有较高的精确度。

本发明算法稳定，估计值对实际值的收敛速度快，对受控对象参数变化和测量噪声具有较好的鲁棒性，结构上也不过于复杂，实现起来较为方便。

Claims (8)

1.一种感应电动机的矢量控制方法，包括磁链观测的步骤，其特征在于，所述磁链观测步骤包括如下几步：首先分别进行电压模型计算和电流模型计算得到磁链ψ_rhpf和ψ_rlpf，然后两部分磁链相加再进行直角坐标/极坐标变换得到磁链角θ_s和磁链幅值，磁链角θ_s作为参数再反馈到电流模型计算步骤中去。

2.根据权利要求1所述的感应电动机的矢量控制方法，其特征在于，所述电流模型计算包括以下步骤：

1)旋转变换，根据电机检测的电流 is和磁场角θ_s得到α-β坐标系下的电机定子电流is_α、is_β，

is＝{is_α，is_β}^T，继而计算出同步旋转d-q坐标系下的电机磁场电流is_d，

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_d\\ {\mathrm{is}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& {\sin \mathrm{\θ}}_s\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_s& {\cos \mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{is}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

is_q为电机力矩电流；

2)电流磁链模型计算，使用上述电机磁场电流is_d算出同步旋转d-q坐标系下磁链ψ_rd，

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}s}{i}_{\mathrm{sd}}$

式中，τ_r为转子时间常数，L_m为电机定转子互感；

3)旋转逆变换，使用上述d-q坐标系下磁链ψ_rd进行逆变换，算出α-β坐标系下的磁链ψ_r

4)低通滤波，通过第二积分器，在高速时将电流模型计算的观测值滤掉，

即得到磁链ψ_rlpf。

3.根据权利要求1所述的感应电动机的矢量控制方法，其特征在于，所述电压模型计算包括以下两个步骤：

1)反电动势计算，根据电机检测的电流 is与逆变器发出的电压 Us计算出电机反电动势 e，

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{L_r}{L_m}(\stackrel{\‾}{\mathrm{Us}}-\mathrm{Rs}\·\mathrm{is}-\mathrm{\σLs}\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{is})$

式中， e为电机反电动势，L_r为电机转子电感，L_m为电机定转子互感，Rs为电机定子电阻，L_s为电机转子电感，σ为电机漏感系数；

2)高通滤波，通过第一积分器，在低速时将电压模型计算的观测值滤掉，即得到磁链ψ_rhpf，

4.根据权利要求2所述的感应电动机的矢量控制方法，其特征在于，所述磁链相加和直角坐标/极坐标变换过程为电压模型计算的磁链ψ_rhpf和电流计算的磁链ψ_rlpf经过相加得到观测到的电机磁链

$\widehat{{\mathrm{\ψ}}_r}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rlpf}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{hpfr}},$ 因此，混合的磁链计算公式为：

计算的磁链再经过直角坐标/极坐标变换得到磁链幅值和磁链角，

${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}.$

计算出的磁链角θ_s作为参数反馈到旋转变换和旋转逆变换。

5.一种感应电动机的矢量控制装置，包括磁链观测模块，其特征在于，所述磁链观测模块包括电压模型部分、电流模型部分、加法器、直角坐标/极坐标变换装置和一个反馈装置。

6.根据权利要求5所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，所述电流模型部分包括：

1)旋转变换装置，根据电机检测的电流 is和磁场角θ_s得到α-β坐标系下的电机定子电流is_α、is_β，

is＝{is_α，is_β}^T，继而计算出同步旋转d-q坐标系下的电机磁场电流is_d，

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_d\\ {\mathrm{is}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_s& {\sin \mathrm{\θ}}_s\\ {-\sin \mathrm{\θ}}_s& {\cos \mathrm{\θ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{is}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{is}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

is_q为电机力矩电流；

2)电流磁链模型计算装置，使用上述电机磁场电流is_d算出同步旋转d-q坐标系下磁链ψ_rd，

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}s}{i}_{\mathrm{sd}}$

式中，τ_r为转子时间常数，L_m为电机定转子互感；

3)旋转逆变换装置，使用上述d-q坐标系下磁链ψ_rd进行逆变换，算出α-β坐标系下的磁链ψ_r

4)低通滤波装置，通过第二积分器，在高速时将电流模型的观测值滤掉，

即得到磁链ψ_rlpf。

7.根据权利要求5所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，所述电压模型部分包括：

1)反电动势计算装置，根据电机检测的电流 is与逆变器发出的电压 Us计算出电机反电动势 e，

$\stackrel{\‾}{e}=\frac{L_r}{L_m}(\stackrel{\‾}{\mathrm{Us}}-\mathrm{Rs}\·\mathrm{is}-\mathrm{\σLs}\frac{d}{\mathrm{dt}}\mathrm{is})$

式中， e为电机反电动势，L_r为电机转子电感，L_m为电机定转子互感，Rs为电机定子电阻，L_s为电机转子电感，σ为电机漏感系数；

2)高通滤波装置，通过第一积分器，得到磁链ψ_rhpf，

8.根据权利要求6所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，所述加法器和直角坐标/极坐标变换装置，电压模型法的磁链ψ_r和电流模型法磁链ψ_rlpf经过加法器得到观测到的电机磁链

$\widehat{{\mathrm{\ψ}}_r}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rlpf}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{hpfr}}$

因此，混合模型的磁链计算公式为：

计算的磁链再经过直角坐标/极坐标变换得到磁链幅值和磁链角，

${\mathrm{\θ}}_s=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}.$

反馈装置将计算出的磁链角θ_s作为参数反馈到旋转变换装置和旋转逆变换装置。

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