專利名稱：感應電動機驅(qū)動器及其參數(shù)估計方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種感應電動機驅(qū)動器，更具體地說，涉及感應電動機的一種向量控制。
一種典型的基于直接場定向的(direct field-oriented)感應電動機驅(qū)動器系統(tǒng)表示在

圖12中。
通過調(diào)節(jié)由一個變換器101供電的感應電動機102的轉(zhuǎn)矩和磁通，進行感應電動機的向量控制。
圖12舉例表明包括一個速度傳感器132的感應電動機驅(qū)動器。就該系統(tǒng)的向量控制而論，一個速度調(diào)節(jié)器105根據(jù)來自指示電動機速度的速度基準103、和由速度傳感器132檢測的作為反饋的感應電動機102的旋轉(zhuǎn)速度112的PI(比例動作和積分動作)控制，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩電流基準114，并且把產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩電流基準114輸出到一個電流調(diào)節(jié)器104。電流調(diào)節(jié)器104由指示轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流114和指示磁通的磁通電流基準113，產(chǎn)生和輸出根據(jù)PI控制調(diào)節(jié)的電流。然后，一個向量旋轉(zhuǎn)器106把這些電流值轉(zhuǎn)換成與電流的合成向量同步旋轉(zhuǎn)的一個坐標系(d-q坐標系)中的相對值，并且把轉(zhuǎn)換值作為一個初級電壓命令120施加到一個變換器101上。注意在寬操作范圍內(nèi)，能把施加到電流調(diào)節(jié)器104上的磁通電流基準113設置為常數(shù)。
傳感器130和131分別檢測從變換器101施加到感應電動機102上的電壓值和電流值，作為一個檢測電壓121和一個檢測電流122。在由3-2相變壓器108和109把電壓和電流轉(zhuǎn)換成兩相坐標系值之后，他們輸入到一個電流和磁通觀察器110，作為空間向量值Vs123和is124。
一個定子、轉(zhuǎn)子電阻(Rs、Rr)估值器500由從3-2相變壓器109輸出的定子電流124、和從電流和磁通觀察器110輸出的觀察電流127和觀察磁通128，估計感應電動機102的定子電阻Rs和轉(zhuǎn)子電阻Rr，并且輸出電阻Rs和Rr的觀察值Rs′503和Rr′504。然后，這些值由電流和磁通觀察器110使用。
電流和磁通觀察器110由定子電壓Vs123、定子電流is124、從傳感器132輸出的電動機的檢測速度112、及從Rs、Rr估值器500輸出的估計定子和轉(zhuǎn)子電阻值Rs′503和Rr′504，輸出觀察電流127和觀察磁通128。
向量旋轉(zhuǎn)器106根據(jù)觀察轉(zhuǎn)子磁通128，在轉(zhuǎn)子磁通的方向上向量旋轉(zhuǎn)磁通命令118和轉(zhuǎn)矩命令119，并且把向量旋轉(zhuǎn)指令輸出到逆變器101作為一個初級電壓命令120。
另外，由一個向量旋轉(zhuǎn)器107根據(jù)來自電流和磁通觀察器110的觀察磁通128在轉(zhuǎn)子磁通的方向上向量旋轉(zhuǎn)向量is124，以便得到由電流調(diào)節(jié)器104用作反饋信號的轉(zhuǎn)矩電流126和磁通電流125。
其次解釋無速度傳感器系統(tǒng)的一個不帶有速度傳感器的系統(tǒng)。在不包括速度傳感器的系統(tǒng)中，只有定子電壓121和定子電流122由傳感器130和131檢測。該系統(tǒng)的配置表示在圖13中。
把圖13中所示的配置與圖12中所示的配置相比較，添加估計電動機速度的一個速度觀察器111，并且添加一個由定子電流124、觀察電流127、觀察磁通128、及一個轉(zhuǎn)矩命令119估計定子和轉(zhuǎn)子的電阻值Rs和Rr的Rs、Rr估值器501，作為Rs、Rr電阻估值器500的替換件。
速度觀察器111由定子電流is124、從一個電流和磁通觀察器110輸出的觀察電流127和觀察磁通128估計轉(zhuǎn)子速度，并且把觀察速度115輸出到一個速度調(diào)節(jié)器105和到電流和磁通觀察器110。
而且，為了即使在穩(wěn)定狀態(tài)下也允許觀察轉(zhuǎn)子的電阻，把一個諧波分量162注入到磁通命令基準118。
在直接場定向的控制中，使用一個觀察器按如下描述的一種典型地估計磁通參考資料1-H.Kubota等“具有轉(zhuǎn)子電阻適應的感應電動機的無速度傳感器場定向的控制(Speed Sensorless Field-Oriented Controlof Induction Motor with rotor Resistance Adaptation)”，IEEE Trans.on Ind.Appl.，Vol.30，No.5，1994年9月/10月使用狀態(tài)空間符號的感應電動機的常規(guī)數(shù)學模型如下ddtisφr=A·isφr+B·vs---(1)]]>其中is＝[isαisβ]T定子電流；φr＝[φrαφrβ]T轉(zhuǎn)子磁通；νs＝[νsανsβ]T定子電壓；A=A11A12A21A22=[-(Rsσ·Ls+1-σσ·τr)LmτrI·ILmσ·Ls·Lr(1τrI-ωrJ)-1τrI-ωrJ];]]>B=1σ·Ls00001σ·Ls00;]]>I=1001;]]>J=0-110;]]>Rs、Rr定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ls、Lr、Lm定子電感、轉(zhuǎn)子電感、和互感；τr＝Lr/Rr轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；σ＝1-Lm2/(LsLr)總泄漏系數(shù)；ωr轉(zhuǎn)子角速度。
較簡單觀察器的狀態(tài)公式由以上提供的數(shù)學模型(1)表示。該數(shù)學模型是穩(wěn)定的，并且用于電流和磁通觀察器110的如下公式由該公式導出。ddtisφr=A′·is′φr′+B·vs---(2)]]>其中’指示一個觀察值。例如，矩陣A’具有與公式(1)中矩陣A中的值相同的值，但使用標稱值和估計的參幅值而不是實際值來估計它。
在本說明書中的觀察和觀察值分別表示在現(xiàn)代控制理論中的觀察和觀察值，并且由一個輸出、和估計值指示狀態(tài)變量值的估計。
由于定子和轉(zhuǎn)子的電阻值Rs和Rr隨電動機的工作溫度變化，所以在正常電動機工作期間正常地估計他們的值，并且由估計公式得到觀察值。
根據(jù)以上提供的參考資料1該估計公式按如下表示。dRs′dt=-k1(is-is′)·is′---(3)]]>dRr′dt=k2(is-is′)·(φr′-Lmis′)---(4)]]>其中·指示向量的點積，并且k1和k2是正常數(shù)。
圖14是方塊圖，表示圖12基于上述公式(3)和(4)的Rs、Rr估值器500的細節(jié)。
在Rs、Rr估值器500中，由在一個定子電阻估值器502中的計算器512，首先從由電流傳感器131檢測的定子測量電流is124上減去一個從電流和磁通觀察器110輸出的觀察電流is’127。其次，一個向量eis和觀察電流is’127的點積由一個點積處理器507得到，并且對其由一個計算器513乘以一個常數(shù)-k1得到的點積由一個積分器509積分。結(jié)果，把積分值作為觀察定子電阻Rs’輸出。
同時，感應電動機的互感Lm由一個計算器514乘以觀察電流is’127，并且相乘的結(jié)果與計算器512的輸出向量eis的點積由一個點積處理器508得到。并且由一個計算器516把生成的點積乘以一個常數(shù)k2，且乘積的結(jié)果由一個積分器510積分，從而得到和輸出觀察轉(zhuǎn)子電阻Rr’504。
對于不包括象圖13中所示的速度傳感器的系統(tǒng)，不測量電動機旋轉(zhuǎn)速度ωr。因而，其估計值ωr′115用來估計公式(2)中的矩陣A′。
在速度觀察器111中的估計公式按如下描述。
ωr′＝(kPω+s·kIω)·((isα-i′sα)·φ′rβ-(isβ-i′sβ)·φ′rα(5)其中s是拉普拉斯算子，并且kPω和kIω是適當?shù)脑鲆?。在圖13中所示的系統(tǒng)中的定子電阻的估計值Rs′，通過使用與表示在圖12中且包括一個速度傳感器的系統(tǒng)中類似的方式給出。同時，轉(zhuǎn)子電阻的估計值Rr’通過與用于包括一個速度傳感器的系統(tǒng)的不同的算法給出。
為了估計在次級側(cè)的電阻Rr，具有頻率f*的一個適當諧波信號162注入在磁通電流基準113中作為注入項。結(jié)果，如果系統(tǒng)不包括速度傳感器，則按如下改進用于電阻Rr的公式(4)。dRr′dt=-k3(id-id′)·id,ref---(6)]]>其中id、id′、和id，ref分別是磁通電流的測量值、觀察值、和基準值。另外，k3是一個正的常數(shù)。
圖15是方塊圖，表示基于以上提供的公式(3)和(6)的圖13的Rs、Rr估值器501的細節(jié)。
由電流傳感器131檢測的定子測量電流is124和來自電流和磁通觀察器110的觀察電流is’127，分別由向量旋轉(zhuǎn)器107和142在觀察磁通128的方向上向量旋轉(zhuǎn)。
在由計算器157從磁通電流id125減去觀察磁通電流id′151之后，由點積處理器157計算相減結(jié)果與磁通電流的基準值之間的點積。然后，由一個計算器518乘以一個常數(shù)k3，并且由一個積分器511積分乘積的結(jié)果，從而計算和輸出觀察轉(zhuǎn)子電阻Rr’505。
同時，由定子的測量電流is124和來自電流和磁通觀察器110的觀察電流is’127，計算觀察定子電阻Rs’503，并且由與圖4中所示相同的定子電阻估值器502輸出。
為了精確控制感應電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩，必須準確地觀察轉(zhuǎn)子的磁通方向r′。然而，在用于準確觀察的公式(2)中，特別是在矩陣A′中，包括具有在電動機工作期間變化的值的參數(shù)，如在初級和次級側(cè)隨溫度變化的電阻值Rr和Rs。
觀察值在磁通方向的精度，即磁通和轉(zhuǎn)矩的控制質(zhì)量，取決于能知道這些參數(shù)到什么程度，特別是如果工作速度較低。
另外，對于包括一個速度傳感器的系統(tǒng)由公式(3)和(4)給出、或?qū)τ诓话ㄋ俣葌鞲衅鞯南到y(tǒng)由公式(3)和(6)給出的在電動機工作期間的電阻值估計，在所有情況下都不能正確地進行，并且在具體工作條件下和在電動機參數(shù)特性的具體組合期間是不穩(wěn)定的。
考慮到上述問題開發(fā)了本發(fā)明，并且目的是提供一種與諸如速度、感應電動機的負載等、或參數(shù)的具體組合之類的工作條件無關(guān)，能進行穩(wěn)定和精確控制的系統(tǒng)和一種參數(shù)估計方法。
在本發(fā)明第一方面的一種控制系統(tǒng)，其向量控制一個感應電動機，主要用在其中使用一個速度傳感器的情況下，并且包括一個第一基準點設置單元、一個第一向量轉(zhuǎn)換單元、一個幅值計算單元、一個相位差計算單元、一個第一轉(zhuǎn)子電阻估計單元、及一個定子電阻估計單元。
第一基準點設置單元把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意點處。
第一向量轉(zhuǎn)換單元把感應電動機的定子電流的測量值和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的上述點PR開始的向量。
幅值計算單元得到由第一向量轉(zhuǎn)換單元對于上述測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量幅值之差。
相位差計算單元得到由第一向量轉(zhuǎn)換單元對于上述測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量相位之差。
第一轉(zhuǎn)子電阻估計單元由上述幅值差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
定子電阻估計單元由上述相位差估計感應電動機的定子電阻。
在本發(fā)明第二方面的一種控制系統(tǒng)，主要用在其中不使用速度傳感器的情形。該系統(tǒng)包括一個諧波信號注入單元、一個第二基準點設置單元、一個第二向量轉(zhuǎn)換單元、一個幅值計算單元、及一個第二轉(zhuǎn)子電阻估計單元。
諧波信號注入單元把一個諧波信號注入在磁通電流中。
第二基準點設置單元把一個點PRr設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處。
第二向量轉(zhuǎn)換單元把感應電動機定子電流的測量值和觀察值的與諧波信號相對應的諧波分量，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PRr開始的向量。
幅值計算單元得到由第二向量轉(zhuǎn)換單元對于測量和觀察值的諧波分量轉(zhuǎn)換的向量幅值之差。
第二轉(zhuǎn)子電阻估計單元由上述幅值差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
根據(jù)本發(fā)明，僅測量定子電流值，從而能由電流值估計感應電動機的每種狀態(tài)。
另外，即使在電動機操作期間也能任意估計定子和轉(zhuǎn)子電阻，因為根據(jù)定子電流的測量和觀察值之差進行估計。
圖1通過定子電流is、和點PR示意表示向量軌跡；圖2示意表示從點PR開始至定子電流的測量和觀察值的向量；圖3A示意表示當電阻具有在滑差頻率ωs1＝-10 rad/s時間下的各種值時定子電流的向量軌跡；圖3B示意表示當電阻具有在滑差頻率ωs1＝10 rad/s時間下的各種值時定子電流的向量軌跡；圖4舉例表明點PRr的選擇；圖5是方塊圖，表示根據(jù)第一最佳實施例的一種系統(tǒng)的配置；圖6表示圖5中所示一個定子和轉(zhuǎn)子電阻估值器200的細節(jié)；圖7是方塊圖，表示根據(jù)第二最佳實施例的一種系統(tǒng)的配置；圖8是方塊圖，表示根據(jù)第三最佳實施例的一種系統(tǒng)的配置；圖9表示圖8中所示轉(zhuǎn)子電阻估值器161的細節(jié)；圖10是方塊圖，表示圖9中所示PRr估值器的細節(jié)；圖11是方塊圖，表示根據(jù)第四最佳實施例的一種系統(tǒng)的配置；圖12是方塊圖，表示包括一個速度傳感器的直接場定向的感應電動機驅(qū)動器的系統(tǒng)配置；圖13是方塊圖，表示不包括速度傳感器的感應電動機驅(qū)動器的系統(tǒng)配置；圖14是方塊圖，表示Rs、Rr估值器500的細節(jié)；及圖15是方塊圖，表示Rs、Rr估值器501的細節(jié)。
首先，解釋本發(fā)明的原理。
本發(fā)明的基本思想是估計參數(shù)之差如何影響由公式(2)給出的估計電流值。換句話說，通過使用在觀察值is′127與測量值is124之間的差估計定子電阻Rs和轉(zhuǎn)子電阻Rr。然后，把這些估計值用來估計在公式(2)中的矩陣A′。從一個定子電流平面上的適當點確定測量電流和觀察電流而不用進行任何額外測量，從而對估計問題給出自由度。結(jié)果，即使在認為對其估計是最麻煩的再生操作中也能得到穩(wěn)定估計。
公式(2)基本上與感應電動機的模型公式(1)相同。因此，如果把差值代替電阻值作為參幅值，則能得到具有不同定子和轉(zhuǎn)子電阻的用于相同模型的電動機的觀察電流。就是說，通過改變公式(1)中的參幅值，能得到定子電流在穩(wěn)定狀態(tài)下如何根據(jù)這些變化而變化。
如果改變電阻值Rs和Rr，則定子電流的幅值和相位都變化。另外，其變化方式取決于電動機速度和負載(滑差)。然而，除其中負載是“0”的情況之外，轉(zhuǎn)子電阻的變化幾乎與定子電阻的變化正交。當負載是“0”時，轉(zhuǎn)子電阻對定子電流沒有影響。因此，在該情況下不能估計Rr。
根據(jù)本發(fā)明，測量電流is和觀察電流is′都稱作從定子電流向量平面上的適當點PR＝(PRx，PRy)開始的向量。因此，在電流的測量與觀察值之間的差總是能與在電阻之間的估計誤差相聯(lián)系，而與電動機速度或負載值無關(guān)。特別是，在觀察電流is′127與測量電流is124的相位之差與定子電阻Rs的誤差有關(guān)，而在其幅值之間的差與轉(zhuǎn)子電阻Rr的誤差有關(guān)。
能把該點PR選擇成一個唯一的點或者作為隨工作點變化的點。作為一種用來得到作為點PR的適當點的方法，有一種把在定子電壓方向上的坐標系施加到電流相位復數(shù)向量上的方法。
如果把實軸取在定子電壓的相位復數(shù)矢量Vs123的方向上，則能按如下選擇點PR。
PRx＝Re(PR)＝kPRxPRy＝Im(PR)＝-I0/kPRy(7)
其中I0是電動機的標稱磁通電流，-I0/2＜kPRx＜I0/2，和1＜kPRy＜∞。
如果象公式(7)那樣設置點PR，則按如下表示為得到電阻值Rs和Rr要采用的公式。
Rs′＝(kPRs+s·kIRs)·(is-PR)×(is′-PR) (8)Rr′＝(kPRr+s·kIRr)·(|is-PR|-|is′-PR|)(9)其中×指示向量的叉積，而||指示向量的幅值。另外，kIRs、kIRr、kPRs、及kPRr是適當?shù)脑鲆妗Ｔ诠街邢蛄康牟娣e用來估計在兩個相位復數(shù)矢量之間的相位移動。
圖1表示定子電流is的向量軌跡、和點PR。
通過得到在每個初級頻率處ωe處的定子電流is和滑差頻率ωs1(＝ωe-ωr)產(chǎn)生的向量軌跡表示在圖1中。圖1中這兩個軌跡較小的具有滑差頻率ωs1＝0 rad/s，而較大的具有滑差頻率ωs1＝-10至10 rad/s。
如圖1中所示，在定子電流向量平面上的軌跡內(nèi)側(cè)的適當位置處選擇點PR。
圖2表示從點PR開始至定子電流的測量和觀察值的向量。
在該圖中，定子電流在向量軌跡上的測量值is和觀察值is′表示成從向量軌跡內(nèi)側(cè)選擇的點PR開始的向量is-PR和is′PR。結(jié)果，根據(jù)公式(8)相位移θ與定子電阻Rs′有關(guān)，而根據(jù)公式(9)向量|is-PR|-|is′-PR|的幅值之間的差與轉(zhuǎn)子電阻Rr′的有關(guān)。
圖3A和3B示意表示當定子電阻Rs和轉(zhuǎn)子電阻Rr具有各種值時定子電流is和點PR的向量軌跡。
也是在這些圖中，通過取向量軌跡內(nèi)側(cè)的點PR，根據(jù)對于定子電流的測量值is和觀察值is′從點PR開始的向量的幅值之間或相位之間的差，借助于與圖1和2中所示的那些相類似的一種方法，能估計定子電阻Rs和轉(zhuǎn)子電阻Rr。
而且，在既不包括速度傳感器也不包括位置傳感器的系統(tǒng)中，知道如果磁通值保持恒定，則在穩(wěn)定狀態(tài)下不能估計轉(zhuǎn)子電阻。因此，在上述系統(tǒng)中通過把具有頻率f*的適當諧波信號162注入在磁通電流113中，即使在穩(wěn)定狀態(tài)下也能觀察轉(zhuǎn)子電阻。
因而，如果借助于與用于至今描述的包括速度傳感器的系統(tǒng)相類似的方法估計電阻值，則把公式(8)不變地用于定子電阻Rs的估計。然而，不是根據(jù)公式(9)，而是根據(jù)在觀察定子電流的諧波分量id′*154與測量定子電流的諧波分量id*153之間的差，估計轉(zhuǎn)子電阻Rr。因此，通過在時間相位復數(shù)矢量平面上取一個適當點PRr255和通過參考來自該點PRr255的諧波電流的測量和觀察值，估計轉(zhuǎn)子電阻Rr。
如果如此選擇點PRr，從而觀察諧波電流的大小變化與電阻誤差有關(guān)，則用來得到觀察電阻Rr′的適應定律將是Rr′＝(kPRr+s·kIRr)·(|id*-PRr|-id′*-PRr|)(10)由確定d軸諧波時間-相位復數(shù)矢量平面上的坐標軸的測量d軸諧波電壓vd*152估計點PRr。
借助于公式(1)對于不同的轉(zhuǎn)子電阻的每一個能估計與注入諧波信號162的頻率相同的頻率f*的諧波定子電流。如果把id1*和id2*分別定義成與標稱轉(zhuǎn)子電阻的一半和雙倍相對應的電流，并且如果假定實軸在f*諧波定子電壓-時間相位復數(shù)矢量vd*152方向上，則按如下表示id1*和id2*。
id1*＝a1+jb1id2*＝a2+jb2(11)其中a1、a2、b1、和b2是取決于電動機參數(shù)的實常數(shù)。從在公式(11)中由兩點id1*和id2*確定的直線選擇點PRr。
PRrx＝Re(PRr)＝kPRrPRry=Im(PRr)=b2-b1a2-a1·kPRr+b2-b2-b1a2-a1·a2---(12)]]>其中kPRr是一個任意實數(shù)。點PRr根據(jù)公式(12)的這種選擇導致用來得到觀察電阻Rr′的公式(10)的適應定律。這里，通過把id1*和id2*定義成與標稱轉(zhuǎn)子電阻的一半和雙倍相對應的電流得到點PRr。然而，確定用來得到點PRr的直線的點不限于上述的，只要他們是與大于和小于標稱轉(zhuǎn)子電阻值的轉(zhuǎn)子電阻值相對應的適當電流值即可。
圖4表示點PRr選擇的一個例子。
在該圖中，由與標稱轉(zhuǎn)子電阻Rr的一半(0.5 Rr)和1.5倍(1.5 Rr)相對應的電流值得到直線600。然后，在直線600上設置點PRr，并且通過得到從點PRr開始的向量，確定觀察定子電流的諧波分量id′*154和測量定子電流的諧波分量id*153，從而根據(jù)公式(10)能估計轉(zhuǎn)子電阻Rr。在圖4中，選擇通過把公式(12)中的kPRr設置為“0”得到的點。
其次解釋對其應用本發(fā)明的感應電動機驅(qū)動器的系統(tǒng)的一個例子。
圖5是方塊圖，表示包括一個速度傳感器并且當用速度傳感器測量電動機速度時使用的系統(tǒng)，作為一個第一最佳實施例。圖5的方塊圖僅表示與圖12中所示配置中不同的部分。
在該系統(tǒng)中，作為圖12中所示Rs、Rr估值器500的替換，布置有一個定子和轉(zhuǎn)子電阻估值器200，以及電流和磁通觀察器110。
該定子和轉(zhuǎn)子電阻估值器200由觀察電流127、測量電流124、及測量電壓123輸出定子電阻Rs201和轉(zhuǎn)子電阻Rr202。由觀察器110把估計的定子電阻Rs201和轉(zhuǎn)子電阻Rr202用來計算公式(2)中的動態(tài)矩陣A′。
圖6是方塊圖，表示圖5中所示定子和轉(zhuǎn)子電阻估值器200的細節(jié)。
為了根據(jù)公式(8)和(9)采用估計算法，首先向量旋轉(zhuǎn)測量電流is124和觀察電流is′127，并且轉(zhuǎn)換成在一個坐標系中指向定子電壓Vs123的方向上的分量。然后，由計算器180、181、135、及136從向量is(isx、isy)和is′(isx′、isy′)減去由公式(7)確定的PR分量PRx301和PRy302，從而得到向量is-PR(isx-PRx303，isy-PRy304)和is′-PR(isx′-PRx305，isy′-PRy 306)。
在這些向量之間的相位移由一個叉積處理器203計算。在由幅值計算器182和183把其幅值差轉(zhuǎn)換成標量之后，由一個加法器139減去轉(zhuǎn)換量。然后，由一個PI控制134由兩個向量is-PR和is′-PR的叉積計算和輸出基于公式(8)的估計定子電阻值Rs′。另外，由絕對值之差得到基于公式(9)的估計轉(zhuǎn)子電阻Rr′，并且由PI控制133輸出。
其次，解釋根據(jù)本發(fā)明的一個第二最佳實施例。
圖7是方塊圖，表示不包括速度傳感器、并且當不測量電動機速度時使用的系統(tǒng)的配置，作為第二最佳實施例。該圖的方塊圖僅表示不同于圖13中所示配置中的部分。
在圖7中所示的系統(tǒng)中，作為圖13中Rs、Rr估值器501的替換，布置有一個定子電阻估值器160，以及電流和磁通觀察器110。
該定子電阻估值器160與圖6中所示的160相同，并且由觀察電流127、測量電流124、及測量電壓123輸出估計定子電阻Rs201。觀察器110由估計的定子電阻Rs201和觀察速度115計算公式(2)中的動態(tài)矩陣A′。
其次，解釋根據(jù)本發(fā)明的一個第三最佳實施例。
當估計轉(zhuǎn)子電阻而不測量旋轉(zhuǎn)速度時，使用根據(jù)第三最佳實施例的系統(tǒng)。因而，該實施例適用于對其不要求定子電阻適應的適當高速電動機。
圖8是方塊圖，表示根據(jù)第三最佳實施例的系統(tǒng)的配置。該最佳實施例把圖13中不包括速度傳感器的系統(tǒng)配置作為基礎。圖8的方塊圖僅表示不同于圖13中所示配置中的部分。
在圖8中所示的系統(tǒng)中，作為圖13中Rs、Rr估值器501的替換，布置有一個轉(zhuǎn)子電阻估值器161，以及電流和磁通觀察器110。
通過把具有頻率f*的適當諧波信號注入在磁通電流113中作為注入項162，即使在穩(wěn)定狀態(tài)下也能觀察轉(zhuǎn)子電阻。
轉(zhuǎn)子電阻估值器161通過不僅使用觀察電流127和觀察磁通128，但也使用測量電流124和測量電壓123，輸出估計的轉(zhuǎn)子電阻156。由觀察器110把估計的轉(zhuǎn)子電阻(Rr′)156用來計算公式(2)中的動態(tài)矩陣A′。
圖9是方塊圖，表示圖8中所示和基于公式(10)的轉(zhuǎn)子電阻估值器161的細節(jié)。
由向量旋轉(zhuǎn)器141、107、和102向量旋轉(zhuǎn)測量電流is124和觀察電流is′127以及轉(zhuǎn)子電壓Vs123，并且轉(zhuǎn)換成磁通分量。由高通濾波器143、144、和145從諸如一個磁通電壓150、一個磁通電流125、和一個觀察磁通電壓151之類的磁通分量僅濾除諧波分量。
諧波定子電壓Vd*152由一個PRr估值器246用來根據(jù)公式(12)確定一個點PRr255。
同時，在由計算器157和158把諧波定子電流id*153和其觀察值id′*154轉(zhuǎn)換成從由PRr估值器246輸出的點PRr開始的向量之后，由絕對值逆變器190和191把他們轉(zhuǎn)換成標量。
然后，根據(jù)公式(10)從由一個計算器192得到的在兩個向量id*-PRr400和id′*-PRr401的瞬時絕對值之間的差，得到估計的轉(zhuǎn)子電阻Rr′156，并且由一個PI控制249輸出。
圖10是方塊圖，表示圖9中所示PRr估值器246的細節(jié)。
從高通濾波器143輸入到PRr估值器246的諧波定子電壓152，輸入到在PRr估值器246內(nèi)的一個3/4T*延遲電路310、一個峰值檢測器311、及一個計算器313。
然后，由一個計算器313把Vd*值152除以來自峰值檢測器311的Vd*的峰值，從而得到在與諧波定子電壓Vd*152的方向相同的方向上的單位時間-相位復數(shù)矢量320。類似地，借助于一個運算器312把延遲電路310延遲3/4T*的輸入信號Vd*除以其峰值，從而得到與Vd*152正交的單位時間-相位復數(shù)矢量321。借助于單位時間-相位復數(shù)矢量320和321，確定在具有與諧波定子電壓Vd*有關(guān)的實坐標的時間-相位復數(shù)矢量平面上的正交坐標系。
簡單地通過對于PRrx322和PRry323乘以來自公式(12)的值，并且通過借助于一個加法器316添加得到的單位時間-相位復數(shù)矢量的瞬時值，確定點PRr255。
圖11是方塊圖，表示根據(jù)第四最佳實施例的一種系統(tǒng)的配置。第四最佳實施例把圖13中不包括速度傳感器的系統(tǒng)配置作為基礎。圖11的方塊圖僅表示不同于圖13中所示配置中的部分。
第四最佳實施例具有不包括速度傳感器的配置。因而，通過把具有頻率f*的適當諧波信號注入在磁通電流113中作為注入項162，即使在穩(wěn)定狀態(tài)下也能觀察轉(zhuǎn)子電阻。
圖11中所示的系統(tǒng)用在其中既要估計定子電阻Rs又要估計轉(zhuǎn)子電阻Rr而不測量轉(zhuǎn)子速度的情況下。
在圖11中所示的系統(tǒng)中，圖6中所示的定子電阻估值器160和圖7中所示的轉(zhuǎn)子電阻估值器161與電流和磁通觀察器110一起布置。這些估值器160和161使用測量電流124和測量電壓123以及觀察電流127，并且輸出估計的定子電阻201和轉(zhuǎn)子電阻156。而且，轉(zhuǎn)子電阻估值器161也使用觀察磁通128來估計轉(zhuǎn)子電阻。由觀察器110把定子的估計電阻Rs′和轉(zhuǎn)子的估計電阻Rr′用來計算公式(2)中的動態(tài)矩陣A′。
根據(jù)本發(fā)明，通過僅測量定子電流值，由該電流值能估計感應電壓的每個狀態(tài)。
另外，把上述算法用來估計定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，從而在整個工作范圍上能控制電動機驅(qū)動器的磁通值和轉(zhuǎn)矩。
而且，根據(jù)在定子電流的測量與觀察值之間的差進行對定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻的估計，由此即使在電動機工作中也進行估計。
更進一步，由于隨電動機溫度變化而估計相應的電阻值，所以諸如控制精度下降等之類的性能下降不會發(fā)生。
更進一步，通過參考來自在定子電流向量平面上的適當點的測量和觀察電流，估計電阻值，從而不僅在監(jiān)視操作而且在再生操作時也能實現(xiàn)穩(wěn)定的估計。
權(quán)利要求
1.一種使用一個速度傳感器進行感應電動機的向量控制的控制系統(tǒng)，包括一個第一基準點設置裝置，用來把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意點處；一個第一向量轉(zhuǎn)換裝置，用來把感應電動機的定子電流的測量和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PR開始的向量；幅值計算裝置，用來得到由所述第一向量轉(zhuǎn)換裝置對于測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量幅值之差；相位差計算裝置，用來得到由所述第一向量轉(zhuǎn)換裝置對于測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量相位之差；第一轉(zhuǎn)子電阻估計裝置，用來由幅值之差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻；及定子電阻估計裝置，用來由相位差估計感應電動機的定子電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中如果假設轉(zhuǎn)子電阻的估計值是Rr′，定子電流的測量值是is，觀察值是is′，拉普拉斯算子是s，及kIRr和kPRr是增益，則所述第一轉(zhuǎn)子電阻估計裝置根據(jù)下式估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻Rr′＝(kPRr+s·kIRr)·(|is-PR|-|is′-PR|)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一基準點設置裝置把點PR設置在定子電流向量平面上的定子電流的向量軌跡內(nèi)側(cè)的一個位置處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中如果假設定子電阻的估計值是Rs′，定子電流的測量值是is，觀察值是is′，拉普拉斯算子是s，及kIRs和kPRs是增益，則所述定子電阻估計裝置根據(jù)下式估計定子電阻Rs′＝(kPRs+s·kIRs)·(is-PR)×(is′-PR)。
5.一種不使用速度傳感器進行感應電動機的向量控制的控制系統(tǒng)，包括第一基準點設置裝置，用來把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意點處；第一向量轉(zhuǎn)換裝置，用來把感應電動機的定子電流的測量和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PR開始的向量；相位差計算裝置，用來得到由所述第一向量轉(zhuǎn)換裝置對于測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量相位之差；及定子電阻估計裝置，用來由相位差估計感應電動機的定子電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一基準點設置裝置把點PR設置在定子電流向量平面上的定子電流的向量軌跡內(nèi)側(cè)的一個位置處。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中如果假設定子電阻的估計值是Rs′，定子電流的測量值是is，觀察值是is′，拉普拉斯算子是s，及kIRs和kPRs是增益，則所述定子電阻估計裝置根據(jù)下式估計定子電阻Rs′＝(kPRs+s·kIRs)·(is-PR)×(is′-PR)。
8.一種進行感應電動機的向量控制的控制系統(tǒng)，包括諧波信號注入裝置，用來把一個諧波信號注入在磁通電流中；第二基準點設置裝置，用來把一個點PRr設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處；第二向量轉(zhuǎn)換裝置，用來把感應電動機定子電流的測量和觀察值的與諧波信號相對應的諧波分量，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PRr開始的向量；幅值計算裝置，用來得到由所述第二向量轉(zhuǎn)換裝置對于測量和觀察值的諧波分量轉(zhuǎn)換的向量幅值之差；及第二轉(zhuǎn)子電阻估計裝置，用來由幅值之差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中所述第二基準點設置裝置把點PRr設置在從與電阻值相對應的電流值得到的一條直線上，這些電阻值大于和小于在定子電流向量平面上的標稱轉(zhuǎn)子電阻值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中如果假設轉(zhuǎn)子電阻的估計值是Rr′，定子電流的測量諧波分量是id*，觀察值的諧波分量是id′*，拉普拉斯算子是s，及kIRr和kPRr是增益，則所述第二轉(zhuǎn)子電阻估計裝置根據(jù)下式估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻Rr′＝(kPRr+s·kIRr)·(|id*-PRr|-|id′*-PRr|)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，進一步包括第一基準點設置裝置，用來把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處；第一向量轉(zhuǎn)換裝置，用來把感應電動機的定子電流的測量和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PR開始的向量；相位差計算裝置，用來得到由所述第一向量轉(zhuǎn)換裝置對于測量和觀察值轉(zhuǎn)換的向量相位之差；及定子電阻估計裝置，用來由相位差估計感應電動機的定子電阻。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中所述第一基準點設置裝置把點PR設置在定子電流向量平面上的定子電流的向量軌跡內(nèi)側(cè)的一個位置處。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中如果假設定子電阻的估計值是Rs′，定子電流的測量值是is，觀察值是is′，拉普拉斯算子是s，及kIRs和kPRs是增益，則所述定子電阻估計裝置根據(jù)下式估計定子電阻Rs′＝(kPRs+s·kIRs)·(is-PR)×(is′-PR)。
14.一種感應電動機的參數(shù)估計方法，包括把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處；把感應電動機的定子電流的測量和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PR開始的向量；得到對于測量和觀察值的向量相位之差；及由幅值差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的參數(shù)估計方法，進一步包括得到對于測量和觀察值的向量相位之差；及由相位差估計感應電動機的定子電阻。
16.一種感應電動機的參數(shù)估計方法，包括把一個諧波信號注入在磁通電流中；把一個點PRr設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處；把感應電動機定子電流的測量和觀察值的與諧波信號相對應的諧波分量，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PRr開始的向量；得到對于測量和觀察值的諧波分量的轉(zhuǎn)換向量的幅值之差；及由幅值之差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的參數(shù)估計方法，進一步包括把一個點PR設置在一個定子電流向量平面上的任意位置處；把感應電動機的定子電流的測量和觀察值，轉(zhuǎn)換成從在定子電流向量平面上的點PR開始的向量；得到對于轉(zhuǎn)換的測量和觀察值的向量相位之差；及由相位差估計感應電動機的轉(zhuǎn)子電阻。
全文摘要
在帶有/沒有速度傳感器的一種感應電動機驅(qū)動器系統(tǒng)中,在電動機的工作期間穩(wěn)定和準確地估計電阻值。而與諸如速度、負載等之類的工作條件和參數(shù)具體組合無關(guān)。在一個定子電流向量平面上的電流軌跡內(nèi)側(cè)取適當?shù)狞cP
文檔編號H02P21/14GK1267954SQ0010408
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月19日
發(fā)明者朱迪·玖色皮 申請人:富士電機株式會社