專利名稱：定子磁鏈定向的交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置推測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及定子磁鏈定向的交流旋轉(zhuǎn)異步電機(jī)的無速度位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著大功率半導(dǎo)體元器件技術(shù)不斷進(jìn)步和控制用微型CPU的運(yùn)算速度飛躍提高，大功率直流/交流變換裝置被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、民用產(chǎn)品中，用來驅(qū)動(dòng)各種不同類型的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以可變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)取得節(jié)能、高精度控制等效果。
在異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，著名的V/f一定控制法(例如專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2)被廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了在V/f一定控制上擴(kuò)展一定的功能(例如專利文獻(xiàn)3)等控制方法。但是，由于V/f一定控制屬于電機(jī)常態(tài)控制手段，對于電機(jī)動(dòng)態(tài)過渡過程無法加以控制。再加上定子電壓與感應(yīng)電壓之間存在著定子阻抗壓降，V/f一定控制無法真正做到保持電機(jī)的磁鏈為恒值。上述缺點(diǎn)使V/f一定控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高，低轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩降低。
為克服V/f一定控制法的缺點(diǎn)，矢量控制法被應(yīng)用在高性能異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中。而矢量控制法在驅(qū)動(dòng)交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的過程中，需要電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的位置角度等相位情報(bào)，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的速度、位置角度等相位情報(bào)，將定子電壓和電流解耦為直流的轉(zhuǎn)矩成分和勵(lì)磁成分，然后分別以快速實(shí)時(shí)的勵(lì)磁電流控制和轉(zhuǎn)矩電流控制達(dá)到精確地控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁鏈和快速調(diào)節(jié)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的目的。
為了獲取上述電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的位置角度相位情報(bào)，可以通過在轉(zhuǎn)子上安裝以霍爾元件、測速發(fā)電機(jī)、編碼器等為代表的速度和位置傳感器，來檢測出電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度和相位角度。但是，速度位置傳感器往往受到使用溫度和安裝空間的限制，在很多應(yīng)用場合下無法使用。因此，各種無速度位置傳感器矢量控制法被發(fā)明和應(yīng)用在實(shí)踐中。
迄今為止，異步電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制法(例如專利文獻(xiàn)4和專利文獻(xiàn)5)或同步電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制法(例如專利文獻(xiàn)6)，其基本控制思想都是從電機(jī)的數(shù)學(xué)物理模型出發(fā)，通過測出定轉(zhuǎn)子的電壓電流的瞬時(shí)數(shù)值，利用事先測定得到的定轉(zhuǎn)子電阻、漏感和互感等參數(shù)，通過圍繞著電機(jī)數(shù)學(xué)物理模型所進(jìn)行的大量實(shí)時(shí)運(yùn)算，計(jì)算得出當(dāng)前電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和位置情報(bào)，并基于上述情報(bào)進(jìn)行電機(jī)的勵(lì)磁控制和轉(zhuǎn)矩控制。
專利文獻(xiàn)1日本公開專利H6-189561 專利文獻(xiàn)2日本公開專利H6-217586 專利文獻(xiàn)3日本公開專利H8-172799 專利文獻(xiàn)4日本公開專利H5-292777 專利文獻(xiàn)5日本公開專利H9-140199 專利文獻(xiàn)6日本公開專利2001-211699 上述交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制方法大量使用了電機(jī)的參數(shù)，在相當(dāng)程度上有效地解決了沒有速度位置傳感器時(shí)的電機(jī)控制問題。但是，由于定轉(zhuǎn)子電阻、漏感和互感等電機(jī)參數(shù)受到溫升、負(fù)載電流和鐵心飽和狀態(tài)的影響，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化給矢量控制器的運(yùn)算帶來了很大的誤差，這些誤差甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)無法正常工作。為此，在實(shí)際應(yīng)用中必須由人工完成電機(jī)參數(shù)和控制器增益、補(bǔ)償系數(shù)等變量的校正，或由變頻器自動(dòng)完成校正工作。人工完成上述參數(shù)的校正需要大量的有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師，而變頻器的自動(dòng)參數(shù)辨識(shí)的實(shí)現(xiàn)需要極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理和軟件編程，在實(shí)際應(yīng)用中存在著過于復(fù)雜、不容易被維修人員和用戶掌握等種種缺點(diǎn)。
因此，在生產(chǎn)應(yīng)用中迫切需要一種簡單易行和實(shí)用的方法，這種方法對電機(jī)參數(shù)變動(dòng)不敏感，只使用了極少的電機(jī)參數(shù)，甚至幾乎不需要精確的電機(jī)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器的矢量控制法。同時(shí)，針對目前種類眾多的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，希望有一種統(tǒng)一的、簡單明了的算法和邏輯，只需要調(diào)整很少一部分參數(shù)就能適應(yīng)各種不同類型的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制，以改變交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電力變換裝置種類繁多，使用不便的現(xiàn)狀。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮到上述課題，提出一種交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置推測方法，本發(fā)明簡單明了，只需要調(diào)整很少一部分參數(shù)就適用于異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、永磁直流無刷電機(jī)或他勵(lì)式同步電機(jī)、磁阻式同步電機(jī)等交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度、定子目標(biāo)磁鏈的相位角和轉(zhuǎn)子位置的推測方法，在交流異步電機(jī)的定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置的推測方法中，建立基于定子磁鏈的定子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系將勵(lì)磁軸M軸定位在定子磁鏈?zhǔn)噶可?，與其保持同步；同時(shí)轉(zhuǎn)矩軸T軸超前M軸90度；該方法基于磁鏈追蹤的控制思想，首先利用轉(zhuǎn)矩電壓計(jì)算出電機(jī)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e；同時(shí)為了能動(dòng)態(tài)地追蹤被控制定子目標(biāo)磁鏈，將勵(lì)磁電壓動(dòng)態(tài)地追蹤控制為勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值，計(jì)算出在正常運(yùn)行的狀態(tài)下的勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*，通過比較當(dāng)前輸出的勵(lì)磁電壓V1M與勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*的大小后由比例積分控制環(huán)的運(yùn)算，得到能夠調(diào)整MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整角速度Δω；最后，控制系統(tǒng)將上述旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e與調(diào)整角速度Δω相加，得到交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)被控制目標(biāo)磁鏈的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角速度的推測值
然后將上述磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值進(jìn)行積分運(yùn)算后，就可得到交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)被控制定子目標(biāo)磁鏈的相位角
根據(jù)滑差角速度
計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電氣角速度的推測值和轉(zhuǎn)子的位置角度的推測值。
本發(fā)明的控制理論基于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁鏈的追蹤控制思想，可以使用于異步電機(jī)在沒有速度位置傳感器的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)系統(tǒng)中，推測出電機(jī)磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制。本發(fā)明所推薦的控制方法簡單易行和實(shí)用，對電機(jī)參數(shù)變動(dòng)不敏感，只使用了極少的電機(jī)參數(shù)，這些參數(shù)基本上在銘牌上可以查到，或者以很簡單的手段就可以測量得到。而且由于磁鏈追蹤控制具有很強(qiáng)的誤差修正能力，應(yīng)用本發(fā)明的控制方法甚至幾乎不需要精確的電機(jī)參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無速度位置傳感器的矢量控制法。
圖1是定子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系； 圖2是異步電機(jī)M軸T型等效電路； 圖3是異步電機(jī)T軸T型等效電路； 圖4是異步電機(jī)的無速度位置傳感器的矢量控制流程圖； 圖5是異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度推測控制流程圖； 圖6是異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在正常工作時(shí)的MT時(shí)空矢量圖； 圖7是異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在定子電壓超前時(shí)的時(shí)空矢量圖； 圖8是異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在定子電壓滯后時(shí)的時(shí)空矢量圖。
圖9是異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的簡易旋轉(zhuǎn)速度推測控制流程圖。
符號(hào)說明 E1 定子感應(yīng)電勢。
E2′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢。
E2-ideal′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的理想值。
E2-real′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的實(shí)際值。
E′δ 折算至定子側(cè)的氣隙感應(yīng)電勢。
E′δ-ideal折算至定子側(cè)的氣隙感應(yīng)電勢的理想值。
E′δ-real 折算至定子側(cè)的氣隙感應(yīng)電勢的實(shí)際值。
E1-ideal 定子感應(yīng)電勢的理想值。
E1-real定子感應(yīng)電勢的實(shí)際值。
fn 電機(jī)的額定頻率。
kp-ω 速度調(diào)整用比例積分控制環(huán)的比例增益。
ki-ω 速度調(diào)整用比例積分控制環(huán)的積分增益。
kp-iTs 速度控制環(huán)的比例增益。
ki-iTs 速度控制環(huán)的積分增益。
kp-iTp 位置控制環(huán)的比例增益。
kt-iTp 位置控制環(huán)的積分增益。
k 下標(biāo)，代表本次采樣數(shù)據(jù)或計(jì)算數(shù)據(jù)。
if 同步他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組的外接勵(lì)磁電流。
ihys 死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償用電流閥值。
i1M定子勵(lì)磁電流。
i1T定子轉(zhuǎn)矩電流。
i2M′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流。
i2T′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流。
I1n電機(jī)的額定相電流。
leσ 同步電機(jī)勵(lì)磁繞組漏感。
Le 同步電機(jī)勵(lì)磁繞組電感。
l1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子漏感。
l2′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏感。
L1 定子磁鏈定向的同步電機(jī)的勵(lì)磁軸電感。
L2 定子磁鏈定向的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩軸電感。
L1δ 氣隙磁鏈定向的同步電機(jī)的勵(lì)磁軸電感。
L2δ 氣隙磁鏈定向的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩軸電感。
Ld 定子繞組的直軸電感。
Lq 定子繞組的橫軸電感。
Lmd同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組之間的直軸互感。
Lmq同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組之間的橫軸互感。
LPF低通濾波器。
M′ 折算至定子側(cè)的電機(jī)互感。
p 微分算子。
pp 電機(jī)極對數(shù)。
r1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子電阻。
Sigma 積分計(jì)算所用的積分項(xiàng)。
Te 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。
Te* 輸出轉(zhuǎn)矩指令值。
Tc 直流/交流電力變換裝置的載波周期。
td 直流/交流電力變換裝置預(yù)先設(shè)置的死區(qū)時(shí)間。
Tr 轉(zhuǎn)子電路過渡時(shí)間常數(shù)。
Ts-ω 比例積分控制環(huán)的控制周期。
VDC 直流母線電壓。
直流母線電壓瞬時(shí)值的平均值。
V1M 定子勵(lì)磁電壓。
V1M*定子勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值。
V1T 定子轉(zhuǎn)矩電壓。
V1n 電機(jī)的額定相間電壓。
V1-real 直流/交流電力變換裝置輸出的電壓矢量。
V1-ideal在控制系統(tǒng)正常工作時(shí)直流/交流電力變換裝置理想的輸出電壓矢量。
vout死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償后的直流/交流電力變換裝置輸出電壓。
αu U相輸出的占空比。
ψ1d電機(jī)直軸電樞反應(yīng)磁鏈。
ψ1q電機(jī)橫軸電樞反應(yīng)磁鏈。
ψf 永磁電機(jī)的永磁體產(chǎn)生的磁鏈。
ψδd 電機(jī)直軸氣隙磁鏈。
ψδq 電機(jī)橫軸氣隙磁鏈。
ψ1M定子勵(lì)磁磁鏈。
ψ1T定子轉(zhuǎn)矩磁鏈。
ψ2M′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈。
ψ2T′ 折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩磁鏈。
ψδM′ 折算至定子側(cè)的氣隙勵(lì)磁磁鏈。
ψδT′ 折算至定子側(cè)的氣隙轉(zhuǎn)矩磁鏈。
φs 同步電機(jī)的定子磁鏈定向MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位差。
φδ同步電機(jī)的氣隙磁鏈定向MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位差。
θ MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角。
MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角的推測值。
轉(zhuǎn)子機(jī)械相位角的推測值。
ω1 定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度。
定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值。
ω1e定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值。
ωr 轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度。
轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度的推測值。
ωSL異步電機(jī)的滑差角速度。
異步電機(jī)的滑差角速度的推測值。
ΔωMT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位角度誤差的調(diào)整速度。
εVMM軸定子勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值與實(shí)際M軸定子勵(lì)磁電壓之間的誤差。
σ 異步電機(jī)的漏磁系數(shù)。
具體實(shí)施例方式 下面根據(jù)說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述。圖1所示為基于定子磁鏈的定子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系將勵(lì)磁軸M軸定位在定子磁鏈?zhǔn)噶可希c其保持同步；同時(shí)轉(zhuǎn)矩軸T軸超前M軸90度。本發(fā)明選擇定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，這樣，定子磁鏈就成為被控制目標(biāo)磁鏈。
電機(jī)定轉(zhuǎn)子所有參數(shù)，如定子電壓、定子電流都可以在MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系分解為M軸分量和T軸分量。其中，M軸由于與被控制目標(biāo)磁鏈?zhǔn)噶恳恢?，M軸分量均與電機(jī)磁鏈相關(guān)；而T軸分量則與電機(jī)轉(zhuǎn)矩相關(guān)；M軸分量與T軸分量相互獨(dú)立。這樣，電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)便可以獨(dú)立地控制M軸的勵(lì)磁電流分量，使電機(jī)動(dòng)作在預(yù)先所指定的磁通密度的工作點(diǎn)上；同時(shí)，電機(jī)矢量控制系統(tǒng)還可單獨(dú)調(diào)整T軸轉(zhuǎn)矩電流分量，獲得需要的電磁轉(zhuǎn)矩，從而精確地控制電機(jī)的速度或位置。
對于異步電機(jī)而言，基于上述MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定義，異步電機(jī)的T型等效電路可以被分解為T軸T型等效電路和M軸T型等效電路，如圖2、圖3所示。這里，遵循通常異步電機(jī)理論，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)需要換算到定子側(cè)，換算后的數(shù)值以上標(biāo)′加以表示。
在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，各個(gè)矢量都變成相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系而言靜止不動(dòng)的矢量，所以，磁鏈除了產(chǎn)生變壓器電動(dòng)勢之外，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢。由變頻器等直流/交流電力變換裝置輸出電壓至異步電機(jī)的定子端，由等效電路圖可以得到異步電機(jī)的定子電壓方程式為 數(shù)式1 這里，p為微分算子。
由于上式中含有定子磁鏈分量，而定子磁鏈、氣隙磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈間的關(guān)系如下 ψδM′＝M′(i1M+i2M′)＝ψ1M-l1i1M＝ψ2M′-l2′i2M′ ψδT′＝M′(i1T+i2T′)＝ψ1T-l1i1T＝ψ2T′-l2′i2T′數(shù)式2 下面首先討論相對簡單的定子磁鏈定向矢量控制MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系場合的控制 一般來說，變頻器等直流/交流電力變換裝置可以通過快速地調(diào)整輸出電壓，從而達(dá)到精確地控制異步電機(jī)的定子電流的目的。而且，由于輸出電路的電阻和異步電機(jī)本身的電阻很小，過渡過程的時(shí)間常數(shù)很小，我們可以假定，異步電機(jī)的定子電流指令值與其實(shí)際值可以被看成是幾乎一致的。而在實(shí)際電機(jī)控制時(shí)，為了使異步電機(jī)的磁通密度保持在設(shè)計(jì)的額定工作點(diǎn)，勵(lì)磁電流i1M將會(huì)被有意識(shí)地控制成為一個(gè)恒定值。同時(shí)，按照電機(jī)的負(fù)載大小和電機(jī)的指令轉(zhuǎn)速，由上一級(jí)速度控制器自動(dòng)計(jì)算調(diào)整轉(zhuǎn)矩電流指令值的大小。
也就是說，本發(fā)明首先需要確定電機(jī)的定子電流指令值，并且整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的最低層建立在高速電流控制的基礎(chǔ)上，如控制流程圖4所示的電流控制環(huán)ACRM(AutoCurrent Regulator for Magnetization)和ACRT(Auto Current Regulator for Torque)。根據(jù)此時(shí)的電流指令值，定子電流的三相合成矢量將由變頻器等直流/交流電力變換裝置控制在所指定的振幅和相位上。而直流/交流電力變換裝置在實(shí)現(xiàn)電流控制時(shí)，將由ACR控制環(huán)自動(dòng)地輸出一個(gè)合適的電壓，很顯然，這時(shí)候的定子輸入電壓應(yīng)該滿足定子電壓方程式數(shù)式1。
由基于定子磁鏈ψ1的定子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的基本定義，可知如果MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定位準(zhǔn)確的話，T軸磁鏈為零。所以，由數(shù)式2的定義，式1的異步電機(jī)的定子電壓方程式可以簡化重寫為 數(shù)式3 考察上面的數(shù)式，我們可以注意到，基于電流控制的直流/交流電力變換裝置的輸出電壓中，T軸電壓V1T中包含著極為重要的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度ω1的信息。與此同時(shí)，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)M軸電壓V1M包含了MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定位信息。本發(fā)明就是針對這點(diǎn)進(jìn)行無速度位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
另一方面，通常電流指令值在直流/交流電力變換裝置內(nèi)部生成時(shí)，通過一個(gè)一次或二次低通濾波器加以平滑處理后輸出至下一環(huán)節(jié)處理。所以如果電流指令值沒有很劇烈的變動(dòng)時(shí)，定子電壓也不會(huì)有較大的變動(dòng)。如果矢量控制能夠控制勵(lì)磁電流為常數(shù)，則可以忽視定子磁鏈的微分項(xiàng)，簡化定子電壓方程式3。通過直流/交流電力變換裝置輸出的T軸電壓，計(jì)算出這時(shí)電機(jī)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e 數(shù)式4 很顯然，上式的計(jì)算結(jié)果在中高速驅(qū)動(dòng)和電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)精度尚可；但在低速甚至零速時(shí)，或者動(dòng)態(tài)過渡過程的控制中，由于T軸電壓V1T變得很小，這時(shí)候電壓電流的測試誤差和電機(jī)參數(shù)的誤差、定子磁鏈的變動(dòng)、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定位誤差、定子電壓方程式的簡化等因素都將給定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的估算帶來較大的誤差。由于MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位需要通過定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的積分所得，所以磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的微小誤差的累積會(huì)造成相位角的極大的誤差，導(dǎo)致MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的定位不準(zhǔn)，反過來又進(jìn)一步造成定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的估算誤差。這樣的惡性循環(huán)導(dǎo)致誤差的累積，甚至引起整個(gè)控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，造成電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度發(fā)振或者整個(gè)系統(tǒng)無法控制的現(xiàn)象。
為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明將利用定子電壓方程式中M軸電壓V1M，采用下述的通過M軸電壓V1M來計(jì)算得出MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與實(shí)際電機(jī)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差值，最終獲得準(zhǔn)確的定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度和相位，并且能夠使MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度保持同步，其相位保持一致。
仔細(xì)考察定子電壓方程式3，我們將定子磁鏈和定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的乘積定義為定子感應(yīng)電勢E1，并且定子感應(yīng)電勢E1一直與T軸保持一致。同時(shí)，定子電壓矢量V1在M軸上的投影在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下應(yīng)該是數(shù)式3所得到的M軸電壓，我們將其稱為基準(zhǔn)值V1M*。這樣式3可以重新表達(dá)為 數(shù)式5 由上式，我們可以將異步電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的時(shí)空矢量圖表示為圖6。但是，在直流/交流電力變換裝置進(jìn)行電流控制時(shí)，單單按照式4控制，則隨著負(fù)載變動(dòng)往往發(fā)生M軸電壓實(shí)際值V1M與基準(zhǔn)值V1M*不一致的現(xiàn)象。如果當(dāng)前直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓實(shí)際值V1M與基準(zhǔn)值V1M*不同時(shí)，說明這時(shí)候控制系統(tǒng)自身所定義的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)際定子感應(yīng)電勢E1在物理上已經(jīng)產(chǎn)生了相位誤差。
換而言之，這個(gè)誤差實(shí)際上是由于定子感應(yīng)電勢E1的實(shí)際相位與控制系統(tǒng)想象的相位不同所造成的。同時(shí)，由于定子電壓在電路原理上可以由定子感應(yīng)電勢E1和定子電流所產(chǎn)生的定子壓降合成得到，所以定子感應(yīng)電勢E1的偏差必然造成定子電壓的偏差。在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，如圖3所示，定子電壓幾乎與M軸垂直，所以定子電壓的相位如稍有偏差，在M軸上的投影就會(huì)有較大的變動(dòng)。而這個(gè)變動(dòng)被本發(fā)明作為位置誤差信號(hào)利用，根據(jù)M軸電壓的變動(dòng)情況不斷地調(diào)整MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度。
圖7顯示了實(shí)際定子感應(yīng)電勢E1-real超前時(shí)的時(shí)空矢量圖，直流/交流電力變換裝置輸出的電壓矢量V1-real也超前于控制系統(tǒng)所預(yù)定的電壓矢量V1-ideal，結(jié)果造成直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓V1M小于基準(zhǔn)值V1M*。這時(shí)候控制系統(tǒng)應(yīng)加大MT坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度，以追上定子感應(yīng)電勢E1-real的實(shí)際位置。并且，為了建立一個(gè)敏捷的追蹤控制系統(tǒng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)加速度應(yīng)該與偏差值大小相關(guān)。
相反，圖8顯示了實(shí)際定子感應(yīng)電壓E1-real滯后時(shí)，直流/交流電力變換裝置輸出的電壓矢量V1也滯后于控制系統(tǒng)所預(yù)定的電壓矢量，結(jié)果造成直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓V1M大于基準(zhǔn)值V1M*。這時(shí)候控制系統(tǒng)應(yīng)減小MT坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度，等待感應(yīng)電壓追上來。同樣，減小的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該與偏差值大小有關(guān)。在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，這種速度調(diào)整有時(shí)甚至?xí)筂T坐標(biāo)系反向旋轉(zhuǎn)，使得整個(gè)控制系統(tǒng)具有相對較大的自由度，以適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等動(dòng)態(tài)變化。
綜上所述，通過比較當(dāng)前直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓V1M與基準(zhǔn)值V1M*的大小，如圖7和圖8所示，本發(fā)明導(dǎo)入一項(xiàng)調(diào)整速度Δω，該調(diào)整速度Δω通過下述比例積分控制環(huán)產(chǎn)生?？刂葡到y(tǒng)通過比例積分控制環(huán)高速和動(dòng)態(tài)地調(diào)整速度Δω的大小，達(dá)到MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢旋轉(zhuǎn)速度保持同步的目的。
Δω＝kp-ω·εVM+ki-ω∫εVMdt 數(shù)式6 這里，M軸電壓誤差系數(shù)kp-ω和ki-ω分別為速度調(diào)整用比例積分控制環(huán)的比例增益和積分增益。為了限制調(diào)整速度Δω的數(shù)值，積分項(xiàng)和比例積分控制環(huán)的最終計(jì)算結(jié)果必須加以上限和下限的限制，而且在限制值的處理時(shí)，積分項(xiàng)的限制值和比例積分控制環(huán)的最終計(jì)算結(jié)果的限制值應(yīng)該保持統(tǒng)一，以避免積分值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最終限制值時(shí)所產(chǎn)生的控制系統(tǒng)失靈的現(xiàn)象。
另外，當(dāng)這個(gè)比例積分控制環(huán)由CPU編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要對上式離散化處理。離散化的數(shù)字積分式可以單純地用歐拉積分 Δω＝kp-ω·εVM|k+ki-ω·εVM|k·Ts-ω+Sigma|k-1數(shù)式7 這里，Ts-ω為比例積分控制環(huán)的控制周期，下標(biāo)k代表本次采樣數(shù)據(jù)，下標(biāo)k-1代表上次采樣數(shù)據(jù)。為了保證控制性能，根據(jù)所使用CPU生成PWM波形的工作機(jī)制的不同，控制周期Ts-ω需要被設(shè)置為與直流/交流電力變換裝置的載波周期呈一定關(guān)系。例如，大型直流/交流電力變換裝置的載波頻率通常較低，只有數(shù)千Hz，這種場合下可以將控制周期Ts-ω設(shè)置為直流/交流電力變換裝置的載波周期的二分之一，既在載波的前半和后半分兩次計(jì)算；在通常的載波頻率下，例如在8kHz～15kHz的載波頻率下，可將控制周期Ts-ω設(shè)置為與變頻器的載波周期相同；而在很高的載波頻率時(shí)則可適當(dāng)放寬，按載波周期的復(fù)數(shù)倍動(dòng)作。當(dāng)然，控制周期Ts-ω也可以被設(shè)置為與直流/交流電力變換裝置的載波周期無關(guān)，按預(yù)先設(shè)置的周期獨(dú)立動(dòng)作。
另外，離散化的數(shù)字積分的計(jì)算方法還可以采用辛普森積分等其它數(shù)值積分法，但在整個(gè)控制原理上沒有根本的區(qū)別，這里不再討論。
與此同時(shí)，積分項(xiàng)在上式計(jì)算完后需要按下式更新 Sigma|k＝ki-ω·εVM|k·Ts-ω+Sigma|k-1 數(shù)式8 控制系統(tǒng)在導(dǎo)入調(diào)整速度Δω后，結(jié)合式4計(jì)算所得到的定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度基本值ω1e，可以得到定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值為 數(shù)式9 將定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值積分后，就可得到MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角 數(shù)式10 上式離散化處理按前面原則同樣處理，以后的類似問題也不再重復(fù)敘述。如果控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上使上述控制環(huán)節(jié)高速動(dòng)作，例如按載波周期的二分之一周期動(dòng)作，或者按載波周期動(dòng)作，或者按載波周期的復(fù)數(shù)倍動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)可以高速調(diào)整定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度推測值，使MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與電機(jī)定子磁鏈的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度始終保持同步，而且使兩者的相位動(dòng)態(tài)地維持一致，從而使無速度位置傳感器的矢量控制得以實(shí)現(xiàn)。
另外，導(dǎo)入調(diào)整速度Δω后，磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值的計(jì)算對電機(jī)參數(shù)變動(dòng)變得不再敏感，因?yàn)槎ㄗ哟沛湹男D(zhuǎn)角速度基本值ω1e的計(jì)算誤差可以在Δω項(xiàng)中加以抵消。這是本發(fā)明的一個(gè)附帶效果，其結(jié)果使整個(gè)無速度位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)聂敯粜?堅(jiān)固性)，對電機(jī)參數(shù)變動(dòng)有自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)。
控制流程圖5顯示了上述的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值
和MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角
的計(jì)算過程。由于在實(shí)際控制中，高速電流控制環(huán)ACRM和ACRT必然會(huì)帶來相當(dāng)大的輸出電壓的變動(dòng)成分，造成旋轉(zhuǎn)角速度推測值
的變動(dòng)，引起整個(gè)電機(jī)控制的性能。所以，如圖中所示，本發(fā)明采用了一個(gè)或多個(gè)低通濾波器以抑制輸出電壓的變動(dòng)成分，使旋轉(zhuǎn)角速度推測值
變得平滑。
計(jì)算出磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值之后，整個(gè)矢量控制流程就獲得了至關(guān)重要的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位信息，由此可以將三相交流電流變換至MT二相直流，然后由電機(jī)的速度或定位控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流指令值，由磁鏈控制器產(chǎn)生勵(lì)磁電流指令值，再由勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的控制環(huán)產(chǎn)生勵(lì)磁輸出電壓和轉(zhuǎn)矩輸出電壓，再將勵(lì)磁輸出電壓和轉(zhuǎn)矩輸出電壓的二相直流電壓變換至三相交流電壓，由三相交流電壓換算出三相占空比，最后由三相占空比得到三相PWM開關(guān)指令。另外，由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度之間存在著滑差，所以為了控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，還需要計(jì)算出電機(jī)的滑差率。
通過仔細(xì)考察坐標(biāo)系的M軸電壓基準(zhǔn)值V1M*的計(jì)算方法，可以得知定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的M軸電壓基準(zhǔn)值V1M*為一微小的正電壓；在對系統(tǒng)控制精度要求不高的場合，可以簡單地設(shè)置M軸電壓基準(zhǔn)值V1M*為零，同時(shí)，還假設(shè)所控制的磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈大小相同。由于磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e可以得到調(diào)整速度Δω的校正，也可按下式簡化計(jì)算 數(shù)式11 通過上式的設(shè)置，調(diào)整速度Δω的計(jì)算可以使用數(shù)式6來計(jì)算，同時(shí)磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度的推測值的計(jì)算方法以及相位角的計(jì)算方法也前述相同?？刂屏鞒虉D9顯示了上述磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值
和MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角
的計(jì)算過程。
雖然上式的M軸電壓基準(zhǔn)值V1M*極為簡單，幾乎不需要電機(jī)的參數(shù)，但是很明顯M軸電壓基準(zhǔn)值V1M*的簡化會(huì)給系統(tǒng)的速度追蹤帶來誤差。由于數(shù)式6使用了比例積分計(jì)算，所以為了防止誤差的不斷累積而最終造成系統(tǒng)的失控，這里必須限制比例積分計(jì)算上下限，甚至可以只使用比例控制環(huán)加以計(jì)算。至于勵(lì)磁電流和勵(lì)磁磁鏈的計(jì)算則可采用電機(jī)設(shè)計(jì)值。另外，對于勵(lì)磁電流的誤差所造成的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的誤差，則需要用其它方法加以校正。例如在定轉(zhuǎn)速控制中可通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩電流的大小來調(diào)整電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，或者通過實(shí)測后導(dǎo)入校正系數(shù)加以校正。
異步電機(jī)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電氣角速度相差一個(gè)滑差角速度ωSL，通常異步電機(jī)的額定滑差率被設(shè)計(jì)在0.02～0.05左右，而當(dāng)異步電機(jī)處于起動(dòng)等過渡過程時(shí)滑差率還要更大，所以矢量控制系統(tǒng)的速度控制環(huán)必須考慮滑差角速度ωSL的影響。
在定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中，可得到近似計(jì)算式 數(shù)式12 整理上述結(jié)果，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電氣角速度的推測值為 數(shù)式13 將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電氣角速度推測值積分后，就可得到轉(zhuǎn)子的位置角度的推測值 數(shù)式14 這里，pp為電機(jī)極對數(shù)。
由于本發(fā)明建立在超高速的電流控制的基礎(chǔ)上，所以需要有清晰明了的轉(zhuǎn)矩電流的指令值和勵(lì)磁電流的指令值。下文將首先明確電流的指令值的計(jì)算方法。
定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值的計(jì)算方法隨著控制目的不同而變。也就是說，矢量控制流程圖4中的多模式控制器(Multi Mode Controller)隨著控制目的不同可以靈活選擇控制模式。例如，控制目的為精確地控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的場合下，可以用下述的ASR(AutoSpeed Regulator)控制環(huán)得到轉(zhuǎn)矩電流的指令值；而當(dāng)控制目的為精確定位的場合下，可以用APR(Auto Position Regulator)控制環(huán)得到轉(zhuǎn)矩電流的指令值；更為復(fù)雜的應(yīng)用場合，需要這兩種控制的復(fù)合運(yùn)用，或者用其它方法得到轉(zhuǎn)矩電流的指令值。而另一方面，在造紙、印染、軋鋼等應(yīng)用中，還需要用到控制目的為精確地控制電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩控制模式。下面，將分別對上述控制模式加以說明。
在定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈和電流的表達(dá)式可表達(dá)為 數(shù)式15 式中，上標(biāo)—項(xiàng)表示該變量為矢量，右上標(biāo)～項(xiàng)表示共模對稱矢量。
由于矢量控制的基本思想就是將磁鏈和轉(zhuǎn)矩電流分別解耦，所以在上述定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中，當(dāng)定子轉(zhuǎn)矩軸磁鏈被控制為零，并且定子勵(lì)磁磁鏈被控制為常數(shù)時(shí)，很明顯電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子轉(zhuǎn)矩電流呈比例關(guān)系。因此，如果輸出轉(zhuǎn)矩指令值被指定，便可利用上述關(guān)系式計(jì)算出定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值如下 數(shù)式16 式中，Te*為輸出轉(zhuǎn)矩指令值。定子磁鏈ψ1M的數(shù)值則可由電機(jī)設(shè)計(jì)單查到。
同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中可以在上述各計(jì)算式中加入校正系數(shù)，通過出廠校正或?qū)嶒?yàn)等手段進(jìn)行校正計(jì)算，以獲得更大精度。
電機(jī)速度控制環(huán)ASR可以按下列比例積分控制方式設(shè)計(jì)，由電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的誤差得到定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值 數(shù)式17 這里，系數(shù)kp-iTs和ki-iTs分別為速度控制環(huán)ASR的比例增益和積分增益，ω*為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電氣角速度指令值。另外，為了限制電流，上式的積分項(xiàng)和最終計(jì)算結(jié)果必須加以上限和下限的限制。在限制值的處理時(shí)，積分項(xiàng)的限制值和電流指令值的限制值應(yīng)該保持統(tǒng)一，以避免積分值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電流指令值的限制值時(shí)所產(chǎn)生的控制系統(tǒng)失靈的現(xiàn)象。
另外，異步電機(jī)由于滑差率的存在，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度需要考慮到滑差角速度，而滑差角速度可按數(shù)式12計(jì)算。而同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子與磁鏈在任何時(shí)候都保持同步，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電氣角速度就是磁鏈旋轉(zhuǎn)速度。
另外，異步電機(jī)位置控制環(huán)APR可以按下列比例積分控制方式計(jì)算，由電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度誤差得到定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值 數(shù)式18 這里，系數(shù)kp-iTp和ki-iTp分別為位置控制環(huán)APR的比例增益和積分增益。這里的積分項(xiàng)和指令值的處理原則與上文相同。
在更復(fù)雜的應(yīng)用中，可以在速度控制環(huán)ASR之外再加一層位置控制環(huán)APR，同樣也可以得到定位控制的效果，這時(shí)候的位置控制環(huán)APR設(shè)計(jì)為由電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度誤差得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的指令值，再由速度控制環(huán)ASR從電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的誤差最終得到定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值 數(shù)式19 這里的積分項(xiàng)和指令值的處理原則與上文相同。
值得一提的是，上述實(shí)施例的設(shè)計(jì)中，位置角的比例積分控制環(huán)的積分增益經(jīng)常被設(shè)置為零。這時(shí)的定位控制表現(xiàn)出來的反應(yīng)類似彈簧的彈性系統(tǒng)，而作為定位控制系統(tǒng)的一個(gè)重要的性能參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的彈性被稱為定位控制的剛性系數(shù)。
矢量控制系統(tǒng)中，由于定轉(zhuǎn)子電流電壓等交流瞬時(shí)值一直處于變化狀態(tài)，所以必須對其進(jìn)行3/2交流/直流坐標(biāo)變換，將交流分量變換成直流分量，以便控制和運(yùn)算；同時(shí)，由于控制系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果是直流成分的，還必須對其進(jìn)行一次2/3直流/交流坐標(biāo)變換，從而得到能控制變頻器等直流/交流電力變換裝置所需要的三相交流電壓，從而計(jì)算出三相PWM波形。這里，由于涉及到坐標(biāo)變換后各分量的大小，本發(fā)明使用下述坐標(biāo)變換公式。
由三相交流瞬時(shí)值變?yōu)?相直角靜止坐標(biāo)系交流瞬時(shí)值的變換 數(shù)式20 其中，如果使用兩相采樣的方式，沒有采樣的一相的數(shù)值可以由其它兩相計(jì)算得到。例如V相沒有采樣的場合，可由下式計(jì)算 V＝-U-W數(shù)式21 由2相直角靜止坐標(biāo)系的交流瞬時(shí)值變?yōu)镸T直流分量的變換 數(shù)式22 這里，θ為MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相位角。
由MT直流分量變?yōu)?相直角靜止坐標(biāo)系的交流瞬時(shí)值的變換 數(shù)式23 由2相直角靜止坐標(biāo)系交流瞬時(shí)值變?yōu)槿嘟涣魉矔r(shí)值的變換 數(shù)式24 在上述各實(shí)施例的矢量控制流程圖中，控制系統(tǒng)利用上述電流控制環(huán)運(yùn)算所得到的T軸電壓V1T和M軸電壓V1M進(jìn)行2/3直流/交流坐標(biāo)變換，計(jì)算出三相輸出電壓的瞬時(shí)值。然后，根據(jù)上述三相輸出電壓的瞬時(shí)值，按下式計(jì)算出三相輸出的占空比 數(shù)式25 式中，VDC0為理想的直流母線電壓值。
最后由三相輸出占空比計(jì)算出變頻器等直流/交流電力變換裝置的三相上下橋所需的6組PWM驅(qū)動(dòng)波形，從而驅(qū)動(dòng)三相上下橋的開關(guān)。
另外，盡管本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的說明是以直角坐標(biāo)系對電機(jī)的各物理量進(jìn)行空間矢量的描述和演算，但是極坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)描述同樣也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本控制思想，兩者沒有根本上的區(qū)別。
盡管至此為止說明了本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)，但是本發(fā)明并不受上述實(shí)施形態(tài)的限制，在本文中描述的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，當(dāng)然也可以用其它各種不同類型的形態(tài)實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、定子磁鏈定向的交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置推測方法，在交流異步電機(jī)的定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置的推測方法中，建立基于定子磁鏈的定子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系將勵(lì)磁軸M軸定位在定子磁鏈?zhǔn)噶可希c其保持同步；同時(shí)轉(zhuǎn)矩軸T軸超前M軸90度；其特征為
該方法基于磁鏈追蹤的控制思想，首先利用轉(zhuǎn)矩電壓計(jì)算出電機(jī)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e；同時(shí)為了能動(dòng)態(tài)地追蹤被控制定子目標(biāo)磁鏈，將勵(lì)磁電壓動(dòng)態(tài)地追蹤控制為勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值，計(jì)算出在正常運(yùn)行的狀態(tài)下的勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*，通過比較當(dāng)前輸出的勵(lì)磁電壓V1M與勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*的大小后由比例積分控制環(huán)的運(yùn)算，得到能夠調(diào)整MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整角速度Δω；將上述旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e與調(diào)整角速度Δω相加，得到交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)被控制定子目標(biāo)磁鏈的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角速度的推測值
然后將上述磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值進(jìn)行積分運(yùn)算后，就可得到交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)被控制定子目標(biāo)磁鏈的相位角
根據(jù)滑差角速度
計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電氣角速度的推測值和轉(zhuǎn)子的位置角度的推測值。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為
根據(jù)下式計(jì)算電機(jī)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e
其中ω1e為電機(jī)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值；V1T為定子轉(zhuǎn)矩軸電壓；r1為電機(jī)定子電阻；i1T為定子轉(zhuǎn)矩電流；ψ1M為定子勵(lì)磁磁鏈。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為在異步電機(jī)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，定子電壓矢量V1在M軸上的投影所得到的M軸電壓，將其稱為勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*，
如果當(dāng)前直流/交流電力變換裝置輸出的M軸勵(lì)磁電壓V1M與勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*不同時(shí)，說明這時(shí)候控制系統(tǒng)自身所定義的MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)際定子感應(yīng)電勢E1在物理上已經(jīng)產(chǎn)生了相位誤差，控制系統(tǒng)通過比例積分控制環(huán)動(dòng)態(tài)地調(diào)整角速度Δω的大小，達(dá)到MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與定子感應(yīng)電勢旋轉(zhuǎn)速度保持同步的目的；
所述調(diào)整角速度Δω通過下述比例積分控制環(huán)產(chǎn)生，
Δω＝kp-ω·εVM+ki-ω∫εVMdt(2)
其中基準(zhǔn)值V1M*為在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，定子電壓矢量V1在M軸上的投影所得到的M軸電壓，r1為電機(jī)定子電阻，i1M為定子勵(lì)磁電流，i1T為定子轉(zhuǎn)矩電流，V1T為定子轉(zhuǎn)矩軸電壓，V1M為定子勵(lì)磁軸電壓，E1為定子感應(yīng)電勢，Δω為控制系統(tǒng)為了保持MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與定子感應(yīng)電勢的同步而導(dǎo)入的一項(xiàng)調(diào)整角速度，M軸電壓誤差系數(shù)kp-ω和ki-ω分別為速度調(diào)整用比例積分控制環(huán)的比例增益和積分增益。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征為為了限制調(diào)整角速度Δω的數(shù)值，積分項(xiàng)和比例積分控制環(huán)的最終計(jì)算結(jié)果必須加以上限和下限的限制，而且在限制值的處理時(shí)，積分項(xiàng)的限制值和比例積分控制環(huán)的最終計(jì)算結(jié)果的限制值保持統(tǒng)一，以避免積分值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最終限制值時(shí)所產(chǎn)生的控制系統(tǒng)失靈的現(xiàn)象。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征為當(dāng)所述比例積分控制環(huán)由CPU編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要對(2)式離散化處理，離散化的數(shù)字積分式單純地用歐拉積分
Δω＝kp-ω·εVM|k+ki-ω·εVM|k·Ts-ω+Sigma|k-1
這里，Ts-ω為比例積分控制環(huán)的控制周期，下標(biāo)k代表本次采樣數(shù)據(jù)，下標(biāo)k-1代表上次采樣數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，積分項(xiàng)在上式計(jì)算完后需要按下式更新
Sigma|k＝ki-ω·εVM|k·Ts-ω+Sigma|k-1。
6、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征為控制系統(tǒng)在導(dǎo)入調(diào)整速度Δω后，計(jì)算所得到的定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度基本值ω1e，可以得到定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值為
將定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值積分后，就可得到MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角，
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為所述滑差角速度
為
電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電氣角速度的推測值為
將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電氣角速度推測值積分后，就可得到轉(zhuǎn)子的位置角度的推測值
這里，
為電機(jī)的滑差角速度推測值；r2′為異步電機(jī)折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，ψ2M′為異步電機(jī)折算至定子側(cè)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈；σ為異步電機(jī)的漏磁系數(shù)；pp為電機(jī)極對數(shù)，
為轉(zhuǎn)子的位置角度的推測值。
全文摘要
本發(fā)明的目標(biāo)為異步電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)矩電流控制環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩電壓V1T計(jì)算出定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的基礎(chǔ)估計(jì)值ω1e；同時(shí)計(jì)算出勵(lì)磁電壓基準(zhǔn)值V1M*后，通過比較V1M*與輸出勵(lì)磁電壓V1M之間誤差的比例積分運(yùn)算得出調(diào)整角速度Δω。將Δω與ω1e相加后可得到定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值ω1，同時(shí)，將ω1進(jìn)行積分運(yùn)算后，就可得到電機(jī)MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的相位角推測值θ。最后，控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)高速地動(dòng)態(tài)計(jì)算調(diào)整角速度Δω的大小，達(dá)到使MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)與交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)被控制目標(biāo)磁鏈的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度保持同步狀態(tài)，其相位始終保持一致的目的，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的無速度位置傳感器矢量控制。
文檔編號(hào)H02P21/14GK101247104SQ200810024588
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者政 戴 申請人:無錫市飛象電子有限公司