感应电动机的感应电动势和速度的估算方法,用来校正轴的安装误差的方法,以及感应电动机

摘要

用一种三相/两相转换器(10)检测三相定子电流的两相分量,并且执行定子电流的γ－δ坐标变换,推导出一个γ－轴电流和一个δ－轴电流。γ－流电流和δ－轴电流与γ－轴电流控制器(2)和δ－轴电流控制器(3)的电压设计值一起被输入到一个定子电流/感应电动势估算装置(9),以便确定定子电流在γ－δ坐标系统中的一个估算值和感应电动势的一个估算值。

说明书

本发明涉及到用来控制感应电动机的一种方法，让做为控制系统结构的参考坐标轴的γ-δ坐标轴与d-q坐标轴达到一致，其中的d-轴代表感应电动机副边磁通量矢量的方向，而q-轴代表一个与d-轴保持垂直的轴。

在工业应用中采用了通过感应电动势(感应电压)来估算感应电动机速度的方法，用于实现高精度的V/f控制，并且在无速度传感器的矢量控制中用于简化计算，这种方法是显而易见的，因为感应电动势是在转子旋转时产生的，并且还因为这种方法能够用比较小的计算量计算出副边磁通量的旋转角速度。

惯用方法的例子中包括[1]“Study of making speed-sensor-lessvector control highly responsive”，1994 Electric SocietyNational Conference No.655，和[2]“Speed-sensor-less vectorcontrol in view of weak field region”，1994 Electric SocietyNational Conference No.656。前一种方法注重一个d-q坐标系统中的q-轴的电压模型，并且提出了一种单一扰动估算器(simpledisturbance estimator)，采用一个q-轴电压指令值作为一个输入，将q-轴电流作为一个输出，用来估算q-轴感应电动势。用估算的q-轴感应电动势乘以代表电动机常数的系数和一个磁通指令值，用单一扰动算子估算出一个速度。前一种方法相对于使用q-轴电流控制器的输出作为估算速度的方法而言是一种改进。前一种方法通过引入感应电动势的估算值而实现了速度控制系统与电流控制系统之间的分离，并且在改善速度控制响应这一方面是成功的。后一种方法是使用感应电动机的电压公式，根据测量电压和测量电流估算出感应电动势，根据估算的感应电动势和副边磁通量的估算值估算出电源角频率，并且从估算的电源角频率中减去滑差频率的指令值，从中估算出一个速度。

以上惯用的方法基本上都是使用感应电动机的d-q坐标系统中的电压和电流公式，也就是： $>\left(\begin{array}{}>>>ϵd>>>>>ϵq>>>>>=\left(\begin{array}{}>>>->Rs>>>\sigma Ls>>\omega >*>>>>>>->\sigma Ls>>\omega >*>>>>->Rs>>>>\left(\begin{array}{}>>>Isd>>>>>Isq>>>>>+\left(\begin{array}{}>>>usd>>>>>usq>>>>>->\sigma Ls>>d>dI>\left(\begin{array}{}>>ver>>I>^>>sd>>>>>Isq>>>>>->->->>(>1>)>>>s>$ >\left(\begin{array}{}>>>ϵd>>>>>ϵq>>>>>=>>Lm>Lr>>>d>dr>\left(\begin{array}{}>>>\Phi rd>>>>>\Phi rq>>>>>+>>Lm>Lr>\left(\begin{array}{}>>>->>\omega >*>>\Phi rq>>>>>>\omega >*>>\Phi rd>>>>>->->->>(>2>)>>>s>\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中的εd：感应电动势的d-轴分量，εq：感应电动势的q-轴分量，Φrd：副边磁通量的d-轴分量，Φrq：副边磁通量的q-轴分量，Isd：定子电流(激磁电流)的d-轴分量，Isq：定子电流(转矩电流)的q-轴分量，usd：定子电压的d-轴分量，usq：定子电压的q-轴分量，Rs：定子电阻，Lm：互感，Lr：转子自感，Ls：定子自感，δ＝1-Lm2/(LsLr)，ω*：电源角频率。惯用的方法是按照公式[1]估算出感应电动势，并且按照公式[2]估算出速度。

由于忽略了公式[1]右边一侧的电流微分项，惯用的方法在电流变化时不能估算出准确的感应电动势。如果不忽略这一电流微分项，测量电流值中所包含的噪声就会被放大。文献[1]提出了一种平衡地消掉用来输出估算速度的一个低通滤波器和一个电流微分项的方法。文献[1]假设了一种理想的矢量控制状态，仅仅估算q-轴的感应电动势，并且用估算的q-轴感应电动势来估算速度。然而，这种理想的矢量控制状态可能会由于感应电动机常数的变化和检测的电流及电压相对于实际电流和电压所存在的误差而被瓦解。文献[1]在理想矢量控制状态被瓦解的情况下无法实现补偿。文献[2]提出了以下的公式(3)，用来补偿瓦解的理想矢量控制状态：

ω*＝sqn(εq)(|εq|Φrd-KΦrd*εd)........(3)

从公式(2)可以看出，在稳定状态下，εd的存在表示存在着Φrq，并且表示理想的矢量控制状态已经瓦解。具体地说，作为控制系统结构参考坐标轴的γ-δ坐标轴和d-q坐标轴被彼此偏移了。轴向偏移补偿是通过消掉公式(3)右边第二项中的εd而完成的。然而，该公式中存在的矛盾在于，为了估算在公式(3)中使用的感应电动势，需要有一个ω*，因此需要确定ω*。为了具体实施计算公式的软件方案，在离散的系统中使用了以前的ω*。如果ω*变化很快，速度响应就可能出现延迟。

本发明的目的是提供一种用来估算感应电动机的感应电动势的方法，一种用来估算其速度的方法一种用来校正其轴向偏移的方法，以及一种感应电动机的控制装置，用于估算出精确的感应电动势，直接采用估算的感应电动势估算出一个速度，改善速度响应，并且同时补偿轴向偏移误差，从而消除上述速度估算公式中的矛盾。

按照本发明的用来估算感应电动机的感应电动势的方法包括以下步骤：检测感应电动机的三相定子电流当中的至少两相，将检测的定子电流变换成一个γ-δ坐标系统，从中取得一个γ轴电流Isγ和一个δ轴电流Isδ，使用前一个控制环中的γ轴电流和δ轴电流估算值Isγ，sδ与其实际值之间的差Isγ-sγ，Isδ-sδ作为校正量，使用γ-δ坐标系统中的定子电压指令值Usγ*，Usδ*作为输入，并且使用由转子的转动而产生的感应电动势作为一个扰动而构成一个状态估算值，并且在γ-δ坐标系统中估算出定子电流的估算值sγ，sδ和感应电动势的估算值

按照本发明的用来估算感应电动机速度的方法包括以下步骤：将副边磁场电流γ分量的一个估算值或是指令值Imrγ和定子电流γ分量Isγ之间的差Imrγ-Isγ与一个电机常数的乘积和用上述方法估算出的γ-δ坐标系统中的γ轴感应电动势相加，从而计算出一个新的感应电压Eγest，将副边磁场电流δ分量的一个估算值或是指令值Imrδ和定子电流δ分量Isδ之间的差Imrδ-Isδ与上述电机常数的乘积和用上述方法估算出的γ-δ坐标系统中的δ轴感应电动势相加，从而计算出一个新的感应电压Eδest，用感应电压Eγest，Eδest的平方和以及副边磁通量的一个估算值或是指令值估算出感应电机转子速度ωγ的量值，利用感应电压Eδest的符号确定转子速度的符号，并且估算出转子速度的估算值

按照本发明的一种用于校正感应电动机轴向偏移的方法包括以下步骤：从按照上述方法估算出的速度值中减去感应电压Eγest和一个增益的乘积，在一个消除感应电压Eγest的方向上调节估算的速度值，从而使γ-δ坐标轴符合d-q坐标轴。

按照本发明还提供了一种感应电动机的控制装置，让作为控制系统结构的参考轴的γ-δ坐标轴符合d-q坐标轴，其中的d-轴代表感应电动机副边磁通矢量的方向，而q-轴是一个与d-轴垂直的轴，该装置包括：一个速度控制器，为其提供作为第一差值的速度指令值和一个估算速度值ωγ之间的差，并且输出一个δ-轴电流指令值Isδ*；

一个δ-轴电流控制器，为其提供δ-轴电流指令值Isδ*和δ-轴电流sδ或是δ-轴电流估算值Isδ，并且输出一个δ-轴电压指令值Usδ*；

一个γ-轴电流控制器，为其提供作为第二差值的一个与副边磁通量有关的副边磁场电流指令值Imr*和一个γ-轴电流sγ或是γ-轴电流估算值sγ之间的差，并且输出一个γ-轴电压指令值Usγ*；

一个极坐标变换器，用于把电压指令值Usδ*，Usγ*变换成电压指令值的幅值和相位；

一个滑差角频率计算器，为其提供第一和第二差值，并且确定一个滑差角频率指令值ω_s1*；

一个积分器，用来将估算的速度值和滑差角频率指令值ω_s1*彼此相加后所确定的γ-δ坐标轴的转速转换成一个角度；

一个逆变器电路，为其提供极坐标变换器的输出和积分器输出的旋转的γ-δ坐标轴的位置，并且产生一个用来激励感应电动机的PWM信号；

一个三相-两相转换器，用来检测来自定子电流Isu，Isv的三相电流，并且将检测的三相电流转换成两相交流电流；以及

一个定子电流和感应电动势估算器，为其提供用γ-δ坐标轴的位置从两相交流电流经坐标变换而来的sγ，sδ和电压指令值Usγ*，Usδ*，对这些值执行计算后输出γ-δ坐标系统中的定子电流估算值Isγ，Isδ和感应电动势估算值

按照本发明的感应电动机控制装置还具有一个速度估算器，为其提供感应电动势估算值并且执行上述的速度估算方法。

按照本发明的感应电动机控制装置还具有一个轴向偏移校正器，用来执行上述的轴向偏移校正方法。

按照本发明的感应电动机的感应电动势估算方法是在感应电动机的理论公式(1)的基础上由下述公式(4)所代表的一种状态估算器构成的： $>>>d>dt>\left(\begin{array}{}>>ver>>I>^>>s\gamma >>>>ver>>I>^>>s\delta >>>>ver>>ϵ>^>>\gamma >>>>ver>>ϵ>^>>\delta >>>>>=\left(\begin{array}{}>>>->Rs>/>\sigma Ls>>>>\omega >*>>>>->1>/>\sigma Ls>>>0>>>>>->>\omega >*>>>>->Rs>/>\sigma Ls>>>0>>>->1>/>\sigma Ls>>>>>0>>>0>>>0>>>0>>>>>0>>>0>>>0>>>0>>>>\left(\begin{array}{}>>ver>>I>^>>s\gamma >>>>ver>>I>^>>s\delta >>>>ver>>ϵ\gamma >^>>>>>ver>>ϵ\delta >^>>>>>>+>>1>\sigma Ls>\left(\begin{array}{}>>>>us\gamma >*>>>>>>>us\delta >*>>>>>>->->->>(>4>)>>>s>$ >>+\left(\begin{array}{}>>>k>1>>>k>2>>>>>k>3>>>k>4>>>>>k>5>>>k>6>>>>>k>7>>>k>8>>>>\left(\begin{array}{}>>>Is\gamma >-ver>>I>^>>s\gamma >>>>>Is\delta >-ver>>I>^>>s\delta >>>>>>s>\end{array}\right)\end{array}\right)$\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$

在公式(4)中可以随意地设置一个用Isγ-Isγ，Isδ-Isδ乘以状态估算器的极点的输出误差反馈增益。因此，公式(4)可以以一种对感应电动机常数的变化不敏感的方式估算出感应电动势，并且调节这些估算值收敛的时间。当公式(4)被用于实际的控制过程时，它就变成了转换成离散系统的微分公式。因此，与公式(1)不同，公式(4)在估算感应电动势时不需要计算出电流的微分项，并且测量噪声不会被放大。这种状态估算器是在以角速度ω*旋转的γ-δ坐标轴上构成的。由于这些估算值是DC分量，它在d-q坐标轴上相对于实际值的误差变换是很小的。如果具有稳定的极点，就不需要为了加快收敛而不必要地增加极点了。

在按照本发明的用来估算感应电动机速度的方法中，如果为了消掉副边磁通的微分项而用以下的转子电流公式(5)代替公式(2)右侧第一项中的磁通微分项： $>>>d>dt>\left(\begin{array}{}>>>\Phi r\gamma >>>>>\Phi r\delta >>>>>=\left(\begin{array}{}>>>->Rr>/>Lr>>>>\omega >*>>->\omega r>>>>>->>(>>\omega >*>>->\omega r>)>>>>->Rr>/>Lr>>>>\left(\begin{array}{}>>>\Phi r\gamma >>>>>\Phi r\delta >>>>>+>>LmRr>Lr>\left(\begin{array}{}>>>Is\gamma >>>>>Is\delta >>>>>->->->>(>5>)>>>s>就获得以下的公式(6)：$ >\left(\begin{array}{}>>>ϵ\gamma >>>>>ϵ\delta >>>>>=>>Lm>Lr>>\omega r\left(\begin{array}{}>>>->\Phi r\delta >>>>>\Phi r\gamma >>>>>+>>>L>>m>2>>>>Lr>2>>>Rr\left(\begin{array}{}>>>Is\gamma >->Imr\gamma >>>>>Is\delta >->Imr\delta >>>>>->->->>(>6>)>>>s>然而，该公式是在作为控制参考坐标轴的\gamma -\delta 坐标轴上产生的。如果在公式(6)中使用感应电动势估算值，就得到：$ >>>Lm>Lr>>\omega r\left(\begin{array}{}>>>->\Phi r\delta >>>>>\Phi r\gamma >>>>>=\left(\begin{array}{}>>ver>>ϵ>^>>r>>>>ver>>ϵ>^>>b>>>>>+>>>Lm>2>>>Lr>2>>>Rr\left(\begin{array}{}>>>Imr\gamma >->Is\gamma >>>>>Imr\delta >->Is\delta >>>>>->->->>(>7>)>>>s>$ >>\equiv \left(\begin{array}{}>>>E\gamma est>>>>>E\delta est>>>>>>s>\end{array}\right)$\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)\end{array}\right)$

在这一公式中限定了新的感应电压Eγest，Eδest。新的感应电压Eγest，Eδest是由公式(7)右侧第一行计算出来的。

根据公式(7)按照以下的公式(8)估算出一个速度： $>>|ver>>\omega >^>>r>|>=>>Lr>Lm>\sqrt{>>>>E\gamma est>2>>+>>E\delta est>2>>>>\Phi >>>r>\gamma >>2>>+>>>\Phi r>\delta >>2>>>}>->->->>(>8>)>>>s>$

速度的符号是由Eδest的符号来确定的。因此，

ωr＝sgn(Eδest)|ωr|...............(9)

其中的sgn(Eδest)表示Eδest的符号。

速度最终是按照公式(9)来估算的。公式(7)，(8)中的副边磁场电流Imrγ，Imrδ和副边磁通Φrγ，Φrδ采用基于公式(5)的磁通估算值或是磁通指令值。

如果采用磁通估算值，并且假设用Φr*代表副边磁通的指令值，估算出的速度就是：

ωr＝sgn(Eδest)|ωr|-Kcom Eγest...................(10)

其中的Kcom代表一个增益。

如果使用上述的副边磁通指令值，同时还需要执行一种补偿程序，使γ-δ坐标轴和d-q坐标轴彼此达到一致。在按照本发明的用于补偿轴向偏移的方法中，如公式(7)中所示，由于Eγest是在γ-δ坐标轴和d-q坐标轴彼此偏移时产生的副边磁通的δ分量Φrδ的函数，速度指令值在一个消除Eγest的方向上受到调节，这样就能补偿轴向偏移。

具体地说就是将公式(9)展开成公式(10)。Φrγ＝Φr*，Imrγ＝Φr*/Lm，Φrδ＝Imrδ＝0  .......(11)

在按照本发明的速度估算方法中，因为是用感应电动势估算值直接估算速度，在使用按照惯用方法建立的公式时所遇到的矛盾被消除了，这样就能减少控制延迟。

在按照本发明的速度估算方法中，从估算的速度中减去Eγest和增益的乘积，在一个消除Eγest的方向上调节估算的速度值，从而使γ-δ坐标轴和d-q坐标轴彼此达到一致。Eγest是由状态估算器估算出的电动势和副边磁场电流与定子电流的励磁分量之间的差构成的，并且考虑了副边磁通的变化。在惯用的方法中假设副边磁通量是恒定的，而本发明的方法不需要这种假设，即使当磁通在感应电动机起动时开始励磁时以及减弱磁场的控制过程中发生变化，也不会出现问题。

附图是按照本发明一个实施例的感应电动机控制装置的框图。

图1是按照本发明一个实施例的感应电动机控制装置的一个框图。

按照本实施例的装置被用来控制一个感应电动机11，它包括一个速度控制器1，一个γ-轴电流控制器2，一个δ-轴电流控制器3，一个极坐标变换器4，一个逆变器电路5，一个滑差角频率计算器6，一个速度估算器和轴向偏移校正器7，一个积分器8，一个γ-δ坐标轴上的定子电流和感应电动势估算器9，以及一个三相-两相转换器10。

速度控制器1获得速度指令值ωr*和一个估算的速度值之间的差，并且输出一个δ-轴电流值Isδ*。

δ-轴电流控制器3获得一个δ-轴电流指令值Isδ*和δ-轴电流Isδ之间的差，并且输出一个δ-轴电压指令值Usδ*。

γ-轴电流控制器2获得涉及到副边磁通量的副边磁场电流的一个指令值Imr*(＝Imrγ＝Φr*/Lm)和一个γ-轴电流估算值Isγ之间的差，并且输出一个γ-轴电压指令值Usγ*。

极坐标变换器4将电压指令值Usδ*，Usγ*变换成电压指令值的幅值和相位。

逆变器电路5获得极坐标变换器4的输出和积分器8输出的旋转的γ-δ坐标轴的位置，并且产生一个用来激励感应电动机11的PWM信号。

三相-两相转换器10检测来自定子电流Isu，Isv的三相电流，并且将检测到的三相电流转换成两相交流电流。γ-δ坐标轴上的定子电流和感应电动势估算器9获得经过来自两相交流电流的γ-δ坐标轴位置的坐标变换后的Isγ，Isδ和电压指令值Usδ*，Usγ*，按照公式(4)对这些值执行计算，并且输出γ-δ坐标系统中的定子电流估算值sγ，sδ和感应电动势估算值

速度估算器和轴向偏移校正器7获得感应电动势估算值按照公式(7)，(8)，(10)执行计算，并且输出一个估算的速度值滑差角频率计算器6，按照公式(12)执行计算，确定一个滑差角频率指令值ωs1*。 $>>>>\omega >>s>1>>>*>>=>>>Rr>·>Is>>\delta >*>>>>Lr>·>Im>>\gamma >*>>>>->->->>(>12>)>>>s>$

积分器8将通过估算的速度值ωr和滑差角频率指令值ωs1*相加后所确定的γ-δ坐标轴的转速变换成一个角度，并且将这一角度输出给逆变器电路5和三相-两相转换器10。

如果要用软件来实现本发明，上述的所有计算在使用中都是离散的近似值。