專利名稱：轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中同步電機旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置推測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及同步電機的無速度位置傳感器的基于轉(zhuǎn) 子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著大功率半導體元器件技術(shù)不斷進步和控制用微型CPU的運算速度飛躍提高， 大功率直流/交流變換裝置被廣泛的應用在工業(yè)生產(chǎn)、民用產(chǎn)品中，用來驅(qū)動各種不同類 型的交流旋轉(zhuǎn)電機，以可變速電機驅(qū)動取得節(jié)能、高精度控制等效果。在異步電機驅(qū)動中，著名的V/f —定控制法被廣泛應用，也出現(xiàn)了在V/f —定控制 上擴展一定的功能等控制方法。但是，由于V/f —定控制屬于電機常態(tài)控制手段，對于電機 動態(tài)過渡過程無法加以控制。再加上定子電壓與感應電壓之間存在著定子阻抗壓降，v/f — 定控制無法真正做到保持電機的磁鏈為恒值。上述缺點使v/f —定控制的動態(tài)響應不高， 低轉(zhuǎn)速時電機的電磁轉(zhuǎn)矩降低。為克服V/f—定控制法的缺點，矢量控制法被應用在高性能異步電機的驅(qū)動中。 而矢量控制法在驅(qū)動交流旋轉(zhuǎn)電機的過程中，需要電機的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的位置角度等相 位情報，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的速度、位置角度等相位情報，將定子電壓和電流解耦為直流的轉(zhuǎn)矩成 分和勵磁成分，然后分別以快速實時的勵磁電流控制和轉(zhuǎn)矩電流控制達到精確地控制電機 的旋轉(zhuǎn)磁鏈和快速調(diào)節(jié)電機的電磁轉(zhuǎn)矩的目的。另一方面，同步電機是交流旋轉(zhuǎn)電機的一個重要的組成部分。近年來，永磁同步電 機、永磁直流無刷電機等電機以其高效率、節(jié)能、動態(tài)響應快、低速時的大轉(zhuǎn)矩輸出等特點， 得到了廣泛地應用。但是，由于同步電機的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子始終需要保持同步的特殊性，同 步電機的驅(qū)動需要電機的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置角度等相位情報。所以，矢量控制法也大量 被應用在于同步電機的驅(qū)動控制中。為了獲取上述電機的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的位置角度相位情報，可以通過在轉(zhuǎn)子上安 裝以霍爾元件、測速發(fā)電機、編碼器等為代表的速度和位置傳感器，來檢測出電機轉(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 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)明和應用在實踐中。迄今為止，同步電機的無速度位置傳感器矢量控制法(例如專利文獻1)，其基本 控制思想都是從電機的數(shù)學物理模型出發(fā)，通過測出定轉(zhuǎn)子的電壓電流的瞬時數(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)，通過圍繞著電機數(shù)學物理模型所進行的 大量實時定得到的定轉(zhuǎn)子電阻、漏感和互感等參數(shù)，通過圍繞著電機數(shù)學物理模型所進行 的大量實時運算，計算得出當前電機的旋轉(zhuǎn)速度和位置情報，并基于上述情報進行電機的 勵磁控制和轉(zhuǎn)矩控制。專利文獻1日本公開專利2001-211699上述交流旋轉(zhuǎn)電機的無速度位置傳感器矢量控制方法大量使用了電機的參數(shù)，在相當程度上有效地解決了沒有速度位置傳感器時的電機控制問題。但是，由于定轉(zhuǎn)子電阻、 漏感和互感等電機參數(shù)受到溫升、負載電流和鐵心飽和狀態(tài)的影響，在電機運行時電機參 數(shù)的動態(tài)變化給矢量控制器的運算帶來了很大的誤差，這些誤差甚至會造成整個系統(tǒng)無法 正常工作。為此，在實際應用中必須由人工完成電機參數(shù)和控制器增益、補償系數(shù)等變量的 校正，或由變頻器自動完成校正工作。人工完成上述參數(shù)的校正需要大量的有豐富經(jīng)驗的 工程師，而變頻器的自動參數(shù)辨識的實現(xiàn)需要極為復雜的數(shù)學處理和軟件編程，在實際應 用中存在著過于復雜、不容易被維修人員和用戶掌握等種種缺點。因此，在生產(chǎn)應用中迫切需要一種簡單易行和實用的方法，這種方法對電機參數(shù) 變動不敏感，只使用了極少的電機參數(shù)，甚至幾乎不需要精確的電機參數(shù)就能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電 機的無速度位置傳感器的矢量控制法。同時，只需要調(diào)整很少一部分參數(shù)就能適應各種不 同類型的同步電機的無速度位置傳感器矢量控制，以改變同步電機驅(qū)動用電力變換裝置種 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)就適用于永磁同步電 機、永磁直流無刷電機或他勵式同步電機、磁阻式同步電機等交流旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動控制。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子目標磁鏈的相位角 和轉(zhuǎn)子位置的推測方法，在同步電機的轉(zhuǎn)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，建立基于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標系，該坐標系 將勵磁軸M軸定位在轉(zhuǎn)子磁鏈矢量上，與其保持同步；同時轉(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)矩電壓計算出電機轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn) 角速度的基礎估計值；同時為了能動態(tài)地追蹤轉(zhuǎn)子磁鏈，將勵磁電壓動態(tài)地追蹤控制 為勵磁電壓基準值，計算出在正常運行的狀態(tài)下的勵磁電壓基準值^^，通過比較當前輸出 的勵磁電壓V1M與勵磁電壓基準值的大小后由比例積分控制環(huán)的運算，得到能夠調(diào)整MT 旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整角速度△ ；將上述旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值與調(diào)整角速 度A (0相加，得到同步電機被控制轉(zhuǎn)子目標磁鏈的實際旋轉(zhuǎn)角速度的推測值為，然后將上 述磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值進行積分運算后，就可得到同步電機被控制轉(zhuǎn)子目標磁鏈的相位 角力以及轉(zhuǎn)子的相位角幺。本發(fā)明的控制理論基于電機的旋轉(zhuǎn)磁鏈的追蹤控制思想，可以使用于同步電機在 沒有速度位置傳感器的交流旋轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)中，推測出電機磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子位置，實 現(xiàn)交流旋轉(zhuǎn)電機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 用，對電機參數(shù)變動不敏感，只使用了極少的電機參數(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的誤差修正能 力，應用本發(fā)明的控制方法甚至幾乎不需要精確的電機參數(shù)就能實現(xiàn)同步電機的無速度位 置傳感器的矢量控制法。


圖1是同步電機各磁鏈之間的關(guān)系圖；圖2是同步電機無速度位置傳感器的矢量控制流程圖；圖3是同步電機轉(zhuǎn)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4是同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在正常工作時的MT時空矢量圖；圖5是同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在定子電壓超前時的時空矢量圖；圖6是同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)在定子電壓滯后時的時空矢量圖。符號說明E2 轉(zhuǎn)子感應電勢。E2_ideal 轉(zhuǎn)子感應電勢的理想值。E2_real 轉(zhuǎn)子感應電勢的實際值。fn:電機的額定頻率。kp_u 速度調(diào)整用比例積分控制環(huán)的比例增益。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。ki_iTp 位置控制環(huán)的積分增益。k 下標，代表本次采樣數(shù)據(jù)或計算數(shù)據(jù)。if 同步他勵電機勵磁繞組的外接勵磁電流。ihys 死區(qū)時間補償用電流閥值。i1M 定子勵磁電流。i1T 定子轉(zhuǎn)矩電流。Iln 電機的額定相電流。le0 同步電機勵磁繞組漏感。Le:同步電機勵磁繞組電感。旋轉(zhuǎn)電機定子漏感。Ld:定子繞組的直軸電感。Lq 定子繞組的橫軸電感。Lmd 同步電機定轉(zhuǎn)子繞組之間的直軸互感。Lmq 同步電機定轉(zhuǎn)子繞組之間的橫軸互感。Lpf 低通濾波器。M:電機互感。p 微分算子。pp:電機極對數(shù)。旋轉(zhuǎn)電機定子電阻。Sigma 積分計算所用的積分項。電機的電磁轉(zhuǎn)矩。7；:輸出轉(zhuǎn)矩指令值。
T。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先設置的死區(qū)時間。
Tr 轉(zhuǎn)子電路過渡時間常數(shù)。Ts_u 比例積分控制環(huán)的控制周期。VDC 直流母線電壓。VDC 直流母線電壓瞬時值的平均值。V1M 定子勵磁電壓。V;M 定子勵磁電壓基準值。V1T 定子轉(zhuǎn)矩電壓。Vln 電機的額定相間電壓。Vm 直流/交流電力變換裝置輸出的電壓矢量。在控制系統(tǒng)正常工作時直流/交流電力變換裝置理想的輸出電壓矢量。vout 死區(qū)時間補償后的直流/交流電力變換裝置輸出電壓。a u:U相輸出的占空比。V ld 電機直軸電樞反應磁鏈。V lq 電機橫軸電樞反應磁鏈。Vf:永磁電機的永磁體產(chǎn)生的磁鏈、或者他勵式同步電機勵磁繞組產(chǎn)生的磁鏈。F Sd 電機直軸氣隙磁鏈。V5q:電機橫軸氣隙磁鏈。V1M 定子勵磁磁鏈。V1T 定子轉(zhuǎn)矩磁鏈。Vld 定子直軸磁鏈。Vlq 定子橫軸磁鏈。V2M 轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈。V2T 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩磁鏈。V2d 轉(zhuǎn)子直軸磁鏈，這里等同于轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈。V2q 轉(zhuǎn)子橫軸磁鏈，這里等同于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩磁鏈。e :MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的相位角。Q :MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的相位角的推測值。er 轉(zhuǎn)子機械相位角的推測值。轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值。(0 le 轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值。cor 轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)角速度。COr 轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)角速度的推測值。A co :MT旋轉(zhuǎn)坐標系的相位角度誤差的調(diào)整速度。e VM :M軸定子勵磁電壓基準值與實際M軸定子勵磁電壓之間的誤差。
具體實施例方式下面根據(jù)說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步闡述。同步電機是交流旋轉(zhuǎn)電機的一個重要的組成部分。近年來，永磁同步電機、永磁直 流無刷電機等電機以其高效率、節(jié)能、動態(tài)響應快、低速時的大轉(zhuǎn)矩輸出等特點，得到了廣 泛地應用。同步電機的定子繞組自感隨轉(zhuǎn)子角度不同而變化，分直軸(勵磁軸)電感和橫軸 (轉(zhuǎn)矩軸)電感。這里，遵循同步電機的通用慣例，將dq旋轉(zhuǎn)坐標系定義為如圖1所示的d 軸與轉(zhuǎn)子直軸保持同步，q軸領(lǐng)先d軸90度的一個直角旋轉(zhuǎn)坐標系。并且，定子繞組的直 軸電感定義為Ld，橫軸電感定義為Lq。另外，在他勵式同步電機中，轉(zhuǎn)子直軸(勵磁軸)上設置有單獨電源的勵磁繞組， 通過外接的可控勵磁電流if，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈部分。對于永磁電機而言，永久磁鐵所產(chǎn) 生的磁鏈就可以近似地看做他勵式同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈部分。除此而外，大型同步電 機通常在轉(zhuǎn)子上還安裝阻尼繞組，以幫助同步電機在動態(tài)時快速恢復到平衡狀態(tài)。由于有 無阻尼繞組并不妨礙本發(fā)明的基本原理的應用，所以下文的說明將省略阻尼繞組。圖1為省略了阻尼繞組的凸極同步電機的物理模型，MT旋轉(zhuǎn)坐標系按照轉(zhuǎn)子磁鏈 定向、氣隙磁鏈定向或者定子磁鏈定向的不同，其相位角也有所不同。而這時同步電機的定 子磁鏈則由漏磁鏈、三相繞組產(chǎn)生的直軸電樞反應磁鏈、轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的互感磁鏈所 組成 這里，Lmd和Lmq分別為同步電機定轉(zhuǎn)子繞組之間的直軸互感和橫軸互感，為定子 繞組漏感，Ld和Lq分別為同步電機的直軸電感和橫軸電感，其中， 利用同樣的物理概念，可以得到轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈為 這里，le0為勵磁繞組漏感，Le = Lffld+le0。另外，本發(fā)明采用轉(zhuǎn)子定位矢量控制系統(tǒng)， 所以MT旋轉(zhuǎn)坐標系的MT軸與轉(zhuǎn)子的dq軸重合，數(shù)式2的轉(zhuǎn)子磁鏈也可用化 和表示。氣隙磁鏈穿過氣隙，與定子和轉(zhuǎn)子繞組相交鏈，所以氣隙磁鏈不包括定子漏磁鏈。 根據(jù)數(shù)式1，可得到氣隙磁鏈為 由于永磁電機或直流無刷電機被廣泛應用在工業(yè)和民用產(chǎn)品上，其轉(zhuǎn)子磁鏈由永 磁體產(chǎn)生，恒定不變，所以永磁電機或直流無刷電機通常以轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式控制電機。在 以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步電機旋轉(zhuǎn)坐標系里，MT旋轉(zhuǎn)坐標系與上面討論的dq旋轉(zhuǎn)坐標系重 合，T軸轉(zhuǎn)子磁鏈為零。在旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的模型中，磁鏈除了產(chǎn)生變壓器電動勢之外，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢， 所以，在轉(zhuǎn)子勵磁電流if不變或永磁電機的場合，電機定子電壓方程式為 這里，有勵磁繞組的他勵式同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈Vf = Lmdif ；在永磁電機的場 合，則為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，恒定不變。眾所周知，同步電機或直流無刷電機變頻器等直流/交流電力變換裝置可以通過 快速地調(diào)整輸出電壓，從而達到精確地控制同步電機的定子電流的目的。而且，由于輸出電 路的電阻和同步電機本身的電阻很小，過渡過程的時間常數(shù)很小，我們可以假定，同步電機 的定子電流指令值與其實際值可以被看成是幾乎一致的。同時，按照電機的負載大小和電 機的指令轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩電流指令值的大小由上一級速度控制器自動計算調(diào)整。而在實際電機控制時，為了使同步電機的磁通密度保持在設計的額定工作點，勵 磁電流i1M將會被控制成為一個恒定值，特別是永磁電機的場合，在額定速度以下的恒轉(zhuǎn)矩 運行區(qū)內(nèi)，通常勵磁電流i1M將會被有意識地控制成為零，即所有的定子電流全部用于產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩，而勵磁磁鏈由永磁體或勵磁繞組提供，這樣可以獲得最佳的效率和控制性能。而在額 定速度以上的運行區(qū)域內(nèi)，同步電機一般采用弱磁控制法，即讓定子電流適當?shù)亓魍橐?個負的勵磁電流zl < 0，使得電機勵磁軸磁鏈有所減弱，從而保持感應電勢與外加電壓的 平衡。另一方面，磁阻式同步電機有一定的特殊性，磁阻式同步電機轉(zhuǎn)子沒有安裝永磁 體，轉(zhuǎn)子上也沒有安裝他勵式勵磁繞組，只是在設計上使直軸電感和橫軸電感的大小差異 極大，附加轉(zhuǎn)矩比通常的同步電機大得多。機械結(jié)構(gòu)和物理特性使得這種同步電機在運行 時，定子繞組需要有一定程度的勵磁成分的電流，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。所以，對于磁阻式同步 電機，將勵磁電流設置為某個指令值^ 20。另外，在特殊設計的永磁同步電機中，有時為 了增強或減弱旋轉(zhuǎn)磁場，勵磁電流也可設置為某個指令值/^。而無論上述電機勵磁電流大 小如何，一般均保持勵磁電流在一個較長時間內(nèi)為一定。所以，同步電機的矢量控制系統(tǒng)首先需要確定電機的定子電流指令值，并且整個 矢量控制系統(tǒng)的最低層建立在高速電流控制的基礎上。根據(jù)此時的電流指令值，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現(xiàn)電流控制時，將由ACR控制環(huán)自動地輸出一個合適的電壓， 很顯然，在正常運行的時候，定子輸入電壓應該滿足定子電壓方程式4。而整個同步電機的 矢量控制系統(tǒng)可按照控制流程圖2構(gòu)成。為了統(tǒng)一表示上述電機的電壓方程式，這里沿用式2的轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈的定義，有
數(shù)式 5根據(jù)上述定義，電機定子電壓方程式可以重新寫為
如控制流程圖3所示，我們可由上式得到旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值，以及在系 統(tǒng)正常運行時的M軸電壓基準值
考察式6，將轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的乘積定義為轉(zhuǎn)子感應電勢E2，并且轉(zhuǎn)子感應E2—直與T軸保持一致。這樣式6可以重新表達為
數(shù)式 8由上式，我們可以將工作在低于額定轉(zhuǎn)速區(qū)域時的同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控 制系統(tǒng)的時空矢量圖表示為圖4，此時，定子勵磁電流i1M為零。如果直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓實際值V1M與基準值不同時，說明 這時候控制系統(tǒng)自身所定義的MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)與實際轉(zhuǎn)子感應電勢E2在物理上已經(jīng)產(chǎn)生 了誤差。而M軸電壓實際值V1M與基準值的差值同樣可以被作為位置誤差信號而利用。圖5顯示了實際轉(zhuǎn)子感應電勢E2_real超前時的時空矢量圖，直流/交流電力變換 裝置輸出的電壓矢量也超前于控制系統(tǒng)所預定的電壓矢量義㈩-，結(jié)果造成直流/交 流電力變換裝置輸出的M軸電壓V1M小于基準值。這時候控制系統(tǒng)應加大MT坐標系的旋 轉(zhuǎn)速度，以追上轉(zhuǎn)子感應電勢E2_real的實際位置。與此相反，圖6顯示了實際轉(zhuǎn)子感應電壓 E2_real滯后時，直流/交流電力變換裝置輸出的電壓矢量義也滯后于控制系統(tǒng)所預定的電 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大于基準值^^。這時候控制 系統(tǒng)應減小MT坐標系的旋轉(zhuǎn)速度，等待感應電壓追上來。盡管永磁電機在弱磁運行時，或者磁阻式同步電機和特殊永磁同步電機的勵磁電 流不為零，這時電機的時空矢量圖與上述圖中所描述的稍有不同，相差了一個勵磁電流在 定子電阻上的壓降成分。但是磁鏈追蹤控制的基本原理與圖4、圖5和圖6所顯示的是一樣 的，這里省略詳細說明。綜上所述，通過比較當前直流/交流電力變換裝置輸出的M軸電壓V1M與基準值& 的大小，本發(fā)明導入一項調(diào)整速度A (0，該調(diào)整速度A co通過下述比例積分控制環(huán)產(chǎn)生。 控制系統(tǒng)通過比例積分控制環(huán)高速和動態(tài)地調(diào)整速度Aco的大小，達到MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng) 與轉(zhuǎn)子感應電勢旋轉(zhuǎn)速度保持同步的目的。
數(shù)式 9這里，M軸電壓誤差系數(shù)kp_u和分別為速度調(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A co的數(shù)值，積分項和比例積分控制環(huán) 的最終計算結(jié)果必須加以上限和下限的限制，而且在限制值的處理時，積分項的限制值和 比例積分控制環(huán)的最終計算結(jié)果的限制值應該保持統(tǒng)一，以避免積分值遠遠超過最終限制 值時所產(chǎn)生的控制系統(tǒng)失靈的現(xiàn)象。另外，當這個比例積分控制環(huán)由CPU編程實現(xiàn)時，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
數(shù)式 10這里，Ts_u為比例積分控制環(huán)的控制周期，下標k代表本次采樣數(shù)據(jù)，下標k_l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波形的工作機制的不同，控 制周期Ts_u需要被設置為與直流/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_u設置為直流/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_u設 置為與變頻器的載波周期相同；而在很高的載波頻率時則可適當放寬，按載波周期的復數(shù)倍動作。當然，控制周期τ3_ω也可以被設置為與直流/交流電力變換裝置的載波周期無關(guān)， 按預先設置的周期獨立動作。另外，離散化的數(shù)字積分的計算方法還可以采用辛普森積分等其它數(shù)值積分法， 但在整個控制原理上沒有根本的區(qū)別，這里不再討論。與此同時，積分項在上式計算完后需要按下式更新
數(shù)式 11控制系統(tǒng)在導入調(diào)整速度△ ω后，結(jié)合式7計算所得到的轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度 基本值ω le，可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值為
數(shù)式 12將轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值積分后，就可得到MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的相位角
數(shù)式13上式離散化處理按前面原則同樣處理。同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電氣角速度和轉(zhuǎn)子電氣相位角與轉(zhuǎn)子磁鏈必須保持一致，所 以這里的轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)電氣角速度的計算值就是轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)電氣角速度，而轉(zhuǎn)子本 身的機械位置角為
戰(zhàn)論數(shù)式14 式中，PpS電機極對數(shù)。如果控制系統(tǒng)在設計上使上述控制環(huán)節(jié)高速動作，控制系統(tǒng)可以高速調(diào)整轉(zhuǎn)子磁 鏈的旋轉(zhuǎn)角速度推測值，使MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)與電機轉(zhuǎn)子磁鏈的實際旋轉(zhuǎn)速度始終保持同 步，而且使兩者的相位動態(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現(xiàn)。另外，導入調(diào)整速度△ ω后，磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值的計算對電機參數(shù)變動變得 不再敏感，因為轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度基本值的計算誤差可以在△ ω項中加以抵消。 這是本發(fā)明的一個附帶效果，其結(jié)果使整個無速度位置傳感器的矢量控制系統(tǒng)具有相當?shù)?魯棒性(堅固性)，對電機參數(shù)變動有自動補償效應?？刂屏鞒虉D3顯示了上述的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值成和MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的 相位角^的計算過程。由于在實際控制中，高速電流控制環(huán)ACRM和ACRT必然會帶來相當 大的輸出電壓的變動成分，造成旋轉(zhuǎn)角速度推測值戰(zhàn)的變動，影響整個電機控制的性能。所 以，如圖3中所示，本發(fā)明采用了一個或多個低通濾波器以抑制輸出電壓的變動成分，使旋 轉(zhuǎn)角速度推測值尚變得平滑。計算出磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值之后，整個矢量控制流程就獲得了至關(guān)重要的旋 轉(zhuǎn)坐標系的相位信息，由此可以將三相交流電流變換MT 二相直流，然后由電機的速度或定 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)生勵磁電流指令值，再由勵磁電流和轉(zhuǎn) 矩電流的控制環(huán)產(chǎn)生勵磁輸出電壓和轉(zhuǎn)矩輸出電壓，再將勵磁輸出電壓和轉(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。按照永磁同步電機勵磁電流的設置，在轉(zhuǎn)速小于額定值時，勵磁電流為零，所有的 定子電流全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，同時定子電流與轉(zhuǎn)子感應電壓而保持相位一致，可以稱其為內(nèi)功率因數(shù)等于1的控制法。另外，由于本發(fā)明建立在超高速的電流控制的基礎上，所以需要有清晰明了的轉(zhuǎn)矩電流的指令值和勵磁電流的指令值。下文將首先明確電流的指令值的計算方法。定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值的計算方法隨著控制目的不同而變。也就是說，矢量控制 流程圖2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旋轉(zhuǎn)速度的場合下，可以用下述的ASR(Autc) Speed Regulator)控制環(huán)得到轉(zhuǎn)矩電流的指令值；而當控制目的為精確定位的場合下，可 以用APR(Aut0 Position Regulator)控制環(huán)得到轉(zhuǎn)矩電流的指令值。而另一方面，在造 紙、印染、軋鋼等應用中，還需要用到控制目的為精確地控制電機輸出電磁轉(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。在轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中，電機的電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈和電流的表達式可表達 為Te = Pp(V2Mi1T-V2Ti11)數(shù)式 15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，所以在上述轉(zhuǎn)子磁鏈 定向矢量控制系統(tǒng)中，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩軸磁鏈被控制為零，并且轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈被控制為常數(shù)時， 很明顯電機的電磁轉(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7；被指定，
便可利用上述關(guān)系式計算出定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值如下
數(shù)式 16式中，7；為輸出轉(zhuǎn)矩指令值。轉(zhuǎn)子磁鏈Ψ2Μ的數(shù)值則可由電機設計單查到。同時， 在實際應用中可以在上述計算式中加入校正系數(shù)，通過出廠校正或?qū)嶒灥仁侄芜M行校正計 算，以獲得更高精度。另一方面，電機速度控制環(huán)ASR可以按下列比例積分控制方式設計，由電機旋轉(zhuǎn) 速度的誤差得到定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值
論數(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，上式的積分項和最終計算結(jié)果必須加以 上限和下限的限制。另外，同步電機位置控制環(huán)Ara可以按下列比例積分控制方式計算，由電機轉(zhuǎn)子 的角度誤差得到定子轉(zhuǎn)矩電流的指令值
)論數(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 積分項和指令值的處理原則與上文相同。矢量控制系統(tǒng)中，由于定轉(zhuǎn)子電流電壓等交流瞬時值一直處于變化狀態(tài)，所以必 須對其進行3/2交流/直流坐標變換，將交流分量變換成直流分量，以便控制和運算；同時， 由于控制系統(tǒng)的運算結(jié)果是直流成分的，還必須對其進行一次2/3直流/交流坐標變換，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，從而計算出三相PWM波形。這里省略坐標變換的具體計算公式。在上述實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)運算所得到的
T軸電壓Vit和M軸電壓Vim進行2/3直流/交流坐標變換，計算出三相輸出電壓的瞬時值。
然后，根據(jù)上述三相輸出相電壓的瞬時值，考慮了直流母線電壓脈動和交流輸入電壓的變
動時的三相占空比可按下式計算。
式中，vu、Vv、Vw為三相輸出相電壓的瞬時值，Vdc為采樣得到的直流母線電壓瞬時值。最后由三相輸出占空比計算出變頻器等直流/交流電力變換裝置的三相上下橋 所需的6組PWM驅(qū)動波形，從而驅(qū)動三相上下橋的開關(guān)。另外，盡管本發(fā)明的各個實施例的說明是以直角坐標系對電機的各物理量進行空 間矢量的描述和演算，但是極坐標系的數(shù)學描述同樣也能實現(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)明的實施形態(tài)，但是本發(fā)明并不受上述實施形態(tài)的限 制，在本文中描述的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，當然也可以用其它各種不同類型的形態(tài)實施本發(fā) 明。
權(quán)利要求
一種同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角和轉(zhuǎn)子位置的推測方法，在同步電機的轉(zhuǎn)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，建立基于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的MT旋轉(zhuǎn)坐標系，該坐標系將勵磁軸M軸定位在轉(zhuǎn)子磁鏈矢量上，與轉(zhuǎn)子磁鏈保持同步；同時轉(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)矩電壓計算出電機轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值ω1e；同時為了能動態(tài)地追蹤被控制轉(zhuǎn)子磁鏈，將勵磁電壓動態(tài)地追蹤控制為勵磁電壓基準值，計算出在正常運行的狀態(tài)下的勵磁電壓基準值通過比較當前輸出的勵磁電壓V1M與勵磁電壓基準值的大小后，由比例積分控制環(huán)的運算，得到能夠調(diào)整MT旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整角速度Δω；將上述旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值ω1e與調(diào)整角速度Δω相加，得到同步電機被控制轉(zhuǎn)子磁鏈的實際旋轉(zhuǎn)角速度的推測值然后將上述磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值進行積分運算后，得到同步電機被控制轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角以及轉(zhuǎn)子的相位角F2009100301402C0000011.tif,F2009100301402C0000012.tif,F2009100301402C0000013.tif,F2009100301402C0000014.tif,F2009100301402C0000015.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征為根據(jù)下式計算同步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值以及在系統(tǒng)正常運 行時的勵磁電壓基準值F1^ 其中ω 為電機的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值；Vit為定子轉(zhuǎn)矩軸電壓；ri為電 機定子電阻；i1T為定子轉(zhuǎn)矩電流；i1M為定子勵磁電流；Ψ2Μ為轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈，而且，ψ2 = Ldi1M+￥f ； Vf為同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈，在有勵磁繞組的他勵式同步電機中，轉(zhuǎn)子勵磁磁 鏈￥f = Lffldif, Lmd為同步電機定轉(zhuǎn)子繞組之間的直軸互感，if為他勵式勵磁繞組的勵磁電 流，而在永磁同步電機中，Vf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，恒定不變；Ld為同步電機的直軸電感； Lq為同步電機的橫軸電感稱勵磁電壓基準值，為同步電機正常運行的狀態(tài)下的定子電 壓矢量在M軸上的投影所得到的M軸電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為所述調(diào)整角速度Δ ω通過下述比例積分控制環(huán)產(chǎn)生， 其中M軸電壓誤差 V1M為定子勵磁軸電壓C為勵磁電壓基準值，系數(shù)和分別為速度調(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△ω的數(shù)值，積分項 和比例積分控制環(huán)的最終計算結(jié)果必須加以上限和下限的限制，而且在限制值的處理時， 積分項的限制值和比例積分控制環(huán)的最終計算結(jié)果的限制值保持統(tǒng)一，以避免積分值遠遠 超過最終限制值時所產(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，其特征為當所述比例積分控制環(huán)由CPU編程實現(xiàn)時， 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 這里，τ3_ω為比例積分控制環(huán)的控制周期，下標k代表本次采樣數(shù)據(jù)，下標k-1代表上 次采樣數(shù)據(jù)，與此同時，積分項在上式計算完后需要按下式更新
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)在導入調(diào)整速度△ω后，根 據(jù)計算所得到的轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度基本值ω le，可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值 為 將轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度推測值積分后，就可得到MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的相位角，
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征為轉(zhuǎn)子本身的機械位置角為 上式中，Pp為電機極對數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征為用一個或多個低通濾波器對轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn) 角速度推測值加以平滑處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的方法，其特征為比例積分控制環(huán)的控制周期Τ3_ω可被 設置為直流/交流電力變換裝置的載波周期的二分之一、或者相同周期、或者復數(shù)倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的方法，其特征為比例積分控制環(huán)的控制周期可被 設置為與直流/交流電力變換裝置的載波周期無關(guān)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征為同步電機在轉(zhuǎn)速小于額定值時，定子勵磁 電流指令值為零，所有的定子電流全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，內(nèi)功率因數(shù)等于1。
全文摘要
本發(fā)明的目標為同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用轉(zhuǎn)矩電流控制環(huán)和勵磁電流控制環(huán)控制輸出電流；然后利用轉(zhuǎn)矩電流控制環(huán)輸出的轉(zhuǎn)矩電壓V1T計算出轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)角速度的基礎估計值ω1e；同時計算出勵磁電壓基準值后，通過比較與勵磁電流控制環(huán)輸出的勵磁電壓V1M之間誤差的比例積分運算得出調(diào)整角速度Δω。將Δω與ω1e相加后可得到轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度的推測值同時，將進行積分運算后，就可得到電機MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)的相位角推測值最后，控制系統(tǒng)通過實時高速地動態(tài)計算調(diào)整角速度Δω的大小，達到使MT旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)與同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈的實際旋轉(zhuǎn)速度保持同步狀態(tài)，其相位始終保持一致的目的，從而實現(xiàn)同步電機的無速度位置傳感器矢量控制。
文檔編號H02P21/00GK101841297SQ200910030140
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者孔小明, 戴政 申請人:戴政;孔小明