專利名稱：無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種矢量控制設(shè)備，尤其涉及無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備和方法，用于控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)轉(zhuǎn)和速度。
2.背景技術(shù)通常，由于與直流電動(dòng)機(jī)相比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比較難于控制，因此感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要用于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，隨著矢量控制理論的引入和高性能的中央處理器(CPU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展，可以控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)做變速運(yùn)轉(zhuǎn)。
矢量控制理論是這樣一種方法，其中以120°間隔輸入的三相交流電(“a”相、“b”相、“c”相)按直軸和90°間隔的橫軸分解(轉(zhuǎn)換)，將它們的大小控制為需要的值并將其恢復(fù)(反轉(zhuǎn)換)為三相電，由此控制三相交流電。這個(gè)方法主要用于控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
為了對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制，需要感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度信息或磁通信息。為了檢測(cè)速度信息或磁通信息，需要速度傳感器或磁通傳感器，諸如速度計(jì)、解析器(resolver)或脈沖編碼器。
然而，由于傳感器包括電子電路，因此，由于電子電路的使用溫度范圍、速度傳感器和變流器(inverter)之間信號(hào)接線費(fèi)用大，使具有傳感器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)受到局限。
而且盡管可以安裝速度傳感器，由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與速度傳感器之間的連接部分禁受不起沖擊，出于設(shè)備可靠性考慮最好避免使用傳感器。
因此，近來(lái)，提出了關(guān)于沒(méi)有速度傳感器的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的各種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度估算方法。其中，將基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)、自適應(yīng)觀察器的方法(即，一種獨(dú)立于主控制系統(tǒng)的估算速度或者轉(zhuǎn)差頻率的方法)用作考慮速度估算穩(wěn)定性的高速運(yùn)算方法，將高頻注入(high frequencyinjection)方法用作低速算法方法。
圖1是依照常規(guī)技術(shù)的速度控制設(shè)備的示意方框圖，其依照電壓轉(zhuǎn)換頻率的方法提供同步速度。
如圖1所示，常規(guī)的速度控制設(shè)備包括角速度發(fā)生器1，它接收使用者輸入的命令頻率(F)，將其轉(zhuǎn)換為施加給電機(jī)的電機(jī)角速度(We)并輸出；電壓發(fā)生器2，它接收命令頻率(F)，依照電壓對(duì)頻率的比率(V/F比率)生成電壓并輸出；和變流器(inverter)3，它通過(guò)利用從角速度發(fā)生器1輸出的電機(jī)角速度(We)和從電壓發(fā)生器2輸出的電壓控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)的速度。
現(xiàn)在來(lái)解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的常規(guī)速度控制設(shè)備的工作情況。
通常，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，不需要速度檢測(cè)裝置，相反，普遍使用的是簡(jiǎn)單控制的可變電壓可變頻率(VVVF)方法的普通變流器。
為了恒定保持感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁通，普通變流器恒定控制變流器輸出電壓和輸出頻率之間比率(V/F＝常數(shù))，且通過(guò)改變輸出頻率來(lái)控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度(rpm(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)))。
同步速度(rpm)＝120*F/P-------------------------------(1)其中“P”表示定子繞組的磁極數(shù)目，而“F”表示定子繞組流動(dòng)的電流的命令頻率。
同時(shí)，用于獲取輸入電壓的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電壓(Vs)如下所示。
Vs＝Rs*Is+(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------(2)其中“Rs”表示定子電阻，“Is”表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的輸入電流，“Lls”表示定子漏磁電抗，而“Lm”表示激磁電抗。
在忽略公式(2)中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子電阻(Rs)的情況下，Vs＝(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------------(3)通常，與公式(3)中的激磁電抗(Lm)相比，定子漏磁電抗(Lls)較小。因此，通過(guò)公式(4)計(jì)算公式(3)Vs＝Lm*dIs/dt＝We*Lm*Is＝2πF*φ-----------------------------(4)在公式(4)中，因?yàn)閂s/F＝2π*φ，因此通過(guò)恒定地提供Vs/F比率可恒定地保持磁通以控制電機(jī)。
因此，當(dāng)確定了命令頻率(F)時(shí)，可將其轉(zhuǎn)換為同步速度(We＝2πF)并施加給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。此時(shí)，為了恒定地保持感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁通，生成一個(gè)確使V/F比率恒定的相應(yīng)于命令頻率(F)的電壓，且將其輸出到變流器。
然后，變流器利用同步速度(We)和電壓生成三相電壓，并且把它們提供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)。即，假設(shè)恒定地提供V/F比率，由于恒定地保持磁通，因此可以控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
在這方面，由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以與同步速度相比較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)下面的公式(5)得到一個(gè)轉(zhuǎn)差率(slip)Slip＝(We-Wr)/We其中“We”表示同步速度，而“Wr”表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
圖2說(shuō)明了依照常規(guī)技術(shù)V/F方法的負(fù)荷和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩的曲線波形的圖表。
如圖2所示，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)運(yùn)行，并且有相應(yīng)的電流流動(dòng)。
圖3是依照常規(guī)技術(shù)的矢量控制設(shè)備的示意性方框圖。
如圖3所示，矢量控制設(shè)備具有變流器，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供需要的三相電流，包括第一比例積分器5，用于接收在由使用者輸入的速度命令值(Wr*)和從感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)際檢測(cè)到的速度(Wr)之間的誤差，并且生成一個(gè)“q”軸分量的電流命令值(iqse*)；第二比例積分器8，用于接收一個(gè)誤差，它是相應(yīng)于電機(jī)額定值的“q”軸的電流命令值(iqse*)和流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(iqse)之間的差值，并且生成和輸出一個(gè)電壓(vqse)，用于使電機(jī)以速度命令值(Wr*)速度運(yùn)行；第三比例積分器9，用于接收在相應(yīng)于電機(jī)額定值的“d”軸分量的電流命令值(idse*)和流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(idse)之間的誤差，并且生成和輸出一個(gè)電壓(vdse)用于使電機(jī)以速度命令速度運(yùn)行；靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10，用于接收兩相電壓(vqse和vdse)并且輸出三相電壓Va、Vb和Vc；同步坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器12，用于檢測(cè)輸入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的三相電流(ias、ibs和ics)，改變流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(idse)和流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(iqse)，并且輸出它；轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13，用于接收“q”軸分量的電流命令值(iqse*)和“d”軸分量的電流命令值(idse*)并且生成一個(gè)轉(zhuǎn)差頻率；算術(shù)控制信號(hào)發(fā)生器14，用于接收轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際檢測(cè)到的速度(Wr)，并且生成角速度(We)；變流器11，用于接收三相電壓Va、Vb和Vc并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度；和速度傳感器15，其連接到感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的軸上，以檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
現(xiàn)在來(lái)解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的常規(guī)矢量控制設(shè)備的工作情況。
首先，第一運(yùn)算器獲取在速度命令值(Wr*)和實(shí)際檢測(cè)到的速度(Wr)之間的誤差，并且把它提供給第一比例積分器5，第一比例積分器5建立一個(gè)“q”軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)的電流命令值(iqse*)并且把它提供給第二運(yùn)算器6的非反向輸入端(+)，把相應(yīng)于電機(jī)額定值生成的“d”軸分量的電流命令值(idse*)提供給第三運(yùn)算器7的非反向輸入端(+)。
然后，第二運(yùn)算器6和第三運(yùn)算器7獲取“d”與“q”軸的電流命令值(idse*和iqse*)和“d”與“q”軸的實(shí)際電流值(idse和iqse)之間的誤差，并且把誤差提供給第二比例積分器8和第三比例積分器9。
然后，第二和第三比例積分器8和9生成“d”軸與”q”軸電壓vqse和vdse，并且把它們分別地傳送到靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10。
此時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13利用“d”與“q”軸的電流命令值(idse*和iqse*)獲取Wslip，并且把它提供給算術(shù)控制信號(hào)發(fā)生器14的非反向輸入端(+)。
速度傳感器15用于檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)IM的速度，它把檢測(cè)到的電機(jī)速度(Wr)提供給算術(shù)控制信號(hào)發(fā)生器14的另一個(gè)非反向輸入端(+)。
然后，算術(shù)控制信號(hào)發(fā)生器14獲取轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)和電機(jī)速度(Wr)，計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的同步角速度(We)，生成算術(shù)控制信號(hào)，用以利用計(jì)算出的同步角速度(We)來(lái)將兩相電壓轉(zhuǎn)換為三相電壓或者將三相電壓轉(zhuǎn)換為兩相電壓，并且把它提供給靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10和同步坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器12。
因此，當(dāng)靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10將兩相電壓vqse和vdse轉(zhuǎn)換為三相電壓Va、Vb和Vc并且將它們提供給變流器11時(shí)，變流器11接收三相電并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
無(wú)傳感器矢量控制方法利用速度估計(jì)算法來(lái)代替檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度的速度傳感器。
同時(shí)，常規(guī)的可變電壓可變頻率(V.V.V.F)方法不需要速度檢測(cè)設(shè)備且簡(jiǎn)單地執(zhí)行速度控制，它是簡(jiǎn)單地恒定地保持感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁通的V/F方法。
然而，常規(guī)技術(shù)的矢量控制方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。
即，首先，盡管提供了作為頻率(F)的速度命令值，但是提供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的值是同步速度(We)，實(shí)際的電機(jī)速度以“Wr＝We(1-slip)”給出，這導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題就是實(shí)際的電機(jī)速度按轉(zhuǎn)差頻率改變，而轉(zhuǎn)差頻率隨負(fù)荷變化。
其次，盡管恒定地控制磁通的V/F比率是恒定地保持著的，但由于包含在公式(2)中的定子電阻(Rs)被忽略不計(jì)，所以磁通在低速時(shí)很少得到補(bǔ)給，導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題就是電機(jī)不能生成所需要的輸出轉(zhuǎn)矩。
第三，常規(guī)的矢量控制方法是，在用低速算法控制電機(jī)速度時(shí)，通過(guò)將高頻電壓或電流加到基波電壓上來(lái)尋找電機(jī)磁通的絕對(duì)位置。因此這個(gè)方法在低速情況是有效的，但是不可能用在高速情況下。相反地，用高速算法控制電機(jī)速度時(shí)，該方法在高速情況是有效的，但是由于在低速情況下該算法本身的實(shí)現(xiàn)非常困難，由此導(dǎo)致的一個(gè)問(wèn)題就是不能用于覆蓋整個(gè)速度范圍。
第四，為了使用高速和低速算法，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地獲取電機(jī)的一個(gè)參數(shù)。假如該參數(shù)不準(zhǔn)確，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，因而，需要大量算術(shù)運(yùn)算用于算法的實(shí)現(xiàn)。為了這個(gè)目的，需要中央處理器(CPU)或高性能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，其通常很難被采用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種矢量控制設(shè)備，其能夠防止速度隨負(fù)荷變動(dòng)，并能防止相應(yīng)于在低速情況下磁通減少的轉(zhuǎn)矩減少，從而解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種矢量控制設(shè)備，其能夠在整個(gè)速度范圍內(nèi)執(zhí)行無(wú)傳感器矢量控制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種通過(guò)減少對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴和運(yùn)算數(shù)量的易于實(shí)現(xiàn)的算法，它不使用高性能的主運(yùn)算裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種矢量控制設(shè)備，通過(guò)解決常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)行在速度-轉(zhuǎn)矩曲線的不穩(wěn)定區(qū)域的問(wèn)題，能夠使系統(tǒng)在任何情況下都運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)域。
為了達(dá)到這些和其他優(yōu)點(diǎn)并依照本發(fā)明的目的，正如此處具體的和寬泛的描述，提供了一種無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備，它包括速度控制器，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并且輸出同步速度(We)；“d”軸電壓命令單元，用于接收流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(ids)和“q”軸的電流(iqs)，并且生成“d”軸電壓(Vds)；“q”軸電壓命令單元，用于從速度控制器接收同步速度(We)，接收相應(yīng)于電機(jī)額定值的“d”軸分量的電流命令值(ids*)，并且生成“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器，用于從“q”軸電壓命令單元接收“q”軸電壓(Vqs)和從“d”軸電壓命令單元接收“d”軸電壓(Vds)，并且將這兩相電壓(Vqs和Vds)轉(zhuǎn)換成三相(Va、Vb、Vc)；和變流器，用于從電壓轉(zhuǎn)換器接收該三相電并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
為了達(dá)到上面的目的，進(jìn)一步提供了無(wú)傳感器矢量控制方法，用于從使用者接收速度命令值并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度，它包括以下步驟通過(guò)速度控制器接收速度命令值(Wr*)；通過(guò)使用速度控制器控制速度以補(bǔ)償相應(yīng)于負(fù)荷變化的速度變化；運(yùn)算從速度控制器輸出的同步速度(We)、磁通分量的電流命令值(ids*)、“d”軸的實(shí)際電流(ids)和“q”軸的實(shí)際電流(iqs)，并且生成“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)；對(duì)“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)進(jìn)行三相轉(zhuǎn)換，并且將這三相電供給變流器。
下面通過(guò)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明前述的和其它的目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。


附圖用于提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，將其結(jié)合并組成說(shuō)明書的一部分，附圖連同用于解釋本發(fā)明原理的描述一起說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施例。
在這些附圖中圖1是依照常規(guī)技術(shù)的速度控制設(shè)備的示意性方框圖，其依照V/F方法提供同步速度；圖2表示依照常規(guī)技術(shù)根據(jù)V/F方法的負(fù)荷和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩曲線波形圖。
圖3是依照常規(guī)技術(shù)的矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖4是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖5表示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述的用于提供同步速度的速度控制器的結(jié)構(gòu)；圖6是表示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)的詳圖；圖7是依照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖8A表示當(dāng)負(fù)荷施加到依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備上時(shí)生成的波形；圖8B表示了當(dāng)負(fù)荷躍變(轉(zhuǎn)矩電流)施加到依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備上時(shí)生成的波形；和圖9A到9D表示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述的速度的、磁通-電流(fluxcurrent)的和負(fù)荷的波形。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)介紹本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，其例子示于附圖中。
圖4是依照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖。
如圖4所示，本發(fā)明的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備依照使用者的輸入驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其包括速度控制器50，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并且輸出同步速度(We)；“d”和“q”軸電壓命令單元60，用于接收速度控制器的同步速度(We)并且輸出“d”軸電壓(Vds)和“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器70，用于接收“q”軸電壓命令單元的“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓命令單元的“d”軸電壓(Vds)，并且將這兩相電壓Vqs和Vds轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)；和變流器80，用于從電壓轉(zhuǎn)換器接收該三相電壓并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
現(xiàn)在來(lái)解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
在用于依據(jù)從使用者收到的速度命令值(Wr*)控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度的無(wú)檢測(cè)矢量控制設(shè)備中，當(dāng)速度控制器50從使用者接收速度命令值(Wr*)時(shí)，它控制速度以補(bǔ)償相應(yīng)于負(fù)荷變化的速率變化。然后，對(duì)從速度控制器50輸出的同步速度(We)、磁通分量的電流命令值(ids*)、“d”軸的實(shí)際電流(ids)和“q”軸的實(shí)際電流(iqs)進(jìn)行運(yùn)算以生成“q”軸電壓(Vqs)和“d”電壓(Vds)。然后，電壓轉(zhuǎn)換器將生成的“q”軸電壓和“d”電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓，并且將它們供給變流器，從而可以恒定地保持磁通-電流并且可以恒定地控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
圖5表示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述的用于提供同步速度的速度控制器的結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，用于提供同步速度的速度控制器包括運(yùn)算器21，用于獲取依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電機(jī)速度(Wr)之間的差值；比例積分器22，用于接收從運(yùn)算器21輸出的差值，執(zhí)行比例積分運(yùn)算并且獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)；和運(yùn)算器23，用于接收速度命令值和轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)并且輸出同步速度。
現(xiàn)在來(lái)解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的速度控制器的工作情況。
運(yùn)算器21接收依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)，獲取速度命令值(Wr*)和實(shí)際電機(jī)速度(Wr)之間的差值，并且將它提供給比例積分器22。
然后，比例積分器22執(zhí)行比例積分運(yùn)算，獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)并且將它提供給運(yùn)算器23。
然后，運(yùn)算器23將轉(zhuǎn)差頻率Wslip和速度命令值(Wr*)相加以生成同步速度(We)，并且將生成的同步速度(We)提供給”q”軸電壓命令單元。
速度控制器通過(guò)利用由下述公式(6)得到的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)獲取同步速度(We)Wslip＝(Rr/Lr)*iqs/ids---------------------------------(6)其中“Rr”表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)線圈電阻，“Lr”表示電機(jī)的電抗，“ids”表示流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
通過(guò)利用公式(6)和同步速度(We)，按下述等式(7)計(jì)算電機(jī)速度(Wr)。
Wr＝We-Wslip-------------------------------------------(7)因此，當(dāng)速度控制器控制轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)時(shí)，就避免了速度因負(fù)荷的變化而變化和V/F方法的問(wèn)題，并且補(bǔ)償速度因負(fù)荷變化的變化。
圖6是顯示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖。
如圖6所示，本發(fā)明的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備包括“d”軸電壓命令單元200，具有低通濾波器(LPT)203，用于接收流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(iqs)，并對(duì)該實(shí)際電流進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，然后輸出經(jīng)過(guò)濾波的電流(iqs)；第一乘法器204，用于接收經(jīng)過(guò)低通濾波器203濾波的電流(iqs)，將其乘以定子電阻，并且輸出一個(gè)電壓；電壓運(yùn)算器205，用于接收經(jīng)過(guò)低通濾波器203濾波的電流(iqs)，將其乘以同步速度(We)和電感值δL，并且生成一個(gè)電壓；低通濾波器201，用于接收流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(ids)，對(duì)其低通濾波以去除不必要的部分，并且輸出經(jīng)過(guò)濾波的電流；第二乘法器202，用于將經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波的電流乘以定子電阻，并且輸出一個(gè)電壓；和第三運(yùn)算器206，用于運(yùn)算從第二乘法器202輸出的電壓和從電壓運(yùn)算器205輸出的電壓，并且生成“d”軸電壓(Vds)；“q”軸電壓命令單元100，具有電壓發(fā)生器111，用于從速度控制器接收同步速度(We)，并生成與同步速度相對(duì)應(yīng)的電壓，以便使V/F比率保持不變；“d”軸電流控制器101，用于控制“d”軸電流以恒定地控制磁通；和第二運(yùn)算器112，用于運(yùn)算電壓發(fā)生器111的輸出電壓和從“d”軸電流控制器101輸出的電壓，并且生成“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器300，用于將“q”軸電壓命令單元100的“q”軸電壓(Vqs)、“d”軸電壓命令單元200的“d”軸電壓(Vds)轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)并且輸出它們；和變流器400，用于從電壓轉(zhuǎn)換器300接收三相電壓(Va、Vb、Vc)并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
“d”軸電流控制器101包括第一運(yùn)算器113，用于接收相應(yīng)于電機(jī)額定值的“d”軸分量的電流命令值(ids*)和流過(guò)“d”軸電流控制器101的實(shí)際電流(ids)，并且獲取誤差；和第一比例積分電路114，用于從第一運(yùn)算器接收誤差值并且生成與電流誤差成比例的電壓。
現(xiàn)在來(lái)解釋按上面的描述構(gòu)成的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
速度控制器一從使用者接收依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)，就將補(bǔ)償速度變化的同步速度(We)提供給“q”軸電壓命令單元100。
然后，“q”軸電壓命令單元100的電壓發(fā)生器111生成與同步速度相對(duì)應(yīng)的電壓以使V/F比率為常數(shù)，并且將其輸出到第二運(yùn)算器112。
此時(shí)，第一運(yùn)算器113獲取在相應(yīng)于電機(jī)額定值的“d”軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)的電流命令值(ids*)和流過(guò)電機(jī)的“d”軸(激磁分量)的實(shí)際電流(ids)之間的誤差，并且將其提供給第一比例積分控制器114。
然后，第一比例積分控制器114生成與電流誤差成比例的電壓，并且將其輸出到第二運(yùn)算器112。
當(dāng)“q”軸電壓命令單元100進(jìn)行如上所述的運(yùn)算時(shí)，“d”軸電壓命令單元200的低通濾波器203接收流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(iqs)，對(duì)其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，然后將經(jīng)過(guò)濾波的電流(iqs)傳輸給第一乘法器204。
然后，第一乘法器204將經(jīng)過(guò)低通濾波器203濾波的電流(iqs)乘以定子電阻(Rs)以生成電壓，并且將生成的電壓提供給”q”軸電壓命令單元100的第二運(yùn)算器112。
因此，第二運(yùn)算器112將電壓發(fā)生器111的輸出電壓、第一比例積分電路114的輸出電壓和經(jīng)由第一乘法器204輸出的電壓相加，以生成“q”軸電壓(Vqs)，并且將其提供給電壓轉(zhuǎn)換器300。
當(dāng)“q”軸電壓(Vqs)從“q”軸電壓命令單元100生成并且輸入到電壓轉(zhuǎn)換器300時(shí)，經(jīng)過(guò)低通濾波器203將電流濾波并使已經(jīng)低通濾波器203濾波的電流(iqs)乘以同步速度(We)和電感值(δL)，并且將生成的電壓輸出到第三運(yùn)算器206。
此時(shí)，低通濾波器201接收流過(guò)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(ids)，并且去除其中不必要的部分，然后，第二乘法器202將“d”軸的實(shí)際電流(ids)乘以定子電阻(Rs)并且將其輸出到第三運(yùn)算器206。
第三運(yùn)算器206從第二乘法器202輸出的電壓中減去電壓運(yùn)算器223輸出的電壓，以生成“d”電壓(Vds)并且將其提供給電壓轉(zhuǎn)換器300。
然后，電壓轉(zhuǎn)換器300將“q”軸電壓命令單元100和“d”軸電壓命令單元200的這兩相電壓(Vqs和Vds)轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)，并且將它們供給變流器400，用于控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
因此，可以獨(dú)立控制“d”軸電流和“q”軸電流，此時(shí)，由于電流受“d”電流控制器101控制，因此，與控制磁通的情況相比轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度較快。
“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)由第二運(yùn)算器112和第三運(yùn)算器206產(chǎn)生，從下面的公式得到Vqs＝Rs*iqs+We*Ls*ids＝Rs*iqs+E---------(8)Vds＝Rs*ids-We*δLs*iqs-----------------(9)δLs＝Ls-Lm2/Lr≈LIs+LIr----------------(10)其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“Lm”表示激磁電抗，“Lr”表示轉(zhuǎn)子電抗，“LIs”表示定子漏磁電抗，“LIr”表示轉(zhuǎn)子漏磁電抗，“ids”表示流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
公式(8)也可表達(dá)如下Vqs＝Rs*iqs+E---------------------------(11)E＝We*Ls*ids----------------------------(12)其中“E”表示電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)分量。
因此，通過(guò)控制公式(11)中的反電動(dòng)勢(shì)分量(E)可以恒定地保持磁通。
圖7是依照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的示意性的方框圖。
如圖7所示，依照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備還包括電壓發(fā)生器115，用于將依照同步速度(We)的預(yù)定電壓供給”q”軸電壓命令單元100；和乘法器116，用于使從第一比例積分控制器輸出的電壓和從電壓發(fā)生器115輸出的電壓相乘。
現(xiàn)在來(lái)解釋如此構(gòu)成的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
乘法器116使與從第一比例積分器114輸出的電流誤差成比例的電壓和來(lái)自電壓發(fā)生器115的電壓一起相乘，并且將它們輸出到第二運(yùn)算器112，由此獲取“q”軸電壓(Vqs)。
獲取“d”軸電壓(Vds)的操作與上面圖6中所述的一樣。
圖8A和圖8B表示根據(jù)與依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取的波形；參照?qǐng)D8A，常規(guī)技術(shù)存在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在所加負(fù)荷為100％時(shí)速度為“0”的時(shí)間段內(nèi)失去控制的情況，與常規(guī)技術(shù)相比，由于具有本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)，因此由于磁通-電流被恒定地保持致使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒定地得到控制。
參照?qǐng)D8B，施加100％負(fù)荷躍變(轉(zhuǎn)矩電流)之后，盡管其下降到0％負(fù)荷躍變，也能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此磁通-電流是常數(shù)。
圖9A到9D表示依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所述的速度的、磁通-電流的和負(fù)荷的波形。
如圖9A到9D所示，即使以高速或低速驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也不會(huì)存在速度隨負(fù)荷變化，因而，所見到的磁通是常數(shù)。
正如到此所描述的，無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備和方法有許多優(yōu)點(diǎn)。
例如，第一，由于矢量控制可以甚至不使用速度傳感器在整個(gè)的速度范圍內(nèi)執(zhí)行，因此無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備可以制造為產(chǎn)品。
第二，由于實(shí)現(xiàn)算法的算術(shù)運(yùn)算量不多，因此即使利用普通的CPU或DSP也能實(shí)現(xiàn)。
第三，由于并不非常依賴于參數(shù)，而且系統(tǒng)在持續(xù)穩(wěn)定范圍內(nèi)操作，因此它可容易地適用于工業(yè)部門。
第四，它可適用于速度控制領(lǐng)域或需要起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的部門。
最后，和大容量的變流器一致，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)速度加速或者減速過(guò)程中可使磁通減少，從而，解決了存在的轉(zhuǎn)矩?cái)[動(dòng)問(wèn)題。因此，可將普通的變流器可適用于每個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
由于本發(fā)明可在不脫離其精神和必要技術(shù)特征的情況下以若干形式體現(xiàn)，因此應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例不為任何前述描述的細(xì)節(jié)所限制，除非另有規(guī)定，都應(yīng)認(rèn)為是在所附加的權(quán)利要求中限定的精神和范圍之內(nèi)進(jìn)行的概括性解釋，因此落入權(quán)利要求的集合與界限的變化和改進(jìn)，或者這些集合與界限的等效替換都被認(rèn)為包含在附加的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備，包括速度控制器，用于從使用者接收速度命令值并且輸出同步速度；“d”和”q”軸電壓命令單元，用于接收同步速度命令值并且轉(zhuǎn)換為”d”軸電壓與”q”軸電壓；電壓轉(zhuǎn)換器，用于接收”q”軸電壓與”d”軸電壓，并且將這兩相電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓；和變流器，用于接收三相電壓并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中速度控制器包括第一運(yùn)算器，用于計(jì)算來(lái)自使用者的速度命令值和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電壓之間的誤差值；比例積分器，用于接收速度命令值和實(shí)際電壓之間的誤差，并且計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率；和第二運(yùn)算器，用于將轉(zhuǎn)差頻率和速度命令值相加并且獲取同步速度。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中”d”軸電壓命令單元包括低通濾波器，用于接收流過(guò)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(iqs)，對(duì)其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，而且輸出經(jīng)過(guò)濾波的電流(iqs)；第一乘法器204，用于接收經(jīng)過(guò)濾波的電流(iqs)，將其乘以定子電阻值(Rs)，并且輸出電壓；電壓運(yùn)算器，用于接收經(jīng)過(guò)濾波的電流(iqs)，將其乘以同步速度(We)和電感值δL，并且生成電壓；低通濾波器，用于接收流過(guò)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(ids)，對(duì)其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，并且輸出經(jīng)過(guò)濾波的電流；第二乘法器，用于將經(jīng)過(guò)濾波的電流值乘以定子電阻值(Rs)，并且輸出電壓；和第三運(yùn)算器，用于運(yùn)算從第二乘法器輸出的電壓值和從電壓運(yùn)算器輸出的電壓，并且生成”d”軸電壓(Vds)。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中”q”軸電壓命令單元包括電壓發(fā)生器，用于從速度控制器接收同步速度(We)，并且生成與同步速度相對(duì)應(yīng)的電壓，以便使電壓對(duì)頻率的比率恒定不變；“d”軸電流控制器，用于控制“d”軸電流以恒定地控制磁通；和第二運(yùn)算器，用于運(yùn)算電壓發(fā)生器的輸出電壓、從感應(yīng)電動(dòng)機(jī)“d”軸電流控制器輸出的電壓、和“q”軸的分量的輸出電壓，并且生成”q”軸電壓(Vqs)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中“d”軸電流控制器包括第一運(yùn)算器，用于接收相應(yīng)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定值的“d”軸分量的電流命令值和流過(guò)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流，并且獲取誤差；和第一比例積分電路，用于接收來(lái)自第一運(yùn)算器的誤差值并且生成與電流誤差成比例的電壓。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中“d”軸電流控制器通過(guò)控制電流來(lái)獲取響應(yīng)速度。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中”q”軸電壓命令單元包括電壓發(fā)生器，用于接收同步速度并且提供預(yù)定的電壓；和乘法器，用于將從“d”軸電流控制器輸出的電壓和從電壓發(fā)生器輸出的電壓相乘。
8.一種無(wú)傳感器矢量控制方法，用于從使用者接收速度命令值并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度，包括步驟通過(guò)速度控制器接收依照使用者的輸入的速度命令值；通過(guò)速度控制器補(bǔ)償依照負(fù)荷變化的速度變化；接收同步速度、“d”軸分量的電流命令值、“d”軸的實(shí)際電流和“q”軸的實(shí)際電流，并且通過(guò)”q”軸電壓命令單元生成”q”軸電壓和通過(guò)”d”軸電壓命令單元生成”d”軸電壓。將“q”軸電壓和“d”軸電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓；和將這三相電壓供給變流器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中”d”軸電壓命令單元分別地控制“d”軸的電流和“q”軸的電流。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在”q”軸電壓命令單元中，通過(guò)使用公式Vqs＝Rs*iqs+We*Ls*ids＝Rs*iqs+E，E＝We*Ls*ids生成”q”軸電壓，其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“ids”表示流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(磁通-電流)，“iqs”表示流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(轉(zhuǎn)矩電流)，和“E”表示電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)分量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中可以通過(guò)控制反電動(dòng)勢(shì)分量(E)恒定地保持磁通。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過(guò)使用公式Vds＝Rs*ids-We*δLs*iqs，δLs＝Ls-Lm2/Lr≈LIs+LIr生成”d”軸電壓命令單元的”d”軸電壓，其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“Lm”表示激磁電抗，“Lr”表示轉(zhuǎn)子電抗，“LIs”表示定子漏磁電抗，“LIr”表示轉(zhuǎn)子漏磁電抗，“ids”表示流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過(guò)電機(jī)的“q”軸的實(shí)際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中生成”d”軸電壓與”q”軸電壓的算法是通過(guò)使用中央處理器或高性能的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)施的。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在該速度控制器中補(bǔ)償依照負(fù)荷變化的速度變化的步驟中，速度控制器通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率補(bǔ)償速度變化。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在該通過(guò)使用速度控制器補(bǔ)償依照負(fù)荷變化的速度變化的步驟中，包括速度控制器的第一運(yùn)算器接收依照使用者輸入的速度命令值、獲取速度命令值和實(shí)際的電壓之間的誤差并且將該誤差提供給比例積分器的步驟；比例積分器執(zhí)行比例積分運(yùn)算以獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率并且將它提供給第二運(yùn)算器的步驟；和將轉(zhuǎn)差頻率和速度命令值相加得到同步速度的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中同步速度是通過(guò)利用了公式(1)、公式(2)得到的Wslip＝(Rr/Lr)*iqs/ids--------------------------(1)Wr＝We-Wslip------------------------------------(2)其中“Rr”表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)線圈電阻，“Lr”表示電機(jī)的電抗，“ids”表示流過(guò)電機(jī)的“d”軸的實(shí)際電流(磁通-電流)，“iqs”表示流過(guò)電機(jī)的“ q”軸的實(shí)際電流(轉(zhuǎn)矩電流)，“Wr”表示電機(jī)的速度，和“We”表示同步速度。
全文摘要
一種無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備,包括速度控制器,用于從使用者接收速度命令值并輸出同步速度;“d”和“q”軸電壓命令單元,用于接收同步速度并且輸出“d”軸電壓與“q”軸電壓;電壓轉(zhuǎn)換器,用于接收“q”軸電壓與“d”軸電壓,并且將這兩相電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓;和變流器,用于接收該三相電壓并且控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。由于即使不使用速度傳感器也能在整個(gè)速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)矢量控制,因此無(wú)傳感器矢量控制設(shè)備可以制造為產(chǎn)品。
文檔編號(hào)H02P21/00GK1339870SQ0113314
公開日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2001年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者羅承昊 申請(qǐng)人:Lg產(chǎn)電株式會(huì)社