專利名稱：控制感應(yīng)電動機磁場方向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是用頻率變換器控制感應(yīng)電動機的磁場方向的方法，在本方法中，變換角由估算得到并根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通向量或感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速及/或延遲時間進行校正。
為控制感應(yīng)電動機的磁場方向，通常有必要盡可能精確地知道轉(zhuǎn)子磁通向量的值和位置。但是，在普通的鼠籠式電動機中，通常不可能測量到轉(zhuǎn)子電流。因此，轉(zhuǎn)子磁通用觀測器估算得到。在這種情況下，估算值包括用測量值及假設(shè)的值得到的計算值。
我們已經(jīng)知道有不同類型的觀測器W.Leonhard的“電氣驅(qū)動的控制”(Heidelberg，1990，P214，ff.)，和D.S.Wijesurdera及R.D.Jackson的“控制感應(yīng)電動機驅(qū)動的磁場方向的觀測器”(IEEProceedings.B，Vol.139，1992，P381，ff.)中都描述了轉(zhuǎn)子磁通觀測器的結(jié)構(gòu)，但是它們的體積比較大而且復(fù)雜。
“觀測器”就是一種估算設(shè)備，它也稱為估算器，它是用模型的輸出數(shù)據(jù)和反饋回路來校正誤差并提高估算值的精度。這種估算器稱為“閉環(huán)觀測器”，即估算器有一閉環(huán)控制電路。此外，還有沒有反饋回路的“開環(huán)觀測器”，它通常實現(xiàn)控制的實時估算，在很短的時間反應(yīng)出結(jié)果。而且，由于沒有反饋回路，其穩(wěn)定性較好。但是，卻限制了校正。
采用這些類型的觀測器，可以用電流方程和電壓方程來控制電動機的磁場方向。低階模型可適于此目的。如果希望測定感應(yīng)電動機的電流方程和電壓方程，就需要高級的觀測器，其相應(yīng)地較為復(fù)雜并且也需要有較強的計算能力。
在基于電壓方程的觀測器中，測量的是定子的電壓。如果不希望或不能測量定子電壓，那么，可以用較簡單的基于電流方程的直接反饋觀測器來代替。但是，由于變換角的估算值不精確，這些觀測器的效率較低，。
從另一方面說，帶有這些估算設(shè)備的相對簡單的觀測器具有結(jié)構(gòu)簡單和計算時間短的優(yōu)點。
本發(fā)明是基于如何提高這些估算設(shè)備的控制性能的問題。
在介紹中提到的方法中，問題的解決是以第二次校正來補償頻率變換器的相移。
實際中，是由于頻率變換器的相移引起了變換角的不精確。其中，相移是由頻率變換器的非線性引起的。非線性和頻率變換器中可能還有的其他有影響的變量對幅度的改變很慢，以至于幅度的變化沒有明顯效果。因此，相移對變換角的不精確的影響被忽視了。通過校正變換角以補償頻率變換器的相移，使感應(yīng)電動機的控制性能得到了改善。
在進行二次校正時最好是通過加上誤差角來改變變換角。誤差角可正可負。由于整個觀測器可以由軟件或硬件實現(xiàn)，實現(xiàn)誤差角相加的相加點的形式對完成校正測量來說相對簡單。
變換角和誤差角最好在二相系統(tǒng)中確定，并且變換角最好在其逆變換到三相或多相系統(tǒng)之前直接由誤差角校正。變換為二相系統(tǒng)本身是已知的。相互相移90°的二相系統(tǒng)可由二軸坐標系很簡單地表示，這樣就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子磁場模型，這對感應(yīng)電動機來說是必需的。在這樣的二相或二軸系統(tǒng)中，大多數(shù)計算可以做得很簡單，但是，實際中，大多數(shù)感應(yīng)電動機所工作的轉(zhuǎn)子磁場是基于三相或多相系統(tǒng)的。因此，必須將三相或多相系統(tǒng)變成較少相的系統(tǒng)來實現(xiàn)計算，而且必須有逆變換即再變換為三相或多相系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。如果誤差校正恰好在逆變換之前完成，那么進一步的變換角處理產(chǎn)生誤差的可能性就越小。
一次和二次校正最好同時進行。這樣，例如，兩個加法可以同時完成或校正可以在同一相加點實現(xiàn)。
最好在轉(zhuǎn)子磁通方向控制系統(tǒng)中完成校正。這樣就簡化了觀測器的估算。
轉(zhuǎn)子磁電流最好用做二相系統(tǒng)中的參考向量。這樣在任何情況下，就得到一個觀測器中確定的輸出變化。
誤差角最好是計算得到的。計算過程很快，這樣反應(yīng)時間很短。不需反饋回路。這種方式下，控制的穩(wěn)定性得到了改善。
在特殊的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，提供了二相系統(tǒng)的兩個互為正交的電流參數(shù)，參考向量的角速度和電壓參考向量，用來計算誤差角。在這種參數(shù)較少的條件下，誤差角的計算相對簡單。計算的難度降低了。
在這樣的連接中，特別建議將電壓參考向量作為參考電壓參數(shù)，其方向為二軸坐標系的主軸方向。因此，誤差角的計算可限制于對單軸的參數(shù)的計算。這樣，就得到一個一維特性的計算，只用一個標量的計算相對簡單、快速些。
誤差角是通過減小電壓參考向量和估算的電壓參數(shù)之間的差來進行疊代計算的。雖然需要連續(xù)的計算過程來疊代結(jié)果，但是這些計算過程可以由簡單的操作實現(xiàn)。在大多數(shù)情況下，用疊代的方法得到的誤差角的精確度要比直接計算的方法高，因為疊代中的舍入誤差被平衡掉了。
誤差角最好限制在±0.4弧度內(nèi)。通過這一限制，計算的難度很小。然而，由于誤差角的存在，電動機的控制特性得到了有效的改善。
下面將參照優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明。附圖中

圖1是感應(yīng)電動機控制系統(tǒng)總框圖；圖2是定義不同角的坐標系；圖3是說明如何確定誤差角的電壓向量的坐標系；圖4所示為控制系統(tǒng)的相位差在有誤差校正和沒有誤差校正情況下的反應(yīng)；圖5所示為在有誤差校正和沒有誤差校正情況下，電動機逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)；圖6所示為在有誤差校正和沒有誤差校正情況下，增加轉(zhuǎn)子阻抗的反應(yīng)。
圖1所示為電路原理框圖，說明了根據(jù)本發(fā)明的控制方法。
通用的三相頻率變換器1驅(qū)動一個感應(yīng)電動機2。例如，感應(yīng)電動機2是有鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的異步電機。當頻率變換器1加上直流時，它也就成為了一個簡單的倒相器。
在頻率變換器1和電動機2之間連接了一個電流測量設(shè)備3，它測量相位電流。信號isA，isB，isC相應(yīng)地加到變換器4上，將電流由三相系統(tǒng)變換為二相系統(tǒng)。就只考慮電流來說，二相系統(tǒng)可以由電流isq，isd表示。這兩個電流方向互為正交，位于變換器4的輸出端。正如眾所周知的，這兩個電流還可以用二軸d-q坐標系來描述。
電流isq和isd加到實現(xiàn)磁場角修正的補償單元19，它在后面將進行敘述。
電流isq還加到相加點12，并且電流isd加到相加點13上，參考電流iqref和idref也加到此處。利用電流iqref和idref來控制或預(yù)置感應(yīng)電動機2的特性。
電流iqref和isq之差和電流idref和isd之差加到控制器14，15上，在本實施方案中，控制器為PI控制器。它們的輸出為定子電壓向量的幅值Usq，Usd。
控制器14，15的輸出相應(yīng)地加到相加點16，17，分別與電壓Usqff和Usdff相加。電壓Usqff和Usdff為用于補償非線性的正反饋值。相加點16，17的輸出為電壓Usqref和Usdref，它們加到變換器18；由于有變換角δ′，就產(chǎn)生了控制電壓UsAref，UsBref，UsCref給頻率變換器1。
位于感應(yīng)電動機2的軸上的位置測量儀傳送一個角位置信號θmech，該信號在變換器5中轉(zhuǎn)換成一個電氣角θr。在這種情況下，變換器5要計入電動機2中磁極對的數(shù)量。最簡單的情況是以磁極對的數(shù)量乘以機械角θmech。
電氣角θr的信號加到相加點8和速度估算器6上。速度估算器根據(jù)電氣角或更確切地說，根據(jù)其隨時間的變化來確定轉(zhuǎn)子的角速度ωr。
角速度ωr加到相加點7。參數(shù)ωs表示的是轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)磁場的空轉(zhuǎn)，它也加到相加點7。空轉(zhuǎn)ωs通過磁通估算器9確定，電流參數(shù)isq，isd加到磁通估算器上。在相加點7的輸出端得到磁電流向量imR的角速度ωmR。磁電流向量imR的角速度ωmR還加到補償單元19。
估算器6，9也稱為估算設(shè)備或計算設(shè)備。它們由預(yù)定的輸入變量確定出輸出變量。
空轉(zhuǎn)ωs還加到積分器10上，積分器將空轉(zhuǎn)與角α相加或與角α積分，角α在相加點8與轉(zhuǎn)子的瞬間電氣角位置θr相加。其結(jié)果就是變換角δ。
一方面，變換角δ加到變換器4上，這將三相系統(tǒng)isA，isB，isC轉(zhuǎn)換為二相系統(tǒng)isq，isd。另一方面，變換角δ加到相加點11上，在這里加上角速度ωmR和時間Tdel的積。按已知的方式，這一積補償了控制系統(tǒng)本身的延時。
所有的功能可以通過幾個步驟在計算機程序中實現(xiàn)。當然，也可以用硬件的方法實現(xiàn)。
作為特殊性能，不只是補償控制系統(tǒng)的延時的變量ωmRTdel加到相加點11上，由補償單元19計算得到的誤差角ε也加到相加點11上。為此，補償單元19實施磁場角度修正(FAA)。通過這種方式，變換角δ由誤差角ε校正。由此得到最佳變換角δ′，它加到變換器18上，產(chǎn)生改善的控制電壓UsAref，UsBref，UsCref。
由圖1可見，只需四個變量加到補償單元來計算誤差角。這些變量是電流isq，isd，電壓Usdref和角速度ωmR。
這些變量在圖2中進行了更進一步的說明。圖2所示為二軸坐標系中二相系統(tǒng)的電流。這里，水平的軸是定子的軸，轉(zhuǎn)子的軸用虛線表示，它與定子的軸形成了角θr。隨角速度ωmR運動的磁電流向量imR的方向用箭頭表示，也是用虛線畫出的。該向量為二軸磁場方向坐標系中所有向量形成了參考點。向量imR與向量isd同相，即定子電流is的d分量。向量isd與定子軸形成變換角δ。這個角被稱為磁通角。
參見圖3，下面將說明誤差角是如何確定的。
在二軸轉(zhuǎn)子磁通方向坐標系中，向量Uso是兩個參考電壓Usqref和Usdref的向量和。如上述所講的，Usqref和Usdref是圖1中相加點16，17的輸出信號。
ωmrTdel校正控制系統(tǒng)本身的延時，ε用來校正頻率變換器1的非線性。其非線性與電流密度有關(guān)，它們產(chǎn)生了可忽略的幅度差，但是產(chǎn)生了很大的相位差。如圖3所見，相位差與角ε有關(guān)。誤差角ε與電壓向量Uso和估算或計算的電壓向量U’so之間的相位差有關(guān)。在本連接中，為了簡化起見，假設(shè)Uso和U’so的幅度相同，這與真實情況很接近。
估算的電壓向量U’so有一個d軸分量Usdpred。電壓向量Uso有d軸分量Usdref。通過計算Usdpred和Usdref之差可得到誤差角ε的表達式。利用該誤差角，可將相位在從轉(zhuǎn)子磁通方向坐標系到物理系統(tǒng)的變換處理過程中(變換器18)除去。為了獲得校正的變換角δ’，通過將誤差角ε的負值與原變換角δ相加來除去誤差角ε。
當只考慮d軸分量時，在補償單元19中還有誤差角ε。這樣，可以將信號限制在坐標系的主軸方向。由于這是一個一維系統(tǒng)，大大簡化了計算。
在補償單元19中，通過以下關(guān)系式計算Usdpref的值。
Usdpred＝Rsisd-ωmRL’sisg(1)其中isd，isq和ωmR是補償設(shè)備19的輸入?yún)?shù)。在本連接中，假設(shè)電動機參數(shù)Rs(定子阻抗)和L’s(定子自感)已知。例如，這可通過頻率變換器1在啟動之前測出電動機參數(shù)來實現(xiàn)。
誤差角ε包含在Usdpred和Usdref的差之中，如圖3中可得出。
ed＝Usdref-Usdpref＝Usocos(u+ε)-U’socos(u)(2)其中u是估算電壓向量U’so與d-軸分量Usdpref之間的夾角。
在式(2)中，除ε外所有參數(shù)為已知。通過表達式u+ε可消去角ε。
設(shè)u+ε＝γ，形成表達式ed＝Usocos(γ-ε*)-Usocos(u)(3)按上式，表達式ed等于或約等于零時，誤差角ε才不再變化。這樣ε*＝ε，可得到希望的誤差角。
在此方法中，誤差角ε和未校正的變換角δ在相加點11(圖1)中相加，并可選擇與補償量ωmRTdel相加。在本實施方案中，誤差角ε被限制在±0.4弧度范圍內(nèi)。
當然，還有其他確定誤差角ε的方法，例如負梯度方法(MIT算法)，方程系統(tǒng)的直接解或其他迭代方法。
圖4到圖6所示為用變換角δ(磁通角)校正的方法實現(xiàn)的控制的改善。
在圖4到圖6中，a)所示為沒有誤差角校正的情況，b)為誤差角校正的結(jié)果。水平軸為時間軸。在圖a)b)上方的圖中，豎直方向為弧度，在下方的圖中，垂直方向為電壓的絕對值。a)b)上方的圖中，希望值αsoll和估算值α(圖1中積分器10的輸出)之差用實線表示，如所示，誤差角ε的值用虛線表示。a)b)下方的圖中，電壓Usdpred用實線畫出，電壓Usdref用虛線畫出。
圖4所示為定子相位角由0～-0.2弧度范圍內(nèi)的變化。圖4a所示，未校正的系統(tǒng)的誤差相對較大，因為Usdref(虛線)連續(xù)維持在一個錯值上。αsoll-α的值位于零線上。根據(jù)圖4b，Usdref很快的跟蹤到Usdpred(實線)。兩個值在幾十毫秒后又重合了。圖4b還說明了誤差角ε正確調(diào)整到0.2弧度并維持該值。該誤差角校正的方法可以很快補償相位誤差。
圖5中，電動機由-1000rev/min到1000rev/min范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化。這種情況下，很顯然，在圖5a的未補償曲線Usdref有一尖峰，在圖5b這一尖峰減小了，雖然在圖5b中，由于誤差角ε的過度補償，Usdref在變換的起點處仍有一個尖峰，但是在稍后，估算電壓值曲線和參考電壓值曲線重合在了一起。
最后，圖6所示是將轉(zhuǎn)子阻抗增加50％的效果，例如，這可以是由于升溫的原因。
圖6a所示為Usdref設(shè)為一較大的恒定的誤差，同時圖6b所示為該誤差迅速的減小。
這里所描述的磁通向量估算的方法有幾點優(yōu)點。除了其結(jié)構(gòu)相對簡單外，該方法快速并且防止了最初由外部帶來的變化，例如，由于升溫引起的轉(zhuǎn)子阻抗的增加。另外，還可以實現(xiàn)變換角的完全校正，來得到最佳值。這通常由高級的估算器實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種通過頻率變換器(1)控制感應(yīng)電動機的磁場方向的方法，該方法中變換角(δ)由估算值確定并根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通向量(imR)或感應(yīng)電動機(2)的轉(zhuǎn)子速度(ωmR)和/或延時時間(Tdel)進行校正，其特征在于變換角(δ)校正兩次來補償頻率變換器(1)的相移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于變換角(δ)通過在二次校正中與誤差角(ε)相加后而改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于在二相系統(tǒng)中得到變換角(δ)和誤差角(ε)，在逆變換為三相或多相系統(tǒng)之前，變換角(δ)直接由誤差角(ε)校正。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的方法，其特征在于一次和二次校正同時進行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的方法，其特征在于校正是在轉(zhuǎn)子磁通方向系統(tǒng)中實現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在二相系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁電流用作參考向量(imR)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于誤差角(ε)是計算出來的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于二相系統(tǒng)的兩個方向互相垂直的電流分量(isq，isd)，參考向量(imR)的角速度(ωmR)和電壓參考向量(Usdref)都用來計算誤差角(ε)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于電壓參考向量(Usdref)是兩軸坐標系中參考電壓在主軸(Usd)方向的分量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于誤差角ε是通過減小電壓參考量分量(Usdref)和估算的電壓分量(Usdpref)之差而迭代計算出來的。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至10中任一權(quán)利要求的方法，其特征在于誤差角(ε)限制在±0.4弧度范圍內(nèi)。
全文摘要
本文公開了用頻率變換器控制感應(yīng)電動機(2)的磁場方向的方法,在本方法中,變換角(δ)由估算得到并根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通向量(i
文檔編號H02P21/14GK1203705SQ96198834
公開日1998年12月30日 申請日期1996年12月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者H·拉斯慕森 申請人:丹福斯有限公司