CN103647491A - 定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法，在磁通观测器中增加了角度补偿环节：补偿后定子磁链在α、β轴的分量为

解决了数字实现时定子磁通相位不能准确获得的问题，保证了定子磁场定向的准确性，大大提高了定子磁场定向矢量控制的精度和其动态、稳态性能。

Description

定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法

技术领域

本发明属于电机传动技术领域，涉及一种定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法。

背景技术

异步电机定子磁场定向矢量控制技术由于其对电机参数的敏感性比较小而得到越来越多的应用。该矢量控制技术通过旋转坐标变换将定子电流分解为励磁电流和转矩电流，进而实现磁通和转矩的解耦控制。磁通观测器是该控制技术的核心，定子磁通角度的准确性直接决定了电机的动态和稳态性能。现有基于电压模型的磁通观测器如图1所示。在定子磁场定向矢量控制的数字实现中，坐标旋转所用的角度都是上一个中断周期计算所得角度，由于定子磁场以同步转速旋转，因此上一周期的角度和当前的角度会存在一个误差△θ，进而导致定子磁场定向的不准确，如图2所示。

随着转速的升高，△θ将不断增大，导致定子电压在d轴的分量增大，q轴的分量减小，在相同的磁通幅值下q轴的电流也会减小很多，甚至不能跟踪指令，严重影响了电机转矩的输出，因此需要对角度误差△θ进行补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法，以实现定子磁通角度的准确观测，提高定子磁场定向矢量控制的动态和稳态性能。

为实现上述目的，本发明的定子磁场定向矢量控制装置包括磁通观测模块，所述磁通观测模块包括角度补偿单元，补偿后定子磁链在α、β轴的分量为 $\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.;$

式中△θ为角度误差量，

分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

本发明的定子磁场定向矢量控制装置的角度补偿方法，包括有磁通观测步骤，所述磁通观测步骤中增加角度补偿环节：补偿后定子磁链在α、β轴的分量为 $\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.;$ 式中△θ为角度误差量，

分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

所述角度误差通过变频器的开关频率和电机实际运行的转速计算得到

其中n为电机转速，n_p为电机极对数，f_s为变频器的开关频率。

本发明的定子磁场定向矢量控制装置及其角度补偿方法，对磁通观测的角度进行补偿，解决了数字实现时定子磁通相位不能准确获得的问题，保证了定子磁场定向的准确性，大大提高了定子磁场定向矢量控制的精度和其动态、稳态性能。

附图说明

图1是现有磁通观测器控制框图；

图2是定子磁场定向控制矢量图；

图3是本发明磁通观测器实施例的控制框图。

具体实施方式

本发明定子磁场定向矢量控制装置及角度补偿方法是对现有定子磁场定向矢量控制的磁通观测器进行的改进，在磁通观测器增加角度补偿单元，磁通观测步骤中增加角度补偿环节，将αβ坐标系下的定子磁链通过角度补偿单元进行补偿，得到当前时刻定子磁链在αβ坐标系下的分量。

定子磁链的幅值在前后两个中断周期可以认为保持不变，根据图2可以得到补偿前，定子磁链在αβ坐标系下的分量为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}={\mathrm{\ψ}}_s\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}={\mathrm{\ψ}}_s\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

实际定子磁链在αβ坐标系下的分量为

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\mathrm{\ψ}}_s\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\\ {{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\mathrm{\ψ}}_s\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中ψ_s为定子磁链幅值，θ为前一中断周期定子磁链的相位，ψ_sα为前一中断周期定子磁链在α轴的分量，ψ_sβ为前一中断周期定子磁链在β轴的分量，△θ为角度误差，ψ_sα'为当前时刻定子磁链在α轴的分量，ψ_sβ'为当前时刻定子磁链在β轴的分量。

根据式（1）和（2）可以得出，在磁通观测器中，定子磁链在αβ坐标系补偿前的观测值与补偿后的观测值满足式（3）。

$\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中△θ为角度误差量，

分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

定子磁通观测器以现有的基于电压模型的定子磁通观测器为基础，具体实施过程中包括四个方面，第一，补偿前定子磁链在α、β轴分量的计算；第二，定子磁通补偿角度量的计算；第三，根据补偿前定子磁链在α、β轴分量和定子磁通补偿角度量计算补偿后定子磁链在α、β轴分量的计算；第四，根据补偿后定子磁链在α、β轴分量计算定子磁通的幅值和相位。改进后的定子磁通观测器如图3所示。

1）补偿前定子磁链在α、β轴分量的计算

补偿前定子磁链在α、β轴分量的计算如下式所示，根据磁通观测的电压模型如式（4）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中u_sα，u_sβ——α-β轴定子电压；i_sα，i_sβ——α-β轴定子电流；R_s——定子电阻。

由于纯积分存在初始相位和积分饱和的问题，定子磁通观测的具体实现往往采用带前馈补偿的低通滤波器来代替纯积分，如图1所示。

2）定子磁通补偿角度量的计算

定子磁通补偿角度误差是由于当前时刻所用角度为前一个中断周期计算所得定子磁通角度所引起的，因此角度误差量由两个中断周期的时间差与定子磁场的旋转速度所决定。两个中断周期的时间差

定子磁场的旋转速度为

因此磁通补偿角度量为

$\mathrm{\Δ\θ}={\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{\π}\×n\×n_p}{30f_s}\mathrm{rad}---\left(5\right)$

其中f_s为中断频率，n为电机转速，n_p为电机极对数。

3）补偿后定子磁链在α、β轴分量的计算

补偿后定子磁链在α、β轴分量的计算公式如式（3）所示，

$\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中△θ为角度误差量，分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

4）定子磁通的幅值和相位

根据式（3）可得定子磁链的幅值和相位为

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_s=\sqrt{{\left({{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}\right)}^2+{\left({{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}\right)}^2}\\ \widehat{\mathrm{\θ}}a\tan \left(\frac{{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}}{{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}}\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中

为观测得到的定子磁链幅值，

为观测的定子磁链相位。

此项专利受国家高技术研究发展技术（863计划）课题资助，课题编号：2012AA050206。

Claims (3)

1.定子磁场定向矢量控制装置，包括磁通观测模块，其特征在于：所述磁通观测模块包括角度补偿单元，补偿后定子磁链在α、β轴的分量为 $\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.;$

式中△θ为角度误差量，

分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

2.定子磁场定向矢量控制装置的角度补偿方法，包括有磁通观测步骤，其特征在于，所述磁通观测步骤中增加角度补偿环节：补偿后定子磁链在α、β轴的分量为 $\left\{\begin{array}{c}{{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ {{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}}^{\′}={\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)+{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right.;$ 式中△θ为角度误差量，

分别表示补偿后的定子磁链在α、β轴的分量和补偿前的定子磁链在α、β轴的分量。

3.根据权利要求2所述的定子磁场定向矢量控制装置的角度补偿方法，其特征在于，所述角度误差通过变频器的开关频率和电机实际运行的转速计算得到

其中n为电机转速，n_p为电机极对数，f_s为变频器的开关频率。

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