CN1481604B - 感应电机的速度推定值校正方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应电机的速度推定值校正方法及其装置，在感应电机的无传感器向量控制中使用的控制装置的磁通推定器(7)，由所输入的α相、β相各电压指令V_α ^*、V_β ^*与α相、β相各电流i_Sα、i_Sβ，计算速度推定值ω_rest和相位推定值θ_lest并输出。速度校正器(8)输入这些信息，取得相位推定值的微分值与经其他途径所输入的转差角速度的差值作为偏差ω′_rest。再通过将该偏差减去转差频率ω_s的值的一次延迟积分值乘以校正增益的值作为校正部分，校正速度推定值ω_rest，由此而得到正确的速度推定值ω″_rest。

Description

感应电机的速度推定值校正方法及其装置

技术领域

本发明涉及感应电机的向量控制方法及其装置，具体涉及使用由磁通推定器对电机速度或其他信息进行推定的方法的无传感器向量控制方法及其装置。

背景技术

为了实现向量控制方法，必须有电机速度和位置的信息，但是无传感器向量控制方法作为得到这些信息的方法，并不使用传感器，而是取而代之利用磁通推定器推定各种信息。

现有的感应电机磁通推定器是在k·T_s秒(k为表示控制步骤顺序的整数，T_s为控制步骤的周期)的时间点，检测出供应给感应电机的电流中的至少2相分量的定子侧电流(例如U相电流i_su(k)；V相电流i_sv(k))及定子侧电压(例如U相电压V_su(k)，V相电压V_sv(k))，通过3相-2相变换，将上述电流、电压座标变换为一般向量控制所使用的静止座标系的α-β轴座标系，分别算出k·T_s秒时的α相电流i_sα(k)、β相电流i_sβ(k)、α相电压V_α(k)、β相电压V_β(k)。

现有例1中，从电学论D，Vol.III.No.11，β.954-960(1991)中所公开的感应电机的状态方程式所导出的磁通推定器的式(1)及速度推定式(2)、相位推定式(3)分别如下所示。还有，在推定值中附加下标「est」表示该值为推定值。

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\αest}}\\ i_{\mathrm{s\βest}}\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\αest}}\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\βest}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{ar}11& 0& \mathrm{ar}12& -\mathrm{ai}12\\ 0& \mathrm{ar}11& \mathrm{ai}12& \mathrm{ar}12\\ \mathrm{ar}21& 0& \mathrm{ar}22& -\mathrm{ai}22\\ 0& \mathrm{ar}21& \mathrm{ai}22& \mathrm{ar}22\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\αest}}\\ i_{\mathrm{s\βest}}\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\αest}}\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\βest}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}1/\mathrm{\σ}\·L_s& 0\\ 0& 1/\mathrm{\σ}\·L_s\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{ccc}{g}_1& -& g_2\\ g_2& & g_1\\ g_3& -& g_4\\ g_4& & g_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}-i_{\mathrm{s\αest}}\\ i_{\mathrm{s\β}}-i_{\mathrm{s\βest}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，

$\mathrm{ar}11=-\frac{R_s}{\mathrm{\σ}\·L_s}-\frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\τ}}_r},$ $\mathrm{ar}12=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r},$ $\mathrm{ai}12=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\·{\mathrm{\ω}}_r$ 或

$\mathrm{ar}21=\frac{L_m}{{\mathrm{\τ}}_r},$ $\mathrm{ar}22=-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r},$ ai22＝ω_rω_rest

$\mathrm{\σ}=1-\frac{{L_m}^2}{L_s\·L_r},$ ${\mathrm{\τ}}_r=\frac{L_r}{R_r},$ $\mathrm{\ρ}=-\frac{\mathrm{\σ}\·L_s\·L_r}{L_m}$

R_s：定子电阻，R_r：转子电阻，L_m：转子与定子的互感，L_s：定子自感，L_r：转子自感

ω_r：速度，ω_rest：速度推定值

g₁，g₂，g₃，g₄：观测器的反馈增益

i_sα：定子α相电流，i_sβ：定子β相电流，V_α：定子α相电压，V_β：定子β相电压

i_sαest：定子α相电流推定值，i_sβest：定子β相电流推定值

φ_rαest：转子α相励磁磁通推定值，φ_rβest：转子β相励磁磁通推定值

ω_rest＝kω_p[φ_rβest(i_sα-i_sαest)-φ_rαest(i_sβ-i_sβest)]+kω_i ∫[φ_rβest(i_sα-i_sαest)-φ_rαest(i_sβ-i_sβest)]dt    (2)

θ_lest＝tan^-1(φ_rβest/φ_rαest)           (3)

下面，示出将这些式子按次展开的式子。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\αest}}(k+1)\\ i_{\mathrm{s\βest}}(k+1)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\αest}}(k+1)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\βest}}(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1+\mathrm{ar}11\·T_s& 0& \mathrm{ar}12\·T_s& -\mathrm{ai}12\·T_s\\ 0& 1+\mathrm{ar}11\·T_s& \mathrm{ai}12\·T_s& \mathrm{ar}12\·T_s\\ \mathrm{ar}21\·T_s& 0& 1+\mathrm{ar}22& -\mathrm{ai}22\·T_s\\ 0& \mathrm{ar}21\·T_s& \mathrm{ai}22\·T_s& 1+\mathrm{ar}22\·T_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\αest}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{s\βest}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\αest}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\βest}}\left(k\right)\end{array}\right]$

$+\left[\begin{array}{cc}1/\mathrm{\σ}\·L_s\·T_s& 0\\ 0& 1/\mathrm{\σ}\·L_s\·T_s\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)]\\ V_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{g}_1\·T_s& -& g_2\·T_s\\ g_2\·T_s& & g_1\·T_s\\ g_3\·T_s& -& g_4\·T_s\\ g_4\·T_s& & g_3\·T_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\left(k\right)-i_{\mathrm{s\αest}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{s\β}}\left(k\right)-i_{\mathrm{s\βest}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

$+k_{\mathrm{\ωi}}\·T_s\underset{t=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\left[{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\βest}}\left(i\right)\right\{i_{\mathrm{s\α}}\left(i\right)-i_{\mathrm{s\αest}}\left(i\right)\}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{r\αest}}\left(i\right)\{i_{\mathrm{s\β}}\left(i\right)-i_{\mathrm{s\βest}}\left(i\right)\left\}\right]---\left(5\right)$

θ_lest＝tan^-1(φ_rβest(k)/φ_rαest(k))            (6)

使用根据上式动作的感应电机控制电路用的观测器，利用控制步骤k的推定值等，算出控制步骤(k+1)的推定值。亦即，使用以控制步骤k的控制回路所推定的k·T_s秒时的α相电流推定值i_sαest(k)与α相电流i_sα(k)的推定误差

i_sα(k)-i_sαest(k)

β相电流推定值i_sβest(k)与β相电流i_sβ(k)的推定误差

i_sβ(k)-i_sβest(k)，

算出(k+1)·T_s秒时的推定值i_sαest(k+1)、i_sβest(k+1)、φ_rαest(k+1)、φ_rβest(k+1)。

如上所述，现有例1必须具有用来使用定子侧电压V_α、V_β的电压传感器。

其次，现有例2为特开平7-123798号公报中所示的感应电机的速度无传感器向量控制方式，其目的在于防止由在推定感应电机的实际速度值的过程中的「延迟」所引起的对向量控制的阻碍，该感应电机的无传感器向量控制方式是利用由相同维磁通观测器和速度适应机构构成的速度适应2次磁通观测器，推定感应电机的实际速度值，根据该实际速度推定值与速度指令值的比较误差信号，控制电流控制部而进行向量控制，对该相同维磁通观测器所得到的电机2次磁通推定值进行积分，得到电机的转差频率校正值，校正控制该电流控制部的转差频率指令值。

但是，在现有技术的感应电机磁通推定器中，强烈希望去除上述现有例1中所看到的电压传感器，以降低成本。因此，作为实现成本降低的1个方法是如现有例2所示，使用α相电压指令值V_α ^*(k)、β相电压指令值V_β ^*(k)，取代α相电压实测值V_α(k)、β相电压实测值V _β(k)。可是此情形下的电压指令值与实际值之间有误差，存在转子交链磁通推定值φ_rαest、φ_rβest及速度推定值ω_rest产生误差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决上述现有例的缺点、可进行精确度高的速度推定，且不具备速度传感器的所谓无速度传感器感应电机的速度推定值校正方法及其装置。为了达到该目的，本发明利用现有的磁通推定器所得到的相位推定值θ_lest与转差角速度ω_s，使用下式：

${{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}-{\mathrm{\ω}}_s---\left(7\right)$

求出速度推定值ω′_rest。相位推定值θ_lest与相位的实际值θ₁之间，即使有稳定的推定误差，因为一旦微分即可消去稳定的误差，如式(7)所示，从对相位推定值θ_lest进行微分所得的一次角速度中减去转差角速度ω_s所得的值ω′_rest，将成为电机的正确的速度推定值。由此使用其进一步进行以下的校正。

${{\mathrm{\ω}}^{\′\′}}_{\mathrm{rest}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-\frac{k_p}{1+s\·T_s}\·[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}}]---\left(8\right)$

k_p：校正增益，T_s：一次延迟时间常数，s：拉普拉斯算子上式的ω″_rest与实际的速度ω_r(k)一致。

具体而言，为了校正因输入电压的误差或整数运算的运算误差所引起的速度推定值ω_rest的偏差，先求得速度ω′_rest与速度推定值ω_rest的差，其中，速度ω′_rest是根据由磁通推定器所推定的转子交链磁通推定值φ_{ro est}、φ_rβest以式(6)的运算所求得的相位推定值θ_lest的微分值与由转差频率运算所算出的转差角速度ω_s的差求出的，接着，为了抑制过渡期的变化，以一次延迟积分器对该差进行积分，由与速度推定值ω_rest的差，求出式(8)的速度推定值ω″_rest。

总而言之，本发明提供一种感应电机的速度推定值校正方法，是使用磁通推定器的感应电机的速度无传感器向量控制方法，该方法检测出供应给感应电机的电流中的至少2相分量的定子侧电流，将变换成静止座标系的α-β轴座标系的α相电流和β相电流以及变换成α-β轴座标系的电压指令值输入磁通推定器，推定电流推定值、2次交链磁通推定值、速度推定值、相位推定值，该感应电机的速度推定值校正方法的特征为：将速度推定值相对于由相位推定值的微分值减去转差角速度所得的值的偏差乘以规定的校正系数所得的校正量，加入速度推定值，得到校正后的速度推定值。

本发明还提供一种感应电机的速度推定值校正装置，是使用磁通推定器的感应电机的速度无传感器向量控制装置，该装置检测出供应给感应电机的电流中至少2相分量的定子侧电流，将变换成静止座标系的α-β轴座标系的α相电流与β相电流及变换成α-β轴座标系的电压指令值，输入磁通推定器，推定电流推定值、2次交链磁通推定值、速度推定值、相位推定值，该感应电机的速度推定值校正装置的特征为：还具有计算转差角速度的转差频率运算器和速度校正器，该速度校正器输入从上述磁通推定器输出的速度推定值、相位推定值以及从转差频率运算器输出的转差角速度，将速度推定值相对于由相位推定值的微分值减去转差角速度所得的差的偏差乘以规定的校正系数所得的校正量，加入速度推定值，得到校正后的速度推定值。

如上所述，本发明通过使用规定的运算式对现有无传感器向量控制中使用的磁通推定器所计算输出的感应电机的速度推定值进行校正，即使速度推定值产生误差仍然总是得到正确的速度推定值，因此能够提高感应电机的速度精确度、转矩精确度。

附图说明

图1是示出应用本发明的感应电机的速度推定值校正方法的一实施方式的感应电机控制***例的功能结构的框图。

具体实施方式

下面，参考附图，说明本发明的实施方式。

图1是示出应用本发明的感应电机的速度推定值校正方法的一实施方式的感应电机控制***例的结构的框图。

针对图1的控制***框图，说明结构与动作。还有，在本说明书中，将电机定子上的座标系设为α-β轴静止座标系，将以与一次磁场的角速度相同的角速度旋转的座标系设为d-q轴旋转座标。

从外部与后述的速度校正器8，分别将速度指令ω_r ^*与速度推定值ω″_rest输入速度控制器1，速度控制器1利用下式：

${i_q}^{*}=k_1\·({{\mathrm{\ω}}_r}^{*}-{{\mathrm{\ω}}^{\′\′}}_{\mathrm{rest}})+\frac{k_1}{T_1}\∫({{\mathrm{\ω}}_r}^{*}-{{\mathrm{\ω}}^{\′\′}}_{\mathrm{rest}})\mathrm{dt}$

k₁：比例增益，T₁：积分时间

算出旋转座标系的q相电流指令i_q ^*并输出。q相电流控制器2输入该i_q ^*和从相位变换器10输出的q相电流值i_q，利用下式：

${V_q}^{*}=k_2\·({i_q}^{*}-i_q)+\frac{k_2}{T_2}\∫({i_q}^{*}-i_q)\mathrm{dt}$

k₂：比例增益，T₂：积分时间

算出q相电压指令V_q ^*并输出。另一方面，将从外部传来的旋转座标系的d相电流指令i_d ^*与从相位变换器10传来的d相电流值i_d，分别输入d相电流控制器3，利用下式：

${v_d}^{*}=k_3\·({i_d}^{*}-i_d)+\frac{k_3}{T_3}\∫({i_d}^{*}-i_d)\mathrm{dt}$

k₃比例增益，T₃积分时间

输出d相电压指令V_d ^*并输出。将电压指令V_q ^*与V_d ^*输入向量控制电路4，向量控制电路4将这些电压指令V_q ^*与V_d ^*，利用下式：

$\left(\begin{array}{c}{V_{\mathrm{\α}}}^{*}\\ {V_{\mathrm{\β}}}^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}& -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V_d}^{*}\\ {V_q}^{*}\end{array}\right)$

根据由从磁通推定器7所输入的相位θ_lest，分别换算成静止座标系的α相电压指令V_α ^*、β相电压指令V_β ^*并输出。逆变器电路5根据这些电压指令V_α ^*、V_β ^*驱动感应电机9。相变换器6输入感应电机的U相电流i_su与V相电流i_sv，利用下式：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{su}}\\ i_{\mathrm{sv}}\end{array}\right)$

变换成静止座标系的α相电流i_Sα与β相电流i_sβ。磁通推定器7输入的α相电流i_Sα、β相电流i_Sβ和电压指令V_α ^*、V_β ^*，输出α相、β相电流推定值i_Sαesst、i_Sβest(未图示)、转子交链磁通推定值φ_rαest、φ_rβest(未图示)、以及速度推定值ω_rest、相位推定值θ_lest。亦即、磁通推定器7中内置上述的式(1)至式(3)，利用这些算式，进行这些信息的运算。相位变换器10使用相位推定值θ_lest，利用下式：

$\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}& \sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}& \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{s\α}}\\ i_{\mathrm{s\β}}\end{array}\right)$

对α、β相电流i_sα、i_sβ进行变换，分别输出d、q相电流值i_d、i_q。

作为现有的无传感器向量控制，上述各部分的结构和动作已经公知。因此，在本实施方式中，使用还装设的速度校正器8与转差频率运算器11，对从磁通推定器7所输出的速度推定值ω_rest进行校正，将正确的速度推定值ω″_rest供应给速度控制器1。

亦即，转差频率运算器11输入d相电流指令i_d ^*和q相电流指令i_q ^*，利用下式：

${\mathrm{\ω}}_s=k_4\·\frac{i_q}{i_d}$

k₄：换算系数

计算转差角速度ω_s并输出。速度校正器8分别从磁通推定器7输入速度推定值ω_rest及相位推定值θ_lest，从转差频率运算器11输入转差角速度ω_s，使用内置的上述式(7)及式(8)，对所输入的速度推定值ω_rest的进行校正，计算更正确的速度推定值ω″_rest。

本实施方式按照此方式，通过即使在速度推定值ω_rest中产生误差的情形下也进行校正，可以使电机更正确地保持电机的速度精确度、转矩精确度。

Claims (4)

1.一种感应电机的速度推定值校正方法，是使用磁通推定器的感应电机的速度无传感器向量控制方法，该方法检测出供应给感应电机的电流中的至少2相分量的定子侧电流，将变换成静止座标系的α-β轴座标系的α相电流和β相电流以及变换成α-β轴座标系的电压指令值输入磁通推定器，推定电流推定值、2次交链磁通推定值、速度推定值、相位推定值，该感应电机的速度推定值校正方法的特征为：

将速度推定值相对于由相位推定值的微分值减去转差角速度所得的值的偏差乘以规定的校正系数所得的校正量，加入速度推定值，得到校正后的速度推定值。

2.如权利要求1的感应电机的速度推定值校正方法，其特征在于，所述偏差以下式表示：

${{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}-{\mathrm{\ω}}_s$

其中，ω′_rest：偏差

      θ_lest：相位推定值

      ω_s：转差角速度，

所述校正后的速度推定值以下式表示：

${{\mathrm{\ω}}^{\′\′}}_{\mathrm{rest}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-\frac{k_p}{1+s\·T_s}\·({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}})$

其中，k_p：校正增益、T_s：一次延迟时间常数

      ω_rest：速度推定值、s：拉普拉斯算子

      ω″_rest：校正后的速度推定值。

3.一种感应电机的速度推定值校正装置，是使用磁通推定器的感应电机的速度无传感器向量控制装置，该装置检测出供应给感应电机的电流中至少2相分量的定子侧电流，将变换成静止座标系的α-β轴座标系的α相电流与β相电流及变换成α-β轴座标系的电压指令值，输入磁通推定器，推定电流推定值、2次交链磁通推定值、速度推定值、相位推定值，

该感应电机的速度推定值校正装置的特征为：

还具有计算转差角速度的转差频率运算器和速度校正器，该速度校正器输入从上述磁通推定器输出的速度推定值、相位推定值以及从转差频率运算器输出的转差角速度，将速度推定值相对于由相位推定值的微分值减去转差角速度所得的差的偏差乘以规定的校正系数所得的校正量，加入速度推定值，得到校正后的速度推定值。

4.如权利要求3的感应电机的速度推定值校正装置，其特征在于，上述速度校正器利用下式算出所述偏差：

${{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{lest}}-{\mathrm{\ω}}_s$

其中，ω′_rest：偏差

      θ_lest：相位推定值

      ω_s：转差角速度，

利用下式算出所述校正后的速度推定值：

${{\mathrm{\ω}}^{\′\′}}_{\mathrm{rest}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-\frac{k_p}{1+s\·T_s}\·({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rest}}-{{\mathrm{\ω}}^{\′}}_{\mathrm{rest}})$

其中，k_p：校正增益、T_s：一次延迟时间常数

      ω_rest：速度推定值、s：拉普拉斯算子

      ω″_rest：校正后的速度推定值。

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