CN101087120B - 用于控制电机高速运行的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种控制电机高速运行的装置及其方法，这种装置和方法通过评估同步电机转子位置和转子转速来控制电机的高速运行，无需PI(比例加积分)调节器，从而消除了用户的不便并确保对同步电机的转子位置和转子转速的控制。其中该装置包括：坐标系统变换器，接收三角坐标电压和电流，并将它们转换为静态坐标电压和电流；磁通观测器，接收转换所得的静态坐标电压和电流，并观测和输出定子磁通；位置评估器，接收转换所得的静态坐标电压和电流以及观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置；以及转速评估器，接收评估的转子位置，并评估和输出该转子转速。

Description

用于控制电机高速运行的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制电机高速运行的装置及其方法，更特别地，涉及一种通过评估同步电机转子位置和转子转速来控制电机高速运行而不使用PI(比例加积分)调节器的装置及其方法，这种装置和方法消除了调节PI调节器的增益带给用户的不便，并且又确保了对同步电机的转子转速和转子位置的控制。

背景技术

通常，应该评估转子位置和转子转速以对永磁同步电机(PMSM)进行无传感器矢量控制(sensor-less vector control)。电机的位置对于坐标变换是必要的，而电机的转速对于转速控制是必要的。

为了评估转子转速和转子位置，根据现有技术的转子位置和转子转速评估器是由以下元件构成的：坐标系统变换器110，将静态坐标系统的电压和电流转换为同步坐标系统的电压和电流；EEMF(Extended ElectromotiveForce，扩展电动势)评估器120，从坐标转换后的电压和电流中接收输入并计算位置误差；PI调节器131，使用由上述评估器计算的位置误差来评估转子转速；以及积分器132，通过对评估的转子转速进行积分来评估转子位置。

在现有技术中，在使用静态坐标电流(i_αβ)和电压(υ_αβ)评估了提供转子实际位置(θ_r)与评估位置

之间的误差信息

的EEMF后，使用PLL(锁相环)评估对于矢量控制来说必要的转子位置(θ_r)和转子转速(ω_r)，从而使评估的EEMF(扩展电动势，

)会聚于0。

图1示出用于控制包括现有PI调节器的无传感器PMSM的高速运行的装置，PLL是由PI调节器和积分器组成的，并且PI调节器的输出为所评估的转子转速积分器的输出是所评估的转子位置

在使用PLL的现有技术中，所评估的转子位置和转子转速的性能主要依赖于PI调节器的增益，这是因为转子位置和转子转速是由PI调节器131来评估的。换句话说，如果PI调节器的带宽太小，那么在高速运行时，所评估的转子位置可能偏离实际位置。

图2为曲线图，示出现有技术具有凸极(saliency)的PMSM的磁模型(magnetic model)。如果位置和转速是通过具有凸极的PMSM中的电机参数的常数来评估的，发生的电机参数的误差则偏离规则的工作点，并最终导致位置和转速的评估出现错误。为了解决这个问题，必须实现用于高准确度的转速控制的磁模型。为了根据现有技术对此加以实施，就必须将图2中示出的所有特定点都存储在存储器中，并且应该对工作点的电流值插值。

但是，该方法需要大量的数据和插值计算，因此其应用受到存储器和处理能力限制。

因此，在现有技术中，必须进行调节PI增益的附加工作，并且由于应该通过许多测试来进行调节而存在困难。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，最终完成了本发明。因此，本发明的一个目的在于提供一种控制电机高速运行而不使用PI调节器、且因此而无需通过重复的测试来调节调节参数的装置及其方法。

本发明的另一目的在于提供一种在电机从低速到高速的整个运行范围内具有均匀的转子位置和转子转速评估性能、而不使用PI调节器、不考虑PI调节器的增益调节的电机。

为了实现上述和其他优点，并根据本发明的目的，如在本说明书中具体说明和概括说明的，本发明提供一种用于控制高速运行的装置，该装置包括：坐标系统变换器，接收三角坐标电压和三角坐标电流，并将它们转换为静态坐标电压和电流；磁通观测器，接收转换所得的静态坐标电压和静态坐标电流，并观测和输出定子磁通；位置评估器，接收转换所得的静态坐标电流以及观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置；以及转速评估器，接收评估的转子位置，并评估和输出转子转速。

为了实现上述和其他优点，并根据本发明的目的，如在在本说明书中具体说明和公开说明的，本发明提供一种用于控制电机高速运行的方法，该方法包括：接收三角坐标电流和三角坐标电压，并将它们转换为静态坐标电流和静态坐标电压的过程；接收转换所得的静态坐标电流和电压，并观测和输出定子磁通的过程；接收检测到的定子电流和观测到的该定子磁通，并评估和输出转子位置的过程；以及接收评估的该转子位置，并评估和输出转子转速的过程。

附图说明

附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其包括在说明书中以提供对本发明的进一步理解，并且并入说明书并组成说明书的一部分。

在附图中：

图1为根据现有技术，使用PI控制器控制无传感器PMSM高速运行的装置的电路图；

图2为根据现有技术，在使用PI控制器控制无传感器PMSM高速运行时，跟踪位置和转速的结果曲线图；

图3为方框图，示出根据本发明的一种控制无传感器PMSM高速运行而不使用PI控制器的装置；

图4为逻辑图，示出根据本发明的一种控制无传感器PMSM高速运行的方法；

图5为在控制根据本发明的无传感器PMSM高速运行时，跟踪位置和转速的结果曲线图。

具体实施方式

以下详细参考本发明的优选实施例，其实例与附图一起进行说明。

以下将参考图3-图5详细说明一种控制电机的装置及方法的优选实施例，这种装置及方法不使用PI调节器，因此不需要通过反复测试获得要调节的控制器参数，并贯穿电机从低速到高速运行的整个运行范围，提供均匀的电机转子位置和转子转速评估，而不考虑PI调节器的增益调节。

如图3所示，根据本发明的实施例，用于控制电机高速运行的装置包括：坐标系统(reference frame)变换器310，接收三角坐标电压和三角坐标电流，并将它们转换为静态坐标定子电压和静态坐标定子电流；磁通观测器(fluxobserver)320，接收转换所得的静态坐标电流和静态坐标电压，并观测和输出定子磁通；位置评估器(position estimator)330，接收检测到的转子电流和观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置；以及转速评估器340，接收所评估的转子位置并评估和输出转子转速。

磁通观测器320使用状态方程式观测定子磁通，其中该状态方程式是由观测到的定子磁通的微分值、测得的定子电压、负相位电阻值与上述检测到的定子电流的乘积、以及负截止频率与观测到的磁通的乘积组成的。

换句话说，通过下面示出的公式(1)对磁通观测器320的实施例进行具体说明。

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}\widehat{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}}\\ \widehat{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-R_s\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-g\left[\begin{array}{c}\widehat{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}}\\ \widehat{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

位置评估器330包括：第一矩阵计算器331，其计算D轴指令电流与D轴电感减去L轴电感所得差值的乘积、定子磁通、以及负定子磁通所组成的4行4列矩阵；第二矩阵计算器332，其计算上述评估的定子磁通、和负L轴电感与检测到的定子电流的乘积所组成的2行2列矩阵；以及转子位置计算器333，其通过将计算出的第一矩阵与第二矩阵的乘积获得的中间矩阵除以中间矩阵值，来计算转子位置的正弦和余弦值。

换句话说，通过下面示出的公式(2)对位置评估器330的实施例进行具体说明。

$\left[\begin{array}{c}\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\\ \sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\end{array}\right]=\frac{1}{{\left\{(L_d-L_q)i_{\mathrm{dref}}\right\}}^2+{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}}^2}\left[\begin{array}{cc}(L_d-L_q)i_{\mathrm{dref}}& -{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}& (L_d-L_q)i_{\mathrm{dref}}\end{array}\right](\left[\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\α}}\\ {\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-L_q\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right])---\left(2\right)$

转速计算器340包括：第一位置计算器341，其计算评估的转子位置的当前步骤正弦值与前一步骤余弦值的乘积；第二位置计算器342，其计算评估的转子位置的当前步骤余弦值与前一步骤正弦值的乘积；以及转子转速计算器343，其从第一位置值中减去第二位置值，并将相减的结果除以采样周期以计算转子转速。

换句话说，转速计算器340的实施例通过以下示出的公式(3)进行具体说明。

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\left(n\right)\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r(n-1)-\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\left(n\right)\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r(n-1)}{T_s}---\left(3\right)$

其中， $\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r(n-1)=\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\left(n\right),\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r(n-1)=\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_r\left(n\right)$

如图4所示，根据本发明实施例的控制同步电机高速运行的方法包括：过程410，接收三角坐标电流和三角坐标电压，并将它们转换为静态坐标电流和静态坐标电压；过程420，接收转换所得的静态坐标电流和静态坐标电压，并观测和输出定子磁通；过程430，接收检测到的定子电流和观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置；以及过程440，接收评估的转子位置并评估和输出转子转速。

观测磁通的过程420包括使用状态方程观测定子磁通的步骤，其中该状态方程是由观测到的定子磁通的微分值、测得的定子电压、负相位电阻值和上述检测到的定子的电流的乘积、以及负截止频率和观测到的磁通的乘积组成的。

评估位置的过程430包括：计算D轴指令电流与D轴电感减去L轴电感所得差值的乘积、定子磁通、以及负定子磁通所组成的第一4行4列矩阵的步骤；计算由上述评估的定子磁通、和负L轴电感与检测到的定子电流的乘积所组成的第二2行2列矩阵的步骤；以及通过将计算出的第一和第二矩阵的乘积获得的中间矩阵除以中间矩阵值，来计算转子位置的正弦和余弦值的步骤。

评估转速440的过程包括：通过将定子当前位置的正弦值与前一位置的余弦值相乘来计算第一位置的步骤；通过将定子当前位置的余弦值与前一位置的余弦值相乘来计算第二位置的步骤；以及通过从计算出的第一位置值中减去计算出的第二位置值，并将相减的结果除以采样周期来计算转子转速的步骤。

通过根据本发明的实施例、使用与现有技术所需的信息相同的信息(例如电机的电流、电压和参数)来控制同步电机高速运行的方法，本发明直接从同步电机的静态坐标系统模型中计算出位置，从而避免了使用PI调节器。

所提出的本发明能够不使用PI调节器，而使用已经输入的电机参数、D轴指令电流、静态坐标系统的磁通、以及所测得的电流来实时计算转子位置。

由于电机参数、D轴指令电流、以及静态坐标系统的磁通都是已知的，因此通过应用常用的磁通观测器即可以容易地评估定子磁通和同步坐标系统的磁通。

在评估定子磁通的过程期间，截止频率g为消除DC偏差的控制参数，并且通过分析频率能够容易地对其进行定义，这是因为截止频率g是高通滤波器的截止频率。由于电流和电压信息能够测得，因此静态坐标系统中的磁通可以从这些信息中计算得到。

总之，通过计算并应用同步坐标系统磁通值，无需附加的PI调节器，就能够评估转子位置，并且能够容易地由转子位置评估转子转速。

如图5所示，根据本发明实施例的用于控制电机高速运行的方法为通过对磁模型线性逼近得到的跟踪位置结果。图5示出即使Q轴电感由于其饱和值低于D轴电感而被忽略，仅通过工作点和3个元素即可实时计算出电机参数。

这也说明了与基于图2示出的使用PI调节器的现有技术的跟踪结果之间几乎无区别。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但本发明并不受限于此实施例，可在所附权利要求书所界定的范围内对本发明进行多种不同形式的修改。

Claims (7)

1.一种用于控制高速运行的装置，包括：

坐标系统变换器，接收三角坐标电压和三角坐标电流，并将它们转换为静态坐标电压和静态坐标电流；

磁通观测器，接收转换所得的静态坐标电压和静态坐标电流，并观测和输出定子磁通；

位置评估器，接收转换所得的静态坐标电流以及观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置；以及

转速评估器，接收评估的转子位置，并评估和输出转子转速，

其中该磁通观测器使用状态方程观测该定子磁通，该状态方程是由测得的定子电压、相位电阻值与检测到的定子电流值的乘积、以及输出磁通的DC偏置参数与测得磁通的乘积组成的。

2.如权利要求1所述的装置，其中该输出磁通的DC偏置参数为高通滤波器的截止频率。

3.如权利要求1所述的装置，其中该位置评估器包括：

第一矩阵计算器，计算4行4列矩阵，该4行4列矩阵由D轴电感减去L轴电感所得差值与D轴指令电流的乘积、以及该定子磁通组成；

第二矩阵计算器，计算2行2列矩阵，该2行2列矩阵由该定子磁通、以及该L轴电感与该检测到的定子电流的乘积所组成；以及

转子位置计算器，通过将计算出的第一矩阵与第二矩阵的乘积获得的中间矩阵除以中间矩阵值，来计算该转子位置的正弦和余弦值。

4.如权利要求1所述的装置，其中该转速评估器包括：

第一位置计算器，计算评估的转子位置的当前步骤正弦值和前一步骤余弦值的乘积；

第二位置计算器，计算评估的转子位置的当前步骤余弦值和前一步骤正弦值的乘积；以及

转子转速计算器，从第一位置值中减去第二位置值，并将相减的结果除以采样周期以计算该转子转速。

5.一种用于控制电机高速运行的方法，包括：

接收三角坐标电流和三角坐标电压，并将它们转换为静态坐标电流和静态坐标电压的过程；

接收转换所得的静态坐标电流和静态坐标电压，并观测和输出定子磁通的过程；

接收检测到的定子电流和观测到的定子磁通，并评估和输出转子位置的过程；以及

接收评估的转子位置，并评估和输出转子转速的过程，

其中观测磁通的过程包括使用状态方程观测该定子磁通的步骤，该状态方程是由测得的定子电压、负相位电阻值与检测到的定子电流值的乘积、以及截止频率与观测到的磁通的乘积组成的。

6.如权利要求5所述的方法，其中评估位置的过程包括：

计算4行4列矩阵的步骤，该4行4列矩阵由D轴电感减去L轴电感所得差值与D轴指令电流的乘积、以及该定子磁通组成；

计算2行2列矩阵的步骤，该2行2列矩阵由该定子磁通、以及该L轴电感与该检测到的定子电流的乘积所组成；

通过将计算出的第一矩阵与第二矩阵的乘积获得的中间矩阵除以中间矩阵值，来计算该转子位置的正弦和余弦值的步骤。

7.如权利要求5所述的方法，其中评估转速的过程包括：

通过将定子当前位置的正弦值与前一位置的余弦值相乘来计算第一位置的步骤；

通过将定子当前位置的余弦值与前一位置的正弦值相乘来计算第二位置的步骤；以及

通过从计算出的第一位置值中减去计算出的第二位置值，并将相减的结果除以采样周期来计算转子转速的步骤。

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