CN101931361B - 一种感应电动机的矢量控制装置 - Google Patents

Abstract

一种感应电动机的矢量控制装置，本发明涉及一种感应电动机的无速度传感器矢量控制装置。它解决了传统感应电动机的矢量控制方法因转速自适应率不能保证算法的稳定性，在低速发电状态下系统存在不稳定且低速时转速观测误差较大的问题。本发明通过将励磁电流的实际值和观测值之间的励磁电流误差，q轴定子磁链观测值和可变增益（M）的乘积加入到所观测电流偏差和所观测的转子磁链的外积中，经由PI调节器观测得到电机速度。从而控制电机的转速。本发明大幅提高了系统的低速性能，并有效解决了再生发电状态下系统的不稳定问题。本发明用于控制感应电机的转速。

Description

一种感应电动机的矢量控制装置

技术领域

本发明涉及一种感应电动机的控制装置，具体涉及一种感应电动机的无速度传感器矢量控制装置。

背景技术

目前，比较常用的交流调速控制方法有V/F控制、矢量控制和直接转矩控制（DTC）等几种方式。矢量控制被认为是感应电机高性能控制场合应用最广泛的控制方法，其中基于转子磁场定向的矢量控制可以实现感应电机的解耦控制，采用这种方法可以使感应电机的动态性能与直流电机相媲美。在矢量控制系统中，为了实现磁通定向对电机进行解耦，通常需要速度传感器。然而，速度传感器的安装增加了整个系统的成本和复杂性，在高温、潮湿等恶劣条件下，速度传感器的安装又降低了系统的可靠性。

因此，研究无速度传感器矢量控制技术具有实际意义，它可以避免传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高系统的可靠性，并且降低产品成本。无速度传感器矢量控制的核心技术是如何来准确地获取电机的磁链和转速信息，尤其是如何提高低速场合磁链和转速的观测性能。20世纪70～80年代以来，很多学者和工程技术人员在这方面倾注了大量心血，取得了不少成就，提出了很多无速度传感器矢量控制算法，包括有：定子电流转矩分量误差补偿法、感应电动势计算法、模型参考自适应法（MRAS）、转子磁链角速度计算法、自适应状态观测器、扩展的卡尔曼滤波算法以及信号注入法等等。其中自适应状态观测器算法采用自适应算法对电机转速进行观测，对测量噪声具有一定的鲁棒性，因而受到广泛青睐。但是，传统的转速自适应率并不能保证算法的稳定性，在低速发电状态下系统存在不稳定问题，且低速时转速观测误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种感应电动机的矢量控制装置，以解决传统感应电动机的矢量控制方法因转速自适应率不能保证算法的稳定性，在低速发电状态下系统存在不稳定且低速时转速观测误差较大的问题。

它包括电流传感器105、变换器103、第一坐标变换单元102、第二坐标变换单元110、三相到二相坐标变换单元107、电压重构单元109、第一电流控制单元101、第二电流控制单元106、速度控制单元100、磁链控制单元122、全阶观测器单元108和转速自适应观测单元111，

感应电机104的定子电流A通过电流传感器105采样后，送到三相到二相坐标变换单元107进行α-β静止坐标轴系的坐标变换，第二坐标变换单元110根据全阶观测器单元108观测出的转子磁链观测值C的角度对变换到α-β轴系下的电流进行旋转坐标变换，使电机定子电流分解成转矩电流D和励磁电流E，第二电流控制单元106和第一电流控制单元101分别对励磁电流E和转矩电流D进行控制使之分别与其指令值相匹配，其中，转矩电流指令J为速度控制单元100根据转速指令H与转速自适应观测单元111观测出的电机转速观测值B的差值进行调节的输出值；励磁电流指令I为磁链控制单元122根据磁链指令G与全阶观测器单元108观测出的电机转子磁链观测值C的幅值的差值进行调节的输出值，第一坐标变换单元102把第一电流控制单元101和第二电流控制单元106的输出值转换到α-β静止坐标轴系，生成定子电压指令Y并将其输出给变换器103，变换器103根据定子电压指令Y对直流母线电压V_dc执行直流－交流变换并输出给感应电机104，电压重构单元109根据定子电压指令Y和检测到的直流母线电压V_dc重构出三相相电压F，全阶观测器单元108根据重构的三相相电压F以及三相到二相坐标变换单元107变换出的α-β静止坐标轴系下的电流N以及转速自适应观测单元111输出的电机转速观测值B对电机状态进行观测，观测出电机定子电流观测值L、定子磁链观测值Z和转子磁链观测值C，转速自适应观测单元111根据全阶观测器单元108输出的定子电流观测值L、定子磁链观测值Z和转子磁链观测值C以及三相到二相变换坐标单元107输出的电流N观测出电机转子速度观测值B；

所述转速自适应观测单元111包括外积单元300、第一加减运算单元320和PI调整单元308，第一加减运算单元320求取电流N与定子电流观测值L之差并输入到外积单元300，外积单元300对第一加减运算单元320输出的定子电流误差和转子磁链观测值C进行外积运算； 

转速自适应观测单元111还包括一号坐标变换单元301、二号坐标变换单元302、增益单元303、符号运算单元307、一号乘法单元304、二号乘法单元305、三号乘法单元306、常数值单元309、减法单元310、限幅单元311、第二加减运算单元321和加法运算单元322，一号坐标变换单元301基于转子磁链观测值C的角度信号进行坐标变换，将定子电流观测值L分解出励磁电流观测值P，由第二加减运算单元321对实际励磁电流E与励磁电流观测值P进行比较得到励磁电流观测偏差，二号乘法单元304将该偏差乘以定子磁链q轴分量观测值Q，而定子磁链q轴分量观测值Q由二号坐标变换单元302基于转子磁链观测值C的角度信号对定子磁链观测值Z进行坐标变换分解得到，符号运算单元307输出转矩电流D的符号值，增益单元303将同步角速度X乘以增益k，其中，同步角速度通过对转子磁链观测值C的角度信号进行微分运算得到；二号乘法单元305将增益单元303的输出与符号运算单元307的输出相乘，其结果输出到减法单元310，减法单元310则

将二号乘法单元305的输出减去常数值单元309中的数值，限幅单元311将减法单元310的输出进行限幅操作后输出，三号乘法单元306将一号乘法单元304的输出乘以限幅单元311的输出，加法运算单元322将三号乘法单元306的输出加入到外积单元300的输出中，加法运算单元322的结果输入到PI调整单元308中，获得电机转速的观测值B。

无速度传感器矢量控制器中应该包含对电机磁链观测误差的计算，但由于无法测得电机磁链的实际值，这一项往往在传统技术被忽略。在中高频段，这种近似处理对系统没有影响。但在低频段，观测出的电机转速信号存在较大误差，并且在低速再生发电状态下系统存在一段不稳定区域。本发明主要针对传统自适应状态观测器算法的这些问题提出了一种改进的转速观测自适应率，以进一步提高系统的低速性能以及低速发电状态下的稳定性。观测转速时不忽略电机磁链的实际值，因此观测误差小。可明显提高控制系统的低速性能以及低速发电状态下的稳定性。

附图说明

图1是采用自适应全阶观测器的无速度传感器矢量控制装置的结构示意图；图2是图1中转速自适应观测单元111的结构示意图；图3是电机由发电状态到电动状态互相切换时的电机定子电流波形与电机转速波形的对照波形图。其中，位于上方的是定子电流波形；位于下方的是电机转速波形，定子电流波形中电流为50A/格，电机转速波形中转速为100rpm/格，时间为1s/格。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本实施方式包括电流传感器105、变换器103、第一坐标变换单元102、第二坐标变换单元110、三相到二相坐标变换单元107、电压重构单元109、第一电流控制单元101、第二电流控制单元106、速度控制单元100、磁链控制单元122、全阶观测器单元108和转速自适应观测单元111，

感应电机104的定子电流A通过电流传感器105采样后，送到三相到二相坐标变换单元107进行α-β静止坐标轴系的坐标变换，第二坐标变换单元110根据全阶观测器单元108观测出的转子磁链观测值C的角度对变换到α-β轴系下的电流进行旋转坐标变换，使电机定子电流分解成转矩电流D和励磁电流E，第二电流控制单元106和第一电流控制单元101分别对励磁电流E和转矩电流D进行控制使之分别与其指令值相匹配，其中，转矩电流指令J为速度控制单元100根据转速指令H与转速自适应观测单元111观测出的电机转速观测值B的差值进行调节的输出值；励磁电流指令I为磁链控制单元122根据磁链指令G与全阶观测器单元108观测出的电机转子磁链观测值C的幅值的差值进行调节的输出值，第一坐标变换单元102把第一电流控制单元101和第二电流控制单元106的输出值转换到α-β静止坐标轴系，生成定子电压指令Y并将其输出给变换器103，所述变换器103可以是三相电压型逆变器等。变换器103根据定子电压指令Y对直流母线电压V_dc执行直流－交流变换并输出给感应电机104，电压重构单元109根据定子电压指令Y和检测到的直流母线电压V_dc重构出三相相电压F，全阶观测器单元108根据重构的三相相电压F以及三相到二相坐标变换单元107变换出的α-β静止坐标轴系下的电流N以及转速自适应观测单元111输出的电机转速观测值B对电机状态进行观测，观测出电机定子电流观测值L、定子磁链观测值Z和转子磁链观测值C，转速自适应观测单元111根据全阶观测器单元108输出的定子电流观测值L、定子磁链观测值Z和转子磁链观测值C以及三相到二相变换坐标单元107输出的电流N观测出电机转子速度观测值B；

所述转速自适应观测单元111包括外积单元300、第一加减运算单元320和PI调整单元308，第一加减运算单元320求取电流N与定子电流观测值L之差并输入到外积单元300，外积单元300对第一加减运算单元320输出的定子电流误差和转子磁链观测值C进行外积运算； 

转速自适应观测单元111还包括一号坐标变换单元301、二号坐标变换单元302、增益单元303、符号运算单元307、一号乘法单元304、二号乘法单元305、三号乘法单元306、常数值单元309、减法单元310、限幅单元311、第二加减运算单元321和加法运算单元322，

一号坐标变换单元301基于转子磁链观测值C的角度信号进行坐标变换，将定子电流观测值L（ ，

）分解出励磁电流观测值P（

），由第二加减运算单元321对实际励磁电流E与励磁电流观测值P进行比较得到励磁电流观测偏差（

），二号乘法单元304将该偏差乘以定子磁链q轴分量观测值Q（

），而定子磁链q轴分量观测值Q由二号坐标变换单元302基于转子磁链观测值C的角度信号对定子磁链观测值Z（

，）进行坐标变换分解得到，符号运算单元307输出转矩电流D的符号值，增益单元303将同步角速度X乘以增益k，其中，同步角速度通过对转子磁链观测值C的角度信号进行微分运算得到；二号乘法单元305将增益单元303的输出与符号运算单元307的输出相乘，其结果输出到减法单元310，减法单元310则将二号乘法单元305的输出减去常数值单元309中的数值，（这个值为

，可根据电机参数计算出）限幅单元311将该输出进行限幅操作后输出，三号乘法单元306将一号乘法单元304的输出乘以限幅单元311的输出，加法运算单元322将三号乘法单元306的输出加入到外积单元300的输出中，加法运算单元322的结果输入到PI调整单元308中，获得电机转速的观测值B（）。

下面给出转速自适应观测单元111的设计思想：

根据感应电机的数学模型，可推导出感应电机的状态方程，如式（1）所示。

                         （1）

其中，

，，

，

，

和

为定子电流和定子电压；

和为定子磁链和转子磁链；

下标

和

表示静止坐标系α-β中正交的2轴分量；

和

为定子、转子电阻；

，

和

分别表示定子自感，转子自感以及互感；

表示漏磁系数；

为转子角速度。

根据式（1）所示的电机状态方程，可构造出如下所示的全阶观测器，其中上标“^”表示观测量。

                  （2）

上式中，

为误差反馈矩阵（在本发明中，误差反馈矩阵设为0）；通过将矩阵A中的转子角速度

替换成其观测值

来获得矩阵

。根据全阶观测器，采用自适应方法对电机转速进行观测，其中自适应率可根据李亚普洛夫稳定性理论推导出。由式（1）和式（2）可知，定、转子磁链的观测误差为

                         （3）

其中，

，

，

，

定义李亚普洛夫函数V有

                           （4）

其中，

为正常数；

，

。

对式（4）进行微分有：

     （5）

进一步展开得：

   （6）

由李亚普洛夫稳定性理论可以得到如下的电机转速辨识方法：

           （7）

式（7）中包含有电机磁链观测误差，由于无法测得电机磁链的实际值。因此，一般的传统技术将等式（7）右边第二项忽略，推导出的速度观测自适应率为：

                    （8）

在中高频段，这种近似处理对系统没有影响。但在低频段，通过式（8）观测出的电机转速信号存在较大误差，并且在低速再生发电状态下系统存在一段不稳定区域。

本发明主要针对这一问题，提出了一种提高观测器低速性能及稳定性的方法。该方法通过对速度观测自适应率进行改进，使得系统的低速性能得到大幅提高。具体的本发明速度观测自适应率如下所示

            （9）

式（9）又可写成式（10）所示的形式。

             （10）

其中， 

    

          （11）

为正常数，

为的限幅值，

和的具体值可根据实际情况来选定，在本实施方式中

=0.1368，

=1.08；

为同步角速度，

，

为转子磁链观测值C的角度；

，为PI调节器的比例和积分系数；

，

；

速度观测自适应率也可采用如下方法：

            （12）

或：

            （13）

此时，

取值为：

    

         （14）

为正常数，其值可根据实际情况来选定，在本实施方式中

=0.01，

=0.079；

本实施方式中的第一坐标变换单元102采用的是反帕克变换，第二坐标变换单元110采用的是帕克变换，一号坐标变换单元301和二号坐标变换单元302采用的都是帕克变换，PI调整单元308即是公式9中的

项；外积单元300即是公式9中的

项；增益单元303中的增益倍数（或称增益系数）即是公式11中

项；符号运算单元307即是公式11中的

项；常数值单元309即是公式11中的项；限幅单元311的操作即使将

的数值限制在

与之间。

图3给出了电机由发电状态到电动状态互相切换时的电机定子电流与转速实验对照波形示意图，实验所用电机的参数如表1所示。电机负载为方向不变大小恒定的负载。首先，感应电动机工作在正转发电状态，通过转速反向后切换到电动状态。然后，又通过转速反向重新切换到发电状态。从电机的转速波形和定子电流波形可看出，电机切换得非常平滑，低速发电状态下的不稳定现象得到了消除。

 表1 

	15kW		0.3294Ω
					380V		0.5504Ω
	35A		39.613mH
					960rpm	,	41.145mH

Claims (2)

1.一种感应电动机的矢量控制装置，它包括电流传感器(105)、变换器(103)、第一坐标变换单元(102)、第二坐标变换单元(110)、三相到二相坐标变换单元(107)、电压重构单元(109)、第一电流控制单元(101)、第二电流控制单元(106)、速度控制单元(100)、磁链控制单元(122)、全阶观测器单元(108)和转速自适应观测单元(111)，

感应电机(104)的定子电流(A)通过电流传感器(105)采样后，送到三相到二相坐标变换单元(107)进行α-β静止坐标轴系的坐标变换，第二坐标变换单元(110)根据全阶观测器单元(108)观测出的转子磁链观测值(C)的角度对变换到α-β轴系下的电流进行旋转坐标变换，使电机定子电流分解成转矩电流(D)和励磁电流(E)，第二电流控制单元(106)和第一电流控制单元(101)分别对励磁电流(E)和转矩电流(D)进行控制使之分别与其指令值相匹配，其中，转矩电流指令(J)为速度控制单元(100)根据转速指令(H)与转速自适应观测单元(111)观测出的电机转速观测值(B)的差值进行调节的输出值；励磁电流指令(I)为磁链控制单元(122)根据磁链指令(G)与全阶观测器单元(108)观测出的电机转子磁链观测值(C)的幅值的差值进行调节的输出值，第一坐标变换单元(102)把第一电流控制单元(101)和第二电流控制单元(106)的输出值转换到α-β静止坐标轴系，生成定子电压指令(Y)并将其输出给变换器(103)，变换器(103)根据定子电压指令(Y)对直流母线电压(V_dc)执行直流-交流变换并输出给感应电机(104)，电压重构单元(109)根据定子电压指令(Y)和检测到的直流母线电压(V_dc)重构出三相相电压(F)，全阶观测器单元(108)根据重构的三相相电压(F)以及三相到二相坐标变换单元(107)变换出的α-β静止坐标轴系下的电流(N)以及转速自适应观测单元(111)输出的电机转速观测值(B)对电机状态进行观测，观测出电机定子电流观测值(L)、定子磁链观测值(Z)和转子磁链观测值(C)，转速自适应观测单元(111)根据全阶观测器单元(108)输出的定子电流观测值(L)、定子磁链观测值(Z)和转子磁链观测值(C)以及三相到二相变换坐标单元(107)输出的电流(N)观测出电机转子速度观测值(B)；

所述转速自适应观测单元(111)包括外积单元(300)、第一加减运算单元(320)和PI调整单元(308)，第一加减运算单元(320)求取电流(N)与定子电流观测值(L)之差并输入到外积单元(300)，外积单元(300)对第一加减运算单元(320)输出的定子电流误差和转子磁链观测值(C)进行外积运算；

其特征在于转速自适应观测单元(111)还包括一号坐标变换单元(301)、二号坐标变换单元(302)、增益单元(303)、符号运算单元(307)、一号乘法单元(304)、二号乘法单元(305)、三号乘法单元(306)、常数值单元(309)、减法单元(310)、限幅单元(311)、第二加减运算单元(321)和加法运算单元(322)，一号坐标变换单元(301)基于转子磁链观测值(C)的角度信号进行坐标变换，将定子电流观测值(L)分解出励磁电流观测值(P)，由第二加减运算单元(321)对实际励磁电流(E)与励磁电流观测值(P)进行比较得到励磁电流观测偏差，二号乘法单元(304)将该偏差乘以定子磁链q轴分量观测值(Q)，而定子磁链q轴分量观测值(Q)由二号坐标变换单元(302)基于转子磁链观测值(C)的角度信号对定子磁链观测值(Z)进行坐标变换分解得到，符号运算单元(307)输出转矩电流(D)的符号值，增益单元(303)将同步角速度(X)乘以增益(k)，其中，同步角速度通过对转子磁链观测值(C)的角度信号进行微分运算得到；二号乘法单元(305)将增益单元(303)的输出与符号运算单元(307)的输出相乘，其结果输出到减法单元(310)，减法单元(310)则将二号乘法单元(305)的输出减去常数值单元(309)中的数值，限幅单元(311)将减法单元(310)的输出进行限幅操作后输出，三号乘法单元(306)将一号乘法单元(304)的输出乘以限幅单元(311)的输出，加法运算单元(322)将三号乘法单元(306)的输出加入到外积单元(300)的输出中，加法运算单元(322)的结果输入到PI调整单元(308)中，获得电机转速的观测值(B)；感应电机的状态方程，如式(1)所示：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}x=\mathrm{Ax}+{\mathrm{Bu}}_s---\left(1\right)$

i_s＝Cx

其中，x＝[ψ_sα ψ_sβ ψ_rα ψ_rβ]^T，u_s＝[u_sα u_sβ]^T，i_s＝[i_sα i_sβ]^T

$A=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{{\mathrm{\δL}}_s}& 0& \frac{R_s{L}_m}{{\mathrm{\δL}}_s{L}_r}& 0\\ 0& -\frac{R_s}{{\mathrm{\δL}}_s}& 0& \frac{R_s{L}_m}{{\mathrm{\δL}}_s{L}_r}\\ \frac{R_r{L}_m}{{\mathrm{\δL}}_s{L}_r}& 0& -\frac{R_r}{{\mathrm{\δL}}_r}& -{\mathrm{\ω}}_r\\ 0& \frac{R_r{L}_m}{{\mathrm{\δL}}_s{L}_r}& {\mathrm{\ω}}_r& -\frac{R_r}{{\mathrm{\δL}}_r}\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right],$ $C=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{\mathrm{\δ}{L}_s}& 0& -\frac{L_m}{\mathrm{\δ}{L}_s{L}_r}& 0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{\δ}{L}_s}& 0& -\frac{L_m}{\mathrm{\δ}{L}_s{L}_r}\end{array}\right]$

i_s和u_s为定子电流和定子电压；

ψ_s和ψ_r为定子磁链和转子磁链；

下标α和β表示静止坐标系α-β中正交的2轴分量；

R_s和R_r为定子、转子电阻；

L_s，L_r和L_m分别表示定子自感，转子自感以及互感；

表示漏磁系数；

ω_r为转子角速度；

根据式(1)所示的电机状态方程，构造出如下所示的全阶观测器，其中上标“^”表示观测量：

全阶观测器单元(108)中的全阶观测器为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\hat{x}=\hat{A}\hat{x}+{\mathrm{Bu}}_s+K(i_s-{\hat{i}}_s)---\left(2\right)$

其中上标“^”表示观测量；上式中，K为误差反馈矩阵，值为0；通过将矩阵A中的转子角速度ω_r替换成其观测值

来获得矩阵

转速自适应观测单元(111)中的速度观测自适应率如下所示

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=(k_p+\frac{k_i}{s})[(e_{i_{\mathrm{s\α}}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\β}}-e_{i_{\mathrm{s\β}}}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{r\α}})+M\·(i_{\mathrm{sd}}-{\hat{i}}_{\mathrm{sd}}){\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{sq}}]---\left(9\right)$

其中，

$M=\left\{\begin{array}{cc}{M}_{\mathrm{Limit}}& (M\&GreaterEqual;M_{\mathrm{Limit}})\\ k\&CenterDot;\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{sq}}\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}_e-\frac{L_m}{\mathrm{\&delta;}{L}_s}& (-M_{\mathrm{Limit}}<M<M_{\mathrm{Limit}})\\ -M_{\mathrm{Limit}}& (M\&le;-M_{\mathrm{Limit}})\end{array}\right.---\left(11\right)$

k为正常数，M_Limit为M的限幅值，k＝0.1368，M_Limit＝1.08；

ω_e为同步角速度，θ_e为转子磁链观测值C的角度；

k_p，k_i为PI调节器的比例和积分系数；

$e_{i_{\mathrm{s\&alpha;}}}=i_{\mathrm{s\&alpha;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{s\&alpha;}},e_{i_{\mathrm{s\&beta;}}}=i_{\mathrm{s\&beta;}}-{\hat{i}}_{\mathrm{s\&beta;}}.$

2.根据权利要求1所述的一种感应电动机的矢量控制装置，其特征在于所述变换器(103)是三相电压型逆变器。

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