CN105429543A - 一种交流电机矢量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流电机矢量控制系统，包括信号调整模块和磁通角与磁通转速估计模块，其中，信号调整模块用于根据检测到的电机电流和电压估算出反电势EMF，并计算反电势EMF在静止坐标系的矢量；磁通角与磁通转速估计模块利用反电势EMF在静止坐标系的矢量通过park变换得到转子的旋转磁通角度，引入得到反电势EMF在dq坐标系下的复频域的表达式，，从而得出磁通转速。本发明的交流电机矢量控制系统可靠性高且成本低。

Description

一种交流电机矢量控制系统

技术领域

本发明属于变频器领域，特别涉及一种交流电机磁链自定向无PG（旋转编码器）矢量控制系统。

背景技术

变频器是将固定频率的交流电变换成频率连续可调的交流电的装置，在工业的各个行业广泛应用。其控制对象为交流电机，即交流异步电动机和交流同步电动机。常见的控制方式有：VF控制、无PG矢量控制、带PG矢量控制。其中无PG矢量控制较VF控制其低频特性和动态性能要更加优异，但较带PG的矢量控制又省去了编码器，在保证运行性能的基础上，降低了成本，减少了故障点。

目前通用的无PG矢量控制的控制策略是通过检测电机电流，通过磁链观测和速度估算得到反电势（EMF）和转子的速度，从而实现像带PG矢量控制一样，有了速度闭环的矢量控制。该控制方案虽然达不到带PG矢量控制的控制精度和动态性能，但相对于没有速度闭环的电流矢量控制（VF控制）已经大大提高了电机的控制性能，特别是低速带载能力大大提高，电机的力矩特性也较VF控制硬得多。

上述控制策略在大多数异步电机的应用场合体现出很好的控制性能，该策略中只检测电机的电流，电机的反电势是根据电机参数估算的，电机参数的准确性对整个控制的系统的性能和鲁棒性的影响是很大的，而往往电机的参数会随着电机的老化和温升的提高发生较大的变化，那么该策略的控制性能就会大打折扣，当电机参数偏离较多时就会出现启动时反转，甚至是飞车的现象，这在很多场合是不允许的，也是灾难性的，导致客户在使用时都尽量避免工作在无PG矢量控制方式下，而更愿意选择控制特性更为稳定的VF控制。当然也有一个研究方案是实现电机参数的实时在线辨识（如常用的卡尔曼滤波器在线辨识参数等），但在线参数辨识需要的数字信号处理器的资源较多，而电机控制性能对实时性要求很高，就需要处理器的性能很高，就增加了控制器的成本，往往也是不可取的。

上述控制策略对同步机控制性能就很勉强，一方面对d轴和q轴阻抗不相同的同步机的控制基本是失效的，另一方面该策略控制同步机运行时空载电流过大，即存在磁场角度偏差，不但增加电机温升，而且会使电机有褪磁的可能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可靠性高且成本低的交流电机矢量控制系统。

一种交流电机矢量控制系统，其包括信号调整模块和磁通角与磁通转速估计模块，其中，信号调整模块用于根据检测到的电机电流和电压估算出反电势EMF，并计算反电势EMF在静止坐标系的矢量；磁通角与磁通转速估计模块，利用反电势EMF在静止坐标系的矢量通过park变换得到转子的旋转磁通角度，引入得到反电势EMF在dq坐标系下的复频域的表达式，，从而得出磁通转速。

其中，所述信号调整模块包括：

零偏校正单元，用于去除检测到的电机电流和电压中的直流偏置；

反电势估算单元：通过公式估算反电势EMF；和

相角和幅值校正单元：去除反电势EMF相角和幅值的误差，得到反电势EMF在静止坐标系的矢量。

其中，所述磁通角与磁通转速估计模块包括

Park变换单元，用于将反电势EMF在静止坐标系的矢量变换到dq坐标系；和

逆磁通积分器，用于通过的逆变换得到逆磁通估算值。

其中，所述的交流电机矢量控制系统进一步包括与所述磁通角与磁通转速估计模块的旋转速度估算器（shaftspeedestimator）。

其中，所述的交流电机矢量控制系统进一步包括与所述磁通角与磁通转速估计模块相连接的力矩估算器（shafttorqueestimator），其用于计算磁链和相应的力矩。

其中，所述逆磁通积分器根据如下公式得到逆磁通估算值：

。

其中，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括direct模块，其用以产生转子反电势EMF的方向。

其中，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括异步电机转子模型（IMRotormodel），用于实现异步电机的弱磁控制。

其中，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括低通滤波器（LPF），用于对估算的磁链角度滤除高频噪声。

与现有技术相比较，本发明的交流电机矢量控制系统可以实现精确的无速度传感器矢量控制（无需机械传感器），适用于几乎所有的交流电机，而且无需事先知道各种电机参数；本发明的交流电机矢量控制系统通过测量电机的电流和电压，来精确估算实际的转子磁通角，磁通幅值，电机的转速和加速度；本发明的交流电机矢量控制系统适用于所有类型的交流电机（交流同步机和异步机），实现完整的磁场定向控制。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的交流电机矢量控制系统的示意图。

图2是图1中交流电机矢量控制系统的矢量示意图。

图3是本发明的第二实施方式的交流电机矢量控制系统的示意图。

图4是图3中交流电机矢量控制系统的矢量示意图。

图5是本发明的第三实施方式的交流电机矢量控制系统的示意图。

图6是本发明的第四实施方式的交流电机矢量控制系统的示意图。

具体实施方式

本发明的交流电机矢量控制系统采用检测电机电流和电压来估算磁通位置和幅值，首先通过采样电机电流和电压，通过检测输出电压就可以得到准确的反电势（EMF），有了准确的反电势EMF，就可以根据电机方程得到准确的速度，通过速度计算磁链的角度，速度到角度是积分得到的，就不会出现角度突变引起电机控制失步甚至飞车的现象。采用本发明，可以在很宽的速度范围内，特别是在零速时仍能得到很准确的反电势估算值，从而实现很好的动态性能和鲁棒特性。

如图1所示，本发明第一实施方式的交流电机矢量控制系统包括信号调整模块（signalconditioning）和磁通角与磁通转速估计模块(（FluxAngleandFluxRotationalSpeedEstimator）)，其中，信号调整模块用于根据检测到的电机电流和电压估算出反电势EMF，并计算反电势EMF在静止坐标系的矢量；磁通角与磁通转速估计模块，利用反电势EMF在静止坐标系的矢量通过park变换得到转子的旋转磁通角度，引入得到在dq坐标系下的复频域的表达式，，从而得出磁通转速。

所述信号调整模块包括：

零偏校正单元，用于去除检测到的电机电流和电压中的直流偏置；

反电势估算单元：通过公式估算反电势EMF；和

相角和幅值校正单元：去除反电势EMF相角和幅值的误差，得到反电势EMF在静止坐标系的矢量。

下面就图1所示的交流电机矢量控制系统的原理进行说明。

在自定向无传感器控制算法中，通过电压/电流传感器来估计磁通矢量的瞬时角位置和大小通过电机的转子反电势矢量产生一个估算的交流电机的磁通矢量。信号调整模块根据端电压vs，和定子电流估算出反电势EMF。磁通角与磁通转速估计模块利用反电势EMF在静止坐标系的矢量通过park变换得到转子的旋转磁通角度。引入可以反电势EMF得到dq坐标系下的复频域的表达式，。

如图2所述，将前面的公式可以在坐标系中将各矢量的关系以及如何得到表示出来。例如，当控制角度和电机角度存在偏差，假设磁通逆时针旋转即控制量落后于电机的旋转速度。在矢量图中反电势矢量和产生中间矢量这个矢量和合成控制矢量，从矢量图中可以看到瞬态矢量的q轴分量就等于控制矢量的q轴分量，对于转子磁通定向的同步机和异步机的驱动系统来说这个量有等于，因此，估算的转子速度和磁通的关系可以写作，在图2中通过一个除法器得到的。参照图2可以得到电机磁链和控制磁链之间的关系。这个例子中假设电机的速度瞬间小于控制同步速度，这就意味着反电势EMF的模，小于的q轴分量，控制着控制磁链的旋转速度。因此控制磁链的转速会加速直到两个磁链被锁定。由此可知，转子磁链的矢量等于，这就说明控制磁通矢量和估算磁通矢量相等。

由图2的矢量图可以将反电势EMF和控制矢量的关系写作：

=

dq分解得到：

由上式进一步可以得：

根据上面的公式图1的交流电机矢量控制系统可以变换至图3的交流电机矢量控制系统，图2可变化至图4，图2和图4的区别在于控制矢量的d轴分量是由来表示的，这两个矢量图详细地表示了交流电机启动阶段的转子磁通的重构原理。当电机正转时，控制量随着和的增加作用减弱。而且，通过跌代计算发现在时由计算得到的的符号就会异常，即此时方向判断不准确，这里需要通过图4中的除法器来实现。

对图4的交流电机矢量控制系统进行进一步改进，得出图5所述的交流电机矢量控制系统，在这个系统中一个明显的变化是增加了Direct模块，其与相角和幅值校正单元相连接，根据反电势EMF在静止坐标系的矢量，产生转子反电势EMF的方向，通过这个来避免迭代计算和起动过程中的方向异常，而且使得零速的控制性能得到极大的提升。另外，采用了逆磁通积分器（inversefluxintegrator），通过的逆变换得到逆磁通估算值。这就意味着在计算旋转角速度的过程中不再需要做除法。转子磁通的旋转角速度可以写作，公式中使用了逆磁通积分器产生的和来计算旋转角速度，不受的符号和的影响，其稳定性和鲁棒性大大提高。逆磁通积分器根据下列公式来计算出逆磁通估算值：

。

如图6所示，对图5所述的交流电机矢量控制系统的锁相环节作进一步优化，重新定义控制量的d轴，使得，这就意味着设定为0。这样做最大的好处是降低了磁通积分量相对于变化的敏感性，否则在值较大时起动阶段会锁相失效或引起震荡。进一步的，图6所示的交流电机矢量控制系统还包括进一步包括与所述磁通角与磁通转速估计模块的旋转速度估算器（shaftspeedestimator）、力矩估算器（shafttorqueestimator）和异步电机转子模型（IMRotormodel）。旋转速度估算器用于产生与电机的真实的转速相吻合转子旋转速度信号，力矩估算器用于计算磁链和相应的力矩。异步电机转子模型（IMRotormodel）用于实现异步电机的弱磁控制。

与现有技术相比较，本发明的交流电机矢量控制系统可以实现精确的无速度传感器矢量控制（无需机械传感器），适用于几乎所有的交流电机，而且无需事先知道各种电机参数；本发明的交流电机矢量控制系统通过测量电机的电流和电压，来精确估算实际的转子磁通角，磁通幅值，电机的转速和加速度；本发明的交流电机矢量控制系统适用于所有类型的交流电机（交流同步机和异步机），实现完整的磁场定向控制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种交流电机矢量控制系统，其特征在于，包括信号调整模块和磁通角与磁通转速估计模块，其中，

信号调整模块用于根据检测到的电机电流和电压估算出反电势EMF，并计算反电势EMF在静止坐标系的矢量；

磁通角与磁通转速估计模块，利用反电势EMF在静止坐标系的矢量通过park变换得到转子的旋转磁通角度，引入得到反电势EMF在dq坐标系下的复频域的表达式，，从而得出磁通转速。

2.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述信号调整模块包括：

零偏校正单元，用于去除检测到的电机电流和电压中的直流偏置；

反电势估算单元：通过公式估算反电势EMF；和

相角和幅值校正单元：去除反电势EMF相角和幅值的误差，得到反电势EMF在静止坐标系的矢量。

3.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述磁通角与磁通转速估计模块包括

Park变换单元，用于将反电势EMF在静止坐标系的矢量变换到dq坐标系；和

逆磁通积分器，用于通过的逆变换得到磁通估算值。

4.根据权利要求3所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述逆磁通积分器根据如下公式得到逆磁通估算值：

。

5.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，进一步包括与所述磁通角与磁通转速估计模块的旋转速度估算器。

6.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，进一步包括与所述磁通角与磁通转速估计模块相连接的力矩估算器，其用于计算磁链和相应的力矩。

7.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括direct模块，其用以产生转子反电势EMF的方向。

8.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括异步电机转子模型，用于实现异步电机的弱磁控制。

9.根据权利要求1所述的交流电机矢量控制系统，其特征在于，所述磁通角与磁通转速估计模块进一步包括低通滤波器，用于对估算的磁链角度滤除高频噪声。