CN109412484B - 一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法，涉及电力电子技术领域。该方法包括：计算静止坐标系下的α轴定子反电动势；通过定子反电动势得到电压模型下的转子磁链；计算得到旋转坐标系下的电流定子磁链，由旋转坐标系下的电流定子磁链得到电流模型下的转子磁链；将电压模型下的转子磁链和电流模型下的转子磁链相加，计算得到静止坐标系下α轴转子磁链；采用同样方式计算得到静止坐标系下β轴转子磁链；由静止坐标系下α轴转子磁链和静止坐标系下β轴转子磁链得到转子磁链相位和幅值。该方法能够简化计算，从物理上更加明确的理解转子磁链计算原理，能够准确辨识转子磁链，而且低速时动态性能良好。

Description

一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法。
背景技术
异步电机的无传感器矢量控制技术在工业生产中应用广泛。为了实现高性能异步电动机矢量控制，必需解决转子磁链的准确估计。如果转子磁链的估计不准确，将会影响转子磁场定向控制系统的转矩和磁通的解耦控制将无法实现。因此，转子磁链估计模型的选择非常重要。常用的磁链估计方法有很多种，常用的磁通估计方法有两种，分别为电压模型、电流模型。电压模型简单，算法方程不包含转子电阻，但是这种无传感器控制的方法很难在非常低的频率(包括零速度)的情况下运行，往往会降低估计信号的准确性。电流模型因为涉及纯积分项的使用，所以观察到的数值是渐近收敛，这是一个很大的优势。但在高速范围内，电流模型工作不如电压模型稳定。
发明内容
为了解决上述提出的问题，本发明公开了一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法。该方法是一种针对三相感应电机的无传感器矢量控制的磁链估算方法，提出了结合了电流模型和电压模型，先计算出定子磁通，然后在计算出转子磁通，简化了传统电压模型中的微分计算。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法，所述方法结合电流模型和电压模型，先计算出定子磁通，然后在计算转子磁通，所述方法包括以下步骤：
(1)计算静止坐标系下的α轴和β轴的定子反电动势；
(2)通过α轴定子反电动势得到电压模型下的α轴转子磁链；
(3)通过β轴定子反电动势得到电压模型下的β轴转子磁链；
(4)计算得到旋转坐标系下的电流定子磁链，由旋转坐标系下的电流定子磁链得到电流模型下的α轴转子磁链和β轴转子磁链；
(5)将电压模型下的α轴转子磁链和电流模型下的α轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下的α轴转子磁链ψrα；
(6)由电压模型下的β轴转子磁链和电流模型下的β轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下的β轴转子磁链ψrβ；
(7)由静止坐标系下α轴转子磁链ψrα和静止坐标系下β轴转子磁链ψrβ得到转子磁链相位和幅值。
进一步的，所述步骤(1)具体为：
由以下三相交流感应电机定子电压方程
Figure GDA0002579339860000021
Figure GDA0002579339860000022
得到静止坐标系下α轴和β轴的定子反电动势，如公式：
Figure GDA0002579339860000023
Figure GDA0002579339860000024
其中，usa，usβ分别为静止坐标系下的α轴和β轴定子电压；
isa，isβ分别为静止坐标系下的α轴和β轴定子电流；
Rs为定子电阻。
进一步的，所述步骤(2)具体为：
由α轴定子反电动势得到静止坐标系下的α轴电压定子磁链；
由静止坐标系下的α轴电压定子磁链得到电压模型下的α轴转子磁链。
进一步的，所述步骤(2)的具体计算步骤如下：
根据步骤(1)的结果，通过下式计算静止坐标系下的α轴电压定子磁链
ψsa＝∫esαdt；
对得到的静止坐标系下的α轴电压定子磁链进行滤波，减去定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，然后再乘以Lr/Lm，得到电压模型下的α轴转子磁链ψra(v)，
其中，δ为漏感系数，
Figure GDA0002579339860000025
Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
Lm为互感。
进一步的，所述步骤(3)具体为：
由β轴定子反电动势得到静止坐标系下的β轴电压定子磁链；
由静止坐标系下的β轴电压定子磁链得到电压模型下的β轴转子磁链。
进一步的，所述步骤(3)具体计算步骤如下：
根据步骤(1)的结果通过下式计算静止坐标系下的β轴电压定子磁链
Ψsβ＝∫esβdt；
对得到的静止坐标系下的β轴电压定子磁链进行滤波，减去定子电流在漏感上产生的漏磁通isβ*δLs，然后再乘以Lr/Lm，得到电压模型下的转子磁链ψrβ(v)，其中，δ为漏感系数，
Figure GDA0002579339860000031
Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
Lm为互感。
进一步的，所述步骤(4)具体为：
计算旋转坐标系下的电流定子磁链ψsd
Figure GDA0002579339860000032
其中，isd为旋转坐标系下的定子电流；
τr为转子时间常数；
Lm为互感，
根据派克反变换得到静止坐标系下的定子磁链分量，加上定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，将其和进行滤波处理，然后再乘以Lr/Lm，得到电流模型下的α轴转子磁链ψra(i)；
根据派克反变换得到静止坐标系下的定子磁链分量，加上定子电流在漏感上产生的漏磁通isβ*δLs，将其和进行滤波处理，然后再乘以Lr/Lm，得到电流模型下的β轴转子磁链ψrβ(i)，
其中，Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感。
进一步的，所述步骤(7)具体为：
通过以下公式计算转子磁链的相位和幅值
Figure GDA0002579339860000041
Figure GDA0002579339860000042
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
根据磁场矢量的位置得到转子同步角速度ωr；
利用实际转子励磁电流和定子电流的横轴分量来估算转差角速度ωs，如公式所示:
Figure GDA0002579339860000043
Figure GDA0002579339860000044
Figure GDA0002579339860000045
其中，isd为旋转坐标系下的定子电流；imr为转子磁链磁化电流；Lm为互感；isq为定子电流q轴分量；τr为转子时间常数，
将转子同步角速度ωr减去转差角速度ωs得到电机的转速ω。
本发明的有益效果：本发明从三相感应电机的无传感器矢量控制系统要求出发，综合传统电压模型和电流模型的优点，提出了一种改进型转子磁链估算方法，解决了传统电压模型计算转子磁链的微分项的计算和低速范围不稳定的问题，同时，也解决了电流模型在高速范围内不稳定的问题。这种改进型转子磁链估计方法能够简化计算，从物理上更加明确的理解转子磁链计算原理，能够准确辨识转子磁链，而且低速时动态性能良好。
附图说明
图1示出了三相感应异步电机无传感器矢量控制原理图；
图2示出了根据本发明的三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法的流程图；
图3示出了本发明的转子磁链估算方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步的详细描述。
本发明的核心是：转子磁链估算方法。首先，分别计算基于电压模型和基于电流模型的定子磁通，然后，转换成基于电压模型和基于电流模型的转子磁通，接着两个过滤器设置相同的截止频率，以实现两个模型之间的平滑过渡，最后得到转子磁通。该方法克服了传统电压模型计算转子磁链的微分项的计算和低速范围不稳定的问题，同时解决了电流模型在高速范围内不稳定的问题。综合传统电压和电流模型的优点，形成一种改进的转子磁链估算方法。
如图1所示，三相感应电机无传感器矢量控制原理图。通过采样得到电机三相电流，经过clarke变换和park变换后，送入转子磁链估算器得到θ和ωr，根据转差计算得到ωs，转子同步角速度ωr和转差角速度ωs作差，得到电机的转速ω，将其送入电流外环控制，得到旋转坐标系下q轴电流参考值，电机三相电流经过clarke变换和park变换后送入电流内环控制，得到旋转坐标系下的ud、uq，再经clarke反变换后，在三相电压中插入零序得到三相调制电压，最终生成SVPWM驱动三相桥。
如图2所示，根据本发明的三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法包括：
(1)计算静止坐标系下的分别计算得到α轴和β轴的定子反电动势；
(2)通过α轴定子反电动势得到电压模型下的α轴转子磁链；
(3)通过β轴定子反电动势得到电压模型下的β轴转子磁链；
(4)计算得到旋转坐标系下的电流定子磁链，由旋转坐标系下的电流定子磁链得到电流模型下的α轴转子磁链和β轴转子磁链；
(5)将电压模型下的α轴转子磁链和电流模型下的α轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下α轴转子磁链；
(6)由电压模型下的β轴转子磁链和电流模型下的β轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下β轴转子磁链；
(7)由静止坐标系下α轴转子磁链和静止坐标系下β轴转子磁链得到转子磁链相位和幅值。
图3示出了本发明的转子磁链估算方法原理图。具体为：
(1)理想情况下，电机模型是对称的，具有线性磁路特性。三相交流感应电机定子电压方程
Figure GDA0002579339860000061
Figure GDA0002579339860000062
得到静止坐标系下的定子反电动势esα、esβ，如公式：
Figure GDA0002579339860000063
Figure GDA0002579339860000064
其中，usa，usβ为静止坐标系下的定子电压；
isa，isβ为静止坐标系下的定子电流；
Rs为定子电阻。
(2)以α轴为例，根据步骤(1)的结果计算定子磁链ψsa：
ψsa＝∫esαdt
(3)对步骤2得到的定子磁链进行滤波，减去定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，然后再乘以Lr/Lm，得到电压模型下的转子磁链ψra(v)。
其中，δ为漏感系数，
Figure GDA0002579339860000065
Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
Lm为互感。
(4)计算旋转坐标系下的定子磁链ψsd
Figure GDA0002579339860000071
其中，isd为旋转坐标系下的定子电流；
τr为转子时间常数。
(5)根据派克反变换得到静坐标下的定子磁链分量，加上定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，将其和进行滤波处理，然后再乘以Lr/Lm，得到电流模型下的转子磁链ψra(i)；
(6)将电压模型下的转子磁链ψra(v)和电流模型下的转子磁链ψra(i)相加，得到转子磁链ψra；
(7)静止坐标系下的转子磁链ψrβ的计算方法与转子磁链ψra相同；
(8)计算转子磁链的相位和幅值
Figure GDA0002579339860000072
Figure GDA0002579339860000073
(9)根据磁场矢量的位置可以得到转子同步角速度ωr；
(10)利用实际转子励磁电流和定子电流的横轴分量来估算转差角速度ωs，如公式所示:
Figure GDA0002579339860000074
Figure GDA0002579339860000075
Figure GDA0002579339860000076
(11)将转子同步角速度ωr减去转差角速度ωs得到电机的转速ω。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见的得到技术方案的简单变化均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种三相感应电机无传感器矢量控制的转子磁链估算方法，其特征在于，所述方法基于电流模型和电压模型，先计算出定子磁链，然后再计算转子磁链，所述方法包括以下步骤：
(1)计算静止坐标系下的α轴和β轴的定子反电动势；
(2)通过α轴定子反电动势得到电压模型下的α轴转子磁链；
(3)通过β轴定子反电动势得到电压模型下的β轴转子磁链；
(4)计算得到旋转坐标系下的电流定子磁链，由旋转坐标系下的电流定子磁链得到电流模型下的α轴转子磁链和β轴转子磁链；
(5)将电压模型下的α轴转子磁链和电流模型下的α轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下的α轴转子磁链ψrα；
(6)由电压模型下的β轴转子磁链和电流模型下的β轴转子磁链相加，计算得到静止坐标系下的β轴转子磁链ψrβ；
(7)由静止坐标系下α轴转子磁链ψrα和静止坐标系下β轴转子磁链ψrβ得到转子磁链相位和幅值，
其中，所述步骤(4)具体为：
计算旋转坐标系下的电流定子磁链ψsd
Figure FDA0002579339850000011
其中，isd为旋转坐标系下的定子电流；
τr为转子时间常数；
Lm为互感，
根据派克反变换得到静止坐标系下的定子磁链分量，加上定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，将其和进行滤波处理，然后再乘以Lr/Lm，得到电流模型下的α轴转子磁链ψra(i)；
根据派克反变换得到静止坐标系下的定子磁链分量，加上定子电流在漏感上产生的漏磁通isβ*δLs，将其和进行滤波处理，然后再乘以Lr/Lm，得到电流模型下的β轴转子磁链ψrβ(i)，
其中，Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
isa，isβ分别为静止坐标系下的α轴和β轴定子电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：
由以下三相交流感应电机定子电压方程
Figure FDA0002579339850000021
Figure FDA0002579339850000022
得到静止坐标系下α轴和β轴的定子反电动势，如公式：
Figure FDA0002579339850000023
Figure FDA0002579339850000024
其中，usa，usβ分别为静止坐标系下的α轴和β轴定子电压；
isa，isβ分别为静止坐标系下的α轴和β轴定子电流；
Rs为定子电阻。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：
由α轴定子反电动势得到静止坐标系下的α轴电压定子磁链；
由静止坐标系下的α轴电压定子磁链得到电压模型下的α轴转子磁链。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体计算步骤如下：
根据步骤(1)的结果，通过下式计算静止坐标系下的α轴电压定子磁链
ψsa＝∫esαdt；
对得到的静止坐标系下的α轴电压定子磁链进行滤波，减去定子电流在漏感上产生的漏磁通isa*δLs，然后再乘以Lr/Lm，得到电压模型下的α轴转子磁链ψra(v)，
其中，δ为漏感系数，
Figure FDA0002579339850000031
Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
Lm为互感。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
由β轴定子反电动势得到静止坐标系下的β轴电压定子磁链；
由静止坐标系下的β轴电压定子磁链得到电压模型下的β轴转子磁链。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体计算步骤如下：
根据步骤(1)的结果通过下式计算静止坐标系下的β轴电压定子磁链
Ψsβ＝∫esβdt；
对得到的静止坐标系下的β轴电压定子磁链进行滤波，减去定子电流在漏感上产生的漏磁通isβ*δLs，然后再乘以Lr/Lm，得到电压模型下的转子磁链ψrβ(v)，
其中，δ为漏感系数，
Figure FDA0002579339850000032
Ls为定子漏感；
Lr为转子漏感；
Lm为互感。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)具体为：
通过以下公式计算转子磁链的相位和幅值
Figure FDA0002579339850000033
Figure FDA0002579339850000034
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
根据磁场矢量的位置得到转子同步角速度ωr；
利用实际转子励磁电流和定子电流的横轴分量来估算转差角速度ωs，如公式所示:
Figure FDA0002579339850000041
Figure FDA0002579339850000042
Figure FDA0002579339850000043
其中，isd为旋转坐标系下的定子电流；imr为转子磁链磁化电流；Lm为互感；isq为定子电流q轴分量；τr为转子时间常数，
将转子同步角速度ωr减去转差角速度ωs得到电机的转速ω。
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