CN1143856A - 产生感应电机磁通的装置 - Google Patents

Abstract

产生感应电机磁通的装置包括定子磁通发生器，通过操作输入的静态坐标系统的电流、电压及补偿电压输出定子磁通；转子磁通发生器，通过操作输入定子磁通发生器的静态坐标系统电流及输到定子磁通发生器的定子磁通输出转子磁通；参考磁通发生器，通过操作输入的旋转坐标系统电流和磁通相位输出参考磁通；补偿电压发生器，产生补偿电压，补偿从参考磁通发生器输出的参考磁通和从转子磁通发生器输出的转子磁通间差值的磁通误差值，输到定子磁通发生器。

Description

产生感应电机磁通的装置

本发明涉及一种用于产生感应电机磁通的装置，更具体地说，涉及一种改进的产生感应电机磁通的装置，它借助于控制旋转坐标系统的电流以及用于产生参考磁通的磁通相位，从而补偿作为参考磁通和实际产生的磁通之间的差值的磁通误差值，可以更精确地产生磁通。

图1是一种用于常规的感应电机的矢量控制装置，它包括编码器20，用来检测电机10的转速ωr，速度控制器30，用来产生旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*，使得从编码器20输出的感应电机10的转速ωr和外部施加的参考速度ωr^*相一致，旋转电流控制器40，用来产生坐标系统的电压V^eqs和V^sds，从而使感应电机10的旋转坐标系统电流I^eqs和I^eds分别与从速度控制器30输出的旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*和外部施加的旋转坐标系统的参考电流I^eds^*相一致，坐标变换器50，根据输入的磁通的相位θe把从电流控制器10输出的旋转坐标系统的电压V^eqs和V^eds转换成静止坐标系统的电压V^sqs和V^sds，二/三相电压变换器60，用来把从坐标变换器50输出的静止坐标系统的两相电压V^sqs和V^sds转换成三相电压Vas、Vbs和Vcs，PWM控制器70，用来把从二/三相电压变换器60输出的三相电压Vas，Vbs和Vcs转换成适用于驱动感应电动机10的脉宽调制(PWM)信号，用来驱动感应电动机10，电流检测器80，用来检测通过感应电机10的电流Ias和Ics，三/二相电流相位变换器90，用来把从电流检测器80输出的电流Ias和Ics转换成二相电流I^sqs和I^sds，坐标变换器100，用来把从三/二相电流转换器90输出的二相电流I^sqs和I^sds根据输入的磁通的相角θe变成旋转坐标系统的电流I^eqs和I^eds，并向电流控制器40输出变换的旋转坐标系统的电流Id^es和I^eqs，磁通发生器110，用来控制从坐标变换器50输出的电压V^sqs和V^sds以及从三/二相变换器90输出的电流I^sqs和I^sds，并通过控制从坐标变换器50输出的电压V^sqs和V^sds以及从三/二相变换器90输出的电流I^sqs和I^sds产生静态坐标系统的磁通相位λ^sqr和λ^sdr，坐标转换器120，用来把从磁通发生器110输出的静态坐标系统的磁通λ^sq和λ^sdr根据对其输入的磁通相位θe转换成旋转坐标系统的磁通λ^edr，滑差频率发生器130，用来通过操作从坐标变换器20输出的磁通λ^edr、从坐标转换器100输出的电流I^eqs、感应电机10的激励电感Lm和转子时间常数Tr产生滑差频率ωr，以及磁通相位发生器140，用来操作从译码器20输出的感应电机10的转速ωr以及从滑差频率发生器130输出的滑差频率ωs1，产生磁通相位θe，并把磁通相位θe分别输出到坐标变换器50和100。

速度控制器30包括减法器31，用来从外部输入的参考速度ωr^*中减去从编码器20输出的感应电机100的转速ωr，并输出感应电机10的转速误差值，以及PI控制器32，用来按比例操作并产生从减法器31输出的误差值，以便补偿误差值，并输出旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*。

电流控制器40包括减法器41，用来从由速度控制器30输出的旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*中减去从坐标变换器100输出的旋转坐标系统的电流I^eqs^*，并输出电流误差值，减法器42，用来从外部施加的旋转坐标系统的参考电流I^eds^*中减去从坐标变换器100输出的旋转坐标系统的电流I^eds^*，并输出电流误差值，PI控制器43，用来按比例操作并积分从减法器41输出的电流误差值，并输出旋转坐标系统的电压V^eqs，以及PI控制器44，用来按比例操作并积分从减法器42输出的电流误差值，从而补偿电流误差值，并用于输出旋转坐标系统的电压V^eds。

磁通相位发生器140包括加法器141，用来加从滑差频率发生器130输出的滑差频率ωs1和从编码器20输出的感应电机10的转速ωr，以及积分单元142，用来积分从加法器141输出的频率ωe，并输出磁通相位θe分别到坐标变换器50和100。

此外，在图2中，称为常规感应电机的磁通发生装置的磁通发生器110包括操作单元111，用来以定子的等效电阻Rs乘以从三/二相电流变换器90输出的电流I^sqs和I^sds以及静止坐标系统的电流I^sqds，操作单元112，用来以漏感Lσ乘以从三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqs，并用于输出漏磁通，减法器113，用于从由坐标变换器50输出的静态坐标系统的电压V^sqds中减去从操作单元111输出的电压，并输出反电势，积分单元114，用于积分从减法器113输出的反电势并通过积分从减法器113输出的反电势输出静态坐标系统的定子磁通λ^sqds？？？，减法器115，用于从由积分单元114输出的静态坐标系统的定子磁通λ^sqds中减去从操作单元112输出的漏磁通，以及操作单元116，用于以常数Lr/Lm乘以从减法器115输出的磁通，并输出静态坐标系统的转子磁通λ^sqdr。

现在结合附图说明常规的感应电机的矢量控制系统的操作。

首先，当编码器20在感应电机10的操作期间检测感应电机10的当前转速ωr时，速度控制器30的减法器31通过从外加的参考速度ωr^*中减去由编码器20检测的当前转速ωr输出速度误差值，PI控制器32按比例地积分速度误差值，从而补偿由减法器31输出的速度误差值，并输出旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*。

此后，在电流控制器40中，减法器41从由速度控制器32的PI控制器32输出的旋转坐标系统的参考电流I^sqs^*中减去由坐标变换器32输出的旋转坐标系统的电流I^eqs，并输出电流误差值，减法器42从外加的旋转坐标系统的参考电流I^eqs^*中减去从坐标变换器100输出的旋转坐标系统的电流I^eds，并输出所得的电流误差值。

此后，电流控制器40的PI控制器43按比例地积分电流误差值，从而补偿从减法器41输出的电流误差值，并输出旋转坐标系统的电压V^eqs，PI控制器44按比例地积分电流误差值，从而补偿从减法器42输出的电流误差值，并输出旋转坐标系统的电压V^eds。

坐标变换器50按照从磁通相位运算器140的积分单元142输出的磁通的相位θe，变换分别从PI控制器43和44输出的旋转坐标系统的电压V^eqs和V^eds，这样输出的电压V^sqs和V^sds由二/三相电压变换器60变换成三相电压Vas、Vbs和Vcs。

PWM控制器70接收从二/三相电压变换器60输出的三相电压Vas、Vbs和Vcs，并把它们变换成用于驱动感应电机10的脉宽调制信号。

同时，电流检测器80检测流经感应电机10的电流Ias和Ibs，电流Ias和Ibs被三/二相电流变换器90变换成静态坐标系统的两相电流I^sqs和I^sds。

从三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的两相电流I^sqs和I^sds按照从磁通相位运算器140的积分单元142输出的磁通的相位θe被转换成旋转坐标系统的电流I^sqs和I^sds^*，然后被分别送给电流控制器40的减法器41和42。

同时，适用于更精确的矢量控制的磁通发生器110操作从坐标变换器50输出的静态坐标系统的电压V^sqds和从三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqds，并产生磁通λ^sqds。

现在对以上说明进行更详细的解释。

首先，从三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqds由运算单元111乘以定子的等效电阻Rs，并作为电压输入给减法器113，从三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqds由运算单元112乘以感应电机10的漏磁通，并被送到减法器115。

减法器113从由坐标变换器50输出的静态坐标系统的电压V^sqds中减去通过运算单元111输入的电压。

此后，积分单元114积分从减法器113输出的反电势，然后输出静态坐标系统的定子磁通λ^sqds，减法器115从由积分器114输出的磁通λ^sqds中减去从运算单元112输出的漏磁通。

运算单元116用常数Lr/Lm乘以从减法器115输出的磁通，并输出转子的磁通λ^sqdr。

此处Lr表示转子的电感，Lm表示激磁电感。

磁通发生器110按照下面(1)、(2)式操作静态坐标系统的电压V^sqs、V^sds和静态坐标系统的电流I^sqs、I^sds，然后输出磁通λ^eqr和λ^edr。 ${\mathrm{\λ}}^e\mathrm{qr}=\mathrm{Lr}/\mathrm{Lm}\[\∫(V^s\mathrm{qs}-\mathrm{Rs}{I}^s\mathrm{qs})\mathrm{dt}-\mathrm{L\σ}{I}^s\mathrm{qs}\]----\left(1\right)$ ${\mathrm{\λ}}^e\mathrm{dr}=\mathrm{Lr}/\mathrm{Lm}\[\∫(V^s\mathrm{ds}-\mathrm{Rs}{I}^s\mathrm{ds})\mathrm{dt}-\mathrm{L\σ}{I}^s\mathrm{ds}\]----\left(2\right)$

此后，坐标变换器120按照(3)式根据从磁通相位发生器140的积分单元142输出的磁通的相位θe操作由磁通发生器110输出的静态坐标系统的磁通λ^sqr和λ^edr，然后变换成旋转坐标系统的磁通λ^edr。λ^edr＝Sinθe×λ^sqr+Cosθe×λ^sdr----(3)

此后，滑差频率发生器130按下面(4)式操作从坐标变换器120输出的转子的磁通λ^edr，从坐标变换器100输出的电流I^eqs，以及常数Lm/Tr，然后输出滑差频率ωs1。

ωs1＝(Lm/Tr)×(i^eqs/λ^edr)-----(4)

从滑差频率发生器130输出的滑差频率ωs1通过磁通相位发生器140的加法器141加上由编码器20检测的感应电机10的转速ωr，然后作为角频率ωe输出，这样输出的角频率ωe由积分单元142积分，然后按照磁通的相位θe被输出到坐标变换器50和100。

不过，常规的感应电机的磁通发生器装置的缺点在于，为了产生按式(1)、(2)表示的磁通，需要纯度(purity)积分，从而产生不精确的磁通，因为积分单元由于电压的偏移或系统噪声会成为饱和的。

因而，本发明的目的在于，提供一种用来产生感应电机的磁通的装置，它能克服在常规的感应电机的磁通产生装置中遇到的问题。

本发明的另一个目的在于，提供一种改进的用于产生感应电机的磁通的装置，它借助于操作基于电流的旋转坐标系统和用于产生参考磁通的磁通的相位，能够更精确地产生磁通，从而补偿作为在参考磁通和实际产生的磁通之间的差值的磁通误差值。

为达上述目的，提供一种用于产生感应电机的磁通的装置，它包括定子磁通发生器，用来通过操作输入的静态坐标系统的电流、静态坐标系统的电压以及补偿电压输出定子磁通；转子磁通发生器，用来通过操作输入到定子磁通发生器的静态坐标系统的电流以及输出到定子磁通发生器的定子磁通输出转子磁通；参考磁通发生器，用来通过操作输入的旋转坐标系统的电流和磁通的相位输出参考磁通；以及补偿电压发生器，用来产生补偿电压，以便补偿作为从参考磁通发生器输出的参考磁通和从转子磁通发生器输出的转子磁通之间的差值的磁通误差值，然后输出到定子磁通发生器。

从以下给出的详细说明以及仅以说明的方式给出的附图可以更充分地理解本发明，其中：

图1是常规的感应电机的常规的矢量控制装置的方块图；

图2是图1的磁通操作单元的方块图；以及

图3是本发明的感应电机的磁通产生装置的方块图；

图3表示本发明的感应电机的磁通产生装置，它包括定子磁通发生器101，用来产生静态坐标系统的电流I^sqds，静态坐标系统的电压V^sqds和补偿电压ΔVqd，并产生定子磁通λ^eqds，转子磁通发生器102，用于操作静态坐标系统的电流I^sqds，以及定子磁通λ^sqds，并用于产生转子磁通λ^sqdr，参考磁通发生器103，用来操作旋转坐标系统的电流I²ds和磁通的相位θ2，并用于产生参考磁通λ^sqdr^*，以及补偿电压发生器104，用来产生补偿电压ΔVqd，从而补偿作为参考磁通发生器103的参考磁通λ^sqdr^*和转子磁通发生器102的旋转磁通λ^sqdr之间的差的磁通误差值，然后输出到定子磁通发生器101。

定子磁通发生器101包括操作单元1，用来以定子的等效电阻R5乘以静态坐标系统的电流I^sqds，并作为电压输出，减法器11，用来加静态坐标系统的电压V^sqds和补偿电压ΔVqd，并用来从这样加得的电压中减去由操作单元1输出的电压，以及积分单元21，用来积分从减法器11输出的电压，并输出定子磁通λ^sqds。

转子磁通发生器102包括操作单元2，用来以漏感Lσ乘以静态坐标系统的电流I^sqds，并输出漏磁通，减法器12，用来从由定子磁通发生器101输出的定子磁通λ^sqdr中减去从操作单元2输出的漏磁通，以及操作单元22，用来以常数Lr/Lm乘以从减法器12输出的定子磁通，并然后输出转子磁通λ^sqdr。

参考磁通发生器103包括操作单元3，用来以预定的算子Lm/(TrS＋1)乘以旋转坐标系统的电流I^sds，并输出磁通参考值|λ^*|，以及乘法器13，用来以输入的磁通相位θe乘以从操作单元3输出的磁通参考值|λ^*|，并输出参考磁通λ^sqdr^*。

补偿电压发生器104包括减法器4，用来从由参考磁通发生器103输出的参考磁通λ^sqdr^*中减去从转子磁通发生器102输出的旋转磁通λ^sqdr，以及PI控制器14，用于按比例地积分磁通误差值，从而补偿由减法器4输出的磁通误差值并输出补偿电压ΔVqd。

本发明的感应电机的磁通发生器的操作现在结合附图进行说明。

首先，如图1所示，当由三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqds被分别加于定子磁通发生器101的操作单元1、转子磁通发生器102的操作单元2以及转子磁通发生器102的操作单元2时，操作单元1由定子的等效电阻Rs乘以输入的静态坐标系统的电流I^sqds，然后输出到减法器11。

减法器11加由图1中的坐标变换器50输出的静态坐标系统的电压V^sqds和由补偿电压发生器104的PI控制器14输出的补偿电压ΔVqd，从加得的结果中减去由操作单元1输出的电压，并把由减而得到的反电势加于积分单元21中。

积分单元21积分由减法器11输出的反电势，产生定子磁通λ^sqds，并然后输出到转子磁通发生器102的减法器12中。

同时，操作单元2用漏感Lσ乘以由图1所示的三/二相电流变换器90加于的静态坐标系统的电流I^sqds，并产生漏磁通I^sqdsLσ，然后送入减法器12。

此后，减法器12从由积分单元21输出的定子磁通λ^sqds中减去从操作单元2输出的漏磁通，然后输出定子磁通。这样输出的定子磁通乘以常数Lr/Lm，并然后作为转子磁通λ^sqdr输出。

转子磁通发生器101按下面(5)、(6)式操作从定子磁通发生器101输出的定子磁通λ^sqds和从图1所示的三/二相电流变换器90输出的静态坐标系统的电流I^sqds，然后产生转子磁通λ^sqdr。 ${\mathrm{\λ}}^s\mathrm{qr}=\mathrm{Lr}/\mathrm{Lm}\[\∫(V^s\mathrm{qs}-\mathrm{Rs}{I}^s\mathrm{qs}+\mathrm{\ΔVq})\mathrm{dt}-L\mathrm{\σ}{I}^s\mathrm{qs}\]---\left(5\right)$ ${\mathrm{\λ}}^s\mathrm{dr}=\mathrm{Lr}/\mathrm{Lm}\[\∫(V^s\mathrm{ds}-\mathrm{Rs}{I}^s\mathrm{ds}+\mathrm{Vd})\mathrm{dt}-\mathrm{L\σ}{I}^s\mathrm{ds}\]----\left(6\right)$

同时，参考磁通发生器103的操作单元3用预定的算子Lm/(TrS＋1)乘以从如图1所示的坐标变换器100输出的旋转坐标系统的电流I^eds，并向乘法器13输出如此获得的磁通参考值|λ^*|。

乘法器13按下面(7)、(8)式乘以操作单元3输出的磁通参考值|λ^*|和从如图1所示的磁通相位发生器140的积分单元142输出的磁通相位θe，然后输出参考磁通λ^sqdr^*。

λ^sqr^*＝λ*sinθe----(7)

λ^sdr^*＝λ*cosθe----(8)

此后，补偿电压发生器的减法器4从由乘法器13输出的参考磁通λ^sqdr^*减去从操作单元22输出的转子磁通λ^sqdr，并向PI控制器14输出磁通误差值。

PI控制器14按比例地按照以下的式(9)和式(10)积分磁通误差值，从而补偿从减法器4输出的磁通误差值，输出补偿电压△Vqd，并然后供给定子磁通发生器101的减法器11。 $\mathrm{\ΔVq}=\mathrm{Kp}({\mathrm{\λ}}^{s}q{r}^{*}-{\mathrm{\λ}}^s\mathrm{qr})+\mathrm{Ki}\∫({\mathrm{\λ}}^{s}q{r}^{*}-{\mathrm{\λ}}^s\mathrm{qr})\mathrm{dt}---\left(9\right)$ $\mathrm{\ΔVd}=\mathrm{Kp}({\mathrm{\λ}}^{s}d{r}^{*}-{\mathrm{\λ}}^s\mathrm{dr})+\mathrm{Ki}\∫({\mathrm{\λ}}^{s}d{r}^{*}-{\mathrm{\λ}}^s\mathrm{dr})\mathrm{dt}---\left(10\right)$

如上所述，本发明的感应电动机的磁通发生装置使磁通参考值乘以磁通的相位，产生参考磁通，产生补偿电压，从而按照偏移、导致产生实际磁通的反馈处理补偿作为在不被分散的(dispersed)参考磁通和要被分散的参考磁通之间的实际磁通的差值的磁通误差值，并产生更精确的实际磁通，由此，实现精确而稳定的矢量控制。

虽然为了说明的目的已经披露了本发明的最佳实施例，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离权利要求中所述的本发明的精神和范围，可以做出各种改型、添加和替换。

Claims (5)

1、一种用来产生感应电动机的磁通的装置，包括：

定子磁通发生装置，用来通过操作输入的静态坐标系统的电流、静态坐标系统的电压以及补偿电压输出定子磁通；

转子磁通产生装置，用来通过操作输入到定子磁通产生装置的静态坐标系统的电流，以及从定子磁通发生装置输出的定子磁通输出转子磁通；

参考磁通发生装置，用来通过操作输入的旋转坐标系统的电流和磁通的相位，输出参考磁通；以及

补偿电压发生装置，用来产生补偿电压，从而补偿作为从参考磁通发生装置输出的参考磁通和从转子磁通发生装置输出的转子磁通之间的差值的磁通误差值，并然后向定子磁通发生装置输出。

2、根据权利要求1的装置，其中所述定子磁通发生装置包括：

操作装置，用来以定子的等效电阻乘以输入的静态坐标系统的电流，然后作为电压输出；

减法器，用来加输入的静态坐标系统的电压和从补偿电压发生装置输出的补偿电压，并用来从加得的电压中减去从操作单元输出的电压；以及

积分单元，用来积分从减法器输出的电压并输出定子磁通。

3、根据权利要求1的装置，其中所述转子磁通产生装置包括：

第一操作单元，用来以感应电机的漏感乘以输入的静态坐标系统的电流；

减法器，用来从由定子磁通发生装置输出的定子磁通中减去从第一操作单元输出的漏磁通；以及

第二操作单元，用于以预定的常数乘以从减法器输出的定子磁通，并输出转子磁通。

4、根据权利要求1的装置，其中所述参考磁通产生装置包括：

操作单元，用于以预定的算子乘以输入的旋转坐标系统的电流，并输出磁通参考值；以及

乘法器，用来以输入的磁通相位乘以从操作单元输出的磁通参考值，并输出参考磁通。

5、根据权利要求1的装置，其中所述补偿电压发生装置包括：

减法器，用于从由参考磁通产生装置输出的参考磁通中减去从转子磁通发生装置输出的转子磁通，并用于输出磁通误差值；以及

PI控制器，用来按比例地积分磁通误差值，从而补偿从减法器输出的磁通误差值，并输出补偿电压。

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