CN1153344C - 用于使同步电机中的转子角度估算误差最小的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使同步电机中的转子角度估算值的误差最小化的方法，所述方法包括以下步骤：根据同步电机的电流模型确定同步电机的的定子磁通(Ψ^s _sest)，根据电压积分和定子磁通的初始值(Ψ^s _su(n-1))确定定子磁通(Ψ^s _su’)，以及确定同步电机的转子角度(θ_est(n))。所述方法还包括以下步骤：根据确定的定子磁通(Ψ^s _sest，Ψ^s _su’)确定角度的校正项(θ_k(n))，以及将角度的校正项(θ_k(n))加到同步电机的确定的转子角度(θ_est(n))，从而获得转子角度估算值(θ(n))。

Description

用于使同步电机中的转子角度 估算误差最小的方法

本发明涉及一种用于使同步电机中的转子角度估算误差最小的方法，所述方法包括以下步骤：

根据同步电机的电流模型确定同步电机的定子磁通，

根据电压积分和定子磁通的初始值确定同步电机的定子磁通，以及

确定同步电机的转子角度。

同步电机一般包括具有三相绕组的定子和磁化转子。所述转子一般借助于永久激励或单独激励被磁化。在永久激磁中，转子具有永磁体块，在定子中产生的磁场把所述永磁体块拉向定子，同时使转子转动。转子的单独激磁指的是在转子内部具有被供电的线圈。这种在转子中的线圈形成转子磁极，其按照和永磁体构成的磁极相同的原理工作。同步电机的转子可以是凸极转子或圆柱转子。在圆柱转子电机中，转子的电感相对于定子几乎是常数，而在凸极电机中，因为在转子和定子之间的气隙根据转子的位置角度而改变，其电感有较大改变。

在速度控制的同步电机中，在控制系统的功能方面重要的是电机转子的位置角度被尽可能精确地获知。特别是在基于电机定子磁通的直接控制的控制方法中，角度确定的精度对于控制的精度具有相当的影响。通常使用脉冲编码器或绝对值检测器确定转子位置的角度，并且从中获得的信息可用于确定转子角度。

由角度检测器获得的测量结果含有由可以确定的至少两个分量引起的误差。引起误差的第一个已知的分量是由角度检测器确定的不正确的初始角度，提出了若干种算法用于计算初始角度。不过，转子在初始时可以是沿所需的方向转动的，只要电机的负载允许如此。转子最好被这样转动，使得其转动方向例如和一相线圈的方向相同。通过对所需的相提供直流电流可以使转子转动，并且因而可以使转子沿着所需的方向旋转。不过，通过使转子转动确定和校正初始角度通常是不可能的，因为电机通常用作同步电机。

在离散所控制系统中转子角度的误差可能由延迟引起。如果用于计算电机状态的转子角度已经在计算电机模型之前的一个时间ΔT被确定，按照公式Δθ＝ωΔt，这将引起和转子的角频率成正比的附加误差。换句话说，在转子旋转时确定的角度信息在其被用于计算电机模型之前已经过时了。因而由所述延迟引起的角度误差直接地和转子的角速度成正比。

在基于由同步电机的定子电流引起的转矩的直接控制的电机控制方法中，要施加于定子的电压根据磁通估算值Ψ^s _su来选择，其基于电压的积分，并根据短的采样周期来计算。磁通估算值Ψ^s _su使用积分定理(1)来确定：

${{\mathrm{\ψ}}^s}_{\mathrm{su}}={{\mathrm{\ψ}}^s}_{\mathrm{su}0}+\underset{l}{\overset{l+\mathrm{\Δt}}{\∫}}({u^s}_s-R_s{i^s}_s)\mathrm{dt}$

其中Ψ^s _su0是磁通的初始值，u^s _s是要被施加的电压，i^s _s是被确定的定子电流，R_s是定子电阻。在复数平面内，磁通估算值Ψ^s _su由一个振荡的圆环路径描述，因为磁通在某个滞后的限制内被控制。如果磁通估算值Ψ^s _usu等于定子中的实际磁通Ψ^s _s，则要被产生的定子电流的相量i^s _s的轨迹是一个中心在原点的圆。然而，因为错误的电压或电阻计算，实际磁通Ψ^s _s可以跟随一个和所述估算不同的轨迹。

根据电机的电流模型的估算值Ψ^s _sest被用于稳定基于积分(2)的估算值：

Ψ^s _sest＝f[L₁(θ_r)，L₂(θ_r)，...，L_n(θ_r)，i_s，Ψ_f(θ_r)]

其中L₁(θ_r)，L₂(θ_r)，...，L_n(θ_r)表示影响定子磁通的电感，θ_r是转子角度，Ψ_f(θ_r)是由转子产生的并且独立于定子电流的磁通，例如单独激励或永磁激励。由所述模型产生的磁通的估算值相互比较，其差值在电压模型产生的估算值中被刷新。由公式(2)可见，在同步电机中，电流模型需要以定子坐标表示的转子角度的信息。如果从脉冲编码器或绝对检测器接收的角度信息是错误的，则磁通估算值也将是错误的，并且使得在电压模型中进行的刷新是错误的。即使上述的方式提供了转子磁通幅值的可靠的估算，但是当转子角度误差相当大时，电机操作的转矩与速度控制的精度受到大的妨碍。

本发明的目的在于提供一种方法，其能够避免上述的缺点，因而精确地估算同步电机的转子角度，可靠而精确地控制同步电机的操作。所述目的是通过本发明的方法实现的，其特征在于所述方法包括以下步骤：

根据确定的定子磁通确定角度的校正项，以及

将角度的校正项加到同步电机的确定的转子角度，从而获得转子角度估算值。

本发明的方法基于这样的构思，即，当校正项被加于确定的转子角度时，便获得转子角度的精确的估算值，所述校正项和根据同步电机的电流和电压模型确定的定子磁通的直轴分量的差值成正比。

本发明的方法通过简单的操作提供了同步电机的实际转子位置角度的可靠的估算，这对于获得同步电机的精确的可控性是重要的。由于该方法简单，使得其容易实现，并且不需要附加的测量或参数信息。

下面结合附图借助于优选实施例详细说明本发明，其中

图1是按照本发明的方法的方块图；以及

图2说明本发明的方法是如何和同步电机的驱动操作相关的。

如图1所示，当根据电流模型1估算同步电机的定子磁通时，需要关于影响定子磁通的电感的估算值L₁，L₂...L_n的参数信息。当所述的情况在静止的坐标系统中观察时，所述的电感值随着转子位置角度θ_r的改变而改变。还需要关于磁通Ψ_f的参数信息，例如由对转子单独激励或永磁激励而产生的，其独立于定子电流，是由转子产生的。当从静止坐标系统看时，由转子产生的磁通Ψ_f也随转子位置角度的改变而改变。因为定子磁通也依赖于定子电流i^s _s，所以必须确定电流的大小。因而同步电机的电流模型可被用于确定定子磁通Ψ^s _sest，其是上述变量的函数。

定子磁通也可以根据同步电机的电压模型2来确定。在电压模型中，在定子中的有效电压被积分，其根据电压模型产生一个估算值Ψ^s _su’。定子的有效电压的大小通过从被施加于定子线圈的电压中减去当在线圈中流过电流时由定子线圈的电阻产生的电压降来获得。在电压模型中，需要关于定子线圈电阻的大小和定子磁通的幅值的初值的参数信息。在基于电机转矩的直接控制的电机控制方法中，要施加于电机的电压通常根据基于电压积分的磁通估算值进行选择，并根据一个短的采样周期来估算。以两种不同方式获得的定子磁通估算值，即基于电流模型的估算值和基于电压模型的估算值用作减少转子位置角度并稳定磁通的基础。借助于比较通过不同的模型获得的估算值进行稳定性处理，并且可能的差值在电压模型估算中被刷新。

按照本发明的方法确定的定子磁通被用于确定角度的校正项，其被加于测量的转子角度估算。按照本发明的优选实施例，当确定角度校正项时，被确定的定子磁通估算值被变换为估算的转子坐标。图1中的电流模型块1包括坐标变换的元件，因而电流模型块的输出是以估算的转子坐标表示的定子磁通估算值Ψ^r’ _sest。在定子坐标中表示的并在电压模型2的输出中获得的定子磁通估算值Ψ^s _su’使用坐标变换4被变换成计算的转子坐标。为了把磁通估算值变换成估算的转子坐标，需要知道转子位置角度。作为由和转子相连的角度检测器检测的测量结果而获得的转子角θ_r和本发明的方法确定的角度校正项θ_k的和或者角度校正项的初始值被用作位置角。

由本发明的两种方法确定的定子磁通估算值是矢量变量。按照所述方法，从根据电流模型确定的定子磁通Ψ^r’ _sest中减去根据电压模型确定、并被变换到转子坐标中的定子磁通估算值Ψ^r’ _su按照图1，由加法器3提供磁通之间的差值。基于电流模型的估算和加法器的正输入端相连，基于电压模型估算的值和加法器的负输入端相连。加法器3的输出，即作为所述计算值的差而获得的定子磁通的差值变量ΔΨ^r’ _s被连接到变换器6和坐标变换器5的输入端。

从加法器3获得的差值变量ΔΨ^r’ _s也是一个矢量变量，其包括实部分量和虚部分量。变换器6从差值变量ΔΨ^r’ _s中除去虚部分量，因而只剩下差值信号的实部ΔΨ_sd，其对应于在计算的转子坐标系统中电流模型和电压模型的磁通估算值的直轴分量的差。

变换器6的输出和乘法器8的输入端相连。乘法器8通过使差值变量的实部ΔΨ_sd乘以一个恒定的系数k对其进行比例放大，因而乘法器的输出是一个被放大的差值变量。在乘法器8的输出端获得的放大的差值变量被加法器9加于角度校正项的前一个值θ_k(n-1)，从而获得新的值θ_k(n)作为角度校正项。通过把校正项加于由确定角度的测量元件获得的转子角θ_est，所述的角度校正项被用于确定转子位置角度。用这种方式获得的转子位置角度θ_n的校正的估算值是精确的，因而能够更可靠地控制同步电机。

在本发明的优选实施例中，通过由加法器7把被变换为定子坐标的定子磁通的差值变量加于基于电压模型的定子磁通Ψ^s _su’确定校正的定子磁通Ψ^s _su。定子磁通的差值变量由坐标变换器5变换成定子坐标。在测量信息和角度校正项中所获的转子角度和值被用在此变换中。从加法器7获得的校正的定子磁通Ψ^s _su被用于控制同步电机，如图2所示。

当同步电机处于工作状态时，可以以上述的方式应用本发明的方法，在这种情况下，可以连续地确定角度校正项。按照本发明的一个优选实施例，本发明的方法也可以用于在电机被实际使用之前识别所需的角度校正。在这种情况下，同步电机的一个或几个角速度被用于按照本发明确定角度校正项。此后，和电机的所有其它角速度相关的校正项可以根据已被确定的校正项来确定。和其它角速度相关的被确定的校正项被这样存储，使得当同步电机以某个角速度旋转时，正确的校正项可被加于测量的位置角。因而，转子的位置角可以用可靠而简单的方式确定。根据按照本发明的方法确定的一个或几个校正项确定所有速度下的校正项的是可行的，因为按照误差发生的原理在位置角中的误差对于角速度是线性的。因而，通过内插确定的校正项，可以获得关于所有可能的角速度下的校正项。

按照图2所示的本发明的示意图，在块13中使角度误差最小并计算磁通。图2表示角度误差的最小化是如何和电机控制系统的其余部分相关的。图中所示的方法使用基于电机转矩的直接控制的控制方法。角度误差最小化块13在其输入端接收关于使用的电压、定子电流的大小的信息以及来自角度检测器的测量信息。电机电感的大小也被包括在参数信息中。角度误差最小化块的输出是使用本发明的方法被校正过的定子磁通。

在转矩计算块14中根据测量的定子电流和在块13的输出中获得的定子磁通计算作用在电机轴上的转矩T_e。由电机产生的转矩T_e和磁通Ψ^s _su(n)和相应的参考值T_eref以及Ψ_sref进行比较以便获得差值变量。在控制块15中，磁通和转矩被控制使得保持定子磁通和转矩恒定。根据控制块的输出从最佳转换表中选择适用于给定情况的电压指令，用于控制和电机的定子线圈相连的逆变器11的转换，使得达到定子磁通和转矩的所需的值。

显然，随着技术的发展，本领域的技术人员可以用多种方式实施本发明。因而本发明及其实施例不受上述例子的限制，在权利要求的范围内，这些实施例可以被改变。

Claims (3)

1.一种用于使同步电机中的转子角度估算值的误差最小化的方法，所述方法包括以下步骤：

根据同步电机的电流模型来确定同步电机的定子磁通(Ψ^s _sest)，

根据定子磁通的初始值(Ψ^s _su(n-1))和电压积分来确定定子磁通(Ψ^s _su’)，以及

确定同步电机的转子角度(θ_est(n))，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

根据基于同步电机的电流模型确定的定子磁通(Ψ^s _sest)和基于定子磁通的初始值和电压积分确定的定子磁通(Ψ^s _su)来确定角度校正项(θ_k(n))，以及

将角度校正项(θ_k(n))加到同步电机的已确定的转子角度(θ_est(n))，以便获得转子角度估算值(θ(n))，

其中角度校正项的确定还包括以下步骤：

在坐标变换中，使用已确定的转子角度(θ_est(n))和角度校正项(θ_k(n-1))的初始值的和，把已确定的两个定子磁通变换成估算的转子坐标，

从基于电流模型并被转换成估算的转子坐标的定子磁通(Ψ^r’ _sest)中减去基于电压模型并被变换成转子坐标的定子磁通(Ψ^r’ _su’)，从而获得定子磁通的差值变量(ΔΨ^r’ _s)，

从定子磁通的差值变量(ΔΨ^r’ _s)中提取实部部分(ΔΨ_sd)，

对定子磁通的实部部分(ΔΨ_sd)进行乘法处理，从而获得以放大系数(k)放大的差值变量，以及

把所述放大的差值变量加到角度校正项的初始值(θ_k(n-1))，以便获得一个更新的角度校正项(θ_k(n))。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

通过把被变换成定子坐标的定子磁通的差值变量(ΔΨ^s _s)加到积分的定子磁通(Ψ^s _su’)，来确定校正的定子磁通(Ψ^s _su(n))，由此使用校正的定子磁通(Ψ^s _su(n))作为定子磁通的下一个初始值，以便确定定子磁通的电压积分。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

使用电机的一个或几个角速度来确定角度校正项(θ_k)，

根据使用电机的一个或几个角速度确定的校正项(θ_k)来形成并存储与其它角速度相关的角度校正项，

在同步电机的操作期间选择一个取决于角速度的角度校正项，以及

把所述选择的角度校正项加到已确定的转子角度，以便获得转子角度估算值。

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