CN1214512C - 电动机转速控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动机转速控制装置，能够通过检测电动机的输入电压和输入电流来控制电动机的转速和转矩，而不使用传感器来检测电动机转子的位置。该电动机转速控制装置包括：同步/固定坐标转换器，用于把电动机的参考转速与电动机的估计转速进行比较，并根据该比较结果输出参考磁通量电流分量和参考转矩电流分量，以补偿误差值，作为固定坐标系内的α轴参考电压和β轴参考电压；两相电流发生器，用于接收在当电动机旋转时所检测的三相电流，并输出磁通量电流分量和转矩电流分量；以及转速/位置估计运算器，用于根据α轴参考电压、β轴参考电压、α轴电流、β轴电流和参考转速来估计电动机转子的位置和转速，并控制电动机的转速和转矩。

Description

电动机转速控制装置

技术领域

本发明涉及一种电动机转速控制装置，具体涉及一种能够检测施加给电动机的电压和电流并能够控制转速和转矩的电动机转速控制装置。

背景技术

通常，有关电动机转速的信息或者磁通量信息对于控制电动机转速控制装置内尤其是同步磁阻电动机(SYNRM)转速控制装置内的瞬时转矩是必不可少的。也就是说，诸如霍尔(Hall)传感器等的有关电动机转速信息的传感器和磁通量传感器、分解器以及脉冲编码器都是必要的。然而，难以安装这些传感器，而且这些传感器对安装条件敏感。因此，这些传感器易受噪声影响。况且，这些传感器又价格昂贵。根据一种在不使用转速传感器情况下控制矢量的方法控制转速和转矩，但却无法针对电动机转子电阻的变化来校正转速误差。

图1示出了常用SYNRM的各轴。

如图1所示，在定子侧三相轴(U轴、V轴和W轴)中，U轴与V轴之间的相位差是120°；V轴与W轴之间的相位差是120°；W轴与U轴之间的相位差是120°。α轴和β轴都在固定坐标系内。d轴和q轴都是同步轴。而且，转子的磁通量轴θ_e是表示U轴与d轴之间的相位差的角。以下将参照图2对现有技术进行说明。

图2是示出根据现有技术的SYNRM转速控制装置的结构的方框图。

如图2所示，根据现有技术的SYNRM转速控制装置包括：第一比例积分(PI)控制器12，用于接收通过把参考转速w_m ^*与估计机械角转速w_m进行比较所获得的误差值，并输出参考转矩电流分量i_q ^*，以补偿该误差值；第二PI控制器15，用于接收通过把参考磁通量电流分量i_d ^*与实际磁通量电流分量i_d进行比较所获得的误差值，并输出参考磁通量电流分量，以补偿该误差值，作为参考磁通量电压分量v_d ^*；第三PI控制器16，用于接收通过把参考转矩电流分量i_q ^*与实际转矩电流分量i_q进行比较所获得的误差值，并输出参考转矩电流分量i_q ^*，以补偿该误差值，作为参考转矩电压分量v_q ^*；同步/固定坐标转换器17，用于根据实际磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ，把参考磁通量电压分量v_d ^*和参考转矩电压分量v_q ^*从同步坐标系变为固定坐标系，并输出固定坐标系内的参考电压v_α ^*和v_β ^*；三相电压发生器18，用于把固定坐标系内的参考电压v_α ^*和v_β ^*转换为三相电压v_as、v_bs和v_cs，并输出该三相电压v_as、v_bs和v_cs；逆变器19，用于把由三相电压发生器18产生的三相电压v_as、v_bs和v_cs施加给SYNRM；转子位置检测器22，用于检测SYNRM转子的位置；转速运算器24，用于从所检测转子的位置输出估计机械角转速w_m；信号发生器23，用于从所检测转子的位置产生实际磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ，并输出该正弦值sinθ和余弦值cosθ；两相电流发生器20，用于把在SYNRM旋转时所检测的三相电流转换为两相电流i_α和i_β，并输出该两相电流i_α和i_β；以及固定/同步坐标转换器21，用于把两相电流i_α和i_β转换为固定坐标系，并输出实际转矩电流分量i_q和实际磁通量电流分量i_d。以下将对根据现有技术的SYNRM转速控制装置的工作进行说明。

第一减法器11通过把参考转速w_m ^*与在SYNRM旋转过程中由转子位置检测器22所检测的估计机械角转速w_m进行比较而获得误差值，并把该误差值输出到第一PI控制器12。

第二减法器14把参考磁通量电流分量i_d ^*与从固定/同步坐标转换器21输出的实际磁通量电流分量i_d进行比较，并把所获得的误差值输出到第二PI控制器15。

第二PI控制器15把参考磁通量电流分量i_d ^*的参考磁通量电压分量v_d ^*输出到同步/固定坐标转换器17，以补偿由第二减法器14获得的误差值。此时，第三减法器13把从第一PI控制器12输出的参考转矩电流分量i_q ^*与从固定/同步坐标转换器21输出的实际转矩电流分量i_q进行比较。

第三PI控制器16把参考转矩电流分量i_q ^*的参考转矩电压分量v_q ^*输出到同步/固定坐标转换器17，以补偿由第三减法器13获得的误差值。此时，从第二PI控制器15输出的参考磁通量电压分量v_d ^*被输出到同步/固定坐标转换器17。

同步/固定坐标转换器17接收参考磁通量电压分量v_d ^*、参考转矩电压分量v_q ^*、以及从信号发生器23输出的实际磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ，在固定坐标系内产生参考电压v_α ^*和v_β ^*，并把固定坐标系内的该参考电压v_α ^*和v_β ^*输出到三相电压发生器18。

三相电压发生器18把固定坐标系内的参考电压v_α ^*和v_β ^*转换为固定坐标系内的三相电压v_as、v_bs和v_cs，并把固定坐标系内的该三相电压v_as、v_bs和v_cs输出到逆变器19。

逆变器19把从三相电压发生器18输出的三相电压v_as、v_bs和v_cs施加给SYNRM。此时，用于检测SYNRM转子位置的转子位置检测器22通过转速运算器24把估计机械角转速w_m输出到第一减法器11。

两相电流发生器20接收在SYNRM旋转过程中所检测的三相电流，在固定坐标系内产生电流i_α和i_β，并把固定坐标系内的该电流i_α和i_β输出到固定/同步坐标转换器21。

图3是在稳态下SYNRM的d轴电压以及SYNRM的q轴电压的矢量图。

如图3所示，SYNRM的电压方程式由d轴和q轴予以表示。d轴和q轴是同步轴。

[方程式1]

$v_d=R_s{i}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}-w_e{L}_q{i}_q$

$v_q=R_s{i}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}-w_e{L}_d{i}_d$

式中，v_d和v_q分别是指d轴电压分量和q轴电压分量。i_d和i_q分别是指d轴电流分量和q轴电流分量。R_s是指SYNRM的定子侧电阻。L_d和L_q分别是指d轴电感和q轴电感。

当SYNRM处于稳态时，方程式1中的电流微分项变为“0”，并由方程式2予以表示。方程式3可表示转矩方程式。

[方程式2]

v_d＝R_si_d-w_eL_qi_q

v_q＝R_si_q+w_eL_di_d

式中，w_eL_d＝X_d，并且w_eL_q＝X_q。X_d和X_q分别是指d轴电抗和q轴电抗。因此，作为矢量图的方程式3可表示方程式2。而且转矩方程式是方程式3。

[方程式3]

$T_e=\frac{3}{2}\frac{P}{2}\left(\frac{L_d-L_q}{L_d{L}_q}\right){\left(\frac{V_s}{w_e}\right)}^2\frac{\sin 2\mathrm{\δ}}{2}$

式中，L_d和L_q分别是指d轴电感和q轴电感。δ是指相电压V_s与q轴电流之间的相位差。P是指SYNRM内的转子极数。

在此，转矩与v_s/w_e和sin2δ成反比。而且，当v_s/w_e固定并且δ位于45度角时，转矩最大。然而，瞬态电流包括高次谐波分量和直流(DC)偏移电压。因而，电流微分项不变为“0”。因此，SYNRM转子的转速和位置是在包含高次谐波分量和直流偏移电压的状态下来予以检测的。

然而，在根据现有技术的SYNRM转速控制装置中，通过转矩脉动和切换空载时间(Switching Dead Time)所检测的电流包括基波和高次谐波。因而，高次谐波分量包含在感应电压中。结果，在估计转速和工作转速中出现脉动。因此，无法精确控制转速。在转子位置检测器中使用编码器和霍尔(Hall)传感器。而安装编码器和霍尔传感器是困难的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供以下一种能够精确控制电动机转速的电动机转速控制装置，该装置不设有用于对同步磁阻电动机(SYNRM)的转速和位置进行估计的霍尔传感器和编码器，从而在无法容易检测转子位置的地点，例如冰箱和空调器的压缩机等处，检测SYNRM的转速和位置，并且仅提取基波分量的感应电压，从而对SYNRM的转速进行估计和运算。

为获得这些和其他优点并根据本发明的目的，正如本文所具体包含和全面说明的那样，提供了一种电动机转速控制装置，该装置设有：同步/固定坐标转换器，用于把电动机的参考转速与电动机的估计转速进行比较，并根据该比较结果输出参考磁通量电流分量和参考转矩电流分量，以补偿误差值，作为固定坐标系内的α轴参考电压和β轴参考电压；两相电流发生器，用于接收在当电动机旋转时所检测的三相电流，并输出α轴电流和β轴电流；以及转速/位置估计运算器，用于根据α轴参考电压、β轴参考电压、α轴电流、β轴电流以及参考转速来估计电动机转子的位置和转速，并控制电动机的转速和转矩。

通过下文结合附图对本发明所作的详细说明，将对本发明的上述和其他目的、特点、方面和优点有更加清楚的了解。

附图说明

附图包含在本文中以便于进一步了解本发明，并且纳入本说明书并构成本说明书的一部分。这些附图不仅显示本发明的实施例，而且还与说明书一起用来阐明本发明的原理。

在附图中：

图1是示出常用同步磁阻电动机(SYNRM)的各轴；

图2是示出根据现有技术的SYNRM转速控制装置的结构的方框图；

图3是示出在稳态下SYNRM的d轴电压和SYNRM的q轴电压的矢量图；以及

图4是示出根据本发明的SYNRM转速控制装置的结构的方框图。

具体实施方式

以下将参照图4对根据本发明优选实施例的一种能够精确控制电动机转速的电动机转速控制装置进行详细说明。该电动机转速控制装置不设有用于对电动机尤其是同步磁阻电动机(SYNRM)的转速和位置进行估计的霍尔传感器和编码器，从而在无法容易检测转子位置的地点，例如冰箱和空调器的压缩机等处，检测SYNRM的转速和位置，并且仅提取基波分量的感应电压，从而对SYNRM的转速进行估计和运算。

图4是示出根据本发明的SYNRM转速控制装置的结构的方框图。

如图4所示，根据本发明的SYNRM转速控制装置包括：第一减法器31，用于把SYNRM的参考转速w_m ^*与SYNRM的估计机械角转速w_m进行比较，并根据该比较结果输出误差值；第一比例积分(PI)控制器32，用于接收通过把估计机械角转速w_m与参考转速w_m ^*进行比较所获得的误差值，并输出参考转矩电流分量i_q ^*，以补偿该误差值；第三减法器33，用于把参考转矩电流分量i_q ^*与实际转矩电流分量i_q进行比较，并根据该比较结果输出误差值；第三PI控制器36，用于输出参考转矩电流分量i_q ^*的参考转矩电压分量v_q ^*，以补偿从第三减法器33输出的误差值；第二减法器34，用于把参考磁通量电流分量i_d ^*与实际磁通量电流分量i_d进行比较，并根据该比较结果输出误差值；第二PI控制器35，用于输出参考磁通量电流分量i_d ^*的参考磁通量电压分量v_d ^*，以补偿从第二减法器34输出的误差值；同步/固定坐标转换器37，用于接收从第二PI控制器35输出的参考磁通量电压分量v_d ^*以及从第三PI控制器36输出的参考转矩电压分量v_q ^*，并输出固定坐标系内的α轴参考电压v_α ^*和固定坐标系内的β轴参考电压v_β ^*；三相电压发生器38，用于把从同步/固定坐标转换器37输出的固定坐标系内的α轴参考电压v_α ^*和β轴参考电压v_β ^*转换为三相电压v_as、v_bs和v_cs，并输出该三相电压v_as、v_bs和v_cs；逆变器39，用于把从三相电压发生器38产生的三相电压v_as、v_bs和v_cs施加给SYNRM；两相电流发生器40，用于把施加给SYNRM的三相电流转换为两相电流，并输出该两相电流；转速/位置估计运算器42，用于接收α轴参考电压v_α ^*、β轴参考电压v_β ^*、两相电流、以及参考转速w_m ^*，估计转子的位置和转速，并输出SYNRM的估计机械角转速w_m以及SYNRM转子的磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ；以及固定/同步坐标转换器41，用于接收两相电流以及正弦值sinθ和余弦值cosθ，把该两相电流以及正弦值sinθ和余弦值cosθ转换为同步坐标系，并输出实际转矩电流分量i_q和实际磁通量电流分量i_d。以下将对根据本发明的SYNRM转速控制装置的工作进行详细说明。

第一减法器31把从转速/位置估计运算器42输出的SYNRM转子的估计机械角转速w_m与参考转速w_m ^*进行比较，并根据该比较结果把误差值输出到第一PI控制器32。此时，转子的估计机械角转速w_m被输入到第一减法器31的反向终端(-)；参考转速w_m ^*被输入到第一减法器31的正向终端(+)。

第一PI控制器32接收从第一减法器31输出的误差值，补偿该误差值，并把参考转矩电流分量i_q ^*输出到第三减法器33。

第三减法器33把参考转矩电流分量i_q ^*与从固定/同步坐标转换器41输出的实际转矩电流分量i_q进行比较，并根据该比较结果把误差值输出到第三PI控制器36。

第三PI控制器36把参考转矩电流分量i_q ^*的参考转矩电压分量v_q ^*输出到同步/固定坐标转换器37，以补偿从第三减法器33输出的误差值。

第二减法器34把参考磁通量电流分量i_d ^*与从固定/同步坐标转换器41输出的实际磁通量电流分量i_d进行比较，并根据该比较结果把误差值输出到第二PI控制器35。

第二PI控制器35把参考磁通量电流分量i_d ^*的参考磁通量电压分量v_d ^*输出到同步/固定坐标转换器37，以补偿从第二减法器34输出的误差值。

同步/固定坐标转换器37接收从第二PI控制器35输出的参考磁通量电压分量v_d ^*、从第三PI控制器36输出的参考转矩电压分量v_q ^*、以及从转速/位置估计运算器42输出的正弦值sinθ和余弦值cosθ，并把固定坐标系内的α轴参考电压v_α ^*和固定坐标系内的β轴参考电压v_β ^*输出到三相电压发生器38。

三相电压发生器38接收从同步/固定坐标转换器37输出的固定坐标系内的α轴参考电压v_α ^*和固定坐标系内的β轴参考电压v_β ^*，把固定坐标系内的α轴参考电压v_α ^*和固定坐标系内的β轴参考电压v_β ^*转换为三相电压v_as、v_bs和v_cs，并把该三相电压v_as、v_bs和v_cs输出到逆变器39。

逆变器39接收由三相电压发生器38产生的三相电压v_as、v_bs和v_cs，并把该三相电压v_as、v_bs和v_cs施加给SYNRM。此时，两相电流发生器40把施加给SYNRM的三相电流转换为两相电流，在固定坐标系内产生α轴电流i_α并在固定坐标系内产生β轴电流i_β，并把固定坐标系内的α轴电流i_α和固定坐标系内的β轴电流i_β输出到固定/同步坐标转换器41和转速/位置估计运算器42。

转速/位置估计运算器42接收α轴参考电压v_α ^*、β轴参考电压v_β ^*、α轴电流i_α、β轴电流i_β和参考转速w_m ^*，并输出SYNRM转子的磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ以及SYNRM转子的估计机械角转速w_m。

以下将参照方程式4和5对固定坐标系内的α轴和β轴的交链磁通量ψ_α和ψ_β以及感应电压e_α和e_β的方程式，以及SYNRM内的电流状态方程式进行详细说明。

方程式4是固定坐标系内的α轴和β轴的交链磁通量ψ_α和ψ_β以及感应电压e_α和e_β的方程式。

[方程式4]

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=L_q\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+(L_d-L_q)i_d\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ \sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{L}_q{i}_{\mathrm{\α}}+\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ L_q{i}_{\mathrm{\β}}+\mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]$

$e_{\mathrm{\α}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=-w_e\mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e$ 和 $e_{\mathrm{\β}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=w_e\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e$

式中，ψ即为(L_d-L_q)i_d，是指交链磁通量。ψ_α和ψ_β分别是指α轴和β轴的交链磁通量。θ_e是指磁通量的电角度。

方程式5是SYNRM的电流状态方程式。

[方程式5]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R_s}{L_q}& 0\\ 0& -\frac{R_s}{L_q}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-\frac{1}{L_q}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{1}{L_q}\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，v_α和v_β分别是指α轴电压和β轴电压。i_α和i_β分别是指α轴电流和β轴电流。L_q是指q轴电感。

方程式4中的感应电压e_α和e_β都具有基波分量，但是还包括高次谐波分量和直流(DC)偏移电压，如方程式6所示。

[方程式6]

$e_{\mathrm{\α}}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos w_{n}t+b_n\sin w_{n}t)+e_{\mathrm{adc}}$

式中，e_adc是指感应电压的直流(DC)偏移电压。也就是说，当SYNRM旋转时所检测的电流(两相电流)包括高次谐波和直流(DC)偏移电压。因此，在α轴和β轴的交链磁通量ψ_α和ψ_β中包括高次谐波和直流(DC)偏移电压。结果，在α轴和β轴的感应电压e_α和e_β中也包括高次谐波和直流(DC)偏移电压。

因此，转速/位置估计运算器42减少了因α轴和β轴的交链磁通量ψ_α和ψ_β的高次谐波和直流(DC)偏移电压所引起的脉动，并仅使用基波分量的感应电压来精确控制SYNRM的位置和转速。也就是说，通过把电流分量加入方程式内，仅提取基波分量的感应电压，以获得如方程式7所示的感应电压。

[方程式7]

e_a＝a₁cosw₁t+b₁sinw₁t+e_ad＝e_a1+e_ad＝-w_eψsinθ_e+e_ad

式中，e_ad即为 $\underset{n=2}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\α}}_n\cos w_{n}t+b_n\cos w_{n}t)+e_{\mathrm{adc}},$ 是指感应电压的直流(DC)分量。ψ、e_a1、w₁和θ_e分别是指交链磁通量、基波分量的感应电压、角速度和磁通量电角度。

使用方程式8可获得基波分量以及用户定义的交链磁通量ψ＇_α和ψ′_β，以消除高次谐波以及感应电压的直流(DC)偏移电压。

[方程式8]

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-L_q{i}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}-L_q{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ \mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-w_e\mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e\\ w_e\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-w_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ -w_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，ψ′_a和ψ′_β分别是指用户定义的交链磁通量；i_d、L_q和w_e分别是指d轴电流、q轴电感和电角转速；e_α1和e_β1是指感应电压的基波分量。因此，α轴和β轴的电压方程式可从方程式5和8中予以定义。

[方程式9]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ & & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\α}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ & & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\β}}$

转速/位置估计运算器42输出方程式10所示的SYNRM转子的估计机械角转速w_m以及磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ，以便控制SYNRM转子的转速和位置。

[方程式10]

$w_e=\frac{e_{\mathrm{\β}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}},$ ${\sin \mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}},$ ${\cos \mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}}$

$w_m=\frac{2}{p}{w}_e$

式中，v_α、v_β、i_α和i_β分别是指α轴和β轴的电压和电流；ψ′_a和ψ′_β分别是指用户定义的交链磁通量；e_α1和e_β1是指感应电压的基波分量；e_αd和e_βd是指感应电压的直流(DC)分量；w_e和w_m分别是指电角转速和估计机械角转速；R_s是指定子侧电阻；L_q是指q轴电感；P是指极数。

如上所述，根据本发明，可解决在安装转子位置检测器的编码器和霍尔传感器时遇到的问题，因为通过对诸如冰箱和空调器等的压缩机的转子的转速和位置进行估计，可控制SYNRM，而无需使用霍尔传感器和编码器来估计SYNRM的转速和位置。

而且，根据本发明，可通过提取基波分量的感应电压来估计电动机的转速，并且可通过对估计转速进行运算来减少因电流的高次谐波分量所产生的脉动，从而精确控制电动机的转速和转矩。

Claims (17)

1.一种电动机转速控制装置，该装置设有：

同步/固定坐标转换器，用于把电动机的参考转速与电动机的估计转速进行比较，并根据该比较结果输出参考磁通量电流分量和参考转矩电流分量，以补偿误差值，作为固定坐标系内的α轴参考电压和β轴参考电压；

两相电流发生器，用于接收在当电动机旋转时所检测的三相电流，并输出α轴电流和β轴电流；以及

转速/位置估计运算器，用于根据α轴参考电压、β轴参考电压、α轴电流、β轴电流和参考转速来估计电动机转子的位置和转速，并控制电动机的转速和转矩。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两相电流发生器把施加给电动机的三相电流转换为两相电流，并输出固定坐标系内的α轴电流和β轴电流。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电动机是同步磁阻电动机。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器输出电动机转子的磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ，以及电动机转子的估计转速。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器从α轴电流和β轴电流中仅提取基波分量的感应电压。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器使用下列方程式仅提取基波分量的感应电压：

e_α＝a₁ cos w₁t+b₁ sin w₁t+e_αd＝e_α1+e_αd＝-w_eψsinθ_e+e_αd

式中，e_αd即为 $\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_n\cos w_{n}t+b_n\cos w_{n}t)+e_{\mathrm{\αdc}},$ ψ、e_α1、w₁和θ_e分别是指交链磁通量、基波分量的感应电压、角速度和磁通量电角度。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器消除磁通量分量，以减少电动机转速的脉动。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，使用下列方程式提取基波分量的感应电压：

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-L_q{i}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}-L_q{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ \mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{-w}_e\mathrm{\ψ}{\sin \mathrm{\θ}}_e\\ w_e\mathrm{\ψ}{\cos \mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{-w}_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {-w}_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，ψ′_α和ψ′_β、i_q、i_d、L_q、w_e、e_α1以及e_β1分别是指用户定义的交链磁通量、q轴电流和d轴电流、q轴电感、电角转速、以及感应电压的基波分量。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器使用下列方程式估计固定坐标系内的α轴电压和β轴电压：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\α}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\β}}$

并且，该转速/位置估计运算器通过输出下列方程式来估计转子的位置和转速：

$w_e=\frac{e_{\mathrm{\β}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}},$ $\sin {\mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}},$ $\cos {\mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}},$ 和

$w_m=\frac{2}{p}{w}_e$

式中，v_α和v_β、i_α和i_β、ψ′_α和ψ′_β、e_α1和e_β1、e_αd和e_βd、w_e和w_m、R_s、L_q以及P分别是指α轴电压和β轴电压、α轴电流和β轴电流、用户定义的交链磁通量、感应电压的基波分量、感应电压的直流分量、电角转速和估计机械角转速、定子侧电阻、q轴电感以及极数。

10.一种电动机转速控制装置，该装置设有：

第一PI控制器，用于输出参考转矩电流分量，以补偿通过把电动机的参考转速与电动机的估计转速进行比较所获得的误差值；

第三PI控制器，用于输出参考转矩电流分量的参考转矩电压分量，以补偿通过把参考转矩电流分量与实际转矩电流分量进行比较所获得的误差值；

第二PI控制器，用于输出参考磁通量电流分量的参考磁通量电压分量，以补偿通过把参考磁通量电流分量与实际磁通量电流分量进行比较所获得的误差值；

同步/固定坐标转换器，用于接收从第二PI控制器输出的参考磁通量电压分量，以及从第三PI控制器输出的参考转矩电压分量，并输出固定坐标系内的α轴参考电压和固定坐标系内的β轴参考电压；

三相电压发生器，用于把从同步/固定坐标转换器输出的固定坐标系内的α轴参考电压和固定坐标系内的β轴参考电压转换为三相电压；

逆变器，用于把三相电压施加给电动机；

两相电流发生器，用于把施加给电动机的三相电流转换为两相电流；

转速/位置估计运算器，用于根据α轴参考电压、β轴参考电压、两相电流和参考转速，输出电动机的估计转速以及电动机转子的磁通量角θ的正弦值sinθ和余弦值cosθ；以及

固定/同步坐标转换器，用于接收两相电流以及正弦值sinθ和余弦值cosθ，把该两相电流以及正弦值sinθ和余弦值cosθ转换为固定坐标系，并输出实际转矩电流分量和实际磁通量电流分量。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，电动机是同步磁阻电动机。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器使用下列方程式仅提取基波分量的感应电压：

e_α＝a₁ cos w₁t+b₁ sin w₁t+e_αd＝e_α1+e_αd＝-w_eψ sin θ_e+e_αd

式中，e_αd即为 $\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_n\cos w_{n}t+b_n\cos w_{n}t)+e_{\mathrm{\αdc}},$ ψ、e_α1、w₁和θ_e分别是指交链磁通量、基波分量的感应电压、角速度和磁通量电角度。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器消除磁通量分量，以减少电动机转速的脉动，从而使用下列方程式提取基波分量的感应电压；

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}-L_q{i}_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}-L_q{i}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}\cos {\mathrm{\θ}}_e\\ \mathrm{\ψ}\sin {\mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{-w}_e\mathrm{\ψ}{\sin \mathrm{\θ}}_e\\ w_e\mathrm{\ψ}{\cos \mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{-w}_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ {-w}_e^2{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

式中，ψ′_α和ψ′_β、i_q、i_d、L_q、w_e、e_α1以及e_β1分别是指用户定义的交链磁通量、q轴电流和d轴电流、q轴电感和电角转速、以及感应电压的基波分量。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器使用下列方程式估计固定坐标系内的α轴电压和β轴电压：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\α}1}\\ e_{\mathrm{\αd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\α}}$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_s}{L_q}& 0& -\frac{1}{L_q}& -\frac{1}{L_q}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& -w_e^2& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\β}}\\ {{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}1}\\ e_{\mathrm{\βd}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{1}{L_q}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]v_{\mathrm{\β}}$

并且，该转速/位置估计运算器通过输出下列方程式来估计转子的位置和转速：

$w_e=\frac{e_{\mathrm{\β}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}1}{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}},$ $\sin {\mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}},$ $\cos {\mathrm{\θ}}_e=\frac{{{\mathrm{\ψ}}^{\′}}_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^{\′2}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^{\′2}}},$ 和

$w_m=\frac{2}{p}{w}_e$

式中，v_α和v_β、i_α和i_β、ψ′_α和ψ′_β、e_α1和e_β1、e_αd和e_βd、w_e和w_m、R_s、L_q以及P分别是指α轴电压和β轴电压、α轴电流和β轴电流、用户定义的交链磁通量、感应电压的基波分量、感应电压的直流(DC)分量、电角转速和估计机械角转速、定子侧电阻、q轴电感以及极数。

15.一种电动机转速控制装置，该装置设有：

第一减法器，用于把电动机的参考转速与电动机的估计转速进行比较，并根据该比较结果输出误差值；

第一PI控制器，用于输出参考转矩电流分量，以补偿该误差值；

第三减法器，用于把参考转矩电流分量与实际转矩电流分量进行比较，并根据该比较结果输出误差值；

第三PI控制器，用于输出参考转矩电流分量的参考转矩电压分量，以补偿从第三减法器输出的误差值；

第二减法器，用于把参考磁通量电流分量与实际磁通量电流分量进行比较，并根据该比较结果输出误差值；

第二PI控制器，用于输出参考磁通量电流分量的参考磁通量电压分量，以补偿从第二减法器输出的误差值；

同步/固定坐标转换器，用于接收从第二PI控制器输出的参考磁通量电压分量以及从第三PI控制器输出的参考转矩电压分量，并输出固定坐标系内的α轴参考电压和固定坐标系内的β轴参考电压；

三相电压发生器，用于把从同步/固定坐标转换器输出的固定坐标系内的α轴参考电压和固定坐标系内的β轴参考电压转换为三相电压，并输出该三相电压；

逆变器，用于把从三相电压发生器产生的三相电压施加给电动机；

两相电流发生器，用于把施加给电动机的三相电流转换为两相电流，并输出该两相电流；

转速/位置估计运算器，用于接收α轴参考电压、β轴参考电压、两相电流和参考转速，估计电动机的位置和转速，并输出电动机的估计转速以及电动机转子的磁通量角的正弦值和余弦值；以及

固定/同步坐标转换器，用于接收两相电流以及正弦值和余弦值，把该两相电流以及正弦值和余弦值转换为同步坐标系，并输出实际转矩电流分量和实际磁通量电流分量。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，电动机是同步磁阻电动机。

17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，转速/位置估计运算器从α轴电流和β轴电流中仅提取基波分量的感应电压。

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