CN1240064A - 用于永磁同步电动机的无检测器控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电动机的无检测器控制方法和装置，其中可以在所有速度区指定磁轴以及可以不顾及速度指令连续地控制速度。按该控制方法，设定d－q轴为按电动机实际旋转速度旋转的磁轴，以及设定γ－δ轴为电动机的指定磁轴，当确定γ－δ轴的旋转速度ωRγ时，设定分配增益K1为当旋转速度指令ω_RREF变大时是降低的，而分配增益K2为当旋转速度指令ω_RREF变大时是升高的，以及旋转速度指令ω_RREF乘以K1，由同步电动机的感应电压确定的速度估计值或者感应电压估计值乘以K2，并将二相乘的值求和，以此确定作为指定磁轴的γ－δ轴的旋转速度ω_Ry。

Description

用于永磁同步电动机的无检测器控制方法和装置

本发明涉及一种无位置检测器和速度探测器的永磁同步电动机的无检测器控制方法和装置。

当一利用永久磁铁作为转子的无刷DC电动机作为同步电动机驱动时，需要得到转子的绝对位置并实行正确的电流控制。为了得到转子的绝对位置，通常使用一例如为编码器或分析器的转子位置检测器。然而，由于存在与引线或结构、价格、使用环境之类有关的复杂问题，已提出不使用转子位置检测器来估算磁极位置的方法。

在在先技术中，已知的估算永磁同步电动机的磁极位置的方法如下：

(1)日本电工协会会刊113-D卷第5期，1993年5月，579～586页。

(2)日本电工协会会刊114-D卷第5期，1994年5月，591～592页。

(3)日本电工协会会刊115-D卷第4期，1995年4月，420～427页。

(1)是这样一种方法，当变换到设置在定子上的α—β轴坐标系统上的定子电流I_α、I_β成为观测(observed)数值和定子电压V_α、V_β成为输入量时，利用自适应规则估算磁通λ_α、λ_β和转子速度。

(2)是这样一种方法，当变换到α—β轴坐标系统上的定子电流I_α、I_β成为观测数值和定子电压V_α、V_β成为输入量时，估算在α—β轴坐标系统中沿α轴方向产生的感应电压ε_α和沿β轴方向产生的感应电压ε_β作为扰动值。

(3)是这样一种方法，即由变换到设置定子侧并按同步速度旋转的γ—δ轴坐标系统的定子电流i_γ、i_δ和由模型计算的电流计算值i_γ0、i_δ0之间的差估算在γ—δ轴和d-q轴之间的偏移角θe。

然而，上述常规方法存在的问题如下：

关于(1)，当将该方法用于在α—β轴坐标上出现极性的永磁电动机中时，电感变为电动机转子角度θ_r的函数，状态方程变得复杂，以及当要建立一观测机(observer)时，计算量增加，使用困难。还由于形成的磁通λ_α、λ_β数量未知，状态方程在转子速度为零时变得不能观测，估计值器本身变得不稳定。

关于(2)，由于变换到α—β轴的感应电压变为交变量，如果将观测机的极不设定得较大，实际量和估算量之间产生相位差，该方法变得无法使用。

(3)与(1)、(2)相比较是一种简单的方法，此外由于按该参考文献认为γ—δ轴按照与d—q轴基本同步的角速度旋转，当d—q轴和γ—δ轴之间的偏移θe小时，状态方程不复杂，该方法在使用上是优异的。然而，由于将实际的数值与由当γ—δ轴与d—q轴一致时的模型简单输入的计算数值相比较，由于模型化误差并不总能正确估算偏移θe。

此外，在(3)的参考文献中，按这样一种方式利用该方法，即由感应电压或在高速度区内感应电压的估计值来估计该速度估计值和d轴和γ轴之间的误差，当γ轴和d轴一致时实行速度控制。然而，这种方法仅在感应电压足够高的区域中可得到精确值，在零速度时不可能进行估计。

因此，在凸极同步电动机的情况下，利用这样一种特性即在电感中的d轴方向和q轴方向是不同的，如果在电动机停止时测量电感，由电感数值变化可以辨别d轴。

另一方面，在隐极同步电动机的情况下，由于电感在任一极中都是相同的，上述方法不能使用。当同步电动机空载时，如果DC电流沿一定方向流动，同步电机的磁轴具有运动的特性以便与电流流动方向相一致。因此，如果电流沿指定的磁轴流动，在经过足够的时间之后，该磁轴与指定的磁轴相一致。因此，该磁轴可以是已知的。

然而，这些方法仅能在低速状态下采用，在高于某一速度的速度下，估计值方法必须改变为在(3)的参考文献中所述的方法。这种速度改变根据电机的种类是不同的，以及其迅速变化引起转矩变化以及在低速状态下必须另外准备基本上不同的算法。因此，存在的一个问题是给设计和控制带来麻烦。

因此，为解决上述问题，本发明提供一种控制方法和装置，其中可以在所有速度区域指定磁轴以及可以与速度指令无关连续地控制速度。

为了解决上述问题，在本发明的永磁同步电动机的无检测器控制方法中，为在由零速度到高速度的一个区域连续控制具有永久磁铁作为转子的永磁同步电动机，在α—β空间坐标系统中，其中令同步电动机定子中的一相为α轴，距α轴正向旋转电90°为β轴，设定按实际电动机旋转速度ω_R旋转的坐标d—q轴，其中令电动机磁轴为d，令距d轴超前90°的轴线为q，设定γ—δ轴，其中令指定的电动机的磁轴为γ，距γ轴超前90°的轴线为δ；以及当确定γ—δ轴的旋转速度ω_Rγ时，设定分配增益K1和K2，将分配增益K1设定为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是降低的，而分配增益K2当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是升高的，将旋转速度指令ω_RREF乘以K1，由同步电动机的感应电压确定的速度估计值ω_RP或者感应电压估计值分别乘以K2，并将两个相乘的值求和，以此确定指定磁轴的γ—δ轴的旋转速度ω_Rγ。

此外，当要确定γ轴电流指令值i_γREF时，将低速度区指令值i_γREFL乘以分配增益K1和将正常速度区指令值i_γREFH乘以分配增益K2，将二相乘的值求和，以此可以确定γ轴电流指令值i_γREF，以及利用包含速度指令值ω_REF和ω_RP的比例控制项和包含速度指令值ω_RREF和ω_Rγ的积分控制项还可以构成δ轴电流指令值i_δREF。

此外，本发明提供一种永磁同步电动机的无检测器控制装置，其包含有：分配增益发生器，其将分配增益K1设定为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是降低的，而分配增益K2当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是升高的；γ轴电流指令发生器，根据在低速度状态下的γ轴电流指令i_γREFL、在高速度状态下的γ轴电流指令i_γREFH和分配增益K1、K2产生指令i_γREF；速度控制器，根据旋转速度指令ω_RREF输出δ轴电流i_δREF；δ轴电流控制器，根据δ轴电流i_δREF输出δ轴电压指令V_δREF；γ轴电流控制器，根据γ轴电流i_γREF输出γ轴电压指令V_γREF；矢量控制电路，根据δ轴电压指令V_δREF和γ轴电压指令V_γREF向同步电动机的逆变器电路输出电压值和位置角；三相/二相变换器，根据同步电动机的二相电流i_u、i_w产生δ轴电流i_δ和γ轴电流i_γ；γ—δ轴电流、感应电压估计器，根据电压指令V_δREF、V_γREF、δ轴电流i_δ和γ轴电流i_γ输出感应电压估计值ε_δest(K＋1)和ε_γest(K＋1)，并还向γ轴电流控制器输出γ轴电流估计值i_γest(K＋1)和向δ轴电流控制器输出δ轴电流估计值i_δest(K＋1)，比例控制速度运算器，根据感应电压估计值ε_δest(K＋1)、ε_γest(K＋1)运算指令控制速度ω_RPest，积分磁轴旋转速度运算器，根据分配增益K1、K2和指令控制速度ω_RPest输出磁轴的旋转速度ω_Rγest；以及磁轴运算器，根据磁轴的旋转速度ω_Rγest向逆变器电路输出电压值和位置角。

根据本发明，得到如下的效果。

(1)在低速度区，其中将K1的比例指定得大于K2的比例，由于γ轴的旋转速度ωR_γ接近速度指令值ω_RREF，为实际磁轴的d轴按平均值速度与γ轴相同的和基本上等于速度指令值速度旋转。另一方面，在高速度区，由于指定K2的比例明显大于K1的比例以及ω_RP和ω_Rγ也是一致的，比例控制项和构成积分控制项的速度估计值是一致的。因此，矢量控制良好地实现。

(2)由于分配增益是连续设定的，在低速度区和高速度区之间的中间速度区，γ轴和d轴之间的误差是逐渐校正的，以及由低速度区到高速度区的区域是利用相同的算法连续地完成。

(3)当δ轴电流指令值i_δREF是由包含速度指令值ω_REF和ω_Rρ的比例控制项和包含速度指令值ω_RREF和ω_Rγ的积分控制项构成时，将速度估计值反馈到包含ω_RP的比例指令项并抑制了d轴的暂态振荡。

图1是表示本发明的步骤的流程图；

图2是实现本发明的控制系统的方块图；以及

图3是表示根据本发明的分配增益K1、K2的关系的解释性示意图。

按照图1中的流程图介绍本发明的各实施例。

分配增益K1、K2(K1＋K2＝1)是速度指令ω_RREF的函数，以及如图3所示，执行设定，以便在高速下K1变为0增益，以及在低速和高速间的中间区域K1线性变化。

由电流检测器输入U相和W相的电流i_u、i_w(步骤1)。

利用在先前操作回路指定的γ轴的磁轴位置θ_est(K)，以及执行三相/二相变换，并且将γ—δ坐标系统中的实际电流值i_γ(K)、i_δ(K)引入(步骤2)。

输入变换到γ—δ坐标系统并在(K＋1)秒的时间处输出的电压指令V_γREF(K)，V_δREF(K)(步骤3)。

根据方程式(1)，估计在(K＋1)Ts秒的时间处的γ—δ轴电流估计值I_γest(K＋1)，I_δest(K＋1)和感应的电压估计值ε_γest(K＋1)，ε_δest(K＋1)(步骤4)。 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\γest}}(k+1)\\ i_{\mathrm{\δest}}(k+1)\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γest}}(k+1)\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\δest}}(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1-(R_s/L_d)T_s& (L_q/L_d)\mathrm{\ωR\γ}\·T_s& T_s& 0\\ -(L_d/L_q)\mathrm{\ωR\γ}\·T_s& 1-(R_s/L_q)T_s& 0& T_s\\ 0& 0& T_s/L_q& 0\\ 0& 0& 0& -T_s/L_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\γest}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\δest}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γest}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\δest}}\left(k\right)\end{array}\right]$ (1) $+\frac{T_s}{L_q}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\γREF}}\left(k\right)\\ v_{\mathrm{\δREF}}\left(k\right)\end{array}\right]+\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{K}_1& K_2\\ K_3& K_4\\ K_5& K_6\\ K_7& K_8\end{array}\right]\end{array}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\γ}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\γest}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\δ}}\left(k\right)-i_{\mathrm{\δest}}\left(k\right)\end{array}\right]$

其中Rs：定子电阻，Lq：q轴电感，Ld：d轴电感，Ts：采样时间，K1到K8：观测机反馈增益。

正如公知的，由于ε_γest(K＋1)＝K_{ε·ωR·Sinθe}，ε_δest(K＋1)＝K_{ε·ωR·COSθe}，根据方程式(2)，估计即时速度估计值ω_RΦest(K＋1)(步骤5)。 ${\mathrm{\ωR}}_{\mathrm{\φest}}(k+1)=\mathrm{sign}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\δest}}(k+1)\·(1+K_{\mathrm{\φ}})\sqrt{{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\δest}}}^2(k+1)+{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\γest}}}^2(k+1)}---\left(2\right)$

K_Φ：感应电压常数

根据δ轴感应电压的符号和γ轴感应电压的符号，按照方程式(3)，将要在比例控制中使用的ω_RP(K＋1)引入(步骤6)。

ω_RPest(k＋1)＝ω_Rφest(k＋1)＋K_θ·sign(ω_Rφest(k＋1))·ε_γest(k＋1)      (3)

K_θ：增益

根据速度指令值，利用在如图3中所示的指令的分配增益，根据方程式(4)，指定γ轴的旋转速度和在积分控制中将要用的速度估计值ω_Rγest(K＋1)引入(步骤7)。

ω_Rγest(k＋1)＝K_1ωRREF＋K_2ωRP(k＋1)    ……(4)

由这些速度估计值，根据方程式(5)，指定在(K＋1)Ts秒的时间处的γ轴的位置θ_est(K＋1)(步骤8)。

θ_est(k＋1)＝θ_est(k)＋θ_Rγ(k＋1)·Ts    ……(5)

利用在步骤7中的速度和估计的速度指令，根据方程式(6)，引入γ-δ轴的电流指令i_δREF(K＋1)。根据方程式(7)，引入T轴的电流指令i_γREF(步骤9)。 $i_{\mathrm{\δREF}}(k+1)=K_V({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RREF}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RPest}}(k+1))+K_I{K}_V{T}_S\underset{i=0}{\overset{k+1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RREF}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RPest}}(k+1))---\left(6\right)$

i_γREF(k＋1)＝K₁i_γREFL＋K₂i_γREFH        ……(7)

由电流指令和该电流，估计在(K＋1)Ts时间处要输出的电压指令V_γREF(K＋1)，V_δREF(K＋1)(步骤10)。

在本发明中，如果产生朝向作为任选指定轴线的γ轴的正向DC电流i_δREFL，当作为实际磁轴的d轴处于距γ轴延迟负载角θ_e的相位时，沿磁轴产生与i_γREFLSinθ_e成比例并向γ轴方向的转矩。因此，如果负载转矩为零，实际磁轴总是受到指向作为指定磁轴的γ轴的转矩的支配。在通常没有阻尼绕组的同步电机中，由于阻尼系数基本上为零，α轴产生围绕γ轴的谐波振荡。在本发明中，将速度估计值反馈到包含ω_RP的比例控制项，因此抑制了d轴的瞬态振荡。用于积分的速度与γ轴的指定速度相一致，以在低速度区域，其中指定K1的比例大于K2的比例，由于γ轴的旋转速度ωR_γ接近速度指令值ω_RREF，作为实际磁轴的d轴按照与γ轴的相同速度(按平均值)旋转，以及按速度指令值基本相等的速度旋转。

另一方面，在高速度区，由于感应的电压具有足够的数值，γ轴的旋转速度ωR_γ与d轴的旋转速度(按平均值)和设定值相一致，从而使校正γ轴和d轴之间的角度误差变得可能。在高速度区，由于将K2的系数指定足够大于K1的对应值，ω_RP和ωR_γ是一致的，比例控制与构成积分控制项的速度估计值相一致。因此，γ轴与d轴相一致，此外速度指令与速度相一致。在无检测器矢量控制中，γ轴被认为作为磁轴，而与d轴相一致，因此很好地执行矢量控制。

此外，在本发明中，由于分配增益是连续设定的，在低速度区和高速度区之间的中间区域内，逐渐地校正γ轴和d轴之间的误差，以及由低速度区到高速度区的区域是按相同的算法连续地执行的。

图2是本发明的方块图。在图2中，标号1指分配增益发生器，标号2指速度控制器，标号3指γ轴电流指令发生器，标号4指δ轴电流控制器，标号5指γ轴电流控制器，标号6指矢量控制电路，标号7指逆变电路，标号8指同步电动机，标号9指三相/二相变换器，标号10指γ-δ轴电流、感应电压估计器，标号11指比例控制速度运算器，标号12指磁轴运算器以及标号13指积分磁轴旋转速度运算器。

在图2中，利用速度指令ω_RREF，分配增益发生器1产生如图3中所示的分配增益K1，K2。在i_γREFL：低速指令，i_γREFH：高速指令和K1、K2输入到γ轴电流指令发生器3时产生γ轴指令i_γREF。速度控制器2输出δ轴电流i_δREF(K＋1)，以及由δ轴电流控制器4和γ轴电流控制器5输出δ、γ轴电压指令V_δREF、V_γREF并输入到矢量控制电路6。由磁轴运算器12输出的θ_est(K＋1)输入到矢量控制电路6，以及电压值和位置角输入到逆变器电路7。逆变器电路7向同步电动机8提供电流。电流i_u、i_w输入到三相/二相变换器9，以及产生转子坐标系统γ-δ轴电流。这一电流输入到γ-δ轴电流、电压感应电压估计器10，以及还输入电压指令V_δREF、V_γREF。利用γ-δ轴电流、感应电压估计器10，将感应电压估计值ε_δest(K＋1)、ε_γest(K＋1)输入到比例控制速度运算器11以及输出指定控制速度ω_RPest。另一方面，i_γest(K＋1)、i_δest(K＋1)输入到δ轴电流控制器4和γ轴电流控制器5并产生电压指令。ω_RPest和ω_RREF以及分配增益K1、K2输入到磁轴旋转速度运算器13并输出磁轴的旋转速度ω_Rγest。

本发明可用于永磁同步电动机的无检测器速度控制。

Claims (4)

1.  一种永磁同步电动机的无检测器控制方法，其中在由零速到高速的区域内连续地控制具有永久磁铁作为转子的永磁同步电动机，

其特征在于，在α—β空间坐标系统中，令一相为α轴，距α轴沿正向旋转方向电角度90°为β轴，设坐标d-q轴按实际电动机旋转速度ω_R旋转，其中令电动机的磁轴为d，距d轴超前90的轴为q，以及设定γ—δ轴，其中指定的电动机的磁轴为γ，距γ轴超前90的轴为δ，以及

当确定γ—δ轴的旋转速度ω_Rγ时，设定分配增益K1为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是降低的，设定分配增益K2为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是增加的，以及旋转速度指令ω_RREF乘以K1，由同步电动机的感应电压或感应电压估计值确定的速度估计值ω_Rρ乘以K2，将两个相乘的数值求和，因此确定指定磁轴的γ—δ轴的旋转速度ω_R γ。

2.  如权利要求1所述的永磁同步电动机的无检测器控制方法，其中γ轴电流指令值i_REFL乘以增益K1和正常速度区域指令值i_γREFH乘以分配增益K2并将两个相乘值求和时，以此确定γ轴电流指令值i_γREF。

3.  如权利要求1所述的永磁同步电动机的无检测器控制方法，其中由包含速度指令值ω_REF和ω_RP的比例控制项和包含速度指令值ω_RREF和ω_Rγ的积分控制项构成δ轴电流指令值i_δREF。

4.  一种永磁同步电动机的无检测器控制装置，包含：

分配增益发生器，设定分配增益K1为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是降低的，以及分配增益K2为当旋转速度指令ω_RREF的绝对值变大时是升高的；

γ轴电流指令发生器，根据在低速状态下的γ轴电流指令i_γREFL、在高速度状态下的γ轴电流指令i_γREFH和分配增益K1、K2产生γ轴指令i_γREF；

速度控制器，根据旋转速度指令ω_RREF输出δ轴电流i_δREF；

δ轴电流控制器，根据δ轴电流i_δREF输出δ轴电压指令V_δREF；

γ轴电流控制器，根据γ轴电流指令i_γREF输出γ轴电压指令V_γREF；

矢量控制电路，根据δ轴电压指令V_δREF和γ轴电压指令V_γREF向同步电动机的逆变器电路输出电压值和位置角；

三相/二相变换器，根据同步电动机的二相电流i_u、i_w，产生δ轴电流i_δ和γ轴电流i_γ；

γ—δ轴电流、感应电压估计器，根据电压指令V_δREF、V_γREF、δ轴电流i_δ和γ轴电流i_γ，输出感应电压估计值ε_δest(K＋1)和ε_{γ est}(K＋1)；以及还分别向γ轴电流控制器输出γ轴电流估计值i_γest(K＋1)和向δ轴电流控制器输出δ轴电流估计值i_δest(K＋1)；

比例控制速度运算器，根据感应电压估计值ε_δest(K＋1)，ε_γest(K＋1)运算指令控制速度ω_RPest；

积分磁轴旋转速度运算器，根据分配增益K1、K2和指令控制速度ω_RPest输出磁轴的旋转速度ω_Rγest；以及

磁轴运算器，根据磁轴旋转速度ω_Rγest向逆变器电路输出电压值和位置角。

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