專利名稱：無傳感器矢量控制設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種矢量控制設(shè)備，尤其涉及無傳感器矢量控制設(shè)備和方法，用于控制感應(yīng)電動機的變速運轉(zhuǎn)和速度。
2.背景技術(shù)通常，由于與直流電動機相比感應(yīng)電動機比較難于控制，因此感應(yīng)電動機主要用于恒速運轉(zhuǎn)。然而，隨著矢量控制理論的引入和高性能的中央處理器(CPU)或數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展，可以控制感應(yīng)電動機做變速運轉(zhuǎn)。
矢量控制理論是這樣一種方法，其中以120°間隔輸入的三相交流電(“a”相、“b”相、“c”相)按直軸和90°間隔的橫軸分解(轉(zhuǎn)換)，將它們的大小控制為需要的值并將其恢復(fù)(反轉(zhuǎn)換)為三相電，由此控制三相交流電。這個方法主要用于控制感應(yīng)電動機。
為了對感應(yīng)電動機進(jìn)行矢量控制，需要感應(yīng)電動機的速度信息或磁通信息。為了檢測速度信息或磁通信息，需要速度傳感器或磁通傳感器，諸如速度計、解析器(resolver)或脈沖編碼器。
然而，由于傳感器包括電子電路，因此，由于電子電路的使用溫度范圍、速度傳感器和變流器(inverter)之間信號接線費用大，使具有傳感器的感應(yīng)電動機受到局限。
而且盡管可以安裝速度傳感器，由于感應(yīng)電動機與速度傳感器之間的連接部分禁受不起沖擊，出于設(shè)備可靠性考慮最好避免使用傳感器。
因此，近來，提出了關(guān)于沒有速度傳感器的無傳感器矢量控制設(shè)備的各種感應(yīng)電動機速度估算方法。其中，將基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)、自適應(yīng)觀察器的方法(即，一種獨立于主控制系統(tǒng)的估算速度或者轉(zhuǎn)差頻率的方法)用作考慮速度估算穩(wěn)定性的高速運算方法，將高頻注入(high frequencyinjection)方法用作低速算法方法。
圖1是依照常規(guī)技術(shù)的速度控制設(shè)備的示意方框圖，其依照電壓轉(zhuǎn)換頻率的方法提供同步速度。
如圖1所示，常規(guī)的速度控制設(shè)備包括角速度發(fā)生器1，它接收使用者輸入的命令頻率(F)，將其轉(zhuǎn)換為施加給電機的電機角速度(We)并輸出；電壓發(fā)生器2，它接收命令頻率(F)，依照電壓對頻率的比率(V/F比率)生成電壓并輸出；和變流器(inverter)3，它通過利用從角速度發(fā)生器1輸出的電機角速度(We)和從電壓發(fā)生器2輸出的電壓控制感應(yīng)電動機(IM)的速度。
現(xiàn)在來解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的常規(guī)速度控制設(shè)備的工作情況。
通常，在工業(yè)現(xiàn)場，不需要速度檢測裝置，相反，普遍使用的是簡單控制的可變電壓可變頻率(VVVF)方法的普通變流器。
為了恒定保持感應(yīng)電動機的磁通，普通變流器恒定控制變流器輸出電壓和輸出頻率之間比率(V/F＝常數(shù))，且通過改變輸出頻率來控制旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度(rpm(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)))。
同步速度(rpm)＝120*F/P-------------------------------(1)其中“P”表示定子繞組的磁極數(shù)目，而“F”表示定子繞組流動的電流的命令頻率。
同時，用于獲取輸入電壓的感應(yīng)電動機的電壓(Vs)如下所示。
Vs＝Rs*Is+(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------(2)其中“Rs”表示定子電阻，“Is”表示感應(yīng)電動機的輸入電流，“Lls”表示定子漏磁電抗，而“Lm”表示激磁電抗。
在忽略公式(2)中感應(yīng)電動機的定子電阻(Rs)的情況下，Vs＝(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------------(3)通常，與公式(3)中的激磁電抗(Lm)相比，定子漏磁電抗(Lls)較小。因此，通過公式(4)計算公式(3)Vs＝Lm*dIs/dt＝We*Lm*Is＝2πF*φ-----------------------------(4)在公式(4)中，因為Vs/F＝2π*φ，因此通過恒定地提供Vs/F比率可恒定地保持磁通以控制電機。
因此，當(dāng)確定了命令頻率(F)時，可將其轉(zhuǎn)換為同步速度(We＝2πF)并施加給感應(yīng)電動機。此時，為了恒定地保持感應(yīng)電動機的磁通，生成一個確使V/F比率恒定的相應(yīng)于命令頻率(F)的電壓，且將其輸出到變流器。
然后，變流器利用同步速度(We)和電壓生成三相電壓，并且把它們提供給感應(yīng)電動機(IM)。即，假設(shè)恒定地提供V/F比率，由于恒定地保持磁通，因此可以控制感應(yīng)電動機。
在這方面，由于感應(yīng)電動機以與同步速度相比較低的速度轉(zhuǎn)動，通過下面的公式(5)得到一個轉(zhuǎn)差率(slip)Slip＝(We-Wr)/We其中“We”表示同步速度，而“Wr”表示感應(yīng)電動機的速度。
圖2說明了依照常規(guī)技術(shù)V/F方法的負(fù)荷和電機的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩的曲線波形的圖表。
如圖2所示，感應(yīng)電動機在負(fù)荷和感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩曲線的交點運行，并且有相應(yīng)的電流流動。
圖3是依照常規(guī)技術(shù)的矢量控制設(shè)備的示意性方框圖。
如圖3所示，矢量控制設(shè)備具有變流器，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并向感應(yīng)電動機提供需要的三相電流，包括第一比例積分器5，用于接收在由使用者輸入的速度命令值(Wr*)和從感應(yīng)電動機實際檢測到的速度(Wr)之間的誤差，并且生成一個“q”軸分量的電流命令值(iqse*)；第二比例積分器8，用于接收一個誤差，它是相應(yīng)于電機額定值的“q”軸的電流命令值(iqse*)和流過電機的“q”軸的實際電流(iqse)之間的差值，并且生成和輸出一個電壓(vqse)，用于使電機以速度命令值(Wr*)速度運行；第三比例積分器9，用于接收在相應(yīng)于電機額定值的“d”軸分量的電流命令值(idse*)和流過電機的“d”軸的實際電流(idse)之間的誤差，并且生成和輸出一個電壓(vdse)用于使電機以速度命令速度運行；靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10，用于接收兩相電壓(vqse和vdse)并且輸出三相電壓Va、Vb和Vc；同步坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器12，用于檢測輸入感應(yīng)電動機的三相電流(ias、ibs和ics)，改變流過電機的“d”軸的實際電流(idse)和流過電機的“q”軸的實際電流(iqse)，并且輸出它；轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13，用于接收“q”軸分量的電流命令值(iqse*)和“d”軸分量的電流命令值(idse*)并且生成一個轉(zhuǎn)差頻率；算術(shù)控制信號發(fā)生器14，用于接收轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)和感應(yīng)電動機的實際檢測到的速度(Wr)，并且生成角速度(We)；變流器11，用于接收三相電壓Va、Vb和Vc并且控制感應(yīng)電動機的速度；和速度傳感器15，其連接到感應(yīng)電動機的軸上，以檢測感應(yīng)電動機的速度。
現(xiàn)在來解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的常規(guī)矢量控制設(shè)備的工作情況。
首先，第一運算器獲取在速度命令值(Wr*)和實際檢測到的速度(Wr)之間的誤差，并且把它提供給第一比例積分器5，第一比例積分器5建立一個“q”軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)的電流命令值(iqse*)并且把它提供給第二運算器6的非反向輸入端(+)，把相應(yīng)于電機額定值生成的“d”軸分量的電流命令值(idse*)提供給第三運算器7的非反向輸入端(+)。
然后，第二運算器6和第三運算器7獲取“d”與“q”軸的電流命令值(idse*和iqse*)和“d”與“q”軸的實際電流值(idse和iqse)之間的誤差，并且把誤差提供給第二比例積分器8和第三比例積分器9。
然后，第二和第三比例積分器8和9生成“d”軸與”q”軸電壓vqse和vdse，并且把它們分別地傳送到靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10。
此時，轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器13利用“d”與“q”軸的電流命令值(idse*和iqse*)獲取Wslip，并且把它提供給算術(shù)控制信號發(fā)生器14的非反向輸入端(+)。
速度傳感器15用于檢測感應(yīng)電動機IM的速度，它把檢測到的電機速度(Wr)提供給算術(shù)控制信號發(fā)生器14的另一個非反向輸入端(+)。
然后，算術(shù)控制信號發(fā)生器14獲取轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)和電機速度(Wr)，計算出感應(yīng)電動機的同步角速度(We)，生成算術(shù)控制信號，用以利用計算出的同步角速度(We)來將兩相電壓轉(zhuǎn)換為三相電壓或者將三相電壓轉(zhuǎn)換為兩相電壓，并且把它提供給靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10和同步坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器12。
因此，當(dāng)靜態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器10將兩相電壓vqse和vdse轉(zhuǎn)換為三相電壓Va、Vb和Vc并且將它們提供給變流器11時，變流器11接收三相電并且驅(qū)動電機。
無傳感器矢量控制方法利用速度估計算法來代替檢測感應(yīng)電動機速度的速度傳感器。
同時，常規(guī)的可變電壓可變頻率(V.V.V.F)方法不需要速度檢測設(shè)備且簡單地執(zhí)行速度控制，它是簡單地恒定地保持感應(yīng)電動機磁通的V/F方法。
然而，常規(guī)技術(shù)的矢量控制方法有幾個缺點。
即，首先，盡管提供了作為頻率(F)的速度命令值，但是提供給感應(yīng)電動機的值是同步速度(We)，實際的電機速度以“Wr＝We(1-slip)”給出，這導(dǎo)致一個問題就是實際的電機速度按轉(zhuǎn)差頻率改變，而轉(zhuǎn)差頻率隨負(fù)荷變化。
其次，盡管恒定地控制磁通的V/F比率是恒定地保持著的，但由于包含在公式(2)中的定子電阻(Rs)被忽略不計，所以磁通在低速時很少得到補給，導(dǎo)致一個問題就是電機不能生成所需要的輸出轉(zhuǎn)矩。
第三，常規(guī)的矢量控制方法是，在用低速算法控制電機速度時，通過將高頻電壓或電流加到基波電壓上來尋找電機磁通的絕對位置。因此這個方法在低速情況是有效的，但是不可能用在高速情況下。相反地，用高速算法控制電機速度時，該方法在高速情況是有效的，但是由于在低速情況下該算法本身的實現(xiàn)非常困難，由此導(dǎo)致的一個問題就是不能用于覆蓋整個速度范圍。
第四，為了使用高速和低速算法，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地獲取電機的一個參數(shù)。假如該參數(shù)不準(zhǔn)確，系統(tǒng)就不穩(wěn)定，因而，需要大量算術(shù)運算用于算法的實現(xiàn)。為了這個目的，需要中央處理器(CPU)或高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)，其通常很難被采用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種矢量控制設(shè)備，其能夠防止速度隨負(fù)荷變動，并能防止相應(yīng)于在低速情況下磁通減少的轉(zhuǎn)矩減少，從而解決了起動轉(zhuǎn)矩減少的問題。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種矢量控制設(shè)備，其能夠在整個速度范圍內(nèi)執(zhí)行無傳感器矢量控制。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種通過減少對感應(yīng)電動機參數(shù)的依賴和運算數(shù)量的易于實現(xiàn)的算法，它不使用高性能的主運算裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種矢量控制設(shè)備，通過解決常規(guī)系統(tǒng)運行在速度-轉(zhuǎn)矩曲線的不穩(wěn)定區(qū)域的問題，能夠使系統(tǒng)在任何情況下都運行在穩(wěn)定區(qū)域。
為了達(dá)到這些和其他優(yōu)點并依照本發(fā)明的目的，正如此處具體的和寬泛的描述，提供了一種無傳感器矢量控制設(shè)備，它包括速度控制器，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并且輸出同步速度(We)；“d”軸電壓命令單元，用于接收流過電機的“d”軸的實際電流(ids)和“q”軸的電流(iqs)，并且生成“d”軸電壓(Vds)；“q”軸電壓命令單元，用于從速度控制器接收同步速度(We)，接收相應(yīng)于電機額定值的“d”軸分量的電流命令值(ids*)，并且生成“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器，用于從“q”軸電壓命令單元接收“q”軸電壓(Vqs)和從“d”軸電壓命令單元接收“d”軸電壓(Vds)，并且將這兩相電壓(Vqs和Vds)轉(zhuǎn)換成三相(Va、Vb、Vc)；和變流器，用于從電壓轉(zhuǎn)換器接收該三相電并且控制感應(yīng)電動機的速度。
為了達(dá)到上面的目的，進(jìn)一步提供了無傳感器矢量控制方法，用于從使用者接收速度命令值并且控制感應(yīng)電動機的速度，它包括以下步驟通過速度控制器接收速度命令值(Wr*)；通過使用速度控制器控制速度以補償相應(yīng)于負(fù)荷變化的速度變化；運算從速度控制器輸出的同步速度(We)、磁通分量的電流命令值(ids*)、“d”軸的實際電流(ids)和“q”軸的實際電流(iqs)，并且生成“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)；對“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)進(jìn)行三相轉(zhuǎn)換，并且將這三相電供給變流器。
下面通過結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，本發(fā)明前述的和其它的目的、特征、方面和優(yōu)點將變得更加顯而易見。


附圖用于提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，將其結(jié)合并組成說明書的一部分，附圖連同用于解釋本發(fā)明原理的描述一起說明了本發(fā)明的實施例。
在這些附圖中圖1是依照常規(guī)技術(shù)的速度控制設(shè)備的示意性方框圖，其依照V/F方法提供同步速度；圖2表示依照常規(guī)技術(shù)根據(jù)V/F方法的負(fù)荷和電機的轉(zhuǎn)差率-轉(zhuǎn)矩曲線波形圖。
圖3是依照常規(guī)技術(shù)的矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖4是依照本發(fā)明一個實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖5表示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的用于提供同步速度的速度控制器的結(jié)構(gòu)；圖6是表示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)的詳圖；圖7是依照本發(fā)明另一個實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖；圖8A表示當(dāng)負(fù)荷施加到依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備上時生成的波形；圖8B表示了當(dāng)負(fù)荷躍變(轉(zhuǎn)矩電流)施加到依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備上時生成的波形；和圖9A到9D表示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的速度的、磁通-電流(fluxcurrent)的和負(fù)荷的波形。
具體實施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例，其例子示于附圖中。
圖4是依照本發(fā)明一個實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的示意性方框圖。
如圖4所示，本發(fā)明的無傳感器矢量控制設(shè)備依照使用者的輸入驅(qū)動感應(yīng)電動機，其包括速度控制器50，用于從使用者接收速度命令值(Wr*)并且輸出同步速度(We)；“d”和“q”軸電壓命令單元60，用于接收速度控制器的同步速度(We)并且輸出“d”軸電壓(Vds)和“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器70，用于接收“q”軸電壓命令單元的“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓命令單元的“d”軸電壓(Vds)，并且將這兩相電壓Vqs和Vds轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)；和變流器80，用于從電壓轉(zhuǎn)換器接收該三相電壓并且控制感應(yīng)電動機的速度。
現(xiàn)在來解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的無傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
在用于依據(jù)從使用者收到的速度命令值(Wr*)控制感應(yīng)電動機速度的無檢測矢量控制設(shè)備中，當(dāng)速度控制器50從使用者接收速度命令值(Wr*)時，它控制速度以補償相應(yīng)于負(fù)荷變化的速率變化。然后，對從速度控制器50輸出的同步速度(We)、磁通分量的電流命令值(ids*)、“d”軸的實際電流(ids)和“q”軸的實際電流(iqs)進(jìn)行運算以生成“q”軸電壓(Vqs)和“d”電壓(Vds)。然后，電壓轉(zhuǎn)換器將生成的“q”軸電壓和“d”電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓，并且將它們供給變流器，從而可以恒定地保持磁通-電流并且可以恒定地控制感應(yīng)電動機。
圖5表示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的用于提供同步速度的速度控制器的結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，用于提供同步速度的速度控制器包括運算器21，用于獲取依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)和感應(yīng)電動機的實際電機速度(Wr)之間的差值；比例積分器22，用于接收從運算器21輸出的差值，執(zhí)行比例積分運算并且獲取電機的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)；和運算器23，用于接收速度命令值和轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)并且輸出同步速度。
現(xiàn)在來解釋按上面的描述結(jié)構(gòu)的速度控制器的工作情況。
運算器21接收依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)，獲取速度命令值(Wr*)和實際電機速度(Wr)之間的差值，并且將它提供給比例積分器22。
然后，比例積分器22執(zhí)行比例積分運算，獲取電機的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)并且將它提供給運算器23。
然后，運算器23將轉(zhuǎn)差頻率Wslip和速度命令值(Wr*)相加以生成同步速度(We)，并且將生成的同步速度(We)提供給”q”軸電壓命令單元。
速度控制器通過利用由下述公式(6)得到的轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)獲取同步速度(We)Wslip＝(Rr/Lr)*iqs/ids---------------------------------(6)其中“Rr”表示感應(yīng)電動機的次級線圈電阻，“Lr”表示電機的電抗，“ids”表示流過電機的“d”軸的實際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過電機的“q”軸的實際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
通過利用公式(6)和同步速度(We)，按下述等式(7)計算電機速度(Wr)。
Wr＝We-Wslip-------------------------------------------(7)因此，當(dāng)速度控制器控制轉(zhuǎn)差頻率(Wslip)時，就避免了速度因負(fù)荷的變化而變化和V/F方法的問題，并且補償速度因負(fù)荷變化的變化。
圖6是顯示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖。
如圖6所示，本發(fā)明的無傳感器矢量控制設(shè)備包括“d”軸電壓命令單元200，具有低通濾波器(LPT)203，用于接收流過電機的“q”軸的實際電流(iqs)，并對該實際電流進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，然后輸出經(jīng)過濾波的電流(iqs)；第一乘法器204，用于接收經(jīng)過低通濾波器203濾波的電流(iqs)，將其乘以定子電阻，并且輸出一個電壓；電壓運算器205，用于接收經(jīng)過低通濾波器203濾波的電流(iqs)，將其乘以同步速度(We)和電感值δL，并且生成一個電壓；低通濾波器201，用于接收流過電機的“d”軸的實際電流(ids)，對其低通濾波以去除不必要的部分，并且輸出經(jīng)過濾波的電流；第二乘法器202，用于將經(jīng)過低通濾波器濾波的電流乘以定子電阻，并且輸出一個電壓；和第三運算器206，用于運算從第二乘法器202輸出的電壓和從電壓運算器205輸出的電壓，并且生成“d”軸電壓(Vds)；“q”軸電壓命令單元100，具有電壓發(fā)生器111，用于從速度控制器接收同步速度(We)，并生成與同步速度相對應(yīng)的電壓，以便使V/F比率保持不變；“d”軸電流控制器101，用于控制“d”軸電流以恒定地控制磁通；和第二運算器112，用于運算電壓發(fā)生器111的輸出電壓和從“d”軸電流控制器101輸出的電壓，并且生成“q”軸電壓(Vqs)；電壓轉(zhuǎn)換器300，用于將“q”軸電壓命令單元100的“q”軸電壓(Vqs)、“d”軸電壓命令單元200的“d”軸電壓(Vds)轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)并且輸出它們；和變流器400，用于從電壓轉(zhuǎn)換器300接收三相電壓(Va、Vb、Vc)并且控制感應(yīng)電動機的速度。
“d”軸電流控制器101包括第一運算器113，用于接收相應(yīng)于電機額定值的“d”軸分量的電流命令值(ids*)和流過“d”軸電流控制器101的實際電流(ids)，并且獲取誤差；和第一比例積分電路114，用于從第一運算器接收誤差值并且生成與電流誤差成比例的電壓。
現(xiàn)在來解釋按上面的描述構(gòu)成的無傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
速度控制器一從使用者接收依照使用者輸入的速度命令值(Wr*)，就將補償速度變化的同步速度(We)提供給“q”軸電壓命令單元100。
然后，“q”軸電壓命令單元100的電壓發(fā)生器111生成與同步速度相對應(yīng)的電壓以使V/F比率為常數(shù)，并且將其輸出到第二運算器112。
此時，第一運算器113獲取在相應(yīng)于電機額定值的“d”軸分量(轉(zhuǎn)矩分量)的電流命令值(ids*)和流過電機的“d”軸(激磁分量)的實際電流(ids)之間的誤差，并且將其提供給第一比例積分控制器114。
然后，第一比例積分控制器114生成與電流誤差成比例的電壓，并且將其輸出到第二運算器112。
當(dāng)“q”軸電壓命令單元100進(jìn)行如上所述的運算時，“d”軸電壓命令單元200的低通濾波器203接收流過電機的“q”軸的實際電流(iqs)，對其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，然后將經(jīng)過濾波的電流(iqs)傳輸給第一乘法器204。
然后，第一乘法器204將經(jīng)過低通濾波器203濾波的電流(iqs)乘以定子電阻(Rs)以生成電壓，并且將生成的電壓提供給”q”軸電壓命令單元100的第二運算器112。
因此，第二運算器112將電壓發(fā)生器111的輸出電壓、第一比例積分電路114的輸出電壓和經(jīng)由第一乘法器204輸出的電壓相加，以生成“q”軸電壓(Vqs)，并且將其提供給電壓轉(zhuǎn)換器300。
當(dāng)“q”軸電壓(Vqs)從“q”軸電壓命令單元100生成并且輸入到電壓轉(zhuǎn)換器300時，經(jīng)過低通濾波器203將電流濾波并使已經(jīng)低通濾波器203濾波的電流(iqs)乘以同步速度(We)和電感值(δL)，并且將生成的電壓輸出到第三運算器206。
此時，低通濾波器201接收流過感應(yīng)電動機的“d”軸的實際電流(ids)，并且去除其中不必要的部分，然后，第二乘法器202將“d”軸的實際電流(ids)乘以定子電阻(Rs)并且將其輸出到第三運算器206。
第三運算器206從第二乘法器202輸出的電壓中減去電壓運算器223輸出的電壓，以生成“d”電壓(Vds)并且將其提供給電壓轉(zhuǎn)換器300。
然后，電壓轉(zhuǎn)換器300將“q”軸電壓命令單元100和“d”軸電壓命令單元200的這兩相電壓(Vqs和Vds)轉(zhuǎn)換成三相電壓(Va、Vb、Vc)，并且將它們供給變流器400，用于控制感應(yīng)電動機的速度。
因此，可以獨立控制“d”軸電流和“q”軸電流，此時，由于電流受“d”電流控制器101控制，因此，與控制磁通的情況相比轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度較快。
“q”軸電壓(Vqs)和“d”軸電壓(Vds)由第二運算器112和第三運算器206產(chǎn)生，從下面的公式得到Vqs＝Rs*iqs+We*Ls*ids＝Rs*iqs+E---------(8)Vds＝Rs*ids-We*δLs*iqs-----------------(9)δLs＝Ls-Lm2/Lr≈LIs+LIr----------------(10)其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“Lm”表示激磁電抗，“Lr”表示轉(zhuǎn)子電抗，“LIs”表示定子漏磁電抗，“LIr”表示轉(zhuǎn)子漏磁電抗，“ids”表示流過電機的“d”軸的實際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過電機的“q”軸的實際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
公式(8)也可表達(dá)如下Vqs＝Rs*iqs+E---------------------------(11)E＝We*Ls*ids----------------------------(12)其中“E”表示電機的反向電動勢分量。
因此，通過控制公式(11)中的反電動勢分量(E)可以恒定地保持磁通。
圖7是依照本發(fā)明另一個實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的示意性的方框圖。
如圖7所示，依照本發(fā)明另一個實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備還包括電壓發(fā)生器115，用于將依照同步速度(We)的預(yù)定電壓供給”q”軸電壓命令單元100；和乘法器116，用于使從第一比例積分控制器輸出的電壓和從電壓發(fā)生器115輸出的電壓相乘。
現(xiàn)在來解釋如此構(gòu)成的無傳感器矢量控制設(shè)備的工作情況。
乘法器116使與從第一比例積分器114輸出的電流誤差成比例的電壓和來自電壓發(fā)生器115的電壓一起相乘，并且將它們輸出到第二運算器112，由此獲取“q”軸電壓(Vqs)。
獲取“d”軸電壓(Vds)的操作與上面圖6中所述的一樣。
圖8A和圖8B表示根據(jù)與依照本發(fā)明優(yōu)選實施例的無傳感器矢量控制設(shè)備的實驗結(jié)果獲取的波形；參照圖8A，常規(guī)技術(shù)存在感應(yīng)電動機在所加負(fù)荷為100％時速度為“0”的時間段內(nèi)失去控制的情況，與常規(guī)技術(shù)相比，由于具有本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)，因此由于磁通-電流被恒定地保持致使感應(yīng)電動機恒定地得到控制。
參照圖8B，施加100％負(fù)荷躍變(轉(zhuǎn)矩電流)之后，盡管其下降到0％負(fù)荷躍變，也能穩(wěn)定地驅(qū)動感應(yīng)電動機，因此磁通-電流是常數(shù)。
圖9A到9D表示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的速度的、磁通-電流的和負(fù)荷的波形。
如圖9A到9D所示，即使以高速或低速驅(qū)動感應(yīng)電動機，也不會存在速度隨負(fù)荷變化，因而，所見到的磁通是常數(shù)。
正如到此所描述的，無傳感器矢量控制設(shè)備和方法有許多優(yōu)點。
例如，第一，由于矢量控制可以甚至不使用速度傳感器在整個的速度范圍內(nèi)執(zhí)行，因此無傳感器矢量控制設(shè)備可以制造為產(chǎn)品。
第二，由于實現(xiàn)算法的算術(shù)運算量不多，因此即使利用普通的CPU或DSP也能實現(xiàn)。
第三，由于并不非常依賴于參數(shù)，而且系統(tǒng)在持續(xù)穩(wěn)定范圍內(nèi)操作，因此它可容易地適用于工業(yè)部門。
第四，它可適用于速度控制領(lǐng)域或需要起動轉(zhuǎn)矩的部門。
最后，和大容量的變流器一致，感應(yīng)電動機速度加速或者減速過程中可使磁通減少，從而，解決了存在的轉(zhuǎn)矩擺動問題。因此，可將普通的變流器可適用于每個工業(yè)領(lǐng)域。
由于本發(fā)明可在不脫離其精神和必要技術(shù)特征的情況下以若干形式體現(xiàn)，因此應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例不為任何前述描述的細(xì)節(jié)所限制，除非另有規(guī)定，都應(yīng)認(rèn)為是在所附加的權(quán)利要求中限定的精神和范圍之內(nèi)進(jìn)行的概括性解釋，因此落入權(quán)利要求的集合與界限的變化和改進(jìn)，或者這些集合與界限的等效替換都被認(rèn)為包含在附加的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種無傳感器矢量控制設(shè)備，包括速度控制器，用于從使用者接收速度命令值并且輸出同步速度；“d”和”q”軸電壓命令單元，用于接收同步速度命令值并且轉(zhuǎn)換為”d”軸電壓與”q”軸電壓；電壓轉(zhuǎn)換器，用于接收”q”軸電壓與”d”軸電壓，并且將這兩相電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓；和變流器，用于接收三相電壓并且控制感應(yīng)電動機的速度。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中速度控制器包括第一運算器，用于計算來自使用者的速度命令值和感應(yīng)電動機的實際電壓之間的誤差值；比例積分器，用于接收速度命令值和實際電壓之間的誤差，并且計算感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差頻率；和第二運算器，用于將轉(zhuǎn)差頻率和速度命令值相加并且獲取同步速度。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中”d”軸電壓命令單元包括低通濾波器，用于接收流過感應(yīng)電動機的“q”軸的實際電流(iqs)，對其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，而且輸出經(jīng)過濾波的電流(iqs)；第一乘法器204，用于接收經(jīng)過濾波的電流(iqs)，將其乘以定子電阻值(Rs)，并且輸出電壓；電壓運算器，用于接收經(jīng)過濾波的電流(iqs)，將其乘以同步速度(We)和電感值δL，并且生成電壓；低通濾波器，用于接收流過感應(yīng)電動機的“d”軸的實際電流(ids)，對其進(jìn)行低通濾波以去除不必要的部分，并且輸出經(jīng)過濾波的電流；第二乘法器，用于將經(jīng)過濾波的電流值乘以定子電阻值(Rs)，并且輸出電壓；和第三運算器，用于運算從第二乘法器輸出的電壓值和從電壓運算器輸出的電壓，并且生成”d”軸電壓(Vds)。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中”q”軸電壓命令單元包括電壓發(fā)生器，用于從速度控制器接收同步速度(We)，并且生成與同步速度相對應(yīng)的電壓，以便使電壓對頻率的比率恒定不變；“d”軸電流控制器，用于控制“d”軸電流以恒定地控制磁通；和第二運算器，用于運算電壓發(fā)生器的輸出電壓、從感應(yīng)電動機“d”軸電流控制器輸出的電壓、和“q”軸的分量的輸出電壓，并且生成”q”軸電壓(Vqs)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中“d”軸電流控制器包括第一運算器，用于接收相應(yīng)于感應(yīng)電動機額定值的“d”軸分量的電流命令值和流過感應(yīng)電動機的實際電流，并且獲取誤差；和第一比例積分電路，用于接收來自第一運算器的誤差值并且生成與電流誤差成比例的電壓。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中“d”軸電流控制器通過控制電流來獲取響應(yīng)速度。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中”q”軸電壓命令單元包括電壓發(fā)生器，用于接收同步速度并且提供預(yù)定的電壓；和乘法器，用于將從“d”軸電流控制器輸出的電壓和從電壓發(fā)生器輸出的電壓相乘。
8.一種無傳感器矢量控制方法，用于從使用者接收速度命令值并且控制感應(yīng)電動機的速度，包括步驟通過速度控制器接收依照使用者的輸入的速度命令值；通過速度控制器補償依照負(fù)荷變化的速度變化；接收同步速度、“d”軸分量的電流命令值、“d”軸的實際電流和“q”軸的實際電流，并且通過”q”軸電壓命令單元生成”q”軸電壓和通過”d”軸電壓命令單元生成”d”軸電壓。將“q”軸電壓和“d”軸電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓；和將這三相電壓供給變流器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中”d”軸電壓命令單元分別地控制“d”軸的電流和“q”軸的電流。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在”q”軸電壓命令單元中，通過使用公式Vqs＝Rs*iqs+We*Ls*ids＝Rs*iqs+E，E＝We*Ls*ids生成”q”軸電壓，其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“ids”表示流過電機的“d”軸的實際電流(磁通-電流)，“iqs”表示流過電機的“q”軸的實際電流(轉(zhuǎn)矩電流)，和“E”表示電機的反電動勢分量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中可以通過控制反電動勢分量(E)恒定地保持磁通。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中通過使用公式Vds＝Rs*ids-We*δLs*iqs，δLs＝Ls-Lm2/Lr≈LIs+LIr生成”d”軸電壓命令單元的”d”軸電壓，其中“Rs”表示定子電阻，“Ls”表示定子電抗，“Lm”表示激磁電抗，“Lr”表示轉(zhuǎn)子電抗，“LIs”表示定子漏磁電抗，“LIr”表示轉(zhuǎn)子漏磁電抗，“ids”表示流過電機的“d”軸的實際電流(磁通-電流)，和“iqs”表示流過電機的“q”軸的實際電流(轉(zhuǎn)矩電流)。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中生成”d”軸電壓與”q”軸電壓的算法是通過使用中央處理器或高性能的數(shù)字信號處理器實施的。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在該速度控制器中補償依照負(fù)荷變化的速度變化的步驟中，速度控制器通過控制轉(zhuǎn)差頻率補償速度變化。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在該通過使用速度控制器補償依照負(fù)荷變化的速度變化的步驟中，包括速度控制器的第一運算器接收依照使用者輸入的速度命令值、獲取速度命令值和實際的電壓之間的誤差并且將該誤差提供給比例積分器的步驟；比例積分器執(zhí)行比例積分運算以獲取電機的轉(zhuǎn)差頻率并且將它提供給第二運算器的步驟；和將轉(zhuǎn)差頻率和速度命令值相加得到同步速度的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中同步速度是通過利用了公式(1)、公式(2)得到的Wslip＝(Rr/Lr)*iqs/ids--------------------------(1)Wr＝We-Wslip------------------------------------(2)其中“Rr”表示感應(yīng)電動機的次級線圈電阻，“Lr”表示電機的電抗，“ids”表示流過電機的“d”軸的實際電流(磁通-電流)，“iqs”表示流過電機的“ q”軸的實際電流(轉(zhuǎn)矩電流)，“Wr”表示電機的速度，和“We”表示同步速度。
全文摘要
一種無傳感器矢量控制設(shè)備,包括速度控制器,用于從使用者接收速度命令值并輸出同步速度;“d”和“q”軸電壓命令單元,用于接收同步速度并且輸出“d”軸電壓與“q”軸電壓;電壓轉(zhuǎn)換器,用于接收“q”軸電壓與“d”軸電壓,并且將這兩相電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓;和變流器,用于接收該三相電壓并且控制感應(yīng)電動機的速度。由于即使不使用速度傳感器也能在整個速度范圍內(nèi)實現(xiàn)矢量控制,因此無傳感器矢量控制設(shè)備可以制造為產(chǎn)品。
文檔編號H02P21/00GK1339870SQ0113314
公開日2002年3月13日 申請日期2001年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者羅承昊 申請人:Lg產(chǎn)電株式會社