专利名称：同步电机中开环矢量控制的启动方法
技术领域：
本发明涉及一种在同步电机中启动开环矢量控制的方法，此方法包括判断同步电机的定子电感模式和在多个方向上测量定子电感。
为执行矢量控制，必须知道电动机的磁链和电流。电动机的磁链由电机感应时定子和转子的电流作用产生。在同步电机中，必须估算转子电流并且此估算需要有关转子转速的信息。这就需要测量的或估算的转子转速。在同步电机中，独立于定子励磁的励磁电流施加到转子上，或者用永磁进行转子励磁，并且从定子可看出，它的影响在转子方位角的方向中表现出来。为了知道由方位角产生的磁链，必须测量或估算转子的方位角。
当AC电动机的矢量控制使用测量的转子转速或方位角时，其控制方法被称作闭环矢量控制。如果估算转速或方位角时，其控制方法被称作开环矢量控制。根据执行方法，除了转子角度或角速度之外，估算的变量也可以是定子磁链。
当同步电机用矢量控制启动时，电机的定子磁链具有初始值s0，该值取决于转子励磁f和转子方位角θr，如下所示ψs0=ψfejθr]]>当电压us影响定子磁链时，定子磁链根据下式变化ψs=ψs0+∫l1l2(us-Rsis)dt]]>。从上式显而易见，当对定子磁链求积分时，除了需要电压和电流值以外，还需要定子磁链的先前值。因而，为了可控制地启动电机，需要有关转子初始方位角的信息。当使用闭环矢量控制时，测量初始角，然而，当使用开环矢量控制时，初始角必须估算确定。当转子旋转时，转子磁链产生电动势，此电动势在正常操作状态下的矢量控制时可被利用，但当转子停止时就没有电动势。
在凸极式同步电机如外激同步电机或用永久磁铁励磁的电机中，或者在同步磁阻电机中，静止坐标系中的定子电感Ls是转子角度θr的函数，见下式Ls＝Ls0+Ls2cos2θr，并且
图1示出上述方程式的图解。从图中可看出，电感在两倍转子角度内围绕基础值Ls0变化，幅度为电感系数Ls2。电感系数Ls0和Ls2定义如下Ls0=Lsd+Lsq2,]]>Ls2=Lsd-Lsq2,]]>其中，电感Ls0和Lsq为同步电机的直轴和交轴瞬态电感。
利用上述方程式确定转子的初始角度本身是已知的，并且例如在以下文章中描述，如S.stlund和M.Brokemper的“对于一体化PM同步电动机驱动从零到额定转速的无传感器转子位置检测”，IEEETransactions on Industry Applications，1996年9月/10月，卷32第1158-1165页；以及M.Schroedl的“无机械传感器的永磁同步电机的操作”，Int. Conf. On Power Electronics and Variable Speed Drives，1990年，第51-55页。
根据M.Leksell、L.Harnefors和H.P.Nee的论文“对于PM电动机无传感器控制的电机设计考虑”，Proceedings of the InternationalConference on Electrical Machines ICEM’98，1998年，第619-624页，正弦波交变电压以转子的理论直轴方向施加到定子上。如果这在理论转子坐标中产生交轴电流，就修正理论转子坐标以使交轴电流消失。参考文献指出，变频器作用到同步电机上的切换频率应该至少是供电电压频率的10倍。因此，能以5-10kHz切换频率的变频器的供电电压最大频率例如在500-1000Hz之间。这对于算法运算是足够的。如此之高的切换频率由IGBT变频器实现，但在更高功率下需要的具有GTO或IGCT功率转换器的变频器具有小于1kHz的最大切换频率。在初始角度估算中供电电压的最大频率仍然小于100Hz。在如此低的频率下电机提高转矩并且算法变得非常不准确。
在M.Schroedl 1990年的参考文献中，初始角度从一次电感测量中直接计算得到，或者，如果采用更多的测量，通过消去电感参数可利用另外的信息。此方法的缺陷是误差的影响大，而误差在测量中是无法避免。对永磁电机在转子角度θr＝
时的实际电感测量的一个实例如图2所示。图2理论上表明与正弦曲线有很大的偏差。进行电感测量以便向定子输入产生磁链的电流脉冲，基于此磁链计算电感。误差来自电流测量中的误差或者测量电流所产生的转矩使转子旋转的事实。
从静止坐标系中的电感表达式有可能推导出转子角度的表达式θr=12arccosLs-Ls0Ls2+nπ]]>其中n是整数。测量值Ls中误差的影响可通过θr对Ls求微分来分析dθrdLs=-12Ls211-(Ls-Ls0Ls2)2]]>这就能计算角度的误差估计Δθr≈dθrdLsΔLs]]>。可以看出当 时，Δθr→∞。从以上可看出，当直轴和交轴方向之间的电感差较小时，角度的误差估计接近于无限大。换句话说，当转子直轴和交轴电感的辐度相互之间越接近，基于电感测量的初始转子角度确定就变得越不可靠。
在S.stlund和M.Brokemper的参考文献介绍的方法中，不直接计算转子角度，但通过首先以长间隔在不同方向开始测量电感并在通过减小连续测量的角度差而接近最小电感时来寻找最小电感。即使在此文中没有提及，但此方法容易隐藏由测量误差产生的假定最小值，因此误差值是极高的。
基于以上描述，应该设法降低电感测量误差的影响。虽然一种方法可以在每个方向进行几次测量并且从测量到的电感计算平均值，但此方法不会消除系统误差的影响。
本发明的方法基于这样的概念在多个方向上测量定子电感的幅度，并且作为测量结果而得到的电感值在电机电感模型中设置。经过设置，可获得有关同步电机初始转子角度的非常准确的信息。另外，通过利用本发明的方法，获得有关静止坐标系中转子励磁初始值的信息，电机因此能以可靠的方式启动，而不会瞬态或急剧启动。
发明详述根据本发明，同步电机中开环矢量控制的启动首先包括确定同步电机定子电感模型Ls＝Ls0+Ls2cos2θr的步骤。此方程式指出电感如何根据静止坐标系中的转子角度变化。因而此方程式表明当转子旋转一定角度θr时，在定子坐标系的x轴方向测量的电感如何变化。
当希望确定初始转子角度时，不可能在不同的转子方位角旋转以测量电感。而是定子坐标系旋转到某个角度，在此方向上测量电感。这些可旋转的定子坐标系被称作虚拟定子坐标系。图3示出各种坐标系，并且指出，定子坐标系是坐标系xy，虚拟定子坐标系是坐标系x′y′而转子坐标系为dq。
那么，实际定子坐标系中的电感模型可写成为Ls＝Ls0+Ls2cos[2(θr-λ)]＝Ls0+Ls2cos[2(λ-θr)]＝Ls0+Ls2cos(2λ+)这里，θr是静止坐标系中的转子角度。λ是虚拟坐标系中的角度并且θr-λ为虚拟坐标系中的转子角度。通过引入参数＝-2θr，有可能在分析时简化方程式。所以静止坐标系中的所需转子角度由下式给出 参照图5的流程图，根据本发明，在初始化电感测量2后，在多个方向上测量同步电机的定子电感3。进行定子电感测量有利于向定子输入产生电流脉冲的电压脉冲，此电流脉冲引起磁链，基于磁链则可计算电感。定子电感测量可例如在6个方向上进行。这6个电压矢量容易由变换器来完成，因为矢量对应变换器的切换组合，其中正、负电压在三相定子的每两极之间产生。图4示出6个电流矢量以及它们在测量中的优选相互顺序。为了提高准确度，可在每个方向上进行多次测量。为了降低转子旋转的可能性，测量以图4的顺序进行，即在0°方向开始测量，接着180°方向，再接着60°方向等，直到在所有方向上测量完。图2示出相对于不同转子角度值的定子电感测量值。在图5流程图中，在电感测量3之后检查确定要测量的所有方向上的电感是否已测量4，如果不是，初始化一新的方向5，根据图4测量电感。
根据本发明，为了形成得到最小误差的模型参数，在已确定的定子电感模型中设置测量的定子电感6。优选使用最小均方(LMS)方法在模型中设置测量数据。在LMS方法中，建立的模型用于可测量的变量，在此模型中设置待测数据以使平方和最小。此平方和指的是测量值与相应模型值之差的平方的总和。如果模型是线性的，就能以闭合形式解此模型的参数，但在非线性的情况下，此问题大概是一个数值上可求解的非线性最优化任务。
在非线性LMS方法中，对以下函数最小化F(a)=Σi=1m[fi(a)]2=Σi=1mfi(a)fi(a)=⟨f(a),f(a)⟩=[f(a)]2]]>在这，m为试样(测量)的数量；fi＝yi-M(ti，a)是非线性模型M和测量数据(ti，yi)之差；α＝[α1α2α3…αn]T∈Rn是模型参数；f(α)＝[f1(α)f2(α)…fm(α)]T是由函数fn形成的矢量；<，>指内积。在数值解中需要的函数F(a)的梯度为F(α)＝2J(α)Tf(α)其中，J(a)是函数f(a)的雅各比矩阵。
在此方法中，电感模型由M及其参数α1、α2和α3表示y＝M(t，a)+ε＝α1+α2cos(2t+α3)+ε这里，y＝Ls是在虚拟坐标系中测量的电感，t＝λ是虚拟坐标系中的角度，即静止坐标系中的测量方向，ε为测量误差，并且α＝[α1α2α3]T＝[Ls0Ls2]T是模型的参数矢量。
为求解模型的参数，有可能使用已知的共轭梯度法。然而，采用公用DSP处理器执行此方法有困难，所以值得利用以下知识Ls0=Lsd+Lsq2]]>Ls2=Lsd-Lsq2]]>其中，电感Lsd和Lsq是直轴和交轴瞬态电感。
通过假定瞬态电感Lsd和Lsq是先前已知的而简化电感模型。当通过首先在直轴位置输入直流电给定子而旋转转子以引导电机时，测量瞬态电感。当转子在直轴位置被旋转之后，定子在直轴和交轴方向输入阶梯形电压脉冲，此电压脉冲产生电流，基于此电流则可计算电感。另一可选方案是利用启动程序，从而求解得到最小误差的参数Ls0和Ls2，以取代求解得到最小误差的角度。
下式给出简化的电感模型y＝M(t，α)+ε＝Ls0+Ls2cos(2t+α)+ε只有参数α仍需求解，并因此用于求解的算法得到大大筒化。根据以下方程式，上述已知的且求解所需的梯度被简化成公共导数，▿F(a)=dda{Σi=1m[fi(a)]2}=2Σi=1mdfi(a)dafi(a)]]>在这，dfi(a)da=dM(ti,a)da=Ls2sin(2ti+a),]]>fi＝yi-M(ti，α)为模型M和数据(ti，yi)之差，且m为数据的数目。
现在考虑对只有一个变量的函数的极小化，这仅通过处理器就可进行处理，例如，可通过用已定步骤减小目标函数M的值并且通过选择产生最小值的a来实现。在所述简化步骤中，产生最小值的a是初始角度的解，即有关同步电机转子的角度位置的信息。
由于定子电感是两倍转子角度的函数，因此上述解仅仅是转子角度的候选解。还有可能求解是所述候选解再加180°。因而不能确切知道所找到的方向是转子励磁或永磁的北极还是南极。
为寻找极性，本发明利用转子励磁使直轴电感饱和的事实。在用定子电流进行反向励磁时，磁通密度和磁性饱和度降低，反过来正向励磁时也这样。因而，直轴电感在0°和180°方向有不同的幅度。在找到候选解之后，通过在候选解的方向8和从其转180°的方向10再次测量电感以寻找转子励磁的极性。这两个方向的电感已被测量9，选择11、12和13这些电感中更低的一个，即为正确的转子角度。
如果使用的同步电机是同步磁阻电机7，就不需要寻找电机极(因电机结构)。
上述电感模型不考虑直轴电感的磁性饱和，所以就必须单独寻找永磁体的极性。然而，有可能在模型中考虑极性，从而有可能寻找转子的位置角度而不需要任何单独的极性检查步骤。假定直轴电感是直轴电流的函数且呈线性变化，就有可能把直轴电感写成Lsd＝Lsd0+k·isd其中，k为电感的斜率，并且当isd＝0时，Lsd0为本身电感值。通过在定子坐标系的x轴方向往定子输入电流，从而isy＝0，转子坐标系中的所述电流由下式给出isd＝isdcosθr那么定子电感为Ls=Lsd+Lsq2+Lsd-Lsq2cos2θr]]>=Lsd0+Lsq2+Lsd0-Lsq2-cos2θr+k2isxcosθr+k2isxcosθrcos2θr]]>在以上方法中，作θr→λ-θr替代，这产生考虑磁性饱和的改进电感模型y＝M(t，a)+ε＝α1+α2cos(t+α4/3)+(α3+α2cos(t+α4/3))cos(2t+α3)+ε其中参数an如下 根据先前已知参数的数量，在上述方法中能简化求解。
当根据本发明找到转子的方向时，根据转子方向对磁链初始化14。初始化的目标在于使变换器控制系统适应同步电机中的条件。在初始化以后，可以利用已知的开环矢量控制方法以可靠的方式启动同步电机。
对于本领域中技术人员显而易见，随着技术进步，本发明的基本概念能以各种方式实现。因而，本发明及实施例并不局限于上述实例，它们可在权利要求的范围内变化。
权利要求
1.一种在同步电机中启动开环矢量控制的方法，其中，本方法包括以下步骤确定同步电机的定子电感模型；在多个方向上测量定子电感(2)，本方法特征在于还包括下列步骤为了形成得到最小误差的模型参数，在已确定的定子电感模型中设置测量的定子电感(6)；为了验证转子励磁的方向，检查转子的励磁极性(11)；根据已形成的模型参数和转子励磁的方向，对开环矢量控制的磁链初始化(14)；以及用矢量控制方法启动同步电机。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于，在多个方向上测量同步电机定子电感包括以下步骤在多个不同的方向对同步电机的定子提供电压脉冲；基于在不同方向上提供的电压脉冲、由此电压脉冲产生的电流以及定子电阻，计算相应方向的磁链的幅度；以及从磁链的幅度以及电流计算相应方向的定子电感。
3.一种如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在已确定的定子电感模型中设置测量的定子电感包括以下步骤通过最小均方法在定子电感模型中设置测量的定子电感，以便提供模型参数，此模型参数包括对转子初始角度的解。
4.一种如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，检查转子励磁极性包括以下步骤在初始转子角度解的方向和在从初始转子角度解旋转180电气度的方向测量定子电感，其中初始转子角度解包括得到最小误差的模型参数。选择在测量的电感中具有更低定子电感的角度作为初始角度(11)。
全文摘要
一种启动开环矢量控制的方法,其中,本方法包括以下步骤:确定同步电机的定子电感模型;在多个方向上测量同步电机的定子电感(2)。本方法还包括下列步骤:为了形成得到最小误差的模型参数,在已确定的定子电感模型中设置测量的定子电感(6);为了验证转子励磁的方向,检查转子励磁的极性(11);根据形成的模型参数和转子励磁的方向,对开环矢量控制的磁链初始化(14);以及用矢量控制方法启动同步电机。
文档编号H02P6/00GK1350720SQ00807606
公开日2002年5月22日 申请日期2000年5月18日 优先权日1999年5月19日
发明者朱利尤斯·鲁可 申请人:Abb工业公司