专利名称：无速度传感器的矢量控制装置的制作方法
一般地说本发明涉及一种能够控制交流电动机比如感应电动机等的矢量但没有速度传感器的无速度传感器矢量控制装置。
在公知的控制感应电动机的高性能和高精度系统的矢量控制中，要求有关电动机的速度信息，并且通常通过脉冲发生器(PG)等获得这种信息。然而，人们希望以一种变速驱动系统实现速度传感器矢量控制，这种变速驱动系统能够在较宽的运行范围中执行转矩控制并获得最大的转矩，而且不需要高性能的常规速度传感器矢量控制对安装速度传感器的限制，并且还能够简化接线，降低成本等。
附
图1所示为应用通用的速度自适应次级磁通观测器的常规的无速度传感器矢量控制装置的功能框图，所示的交流电动机102比如感应电动机等的速度传感器矢量控制器组合了变换器101、电流检测单元103、电流调整单元104,105、坐标变换单元106和109、3相到2相变换单元107和108、电流/磁通估计单元110以及速度估计单元301。
电流/磁通估计单元110、速度估计单元301等构成了速度自适应次级磁通观测器。
在附图1中，交流电动机102的初级电流118经过3相到2相变换单元108通过坐标变换单元109并应用设定作为旋转坐标标准的估计磁通(矢量)122转换成d-q轴向旋转坐标分量，然后变换成转矩电流(iq)117和磁化电流(id)116。电流调整单元104和105执行控制以使转矩电流(iq)117和磁化电流(id)116分别与转矩电流指令(iq*)113和磁化电流(id*)115相匹配。接收磁通指令(φ*)114的磁化电流指令操作单元112计算磁化电流指令(id*)115。
坐标变换单元106通过如下的方式产生初级电压指令119将电流调整单元104和105的输出转换到静态坐标系、产生初级电压指令119以及将所产生的指令提供给变换器101比如三相电压型变换器等。变换器101基于初级电压指令119执行直流-交流变换并将三相中的每相电压(初级电压120)提供给交流电动机102。
此外，分别通过3相到2相变换单元107和108将由电流检测单元103所检测的初级电压120和初级电流118变换成两个分量。将初级电压120的两相分量输入到电流/磁通估计单元110，初级电流118的两相分量输入到电流磁通估计单元110、速度估计单元301以及坐标变换单元109。
下文主要描述电流/磁通估计单元110和速度估计单元301的操作以解释在常规的无传感器的速度矢量控制器中的速度估计操作。
首先，引用如下的文献介绍无速度传感器的矢量控制原理文献1:Power and Electric Application Study of Electric Societyof Japan,material IEA-91-11,1991,pp.41-48 ″Speed AdaptiveSecondary Flux Observer of an Induction Motor and itsCharacteristics″文献2: IEEE Transaction on Industry Application,Vol.30,No.5,Sept/Oct 1994,pp.1219-1224 ″Speed Sensorless Field OrientedControl of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation″文献3: ″Vector Control of AC Motor″ (published by DailyIndustrical News in 1996,pp.91-110,Chapter5′Speed Sensor VectorControl of Induction Motor′.
依据上面所提到的文献，基于在下文中应用在附图2中所示的结构描述的算法可以估计该速度。
首先，在感应电动机作为要控制的电动机的实例中，状态等式通常可以通过等式1表示。通过在矩阵上加上字符T作为上标表示转置矩阵。d/dtisφr=Aisφr+Bvs]]>等式1
is=[isαisβ]T；φr=[φrαφrβ]T；vs=[vsαvsβ]T；A=-(RsσLs+1-σστr)ILmσLsLr(1τrI-ωrJ)LmτrI-1τrI+ωrJ;]]>B=1σLs00001σLs00T;]]>I=1001;]]>J=0-110;]]>在上述的等式1中，is和vs表示初级电流和初级电压；φr表示次级交链磁通(次级磁通)；上标α和β表示静态坐标系的正交的2-轴分量；Rs和Rr表示初级电阻和次级电阻；Ls,Lr和Lm分别表示初级感抗，次级感抗以及互感；τr=Lr/Rr表示次级时间常数；σ=1-Lm2/(LsLr)表示漏磁系数，以及ωr表示转子角速度。
等式1表示了在作为输入到控制目标的初级电压Vs和作为输出的初级电流is和次级磁通φr之间的关系。如果提供初级电压Vs，则能够计算出初级电流is和次级磁通φr。
这样的模型称为相同空间观测器(same dimension observer)即在该模型中可以将上述的偏差输入到模拟器中以使在测量的控制目标的输出和模拟器的估计输出值之间不存在偏差。依据这种观测器的原理，电流/磁通估计单元110通过等式2计算初级电流的估计值is^(在附图1中所示的估计电流121)和次级磁通的估计值φr^(估计磁通122)。在下文的描述中“^”表示估计值。d/dtis^φr^=A^is^φr^+Bvs+G(is^-is)]]>等式2在上面的等式2中，G表示增益矩阵(为确定观测器的动态特性的可选择的矩阵)通过将在等式1中的矩阵A中的角速度ωr替换为所估计的速度ωr^来获得矩阵A^。
在上文的等式2中，当电动机的角速度变化时，在模拟器(等式模型)的输出(初级电流估计值)和实际初级电流之间出现偏差。因此，速度自适应次级磁通观测器估计次级磁通φr而同时应用电流偏差(is-is^)的函数估计并适应角速度ωr。
如下文等式3所描述，通过将角速度的自适应估计机构作为未知的参数加入到等式2所表示的观测器中来构造速度自适应次级磁通观测器，并通过如附图1中所示的从所估计的电流121、初级电流118以及所估计的磁通(矢量)122中获得所估计的速度123的速度估计单元301来实现。
即，如在附图1中所示的速度估计单元301的在附图2中所示的实施例所示，外积单元202获得通过加/减单元203所获得的电流偏差(is-is^)和所估计的磁通(φr^)122的外积，速度估计单元301给PI调整单元201提供外积并获得所估计的速度(ωr^)123。
这就是说，通过下面的等式3计算所估计的速度ωr^。在等式3中符号x表示外积。
ωr^=(kpω+kiω/p){(is-is^)×φr^}=(kpω+kiω/p){(isα-isα^)φrβ^-(isβ-isβ^)φrα^}等式3p=d/dt在上面的等式3中，kpω和-kiω表示分别表示比例增益和整数增益；isα、isα^、isβ和isβ^表示在初级电流is和估计的电流is^的静态坐标系中的正交的2-轴分量；以及
φrα^和φrβ^表示在所估计的磁通φr^的静态坐标系中的正交的2-轴分量。
因此将如上文所描述获得的估计速度ωr^应用在速度和在附图1中没有示出的速度目标值ωr*之间的偏差的算术运算中，将该偏差输入到速度调整单元中并产生转矩电流指令113。
在上文所提到的常规的速度估计方法中，当施加到电动机的电压和电流的频率都相当低时(极端的例子为频率为0)，电动机的感抗逻辑上接近于零，并且不管电流为多大感应电压接近于零。因此不能从初级电压中计算次级磁通，也不能计算所估计的磁通或所估计速度。这就是说，在所估计的磁通和它的实际值之间的偏差以及在估计的速度和其估计值之间的偏差都不等于零，并且不能有效的收敛。
通常，由于在施加到电动机的电压频率很低的范围中很难稳定地估计速度，因此应用常规的技术存在的问题是不能通过无速度传感器矢量控制器来运行电动机。也就是说，由于应用变换器的无速度传感器矢量控制器的输出频率存在下限，因此人们一直要求扩展在上文所述的较低的速度范围中的速度控制。
为解决上述问题，本发明旨在提供一种无速度传感器矢量控制装置，该无速度传感器矢量控制装置通过成功地执行稳定的速度估计甚至在施加到电动机的电压频率处于非常低的低速范围的情况下仍然能够运行电动机而不存在困难。
依据本发明的无速度传感器矢量控制装置包括电流/磁通操作单元、坐标变换单元、电流调整单元、坐标变换单元、驱动交流电动机的变换器以及速度估计单元。
依据本发明的第一方面，电流/磁通运算单元从交流电动机的初级电流、初级电压以及所估计的速度中计算初级电流估计值(下文中称为估计电流)和次级磁通估计值(在下文中称为估计磁通)而不用速度传感器。坐标变换单元应用设置作为旋转坐标的基准的估计磁通矢量将初级电流变换成转矩电流和磁化电流。电流调整单元调整转矩电流和磁化电流以使它们与相应的指令相匹配。坐标变换单元应用设定作为旋转坐标的基准的估计磁通矢量通过变换该电流调整单元的输出信号的坐标来产生初级电压指令。驱动交流电动机的变换器运行在该初级电压指令下。速度估计单元接收所估计的电流、所估计的磁通、初级电流、转矩电流、磁化电流以及初级频率指令值，并将在磁化电流的实际值和估计值之间的磁化电流偏差、转矩电流相应值大小、初级频率指令值的符号对应值和增益的乘积加入到在初级电流和所估计电流之间的估计电流偏差与所估计的磁通的外积中，由此计算电动机的速度的估计值。
附图1所示为常规技术的控制方框图；附图2所示为在附图2中所示的速度估计单元的实例的方框图；附图3所示为本发明的实施例的控制方框图；附图4所示为在附图3中所示的速度估计单元的实例的方框图。
为解决上面所提到的问题，依据权利要求1的本发明包括电流/磁通运算装置，用于从初级电流、初级电压以及所估计的交流电动机的速度中计算估计电流和估计磁通而不用速度传感器；坐标变换装置，用于应用设置作为旋转坐标的基准的估计磁通矢量将初级电流变换成转矩电流和磁化电流；电流调整装置，用于调整转矩电流和磁化电流以使它们与相应的指令相匹配；坐标变换装置，用于应用设定为旋转坐标的基准的估计磁通矢量通过变换电流调整单元的输出信号的坐标来产生初级电压指令；驱动在初级电压指令下运行的交流电动机的变换器；以及速度估计装置，用于接收所估计的电流、所估计的磁通、初级电流、转矩电流、磁化电流以及初级频率指令值，并计算电动机的速度的估计值。速度估计装置将在磁化电流的实际值和估计值之间的磁化电流偏差、转矩电流相应值大小、初级频率指令值的相应符号值以及增益的乘积加入到在初级电流和所估计电流之间的估计电流偏差与所估计的磁通的外积中，由此计算电动机的速度的估计值。
如权利要求2或3所述转矩电流对应值可以是转矩电流估计值或转矩电流实际值。
下文参考附图描述本发明的实施例。
附图3所示为本发明的实施例的控制方框图。与在附图1中所示的方框图的差别在于速度估计单元111的结构。速度估计单元111进一步接收初级频率指令值(ω1*)401、磁化电流(id)116以及转矩电流(iq)117。其它单元都与在附图1中所示的单元相同。因此，指定与在附图1中所示的标号相同的标号，并在此省去对它们的解释。
附图4所示为速度估计单元111的内部结构。
下文参考附图2描述该结构。与附图2相比较，在附图4中所示的结构进一步包括加/减单元205和305、乘法单元306和309、增益元件304、绝对值运算单元307、符号运算单元308以及坐标变换单元310。
依据本实施例，在附图2中所示的外积单元202除了执行的电流偏差(is-is^)和估计磁通φr^的外积运算以及PI调整单元201在外积操作的输出中所执行的PI操作外，还执行如下的操作。
也就是说，如附图4所示，坐标变换单元310将基于估计磁通(φr^)122变换坐标、将估计电流(is^)121分解成磁化电流估计值(id^)302和转矩电流估计值(iq^)303，并输出该结果。
然后，加/减单元305获得在实际磁化电流(id)116和磁化电流估计值(id^)302之间的偏差(id-id^)，乘法单元306将该偏差乘以通过绝对值运算单元307所获得的转矩电流估计值(iq^)303或转矩电流实际值(iq)117的绝对值。
在附图4中，在速度估计单元111中的绝对值运算单元307接收转矩电流实际值(iq)117以将附图4与附图3相匹配，只是必需应用一个转矩电流估计值(iq^)303和转矩电流实际值(iq)117来计算绝对值。
此外，乘法单元309将通过符号运算单元308所获得的初级频率指令值(ω1*)401的符号对应值sgn(ω1*)与乘法单元306的输出相乘，增益元件304将该输出乘以kω，加/减单元205将该输出加入到外积单元202的输出中。然后，将加减单元205的输出输入到PI调整单元201中，获得估计的速度(ωr^)123。
这就是说，依据本实施例，根据与转矩对应的值放大磁化电流偏差(id-id^)，根据电动机旋转的方向调整输出信号的符号，加/减单元205将通过乘以增益kω所获得的校正的信号加入到外积单元202的输出信号中，并将该结果输入到PI调整单元201中。
当交流电动机102的实际速度(ωr)与估计速度(ωr^)123相匹配时，交流电动机102的实际磁通矢量的方向与所估计磁通矢量的方向相匹配，以及磁化电流估计值(id^)302与实际磁化电流(id)116相匹配。结果，加/减单元305的输出为零，并且增益元件304的输出也为零。因此，在附图4中所示的结构实际上与在附图2中所示的常规技术的结构相同。
然而，当在施加到交流电动机102的电压频率几乎接近零的低速范围中交流电动机102的实际速度并不与估计估计速度123相匹配时，交流电动机102的磁通矢量的方向也不与估计的磁通矢量的方向相匹配，由此产生取决于在磁化电流估计值302和磁化电流116之间的磁通矢量角度差值的偏差。
速度估计单元111考虑电动机的转矩水平和旋转方向产生对磁化电流偏差(id-id^)的校正信号，并将校正信号加入到估计的电流偏差和估计的磁通的外积中。基于所得的信号，计算估计的速度(ωr^)123。
这就是说，在附图4中所示的速度估计单元111通过等式4而不是通过上文的等式3来计算估计的速度123，磁化电流估计值302执行反馈控制以抑制磁化电流116的分散，由此使估计的速度123与实际速度相匹配。
等式4为这样的一个实例其中在附图4中所示的绝对值运算单元307选择转矩电流实际值的绝对值｜iq｜并将它乘以磁化电流偏差(is-is^)。然而，如上文所描述，转矩电流实际值的绝对值｜iq｜可以替换为转矩电流估计值的绝对值｜iq^︳。
ωr^=(kpω+kiω/p)[{(is-is^)×φr^}+kω·sgn(ω1*)·(id-id^)·｜iq｜]=(kpω+kiω/p)[{(isα-isα^)φrβ^-(isβ-isβ^)φrα^}+kω·sgn(ω1*)·(id-id^)·｜iq｜]等式4在上面的等式4中，kω表示增益元件304的增益，x表示外积。
在等式4的右边的方括号[]中的第一项(is-is^)×φr^正好与在旋转坐标系中的信号相同。因此，可以将等式4变换为等式5。等式5等效于等式4。在等式5中，转矩电流估计值的绝对值｜iq^｜也可以替换为转矩电流实际值的绝对值｜iq｜。
ωr^=(kpω+kiω/p)[{(id,iq)-(id^,iq^)}×(φdr^,φqr^)+kω·sgn(ω1*)·(id-id^)·｜iq｜]=(kpω+kiω/p)[{(id-id^)φqr^-(iq-iq^)φdr^}+kω·sgn(ω1*)·(id-id^)·｜iq｜]等式5因此，依据本实施例，即使施加到电动机的电压的频率非常低，仍然能够根据转矩的水平和初级频率指令值的符号在方向上修正估计的速度123，以抑制在磁化电流实际值和估计值之间的偏差。然后，电流/磁通估计单元110应用经修正的估计速度123来估计磁通。因此，电动机的磁通矢量能够收敛在理想的状态，由此能够使估计的速度与实际速度相匹配。
本发明的原理不仅能够应用到在上文所提到的实施例中的感应电动机中，而且还能够应用到同步电动机中。
如上文所述，依据本发明虽然施加到交流电动机的电压频率非常低仍然能够稳定地估计磁通和速度。因此，电动机速度控制范围能够超过常规的技术范围。
权利要求
1．一种无速度传感器的矢量控制装置，包括电流/磁通运算装置，用于从交流电动机的初级电流、初级电压以及所估计的速度中计算初级电流估计值(下文称为估计电流)和次级磁通估计值(下文称为估计磁通)而不用速度传感器；坐标变换装置，用于应用设置作为旋转坐标的基准的估计磁通矢量将初级电流变换成转矩电流和磁化电流；电流调整装置，用于调整转矩电流和磁化电流以使它们与相应的指令相匹配；坐标变换装置，用于应用设定为旋转坐标的基准的估计磁通矢量通过变换所说的电流调整装置的输出信号的坐标来产生初级电压指令；用于驱动在初级电压指令下运行的交流电动机的变换器；以及速度估计装置，用于接收所估计的电流、所估计的磁通、初级电流、转矩电流和磁化电流以及初级频率指令值，并估计电动机的速度，其中所说的速度估计装置将在磁化电流的实际值和估计值之间的磁化电流偏差、转矩电流对应值大小、初级频率指令值的符号对应值和增益的乘积加入到在初级电流和估计电流之间的估计电流偏差和估计的磁通的外积中，由此估计速度。
2．根据权利要求1所述的装置，其中所说的转矩电流对应值为转矩电流估计值。
3．根据权利要求1所述的装置，其中所说的转矩电流对应值为转矩电流实际值。
全文摘要
一种应用电流和电压来估计交流电动机的磁通、电流和速度并且应用所估计的速度控制交流电动机的矢量的控制装置。该速度通过如下的方式估计:将在磁化电流的实际值和估计值之间的磁化电流偏差、转矩电流相应值大小、初级频率指令值的相应符号值和增益的乘积加入到所估计电流偏差和所估计的磁通的外积中。因此,可以执行稳定的速度估计运算以在施加到电动机的电压频率非常低的低速范围中成功地运行电动机。
文档编号H02P21/14GK1319947SQ01110899
公开日2001年10月31日 申请日期2001年3月9日 优先权日2000年3月10日
发明者田岛宏一, 海田英俊 申请人:富士电机株式会社