专利名称：矢量控制的交流电动机的速度控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及矢量控制的交流电动机的速度控制装置，尤其涉及能补偿所测电流中的误差的矢量控制的交流电动机的速度控制装置。
背景技术：
用于驱动永磁同步电动机或感应电动机的高性能交流电动机驱动系统中的矢量控制广泛用于精确控制电动机速度。图1是示出传统的矢量控制交流电动机的控制的框图。矢量控制算法基于几点假设，其中之一是对电流的精确测量。
由于所测电流的误差，产生与定子输入电流同步的不需要的周期性的转矩脉动，从而造成速度脉动。
为了限制速度脉动，必须补偿所测电流的误差。
在所测电流的误差中，存在偏移误差和标度误差，其中偏移误差产生相应于定子电流频率的速度脉动，且标度误差产生相应于定子电流频率的两倍的速度脉动。
现在将参看提出用于补偿偏移误差和标度误差的方法的引用文献描述传统的补偿方法。
图2是示出在引用文献(“Analysis and Compensation of CurrentMeasurement Error in Vector-Controlled AC Motor Drives”，IEEE TransactionIndustry Application，VOL.34，NO.2，PP.340-345，1988.)中提出的速度控制方法的框图。根据所述速度控制方法，补偿单元接收相应于速度命令和检测到的速度之间的速度差的速度误差，通过速度误差的谱分析估计电流控制器的偏移误差和标度误差的分量，并且电流控制器根据估计结果补偿所测量的结果，从而可限制由于偏移误差和标度误差造成的速度脉动。
图3是示出在另一引用文献(“Diminution of Current Measurement Errorin Vector Controlled AC Motor Drives”，pp.151-158，Journal of PowerElectronics，Vol.5，No.2，April 2005.)中提出的速度控制方法的框图。根据在所述引用文献中提出的速度控制方法，通过将与转子速度一致的每个区域(每60电角度)中的d轴电流控制器的积分的项(term)输出积分和比较，估计电流控制器的偏移误差和标度误差。因为，一般而言，d轴电流命令具有0(零)或预定值，从d轴命令和检测的d轴电流之差中仅可取出相应于偏移误差和标度误差的项。
通过分别使用下述公式(1)、(2)、和(3)将ε1和ε2的值设为0(零)，图3的偏移调整器可消去偏移误差的分量。
公式(1)Ki∫0t(idse*-ids_sense)dt=-Ki∫0tΔidsedt]]>secA=∫0π∫0t-KiΔIdsedtdθe=-2KjωeΔIds]]>secB=∫π2π∫0t-KiΔIdsedtdθe=-2KjωeΔIds]]>公式(2)ϵ1=sec1-sec2=-4KiωeΔIds]]>公式(3)secI=∫0π3∫0t-KjΔdsedtdθe=KiωeΔIds]]>secIII=∫2π3π∫0t-KiΔIdsedtdθe=Kiωe(ΔIds-ΔIbs)]]>εa＝secIV-secI，secIV=∫π4π3∫0t-KiΔIdsedtdθe=-KjωeΔIbs]]>εb＝secIII-secVIsecVI=∫5π32π∫0t-KiΔIdsedtdθe=Kjωe(ΔIds+ΔIbs)]]>ϵ2=ϵa+ϵb=-4KiωeΔIbs]]>通过使用下述公式(4)将ε3的值设为0(零)，图3的偏移调整器可消去标度误差。
公式(4)
secI=∫0π3∫0t-KiΔIds-scaleedtdθe=0]]>εx＝secI-secII，secII=∫π32π3∫0t-KiΔIds-scaleedtdθe=-3Ki(Kb-Ka)I33ωe]]>εb＝secIII-secVIsecIII=∫2π3π∫0t-KiΔIds-scaleedtdθe=3Ki(Kb-Ka)I33ωe]]>ϵ3=ϵx+ϵy=3Ki(Kb-Ka)4ωe]]>根据图2中提出的传统技术，由于通过谱分析获得偏移偏差和标度偏差的过程要求大量计算，所以必须使用昂贵的高速微处理器或数字信号处理器(DSP)。另一方面，当使用廉价的定点型DSP时，难以获得偏移偏差和标度偏差。
根据图3中提出的传统技术，比较d轴电流控制器的积分项的过程是复杂的，所以在无感控制方法中估计的旋转位置信息不精确的条件下难以获得每个区域中的积分项的精确值，并且计算是复杂的。
发明内容
考虑到上述问题，作出本发明，并且本发明的一方面是提供一种用于矢量控制的交流电动机的速度控制装置，其中通过在检测交流电动机的电流时限制和应用从电流传感器、外围电路等产生的所测电流误差减少交流电动机的噪音和振动。
根据一方面，本发明提供了一种用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，包括电流测量单元，用于测量交流电动机的电流；误差运算单元，用于通过消去包含在所测电流中的交流电分量计算由电流测量单元测量的电流的误差分量；以及补偿单元，用于使用由误差运算单元计算的所测电流的误差分量补偿由电流测量单元测量的电流。
根据另一方面，本发明提供了一种用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，包括电流测量单元，用于测量交流电动机的电流；误差运算单元，用于通过消去包含在所测电流中的位置函数分量计算由电流测量单元测量的电流的误差分量；以及补偿单元，用于使用由误差运算单元计算的所测电流的误差分量补偿由电流测量单元测量的电流。
本发明的另外的方面和/或优点将在以下描述中部分地得以阐述，并且将部分地根据该描述显而易见，或可通过本发明的实施获知。
根据以下结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加显然，可更易理解，其中在附图中图1是传统矢量控制的交流电动机的控制的框图；图2是示出在引用文献中提出的传统速度控制方法的框图；图3是示出在另一引用文献中提出的传统速度控制方法的框图；图4是根据本发明的一个优选实施例的矢量控制的交流电动机的控制设备的框图；图5是根据本发明的第一优选实施例的偏移运算单元的图示；图6是示出利用图5的偏移运算单元补偿的a相电流的偏移的图示；图7是示出利用图5的偏移运算单元补偿的b相电流的偏移的图示；图8是根据本发明的第二优选实施例的偏移运算单元的图示；图9是示出利用图8的偏移运算单元补偿的a相电流的偏移的图示；图10是示出利用图8的偏移运算单元补偿的b相电流的偏移的图示；图11是根据本发明的第一优选实施例的标度运算单元的图示；图12是示出根据本发明的第二优选实施例的标度运算单元的图示；图12a是示出d轴的补偿的图示；以及图12b是示出q轴的补偿的图示；以及图13是示出根据本发明在补偿之前和之后的偏移误差和标度误差的曲线图。
具体实施例方式
现在将详细参看本发明的实施例，其实例在附图中示出，其中相同附图标记通篇是指相同元件。下面通过参看附图描述实施例，从而解释本发明。
图4是根据本发明的一个优选实施例的矢量控制的交流电动机的速度控制装置的框图。矢量控制的交流电动机的速度控制装置包括减法器10、20、30、速度控制器100、电流控制器110和120、电压调制器130、三相换流器140、交流电动机150、位置和速度运算单元170、以及坐标转换器190，这些元件在传统的矢量控制系统中使用。
此外，根据本发明的优选实施例的矢量控制的交流电动机的速度控制装置进一步包括电流测量单元160，用于测量流过交流电动机150的电流；转换器180，用于使所测量的电流数字化，尤其包括用于计算所测电流的误差的运算单元200和用于补偿所测电流的误差的补偿单元300。
运算单元200包括用于计算所测电流的偏移误差的偏移运算单元200A和用于计算所测电流的标度误差的标度运算单元200B。
尽管通过所述速度控制装置应用于使用能根据图4中所示的编码器(速度传感器)的输出计算电动机位置和速度的能传感器的速度控制装置的实例描述了本发明，但本发明也可应用于不带有速度传感器的用于估计电动机位置和速度的无感速度控制装置。
当偏移误差存在于由电流测量单元160测量的电流中时，偏移误差可用下述公式(5)表示。这里，ΔIas是偏移误差和直流分量。设a相电流和b相电流分别是Ias_AD和Ibs_AD，则c相电流Ics_AD用下述公式表示。
公式(5)Ias_AD＝Ias+ΔIasIbs_AD＝Ibs+ΔIbsIcs_AD＝-(Ias_AD+Ibs_AD)如下述公式(6)中所示，公式(5)转换成用于矢量控制的旋转坐标。
公式(6)ΔIds_ADe=Idse+ΔIdse,]]>ΔIqs_ADe=Iqse+ΔIqse]]>ΔIdse=ΔIdscosθe+1/3(ΔIds+2ΔIbs)sinθe]]>ΔIqse=-ΔIassinθe+1/3(ΔIas+2ΔIbs)cosθe]]>本发明提出两种使用公式(6)补偿偏移误差的方法。
本发明使用如图5中所示的偏移运算单元200A-1。
偏移运算单元200A-1将在从所测电流的误差消去交流电误差后保留在所测电流的误差中的直流电误差识别为偏移误差。命令电流和所测电流之差使用乘法器211和212乘以cosθ和sinθ，并且如下述公式(7)和(8)中所示设置。
公式(7)ΔIdse×cosθe=ΔIas2+ΔIas·cos2θe2+(ΔIas+2ΔIbs)sin2θ32·3]]>公式(8)ΔIdse×sinθe=(ΔIas+2ΔIbs)2·3+ΔIas·sin2θe2+(ΔIas+2ΔIbs)cos2θe2·3]]>在公式(7)和(8)中，cosθ和sinθ是交流电分量。交流电分量在流过具有低截止频率的低通滤波器(LPF)213和214时被消去，并且仅直流电分量被保留。换言之，ΔIas/2相应于从公式(7)得到的a相偏移误差，且(ΔIas+2ΔIbs)/相应于b相偏移误差。
减法器215和216从基准值0(零)减去从上述公式得到的偏移误差，并且经由比例积分(PI)控制器217和218输出被减掉的偏移误差到补偿单元300。这里，PI控制器217和218可用用于只执行积分的积分器替换。
如将在后面描述的，通过在补偿单元300的加法器60和70中从a相所测电流Ias_AD和b相所测电流Ibs_AD减去从PI控制器输出的a相电流和b相电流，补偿a相电流和b相电流。
例如，当Ias偏移误差为0.01时，如图6中所示补偿Ias偏移误差，并且当Ibs偏移误差为0.02时，如图7中所示补偿Ibs偏移误差。
如可从上述公式(6)看到的，偏移误差是位置的函数。如果消去位置函数，则偏移误差变成仅为标度的函数，并且可从标度函数得到偏移分量。为了消去位置函数，使用下述公式(9)将旋转坐标转换成非旋转坐标。
公式(9)ΔIdssΔIdqs=cosθe-sinθesinθecosθeΔIascosθe+1/3(ΔIas+2ΔIbs)sinθe-ΔIassinθe+1/3(ΔIas+2ΔIbs)cosθe]]>如下述公式(10)所示的，偏移分量表示为通过公式(9)得到的非旋转坐标。
公式(10)ΔIdss=ΔIas]]>ΔIqss=1/3(ΔIas+2ΔIbs)]]>根据公式(10)，可得到Ias和Ibs的偏移分量。
考虑到上述事实，第二方法使用如图8中所示的偏移运算单元200A-2。偏移运算单元200A-2包括第一偏移变换器221，用于将d相电流从旋转坐标变换成非旋转坐标；减法器223，用于从变换成非旋转坐标的值减去0(零)；以及比例积分控制器225，用于对减法器223的输出积分。偏移运算单元200A-2进一步包括第二偏移变换器222，用于将q相电流从旋转坐标变换成非旋转系统；运算单元224，用于将变换成非旋转坐标的值与1/相乘；减法器226，用于从运算单元224的输出减去第一偏移变换器221的输出；运算单元228，用于使减法器226的输出乘以1/2；减法器230，用于从运算单元228的输出减去0(零)；以及比例积分(PI)控制器232，用于对减法器230的输出积分。这里，PI控制器225和232可用用于只执行积分的积分器替换。
分别在补偿单元300的加法器60和70中从a相所测电流Ias_AD和b相所测电流Ibs_AD减去从PI控制器225输出的a相偏移分量ΔIas和从PI控制器232输出的b相偏移分量ΔIbs，从而执行补偿。例如，当Ias偏移误差为0.1时，如图9中所示补偿Ias偏移误差，并且当Ibs偏移误差为-0.2时，如图10中所示补偿Ibs偏移误差。
本发明提出了两种用于补偿标度误差的方法。
第一方法使用如图11中所示的标度运算单元200B-1。
首先，当标度误差出现在由电流测量单元160测量的电流中时，标度误差可用下述公式(11)表示。
公式(11)Ias_sclAD＝-KaIsinθIbs_sclAD=-KbIsin(θ-2π3)]]>Ics_sclAD＝(Ias_AD+Ibs_AD)
标度误差经由下述公式(12)用旋转坐标表示。
公式(12)ΔIds_scle=(Kb-Ka)I23+(Ka-Kb)I3sin(2θ-π6)]]>ΔIqs_scle=-(Ka-Kb)I2+(Kb-Ka)I3sin(2θ+π3)]]>如以公式(12)所表示的，标度误差分量是直流电分量的函数，并且是基频的两倍。为了使得标度误差的大小为0(零)，Ka等于Kb。用于公式(12)的d轴分量的值经过低通滤波器(LPF)231，从而消去交流电分量，并且加法器233从0(零)减去来自LPF 231的输出。此后，比例积分(PI)控制器235对减法器233的输出积分。积分值由减法器237减，由加法器239加。为了补偿标度误差，由减法器237减去的值Ka经由补偿单元300的减法器40与从乘法器50输入的b相电流相乘，并且输入到减法器70。这样，补偿标度运算单元的输出，从而可消去标度误差。这里，PI控制器235可用用于只执行积分的积分器替换。
如公式(12)中所示的用于补偿标度误差的第二方法利用d轴分量和q轴分量是正弦函数并且它们之间的相差是90度的事实。使用坐标变换可仅得到直流电分量。换言之，当旋转坐标通过位置角度2θ的两倍变换成非旋转坐标时，对相应于标度误差大小的直流电被求出(extract)。此外，由于在Ka等于Kb时标度误差分量变成0(零)，所以可仅使用d轴分量和q轴分量的其中之一补偿标度误差。换言之，如图12A中所示，对于d轴或q轴，补偿标度误差。
换言之，如图12A中所示，使用第一标度变换器241，d轴的电流变换成非旋转坐标，减法器243从0(零)减去变换成非旋转坐标的值，并且比例积分(PI)控制器245对被减的值积分。积分值由减法器247减，由加法器249加。由减法器247减的值Ka和由加法器249加的值Kb与从补偿单元300的乘法器50输入的a相电流和b相电流相乘，从而标度误差被补偿，并且输入到减法器60和70。这样，PI控制器245可用用于只执行积分的积分器替换。
此外，如图12B中所示，使用第二标度变换器251，q轴的电流变换成非旋转坐标，减法器253从0(零)减去变换成非旋转坐标的值，并且比例积分(PI)控制器255对被减的值积分。积分值由减法器257减，由加法器259加。减法器257和加法器259的输出Ka和Kb输入到补偿单元300的乘法器50，并且与a相电流和b相电流相乘，从而标度误差被补偿，并且输入到减法器60和70。这样，PI控制器255可用只执行积分的积分器替换。
图13的上部图示是示出在补偿之前使用自动测试设备对偏移误差和标度误差进行谱分析的曲线图，下部图示是在补偿之后使用自动测试设备对偏移误差和标度误差进行谱分析的曲线图。如图13中所示，可理解，消去偏移误差和标度误差。
如上所述，根据本发明，当在交流电动机中执行矢量控制时，由于通过补偿在测量AC电动机的电流时产生的测量电流的误差，限制了不需要的速度脉动和噪声，所以可有效执行矢量控制。特别地，由于在本发明中不必有与传统技术相同的谱分析，所以无需昂贵的处理器，就可实现矢量控制的AC电动机的速度控制装置，并且是在非常经济的。
尽管已经示出和描述了本发明的几个实施例，但本领域的技术人员将理解，可对这些实施例作出改变，而不偏离本发明的原理和精神，其中本发明的范围由所附权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，包括电流测量单元，用于测量交流电动机的电流；误差运算单元，用于通过消去包含在所测电流中的交流电分量计算由电流测量单元测量的电流的误差分量；以及补偿单元，用于使用由误差运算单元计算的所测电流的误差分量补偿由电流测量单元测量的电流。
2.根据权利要求1所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元包括以下至少之一偏移运算单元，用于计算所测电流的偏移分量；以及标度运算单元，用于计算所测电流的标度分量。
3.根据权利要求2所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元将在从所测电流的误差消去交流电误差后保留在所测电流的误差中的直流电误差识别为偏移误差。
4.根据权利要求3所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元进一步包括多个乘法器，用于使命令电流和所测电流之差乘以预定值。
5.根据权利要求4所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中多个乘法器将cosθ和sinθ作为预定值。
6.根据权利要求4所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元进一步包括具有截止频率的滤波器，并且使用所述滤波器消去交流电。
7.根据权利要求4所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元进一步包括多个分别用于从0(零)减去多个乘法器的输出的减法器。
8.根据权利要求7所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元进一步包括用于对多个减法器的输出积分的多个比例积分控制器或用于对多个减法器的输出积分的积分器。
9.根据权利要求8所述的用于控制矢量控制的交流电机的速度的设备，其中补偿单元使用来自多个比例积分控制器的其中之一的一个输出和所测相电流的其中之一补偿所述偏移误差，并且使用来自多个比例基本控制器的其中之一的另一输出和所测另一相电流补偿所述偏移误差。
10.根据权利要求2所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元将在从所测电流的误差消去交流电误差后保留在所测电流的误差中的直流电误差识别为偏移误差。
11.根据权利要求10所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元包括用于消去所测电流中的d轴电流的交流电分量的滤波器。
12.根据权利要求11所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元设定用于限定直流电分量的变量的值，以便使得直流电分量为0(零)。
13.根据权利要求12所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元进一步包括用于减去已从0(零)消去的交流电分量的值的减法器。
14.根据权利要求13所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元包括用于对减法器减去的值积分的比例积分控制器或用于对减法器减去的值积分的积分器。
15.一种用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，包括电流测量单元，用于测量交流电动机的电流；误差运算单元，用于通过消去包含在所测电流中的位置函数分量计算由电流测量单元测量的电流的误差分量；以及补偿单元，用于使用由误差运算单元计算的所测电流的误差分量补偿由电流测量单元测量的电流。
16.根据权利要求15所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元包括变换器，用于将旋转坐标变换成非旋转坐标；以及偏移运算单元和标度运算单元的至少之一，其中所述偏移运算单元用于根据变换成非旋转坐标的函数计算偏移分量，所述标度运算单元用于根据变换成非旋转坐标的函数计算标度分量。
17.根据权利要求16所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中偏移运算单元包括用于分别变换d相电流和q相电流的坐标的多个变换器。
18.根据权利要求17所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中误差运算单元包括用于从0(零)减去变换成非旋转坐标的d相电流的减法器。
19.根据权利要求17所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中偏移运算单元包括第一运算单元，用于将变换成非旋转坐标的q相电流乘以第一变量；第一减法器，用于从变换成非旋转坐标的d相电流减去第一运算单元的输出；第二运算单元，用于将第一减法器的输出乘以第二变量；以及第二减法器，用于从0(零)减去第二运算单元的输出。
20.根据权利要求16所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元包括至少一个用于转换d相电流和q相电流的至少之一的坐标的变换器。
21.根据权利要求16所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元包括用于从0(零)减去变换成非旋转坐标的d相电流或q相电流的减法器。
22.根据权利要求21所述的用于控制矢量控制的交流电动机的速度的装置，其中标度运算单元进一步包括用于对减法器的输出积分的比例积分控制器或用于对减法器的输出积分的积分器。
全文摘要
一种用于矢量控制的交流电动机的速度控制装置，其中通过在检测交流电动机的电流时限制和应用从电流传感器、外围电路等产生的所测电流误差减少交流电动机的噪音和振动。因为在本发明中，传统技术中采用的谱分析不是必需的，所以无昂贵的处理器也可实现矢量控制的AC电动机的速度控制装置，并且是非常经济的。
文档编号H02P21/05GK1874140SQ20051011865
公开日2006年12月6日 申请日期2005年11月2日 优先权日2005年6月3日
发明者李濬焕, 李光云 申请人:三星电子株式会社