CN1267954A - 感应电动机驱动器及其参数估计方法 - Google Patents

Abstract

在带有/没有速度传感器的一种感应电动机驱动器系统中,在电动机的工作期间稳定和准确地估计电阻值。而与诸如速度、负载等之类的工作条件和参数具体组合无关。在一个定子电流向量平面上的电流轨迹内侧取适当的点P_R,并且由该点P_R确定测量电流i_s和观察电流i_s。两个向量i_s和i_s’的幅值之差与转子电阻R_r的误差有关,而相位移动之差与转子电阻R_s的误差有关。

Description

感应电动机驱动器及其参数估计方法

本发明涉及一种感应电动机驱动器，更具体地说，涉及感应电动机的一种向量控制。

一种典型的基于直接场定向的(direct field-oriented)感应电动机驱动器系统表示在图12中。

通过调节由一个变换器101供电的感应电动机102的转矩和磁通，进行感应电动机的向量控制。

图12举例表明包括一个速度传感器132的感应电动机驱动器。就该系统的向量控制而论，一个速度调节器105根据来自指示电动机速度的速度基准103、和由速度传感器132检测的作为反馈的感应电动机102的旋转速度112的PI(比例动作和积分动作)控制，产生一个转矩电流基准114，并且把产生的转矩电流基准114输出到一个电流调节器104。电流调节器104由指示转矩的转矩电流114和指示磁通的磁通电流基准113，产生和输出根据PI控制调节的电流。然后，一个向量旋转器106把这些电流值转换成与电流的合成向量同步旋转的一个坐标系(d-q坐标系)中的相对值，并且把转换值作为一个初级电压命令120施加到一个变换器101上。注意在宽操作范围内，能把施加到电流调节器104上的磁通电流基准113设置为常数。

传感器130和131分别检测从变换器101施加到感应电动机102上的电压值和电流值，作为一个检测电压121和一个检测电流122。在由3-2相变压器108和109把电压和电流转换成两相坐标系值之后，他们输入到一个电流和磁通观察器110，作为空间向量值V_s123和i_s124。

一个定子、转子电阻(R_s、R_r)估值器500由从3-2相变压器109输出的定子电流124、和从电流和磁通观察器110输出的观察电流127和观察磁通128，估计感应电动机102的定子电阻R_s和转子电阻R_r，并且输出电阻R_s和R_r的观察值R_s′503和R_r′504。然后，这些值由电流和磁通观察器110使用。

电流和磁通观察器110由定子电压V_s123、定子电流i_s124、从传感器132输出的电动机的检测速度112、及从R_s、R_r估值器500输出的估计定子和转子电阻值R_s′503和R_r′504，输出观察电流127和观察磁通128。

向量旋转器106根据观察转子磁通128，在转子磁通的方向上向量旋转磁通命令118和转矩命令119，并且把向量旋转指令输出到逆变器101作为一个初级电压命令120。

另外，由一个向量旋转器107根据来自电流和磁通观察器110的观察磁通128在转子磁通的方向上向量旋转向量i_s124，以便得到由电流调节器104用作反馈信号的转矩电流126和磁通电流125。

其次解释无速度传感器系统的一个不带有速度传感器的系统。在不包括速度传感器的系统中，只有定子电压121和定子电流122由传感器130和131检测。该系统的配置表示在图13中。

把图13中所示的配置与图12中所示的配置相比较，添加估计电动机速度的一个速度观察器111，并且添加一个由定子电流124、观察电流127、观察磁通128、及一个转矩命令119估计定子和转子的电阻值R_s和R_r的R_s、R_r估值器501，作为R_s、R_r电阻估值器500的替换件。

速度观察器111由定子电流i_s124、从一个电流和磁通观察器110输出的观察电流127和观察磁通128估计转子速度，并且把观察速度115输出到一个速度调节器105和到电流和磁通观察器110。

而且，为了即使在稳定状态下也允许观察转子的电阻，把一个谐波分量162注入到磁通命令基准118。

在直接场定向的控制中，使用一个观察器按如下描述的一种典型地估计磁通：

参考资料1-H.Kubota等“具有转子电阻适应的感应电动机的无速度传感器场定向的控制(Speed Sensorless Field-Oriented Controlof Induction Motor with rotor Resistance Adaptation)”，IEEE Trans.on Ind.Appl.，Vol.30，No.5，1994年9月/10月

使用状态空间符号的感应电动机的常规数学模型如下： $\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ {\mathrm{\φ}}_r\end{array}\right]=A\·\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ {\mathrm{\φ}}_r\end{array}\right]+B\·v_s---\left(1\right)$

其中

i_s＝[i_sα i_sβ]^T：定子电流；

φ_r＝[φ_rα φ_rβ]^T：转子磁通；

ν_s＝[ν_sα ν_sβ]^T：定子电压； $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]=[\underset{\frac{L_m}{{\mathrm{\τ}}_r}I}{-(\frac{R_s}{\mathrm{\σ}\·L_s}+\frac{1-\mathrm{\σ}}{\mathrm{\σ}\·{\mathrm{\τ}}_r})}\·I\underset{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I-{\mathrm{\ω}}_{r}J}{\frac{L_m}{\mathrm{\σ}\·L_s\·L_r}(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_r}I-{\mathrm{\ω}}_{r}J)}];$ $B=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{\mathrm{\σ}\·L_s}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{\mathrm{\σ}\·L_s}& 0& 0\end{array}\right];$ $I=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$ $J=\left[\begin{array}{cc}0& -1\\ 1& 0\end{array}\right];$

R_s、R_r：定子和转子电阻；

L_s、L_r、L_m ：定子电感、转子电感、和互感；

τ_r＝L_r/R_r ：转子时间常数；

σ＝1-L_m ²/(L_sL_r)：总泄漏系数；

ω_r ：转子角速度。

较简单观察器的状态公式由以上提供的数学模型(1)表示。该数学模型是稳定的，并且用于电流和磁通观察器110的如下公式由该公式导出。 $\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_s\\ {\mathrm{\φ}}_r\end{array}\right]=A^{\′}\·\left[\begin{array}{c}{i}_s^{\′}\\ {\mathrm{\φ}}_r^{\′}\end{array}\right]+B\·v_s---\left(2\right)$

其中’指示一个观察值。例如，矩阵A’具有与公式(1)中矩阵A中的值相同的值，但使用标称值和估计的参幅值而不是实际值来估计它。

在本说明书中的观察和观察值分别表示在现代控制理论中的观察和观察值，并且由一个输出、和估计值指示状态变量值的估计。

由于定子和转子的电阻值R_s和R_r随电动机的工作温度变化，所以在正常电动机工作期间正常地估计他们的值，并且由估计公式得到观察值。

根据以上提供的参考资料1该估计公式按如下表示。 $\frac{d{R}_s^{\′}}{\mathrm{dt}}=-k_1(i_s-i_s^{\′})\·i_s^{\′}---\left(3\right)$ $\frac{d{R}_r^{\′}}{\mathrm{dt}}=k_2(i_s-i_s^{\′})\·({\mathrm{\φ}}_r^{\′}-L_m{i}_s^{\′})---\left(4\right)$

其中·指示向量的点积，并且k1和k2是正常数。

图14是方块图，表示图12基于上述公式(3)和(4)的R_s、R_r估值器500的细节。

在R_s、R_r估值器500中，由在一个定子电阻估值器502中的计算器512，首先从由电流传感器131检测的定子测量电流i_s124上减去一个从电流和磁通观察器110输出的观察电流i_s’127。其次，一个向量e_is和观察电流i_s’127的点积由一个点积处理器507得到，并且对其由一个计算器513乘以一个常数-k₁得到的点积由一个积分器509积分。结果，把积分值作为观察定子电阻R_s’输出。

同时，感应电动机的互感L_m由一个计算器514乘以观察电流i_s’127，并且相乘的结果与计算器512的输出向量e_is的点积由一个点积处理器508得到。并且由一个计算器516把生成的点积乘以一个常数k₂，且乘积的结果由一个积分器510积分，从而得到和输出观察转子电阻R_r’504。

对于不包括象图13中所示的速度传感器的系统，不测量电动机旋转速度ω_r。因而，其估计值ω_r′115用来估计公式(2)中的矩阵A′。

在速度观察器111中的估计公式按如下描述。

ω_r′＝(k_Pω+s·k_Iω)·((i_sα-i′_sα)·φ′_rβ-(i_sβ-i′_sβ)·φ′_rα    (5)

其中s是拉普拉斯算子，并且k_Pω和k_Iω是适当的增益。在图13中所示的系统中的定子电阻的估计值R_s′，通过使用与表示在图12中且包括一个速度传感器的系统中类似的方式给出。同时，转子电阻的估计值R_r’通过与用于包括一个速度传感器的系统的不同的算法给出。

为了估计在次级侧的电阻R_r，具有频率f^*的一个适当谐波信号162注入在磁通电流基准113中作为注入项。结果，如果系统不包括速度传感器，则按如下改进用于电阻R_r的公式(4)。 $\frac{{\mathrm{dR}}_r^{\′}}{\mathrm{dt}}=-k_3(i_d-i_d^{\′})\·i_{d,\mathrm{ref}}---\left(6\right)$

其中i_d、i_d′、和i_d，ref分别是磁通电流的测量值、观察值、和基准值。另外，k₃是一个正的常数。

图15是方块图，表示基于以上提供的公式(3)和(6)的图13的R_s、R_r估值器501的细节。

由电流传感器131检测的定子测量电流i_s124和来自电流和磁通观察器110的观察电流i_s’127，分别由向量旋转器107和142在观察磁通128的方向上向量旋转。

在由计算器157从磁通电流i_d 125减去观察磁通电流i_d′151之后，由点积处理器157计算相减结果与磁通电流的基准值之间的点积。然后，由一个计算器518乘以一个常数k₃，并且由一个积分器511积分乘积的结果，从而计算和输出观察转子电阻R_r’505。

同时，由定子的测量电流i_s124和来自电流和磁通观察器110的观察电流i_s’127，计算观察定子电阻R_s’503，并且由与图4中所示相同的定子电阻估值器502输出。

为了精确控制感应电动机的磁通和转矩，必须准确地观察转子的磁通方向_r′。然而，在用于准确观察的公式(2)中，特别是在矩阵A′中，包括具有在电动机工作期间变化的值的参数，如在初级和次级侧随温度变化的电阻值R_r和R_s。

观察值在磁通方向的精度，即磁通和转矩的控制质量，取决于能知道这些参数到什么程度，特别是如果工作速度较低。

另外，对于包括一个速度传感器的系统由公式(3)和(4)给出、或对于不包括速度传感器的系统由公式(3)和(6)给出的在电动机工作期间的电阻值估计，在所有情况下都不能正确地进行，并且在具体工作条件下和在电动机参数特性的具体组合期间是不稳定的。

考虑到上述问题开发了本发明，并且目的是提供一种与诸如速度、感应电动机的负载等、或参数的具体组合之类的工作条件无关，能进行稳定和精确控制的系统和一种参数估计方法。

在本发明第一方面的一种控制系统，其向量控制一个感应电动机，主要用在其中使用一个速度传感器的情况下，并且包括一个第一基准点设置单元、一个第一向量转换单元、一个幅值计算单元、一个相位差计算单元、一个第一转子电阻估计单元、及一个定子电阻估计单元。

第一基准点设置单元把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意点处。

第一向量转换单元把感应电动机的定子电流的测量值和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的上述点P_R开始的向量。

幅值计算单元得到由第一向量转换单元对于上述测量和观察值转换的向量幅值之差。

相位差计算单元得到由第一向量转换单元对于上述测量和观察值转换的向量相位之差。

第一转子电阻估计单元由上述幅值差估计感应电动机的转子电阻。

定子电阻估计单元由上述相位差估计感应电动机的定子电阻。

在本发明第二方面的一种控制系统，主要用在其中不使用速度传感器的情形。该系统包括一个谐波信号注入单元、一个第二基准点设置单元、一个第二向量转换单元、一个幅值计算单元、及一个第二转子电阻估计单元。

谐波信号注入单元把一个谐波信号注入在磁通电流中。

第二基准点设置单元把一个点P_Rr设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处。

第二向量转换单元把感应电动机定子电流的测量值和观察值的与谐波信号相对应的谐波分量，转换成从在定子电流向量平面上的点P_Rr开始的向量。

幅值计算单元得到由第二向量转换单元对于测量和观察值的谐波分量转换的向量幅值之差。

第二转子电阻估计单元由上述幅值差估计感应电动机的转子电阻。

根据本发明，仅测量定子电流值，从而能由电流值估计感应电动机的每种状态。

另外，即使在电动机操作期间也能任意估计定子和转子电阻，因为根据定子电流的测量和观察值之差进行估计。

图1通过定子电流i_s、和点P_R示意表示向量轨迹；

图2示意表示从点P_R开始至定子电流的测量和观察值的向量；

图3A示意表示当电阻具有在滑差频率ω_s1＝-10 rad/s时间下的各种值时定子电流的向量轨迹；

图3B示意表示当电阻具有在滑差频率ω_s1＝10 rad/s时间下的各种值时定子电流的向量轨迹；

图4举例表明点P_Rr的选择；

图5是方块图，表示根据第一最佳实施例的一种系统的配置；

图6表示图5中所示一个定子和转子电阻估值器200的细节；

图7是方块图，表示根据第二最佳实施例的一种系统的配置；

图8是方块图，表示根据第三最佳实施例的一种系统的配置；

图9表示图8中所示转子电阻估值器161的细节；

图10是方块图，表示图9中所示P_Rr估值器的细节；

图11是方块图，表示根据第四最佳实施例的一种系统的配置；

图12是方块图，表示包括一个速度传感器的直接场定向的感应电动机驱动器的系统配置；

图13是方块图，表示不包括速度传感器的感应电动机驱动器的系统配置；

图14是方块图，表示R_s、R_r估值器500的细节；及

图15是方块图，表示R_s、R_r估值器501的细节。

首先，解释本发明的原理。

本发明的基本思想是估计参数之差如何影响由公式(2)给出的估计电流值。换句话说，通过使用在观察值i_s′127与测量值i_s124之间的差估计定子电阻R_s和转子电阻R_r。然后，把这些估计值用来估计在公式(2)中的矩阵A′。从一个定子电流平面上的适当点确定测量电流和观察电流而不用进行任何额外测量，从而对估计问题给出自由度。结果，即使在认为对其估计是最麻烦的再生操作中也能得到稳定估计。

公式(2)基本上与感应电动机的模型公式(1)相同。因此，如果把差值代替电阻值作为参幅值，则能得到具有不同定子和转子电阻的用于相同模型的电动机的观察电流。就是说，通过改变公式(1)中的参幅值，能得到定子电流在稳定状态下如何根据这些变化而变化。

如果改变电阻值R_s和R_r，则定子电流的幅值和相位都变化。另外，其变化方式取决于电动机速度和负载(滑差)。然而，除其中负载是“0”的情况之外，转子电阻的变化几乎与定子电阻的变化正交。当负载是“0”时，转子电阻对定子电流没有影响。因此，在该情况下不能估计R_r。

根据本发明，测量电流i_s和观察电流i_s′都称作从定子电流向量平面上的适当点P_R＝(P_Rx，P_Ry)开始的向量。因此，在电流的测量与观察值之间的差总是能与在电阻之间的估计误差相联系，而与电动机速度或负载值无关。特别是，在观察电流i_s′127与测量电流i_s 124的相位之差与定子电阻R_s的误差有关，而在其幅值之间的差与转子电阻R_r的误差有关。

能把该点P_R选择成一个唯一的点或者作为随工作点变化的点。作为一种用来得到作为点P_R的适当点的方法，有一种把在定子电压方向上的坐标系施加到电流相位复数向量上的方法。

如果把实轴取在定子电压的相位复数矢量V_s 123的方向上，则能按如下选择点P_R。

P_Rx＝Re(P_R)＝k_PRx

P_Ry＝Im(P_R)＝-I₀/k_PRy    (7)

其中I₀是电动机的标称磁通电流，-I₀/2＜k_PRx＜I₀/2，和1＜k_PRy＜∞。

如果象公式(7)那样设置点P_R，则按如下表示为得到电阻值R_s和R_r要采用的公式。

R_s′＝(k_PRs+s·k_IRs)·(i_s-P_R)×(i_s′-P_R)     (8)

R_r′＝(k_PRr+s·k_IRr)·(|i_s-P_R|-|i_s′-P_R|)    (9)

其中×指示向量的叉积，而||指示向量的幅值。另外，k_IRs、k_IRr、k_PRs、及k_PRr是适当的增益。在公式中向量的叉积用来估计在两个相位复数矢量之间的相位移动。

图1表示定子电流i_s的向量轨迹、和点P_R。

通过得到在每个初级频率处ω_e处的定子电流i_s和滑差频率ω_s1(＝ω_e-ω_r)产生的向量轨迹表示在图1中。图1中这两个轨迹较小的具有滑差频率ω_s1＝0 rad/s，而较大的具有滑差频率ω_s1＝-10至10 rad/s。

如图1中所示，在定子电流向量平面上的轨迹内侧的适当位置处选择点P_R。

图2表示从点P_R开始至定子电流的测量和观察值的向量。

在该图中，定子电流在向量轨迹上的测量值i_s和观察值i_s′表示成从向量轨迹内侧选择的点P_R开始的向量i_s-P_R和i_s′P_R。结果，根据公式(8)相位移θ与定子电阻R_s′有关，而根据公式(9)向量|i_s-P_R|-|i_s′-P_R|的幅值之间的差与转子电阻R_r′的有关。

图3A和3B示意表示当定子电阻R_s和转子电阻R_r具有各种值时定子电流i_s和点P_R的向量轨迹。

也是在这些图中，通过取向量轨迹内侧的点P_R，根据对于定子电流的测量值i_s和观察值i_s′从点P_R开始的向量的幅值之间或相位之间的差，借助于与图1和2中所示的那些相类似的一种方法，能估计定子电阻R_s和转子电阻R_r。

而且，在既不包括速度传感器也不包括位置传感器的系统中，知道如果磁通值保持恒定，则在稳定状态下不能估计转子电阻。因此，在上述系统中通过把具有频率f^*的适当谐波信号162注入在磁通电流113中，即使在稳定状态下也能观察转子电阻。

因而，如果借助于与用于至今描述的包括速度传感器的系统相类似的方法估计电阻值，则把公式(8)不变地用于定子电阻R_s的估计。然而，不是根据公式(9)，而是根据在观察定子电流的谐波分量i_d ^′*154与测量定子电流的谐波分量i_d ^*153之间的差，估计转子电阻R_r。因此，通过在时间相位复数矢量平面上取一个适当点P_Rr255和通过参考来自该点P_Rr255的谐波电流的测量和观察值，估计转子电阻R_r。

如果如此选择点P_Rr，从而观察谐波电流的大小变化与电阻误差有关，则用来得到观察电阻R_r′的适应定律将是：

R_r′＝(k_PRr+s·k_IRr)·(|i_d ^*-P_Rr|-i_d ^′*-P_Rr|)    (10)

由确定d轴谐波时间-相位复数矢量平面上的坐标轴的测量d轴谐波电压v_d ^*152估计点P_Rr。

借助于公式(1)对于不同的转子电阻的每一个能估计与注入谐波信号162的频率相同的频率f^*的谐波定子电流。如果把i_d1 ^*和i_d2 ^*分别定义成与标称转子电阻的一半和双倍相对应的电流，并且如果假定实轴在f^*谐波定子电压-时间相位复数矢量vd^*152方向上，则按如下表示i_d1 ^*和i_d2 ^*。

i_d1 ^*＝a₁+jb₁

i_d2 ^*＝a₂+jb₂    (11)

其中a₁、a₂、b₁、和b₂是取决于电动机参数的实常数。从在公式(11)中由两点i_d1 ^*和i_d2 ^*确定的直线选择点P_Rr。

P_Rrx＝Re(P_Rr)＝k_PRr $P_{\mathrm{Rry}}=\mathrm{Im}\left(P_{\mathrm{Rr}}\right)=\frac{b_2-b_1}{a_2-a_1}\·k_{\mathrm{PRr}}+b_2-\frac{b_2-b_1}{a_2-a_1}\·a_2---\left(12\right)$

其中k_PRr是一个任意实数。点P_Rr根据公式(12)的这种选择导致用来得到观察电阻R_r′的公式(10)的适应定律。这里，通过把i_d1 ^*和i_d2 ^*定义成与标称转子电阻的一半和双倍相对应的电流得到点P_Rr。然而，确定用来得到点P_Rr的直线的点不限于上述的，只要他们是与大于和小于标称转子电阻值的转子电阻值相对应的适当电流值即可。

图4表示点P_Rr选择的一个例子。

在该图中，由与标称转子电阻R_r的一半(0.5 R_r)和1.5倍(1.5 R_r)相对应的电流值得到直线600。然后，在直线600上设置点P_Rr，并且通过得到从点P_Rr开始的向量，确定观察定子电流的谐波分量i_d ^′*154和测量定子电流的谐波分量i_d ^*153，从而根据公式(10)能估计转子电阻R_r。在图4中，选择通过把公式(12)中的k_PRr设置为“0”得到的点。

其次解释对其应用本发明的感应电动机驱动器的系统的一个例子。

图5是方块图，表示包括一个速度传感器并且当用速度传感器测量电动机速度时使用的系统，作为一个第一最佳实施例。图5的方块图仅表示与图12中所示配置中不同的部分。

在该系统中，作为图12中所示R_s、R_r估值器500的替换，布置有一个定子和转子电阻估值器200，以及电流和磁通观察器110。

该定子和转子电阻估值器200由观察电流127、测量电流124、及测量电压123输出定子电阻R_s201和转子电阻R_r202。由观察器110把估计的定子电阻R_s 201和转子电阻R_r202用来计算公式(2)中的动态矩阵A′。

图6是方块图，表示图5中所示定子和转子电阻估值器200的细节。

为了根据公式(8)和(9)采用估计算法，首先向量旋转测量电流i_s124和观察电流i_s′127，并且转换成在一个坐标系中指向定子电压V_s123的方向上的分量。然后，由计算器180、181、135、及136从向量i_s(i_sx、i_sy)和i_s′(i_sx′、i_sy′)减去由公式(7)确定的P_R分量P_Rx 301和P_Ry 302，从而得到向量i_s-P_R(i_sx-P_Rx 303，i_sy-P_Ry 304)和i_s′-P_R(i_sx′-P_Rx 305，i_sy′-PRy 306)。

在这些向量之间的相位移由一个叉积处理器203计算。在由幅值计算器182和183把其幅值差转换成标量之后，由一个加法器139减去转换量。然后，由一个PI控制134由两个向量i_s-P_R和i_s′-P_R的叉积计算和输出基于公式(8)的估计定子电阻值R_s′。另外，由绝对值之差得到基于公式(9)的估计转子电阻R_r′，并且由PI控制133输出。

其次，解释根据本发明的一个第二最佳实施例。

图7是方块图，表示不包括速度传感器、并且当不测量电动机速度时使用的系统的配置，作为第二最佳实施例。该图的方块图仅表示不同于图13中所示配置中的部分。

在图7中所示的系统中，作为图13中R_s、R_r估值器501的替换，布置有一个定子电阻估值器160，以及电流和磁通观察器110。

该定子电阻估值器160与图6中所示的160相同，并且由观察电流127、测量电流124、及测量电压123输出估计定子电阻R_s 201。观察器110由估计的定子电阻R_s 201和观察速度115计算公式(2)中的动态矩阵A′。

其次，解释根据本发明的一个第三最佳实施例。

当估计转子电阻而不测量旋转速度时，使用根据第三最佳实施例的系统。因而，该实施例适用于对其不要求定子电阻适应的适当高速电动机。

图8是方块图，表示根据第三最佳实施例的系统的配置。该最佳实施例把图13中不包括速度传感器的系统配置作为基础。图8的方块图仅表示不同于图13中所示配置中的部分。

在图8中所示的系统中，作为图13中R_s、R_r估值器501的替换，布置有一个转子电阻估值器161，以及电流和磁通观察器110。

通过把具有频率f^*的适当谐波信号注入在磁通电流113中作为注入项162，即使在稳定状态下也能观察转子电阻。

转子电阻估值器161通过不仅使用观察电流127和观察磁通128，但也使用测量电流124和测量电压123，输出估计的转子电阻156。由观察器110把估计的转子电阻(R_r′)156用来计算公式(2)中的动态矩阵A′。

图9是方块图，表示图8中所示和基于公式(10)的转子电阻估值器161的细节。

由向量旋转器141、107、和102向量旋转测量电流i_s124和观察电流i_s′127以及转子电压V_s123，并且转换成磁通分量。由高通滤波器143、144、和145从诸如一个磁通电压150、一个磁通电流125、和一个观察磁通电压151之类的磁通分量仅滤除谐波分量。

谐波定子电压V_d ^*152由一个P_Rr估值器246用来根据公式(12)确定一个点P_Rr255。

同时，在由计算器157和158把谐波定子电流i^d _*153和其观察值i_d′^*154转换成从由P_Rr估值器246输出的点P_Rr开始的向量之后，由绝对值逆变器190和191把他们转换成标量。

然后，根据公式(10)从由一个计算器192得到的在两个向量i_d ^*-P_Rr400和i_d′^*-P_Rr401的瞬时绝对值之间的差，得到估计的转子电阻R_r′156，并且由一个PI控制249输出。

图10是方块图，表示图9中所示P_Rr估值器246的细节。

从高通滤波器143输入到P_Rr估值器246的谐波定子电压152，输入到在P_Rr估值器246内的一个3/4T^*延迟电路310、一个峰值检测器311、及一个计算器313。

然后，由一个计算器313把V_d ^*值152除以来自峰值检测器311的V_d ^*的峰值，从而得到在与谐波定子电压V_d ^*152的方向相同的方向上的单位时间-相位复数矢量320。类似地，借助于一个运算器312把延迟电路310延迟3/4T^*的输入信号V_d ^*除以其峰值，从而得到与V_d ^*152正交的单位时间-相位复数矢量321。借助于单位时间-相位复数矢量320和321，确定在具有与谐波定子电压V_d ^*有关的实坐标的时间-相位复数矢量平面上的正交坐标系。

简单地通过对于P_Rrx 322和P_Rry 323乘以来自公式(12)的值，并且通过借助于一个加法器316添加得到的单位时间-相位复数矢量的瞬时值，确定点P_Rr255。

图11是方块图，表示根据第四最佳实施例的一种系统的配置。第四最佳实施例把图13中不包括速度传感器的系统配置作为基础。图11的方块图仅表示不同于图13中所示配置中的部分。

第四最佳实施例具有不包括速度传感器的配置。因而，通过把具有频率f^*的适当谐波信号注入在磁通电流113中作为注入项162，即使在稳定状态下也能观察转子电阻。

图11中所示的系统用在其中既要估计定子电阻R_s又要估计转子电阻R_r而不测量转子速度的情况下。

在图11中所示的系统中，图6中所示的定子电阻估值器160和图7中所示的转子电阻估值器161与电流和磁通观察器110一起布置。这些估值器160和161使用测量电流124和测量电压123以及观察电流127，并且输出估计的定子电阻201和转子电阻156。而且，转子电阻估值器161也使用观察磁通128来估计转子电阻。由观察器110把定子的估计电阻R_s′和转子的估计电阻R_r′用来计算公式(2)中的动态矩阵A′。

根据本发明，通过仅测量定子电流值，由该电流值能估计感应电压的每个状态。

另外，把上述算法用来估计定子电阻和转子电阻，从而在整个工作范围上能控制电动机驱动器的磁通值和转矩。

而且，根据在定子电流的测量与观察值之间的差进行对定子电阻和转子电阻的估计，由此即使在电动机工作中也进行估计。

更进一步，由于随电动机温度变化而估计相应的电阻值，所以诸如控制精度下降等之类的性能下降不会发生。

更进一步，通过参考来自在定子电流向量平面上的适当点的测量和观察电流，估计电阻值，从而不仅在监视操作而且在再生操作时也能实现稳定的估计。

Claims (17)

1.一种使用一个速度传感器进行感应电动机的向量控制的控制系统，包括：

一个第一基准点设置装置，用来把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意点处；

一个第一向量转换装置，用来把感应电动机的定子电流的测量和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的点P_R开始的向量；

幅值计算装置，用来得到由所述第一向量转换装置对于测量和观察值转换的向量幅值之差；

相位差计算装置，用来得到由所述第一向量转换装置对于测量和观察值转换的向量相位之差；

第一转子电阻估计装置，用来由幅值之差估计感应电动机的转子电阻；及

定子电阻估计装置，用来由相位差估计感应电动机的定子电阻。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中

如果假设转子电阻的估计值是R_r′，定子电流的测量值是i_s，观察值是i_s′，拉普拉斯算子是s，及k_IRr和k_PRr是增益，则所述第一转子电阻估计装置根据下式估计感应电动机的转子电阻

R_r′＝(k_PRr+s·k_IRr)·(|i_s-P_R|-|i_s′-P_R|)。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中

所述第一基准点设置装置把点P_R设置在定子电流向量平面上的定子电流的向量轨迹内侧的一个位置处。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中

如果假设定子电阻的估计值是R_s′，定子电流的测量值是i_s，观察值是i_s′，拉普拉斯算子是s，及k_IRs和k_PRs是增益，则所述定子电阻估计装置根据下式估计定子电阻

R_s′＝(k_PRs+s·k_IRs)·(i_s-P_R)×(i_s′-P_R)。

5.一种不使用速度传感器进行感应电动机的向量控制的控制系统，包括：

第一基准点设置装置，用来把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意点处；

第一向量转换装置，用来把感应电动机的定子电流的测量和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的点P_R开始的向量；

相位差计算装置，用来得到由所述第一向量转换装置对于测量和观察值转换的向量相位之差；及

定子电阻估计装置，用来由相位差估计感应电动机的定子电阻。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中

所述第一基准点设置装置把点P_R设置在定子电流向量平面上的定子电流的向量轨迹内侧的一个位置处。

7.根据权利要求5所述的控制系统，其中

如果假设定子电阻的估计值是R_s′，定子电流的测量值是i_s，观察值是i_s′，拉普拉斯算子是s，及k_IRs和k_PRs是增益，则所述定子电阻估计装置根据下式估计定子电阻

R_s′＝(k_PRs+s·k_IRs)·(i_s-P_R)×(i_s′-P_R)。

8.一种进行感应电动机的向量控制的控制系统，包括：

谐波信号注入装置，用来把一个谐波信号注入在磁通电流中；

第二基准点设置装置，用来把一个点P_Rr设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处；

第二向量转换装置，用来把感应电动机定子电流的测量和观察值的与谐波信号相对应的谐波分量，转换成从在定子电流向量平面上的点P_Rr开始的向量；

幅值计算装置，用来得到由所述第二向量转换装置对于测量和观察值的谐波分量转换的向量幅值之差；及

第二转子电阻估计装置，用来由幅值之差估计感应电动机的转子电阻。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其中

所述第二基准点设置装置把点P_Rr设置在从与电阻值相对应的电流值得到的一条直线上，这些电阻值大于和小于在定子电流向量平面上的标称转子电阻值。

10.根据权利要求8所述的控制系统，其中

如果假设转子电阻的估计值是R_r′，定子电流的测量谐波分量是i_d ^*，观察值的谐波分量是i_d ^′*，拉普拉斯算子是s，及k_IRr和k_PRr是增益，则所述第二转子电阻估计装置根据下式估计感应电动机的转子电阻

R_r′＝(k_PRr+s·k_IRr)·(|i_d ^*-P_Rr|-|i_d′^*-P_Rr|)。

11.根据权利要求8所述的控制系统，进一步包括：

第一基准点设置装置，用来把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处；

第一向量转换装置，用来把感应电动机的定子电流的测量和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的点P_R开始的向量；

相位差计算装置，用来得到由所述第一向量转换装置对于测量和观察值转换的向量相位之差；及

定子电阻估计装置，用来由相位差估计感应电动机的定子电阻。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中

所述第一基准点设置装置把点P_R设置在定子电流向量平面上的定子电流的向量轨迹内侧的一个位置处。

13.根据权利要求11所述的控制系统，其中

如果假设定子电阻的估计值是R_s′，定子电流的测量值是i_s，观察值是i_s′，拉普拉斯算子是s，及k_IRs和k_PRs是增益，则所述定子电阻估计装置根据下式估计定子电阻

R_s′＝(kPR_s+s·k_IRs)·(i_s-P_R)×(i_s′-P_R)。

14.一种感应电动机的参数估计方法，包括：

把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处；

把感应电动机的定子电流的测量和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的点P_R开始的向量；

得到对于测量和观察值的向量相位之差；及

由幅值差估计感应电动机的转子电阻。

15.根据权利要求14所述的参数估计方法，进一步包括：

得到对于测量和观察值的向量相位之差；及

由相位差估计感应电动机的定子电阻。

16.一种感应电动机的参数估计方法，包括：

把一个谐波信号注入在磁通电流中；

把一个点P_Rr设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处；

把感应电动机定子电流的测量和观察值的与谐波信号相对应的谐波分量，转换成从在定子电流向量平面上的点P_Rr开始的向量；

得到对于测量和观察值的谐波分量的转换向量的幅值之差；及

由幅值之差估计感应电动机的转子电阻。

17.根据权利要求16所述的参数估计方法，进一步包括：

把一个点P_R设置在一个定子电流向量平面上的任意位置处；

把感应电动机的定子电流的测量和观察值，转换成从在定子电流向量平面上的点P_R开始的向量；

得到对于转换的测量和观察值的向量相位之差；及

由相位差估计感应电动机的转子电阻。

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