[发明专利]无传感器矢量控制设备及其方法

说明书

               1.技术领域

本发明涉及一种矢量控制设备，尤其涉及无传感器矢量控制设备和方法，用于控制感应电动机的变速运转和速度。

              2.背景技术

通常，由于与直流电动机相比感应电动机比较难于控制，因此感应电动机主要用于恒速运转。然而，随着矢量控制理论的引入和高性能的中央处理器(CPU)或数字信号处理器(DSP)的发展，可以控制感应电动机做变速运转。

矢量控制理论是这样一种方法，其中以120°间隔输入的三相交流电(“a”相、“b”相、“c”相)按直轴和90°间隔的横轴分解(转换)，将它们的大小控制为需要的值并将其恢复(反转换)为三相电，由此控制三相交流电。这个方法主要用于控制感应电动机。

为了对感应电动机进行矢量控制，需要感应电动机的速度信息或磁通信息。为了检测速度信息或磁通信息，需要速度传感器或磁通传感器，诸如速度计、解析器(resolver)或脉冲编码器。

然而，由于传感器包括电子电路，因此，由于电子电路的使用温度范围、速度传感器和变流器(inverter)之间信号接线费用大，使具有传感器的感应电动机受到局限。

而且尽管可以安装速度传感器，由于感应电动机与速度传感器之间的连接部分禁受不起冲击，出于设备可靠性考虑最好避免使用传感器。

因此，近来，提出了关于没有速度传感器的无传感器矢量控制设备的各种感应电动机速度估算方法。其中，将基于模型参考自适应系统、自适应观察器的方法(即，一种独立于主控制系统的估算速度或者转差频率的方法)用作考虑速度估算稳定性的高速运算方法，将高频注入(high frequencyinjection)方法用作低速算法方法。

图1是依照常规技术的速度控制设备的示意方框图，其依照电压转换频率的方法提供同步速度。

如图1所示，常规的速度控制设备包括：角速度发生器1，它接收使用者输入的命令频率(F)，将其转换为施加给电机的电机角速度(We)并输出；电压发生器2，它接收命令频率(F)，依照电压对频率的比率(V/F比率)生成电压并输出；和变流器(inverter)3，它通过利用从角速度发生器1输出的电机角速度(We)和从电压发生器2输出的电压控制感应电动机(IM)的速度。

现在来解释按上面的描述结构的常规速度控制设备的工作情况。

通常，在工业现场，不需要速度检测装置，相反，普遍使用的是简单控制的可变电压可变频率(VVVF)方法的普通变流器。

为了恒定保持感应电动机的磁通，普通变流器恒定控制变流器输出电压和输出频率之间比率(V/F＝常数)，且通过改变输出频率来控制旋转磁场的同步速度(rpm(每分钟转数))。

同步速度(rpm)＝120*F/P-------------------------------(1)其中“P”表示定子绕组的磁极数目，而“F”表示定子绕组流动的电流的命令频率。

同时，用于获取输入电压的感应电动机的电压(Vs)如下所示。

Vs＝Rs*Is+(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------(2)其中“Rs”表示定子电阻，“Is”表示感应电动机的输入电流，“Lls”表示定子漏磁电抗，而“Lm”表示激磁电抗。

在忽略公式(2)中感应电动机的定子电阻(Rs)的情况下，

Vs＝(Lls+Lm)*dIs/dt----------------------------------(3)

通常，与公式(3)中的激磁电抗(Lm)相比，定子漏磁电抗(Lls)较小。因此，通过公式(4)计算公式(3)：

Vs＝Lm*dIs/dt＝We*Lm*Is＝2πF*φ-----------------------------(4)

在公式(4)中，因为Vs/F＝2π*φ，因此通过恒定地提供Vs/F比率可恒定地保持磁通以控制电机。

因此，当确定了命令频率(F)时，可将其转换为同步速度(We＝2πF)并施加给感应电动机。此时，为了恒定地保持感应电动机的磁通，生成一个确使V/F比率恒定的相应于命令频率(F)的电压，且将其输出到变流器。

然后，变流器利用同步速度(We)和电压生成三相电压，并且把它们提供给感应电动机(IM)。即，假设恒定地提供V/F比率，由于恒定地保持磁通，因此可以控制感应电动机。