基于旋转变压器的矢量控制方法、系统及电机系统与流程

本发明涉及一种矢量控制方法、系统及电机系统，特别是涉及一种基于旋转变压器的电机的矢量控制方法、系统及电机系统。

背景技术：

在电机的矢量控制中，一般需要采用光电编码器或者旋转变压器作为反馈机构，来采集电机角度，从而完成磁场定向，达到高性能的矢量控制。而旋转变压器以其坚固耐用，抗振动和抗干扰能力强，高精度，温度适应能力强等优点广泛应用于环境复杂而且精度要求比较高的场合。但旋转变压器解码过程比较复杂，目前主要有硬件解码和软件解码。

硬件解码基于专用解码芯片，解码精度高，但是增加额外成本。软件解码则一般采用反正切的计算方法，比较复杂而且耗费处理器资源。另外现有技术计算方法中需要用到积分或微分运算，计算中容易受信号的直流偏置和噪声的影响，使得计算出来的角度不准确，造成定向不准确。

现有技术中，基于旋转变压器的矢量控制需要先求出两项正交电压u1和u2

u1＝k*us*sin(ωt)*cosθr

u2＝k*us*sin(ωt)*sinθr

然后计算u2/u1的反正切

θr＝arctan(u2/u1)

微分可得转子频率

然后计算滑差ωslip：

其中iq为转子磁场定向后的转矩电流，id为转子磁场定向后的励磁电流。

接着计算转子磁场角度

从而可得：

最后计算和用于基于转子磁场定向的矢量控制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，克服现有的矢量控制方法存在的缺陷，而提供一种新的基于旋转变压器的矢量控制方法，所要解决的技术问题是使其无需反正切计算，避开对转速和角度的积分微分计算，提高定向精确度并简化计算过程，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种基于旋转变压器的矢量控制方法，其包括以下步骤：(1)采集输入到电机的电流、采集旋转变压器的正交电压；(2)将所述的电流经过预处理得到两相静止坐标系电流isα，isβ；(3)将所述的两相静止坐标系电流isα，isβ和所述的正交电压通过电流模型得到两相静止坐标系磁链再将所述的两相静止坐标系磁链转化为转子磁链角度余弦值和转子磁链角度正弦值(4)将所述的两相静止坐标系电流isα，isβ，经过基于所述的转子磁链角度余弦值和所述的转子磁链角度正弦值的park变换，得到转子磁场定向后的励磁电流id和转子磁场定向后的转矩电流iq；(5)输出转子磁场定向后的励磁电流id和转子磁场定向后的转矩电流iq，用于对电机的控制。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的基于旋转变压器的矢量控制方法，其中所述的预处理为clark变换。

前述的基于旋转变压器的矢量控制方法，其中所述的步骤(3)包括：(3a)将所述的正交电压转化为转子角度余弦值cosθr和转子角度正弦值sinθr；(3b)将所述的两相静止坐标系电流isα，isβ，经过基于所述的转子角度余弦值cosθr和所述的转子角度正弦值sinθr的park变换，得到基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq；(3c)将所述的基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq，通过基于转子坐标系定向的电流模型，得到基于转子坐标系定向的磁链(3d)将所述的基于转子坐标系定向的磁链经过基于所述的转子角度余弦值cosθr和所述的转子角度正弦值sinθr的park反变换得到两相静止坐标系磁链(3e)将所述的两相静止坐标系磁链转化为转子磁链角度余弦值和转子磁链角度正弦值

前述的基于旋转变压器的矢量控制方法，其中所述的的步骤(3c)为：将所述的基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq，通过基于转子坐标系定向电流模型：得到基于转子坐标系定向的磁链其中lm是励磁电感，tr是转子时间常数，p是微分算子。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种基于旋转变压器的矢量控制系统，其包括：采集单元，预处理单元，转子磁链角度三角函数计算单元，park变换单元及输出单元；所述的采集单元，用于采集旋转变压器的正交电压、采集输入到电机的电流；所述的预处理单元，用于对所述的电流进行预处理；所述的转子磁链角度三角函数值计算单元，用于将所述的正交电压和预处理后的电流通过电流模型得到转子磁链角度三角函数值；所述的park变换单元，用于基于所述的转子磁链角度三角函数值的park变换将所述的两相电流转化为转子磁场定向后的转矩电流和励磁电流；所述的输出单元，用于输出矢量控制信号，所述矢量控制信号包括所述转子磁场定向后的转矩电流和励磁电流。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的基于旋转变压器的矢量控制系统，其中所述的预处理单元，用于将所述的电流通过clark变换得到两相电流。

前述的基于旋转变压器的矢量控制系统，其中所述的转子磁链角度三角函数值计算单元，包括：用于将所述的正交电压转化为转子角度三角函数值的子单元；用于将所述的两相电流经过基于所述的转子角度三角函数值的park变换得到基于转子坐标系定向的电流的子单元；用于将所述的基于转子坐标系定向的电流通过基于转子坐标系定向的电流模型得到基于转子坐标系定向的磁链的子单元；用于将所述的基于转子坐标系定向的磁链经过基于所述的转子角度三角函数值的park反变换得到两相静止坐标系磁链的子单元；用于将所述的两相静止坐标系磁链转化为转子磁链角度三角函数值的子单元。

前述的基于旋转变压器的矢量控制系统，其中所述的基于转子坐标系定向的电流模型为其中是所述的基于转子坐标系定向的磁链，i′sd，i′sq是所述的基于转子坐标系定向的电流，lm是励磁电感，tr是转子时间常数，p是微分算子。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种电机系统，其包括电源供给模块、电机、旋转变压器以及控制模块；其中所述的控制模块用于生成控制电机的控制信号；所述的控制模块包括如前所述的基于旋转变压器的矢量控制系统；所述的基于旋转变压器的矢量控制系统中的采集单元与电源供给模块、旋转变压器相连接，输出单元与电机相连接。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种电机系统，其中所述的电源供给模块为直流母线，用于为电机系统提供直流电。

前述的一种电机系统，其还包括逆变模块，用于将电源供给模块供给的电能转换为电机可用的电能形式及基于所述控制信号对电机进行控制。

前述的一种电机系统，其还包括用于对电源供给模块输出电流滤波的滤波模块。

前述的一种电机系统，其还包括用于将所述控制信号放大的驱动模块。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现上述任一种基于旋转变压器的矢量控制方法的步骤。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述指令在由一计算机或处理器执行时实现上述任一种基于旋转变压器的矢量控制方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种基于旋转变压器的矢量控制方法、系统及电机系统可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

1、本发明无需旋转变压器解码的反正切计算；

2、本发明无需磁场定向中的正弦和余弦计算；

3、本发明无需滑差的计算；

4、本发明基于转子坐标系定向简化电流模型计算公式；

5、本发明无需积分和微分运算，避免直流偏置和噪声带来的积分微分计算的误差，提升计算的准确性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的矢量控制方法的一个实施例的流程示意图。

图2是本发明的矢量控制系统的一个实施例的结构框图。

图3是本发明的电机系统的一个实施例的结构框图。

图4是本发明的电机系统的另一个实施例的结构框图。

【主要符号说明】

1：电机2：电源供给模块

21：直流母线3：旋转变压器

4：控制模块5：滤波模块

6：电流传感器7：逆变模块

8：驱动模块9：基于旋转变压器的矢量控制系统

91：采集单元92：预处理单元

93：转子磁链角度三角函数计算单元

94：park变换单元95：输出单元

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于旋转变压器的矢量控制方法、系统及电机系统其具体实施方式、方法、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明实施方式提出的一种基于旋转变压器的矢量控制方法、系统及电机系统可以应用到各种电机。所述电机可以是发电机，也可以是电动机；可以是单相、两相、三相也可以是六相电机；可以是异步电机也可以是同步电机。本发明还特别适用于异步感应电机。

本发明实施方式提出的矢量控制方法利用模拟信号、数字信号等信号均可以实现。本发明实施方式提出的系统及电机系统中使用的信号可以是模拟信号、数字信号及其他信号。

请参阅图1所示，本发明较佳实施例的一种基于旋转变压器的矢量控制方法，其主要包括以下步骤：

步骤s1，采集输入到电机的电流，采集旋转变压器的正交电压，其中旋转变压器的正交电压包含了电机角度信息的；优选的，从旋转变压器采集两相正交电压u1，u2的模拟信号，通过电流传感器采集三相电流ia，ib，ic的模拟信号，然后通过模拟数字转换器(adc)将上述模拟信号转化为可供控制模块继续处理的数字信号。

步骤s2，将步骤s1采集到电流转化为两相静止坐标系电流isα，isβ；优选的，将从电流传感器采集到的三相电流ia，ib，ic经过clark变换得到两相静止坐标系电流isα，isβ。

步骤s3，由于旋转变压器两项正交电压表达式如下：

u1＝k*us*sin(ωt)*cosθr

u2＝k*us*sin(ωt)*sinθr

因此，将步骤s1采集到的两相正交电压u1，u2通过计算式

得出转子角度的余弦值cosθr和转子角度的正弦值sinθr。

步骤s4，将步骤s2中得到的两相静止坐标系电流isα，isβ，以及步骤s3中得到的转子角度的余弦值cosθr和转子角度的正弦值sinθr，经过park变换：

i′sd＝cosθr*isα+sinθr*isβ

i′sq＝-sinθr*isα+cosθr*isβ

得到基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq。

步骤s5，将步骤s4中得到的基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq通过基于电流模型：

得到磁链其中lm是励磁电感，tr是转子时间常数，ωr是转子频率，p是微分算子；

优选的，可通过基于转子坐标系定向的电流模型简化本步骤，即是将步骤s4中得到的基于转子坐标系定向的电流i′sd，i′sq通过基于转子坐标系定向电流模型：

得到基于转子坐标系定向的磁链其中lm是励磁电感，tr是转子时间常数，p是微分算子

上述计算式的推导过程为：

基于转子坐标系定向的电流模型有以下公式：

其中lm是励磁电感，rr是转子电阻；

从而可得：

其中tr是转子时间常数；

取微分算子可得：

分解成d-q坐标分量则得到本步骤中的基于转子坐标系定向的电流模型：

步骤s6，将步骤s5中得到的基于转子坐标系定向的磁链以及步骤s3中得到的转子角度的余弦值cosθr和转子角度的正弦值sinθr，经过park反变换：

得到两相静止坐标系磁链

步骤s7，将步骤s6中得到的两相静止坐标系磁链通过计算式：

得到转子磁链角度的余弦值和转子磁链角度的正弦值

步骤s8，将步骤s2中得到的两相静止坐标系电流isα，isβ，以及步骤s7中得到的转子磁链角度的余弦值和转子磁链角度的正弦值经过park变换：

得到转子磁场定向后的励磁电流id和转子磁场定向后的转矩电流iq。

步骤s9，输出步骤s8得到的转子磁场定向后的励磁电流id和转子磁场定向后的转矩电流iq，用于根据id和iq实现基于转子磁场的定向控制。

本控制方法无需旋转变压器解码的反正切计算单元，无需积分和微分运算单元，从而避免直流偏置和噪声带来的积分微分计算的误差，提升计算的准确性。

请参阅图2所示，本发明较佳实施例的一种基于旋转变压器的矢量控制系统9，其包括：采集单元91，预处理单元92，转子磁链角度计算单元93，park变换单元94和输出单元95。

采集单元91，用于采集旋转变压器的正交电压、采集输入到电机的电流；优选的，从旋转变压器采集两相正交电压的模拟信号，通过电流传感器采集输入到电机的三相电流的模拟信号，经过模拟数字转换器(adc)，转化为两相正交电压、三相电流的数字信号。

预处理单元92，用于将上述的电流转化为两相电流；优选的，预处理单元通过clark变换将三相电流转化为两相静止坐标系电流；

转子磁链角度三角函数值计算单元93，用于将上述的正交电压和电流通过电流模型得到转子磁链角度三角函数值；优选的转子磁链角度三角函数值计算单元，包括用于将所述的两相正交电压转化为转子角度三角函数值的子单元；用于将所述的两相电流经过基于所述的转子角度三角函数值的park变换得到基于转子坐标系定向的电流的子单元；用于将所述的基于转子坐标系定向的电流通过基于转子坐标系定向的电流模型得到基于转子坐标系定向的磁链的子单元；用于将所述的基于转子坐标系定向的磁链经过基于所述的转子角度三角函数值的park反变换得到两相静止坐标系磁链的子单元；用于将所述的两相静止坐标系磁链转化为转子磁链角度三角函数值的子单元；

进一步优选的，所述的基于转子坐标系定向的电流模型为其中是所述的基于转子坐标系定向的磁链，i′sd，i′sq是所述的基于转子坐标系定向的电流，lm是励磁电感，tr是转子时间常数，p是微分算子。

park变换单元94，用于基于所述的转子磁链角度三角函数值的park变换将所述的两相静止坐标系电流转化为转子磁场定向后的转矩电流和励磁电流。

输出单元95，用于将矢量控制结果输出给电机系统；可选的，将矢量控制结果输出给电机系统的驱动模块。

请参阅图3所示，本发明较佳实施例的一种电机系统，其包括电机1、电源供给模块2、旋转变压器3、控制模块4。

电机1是控制的对象。

电源供给模块2，用于给整个系统供电。

旋转变压器3，与电机1相连接，并与控制模块4相连接，用于测量电机1的旋转角度，输出包含电机1角度信息的正交电压，并将其传给控制模块4。

控制模块4，用于生成控制电机的控制信号并基于控制信号控制电机，其包括前述实施例中的基于旋转变压器的矢量控制系统9，其与电机1、电源供给模块2、旋转变压器3相连接，用于通过如图1所示实施例的方法实现基于转子磁场的定向控制；特别的，其中的采集单元91与电源供给模块2、旋转变压器3相连接，输出单元95与电机1相连接。

请参阅图4所示，另一个本发明较佳实施例的一种电机系统，其包括：电机1、旋转变压器3、控制模块4、逆变模块7、电流传感器6、驱动模块8、直流母线21以及滤波模块5。

电机1是控制的对象。

直流母线21，用于给整个系统提供直流电。

滤波模块5，与直流母线21相连接，用于将直流电滤波后，传给逆变模块7和控制模块4。

较佳的，可以在滤波模块5与控制模块4之间设置一个控制电源模块，用于为控制模块提供控制电源(未在图4中画出)。

逆变模块7，与滤波模块5、驱动模块8及电机1相连接，用于将电源供给模块供给的电能转换为电机可用的电能形式(本实施例中逆变模块7用于将两相转换为三相电)，并用于基于驱动模块放大的控制信号对电机1进行控制。

旋转变压器3，设置于电机轴上与电机1相连接，并与控制模块4相连接，用于测量电机的旋转角度，输出包含电机角度信息的两相正交电压，并将其传给控制模块4。

电流传感器6，与逆变模块7及控制模块4相连接，用于采集输入到电机的电流(本实施例中采集的是输入到电机的三相电流)并将其传给控制模块4。

控制模块4，与旋转变压器3、电流传感器6、驱动模块8相连接，用于生成控制电机的控制信号。控制模块4可以是包括微处理器的控制芯片，用软件的方法实现如图1所示实施例的矢量控制方法；控制模块4也可以是fpga板卡，用硬件的方法实现如图1所示实施例的矢量控制方法。在一种优选实施例中，控制模块4中包括前述实施例中的基于旋转变压器的矢量控制系统9，用于通过如图1所示实施例的方法实现基于转子磁场的定向控制；控制模块4还包括模拟数字转换器(adc)，用于将采集到的电压、电流的模拟信号转化为数字信号；控制模块4还包括包括一个子模块(未在图4中画出)，用于将控制模块4输出的控制信号通过pwm(脉宽调制)将数字信号转换为模拟信号后传给驱动模块。

驱动模块8，与控制模块4和逆变模块7相连接，用于将从控制模块4接收到的微弱的控制信号放大成可以驱动逆变模块7的信号。

进一步，本发明实施例还提出了一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现上述任一种基于旋转变压器的矢量控制方法的步骤。应该理解到，存储器中存储的指令是与它在被处理器执行时能够实现的基于旋转变压器的矢量控制方法的具体示例的步骤对应的。

进一步，本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述指令在由一计算机或处理器执行时实现上述任一种基于旋转变压器的矢量控制方法的步骤。应该理解到，计算机可读存储介质中存储的指令是与它在被执行时能够实现的基于旋转变压器的矢量控制方法的具体示例的步骤对应的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。