CN101944876B - 一种他励同步电机磁通定向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种他励同步电机磁通定向方法，其将定子电枢绕组中产生的三相电枢绕组进行3/2坐标变换，得到α轴电动势、β轴电动势从而获取转子初始位置角；计算假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切；对计算的正切进行积分，对一路积分信号取绝对值并乘以一定系数，对另一路积分信号进行变化趋势判断，对两路处理后的积分信号进行脉冲转换处理；对计算的正切进行比例积分调节运算；根据调节运算后的信号校正脉冲转换处理后的信号，得到转子初始位置修正信号；对转子旋转过程中的脉冲信号进行积分；将转子初始位置修正信号与脉冲积分信号相加，得到转子实际位置角从而对电机进行磁通定向矢量控制。本方法实现磁通定向成本低、故障率小。

Description

一种他励同步电机磁通定向方法

技术领域

本发明涉及同步电机调速控制技术，特别涉及一种他励同步电机磁通定向方法。

背景技术

同步电机是交流旋转电机的一种，因其转速恒等于同步转速而得名，同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和调相机。

现代交流同步电机控制一般采用磁通定向矢量控制技术，该技术的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，这时静止和旋转坐标系的夹角不能直接获得，需要实时计算电机转子位置来得到，所以交流同步电机磁通定向的过程也就是电机转子位置定位的过程。

现有的磁通定向方法一般采用绝对值编码器加上旋转增量编码器定位的方法，由于绝对值编码器价格昂贵，因此该方法成本高，硬件的增加同时增加了电机运行的故障率。

发明内容

本发明的目的是提供一种他励同步电机磁通定向方法，能克服现有同步电磁通定向方法成本高、易发生故障的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供了一种他励同步电机磁通定向方法，包括如下步骤：

(1)在定子的电枢绕组不通电情况下，在转子的励磁绕组中突加直流励磁电流，将定子的电枢绕组中产生的R-S-T坐标系的三相电枢绕组变换到α-β坐标系的α轴电动势、β轴电动势；

(2)对α轴电动势、β轴电动势分别积分，得到α轴磁连分量、β轴磁连分量、气隙磁链，进而得到转子初始位置角；

(3)根据转子初始位置角的正弦和余弦以及假定的转子真实位置角计算假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切；

(4)对假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切进行积分，得到积分结果信号；

(5)对一路积分结果信号取绝对值并乘以一定系数，得到放大的绝对值信号，对另一路积分结果信号进行变化趋势判断，得到正转信号或反转信号；

(6)对放大的绝对值信号和正转信号或反转信号进行脉冲转换处理；

(7)对假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切进行比例积分调节运算，得到正的修正信号或负的修正信号；

(8)根据正的修正信号或负的修正信号校正脉冲转换处理后的信号，得到转子初始位置修正信号；

(9)对转子旋转过程中的脉冲信号进行积分，得到脉冲积分信号；

(10)对转子初始位置修正信号以及脉冲积分信号进行相加，得到电机运行时的转子实际位置角；

(11)根据转子实际位置角，基于矢量控制原理对电机进行磁通定向矢量控制。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(5)中变化趋势判断的过程具体为：

取前一个扫描周期另一路积分结果信号的值与本扫描周期另一路积分结果信号的值相减，如果差大于0，则得到正转信号，如果差小于0，则得到反转信号。

在本发明的另一实施例中，所述步骤(6)中脉冲转换处理的过程具体为：

将三角参考波与放大的绝对值信号、正转信号或反转信号进行叠加，得到一系列增大或减小的脉冲。

在本发明的再一实施例中，所述步骤(8)中校正的过程具体为：

根据正的修正信号或负的修正信号对脉冲转换处理后的信号进行相加或相减，直至假定转子真实位置角与转子初始位置角之差等于0，而后输出转子初始位置修正信号。

在本发明的又一实施例中，所述方法还包括步骤：

(12)实时监测转子的励磁绕组中突加的直流励磁电流和定子的电枢绕组感应出的三相对称交变电动势，根据监测结果判断定位过程是否正常进行。

与现有技术相比，本发明同步电机磁通定向方法有如下优点：

1、在能实现磁通定向的基础之上，由于在步骤(10)中能得到电机运行时的转子实际位置角，因此转子定向精确，做到电机转速的准确控制，避免了同步电机在运转过程中产生的失步及振荡；

2、本方法可以借由软件实现，定位耗时极短，经实验，从转子突加励磁电流、校正转子位置至磁通定向不大于300ms；

3、在整个转子定向的过程中，通过步骤(12)在线监测电机定、转子电流电压等参数，避免了因定向失败产生的电机失速等故障；

4、在步骤(9)中得到转子旋转过程中的脉冲信号仅需要一个电机侧脉冲增量编码器，而现有方法通过绝对值编码器和增量形编码器这两个编码器实现电机磁通定向相比，因此本方法更加经济，硬件少因此故障率低。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明他励同步电机磁通定向方法涉及的3个坐标系的示意图。

图2为本发明他励同步电机磁通定向方法中定子定向的原理框图。

图3为图1所示他励同步电机磁通定向方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

为了更清楚阐释本实施例他励同步电机磁通定向方法，在此先说明他励同步电机的结构和工作原理。

发电机包括转子和定子。转子上有成对磁极、励磁绕组。定子上有三相对称交流绕组(电枢绕组)。转子被原动机(水轮机、汽轮机、柴油机等)拖动后，转子绕转子轴旋转，给电机输入机械能；转子的励磁绕组通以直流励磁电流时，电机的气隙中建立励磁磁场(主磁场)，励磁磁场随转子的轴旋转并顺次被定子的三相电枢绕组切割，三相电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电动势。通过引出线，三相对称交变电动势可提供交流电源。

本实施例同步电机为他励同步电机，同步电机转子的励磁绕组和定子的电枢绕组是分开的，转子的励磁绕组中的励磁电流单独提供，与定子电枢电流无关。本实施例利用的正是他励同步电机励磁电流可控可调节的特点。

另外，本发明涉及三个坐标系，分别如下：

R-S-T坐标系，为定子坐标系，定子里有三相对称绕组，绕组轴线间彼此互差120度空间电角度，构成一个R-S-T三相坐标系(如图1，图中S、N分别表示磁场南北极)；

α-β坐标系，为转子坐标系，转子坐标系固定在转子上，α轴位于转子轴线上(α轴为转子轴)，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度，该坐标系以转子角速度在空间上旋转，故为旋转坐标系，对于同步电动机，α轴是转子磁极的轴线(如图1)；

d-q坐标系，为定向坐标系，d轴固定在定向的磁链轴上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和磁链矢量一起在空间同步旋转，同样属于旋转坐标系，由于d轴位于磁链轴上，又称为定向磁链轴，和d轴垂直的q轴上的定子电流分量只能产生电磁转矩，又称为转矩轴(如图1)。

此外，本发明涉及R-S-T坐标系到α-β坐标系变换(3/2变换)，即将R-S-T坐标系的三相对称交变电动势(R轴电动势、S轴电动势

、T轴电动势

)变换到α-β坐标系的α轴电动势

、β轴电动势

，变换原理是，基于矢量控制，当在转子的励磁绕组中突加直流励磁电流时，R、S两相电枢绕组中感应出电动势，为了说明问题方便，把定向磁链轴d轴放在和T相绕组轴线垂直的位置，所以转子磁通增大时，T相电枢绕组不感应电动势，因此，R-S-T坐标系到α-β坐标系的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\α}}^s\\ E_{\mathrm{\β}}^s\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_R^s\\ E_S^s\end{array}\right],$

由于特殊位置，R、S两相绕组所交链的磁通大小相等，因此电动势

大小相同，均为

，方向如图1所示，因此则

下面说明本实施例他励同步电机磁通定向方法，如图2和图3，本方法包括如下步骤：

步骤S1，在定子的电枢绕组不通电情况下(即断开变频器，但定子侧电压测量装置和电流测量装置仍工作)，在转子的励磁绕组中突加直流励磁电流，时间极短，约200ms左右，此时电机的气隙中逐步建立励磁磁场，在励磁磁场逐步建立过程中，三相电枢绕组中感应出R-S-T三相对称交变电动势(R轴电动势

、S轴电动势

、T轴电动势

)；由于定子三相绕组空间位置的不同，R轴电动势、S轴电动势

、T轴电动势

的大小、方向也不同，通过三坐标R-S-T坐标系到二坐标α-β坐标系变换(3/2坐标变换)模型320，将三坐标R-S-T坐标系的三相对称交变电动势(R轴电动势

、S轴电动势

、T轴电动势

)变换到二坐标α-β坐标系的α轴电动势

、β轴电动势

步骤S2，监测单元310对转子的励磁绕组中突加的直流励磁电流和定子的电枢绕组感应出的三相对称交变电动势(R轴电动势

、S轴电动势、T轴电动势

)进行实时监测，比较各个信号是否在规定范围内(有无超出设定值或者小于最小值)，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S1。

步骤S3，电压模型330对二坐标α-β坐标系的α轴电动势

、β轴电动势

积分，得到α-β坐标系下的α轴磁连分量ψ_α、β轴磁连分量ψ_β：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫E_{\mathrm{\α}}^s\mathrm{dt}=-\frac{3}{2}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}---\left(1\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}={\∫E}_{\mathrm{\β}}^s\mathrm{dt}=\frac{3}{2}\∫(-\frac{1}{\sqrt{3}}+\frac{2}{\sqrt{3}})E_S^s\mathrm{dt}=\frac{3}{2\sqrt{3}}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}---\left(2\right)$

步骤S4，矢量分析器340根据电压模型330积分得到的α轴磁连分量ψ_α、β轴磁连分量ψ_β得到气隙磁链ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\sqrt{{\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\right)}^2}=\frac{3}{2}\sqrt{1+{\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right)}^2}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}=\sqrt{3}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由于定位期间定子的电枢绕组不通电，气隙磁链ψ即为转子磁链。

由式(1)、(2)、(3)可知，转子轴(α-β坐标系的α轴)与d-q坐标系的d轴之间的夹角λ的正弦和余弦值分别为：

$\sin \mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{\ψ}}=\frac{\frac{3}{2\sqrt{3}}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}}{\sqrt{3}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}---\left(4\right)$

$\cos \mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ψ}}=\frac{-\frac{3}{2}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}}{\sqrt{3}{\∫E}_S^s\mathrm{dt}}=-\frac{\sqrt{3}}{2}---\left(5\right)$

由式(4)、(5)可得到转子轴(α-β坐标系的α轴)与定向坐标系的d轴之间的夹角λ(电角度)＝30°，为转子静止时的初始位置角。

需要注意的是，转子初始位置角λ并不是实际的转子位置，真实的转子位置用φs表示，需要对计算得到的λ值进行修正。

步骤S5，矢量回转器360对矢量分析器220输出的转子初始位置角λ求正弦sinλ和余弦cosλ，并根据正弦sinλ、余弦cosλ以及假定的转子真实位置角φs计算假定转子真实位置角φs与转子初始位置角λ之差Δφ的正弦sinΔφ、余弦cosΔφ：

sinΔφ＝sin(φs-λ)＝sinφs cosλ-cosφs sinλ，

cosΔφ＝cos(φs-λ)＝cosφs cosλ-sinφs sinλ，

步骤S6，除法器361将矢量回转器360得到的sinΔφ与cosΔφ求商，得到商tgΔφ。

步骤S7，积分器370对除法器361得到的商tgΔφ进行积分运算，并输出一路积分结果信号到绝对值放大器380，输出另一路积分结果信号到编码器方向判断模块390。

步骤S8，绝对值放大器380对积分器370输出的一路积分结果信号进行取绝对值并乘以放大系数k(k一般取值5.0-10.0之间)，得到放大的绝对值信号。

编码器方向判断模块390对积分器370输出的另一路积分结果信号进行变化趋势判断，得到正转信号或反转信号。其中变化趋势判断的过程是：取前一个扫描周期积分器370输出的积分结果信号的值与本扫描周期积分器370输出的积分结果信号的值相减，如果差大于0，则得到正转信号，如果差小于0，则得到反转信号。。

步骤S9，多路转换器391对绝对值放大器380输出的放大的绝对值信号和编码器方向判断模块390输出的正转信号或反转信号进行脉冲转换处理，得到增大或减小的脉冲信号。其中脉冲转换处理的过程是，将三角参考波与绝对值放大器380输出的放大的绝对值信号、编码器方向判断模块390输出的正转信号或反转信号进行叠加，得到一系列增大或减小的脉冲。当编码器方向判断模块390输出正转信号时，多路转换器391得到增大的脉冲信号；当编码器方向判断模块390输出反转信号时，多路转换器391得到减小的脉冲信号。

步骤S10，PI调节器395对除法器361得到的商tgΔφ进行比例积分调节运算，比列积分调节运算的过程是：将参考信号0与除法器361输出的商tgΔφ相减，得到的差值进行PI计算，公式为：输出信号＝Kp×(0-tgΔφ)+1/Ti∫(0-tgΔφ)，其中Kp为比例系数因子，Ti为积分系数因子，如果输出信号为正，则Δφ＞0(说明转子初始位置角λ小于假定转子真实位置角φs)，输出信号为正修正信号，否则，Δφ＜0(说明转子初始位置角λ大于假定转子真实位置角φs)，输出信号为负修正信号。

步骤S11，计数器模块392根据PI调节器395输出的加法信号或减法信号对多路转换器391输出的增大或减小的脉冲信号进行校正，得到转子初始位置修正信号λ′。计数器模块392的具体校正过程为：

当PI调节器395输出正的修正信号时，计数器模块392根据PI调节器395输出的正的修正信号对多路转换器391输出的增大或减小的脉冲信号做加法运算使得转子初始位置角λ增加。反馈后，转子真实位置角φs与转子初始位置角λ之差Δφ减小，直至假定转子真实位置角φs与转子初始位置角λ之差Δφ等于0，同时赋值给转子初始位置修正信号λ′，即λ＝φs＝λ′。PI调节器395的输入给定值为零。经几次衰减振荡后，最终稳定在Δφ＝0，保证了转子定向误差接近0；

当PI调节器395输出负的修正信号时，计数器模块392根据PI调节器395输出的负的修正信号做减法运算使得转子初始位置角λ减小。反馈后，假定转子真实位置角φs与转子初始位置角λ之差Δφ减小，直至假定转子真实位置角φs与转子初始位置角λ之差Δφ等于0，同时赋值给转子初始位置修正信号λ′，即λ＝φs＝λ′。

步骤S12，电机侧脉冲增量编码器320输出转子旋转过程中的脉冲信号，其中电机侧脉冲增量编码器320输位于电机转子轴末端，与电机同步运行。

步骤S13，积分器321对电机侧脉冲增量编码器320输出的脉冲信号进行积分。

步骤S14，加法器322对计数器模块392输出的转子初始位置修正信号λ′以及积分器321输出的脉冲积分信号进行相加，得到电机运行时的转子实际位置角λ″。

步骤S15，在步骤S3得到转子实际位置角λ″完成转子实际位置定位后，定向坐标系(d-q坐标系)的位置也就确定了，基于矢量控制原理对电机进行磁通定向矢量控制。

通过上述步骤S1-S4可知，本发明与现有同步电机磁通定向方法相比，有如下优点：

1、在能实现磁通定向的基础之上，转子定向精确，做到电机转速的准确控制，避免了同步电机在运转过程中产生的失步及振荡；

2、本发明同步电机磁通定向方法可以借由软件实现，定位耗时极短，经实验，从转子突加励磁电流、校正转子位置至磁通定向不大于300ms；

3、在整个转子定向的过程中，通过监测单元310在线监测电机定、转子电流电压等参数，避免了因定向失败产生的电机失速等故障；

4、仅通过一个电机侧脉冲增量编码器320实现电机磁通定向，而现有方法通过绝对值编码器和增量形编码器这两个编码器实现电机磁通定向，因此本方法更加经济，硬件少因此故障率低。

需要说明的是，除法器361把角度差Δφ变成正切、以及使用PI调节器395的目的是为了加快定位过程和定位精度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种他励同步电机磁通定向方法，包括如下步骤：

（1）在定子的电枢绕组不通电情况下，在转子的励磁绕组中突加直流励磁电流，将定子的电枢绕组中产生的R-S-T坐标系的三相电枢绕组变换到α-β坐标系的α轴电动势、β轴电动势；

（2）对α轴电动势、β轴电动势分别积分，得到α轴磁连分量、β轴磁连分量、气隙磁链，进而得到转子初始位置角；

（3）根据转子初始位置角的正弦和余弦以及假定的转子真实位置角计算假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切；

（4）对假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切进行积分，得到积分结果信号；

（5）对一路积分结果信号取绝对值并乘以一定系数，得到放大的绝对值信号，对另一路积分结果信号进行变化趋势判断，得到正转信号或反转信号；

（6）对放大的绝对值信号和正转信号或反转信号进行脉冲转换处理；

（7）对假定转子真实位置角与转子初始位置角之差的正切进行比例积分调节运算，得到正的修正信号或负的修正信号；

（8）根据正的修正信号或负的修正信号校正脉冲转换处理后的信号，得到转子初始位置修正信号；

（9）对转子旋转过程中的脉冲信号进行积分，得到脉冲积分信号；

（10）对转子初始位置修正信号以及脉冲积分信号进行相加，得到他励同步电机运行时的转子实际位置角；

（11）根据转子实际位置角，基于矢量控制原理对他励同步电机进行磁通定向矢量控制。

2.如权利要求1所述的他励同步电机磁通定向方法，其特征在于：所述步 骤（5）中变化趋势判断的过程具体为：

取前一个扫描周期另一路积分结果信号的值与本扫描周期另一路积分结果信号的值相减，如果差大于0，则得到正转信号，如果差小于0，则得到反转信号。

3.如权利要求1所述的他励同步电机磁通定向方法，其特征在于：所述步骤（6）中脉冲转换处理的过程具体为：

将三角参考波与放大的绝对值信号、正转信号或反转信号进行叠加，得到一系列增大或减小的脉冲。

4.如权利要求1所述的他励同步电机磁通定向方法，其特征在于：所述步骤（8）中根据正的修正信号或负的修正信号校正脉冲转换处理后的信号的过程具体为：

根据正的修正信号或负的修正信号对脉冲转换处理后的信号进行相加或相减，直至假定转子真实位置角与转子初始位置角之差等于0，而后输出转子初始位置修正信号。

5.如权利要求1所述的他励同步电机磁通定向方法，其特征在于：还包括步骤：

（12）实时监测转子的励磁绕组中突加的直流励磁电流和定子的电枢绕组感应出的三相对称交变电动势，根据监测结果判断定位过程是否正常进行。 

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