CN102386839B - 基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器及控制方法 - Google Patents

基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器及控制方法 Download PDF

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CN102386839B CN2011103921442A CN201110392144A CN102386839B CN 102386839 B CN102386839 B CN 102386839B CN 2011103921442 A CN2011103921442 A CN 2011103921442A CN 201110392144 A CN201110392144 A CN 201110392144A CN 102386839 B CN102386839 B CN 102386839B
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Abstract

基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器及控制方法，涉及同步电机矢量控制器及控制方法。同步电机矢量控制受电机电阻参数影响大，电流容易超调，存在不稳定因素，需要增加电流检测环节来保证系统的正常可靠运行。本发明特征在于：包括PID调节器；积分器；正弦余弦转换器；逆变换器；空间矢量脉宽调制器；功率逆变电路；变换器；无功功率观测器；锁相环PLL。本技术方案以保证同步电机控制的效率为前提，基于对电机相电流的采样，通过无功功率观测器来简化算法和控制框架，降低控制算法对电机电阻参数的依赖性，提高系统可靠性，同时不需要增加新的硬件配置，不会造成产品的硬件成本上升。

Description

基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及同步电机矢量控制器及控制方法。
背景技术
目前，在同步电机矢量控制中，通常采取两类控制策略：一类是转子磁场定位；另一类是定子磁链跟踪。
转子磁场定位控制方式中，我们需要获取转子位置，通过在转子上加装传感器或者根据电机的电阻、电感等参数进行转子角度估算，然后将定子电流通过一系列坐标变换折算到转子坐标系中，进行解耦，对转子的d轴电流和q轴电流分别进行PID控制，得到所需的d轴电压和q轴电压，又一次将转子坐标系中的电压通过一系列坐标反变换折算到定子侧，计算量大，控制框架复杂，受电机参数影响大，特别是电机的电阻参数。而且，在出现定子综合电压矢量幅值饱和时，需要等比例缩减                                                或
Figure 658459DEST_PATH_IMAGE002
，以保证定子综合电压矢量的方向准确。
定子磁链跟踪控制方式中，同样存在受电机电阻参数影响大的问题，所以很多研究都是针对参数自适应方面的，以弥补这一弱点。同时，在定子磁链跟踪控制方式中，电流容易超调，存在不稳定因素，需要增加电流检测环节来保证系统的正常可靠运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器及控制方法，以达到高性能、易实现目的。为此，本发明采取以下技术方案。
1、基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器，其特征在于：包括
PID调节器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子综合电压
Figure 2011103921442100002DEST_PATH_IMAGE003
；
积分器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子转角
Figure 637916DEST_PATH_IMAGE004
；
正弦余弦转换器：与PID调节器和积分器输出端相连，用于根据定子综合电压
Figure 230703DEST_PATH_IMAGE003
、定子转角
Figure 625912DEST_PATH_IMAGE004
输出对应的定子
Figure 2011103921442100002DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 315650DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 2011103921442100002DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 13479DEST_PATH_IMAGE008
；
逆变换器：与正弦余弦转换器输出端相连，将定子
Figure 280512DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 541729DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 17798DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 11162DEST_PATH_IMAGE008
转换成三相相电压值；
空间矢量脉宽调制器：与逆变换器输出端连接，根据三相相电压值生成PWM波；
功率逆变电路：与空间矢量脉宽调制器输出端连接，用于控制电机的工作；
变换器：将电机三相电流采样值变换成定子
Figure 827808DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 2011103921442100002DEST_PATH_IMAGE009
和定子轴电流值
Figure 963571DEST_PATH_IMAGE010
；
无功功率观测器：与变换器输出端及正弦余弦转换器输出端连接，用于根据定子
Figure 393416DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 448091DEST_PATH_IMAGE006
、定子
Figure 785531DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 429002DEST_PATH_IMAGE008
、定子
Figure 577218DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 306139DEST_PATH_IMAGE009
和定子
Figure 447271DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值
Figure 758297DEST_PATH_IMAGE010
计算定子电压矢量旋转角频率ωS；
锁相环PLL：输入端与无功功率观测器的输出端连接，输出端与PID调节器及积分器的输入端连接，用于对功率观测器输出锁频。
基于无功功率观测器的同步电机矢量控制方法， 其特征在于它包括以下步骤：
1）获得电机电感值L，并对同步电机的电流、电压进行采样；
2）对采样的电流值进行折算至定子
Figure 2011103921442100002DEST_PATH_IMAGE011
坐标系；
3）根据公式：
式中：A为无功功率值，L为电机电感值，ωS为定子电压矢量旋转角频率， 
Figure 542900DEST_PATH_IMAGE009
为定子
Figure 238454DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值，
Figure 653255DEST_PATH_IMAGE010
定子轴电流值， 
Figure 846787DEST_PATH_IMAGE006
为定子轴电压值，
Figure 802291DEST_PATH_IMAGE008
为定子
Figure 728790DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值，
当A→0时，计算ωS；
4）将计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωS反馈给控制电路，以控制电机相反电势
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和相电流
Figure 716337DEST_PATH_IMAGE014
同相位。
基于效率最优的目标，需要将电机相反电势和相电流
Figure 747835DEST_PATH_IMAGE016
的相位进行同相位控制。在SVPWM控制方式下，通过控制定子综合电压矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的幅值和角频率
Figure 684698DEST_PATH_IMAGE018
，可以实现反电势和电流的相位趋于相同。
但是，在正常三相SVPWM控制方式下，我们无法直接测量到绕组反电势，只能测取电机的相电流，所以只能通过将三相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE019
折算到定子坐标系中，通过
Figure 443893DEST_PATH_IMAGE011
轴电压平衡方程进行求解。
因为
Figure 284941DEST_PATH_IMAGE020
轴上的电机定子电压方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
而要保证电机相反电势
Figure 404207DEST_PATH_IMAGE015
和相电流
Figure 406929DEST_PATH_IMAGE014
同相位，即需要下述等式成立：
   
Figure 369069DEST_PATH_IMAGE022
令：
   
Figure DEST_PATH_IMAGE023
则根据
Figure 748229DEST_PATH_IMAGE011
轴上的电机定子电压方程可得：
   
在正弦波驱动系统中，可以设：
   
Figure DEST_PATH_IMAGE025
   
Figure 348154DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为定子综合电流，
Figure 548322DEST_PATH_IMAGE028
为定子电压矢量旋转角频率。
可得：
   
Figure DEST_PATH_IMAGE029
只要根据
Figure 811068DEST_PATH_IMAGE030
值，通过PLL锁相环控制定子电压矢量旋转角频率
Figure 701664DEST_PATH_IMAGE028
，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，即可控制电机相反电势
Figure 374085DEST_PATH_IMAGE013
和相电流
Figure 45238DEST_PATH_IMAGE014
同相位。当
Figure 218730DEST_PATH_IMAGE032
时，电机处于增磁控制状态；当
Figure DEST_PATH_IMAGE033
时，电机处于弱磁控制状态。而且越大，相对应的增磁或者弱磁效果越强。
进一步将
Figure DEST_PATH_IMAGE035
进行整合变形，见下：
设：、
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 44232DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
其中，为
Figure 496390DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure DEST_PATH_IMAGE041
轴之间的夹角，
Figure 510613DEST_PATH_IMAGE042
为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
与
Figure 907091DEST_PATH_IMAGE041
轴之间的夹角
Figure 219123DEST_PATH_IMAGE044
上式第一部分为定子输入的负无功功率，第二部分为电机绕组内部存储的无功能量，所以，A值实质上是一个无功功率平衡方程，可以称A为无功功率观测器。可见值仅与电机电感
Figure 17446DEST_PATH_IMAGE046
和电流、电压的测量精度有关，与电机电阻无关，而且，无功功率观测器计算无需求取转子角度，全部参数均来自定子侧。
本技术方案以保证同步电机控制的效率为前提，基于对电机相电流的采样，通过无功功率观测器来简化算法和控制框架，降低控制算法对电机电阻参数的依赖性，提高系统可靠性，同时不需要增加新的硬件配置，不会造成产品的硬件成本上升。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωS经过锁相环PLL后反馈至控制节点。
定子电压矢量旋转角频率ωS通过PID调节器后生成对应的定子综合电压，定子电压矢量旋转角频率ωS通过积分器后生成定子转角
Figure 329753DEST_PATH_IMAGE004
；定子综合电压
Figure 196209DEST_PATH_IMAGE003
经变正弦及余弦变换后得到定子轴电压值
Figure 578966DEST_PATH_IMAGE006
和定子轴电压值
Figure 603870DEST_PATH_IMAGE008
；定子
Figure 298157DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 762767DEST_PATH_IMAGE006
和定子轴电压值经逆变换器获得三相相电压值，三相相电压值通过空间矢量脉宽调制器控制功率逆变电路为电机提供相应的电压，电机的三相电流采样后经变换器转换成定子
Figure 627452DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 715494DEST_PATH_IMAGE009
和定子
Figure 44844DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值
Figure 56794DEST_PATH_IMAGE010
,定子
Figure 460093DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 781353DEST_PATH_IMAGE006
、定子
Figure 348732DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 85744DEST_PATH_IMAGE008
、定子轴电流值
Figure 101290DEST_PATH_IMAGE009
和定子轴电流值
Figure 493405DEST_PATH_IMAGE010
送至无功功率观测器，无功功率观测器根据公式
Figure 136876DEST_PATH_IMAGE012
，A→0，计算得到定子电压矢量旋转角频率ωS，定子电压矢量旋转角频率ωS经过锁相环PLL后反馈至控制节点，实现闭环控制。
有益效果：
1.  省去了PARK变换和逆PARK变换，简化了计算；
2.  省去了求取转子角度时的反正切运算；
3.  避开了速度PID、d轴电流PID、q轴电流PID三个控制环节之间相互缠绕、参数难以整定的问题；
4.  不存在或
Figure 70471DEST_PATH_IMAGE002
在出现综合电压矢量幅值饱和时的等比例缩减问题；
5.  与电机的定子电阻无关，电机发热后对计算没有影响。
在保证同步电机控制的效率为前提下，基于对电机相电流的采样，通过无功功率观测器来简化算法和控制框架，降低控制算法对电机电阻参数的依赖性，提高系统可靠性，同时不需要增加新的硬件配置，无硬件成本上升。
附图说明
图1是本发明控制框图。
图2是控制系统连接框图。
图3是本发明实施效果图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器，如图1所示，包括：
PID调节器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子综合电压
Figure 149286DEST_PATH_IMAGE003
；
积分器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子转角
Figure 522629DEST_PATH_IMAGE004
；
正弦余弦转换器：与PID调节器和积分器输出端相连，用于根据定子综合电压
Figure 841746DEST_PATH_IMAGE003
、定子转角
Figure 57964DEST_PATH_IMAGE004
输出对应的定子
Figure 2786DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 355270DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 110868DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 611119DEST_PATH_IMAGE008
；
逆变换器：与正弦余弦转换器输出端相连，将定子
Figure 31736DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 317355DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 227542DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 965822DEST_PATH_IMAGE008
转换成三相相电压值。
空间矢量脉宽调制器：与逆变换器输出端连接，根据三相相电压值生成PWM波；
功率逆变电路：与空间矢量脉宽调制器输出端连接，用于控制电机的工作；
变换器：将电机三相电流采样值变换成定子
Figure 252447DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 392573DEST_PATH_IMAGE009
和定子
Figure 676923DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值
Figure 151767DEST_PATH_IMAGE010
；
无功功率观测器：与变换器输出端及正弦余弦转换器输出端连接，用于根据定子
Figure 727236DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 908819DEST_PATH_IMAGE006
、定子
Figure 426388DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值、定子
Figure 699511DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 797917DEST_PATH_IMAGE009
和定子
Figure 424070DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值
Figure 624239DEST_PATH_IMAGE010
计算定子电压矢量旋转角频率ωS；
锁相环PLL：输入端与无功功率观测器的输出端连接，输出端与PID调节器及积分器的输入端连接，用于对功率观测器输出锁频。
基于无功功率观测器的同步电机矢量控制方法包括以下步骤：
1）获得电机电感值L，并对同步电机的电流、电压进行采样；
2）对采样的电流值进行折算至定子
Figure 790778DEST_PATH_IMAGE011
坐标系；
3）根据公式：
Figure 946953DEST_PATH_IMAGE012
式中：A为无功功率值，L为电机电感值，ωS为定子电压矢量旋转角频率， 
Figure 557057DEST_PATH_IMAGE009
为定子
Figure 165893DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值，
Figure 401702DEST_PATH_IMAGE010
定子
Figure 225433DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值， 
Figure 193389DEST_PATH_IMAGE006
为定子轴电压值，
Figure 610912DEST_PATH_IMAGE008
为定子
Figure 741679DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值，
当A→0时，计算ωS；
4）将计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωS反馈给控制电路，以控制电机相反电势
Figure 942853DEST_PATH_IMAGE013
和相电流同相位。
如图1所示，定子电压矢量旋转角频率ωS通过PID调节器后生成对应的定子综合电压
Figure 589046DEST_PATH_IMAGE003
，定子电压矢量旋转角频率ωS通过积分器后生成定子转角
Figure 636636DEST_PATH_IMAGE004
；定子综合电压
Figure 946395DEST_PATH_IMAGE003
经变正弦及余弦变换后得到定子
Figure 830169DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 883575DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 785672DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 79381DEST_PATH_IMAGE008
；定子轴电压值
Figure 291237DEST_PATH_IMAGE006
和定子
Figure 985523DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 467712DEST_PATH_IMAGE008
经逆变换器获得三相相电压值，三相相电压值通过空间矢量脉宽调制器控制功率逆变电路为电机提供相应的电压，电机的三相电流采样后经变换器转换成定子
Figure 575345DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 970555DEST_PATH_IMAGE009
和定子轴电流值
Figure 482756DEST_PATH_IMAGE010
,定子
Figure 562838DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值、定子
Figure 227355DEST_PATH_IMAGE007
轴电压值
Figure 299347DEST_PATH_IMAGE008
、定子轴电流值
Figure 853005DEST_PATH_IMAGE009
和定子
Figure 189440DEST_PATH_IMAGE007
轴电流值
Figure 353705DEST_PATH_IMAGE010
送至无功功率观测器，无功功率观测器根据公式
Figure 657647DEST_PATH_IMAGE012
，A→0，计算得到定子电压矢量旋转角频率ωS，定子电压矢量旋转角频率ωS经过锁相环PLL后反馈至控制节点，实现闭环控制。
下面结合以上方法，对本发明的一个运用进行描述:
在空调无刷直流风机电机的控制上应用了该方法，采用MCU和功率电路相结合的方式，如图2所示， MCU部分选择可编程的微处理器电路，功率电路选择功率IPM或者分立的功率管（包括MOS管或IGBT）及其外围驱动电路，电机为同步电机，该电机为空调无刷直流风机电机。MCU部分的输出控制信号和功率电路的输入相连接，功率电路的输出和电机相连接，电机的相电流采样信号输出和MCU部分的输入相连接。在空调无刷直流风机电机测试中捕捉到的电机相电流波形图，如图3所示，从相电流波形图中可以发现本发明具有实用性和稳定性。而且在抵抗负载波动时，也能迅速收敛，趋于稳定。

Claims (4)

1.基于无功功率观测器的同步电机矢量控制器，其特征在于：包括
PID调节器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子综合电压                                                
Figure 2011103921442100001DEST_PATH_IMAGE001
；
积分器：用于根据定子电压矢量旋转角频率ωS生成对应的定子转角
Figure 2011103921442100001DEST_PATH_IMAGE002
；
正弦余弦转换器：与PID调节器和积分器输出端相连，用于根据定子综合电压
Figure 188218DEST_PATH_IMAGE001
、定子转角
Figure 566110DEST_PATH_IMAGE002
输出对应的定子
Figure 2011103921442100001DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和定子轴电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
逆变换器：与正弦余弦转换器输出端相连，将定子
Figure 730637DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值
Figure 256296DEST_PATH_IMAGE004
和定子
Figure 413739DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 974034DEST_PATH_IMAGE006
转换成三相相电压值；
空间矢量脉宽调制器：与逆变换器输出端连接，根据三相相电压值生成PWM波；
功率逆变电路：与空间矢量脉宽调制器输出端连接，用于控制电机的工作；
变换器：将电机三相电流采样值变换成定子
Figure 480101DEST_PATH_IMAGE003
轴电流值
Figure 2011103921442100001DEST_PATH_IMAGE007
和定子
Figure 565826DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
无功功率观测器：与变换器输出端及正弦余弦转换器输出端连接，用于根据定子轴电压值
Figure 676181DEST_PATH_IMAGE004
、定子
Figure 166200DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值、定子
Figure 352648DEST_PATH_IMAGE003
轴电流值
Figure 372687DEST_PATH_IMAGE007
和定子
Figure 548454DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 473684DEST_PATH_IMAGE008
计算定子电压矢量旋转角频率ωS；
锁相环PLL：输入端与无功功率观测器的输出端连接，输出端与PID调节器及积分器的输入端连接，用于对功率观测器输出锁频。
2.基于无功功率观测器的同步电机矢量控制方法， 其特征在于它包括以下步骤：
1）获得电机电感值L，并对同步电机的电流、电压进行采样；
2）对采样的电流值进行折算至定子
Figure 2011103921442100001DEST_PATH_IMAGE009
坐标系；
3）根据公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式中：A为无功功率值，L为电机电感值，ωS为定子电压矢量旋转角频率， 
Figure 573359DEST_PATH_IMAGE007
为定子轴电流值，定子
Figure 207099DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值， 
Figure 48147DEST_PATH_IMAGE004
为定子
Figure 292047DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值，
Figure 747299DEST_PATH_IMAGE006
为定子
Figure 522488DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值，
当A→0时，计算ωS；
4）将计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωS反馈给控制电路，以控制电机相反电势
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和相电流同相位。
3.根据权利要求2所述的基于无功功率观测器的同步电机矢量控制方法，其特征在于：计算获得的定子电压矢量旋转角频率ωS经过锁相环PLL后反馈至控制节点。
4.根据权利要求3所述的基于无功功率观测器的同步电机矢量控制方法，其特征在于：定子电压矢量旋转角频率ωS通过PID调节器后生成对应的定子综合电压
Figure 981543DEST_PATH_IMAGE001
，定子电压矢量旋转角频率ωS通过积分器后生成定子转角
Figure 830682DEST_PATH_IMAGE002
；定子综合电压
Figure 456835DEST_PATH_IMAGE001
经变正弦及余弦变换后得到定子
Figure 640692DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值
Figure 823542DEST_PATH_IMAGE004
和定子轴电压值
Figure 652138DEST_PATH_IMAGE006
；定子
Figure 260974DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值和定子轴电压值经逆变换器获得三相相电压值，三相相电压值通过空间矢量脉宽调制器控制功率逆变电路为电机提供相应的电压，电机的三相电流采样后经变换器转换成定子
Figure 994389DEST_PATH_IMAGE003
轴电流值
Figure 705993DEST_PATH_IMAGE007
和定子
Figure 899077DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 850984DEST_PATH_IMAGE008
,定子
Figure 231149DEST_PATH_IMAGE003
轴电压值
Figure 559494DEST_PATH_IMAGE004
、定子
Figure 544767DEST_PATH_IMAGE005
轴电压值
Figure 916843DEST_PATH_IMAGE006
、定子
Figure 529177DEST_PATH_IMAGE003
轴电流值
Figure 582584DEST_PATH_IMAGE007
和定子
Figure 484681DEST_PATH_IMAGE005
轴电流值
Figure 778390DEST_PATH_IMAGE008
送至无功功率观测器，无功功率观测器根据公式，A→0，计算得到定子电压矢量旋转角频率ωS，定子电压矢量旋转角频率ωS经过锁相环PLL后反馈至控制节点，实现闭环控制。
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