CN103607158B - 低速下基于pi调节器和锁相环原理的磁链估计器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器，其通过同步角速度和磁链计算出电动势转矩分量的给定值，和电动势转矩分量进行比较后通过PI调节器调整角度来获取磁链。避免了传统电压模型的积分饱和以及初始相位误差问题，解决了低通滤波器算法低频误差较大的问题。在此基础上针对本发明提出和设计的观测器在交交变频同步电机拖动系统进行了仿真和实验研究，验证了这种磁链观测算法的有效性。仿真和实验表明这种算法在最低1Hz时可以很好地估计磁链，而且这种算法可以用于初始位置定位。该估计器可以准确地估计出磁链，避免了除法器的使用，系统的稳定性得到提高。

Description

低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器

技术领域

本发明属于大功率交流传动领域，是在运用PI调节器和锁相环原理的基础上提出一种基于电压模型的电机磁链估计器算法。该算法避免了传统电压模型的积分饱和以及初始相位误差问题，解决了低通滤波器算法低频误差较大问题。

背景技术

磁场控制是实现高性能交流调速方法的基础，而这些控制方法都需要实时的检测转子或定子磁链的幅值和相位。在同步电机按气隙磁链定向的矢量控制系统中，其解耦的关键依赖于气隙磁链观测的正确性。电机磁链估计在近年来受到了广泛的关注，主要的方法包括基于电机模型的方法、信号分析方法及基于现代控制理论方法。信号分析方法往往依赖于电机本身的结构特点，因此通用性较差。基于现代控制理论方法如基于扩展Kalman滤波器、模型参考自适应方法，在磁链观测中得到一定的应用，但往往难以兼顾误差收敛速度和参数敏感性两个方面，同时还要面临计算开销过大的问题。

目前基于电机模型气隙磁链的观测方法主要由电流模型、电压模型和基于两者的混合模型。其中，电压模型结构简单，在高速下取得了良好的观测效果，而且在计算过程仅需要电机参数中的定子电阻和漏感，因此最为常用。但是由于电压模型中使用了纯积分环节，微小的直流偏置都将最终导致积分饱和，从而导致磁链估计错误。

为此，在电压模型中通常采用一阶低通滤波器来替代纯积分环节，以消除积分环节对直流量的积累作用，但采用低通滤波器计算气隙磁链时存在幅值和相位误差，从而影响磁链观测的精度，这种误差在低速下尤为严重。

发明内容

本发明的目的是解决传统电压模型的积分饱和、初始相位误差以及低通滤波器算法低频误差较大的问题。

根据本发明提供的一种低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器，其通过同步角速度和磁链计算出电动势转矩分量的给定值，将电动势转矩分量的给定值和电动势转矩分量进行比较后通过PI调节器调整角度来获取磁链。

优选地，所述的获取磁链的方法通过以下电压模型及方法实现：

定义气隙磁链轴为m轴，定义超前m轴90°的为转矩轴，即t轴；

感应电动势的幅值e和θ_e相角计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e\right|=\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_e=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\β}}}{e_{\mathrm{\α}}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，e_α和e_β是电机在两相静止坐标系下的由电压、电流、电阻和漏感计算出来的两相感应电动势；

由|e|和角度计算得到e_m和e_t的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_m=\left|e\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\\ e_t=\left|e\right|\sin ({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，e_m为电动势磁链分量，e_t为电动势转矩分量，θ_e为电动势相位角，θ_p为电动势和磁链夹角；

磁链计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}=\frac{e_m}{s}\\ e_t=\mathrm{\ω\ψ}\\ {\mathrm{\θ}}_s=\frac{\mathrm{\ω}}{s}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，ψ为磁链，s为复变量，ω为同步角频率，θ_s为磁链位置角；

以由公式(3)获取的e_t为基准，以公式(2)获取的e_t为反馈，通过PI调节器调节θ_p使由公式(3)和(2)获取的e_t保持一致，从而得到正确的磁链幅值和相角。

优选地，所述的电压模型用于电机转子初始位置的检测；当电机开始工作前，定子端测得的电压即是两相感应电动势e_α和e_β；在电机建立励磁的过程中，电动势转矩分量e_t如果不是零，则通过PI调节器进行调节，改变θ_p使其为零，从而得到正确的电机磁链初始角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)有效地避免了传统电压模型的积分饱和以及初始相位误差问题，解决了低通滤波器算法低频误差较大的问题；

(2)本发明在低速下能准确地估计磁链，同时避免了除法器的使用，提高了系统稳定性；

(3)在动态方面，本发明提出的新算法能够很好地跟踪由转子电流带来的磁链变化，能够很好地跟踪频率变化时的磁链。此外，提出的算法还能准确地测算电机磁链初始角度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的磁链估计器的原理图；

图2是所述转子初始位置角测算原理图；

图3是本发明实施实例的系统示意图；

图4是实施实例中电机工作在0.5Hz时的波形图；

图5是实施实例中电机工作的1Hz时的波形图。

体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出的可用于低速和零速的低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器，它是一种结合了锁相环和PI电压调节器的磁链估计器。该估计器可以准确地估计出磁链，避免了除法器的使用，系统的稳定性得到提高。

本发明所述的磁链估计器主要通过以下模型和方法实现：

首先建立电压模型，定义气隙磁链轴为m轴，定义超前m轴90°的为转矩轴，即t轴。感应电动势的幅值和相角计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e\right|=\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_e=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\β}}}{e_{\mathrm{\α}}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中e_α和e_β是电机在两相静止坐标系下的由电压、电流、电阻和漏感计算出来的感应电动势。由|e|和角度计算得到e_m和e_t的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_m=\left|e\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\\ e_t=\left|e\right|\sin ({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，e_m为电动势磁链分量，e_t为电动势转矩分量，θ_e为电动势相位角，θ_p为电动势和磁链夹角；

磁链计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}=\frac{e_m}{s}\\ e_t=\mathrm{\ω\ψ}\\ {\mathrm{\θ}}_s=\frac{\mathrm{\ω}}{s}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，ψ为磁链，s为复变量，ω为同步角频率，θ_s为磁链位置角；

一方面，由公式(3)可知电动势转矩分量e_t可以由磁链ψ和同步角速度ω_s相乘得到；另一方面电动势转矩分量e_t可通过公式(2)获取。那么以由公式(3)获取的e_t为基准，以公式(2)获取的e_t为反馈，通过PI调节器调节θ_p就可以使二者保持一致，从而得到正确的磁链幅值和相角。

此外，由于同步电机矢量控制系统要求准确的初始转子位置角，对于使用增量式编码器，初始位置角在上电初始时刻无法直接从传感器读取，需要间接方法获取。本发明提供的电压模型还可用于电机转子初始位置的检测。当电机开始工作前，定子端测得的电压即是电动势e_α和e_β。在电机建立励磁的过程中，电动势转矩分量e_t如果不是零，则通过PI调节器进行调节，改变θ_p使其为零，从而得到正确的电机磁链初始角度。

在一台电励磁同步电机上对本发明提出的磁链估计算法进行了实验验证。在实际使用时，由于采用交交变频器进行供电，因此供电频率最高为20Hz。定子电流采用LEM公司的电流传感器LT108-S7进行检测，定子电压采用LEM公司的AV100-500进行检测。图3为实现系统的示意图。电机控制系统采用基于气隙磁链的矢量控制系统，采用多CPU并行处理的结构，每个单相的交交变频器采用DSP+FPGA进行控制，矢量控制和单相控制间使用并行总线进行通讯。交交变频工作在无环流模式、无环流死时为2ms。为了便于观察内部的变量的变化，控制系统有DA输出供使用，DA输出频率为1KHz。电机上安装了一个绝对值码盘用于检验磁链估计的准确性。

为了更准确地评估新算法的准确性，电机空载运行，对比绝对值编码器的输出的转子位置角和磁链估计器的输出的磁链位置角波形如图4和图5所示。其中图4是电机工作在0.5Hz时的波形，图5是电机工作的1Hz时的波形。由于电机空载稳态运行，定子电流非常小，负载角几乎为零，磁链位置角和转子位置角应该重合。从图中4、图5可以看出在0.5Hz时新算法在相位上有一定误差，但是1Hz时算法在相位上几乎没有误差。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器，其特征在于，磁链估计器通过同步角速度和磁链计算出电动势转矩分量的给定值，将电动势转矩分量的给定值和电动势转矩分量进行比较后通过PI调节器调整角度来获取磁链；

所述的获取磁链的方法通过以下电压模型及方法实现：

定义气隙磁链轴为m轴，定义超前m轴90°的为转矩轴，即t轴；

感应电动势的幅值e和θ_e相角计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\left|e\right|=\sqrt{e_{\mathrm{\α}}^2+e_{\mathrm{\β}}^2}\\ {\mathrm{\θ}}_e=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\β}}}{e_{\mathrm{\α}}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，e_α和e_β是电机在两相静止坐标系下的两相感应电动势；

由|e|和角度计算得到e_m和e_t的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_m=\left|e\right|cos({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\\ e_t=\left|e\right|sin({\mathrm{\θ}}_e-{\mathrm{\θ}}_p)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，e_m为电动势磁链分量，e_t为电动势转矩分量，θ_e为电动势相位角，θ_p为电动势和磁链夹角；

磁链计算公式为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ψ}=\frac{e_m}{s}\\ e_t=\mathrm{\ω}\mathrm{\ψ}\\ {\mathrm{\θ}}_s=\frac{\mathrm{\ω}}{s}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，ψ为磁链，s为复变量，ω为同步角频率，θ_s为磁链位置角；

以由公式(3)获取的e_t为基准，以公式(2)获取的e_t为反馈，通过PI调节器调节θ_p使由公式(3)和(2)获取的e_t保持一致，从而得到正确的磁链幅值和相角。

2.根据权利要求1所述的低速下基于PI调节器和锁相环原理的磁链估计器，其特征在于，所述的电压模型用于电机转子初始位置的检测；当电机开始工作前，定子端测得的电压即是两相感应电动势e_α和e_β；在电机建立励磁的过程中，电动势转矩分量e_t如果不是零，则通过PI调节器进行调节，改变θ_p使其为零，从而得到正确的电机磁链初始角度。