CN103856137A - 基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法，包括步骤：采样电机的电压、电流、转子位置和转子速度信号，并将电压和电流进行3／2变换；计算出电流模型磁链备用；计算出电压模型磁链备用，该电压模型为基于比例谐振控制器的电压模型；根据转子角速度判断是使用电流模型磁链还是电压模型磁链。本发明的优点：在全速范围内都可以有效地观测磁链；可以应用在交交变频电励磁同步电机矢量控制系统中，使系统具有良好的调速性能；使用的电压模型无传统电压模型的饱和以及初始误差问题；使用的电压模型可以有效地跟踪磁链幅值变化；电压模型在速度动态变化时使用转速和电流模型补偿得到同步角可以有效地跟踪磁链变化。

Description

基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法

技术领域

本发明涉及交交变频电励磁同步电机矢量控制系统磁链观测器研究，尤其是以基于交交变频器电励磁同步电机矢量控制系统为研究对象，提出了新型磁链观测器，该观测器结合了电流模型和基于比例谐振控制器的电压模型，阐明了新型磁链观测器的原理，具体涉及基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法。

背景技术

交交变频电励磁同步电机系统在大功率及特大功率低频场合如矿井提升、轧机、船舶推进和大型发电机交流励磁等领域有着广泛的应用。

基于晶闸管的交交变频器具有效率高、易于实现负载侧与电源侧之间的能量回馈、过载能力强等优点，电励磁同步电机具有功率因数可控、大功率电机制造容易等优点。

交交变频电励磁同步电机的控制采用基于气隙磁链定向的矢量控制系统。气隙磁链的获取是同步电机矢量控制系统的基础。气隙磁链可通过电流模型和电压模型获取。电流模型使用电流求取磁链，在低速和零速下可准确获取磁链，但由于需要参数较多，在速度较高时磁链计算误差较大。传统电压模型是通过对定子电动势积分求取磁链，速度低时定子电动势小，导致计算误差大，适用于在较高转速范围计算磁链。然而传统电压模型在实际应用时存在积分器饱和、初始积分误差、数字控制系统相位滞后误差等问题。

针对传统电压模型存在的问题，出现了很多改进方法。文献1(Hurst K D，Hableter T，Griva G，et a1.Zero—speed tacholess IM torque control：Simplya matter of stator voltage integration[J].IEEE Transactions on IndustryApplications，1998，34(4)：790—795.)使用低通滤波器代替纯积分器来改善电压模型，这种方法取得了一定的效果，但是该方法对磁链的幅值和相位估计都产生一定的误差。文献2(文晓燕，郑琼林，韦克康等.带零漂补偿和定子电阻自校正的磁链观测器[J].中国电机工程学报2011，31(12)：102—107.)在低通滤波方法的基础上根据定子磁链计算值和定子电流进行零漂和电阻误差在线估计，对相应变量进行校正来消除观测结果中的直流分量，该方法取得较好效果，但实现起来较复杂。文献3(高金文，温旭辉，陈静薇等.新型锁相环定子磁链观测器[J].中国电机工程学报2007，27(18)：41-47.)使用基于锁相环原理内置PI速度跟踪调节器的磁链观测器，本质上是认为电动势的磁链轴分量为零，这在动态过程中不成立的。文献4(王宇，邓智泉，王晓琳.一种新颖的电机磁链辨识算法[J].中国电机工程学报，2007，27(6)：39—44.)采用高通滤波器和坐标变换结合的方法来消除纯积分环节带来的问题，并对电压同步角频率分量的相位进行补偿，该方法操作简单，但是由于电机定子电压谐波含量大，这种方法对定子电压高频分量抑制较弱，带来了相位和幅值误差。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是为了实现同步电机全速范围内观测磁链并消除传统电压模型存在的问题，提出了一种结合电流模型和基于比例谐振控制器的电压模型磁链观测器，见图1。该模型在低速段使用电流模型观测磁链，在高速段采用基于比例谐振控制器的电压模型观测磁链，并使用线性过渡的方法来完成模型间的过渡。

根据本发明提供的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法，包括如下步骤：

步骤1：采样电机的电压、电流、转子位置和转子速度信号，并将电压和电流进行3／2变换；

步骤2：根据电流模型计算出电流模型磁链备用；

步骤3：根据电压模型计算出电压模型磁链备用，该电压模型为基于比例谐振控制器的电压模型；

步骤4：根据转子角速度判断是使用电流模型磁链还是电压模型磁链。

优选地，所述步骤3包括如下子步骤：

步骤3.1：根据电压、电阻和电流计算电动势；

步骤3.2：使用电流模型和转子角速度计算出同步角速度；

步骤3.3：对电动势使用比例谐振控制器进行同步角速度分量提取；

步骤3.4：根据坐标变换计算出电压模型磁链。

与现有技术相比，本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：

1)在全速范围内都可以有效地观测磁链。

2)可以应用在交交变频电励磁同步电机矢量控制系统中，使系统具有良好的调速性能。

3)使用的电压模型无传统电压模型的饱和以及初始误差问题。

4)使用的电压模型可以有效地跟踪磁链幅值变化。

5)电压模型在速度动态变化时使用转速和电流模型补偿得到同步角可以有效地跟踪磁链变化。

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为磁链观测器原理框图；

图2为基于电流给定值的电流模型原理图；

图3为基于坐标变换的电压模型原理框图；

图4为基于比例谐振控制器的同步电动势提取框图；

图5为传统积分和比例谐振控制器算法对比波形；

图6为突加励磁电流时的磁链响应；

图7、图8为重载时速度变化时的磁链响应；

图9为全速范围内磁链观测波形；

图10为交交变频电励磁同步电机矢量控制系统结构图；

图11为数字控制器结构；

图12至16为重载工况下矢量控制系统波形。

具体实施方式

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。

1、比例谐振控制器提取信号

比例控制器和谐振控制器结合，即比例谐振(Proportional Resonant，PR)控制器，可以实现对谐振频率的信号的提取。其传递函数G_PR(s)为

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=k_p+\frac{s}{{\mathrm{\τ}}_i(s^2+{\mathrm{\ω}}^2)}$

式中，k_p为比例系数，τ_i为谐振控制器时间常数，ω为谐振频率。

2、基于坐标变换的电压模型磁链观测算法

电动势和磁链的关系如下

令 $\left\{\begin{array}{c}{e}_1=\frac{\mathrm{d\ψ}}{\mathrm{dt}}\\ e_2=\mathrm{\ω\ψ}\end{array}\right.$

其中，为电动势矢量，j为虚数单位，ψ为磁链幅值，t为时间，e为欧拉数，φ为磁链位置角；显然，磁链的大小可以通过

得到，其中ω为电机的同步角频率。

又由于磁链的相位滞后于电动势e₂90°，可以得到基于坐标变换的电压模型磁链计算框图，见图3。

3、同步角频率检测

由于转子和气隙磁链之间的角度差δ可通过电流模型获取，因此同步角速度可通过

计算，其中，ω为同步角速度，ω_r为转子角速度，δ为负载角，t为时间。

4、基于比例谐振控制器同步电动势提取算法

同步电机α、β轴的感应电动势e_α、e_β可通过 $\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=u_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}=u_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$ 计算得到。

其中，R为定子绕组电阻，u_α、u_β分别为电压的α、β轴分量，由电机α、β轴的定子电压通过3／2变换得到，i_α、i_β分别为电流的α、β轴分量，由电机的定子电流通过3／2变换得到。

基于比例谐振控制器的电压模型首先计算出α、β轴的感应电动势，然后对感应电动势进行滤波，最后根据电压模型磁链计算框图计算出磁链。

基于电流给定值的电流模型较为简单，如图2。重点介绍基于比例谐振控制器的电压模型首先根据 $\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}=u_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}=u_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$ 计算出α、β轴的感应电动势e_α、e_β，其中，R为定子绕组电阻，u_α、u_β分别为电压的α、β轴分量，由电机的定子电压通过3／2变换得到，i_α、i_β分别为电流的α、β轴分量，由电机的定子电流通过3／2变换得到。

需要指出，首先，由于电压中高频信号含量较高而且控制系统受到采样和计算频率的限制，含有一定的高频成分；其次，在磁链变化时包含电动势磁链方向分量e₁分量，因此不能直接用于磁链计算。通过分析可知，电动势转矩方向e₂和磁链ψ是相对静止的，因此e₂的频率即同步频率。又由于比例谐振控制器可实现交流信号的无差跟踪，因此本发明使用比例谐振控制器来提取e₂，同时抑制其它频率成分。图4为基于比例谐振控制器电动势滤波算法的原理框图，它使用了基于比例谐振控制器的电动势负反馈闭环，可以对感应电动势根据进行滤波。该滤波算法的思路是，比例谐振控制器输出e′_α是频率为电机同步角频率ω的交流分量，这个交流分量和电动势α轴分量e_α中频率为ω的分量幅值若有偏差，则比例谐振控制器工作，使得输出等于输入，从而实现谐振频率信号的提取。

最后根据图3计算出磁链。由于磁链的相位滞后于电动势e₂90°，可得基于坐标变换的电压模型磁链计算框图。基于图3，即可计算出磁链。

使用比例谐振控制器对电动势电机同步角频率分量进行提取时，要兼顾稳定性、稳态精度和响应速度。交交变频器的等效开关频率较低约为300Hz，对基波电动势提取影响较大。针对移相特性的非线性区，采用电流断续补偿环节可以实现控制信号和输出信号的线性特性；交交变频输出的电压电流谐波较大，如果将采样到的电压电流直接参与矢量控制，产生的误差较大。故需要对电压电流进行采样，采样方法为较高频率的固定周期采样和与触发脉冲同步的变周期滤波来实现。

为验证本发明，给出了仿真研究和实验研究结果。

首先仿真电压模型稳态磁链观测。为了模拟实际采样存在的零点漂移，仿真时在电压采样环节叠加了一个1‰的直流量。图5为采用传统积分算法和采用比例谐振控制器算法电压模型观测到的磁链。从图中可以看出，基于传统积分算法磁链观测波形产生偏置，磁链等效于叠加了一个斜坡分量；基于比例谐振控制器的电压模型观测出的磁链并无直流偏置和饱和问题。

然后仿真提出新型的电压模型动态特性，对励磁电流突然变化和重载速度变化两种情况进行了仿真。

对于励磁电流突然变化情况，励磁电流给定是一个阶跃信号，实际电流、参考磁链和基于比例谐振控制器算法观测磁链如图6所示。从图中可以看出基于比例谐振控制器算法的电压模型可以很好地跟踪参考磁链。

对重载下速度变化情况进行了仿真，仿真结果如图7、图8。从图中可以看出，同步角频率选择正确时，基于比例谐振控制器电压模型可以较好的跟踪参考磁链，但当同步角频率选择不当如用转子角频率替代时检测结果有明显误差。

使用电流模型和基于比例谐振的电压模型的磁链观测器在全速范围内对磁链观测效果如图9所示。电流和电压模型的过渡区间为转速的5％至20％，采用线性过渡方式。从图中可以看出，观测到的磁链和参考磁链基本重合，因此该磁链观测器在全速范围内都可以有效的观测磁链。

为了验证本文提出的磁链观测器，在一台功率为1.6MW的交交变频同步电机控制系统上进行实际实验。同步电机定子为两套绕组，两套绕组空间相位互差30°。系统结构图如图10所示。设计的数字控制器如图11所示，采用并行总线结构，包含一块CPU板和六块DSP板。CPU板实现速度控制、磁链控制、矢量控制和转子励磁电流控制。六块DSP板分别控制电机的六相电流，包含断续补偿、无环流换向逻辑和脉冲触发等。表1为现场同步电机参数。

表1同步电机参数

在重载工况下，按气隙磁链定向矢量控制系统在全速范围内使用本文提出的磁链观测器观测波形如图12至16所示。通过图12可以看出实际转速能够很好地跟踪给定，说明系统的跟踪性能良好；转矩波动较小说明交交变频器控制的精度高。图13是全程过程中相电压和转速的关系，从图中可以看出相电压幅值和转速变化成正比，这说明在整个全程过程中磁链基本恒定。图14和图15为其中一相的电压电流波形，从图中可以看出电压电流相位一致，由于定子励磁电流给定为0，因此可以说明定子电流基本为转矩分量，而且图12中励磁电流可以很好地跟踪转矩电流，从而说明电流模型计算正确。图16为速度和磁链波形，从图中可以看出，观测出来的磁链消除了无初始积分误差和积分饱和问题，在整个运行过程中气隙磁链幅值变化较小。

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)

1.一种基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采样电机的电压、电流、转子位置和转子速度信号，并将电压和电流进行3／2变换；

步骤2：根据电流模型计算出电流模型磁链备用；

步骤3：根据电压模型计算出电压模型磁链备用，该电压模型为基于比例谐振控制器的电压模型；

步骤4：根据转子角速度判断是使用电流模型磁链还是电压模型磁链。

2.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法，其特征在于，所述步骤3包括如下子步骤：

步骤3.1：根据电压、电阻和电流计算电动势；

步骤3.2：使用电流模型和转子角速度计算出同步角速度；

步骤3.3：对电动势使用比例谐振控制器进行同步角速度分量提取；

步骤3.4：根据坐标变换计算出电压模型磁链。

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