CN103944480A - 一种永磁电机转子磁链辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁电机转子磁链辨识方法，首先恒流启动，加速到额定转速后封锁脉冲，通过对定子电压的软件锁相得到定子电压幅值和定子电压角频率计算转子磁链的方法。该方法通过电流闭环一方面能够有效的保证启动电流处于受控状态，使启动过程平滑无冲击；另一方面，无需电动装置通过自启动处于旋转状态，然后通过封锁脉冲得到定子电压反电势从而能够精确计算转子磁链。

Description

一种永磁电机转子磁链辨识方法

技术领域

本发明涉及电力电子和电机传动技术领域，特别是一种永磁电机转子磁链辨识方法。

背景技术

永磁电机转子磁链的辨识一直为人们所关注。为了实现永磁同步电机无传感高性能控制，必须获取准确的电机转速和转子位置，只有准确的电机参数才能实现精确的位置控制。在众多电机参数中，永磁磁链的波动对永磁同步电机的性能产生较大的影响，尤其在模型参考自适应无速度控制方法中，会造成永磁同步电机无传感器控制系统的不稳定。

传统解决办法包括：通过对拖平台让永磁电机的转子处于旋转状态，通过测量电机定子的电压幅度和电机的转速计算转子磁链值，该方案要求有电动装置使电机处于旋转状态并且需要编码器测速；基于EKF的永磁磁链辨识，该方法实现起来运算量大，较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁电机转子磁链辨识方法，用以解决现有方法幅值或者控制要求高的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种永磁电机转子磁链辨识方法，恒电流闭环启动电机；加速到额定转速后封锁机侧变流器模块脉冲，通过锁相得到定子电压的幅值和相位；根据定子电压的幅值和相位计算磁链。

恒电流闭环启动电机后，电流幅度不变，电流频率以设定斜率增加，当电流频率达到额定频率fe时，达到额定转速，进入恒速运行状态。

所述得到定子电压的幅值和相位过程为：封锁机侧变流器模块脉冲后，检测三相定子电压Vsa,Vsb,Vsc，进行三相静止到两相静止变换，将定子电压由三相abc坐标系变换到垂直坐标系αβ；通过公式 $\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{peak}}=\sqrt{{V_{\mathrm{\α}}}^2+{V_{\mathrm{\β}}}^2}\\ \mathrm{\θ}=\arctan (V_{\mathrm{\β}}/V_{\mathrm{\α}})\end{array}$ 计算定子电压幅和相位，V_peak为定子电压幅值，θ为定子电压相位。

通过公式w＝dθ/dt，ψ＝e₀/ω，计算转子磁链；ψ：转子磁链；e₀：空载电势；ω：电机角频率。

针对永磁电机转子磁链辨识，本文提出一种恒流启动，加速到额定转速后封锁脉冲，通过对定子电压的软件锁相得到定子电压幅值和定子电压角频率计算转子磁链的方法。该方法通过电流闭环一方面能够有效的保证启动电流处于受控状态，使启动过程平滑无冲击；另一方面，无需电动装置通过自启动处于旋转状态，然后通过封锁脉冲得到定子电压反电势从而能够精确计算转子磁链。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是永磁电机与电网之间的变流器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图2是永磁电机与电网之间的变流器电路，包括网侧变流器，直流母线和机侧变流器等，该电路属于现有技术，网侧实现直流母线电压的稳定控制和交流输入电流的单位功率因数控制，机侧与永磁电机定子相连主要实现永磁电机的启动和转子磁链辨识。

网侧变流器包括IPM1，IPM2，IPM3三个半桥模块；Ld1,Lg1,Cg11,Cg12为网侧二阶滤波器；KM3，R11-R14，REC1整流桥，F1-F2组成的软启动电路，DL3为电网端断路器，FV3为避雷装置。

机侧变流器机侧包括IPM4，IPM5，IPM6三个半桥模块，L1du/dt为电抗器，KM1为机侧接触器，FV1为避雷装置。

网侧电抗器Lg1与电网相连，Ld1与变流器网侧功率模块交流输出端相连，Cg11和Cg12连接在Lg1和Ld1之间；网侧功率模块直流端DCBUS1+，DCBUS1-与机侧功率模块直流端相连，机侧功率模块交流端与L1du/dt电抗器相连，L1du/dt电抗器再与电机端定子相连。

本发明的基本方案在于：恒电流闭环启动电机；加速到额定转速后封锁机侧变流器模块脉冲，通过锁相得到定子电压的幅值和相位；根据定子电压的幅值和相位计算磁链。

具体磁链辨识过程如下：

KM3闭合，电网通过R11-R14软启电路对直流母线进行充电，防止母线电容冲击电流。

网侧模块IPM1-IPM3开始调制建立稳定的直流母线电压，控制输入电流为单位功率因数。采用电网电压定向的矢量控制方式实现有功无功的解耦控制。一方面实现控制有功保证直流母线电压恒定，另一方面控制无功为零，使得电网侧为单位功率因数。

机侧接触器KM1闭合，变流器机侧启动，启动过程具体如下：

机侧按照设定的启动电流幅值为Id_ref，电流频率fref=0。

机侧检测三相定子电流Isa,Isb,Isc,进行3/2变换（三相静止到两相静止）变换公式 $\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]$ 将电流由三相abc坐标系变换垂直坐标系αβ；将3/2变换后的I_α,I_β进行2s/2r变换（两相静止到两相旋转）变换，变换公式如下 $\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 其中旋转变换角θ的初始值设定为零，旋转频率取决于电流设定频率f_ref；θ=2×π×f_ref×t,t为时间，即为角频率对时间的积分得到旋转变换角；旋转变换后得到Id,Iq,求取d轴闭环误差Id_error=Id_ref-Id,对误差值Id_error做PID闭环运算，使得Id_error趋近于零。误差值Id_error通过PID闭环运算得到调制电压d轴分量Vd。同理求取q轴闭环误差Iq_error=0-Iq,Iq_ref恒定为零；对误差值Iq_error做PID闭环运算，使得Iq_error趋近于零同时Iq也趋近于零；误差值Iq_error通过PID闭环运算得到调制电压q轴分量Vq。当得到调制电压d轴和q轴分量Vd和Vq后，首先进行2r/2s反旋转变换(两相旋转到两相静止)，变换公式如下

$\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin & \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 其中旋转变换角θ与2s/2r正旋转变换角度相同；2r/2s反旋转变换得到V_α,V_β，通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）得到三个桥臂的调制电压，从而达到通过控制定子电压来控制定子电流的目的。

初始电流闭环完成后，变流器机侧以一定电流幅度Ipeak进行恒电流闭环启动，启动频率f初始值为零。

电流幅值Ipeak不变，电流频率f一定斜率增加（电流频率递增速率取决于MW级笼型异步电机的转动惯量。如果给定电流频率增速过快将导致电机运行进入不稳定区），当电流频率f达到额定频率fe时，进行恒速运行阶段，对电机定子电压进行软件锁相获得定子电压的幅值和相位。

恒速运行后，封锁机侧模块脉冲。

封锁脉冲后，根据定子电压的幅值和相位计算得到永磁电机空载电势的幅值和角速度，从而计算得到转子磁链。封锁脉冲后，机侧检测三相定子电压Vsa,Vsb,Vsc,进行3/2变换（三相静止到两相静止）变换公式

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]$ 将定子电压由三相abc坐标系变换垂直坐标系αβ；通过算公式 $\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{peak}}=\sqrt{{V_{\mathrm{\α}}}^2+{V_{\mathrm{\β}}}^2}\\ \mathrm{\θ}=\arctan (V_{\mathrm{\β}}/V_{\mathrm{\α}})\end{array}$ 得到定子电压幅值和角度。通过对角度求微分可以得到电机转速w＝dθ/dt；通过公式ψ＝e₀/ω,其中ψ：转子磁链；e₀：空载电势；ω：电机角频率，由电机转速w：可以求/出电机角频率ω。

以上给出了一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种永磁电机转子磁链辨识方法，其特征在于，恒电流闭环启动电机；加速到额定转速后封锁机侧变流器模块脉冲，通过锁相得到定子电压的幅值和相位；根据定子电压的幅值和相位计算磁链。

2.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子磁链辨识方法，其特征在于，恒电流闭环启动电机后，电流幅度不变，电流频率以设定斜率增加，当电流频率达到额定频率fe时，达到额定转速，进入恒速运行状态。

3.根据权利要求2所述的一种永磁电机转子磁链辨识方法，其特征在于，所述得到定子电压的幅值和相位过程为：封锁机侧变流器模块脉冲后，检测三相定子电压Vsa,Vsb,Vsc，进行三相静止到两相静止变换，将定子电压由三相abc坐标系变换到垂直坐标系αβ；通过公式 $\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{peak}}=\sqrt{{V_{\mathrm{\α}}}^2+{V_{\mathrm{\β}}}^2}\\ \mathrm{\θ}=\arctan (V_{\mathrm{\β}}/V_{\mathrm{\α}})\end{array}$ 计算定子电压幅和相位，V_peak为定子电压幅值，θ为定子电压相位。

4.根据权利要求3所述的一种永磁电机转子磁链辨识方法，其特征在于，通过公式w＝dθ/dt，ψ＝e₀/ω，计算转子磁链；ψ：转子磁链；e₀：空载电势；ω：电机角频率。