CN104852664A - 一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，其特点在于，包括以下步骤：1）实时采样定子电压和定子电流；2）通过锁相环获得转子位置和转速；3）通过速度、电流双闭环控制得到三相正弦电压信号 、、；4）将三相正弦电压信号、、送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联功率单元进行控制，控制电机转速。采用本发明的方法，在电机轴上无需安装速度传感器，避免了安装速度编码器所带来的弊端。

Description

一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，属于电力电子自动控制技术领域。

背景技术

级联高压变频调速是近些年来广泛应用的一种调速技术。通过高压变频调速系统，解决了大多数电机的起动和调速问题，节能效果显著，具有广阔的发展空间。

在水泥、冶金、化工等行业特别是矿山，同步电机都有较多的应用。同步电机的变频调速大多采用矢量控制。为了确定定子电流矢量的方向和建立速度闭环反馈就必须获得转速信号，通常采用光电编码盘的速度传感器进行转速检测。然而速度传感器在安装、维护、易受环境影响等方面严重影响了电动机调速系统的简便性、廉价性和可靠性。特别是像高压变频器应用环境比较复杂的场合，速度编码器的测量精度受环境影响比较大。

因此，研究应用于级联高压变频器的高压同步电机驱动系统中的无速度传感器矢量控制意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免安装速度编码器所带来的弊端，并且能估计电机的转速，改善电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。且只需电机电感和采样定子电压和电流，无需复杂的磁链估算，大大简化了控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施如下：

一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实时采样得到同步电机的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C；

2)通过锁相环获得同步电机的转子角速度ω和转子位置电气角度θ；

利用Clark变换将步骤1)得到的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C变换到两相静止坐标系上，得到在两相静止坐标系上的定子电压u_α、u_β和定子电流i_α、i_β，即

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]$

同步电机在αβ坐标系上的定子电压方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

令：k＝e_αi_β-e_βi_α   (2)

将式(1)代入式(2)得： $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\α}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\β}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}$

又有i_α＝i cos ωt，i_β＝i sin ωt

其中ω为转子角速度，i为定子综合电流，t为时间；

则式(3)进一步化简为 $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+\mathrm{\ωL}(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)$

通过锁相环，控制k＝0获得转子角速度ω和转子位置电气角度θ。

3)由步骤2)的转子位置角度θ，利用Park变换将两相静止坐标系上的定子电流变换到两相旋转坐标系中

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

将步骤2)得到的转子角速度ω与给定的角速度参考值ω^*比较，得到的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_qref；i_dref是励磁电流给定；i_qref和i_dref分别与i_q和i_d经过PI控制器得到q轴电压给定值V_qref和d轴电压给定值V_dref，结合步骤2)得到的转子位置电气角度θ，经Park逆变换和Clark逆变换输出三相正弦电压信号V_a、V_b、V_c。

4)将三相正弦电压参考信号V_a、V_b、V_c送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联变频器的功率单元进行控制，控制同步电机转速。

本发明将检测到的电机定子电压和定子电流通过锁相环得到转子角速度ω和转子位置电气角度θ。经转速与电流双闭环控制得到输出三相正弦电压信号V_a、V_b、V_c，送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联变频器的功率单元进行控制，达到控制电机转速的目的。

本发明所达到的有益效果：本发明的无速度传感器矢量控制方法应用在级联高压变频器的高压同步电机驱动系统中，在电机轴上无需安装速度传感器，避免了安装速度编码器所带来的弊端。并且能较好地估计电机的转速，使得所驱动的高压同步电机能够获得与直流电动机相似的输出转矩特性，有效地改善了电机在启动、调速、稳态运行时的静动态性能。且只需电机电感和采样定子电压和电流，无需复杂的磁链估算，大大简化了控制系统。

附图说明

图1本发明的无速度传感器的高压同步电机矢量控制系统结构图。

具体实施方式

本发明为一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，由图1所示的无速度传感器的高压同步电机矢量控制系统结构图可知，本发明的具体实现步骤如下：

1)实时采样得到同步电机定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C；

2)通过锁相环获得同步电机转子角速度ω和转子位置电气角度θ；

利用Clark变换将步骤1)得到的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C变换到两相静止坐标系上，得到在两相静止坐标系上的定子电压u_α、u_β和定子电流i_α、i_β，即

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]$

同步电机在αβ坐标系上的定子电压方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

令：k＝e_αi_β-e_βi_α   (2)

将式(1)代入式(2)得： $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\α}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\β}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}$

又有i_β＝i cos ωt，i_β＝i sin ωt

其中ω为转子角速度，i为定子综合电流，t为时间；

则式(3)进一步化简为 $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+\mathrm{\ωL}(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)$

通过锁相环，控制k＝0获得转子角速度ω和转子位置电气角度θ。

3)由步骤2)的转子位置角度θ，利用Park变换将电流变换到两相旋转坐标系中

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

将步骤2)得到的电机角速度ω与给定的角速度参考值ω^*比较，得到的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_qref；i_dref是励磁电流给定，根据实际需要调整。i_qref和i_dref分别与i_q和i_d经过PI控制器得到q轴电压给定值V_qref和d轴电压给定值V_dref，结合步骤2)得到的转子位置电气角度θ，经Park逆变换和Clark逆变换输出三相正弦电压信号V_a、V_b、V_c。

4)将三相正弦电压参考信号V_a、V_b、V_c送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联变频器的功率单元进行控制，控制电机转速。

Claims (2)

1.一种无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实时采样得到同步电机的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C；

2)通过锁相环获得同步电机的转子角速度ω和转子位置电气角度θ；

利用Clark变换将步骤1)得到的定子电压u_A、u_B、u_C和定子电流i_A、i_B、i_C变换到两相静止坐标系上，得到在两相静止坐标系上的定子电压u_α、u_β和定子电流i_α、i_β，即

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right];$

3)由步骤2)的转子位置电气角度θ，利用Park变换将两相静止坐标系上的定子电流变换到两相旋转坐标系中

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

将步骤2)得到的转子角速度ω与给定的角速度参考值ω^*比较，得到的转速偏差经PI控制器，并计算得到定子相电流转矩分量i_qref；i_dref是励磁电流给定；i_qref和i_dref分别与i_q和i_d经过PI控制器得到q轴电压给定值V_qref和d轴电压给定值V_dref，结合步骤2)得到的转子位置电气角度θ，经Park逆变换和Clark逆变换输出三相正弦电压信号V_a、V_b、V_c；

4)将三相正弦电压参考信号V_a、V_b、V_c送往移相式SPWM分配板，利用移相SPWM控制方法对级联变频器的功率单元进行控制，控制同步电机转速。

2.根据权利要求1所述的无速度传感器的高压同步电机矢量控制方法，其特征在于，步骤2)中，

同步电机在αβ坐标系上的定子电压方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}={\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，R为同步电机的定子电阻，L为同步电机的漏感，e_α为同步电机相反电势在α轴上的分量，e_β为同步电机相反电势在β轴上的分量；

令：k＝e_αi_β-e_βi_α      (2)

将式(1)代入式(2)得： $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\α}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{Li}}_{\mathrm{\β}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

又有i_α＝icosωt，i_β＝isinωt

其中ω为转子角速度，i为定子综合电流，t为时间；

则式(3)进一步化简为 $k=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}+\mathrm{\ωL}(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)$

通过锁相环，控制k＝0获得转子角速度ω和转子位置电气角度θ。