CN105406787A - 一种永磁同步电机功角的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机功角的辨识方法，步骤是：将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而永磁同步电机中性点的电压为0；确定永磁同步电机端电压和相电压；检测相电流，结合相电压计算三相相反电势；对三相相反电势积分得到三相永磁磁链，再通过CLARK变换，将三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链；利用三相永磁磁链和相电流，计算得到三相定子磁链，再通过CLARK变换，将三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链；采用永磁磁链和定子磁链计算得到永磁同步电机功角。此方法可解决现有技术永磁同步电机高性能控制中电机功角难以实时准确辨识的问题，所需的电机参数少，结构简单，计算量小，辨识精度高，实时性好。

Description

一种永磁同步电机功角的辨识方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种永磁同步电机功角的辨识方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、控制简单等诸多优点，近年来，永磁同步电机在高性能调速系统和伺服控制系统等工业领域中得到了日益广泛的应用。

功角的准确辨识是永磁同步电机控制系统的重要环节。功角影响着空间电压矢量的选择，即可能由于观测误差无法准确控制定子磁链和电磁转矩。所以，功角的准确辨识,对于提高永磁同步电机控制性能有着重要的意义。目前，公知的现有技术，是通过各种观测器方法观测永磁同步电机功角，但这种方法算法往往非常复杂，难以实际应用。

因此，现有技术的功角辨识效果难以满足永磁同步电机高性能控制要求。如何实时准确辨识永磁同步电机功角，是现有技术有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种永磁同步电机功角的辨识方法，其可解决现有技术永磁同步电机高性能控制中电机功角难以实时准确辨识的问题。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种永磁同步电机功角的辨识方法，包括如下步骤：

(1)将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而永磁同步电机中性点的电压为0；

(2)确定永磁同步电机A、B、C三相端电压和相电压；

(3)检测永磁同步电机A、B、C三相相电流，结合前述相电压，计算永磁同步电机A、B、C三相相反电势；

(4)对所述永磁同步电机A、B、C三相相反电势积分得到三相永磁磁链，再通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链；

(5)利用三相永磁磁链和相电流，计算得到三相定子磁链，再通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链；

(6)采用永磁同步电机永磁磁链和永磁同步电机定子磁链计算得到永磁同步电机功角。

上述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相端电压的确定方法是：首先判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程，当工作在导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；当工作在续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负。

上述判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程的方法是：检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断，当三相全桥逆变器功率管不是全部关断时，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程。

上述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相相电压的确定方法是：将永磁同步电机A、B、C三相端电压减去中性点的电压，得到永磁同步电机相电压，由于中性点的电压为0，故相电压与端电压相同。

上述步骤(3)的详细内容是：利用电流传感器检测永磁同步电机A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，再结合步骤(2)中的A、B、C三相相电压u_a、u_b、u_c，根据下式永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到永磁同步电机三相相反电势e_a、e_b、e_c：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_a-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_a-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

其中，R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感。

上述步骤(4)的详细内容是：对步骤(3)得到的永磁同步电机三相相反电势利用下式进行积分，得到三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

再利用下式，通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{ra}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right..$

上述步骤(5)的详细内容是：利用步骤(4)计算得到的三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc和步骤(3)测得的相电流i_a、i_b、i_c，利用下式计算得到三相定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

其中，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感；

再利用下式通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right..$

上述步骤(6)的详细内容是：利用步骤(4)得到的永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ和步骤(5)得到的永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，利用下式计算得到永磁同步电机功角δ：

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right).$

采用上述方案后，本发明所需的电机参数少，结构简单，计算量小，辨识精度高，实时性好。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机功角的辨识方法，包括如下步骤：

(1)将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而将永磁同步电机中性点的电压钳位为0；

(2)通过三相全桥逆变器导通过程和续流过程中功率管及续流二极管的通断状态，确定永磁同步电机端电压；用所述端电压减去所述中性点的电压，得到永磁同步电机相电压；

在确定永磁同步电机A、B、C三相的端电压时，可根据三相全桥逆变器工作的导通过程和续流过程两种情况分别考虑，具体可通过检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断来判断三相全桥逆变器是工作在导通过程还是续流过程，具体来说，当三相全桥逆变器功率管不是全部关断时，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程。

在三相全桥逆变器导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负。

在三相全桥逆变器续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：由于续流过程三相全桥逆变器功率管全部关断，永磁同步电机A、B、C各相通过各自所连接的三相全桥逆变器桥臂上唯一开通的续流二极管续流，若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负。

将上述端电压减去上述中性点的电压，得到永磁同步电机相电压，由于上述中性点的电压为0，故相电压与上述端电压相同：A相相电压u_a等于A相端电压，B相相电压u_b等于B相端电压，C相相电压u_c等于C相端电压。

(3)利用电流传感器检测永磁同步电机A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，再结合前述相电压u_a、u_b、u_c，根据下式永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到永磁同步电机三相相反电势e_a、e_b、e_c：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_b-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_c-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

其中，R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感。

(4)对步骤(3)得到的永磁同步电机三相相反电势利用下式进行积分，得到三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

再利用下式，通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right.$

(5)利用前述步骤(4)计算得到的三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc和步骤(3)测得的相电流i_a、i_b、i_c，利用下式计算得到三相定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

再利用下式通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right.$

(6)利用前述步骤(4)得到的永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ和步骤(5)得到的永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，利用下式计算得到永磁同步电机功角δ：

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right)$

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而永磁同步电机中性点的电压为0；

(2)确定永磁同步电机A、B、C三相端电压和相电压；

(3)检测永磁同步电机A、B、C三相相电流，结合前述相电压，计算永磁同步电机A、B、C三相相反电势；

(4)对所述永磁同步电机A、B、C三相相反电势积分得到三相永磁磁链，再通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链；

(5)利用三相永磁磁链和相电流，计算得到三相定子磁链，再通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链；

(6)采用永磁同步电机永磁磁链和永磁同步电机定子磁链计算得到永磁同步电机功角。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相端电压的确定方法是：首先判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程，当工作在导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；当工作在续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负。

3.如权利要求2所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程的方法是：检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断，当三相全桥逆变器功率管不是全部关断时，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程。

4.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相相电压的确定方法是：将永磁同步电机A、B、C三相端电压减去中性点的电压，得到永磁同步电机相电压，由于中性点的电压为0，故相电压与端电压相同。

5.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(3)的详细内容是：利用电流传感器检测永磁同步电机A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，再结合步骤(2)中的A、B、C三相相电压u_a、u_b、u_c，根据下式永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到永磁同步电机三相相反电势e_a、e_b、e_c：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_b-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_c-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

其中，R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感。

6.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(4)的详细内容是：对步骤(3)得到的永磁同步电机三相相反电势利用下式进行积分，得到三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

再利用下式，通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{ra}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right..$

7.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(5)的详细内容是：利用步骤(4)计算得到的三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc和步骤(3)测得的相电流i_a、i_b、i_c，利用下式计算得到三相定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

其中，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感；

再利用下式通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right..$

8.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的辨识方法，其特征在于：所述步骤(6)的详细内容是：利用步骤(4)得到的永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ和步骤(5)得到的永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，利用下式计算得到永磁同步电机功角δ：

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right).$