CN105450106A - 永磁同步发电机转子位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了永磁同步发电机转子位置估算方法，包括以下几个步骤：(1)将abc三相坐标系下的电机机端电压变换到αβ坐标系下；(2)对电机机端电压进行Park变换，得到dq坐标系下电压u_d、u_q，将参考值零和u_d相减，得到误差信号，再经过PI调节后得到误差信号(3)对误差信号进行积分，得到电机机端电压相位θ_g；(4)在当前d-q旋转坐标系下，估算反电动势e_d、e_q；(5)计算电机机端电压与实际反电动势的位置差角将参考值零和位置差角Δθ相减，得到误差信号，再经过PI调节后得到最终的补偿角θ₀；(6)将电机机端电压相位θ_g与补偿角θ₀叠加，得到电机转子位置角。本发明能够在全速范围内实现对位置、转速的检测，实现简单且具有抗干扰能力。

Description

永磁同步发电机转子位置估算方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步发电机转子位置估算方法，属于永磁同步发电机技术领域。

背景技术

全球不断加剧的能源危机直接影响着经济的发展，同时人们的绿色环保意识的加强。近十几年来，世界风电事业迅速发展，装机容量迅速增加，风电产业不断扩大。风能要与其他能源相竞争，发电效率、可靠性、成本等是必须考虑的因素。基于这些要求，风力发电技术经历了从恒速恒频到变速恒频的变迁，其中永磁直驱由于省去了低效率、低可靠的齿轮箱，易于实现并网、有功/无功可控、低谐波，是当前风力发电设备的发展趋势之一。

为了实现永磁同步发电机能量的高效输出，一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制来实现高精度、高动态性能的位置控制。但是无论采取哪种控制方案，都需要测量转子的位置，一般是通过机械式传感器(编码器、解算器和测速发电机来实现)。但是，这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题,并影响系统的可靠性和限制系统的使用范围，同时永磁直驱式风力有发电机转子极对数多等特性，这使得传统机械式传感器精度难以满足要求，为此实现永磁同步发电机的无位置传感器控制显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种永磁同步发电机转子位置估算方法，能够在全速范围内实现对位置、转速的准确、快速检测，其实现简单，且具有较强的抗干扰能力。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的永磁同步发电机转子位置估算方法，包括以下几个步骤：

(1)将abc三相坐标系下的电机机端电压经过Clark变换到αβ坐标系下；

(2)建立d-q旋转坐标系，对αβ坐标系下的电机机端电压进行Park变换，得到dq坐标系下电压u_d、u_q，将参考值零和dq坐标系下的电压u_d相减，得到误差信号，再经过PI调节器调节后得到最终误差信号

(3)对步骤(2)中的最终误差信号进行积分，得到电机机端电压相位θ_g；

(4)在当前d-q旋转坐标系下，估算实际反电动势e_d、e_q，如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=u_d+R{i}_d-\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q\\ e_q=u_q-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d\end{array}\right.$

其中，u_d、i_d分别为d轴电压、电流，u_q、i_q分别为q轴电压、电流，ω为电机转子电气角速度，R、L_d、L_q分别为电机定子的电阻、d轴电感、q轴电感；

(5)计算电机机端电压与实际反电动势的位置差角将参考值零和位置差角Δθ相减，得到误差信号，再经过PI调节器调节后得到最终的补偿角θ₀；

(6)将步骤(3)得到的电机机端电压相位θ_g与步骤(5)得到的补偿角θ₀叠加，最终得到准确的电机转子位置角θ_y＝θ_g+Δθ。

本发明的有益效果如下：转子位置差角信息包含于电机电压方程反电动势里，根据电机反电动势可得到实际反电动势与机端电压位置角之间的差值。本发明基于dq坐标变换原理，通过PI控制，先有效的估算出电机机端电压相位；再根据反电动势方程式得到电机机端电压与实际反电动势的位置差角，通过PI控制得到补偿角度，最终得到准确的电机转子位置角。实验表明，本发明提供的位置估算方法能够在全速范围内实现对位置、转速的准确、快速检测，其实现简单，且具有较强的抗干扰能力，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为机端电压与反电动势的位置差角；

图2为机端电压相位估算实现框图；

图3为补偿角度计算实现框图；

图4为永磁同步发电机转子位置估算方法实现框图；

图5为机端电压相位与转子位置角对比图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明是一种永磁同步发电机转子位置估算方法，本方法是基于dq坐标变换原理，通过PI控制，先有效的估算出电机机端电压相位(参见图2)；再根据反电动势方程式得到电机机端电压与实际反电动势的位置差角(参见图1)，通过PI控制得到补偿角度(参见图3)，最终得到准确的电机转子位置角，本方法具体步骤如下，其流程图参见图4：

(1)将abc三相坐标系下的电机机端电压经过Clark变换到αβ坐标系下；

(2)建立d-q旋转坐标系，对αβ坐标系下的电机机端电压进行Park变换，得到dq坐标系下电压u_d、u_q，将参考值零和dq坐标系下的电压u_d相减，得到误差信号，再经过PI调节后得到误差信号

(3)对步骤(2)中误差信号进行积分，得到电机机端电压相位θ_g；

(4)在当前d-q旋转坐标系下，估算反电动势e_d、e_q，如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=u_d+R{i}_d-\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q\\ e_q=u_q-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d\end{array}\right.$

其中，u_d、i_d分别为d轴电压、电流，u_q、i_q分别为q轴电压、电流，ω为电机转子电气角速度，R、L_d、L_q分别为电机定子的电阻、d轴电感、q轴电感；

(5)电机机端电压与实际反电动势的位置差角将参考值零和位置差角Δθ相减，得到误差信号，再经过PI调节后得到最终的补偿角θ₀；

(6)将步骤(3)得到的电机机端电压相位θ_g与步骤(5)得到的补偿角θ₀叠加，最终得到准确的电机转子位置角θ_y＝θ_g+Δθ。

本发明在1.5MW直驱机组测试平台上进行了实验，其中发电机采用了永磁同步发电机。运用本发明所提永磁同步发电机转子位置估算方法对永磁同步发电机转子位置进行估算，并在电气转速5～20Hz范围内进行了实验。

附图5是通过自主开发的录波工具录取的电机线电压Ubc、机端电压相位、转子位置角波形。如图所示，按照本发明所提的通过PI控制先有效的估算出电机机端电压相位，再根据反电动势方程式得到电机机端电压与实际反电动势的位置差角，通过PI控制得到补偿角度，将两个角度叠加得到最终估算的转子位置角。从图中可以看出，最终估算得到的电机转子位置角与线电压Ubc峰值点同步，即与实际位置角基本重合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.永磁同步发电机转子位置估算方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)将abc三相坐标系下的电机机端电压经过Clark变换到αβ坐标系下；

(2)建立d-q旋转坐标系，对αβ坐标系下的电机机端电压进行Park变换，得到dq坐标系下电压u_d、u_q，将参考值零和dq坐标系下的电压u_d相减，得到误差信号，再经过PI调节器调节后得到最终误差信号

(3)对步骤(2)中的最终误差信号进行积分，得到电机机端电压相位θ_g；

(4)在当前d-q旋转坐标系下，估算实际反电动势e_d、e_q，如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=u_d+R{i}_d-\mathrm{\ω}{L}_q{i}_q\\ e_q=u_q-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d\end{array}\right.$

其中，u_d、i_d分别为d轴电压、电流，u_q、i_q分别为q轴电压、电流，ω为电机转子电气角速度，R、L_d、L_q分别为电机定子的电阻、d轴电感、q轴电感；

(5)计算电机机端电压与实际反电动势的位置差角将参考值零和位置差角Δθ相减，得到误差信号，再经过PI调节器调节后得到最终的补偿角θ₀；

(6)将步骤(3)得到的电机机端电压相位θ_g与步骤(5)得到的补偿角θ₀叠加，最终得到准确的电机转子位置角θ_y＝θ_g+Δθ。