CN106712602A - 基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置及控制方法，该装置采用相应的控制方法，将采样到的定子线端电压与电流变换到选定旋转坐标系中对应的d轴电压、q轴电压和d轴电流、q轴电流，再对变换的d轴电流和q轴电流进行微分得到各自微分量；然后计算出永磁同步电机的d轴电动势，对d轴电动势进行比例‑积分后得到计算转速值，再分别经过低通滤波和积分得到转速估算值和角度估算值；最后，根据角度估算值对前面旋转变化的角度进行更新；本发明的方法能有效避免电机运行过程中参数变化对估算精度的影响，估算精度高，而且比较容易调试，工程实践简单。

Description

基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子、电气传动和控制技术领域，具体将是一种基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置及控制方法。

背景技术

永磁同步电机与电励磁电机相比不需要电励磁机构，结构简单、效率高；与直流电机相比不需要机械换向机构和电刷，可靠性高。因此在风力发电、电动汽车等很多领域有广泛的应用。为了降低成本和提高系统的可靠性，目前永磁同步电机通常采用无位置传感器控制。无位置传感器位置与转速估计算法需要通过检测电机定子电压、电流估算电机的转子位置与转速。估算得到的转子位置与转速的精度直接关系到整个控制系统的性能。

目前永磁同步电机的无位置传感器转子位置与转速估算方法主要包括基于卡尔曼滤波的方法和基于转子反电动势的方法两大类，但是均存在不同的技术缺陷：

1、基于卡尔曼滤波的方法需要进行大量的矩阵运算，计算过程复杂，在实际控制系统中实现起来有一定的困难。

2、基于反电动势的方法计算过程相对简单，计算量小。但是基于反电动势的方法对电机参数依耐性强，并且在低速时误差较大。

发明内容

为了克服现有的基于扩展卡尔曼滤波无速度传感器估算方法计算复杂和基于反电动势对电机参数依赖性强的问题，本发明提供一种基于目标电动势为零的无位置传感器永磁同步电机控制装置及转子位置和转速估算方法，该估算方法能有效避免电机运行过程中参数变化对估算精度的影响，估算精度高，电机控制装置比较容易调试，工程实践简单。

本发明的技术方案如下：

基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置，其特征在于：包括网侧整流单元、直流母线电容、三相全控桥主电路、电机滤波电抗器、电机控制系统、功率控制单元；网侧整流单元连接直流母线电容，直流母线电容连接三相全控桥主电路，三相全控桥主电路连接电机滤波电抗器，电机滤波电抗器连接永磁同步电机；电机控制系统分别与电机滤波电抗器、永磁同步电机、功率控制单元连接，电机控制系统并将控制脉冲和保护信号发送给功率控制单元，功率控制单元向三相全控桥主电路发送信号，三相全控桥接受功率控制单元的信号驱动永磁同步电机；

所述网侧整流单元通过吸收电网的电能控制建立直流母线电压；

所述直流母线电容用于支撑电压。

所述电机控制系统包括核心控制器、信号采集电路，用于控制算法的实现。

基于上述控制装置的控制方法，其特征在于步骤如下：

首先，将采样到的定子线端电压与电流变换到选定旋转坐标系中对应的d轴电压、q轴电压和d轴电流、q轴电流，再对选定旋转坐标系中变换得到的d轴电流和q轴电流进行微分得到各自微分量；

然后，将得到选定旋转坐标系下的六个电压电流分量后计算出永磁同步电机的d轴电动势，对d轴电动势进行比例‐积分计算后得到计算转速值，计算转速值分别经过低通滤波和积分得到转速估算值和角度估算值；

最后，根据角度估算值对前面旋转变化的角度进行更新。

所述六个电压电流分量包括指d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流、d轴电流微分量、q轴电流微分量。

上述整个过程是在选定的d_Xq_X旋转坐标系中完成。

更进一步的，具体估计步骤为：

a、先将估算选定参考旋转坐标系的初始角度和旋转速度设定为：

初始角度θ_X＝0，旋转速度ω_X＝0；

b、将测得的永磁同步电机的定子线电压的基波分量u_ab、u_bc转换到选定的旋转坐标系中的dq坐标系下，得到的dq轴电压u_d、u_q分别为：

所述定子线电压的基波分量u_ab、u_bc是由安装在永磁同步电机定子端的电压传感器测量得到。

c、将测量得到的定子三相电流i_a、i_b、i_c转换到选定旋转坐标系中的dq坐标系下，得到的dq轴电流i_d、i_q分别为：

所述定子三相电流i_a、i_b、i_c是由安装在永磁同步电机定子侧的电流传感器测量得到。d、对dq坐标系下的定子电流i_d、i_q进行高通滤波，得到定子电流的微分量近似值

其中，HP代表高通滤波器环节。

e、根据dq坐标系下的定子电压u_d，u_q、定子电流i_d，i_q以及定子电流的微分量近似值计算得到目标电动势e_d：

其中，L_d、L_q分别为永磁同步电机的直轴和交轴电抗，R_a为定子电枢电阻。

f、对目标电动势e_d进行比例积分运算，得到t时刻转子转速的计算值ω_C：

其中，t表示当前时刻。

g、对转子转速计算值ω_C进行低通滤波，得到转子转速的估计值ω_r：

ω_r＝LPF(ω_C) (7)

其中，LPF表示低通滤波器。

h、对转子转速计算值ω_C进行低通滤波，得到转子位置角度的估计值θ_r

其中，t表示当前时刻。

i、根据估算的转子速度更新估算选定的参考坐标系的旋转速度：

ω_X＝ω_r (9)

j、根据估算的转子角度更新估算选定的参考坐标系的角度：

θ_X＝θ_r (10)

k、返回步骤b，重复循环计算。

步骤b中，测得的永磁同步电机的定子线电压的基波分量u_ab、u_bc转换后得到的dq轴电压u_d、u_q分别为：

所述定子线电压的基波分量u_ab、u_bc是由安装在永磁同步电机定子端的电压传感器测量得到。

步骤c中，测量得到的定子三相电流i_a、i_b、i_c转换到选定旋转坐标系中的dq坐标系下得到的dq轴电流i_d、i_q分别为：

所述定子线定子三相电流i_a、i_b、i_c是由安装在永磁同步电机定子侧的电流传感器测量得到。

本发明的优点在于：

1.本装置通过该控制方法实现时，不需要转子磁链幅值ψ_r，相比其他方法对电机参数依赖小，能够避免电机运行过程中参数变化对估算精度的影响。

2.本控制方法采用的基于目标电动势为0，实际是通过对目标电动势进行积分来调整估算转速值，当估算值与实际值完全吻合时，目标电动势为0。这种估算方法对电机定子电抗和电阻参数误差有较强的容错能力，能提升估算的精度。

3.本控制方法在旋转参考系中进行，相比静止坐标系下的估算方法，滤波环节受到的影响更小，估算精度更高。这是因为本控制方法是在旋转坐标系中完成，在估算过程中，转子dq轴电流分量的波动频率会逐渐降低，最终几乎变为直流量。这就意味着系统的高通滤波环节输出会不断减小最终接近为0，也即它造成的误差被降低至最小，从而有利于提高估算精度。

4.本控制方法中，高通滤波环节与低通滤波环节的滤波参数具有很强适应性，不需要随转速和负载改变进行调节，调试容易，工程实践简单。

5.本控制装置采用网侧建立直流母线电压，母线电压更稳定，有利于电机控制的稳定性。

6.本控制装置加入三相电抗器能吸收电机侧的过电压，减少电磁干扰，有利于三相全控桥的可靠运行。

附图说明

图1是本发明的实施组成结构示意图；

图2是本发明用于典型永磁同步电机系统的控制框图；

图3是本发明控制方法的功能框图；

图4是本发明的转速估计值与真实值的对比图；

图5是本发明的角度估计值与真实值的对比图；

图6是本发明实施例2的角度估计值与真实值的对比图；

图7是本发明实施例2的角度估计值与真实值的误差；

图8是本发明的转速估计值。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，基于无位置传感器永磁同步电机的控制装置，包括：网侧整流单元、直流母线电容、三相全控桥主电路、电机滤波电抗器、电机控制系统、功率控制单元；网侧整流单元连接直流母线电容，直流母线电容连接三相全控桥主电路，三相全控桥主电路连接电机滤波电抗器，电机滤波电抗器连接永磁同步电机；电机控制系统分别与电机滤波电抗器、永磁同步电机、功率控制单元连接，电机控制系统并将控制脉冲和保护信号发送给功率控制单元，功率控制单元向三相全控桥主电路发送信号，三相全控桥接受功率控制单元的信号驱动永磁同步电机；

所述网侧整流单元通过吸收电网的电能控制建立直流母线电压；

所述直流母线电容用于支撑电压。

所述电机控制系统包括核心控制器、信号采集电路，用于控制算法的实现。

如图2所示，其中被控对象为永磁同步电机，执行机构为三相全控桥。整流单元通过控制负责将电网电压交流变换为所需要的直流，确保三相全控桥正常工作所需的直流电压。控制系统主要包含转子角度、转速估计单元，控制系统单元和脉宽调制单元。控制系统单元根据上位给定的转速/转矩指令以及有功、无功指令，再根据估算得到的电机转速、角度，计算得到dq坐标系下的电压分量u_sd ^*和u_sq ^*。脉宽调制单元将控制系统单元计算得到的电压分量u_sd ^*和u_sq ^*变换得到用于控制IGBT开关的PWM信号T_a、T_b、T_c，进而控制永磁同步电机。转子角度、转速估计单元负责估算电机的转子转速与位置，需要采集的信号包括电机的定子电压和定子电流。本发明提出的方法用于转子角度、转速估计单元的实现。

如图3所示，本发明的控制方法。首先通过旋转变换公式计算出定子电压和电流在dq坐标系下的电压电流分量u_d、u_q和i_d、i_q，然后对dq轴电流进行高通滤波，得到定子电流的微分根据永磁同步电机在dq旋转坐标系下的模型可知，通过目标电动势计算即可得到dq坐标系下的定子d轴反电动势估计值e_d；当选定dq坐标系的d轴与永磁转子的N极重合，q轴超前d轴90°时，如果估算的转子角度、转速没有误差，定子电压d轴分量理论值为0，如果估算的d轴反电动势不为0，说明需要对转速和角度估计值进行调整；通过比例积分计算得到转速的计算值ω_C；对计算转速进行低通滤波，得到最终的转速估算值ω_r；通过积分可计算得到转子的角度θ_r；最后更新用于估算的转子角度θ_X和转速ω_X。

实施例2

将本发明给出控制方法应用于基于永磁同步电机的直驱式风力发电系统中，其中，直驱式永磁同步风力发电系统主要参数如下：

参数名称	数值
		永磁同步发电机额定容量(MVA)	2.85
定子额定电压(V)	690
		额定频率(Hz)	10.67
定子相电阻(mΩ)	5.3
		直轴电抗Ld(mH)	1.69
交轴电抗Lq(mH)	1.69
		定子电压脉宽调制频率(kHz)	2.5

按照图3所示方式来实现本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法。其中，高通滤波器按照一阶高通滤波环节设计，时间常数取为5×10^-4s，即高通滤波单元传递函数为：比例积分传递函数为：低通滤波器按一阶低通滤波环节设计，时间常数取为0.2s，即高通滤波单元传递函数为：最后，将上述永磁同步电机的转子角度、转速估计单元放到具有图2结构的2.5MW直驱式永磁同步风力发电系统中，和控制系统单元与脉宽调制单元形成完整的闭环系统。

在实际实施时，将装置中的网侧整流单元、直流母线电容、三相全控桥主电路、电机滤波电抗器、永磁同步电机通过模型搭建在RTDS仿真器中，电机控制系统采用西门子P320控制器，功率控制单元为专为本系统研究开发的功率控制单元。仿真器通过IO(输入输出)板卡接口与实际的控制器和控制单元连接。使能控制是系统工作在硬件在环实时仿真模式下。通过RTDS仿真器设定电机转速为额定转速，并通过电机控制系统给定信号使电机工作在满载状态。仿真结果如图6、7、8所示，图6为电机转子实际和估算的角度，可以看出图中是重合的。为了进一步观测角度估算误差，图7显示转子位置实际值与估算值的误差，可以看出，位置估算精度非常高，误差基本在0.05rad以内，平均约为0.025rad，对应1.4deg。图8所示为估算的转子电转速，由于电机设定工作在额定转速下，即电转速为67.04rad/s,可以看出，估算值约为67.0rad/s,转速估算值基本没有误差。RTDS硬件在环实时仿真结果表明本发明提出的估计方法具有良好的性能。

Claims (4)

1.基于目标电动势为零的永磁同步电机无位置传感器转子位置和转速估算方法，其特征在于：首先，将采样到的定子线端电压与电流变换到选定旋转坐标系中对应的d轴电压、q轴电压和d轴电流、q轴电流，再对选定旋转坐标系中变换得到的d轴电流和q轴电流进行微分得到各自微分量；

然后，将得到选定旋转坐标系下的六个电压电流分量后计算出永磁同步电机的d轴电动势，对d轴电动势进行比例‐积分计算后得到计算转速值，计算转速值分别经过低通滤波和积分得到转速估算值和角度估算值；

最后，根据角度估算值对前面旋转变化的角度进行更新；

所述六个电压电流分量包括d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流、d轴电流微分量、q轴电流微分量。

2.根据权利要求1所述的基于目标电动势为零的永磁同步电机无位置传感器转子位置和转速估算方法，其特征在于具体估计步骤为：

a、先将估算选定参考旋转坐标系的初始角度和旋转速度设定为：

初始角度θ_X＝0，旋转速度ω_X＝0；

b、将测得的永磁同步电机的定子线电压的基波分量u_ab、u_bc转换到选定的旋转坐标系中的dq坐标系下，得到的dq轴电压u_d、u_q分别为：

c、将测量得到的定子三相电流i_a、i_b、i_c转换到选定旋转坐标系中的dq坐标系下，得到的dq轴电流i_d、i_q分别为：

d、对dq坐标系下的定子电流i_d、i_q进行高通滤波，得到定子电流的微分量近似值

其中，HP代表高通滤波器环节；

e、根据dq坐标系下的定子电压u_d，u_q、定子电流i_d，i_q以及定子电流的微分量近似值 计算得到目标电动势e_d：

其中，L_d、L_q分别为永磁同步电机的直轴和交轴电抗，R_a为定子电枢电阻；

f、对目标电动势e_d进行比例积分运算，得到t时刻转子转速的计算值ω_C：

其中，t表示当前时刻；

g、对转子转速计算值ω_C进行低通滤波，得到转子转速的估计值ω_r：

ω_r＝LPF(ω_C)

其中，LPF表示低通滤波器；

h、对转子转速计算值ω_C进行低通滤波，得到转子位置角度的估计值θ_r

其中，t表示当前时刻；

i、根据估算的转子速度更新估算选定的参考坐标系的旋转速度：ω_X＝ω_r；

j、根据估算的转子角度更新估算选定的参考坐标系的角度：θ_X＝θ_r；

k、返回步骤b，重复循环计算。

3.根据权利要求2所述的基于目标电动势为零的永磁同步电机无位置传感器转子位置和转速估算方法，其特征在于步骤b中，所述定子线电压的基波分量u_ab、u_bc是由安装在永磁同步电机定子端的电压传感器测量得到。

4.根据权利要求2所述的基于目标电动势为零的永磁同步电机无位置传感器转子位置和转速估算方法，其特征在于步骤c中，所述定子三相电流i_a、i_b、i_c是由安装在永磁同步电机定子侧的电流传感器测量得到。