CN107359838A - 一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计方法 - Google Patents

一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计方法 Download PDF

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吴益飞
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黄迪
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Abstract

发明涉及一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计方法，对实时检测的三相电流值ia、ib和ic进行三相两相变换获得α‑β坐标系下的电流iα和iβ；根据α‑β坐标系下的电流iα和iβ检索电感参数查找表，获得所述电流iα和iβ所对应的d‑q坐标系下的电感Ld和Lq，根据所述查表获得的d‑q坐标系下的电感Ld和Lq作计算出电机转速和转子位置；所述电感参数查找表包括α‑β坐标系下的电流iα和iβ，以及对应的d‑q坐标系下的电感Ld和Lq。本发明方法提高了超高速永磁同步电机无传感器转速估计的准确性和可靠性。

Description

一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速 和位置估计方法
技术领域
本发明属于超高速永磁同步电机技术领域，特别是一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计的优化方法。
背景技术
超高速永磁同步电机具有体积小、转动惯量小、重量轻、功率密度大等优点，并且拥有优良的动态响应特性，因此，其在工业制造、航空航天、能源和医疗等领域的应用愈来愈广泛。随着超高速永磁同步电机系统的广泛应用以及人们对高性能电机的不断追求，超高速永磁同步电机及其相关技术已成为电工领域的一个新的研究热点。
在高性能的调速系统中，转子位置和速度的准确检测或估算必不可少。在超高速永磁同步电机系统中安装用于探测转子的速度或位置传感器存在很多弊端，例如：加大了电机尺寸，减少了功率密度，增加了成本；增加了系统复杂性；超高速电机升温还肯能导致传感器易受外界噪声和电磁的干扰，甚至无法正常工作等。因此，为实现超高速永磁同步电机高精度、高动态性能的速度和位置控制，需采用无传感器转速估计方式，通过检测电机中一些电信号，如电流、电压等，经过适当的信号处理，在线估计出电机的转速和位置信息。
超高速永磁同步电机是一个非线性、强耦合、高阶的复杂模型，实际应用中为了更方便的对其进行模型分析，会忽略部分参数变化，通常选择d-q坐标系下的数学模型,其定子电压方程表示为
定子磁链方程为
其中，Ld、Lq、Rs和ψf一般均作为定值，而转速估计中电感参数对实现超高速永磁同步电机的高精度、高动态性能控制有着较大影响，故需要考虑电机电流变化时对应的d-q坐标系下电感Ld和Lq的变化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计的优化方法，提高了超高速永磁同步电机无传感器转速估计的准确性和可靠性，最终提高电机运行性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计的优化方法，用于超高速永磁同步电机无传感器转速和位置的估计，其特征在于，对实时检测的三相电流值ia、ib和ic进行三相两相变换(3/2变换)获得α-β坐标系下的电流iα和iβ；根据α-β坐标系下的电流iα和iβ检索电感参数查找表，获得所述电流iα和iβ所对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，根据所述查表获得的d-q坐标系下的电感Ld和Lq作计算出电机转速和转子位置；所述电感参数查找表包括α-β坐标系下的电流iα和iβ，以及对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq。
进一步，获取电感参数查找表的过程为：
步骤1、利用有限元仿真分析软件Ansys，对超高速永磁同步电机进行分析，得到超高速永磁同步电机各有限单元的矢量磁位A；
步骤2、根据步骤1得到的各有限单元的矢量磁位A，计算获得超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq；
步骤3、将d-q坐标系下的电流id和iq的取值范围取为[-2in,2in]，其中in为额定电流，根据步骤2计算到的d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq，使用磁链电流法计算相应电流对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq；
步骤4、根据步骤3所得的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，制作关于超高速永磁同步电机在α-β坐标系下电流iα和iβ的电感参数查找表。
进一步，步骤1中，使用有限元仿真分析软件Ansys完成以下工作：
步骤1-1、确定超高速永磁同步电机结构尺寸数据，建立其几何模型；
步骤1-2、选择超高速永磁同步电机的单元类型并定义其材料属性，定义材料属性时，可根据材料类型查其B-H磁化曲线，其中，H为磁场强度，B为磁感应强度，取曲线上的点，在有限元仿真分析软件Ansys中的Main Menu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Electromagnetics>BH curve界面，输入这些点的坐标值(H，B)，即可形成相应材料的磁化曲线；
步骤1-3、为超高速永磁同步电机的几何模型选择合适的分网精度，划分网格；
步骤1-4、根据超高速永磁同步电机相应的边界条件和载荷，计算其各有限单元的矢量磁位A。
进一步，步骤2中具体为：
步骤2-1、根据矢量磁位A计算三相绕组交链的磁链ψa、ψb和ψc；
步骤2-2、在转子d轴与定子绕组+A轴对正时，计算获得此时超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的磁链ψd和ψq，计算方法如下式所示，
其中：ψα和ψβ分别表示两相静止坐标系下α轴和β轴的磁链。
进一步，步骤3中计算相应电流下的d-q轴的电感Ld和Lq的方法如下式所示，
其中，ψf为永磁体磁链。
进一步，电感参数查找表中，取iα≈id。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明采用有限元分析法得到d-q轴定子磁链ψd和ψq，采用磁链电流法计算d-q坐标系下电感值Ld和Lq以及采用查表法获得α-β坐标系下电流iα和iβ所对应的电感参数，减少了计算复杂度，节省了计算时间，操作简单、方便实施；
(2)本发明考虑了电流变化时d-q坐标系下电感参数的变化，对实时检测的三相电流值ia、ib和ic进行3/2变换得到α-β坐标系下的电流iα和iβ，据此检索电感参数查找表，从而实时更新无传感器转速估计中需要使用的电机电感值，提高了转速估计的准确性；
(3)本发明适用的超高速永磁同步电机无传感器转速估计方法解决了超高速永磁同步电机编码器安装困难、易失效、可靠性差的问题，提高了超高速永磁同步电机的稳定性。
附图说明
图1为本发明中涉及的无传感器超高速永磁同步电机控制系统示意图。
图2为本发明中制作电感参数查找表的流程示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计的优化方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1和图2，本发基于有限元分析法基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计的优化方法可应用于超高速永磁同步电机矢量控制系统，在矢量控制的基础上，采用超高速永磁同步电机无传感器转速估计算法，对实时检测的三相电流值ia、ib和ic进行3/2变换得到α-β坐标系下的电流iα和iβ，据此检索电感参数查找表，从而更新无传感器转速估计算法中的电机电感值，使转速估计算法更为准确，最终实现电机转速的高精度、高动态性能控制。
获取电感参数查找表的过程为：
步骤1、利用有限元仿真分析软件Ansys，对无传感器超高速永磁同步电机进行分析，得到超高速永磁同步电机各有限单元的矢量磁位A。本步骤具体使用有限元仿真分析软件Ansys完成以下工作：
步骤1-1、确定超高速永磁同步电机结构尺寸数据，建立其几何模型；
步骤1-2、选择超高速永磁同步电机的单元类型并定义其材料属性，定义材料属性时，可根据材料类型查其B-H磁化曲线(其中，H为磁场强度，B为磁感应强度)，取曲线上的点，在有限元仿真分析软件Ansys中的Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Electromagnetics>BH curve界面，输入这些点的坐标值(H，B)，即可形成相应材料的磁化曲线；
步骤1-3、为超高速永磁同步电机的几何模型选择合适的分网精度，划分网格；
步骤1-4、根据超高速永磁同步电机相应的边界条件和载荷，计算其各有限单元的矢量磁位A。
步骤2、根据步骤1得到的各有限单元的矢量磁位A，计算超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq。具体为：
步骤2-1、根据矢量磁位A计算三相绕组交链的磁链ψa、ψb和ψc。以A相绕组交链的磁链ψa为例，其表达式为：
其中：nA和nX分别为A相绕组导流区域“流入”和“流出”区域单元个数，SA和SX分别为对应的“流入”和“流出”区域的单元总面积，i为单元编号，AZi为第i号单元三个节点磁位的算术平均值，Sei为第i号单元面积；
步骤2-2、在转子d轴与定子绕组+A轴对正时，计算获得此时超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的磁链ψd和ψq，其表达式为：
其中：ψα和ψβ分别表示两相静止坐标系下α轴和β轴的磁链。
步骤3、根据步骤2计算到的d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq，将d-q轴电流id和iq的取值范围取为[-2in,2in]，其中in为额定电流，使用磁链电流法计算相应电流下的d-q轴的电感Ld和Lq，其表达式为：
其中，ψf为永磁体磁链；
步骤4、根据步骤3所得的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，制作关于超高速永磁同步电机在α-β坐标系下电流iα和iβ的电感参数查找表，电感参数查找表包括α-β坐标系下电流iα和iβ，以及对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，且iα≈id。
在估计电机转速和电机的转子位置时，检测动态运行过程中的超高速永磁同步电机A、B、C三相电流值ia、ib和ic，对其进行三相两相变换(3/2变换)得到α-β坐标系下的电流iα和iβ，根据所得电流iα和iβ检索电感参数查找表，寻找电流iα和iβ对应d-q坐标系下的电感Ld和Lq，实时更新电机d-q坐标系下的电感值Ld和Lq，使用查表获得电感值Ld和Lq输入到无传感器转速估计模块中，从而计算出对应时刻的电机转速和电机的转子位置。其中，3/2变换的表达式为：

Claims (5)

1.一种基于有限元分析法的超高速永磁同步电机无传感器转速和位置估计方法，用于优化超高速永磁同步电机无传感器转速和位置的估计，其特征在于，对实时检测的三相电流值ia、ib和ic进行三相两相变换获得α-β坐标系下的电流iα和iβ；根据α-β坐标系下的电流iα和iβ检索电感参数查找表，获得所述电流iα和iβ所对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，根据所述查表获得的d-q坐标系下的电感Ld和Lq作计算出电机转速和转子位置；
所述电感参数查找表包括α-β坐标系下的电流iα和iβ，以及对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，获取电感参数查找表的过程为：
步骤1、利用有限元仿真分析软件Ansys，对超高速永磁同步电机进行分析，得到超高速永磁同步电机各有限单元的矢量磁位A；
步骤2、根据步骤1得到的各有限单元的矢量磁位A，计算获得超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq；
步骤3、将d-q坐标系下的电流id和iq的取值范围取为[-2in,2in]，其中in为额定电流，根据步骤2计算到的d-q坐标系下的定子磁链ψd和ψq，使用磁链电流法计算相应电流对应的d-q坐标系下的电感Ld和Lq；
步骤4、根据步骤3所得的d-q坐标系下的电感Ld和Lq，制作关于超高速永磁同步电机在α-β坐标系下电流iα和iβ的电感参数查找表。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2具体为：
步骤2-1、根据矢量磁位A计算三相绕组交链的磁链ψa、ψb和ψc；
步骤2-2、在转子d轴与定子绕组+A轴对正时，计算获得此时超高速永磁同步电机在d-q坐标系下的磁链ψd和ψq，计算方法如下式所示，
其中：ψα和ψβ分别表示两相静止坐标系下α轴和β轴的磁链。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，步骤3中计算相应电流下的d-q轴的电感Ld和Lq的方法如下式所示，
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>q</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
其中，ψf为永磁体磁链。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，电感参数查找表中，取iα≈id。
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