CN109217764A - 一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据单位功率因数控制关系式得到给定定子电流的m轴分量；利用全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到气隙磁链的相位角和幅值；根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链幅值跟踪给定的气隙磁链值。本申请可实现单位功率因数控制，且基于全阶磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

Description

一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及大功率调速领域，特别是涉及一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统。

背景技术

电励磁同步电机作为一种典型的同步电机，在大功率调速系统中得到了广泛应用。目前，电励磁同步电机的控制方式主要有两种：基于磁场定向的矢量控制方式和基于转矩的直接转矩控制方式。而电励磁同步电机的矢量控制主要有：转子磁场定向控制、气隙磁场定向控制、定子磁场定向控制及阻尼磁场定向控制。在这几种磁场定向控制中，转子磁场定向控制的数学模型最为简单，所以其较为常用。

现有技术中，在转子磁场定向控制方式下，电励磁同步电机的磁链方程为(不考虑阻尼绕组)：ψ_sd＝L_di_sd+L_adi_f、ψ_sq＝L_qi_sq；电压方程为：u_sd＝R_si_sd-ω_rψ_sq、u_sq＝R_si_sq+ω_rψ_sd；转矩方程为：T_e＝(L_d-L_q)i_sdi_sq+L_adi_fi_sq；其中，ψ_sd为定子磁链的d轴分量，ψ_sq为定子磁链的q轴分量，L_d为纵轴同步电感，L_q为横轴同步电感，L_ad为纵轴电枢反应电感，i_sd为定子电流的d轴分量，i_sq为定子电流的q轴分量，i_f为励磁电流，u_sd为定子电压的d轴分量，u_sq为定子电压的q轴分量，R_s为定子电阻，ω_r为电机的角速度，T_e为电机的转矩。可见，传统的转子磁场定向控制无法完全实现磁链和转矩的解耦控制，定向准确性受参数影响较大，导致动态控制性能较差。而在气隙磁场定向控制方式下，只要气隙磁场保持恒定，便可实现磁链和转矩的完全解耦，但气隙磁场的定向准确性同样较低，且无法实现单位功率因数控制，导致整个系统的效率较低。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统，可实现电机的单位功率因数控制，从而提高了整个系统的效率；而且，本申请是基于全阶的磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，包括：

获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为所述给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为所述给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为所述给定定子电流的t轴分量；

利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；

根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；

根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

优选地，所述获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链的过程具体为：

获取所述电机的实际转速，并求取所述电机的给定转速与所述实际转速之间的转速误差；

将所述转速误差经速度调节器调节后得到所述电机的给定定子电流的t轴分量；

获取所述电机的定子电压，并求取所述电机的给定定子电压与所述定子电压之间的定子电压误差；

将所述定子电压误差经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，并将所述气隙磁链补偿值补偿至所述电机的预设气隙磁链，得到所述电机的给定气隙磁链。

优选地，所述根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量的过程具体为：

获取所述电机的三相交流电流，并根据所述气隙磁链的相位角将所述三相交流电流经坐标转换后得到所述电机的定子电流的t轴分量i_st及m轴分量i_sm；

将i_st、i_sm对应与i_st ^*、i_sm ^*作差，并将两个差值分别经电流调节器调节后对应得到所述电机的定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量；

将所述电机的给定定子电压的t轴前馈分量u_st ^*及m轴前馈分量u_sm ^*与所述定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量对应求和，得到补偿后的定子电压的t轴分量u_st及m轴分量u_sm；

根据所述气隙磁链的相位角将u_st、u_sm经坐标转换后再经空间矢量脉宽调制SVPWM调制，得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。

优选地，所述根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值的过程具体为：

将给定的气隙磁链值与所述气隙磁链的幅值作差，并将二者差值经磁链调节器调节后得到所述电机的给定励磁电流i_f ^*；

获取所述电机的励磁电流i_f，并求取i_f ^*与i_f之间的励磁电流误差；

将所述励磁电流误差经对应的电流调节器调节后得到所述电机的给定励磁电压u_f ^*；

根据u_f ^*调整所述电机的转子对应的控制角，使所述电机的励磁电压u_f跟踪u_f ^*，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

优选地，所述全阶磁链观测模型的预设过程具体为：

根据所述电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型，以其定子磁链、转子磁链及阻尼磁链为状态变量建立所述电机的状态方程；

根据所述状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建所述电机的全阶磁链观测器；

获取所述电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取所述电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；

根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用所述全阶磁链观测器对所述电机的磁链进行观测。

优选地，获取所述电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：

预先根据所述三相逆变器对应的直流侧电压及脉冲矢量设置相电压重构关系式；

利用所述相电压重构关系式重构所述定子输入的相电压，并将所述相电压经坐标变换得到定子电压的d轴分量及q轴分量。

优选地，所述相电压重构关系式具体为：

其中，u_an、u_bn、u_cn对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电压的a相分量、b相分量、c相分量，U_dc为所述直流侧电压，S_j为三电平开关函数，i_a、i_b、i_c对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电流的a相分量、b相分量、c相分量，ΔU为预设误差电压。

优选地，获取所述电机的励磁电压的过程具体为：

利用预设励磁电压重构关系式u_f＝0.9*u₁*(1+cosα)*0.5重构所述电机的励磁电压；其中，u_f为励磁电压，u₁为所述转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角。

优选地，所述预设反馈矩阵具体为：

其中，g₁、g₂、g₃、g₄、g₅为反馈矩阵G的5个自由度，其设置依据为所述全阶磁链观测器所配置的极点位置。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统，包括：

功率因数控制单元，用于获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式

得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为所述给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为所述给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为所述给定定子电流的t轴分量；

磁链观测单元，用于利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；

矢量控制单元，用于根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；

气隙磁场跟踪单元，用于根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

本发明提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；利用预设全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到电机的气隙磁链的相位角和幅值；根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

可见，本申请可实现电机的单位功率因数控制，从而提高了整个系统的效率；而且，本申请的气隙磁场定向控制方法是基于全阶的磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

本发明还提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统，与上述定向控制方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法的流程图；

图2为本发明提供的一种三相三电平逆变器与电机定子的连接电路图；

图3为本发明提供的一种基于全阶磁链观测器的电励磁同步电机的气隙磁场定向矢量控制框图；

图4(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的d轴等效电路图；

图4(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的q轴等效电路图；

图5为本发明提供的一种电励磁同步电机的空间矢量图；

图6(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的d轴分量实际值与观测值的对比图；

图6(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的q轴分量实际值与观测值的对比图；

图7(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机转速的波形图；

图7(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机三相电流的波形图；

图7(c)为本发明提供的一种电励磁同步电机电磁转矩的波形图；

图7(d)为本发明提供的一种电励磁同步电机有功功率的波形图；

图7(e)为本发明提供的一种电励磁同步电机无功功率的波形图；

图8为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统，可实现电机的单位功率因数控制，从而提高了整个系统的效率；而且，本申请是基于全阶的磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法的流程图。

该电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法包括：

步骤S1：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为给定定子电流的t轴分量。

需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。

具体地，电励磁同步电机在气隙磁场定向控制下的数学模型：

电压方程：

转矩方程：

T_e＝ψ_σi_st；

其中，u_sm为定子电压的m轴分量，u_st为定子电压的t轴分量，i_sm为定子电流的m轴分量，i_st为定子电流的t轴分量，ψ_σ为气隙磁链，R_s为定子电阻，ω_r为电机的角速度，T_e为电机的转矩，L_sl为定子漏抗。

从转矩方程可以看出，只要保证气隙磁链ψ_σ恒定不变，则电机的转矩T_e与定子电流的t轴分量i_st成正比，从而实现完全解耦控制。

此外，为了提高系统的效率，电励磁同步电机一般运行在单位功率因数状态，单位功率因数状态就是要保证定子电压和定子电流同相位即：

将电励磁同步电机在气隙磁场定向控制下的电压方程代入该同相位关系式可得：

L_sli_sm ²+ψ_σi_sm+L_sli_st ²＝0；

整理后可得单位功率因数控制关系式：

可见，只要使定子电流的m轴分量i_sm满足整理后的关系式，就能实现电励磁同步电机的单位功率因数运行。通常在电机控制中，电机参数有给定值和实际值之分，给定值是电机在运行时其参数所需到达的值，实际值是电机在运行时其参数的真实值。而电机控制原理为：实际值跟踪给定值，则单位功率因数控制关系式改为：

其中，i_sm ^*为给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为给定气隙磁链，i_st ^*为给定定子电流的t轴分量。

因此，本申请首先获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量i_st ^*和给定气隙磁链ψ_σ ^*，并根据单位功率因数控制关系式得到电励磁同步电机的给定定子电流的m轴分量i_sm ^*。

步骤S2：利用预设全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到电机的气隙磁链的相位角和幅值。

具体地，已知为了实现完全解耦控制，本申请应保证气隙磁链ψ_σ恒定不变，由于气隙磁链ψ_σ不可直接测量，所以本申请提前设置全阶磁链观测模型，用来观测电励磁同步电机的磁链(包含气隙磁链ψ_σ，可得到气隙磁链ψ_σ的相位角和幅值)。由于本申请采用的是全阶的磁链观测器，所以磁链观测值受电机参数影响小，鲁棒性强；对外部信号的抗扰性强，具有很强适应性；且稳态精度和动态性能都较优异，从而为气隙磁场的准确定向打下基础。

步骤S3：根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；而且，根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种三相三电平逆变器与电机定子的连接电路图。电励磁同步电机的控制系统中的三相三电平逆变器包括电源、中间电容(C₁、C₂)及各开关，通过改变各开关的开通状态调整输入至电机定子的三相交流电。

基于此，根据电励磁同步电机的气隙磁链ψ_σ的相位角和给定定子电流的t轴分量i_st ^*及m轴分量i_sm ^*，通过提前设置的矢量控制算法得到三相逆变器对应的脉冲矢量(即控制各开关的开通状态的开关函数)。在得到三相逆变器对应的脉冲矢量之后，本申请便可以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态，从而调整输入至电机定子的三相交流电，使三相交流电经坐标变换后的定子电流的t轴分量i_st及m轴分量i_sm跟踪给定定子电流的t轴分量i_st ^*及m轴分量i_sm ^*，从而实现了电机的单位功率因数控制，进而提高了整个系统的效率。

而且，本申请根据气隙磁链ψ_σ的幅值控制电励磁同步电机的励磁电压，从而使气隙磁链ψ_σ的幅值跟踪给定气隙磁链ψ_σ ^*的幅值。可见，本申请基于全阶磁链观测器的气隙磁场定向方法，定向准确，性能优异。

本发明提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；利用预设全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到电机的气隙磁链的相位角和幅值；根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

可见，本申请可实现电机的单位功率因数控制，从而提高了整个系统的效率；而且，本申请的气隙磁场定向控制方法是基于全阶的磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

请参照图3，图3为本发明提供的一种基于全阶磁链观测器的电励磁同步电机的气隙磁场定向矢量控制框图，在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链的过程具体为：

获取电机的实际转速，并求取电机的给定转速与实际转速之间的转速误差；

将转速误差经速度调节器调节后得到电机的给定定子电流的t轴分量；

获取电机的定子电压，并求取电机的给定定子电压与定子电压之间的定子电压误差；

将定子电压误差经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，并将气隙磁链补偿值补偿至电机的预设气隙磁链，得到电机的给定气隙磁链。

具体地，本申请获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量i_st ^*的过程为：将电励磁同步电机的转速误差(给定转速n^*-实际转速n)经速度调节器(本申请的调节器均可选用比例积分调节器)调节后得到给定定子电流的t轴分量i_st ^*。可见，在上述控制定子电流的t轴分量i_st及m轴分量i_sm跟踪给定定子电流的t轴分量i_st ^*及m轴分量i_sm ^*的过程中，本申请也在控制电励磁同步电机的实际转速n跟踪给定转速n^*。

本申请获取电励磁同步电机的给定气隙磁链ψ_σ ^*的过程为：一方面，直接设定一个气隙磁链值作为给定的气隙磁链；另一方面，为了更准确设定气隙磁链，本申请将定子电压误差(给定定子电压u_s ^*-定子电压u_s)经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，补偿至所设的气隙磁链，从而得到电励磁同步电机最终的给定气隙磁链ψ_σ ^*。可见，在上述控制电励磁同步电机的气隙磁链ψ_σ跟踪给定气隙磁链ψ_σ ^*的过程中，本申请也在控制电励磁同步电机的定子电压u_s跟踪给定定子电压u_s ^*。

作为一种优选地实施例，根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量的过程具体为：

获取电机的三相交流电流，并根据气隙磁链的相位角将三相交流电流经坐标转换后得到电机的定子电流的t轴分量i_st及m轴分量i_sm；

将i_st、i_sm对应与i_st ^*、i_sm ^*作差，并将两个差值分别经电流调节器调节后对应得到电机的定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量；

将电机的给定定子电压的t轴前馈分量u_st ^*及m轴前馈分量u_sm ^*与定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量对应求和，得到补偿后的定子电压的t轴分量u_st及m轴分量u_sm；

根据气隙磁链的相位角将u_st、u_sm经坐标转换后再经空间矢量脉宽调制SVPWM调制，得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。

具体地，矢量控制算法的具体控制过程包括：1)将电励磁同步电机的给定定子电流值i_st ^*、i_sm ^*与实际定子电流值i_st、i_sm(电机实际的三相交流电流i_a、i_b、i_c经坐标转换得到，图3中θ、λ为坐标变换角度)对应作差，并将两个差值分别经电流调节器调节，对应得到定子调制电压u_st、u_sm。2)根据气隙磁链的相位角将u_st、u_sm经坐标转换后再经SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)调制后得到与电励磁同步电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。

作为一种优选地实施例，根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值的过程具体为：

将给定的气隙磁链值与气隙磁链的幅值作差，并将二者差值经磁链调节器调节后得到电机的给定励磁电流i_f ^*；

获取电机的励磁电流i_f，并求取i_f ^*与i_f之间的励磁电流误差；

将励磁电流误差经对应的电流调节器调节后得到电机的给定励磁电压u_f ^*；

根据u_f ^*调整电机的转子对应的控制角，使电机的励磁电压u_f跟踪u_f ^*，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

具体地，电励磁同步电机的气隙磁场的定向控制过程为：1)将电机的气隙磁链误差(给定气隙磁链ψ_σ ^*的幅值-气隙磁链ψ_σ的幅值)经磁链调节器调节后得到电机的给定励磁电流i_f ^*；2)将电机的励磁电流误差(给定励磁电流i_f ^*-励磁电流i_f)经电流调节器调节后得到电机的给定励磁电压u_f ^*；3)已知u_f ^*＝0.9*u₁*(1+cosα)*0.5，其中，u₁为电机转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角(α决定转子对应的开关管的导通时间，进而决定转子的输入电压)。所以，本申请根据u_f ^*调整电机转子对应的控制角α，使电机的励磁电压u_f跟踪给定励磁电压u_f ^*。

可见，本申请在控制电机的励磁电压u_f跟踪给定励磁电压u_f ^*的同时，使电机的励磁电流i_f跟踪给定励磁电流i_f ^*，使电机的气隙磁链ψ_σ的幅值跟踪给定气隙磁链ψ_σ ^*的幅值，从而实现气隙磁场的定向控制。

作为一种优选地实施例，全阶磁链观测模型的预设过程具体为：

根据电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型，以其定子磁链、转子磁链及阻尼磁链为状态变量建立电机的状态方程；

根据状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建电机的全阶磁链观测器；

获取电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；

根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用全阶磁链观测器对电机的磁链进行观测。

具体地，首先将电励磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型转化至dq两相旋转坐标系下进行分析，电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型如下：

磁链方程：

电压方程：

转矩方程：

T_e＝ψ_sdi_sq-ψ_sqi_sd；

根据电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型可以得到电励磁同步电机在在dq两相旋转坐标系下的等效电路。请参照图4(a)及图4(b)，图4(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的d轴等效电路图，图4(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的q轴等效电路图。

综合上述分析，可以得到电励磁同步电机的空间矢量图，请参照图5，图5为本发明提供的一种电励磁同步电机的空间矢量图。图5中，ω_r＝ω。

其中，ψ_s为定子磁链，ψ_sd为定子磁链的d轴分量，ψ_sq为定子磁链的q轴分量，ψ_f为转子磁链，ψ_D为阻尼磁链的d轴分量，ψ_Q为阻尼磁链的q轴分量，ψ_δ为气隙磁链，ψ_δd为气隙磁链的d轴分量，ψ_δq为气隙磁链的q轴分量，L_sd为定子d轴同步电感，L_sq为定子q轴同步电感，L_ad为d轴电枢反应电感，L_aq为q轴电枢反应电感，L_f为转子同步电感，L_D为阻尼d轴同步电感，L_Q为阻尼q轴同步电感，L_sl为定子漏抗，i_s为定子电流，i_sd为定子电流的d轴分量，i_sq为定子电流的q轴分量，i_f为励磁电流，i_ad为d轴电枢反应电流，i_aq为q轴电枢反应电流，i_D为阻尼电流的d轴分量，i_Q为阻尼电流的q轴分量，u_s为定子电压，u_sd为定子电压的d轴分量，u_sq为定子电压的q轴分量，u_f为转子电压，u_D为阻尼电压的d轴分量，u_Q为阻尼电压的q轴分量，R_s为定子电阻，R_f为转子电阻，R_D为阻尼电阻的d轴分量，R_Q为阻尼电阻的q轴分量，ω_r为电机的角速度，T_e为电机的转矩。

基于此，考虑到电励磁同步电机的磁链是电机工作中的关键变量，所以根据电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型，以其定子磁链、转子磁链及阻尼磁链为状态变量建立电励磁同步电机的状态方程，状态方程如下：

其中，x为状态变量，为状态变量的导数，u为输入变量，y为输出变量；

其中，系数矩阵A、B、C分别为：

其中，L_sσ为定子漏抗，L_fσ为转子漏抗，L_Dσ为阻尼d轴漏抗，L_Qσ为阻尼q轴漏抗。

根据电励磁同步电机的状态方程和提前设置好的反馈矩阵，利用现代控制理论便可以构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器，结果如下：

其中，^表示状态观测量，G为反馈矩阵。对于全阶磁链观测器来说，反馈矩阵决定了其性能，为了准确观测电励磁同步电机的磁链值，需对反馈矩阵进行合理设计。

已知全阶磁链观测器中需要知道电励磁同步电机的转子和定子的电压量及电流量，才得以观测电励磁同步电机的磁链，所以本申请获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量，以便于利用全阶磁链观测器准确观测电励磁同步电机的磁链。至于获取转子和定子的电压量及电流量的具体方式，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况而定。

本申请在获取的转子和定子的电压量及电流量之后，便可以利用全阶磁链观测器观测电励磁同步电机的磁链。由于本申请采用的是全阶磁链观测器，所以磁链观测值受电机参数影响小，鲁棒性强；对外部信号的抗扰性强，具有很强适应性；且稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。

作为一种优选地实施例，获取电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：

预先根据三相逆变器对应的直流侧电压及脉冲矢量设置相电压重构关系式；

利用相电压重构关系式重构定子输入的相电压，并将相电压经坐标变换得到定子电压的d轴分量及q轴分量。

具体地，本申请在获取电励磁同步电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程中，为了节省成本，未在定子侧安装电压传感器，而是通过三相逆变器对应的直流侧电压(即中间电容两端的电压)及脉冲矢量(即控制各开关的开通状态的开关函数)重构定子电压。具体地，本申请提前根据三相逆变器对应的直流侧电压及脉冲矢量设置相电压重构关系式。当获取电机定子电压的d轴分量及q轴分量时，首先利用相电压重构关系式重构定子输入的相电压(三相静止坐标系下的定子电压)，然后将相电压经坐标变换(三相静止坐标系-两相静止坐标系-两相旋转坐标系)得到电机定子电压的d轴分量及q轴分量。

作为一种优选地实施例，相电压重构关系式具体为：

其中，u_an、u_bn、u_cn对应为电机在abc三相静止坐标系下定子电压的a相分量、b相分量、c相分量，U_dc为直流侧电压，S_j为三电平开关函数，i_a、i_b、i_c对应为电机在abc三相静止坐标系下定子电流的a相分量、b相分量、c相分量，ΔU为预设误差电压。

进一步地，大功率电路多采用三电平结构，本申请以三电平结构为例介绍电压重构，其他电平结构均可以此类推。

三电平开关函数如下：

则重构的相电压为：

其中，考虑到死区时间和开关管的非线性会使重构的相电压与定子输入的相电压之间存在些许误差，本申请在相电压重构关系式中设置误差电压ΔU，以减小二者之间的误差。

作为一种优选地实施例，获取电机的励磁电压的过程具体为：

利用预设励磁电压重构关系式u_f＝0.9*u₁*(1+cosα)*0.5重构电机的励磁电压；其中，u_f为励磁电压，u₁为转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角。

同样地，本申请提前设置励磁电压重构关系式u_f＝0.9*u₁*(1+cosα)*0.5，当获取电机励磁电压时，便可利用励磁电压重构关系式重构电机励磁电压。或者，本申请可利用电压传感器测量电机励磁电压。

作为一种优选地实施例，预设反馈矩阵具体为：

其中，g₁、g₂、g₃、g₄、g₅为反馈矩阵G的5个自由度，其设置依据为全阶磁链观测器所配置的极点位置。

具体地，已知反馈矩阵决定全阶磁链观测器的性能，为了获取准确的磁链值，必须对反馈矩阵进行合理的设计：

首先需要确定反馈矩阵的形式，因为状态变量有5个，输出变量有3个，因此可以确定反馈矩阵应为一个5*3的矩阵；同时系统是一个5阶系统，所以反馈矩阵可以有5个自由度配置。其中，转子磁链和转子电流(即励磁电流)强相关，可以单独用转子电流的误差来校正转子磁链，转子电流为单相直流量，所以只需要一个自由度；定子磁链与定子电流强相关，可以用定子电流的误差来校正定子磁链，定子电流是对称的三相电流，因此需要两个自由度；由于阻尼电流不可测，所以没有办法用阻尼电流来校正阻尼磁链，同时反馈矩阵还剩下两个自由度，因此本申请采用定子电流的误差来校正阻尼磁链，较为合理。

综上，为便于计算，可以得到反馈矩阵的形式如下：

然后需要确定反馈矩阵的取值，反馈矩阵决定着全阶磁链观测器的极点位置，即决定着全阶磁链观测器的性能。为了使全阶磁链观测器比电机实际磁链收敛得快，可将全阶磁链观测器的极点配置在原电机极点的k倍处。由于k值越大，全阶磁链观测器的收敛速度越快，但同时对外界干扰会越敏感，所以k的选择需要在快速性和扰动、噪声的灵敏性之间折中，凭经验设定。

在确定反馈矩阵的形式和期望极点的位置之后，便可采用现代控制理论中全阶状态观测器的设计方法，计算反馈矩阵。由于系统是5阶系统，反馈矩阵的解析表达式异常庞大，因此本申请可采用maple或matlab等数学工具的数值计算功能求取反馈矩阵，从而使全阶磁链观测器准确观测到电机的磁链值。

请参照图6(a)及图6(b)，图6(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的d轴分量实际值与观测值的对比图，图6(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的q轴分量实际值与观测值的对比图。从图6(a)及图6(b)可以看出，由全阶磁链模型观测的气隙磁链与电机实际的气隙磁链无论是在稳态过程还是在动态过程均能保持一致，即全阶磁链模型具有很好的稳态精度和动态性能，说明全阶磁链模型的有效性和准确性。

请参照图7(a)-图7(e)，图7(a)-图7(e)是基于全阶磁链观测器的电励磁同步电机气隙磁场定向矢量控制的仿真结果，从图中可以看出，控制策略无论是在稳态过程还是在动态过程均有优异的性能，同时控制稳定后无功功率为零，实现了电励磁同步电机的单位功率因数控制。

请参照图8，图8为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统的结构示意图。

该电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统包括：

功率因数控制单元1，用于获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为给定定子电流的t轴分量；

磁链观测单元2，用于利用预设全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到电机的气隙磁链的相位角和幅值；

矢量控制单元3，用于根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；

气隙磁场跟踪单元4，用于根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

本发明提供的气隙磁场定向控制系统的介绍请参考上述气隙磁场定向控制方法的实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，包括：

获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为所述给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为所述给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为所述给定定子电流的t轴分量；

利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；

根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；

根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

2.如权利要求1所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链的过程具体为：

获取所述电机的实际转速，并求取所述电机的给定转速与所述实际转速之间的转速误差；

将所述转速误差经速度调节器调节后得到所述电机的给定定子电流的t轴分量；

获取所述电机的定子电压，并求取所述电机的给定定子电压与所述定子电压之间的定子电压误差；

将所述定子电压误差经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，并将所述气隙磁链补偿值补偿至所述电机的预设气隙磁链，得到所述电机的给定气隙磁链。

3.如权利要求2所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量的过程具体为：

获取所述电机的三相交流电流，并根据所述气隙磁链的相位角将所述三相交流电流经坐标转换后得到所述电机的定子电流的t轴分量i_st及m轴分量i_sm；

将i_st、i_sm对应与i_st ^*、i_sm ^*作差，并将两个差值分别经电流调节器调节后对应得到所述电机的定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量；

将所述电机的给定定子电压的t轴前馈分量u_st ^*及m轴前馈分量u_sm ^*与所述定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量对应求和，得到补偿后的定子电压的t轴分量u_st及m轴分量u_sm；

根据所述气隙磁链的相位角将u_st、u_sm经坐标转换后再经空间矢量脉宽调制SVPWM调制，得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。

4.如权利要求3所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值的过程具体为：

将给定的气隙磁链值与所述气隙磁链的幅值作差，并将二者差值经磁链调节器调节后得到所述电机的给定励磁电流i_f ^*；

获取所述电机的励磁电流i_f，并求取i_f ^*与i_f之间的励磁电流误差；

将所述励磁电流误差经对应的电流调节器调节后得到所述电机的给定励磁电压u_f ^*；

根据u_f ^*调整所述电机的转子对应的控制角，使所述电机的励磁电压u_f跟踪u_f ^*，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。

5.如权利要求1-4任一项所述电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述全阶磁链观测模型的预设过程具体为：

根据所述电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型，以其定子磁链、转子磁链及阻尼磁链为状态变量建立所述电机的状态方程；

根据所述状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建所述电机的全阶磁链观测器；

获取所述电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取所述电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；

根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用所述全阶磁链观测器对所述电机的磁链进行观测。

6.如权利要求5所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，获取所述电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：

预先根据所述三相逆变器对应的直流侧电压及脉冲矢量设置相电压重构关系式；

利用所述相电压重构关系式重构所述定子输入的相电压，并将所述相电压经坐标变换得到定子电压的d轴分量及q轴分量。

7.如权利要求6所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述相电压重构关系式具体为：

其中，u_an、u_bn、u_cn对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电压的a相分量、b相分量、c相分量，U_dc为所述直流侧电压，S_j为三电平开关函数，i_a、i_b、i_c对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电流的a相分量、b相分量、c相分量，ΔU为预设误差电压。

8.如权利要求7所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，获取所述电机的励磁电压的过程具体为：

利用预设励磁电压重构关系式u_f＝0.9*u₁*(1+cosα)*0.5重构所述电机的励磁电压；其中，u_f为励磁电压，u₁为所述转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角。

9.如权利要求8所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述预设反馈矩阵具体为：

其中，g₁、g₂、g₃、g₄、g₅为反馈矩阵G的5个自由度，其设置依据为所述全阶磁链观测器所配置的极点位置。

10.一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统，其特征在于，包括：

功率因数控制单元，用于获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，i_sm ^*为所述给定定子电流的m轴分量，ψ_σ ^*为所述给定气隙磁链，L_sl为定子漏抗，i_st ^*为所述给定定子电流的t轴分量；

磁链观测单元，用于利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；

矢量控制单元，用于根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；

气隙磁场跟踪单元，用于根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。