CN109245649A - 一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统，其中方法包括：通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和，并根据和构造电机的磁链矢量；构造基于锁相角度的单位旋转矢量；计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积；对进行PI运算计算出电机的锁相角速度；对锁相角速度进行积分计算出电机的锁相角度，本发明在基于锁相环的运算过程中，其叉积具有单位旋转矢量与磁链矢量的相位差信息，通过判断该相位差，即可准确计算出电机的磁链角度，以及电机磁链角速度，即使得本发明基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统具有计算简单，响应速度快，无需计算反正切和微分，且计算精度高，占用内存小，不会引入高频干扰。
Description
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统。
背景技术
目前，三相交流异步和永磁同步电机无速度传感器矢量控制(SVC)已获得广泛应用，如何快速准确计算电机磁链相位和速度是进行SVC控制的一个关键技术点。
现有技术普遍采用如下方法计算三相交流异步和永磁同步电机磁链相位和速度：第一步通过电机模型计算出两相静止坐标系上的电机磁链和；第二步通过反正切函数计算磁链角度，即；第三步通过对磁链角度微分计算磁链角速度，即。
但现有技术的上述方法存在以下问题：(1)反正切函数计算量较大，一般采用查表线性插补法简化算法，但此方法的计算精度难以保证，且表格需要占用大量的存储空间；(2)对磁链角度微分容易引入高频干扰，一般采用低通滤波滤除高频干扰，但低通滤波会降低磁链速度计算的响应时间。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统，其主要目的是克服现有技术缺陷，以解决现有计算电机磁链相位和速度过程中计算量大，计算精度不高，占用内存大，容易引入高频干扰，且计算响应时间长的技术问题。
一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法，包括以下步骤：
S1、通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
S2、构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
S3、计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
S4、对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；
S5、对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式构造电机磁链矢量的表达式：
作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式构造单位旋转矢量的表达式：
其中，j表示向量复数的虚部。
作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算叉积M：
作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算电机的锁相角速度ω：
其中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，1/S为积分因子。
作为本发明的进一步优选方案，通过以下公式计算电机的锁相角度θ：
其中，1/S为积分因子。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种执行上述任一项所述基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法的系统，该系统包括：
获取模块，用于通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
反馈模块，用于构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
比较模块，用于计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
PI运算模块，用于对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；以及
积分运算模块，用于对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
上述基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统，基于锁相环的运算过程中，其叉积M具有单位旋转矢量与磁链矢量的相位差信息，通过判断该相位差，即可准确计算出电机的磁链角度θ，以及电机磁链角速度ω，本发明基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统具有计算简单，响应速度快，无需计算反正切和微分，且计算精度高，占用内存小，不会引入高频干扰。
附图说明
图1为一个实施例中基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法提供的方法流程图；
图2为一个实施例中基于锁相环计算电机磁链相位和速度的系统提供的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法，包括以下步骤：
步骤S1、通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
该步骤S1中，通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量具体包括：
通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和其运用方式为常规技术手段，此处不再赘述；
根据所获得的电机磁链和通过以下公式构造电机磁链矢量的表达式：
其中，j表示向量复数的虚部。
步骤S2、构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
该步骤S2中，通过以下公式构造单位旋转矢量的表达式：
步骤S3、计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
该步骤S3中，通过以下公式计算叉积M：
根据矢量的叉积定义可知，叉积M具有与的相位差信息。
步骤S4、对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；
该步骤S4中，通过以下公式计算电机的锁相角速度ω：
其中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，1/S为积分因子。
步骤S5、对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
该步骤S5中，通过以下公式计算电机的锁相角度θ：
其中，1/S为积分因子。
如图2所示，本发明还提供了一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的系统，该系统包括：获取模块、反馈模块、比较模块、PI运算模块和积分运算模块，其中：
获取模块，用于通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
该获取模块中，通过以下公式构造电机磁链矢量计算公式如下：
反馈模块，用于构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
上述反馈模块中，通过以下公式构造单位旋转矢量的表达式：
比较模块，用于计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
上述比较模块中，通过以下公式计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M：
PI运算模块，用于对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；
上述PI运算模块中，通过以下公式计算电机的锁相角速度ω：
其中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，1/S为积分因子。
积分运算模块，用于对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
上述积分运算模块中，通过以下公式计算电机的锁相角度θ：
其中，1/S为积分因子。
图2中，分别为两相静止坐标系下α、β轴的电机磁链，为基于合成的磁链矢量，为基于锁相角度θ的单位旋转矢量，M为与的叉积，ω为锁相角速度，θ为锁相角度。
为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面结合图2所示的系统框图以电机正传运行(ω＞0)为例阐述锁相环的调节过程。
当M＞0时，表示滞后于M通过PI运算后增大锁相角速度ω，以减小滞后的相位差；
当M＜0时，表示超前于M通过PI运算后减小锁相角速度ω，以减小超前的相位差；
当M＝0时，表示与的相位相同，M通过PI运算后不改变锁相角速度ω，此时的θ即为电机磁链相位，ω即为电机磁链角速度。
上述基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统，基于锁相环的运算过程中，其叉积M具有单位旋转矢量与磁链矢量的相位差信息，通过判断该相位差，即可准确计算出电机的磁链角度θ，以及电机磁链角速度ω，本发明基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法及其系统具有计算简单，响应速度快，无需计算反正切和微分，且计算精度高，占用内存小，不会引入高频干扰。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
S2、构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
S3、计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
S4、对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；
S5、对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式构造电机磁链矢量的表达式：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下公式构造单位旋转矢量的表达式：
其中，j表示向量复数的虚部。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算叉积M：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算电机的锁相角速度ω：
其中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，1/S为积分因子。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算电机的锁相角度θ：
其中，1/S为积分因子。
7.一种执行权利要求1至6任一项所述基于锁相环计算电机磁链相位和速度的方法的系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于通过电机模型获取电机两相静止坐标系上的电机磁链和并根据和构造电机的磁链矢量
反馈模块，用于构造基于锁相角度θ的单位旋转矢量
比较模块，用于计算单位旋转矢量与磁链矢量的叉积M；
PI运算模块，用于对M进行PI运算计算出电机的锁相角速度ω；积分运算模块，用于对锁相角速度ω进行积分计算出电机的锁相角度θ。
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