CN110247590A - 一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法 - Google Patents

一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，可以避免由电机位置传感器带来的系统可靠性降低、对扰动和噪声敏感和提高系统成本的问题。系统结构包括：交流电网；电流源型整流器单元通过三相滤波电容组和多绕组变压器并网；所述电流源整流器单元通过直流母线电感和电流源型逆变器单元相连；所述电流源型逆变器单元通过三相滤波电容组和同步磁阻电机相连。无位置控制策略包括：在电机d轴注入高频电流信号；对电机定子电压采样计算得到电机的定子q轴电压；提取电机q轴电压中的高频分量，处理后得到电机转子的位置信号；建立预测的转子坐标系实现同步磁阻电机的无位置控制。

Description

一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法
技术领域
本发明涉及一种电流源型电机驱动的控制方法，特别涉及一种电流源型功率变换器馈电的同步磁阻电机系统无位置控制方法，属于电机领域。
背景技术
目前，基于脉宽调制策略的电流源型电机驱动系统正逐步受到学者的关注。与电压源驱动系统相比，电流源有着拓扑简单、四象限运行、短路保护可靠和低dv/dt的特点。另一方面，和其他交流电机相比，同步磁阻电机有着其突出的特色，比如效率高、转矩密度高和制作工艺简单。除此之外，用于制作永磁电机所用的稀土材料非常珍贵，出于经济效益的考虑，同步磁阻电机是永磁电机的良好替代品，因此逐渐在工业得到了广泛应用。除此之外，同步磁阻电机由于其特有的转子结构，转子凸极性明显，适合用在基于凸极性跟踪的无位置控制方法中。
在目前的同步磁阻电机控制系统中，矢量控制是应用广泛的方法之一。在矢量控制中，电机的转子磁链位置和电机转速是不可或缺的两个反馈信号。一般来说，电机的这些反馈信号都通过与转子机械耦合的反馈装置获得，比如说编码器。然而，在大多数实际的工业应用中，编码器的存在使整个系统呈现出一些缺点。比如编码器容易受到外部噪声和震动的影响，导致系统的稳定性下降。同时，设计额外的与转子耦合的反馈装置也会提高系统的复杂性和增加成本。综上所述，受制于使用传感器的种种缺点，同步磁阻电机的实际应用场合会有所限制。
因此，不用传感器的电机控制方法一直是学者们钻研的目标。在这一领域中，针对永磁电机的无位置控制方法研究较多，较为常见的有反电动势法。但是这一方法是基于永磁电机存在永磁体，从而可以通过永磁体产生的反电动势得到转子的位置信号。在同步磁阻电机中，由于电机不存在永磁体，所以不能用反电动势法进行观测。
分析同步磁阻电机的运行原理可以得知同步磁阻电机的转子凸极性非常明显，因此可以利用电机的凸极性跟踪获得转子位置。高频信号注入就是一种利用电机凸极性实现无位置控制的方法。在电流源型馈电的驱动系统中，在电机运行在低速状态下时也能实现转子位置的准确跟踪。高频信号注入根据注入信号种类的不同，可以分为正弦注入和方波注入等；根据注入信号的连续性，可以分为连续信号注入和断续信号注入。这些方法在以往的研究中都是针对电压源型电机驱动系统，很少在电流源型电机驱动系统中应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明旨在提供一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，电流源型驱动系统采用背靠背式的拓扑结构，在矢量控制的基础上用高频信号注入的方法得到电机的转子的预测位置和预测转速。对比了不同高频信号注入的稳定性和适用性之后，联系同步磁阻电机的运行特性，本发明提出了一种电流源型电机驱动条件下的注入高频正弦连续信号的无位置控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，所述同步磁阻电机驱动系统包括与同步磁阻电机并联连接的三相滤波电容组，三相滤波电容组与电流源型逆变器单元相连接，电流源型逆变器单元通过直流侧的进线端与直流母线电感串联，直流母线电感由电流源型整流器单元馈电，电流源型整流器单元在电网侧与LC滤波器相连接，LC滤波器包括三相并网电感以及与之并联的三相滤波电容，三相并网电感的另一端与三相电网相连接，三相滤波电容的另一端与电流源型整流器单元并联连接；
所述电流源型逆变器单元的控制方法包括以下步骤：
1)同步磁阻电机的定子电压经过d、q轴坐标变换得到预测转子坐标系下的d、q轴电压和其中经过观测器进行信号处理后获得同步磁阻电机的预测转速和预测转子位置
2)转速给定值高频信号、观测器输出的和d、q轴坐标变换输出的作为逆变侧控制器的输入信号，经过逆变侧控制器计算输出调制比ma和延迟角θinv，作为空间矢量控制单元的输入信号，从而对电流源型逆变器单元的开关管进行控制；
3)逆变侧控制器输出的直流电流参考值作为整流侧控制器的输入信号；
所述电流源型整流器单元通过特定谐波消去法进行控制，所述特定谐波消去法所需的延迟角θrec由整流侧控制器计算得到，所述整流侧控制器有三个输入变量：电网侧三相电容电压、直流母线电流和逆变侧控制器输出的直流母线电流参考值
作为本发明的进一步技术方案，所述逆变侧控制器的控制方法包括以下步骤：
1)通过同步磁阻电机转速控制器产生电机定子电流，根据最大转矩电流比的原则对该电流进行d、q轴分配，同时在d轴电流上叠加一个高频分量，得到电机定子的d、q轴电流
2)电机定子的d、q轴电流分别经过电机侧电容的电流补偿得到逆变器输出的d、q轴电流，经过笛卡尔坐标变换之后，得到电流源型逆变器输出的电流参考值和延迟角θw；
3)电流参考值与电流实际值相除得到电流源型逆变器的调制比ma，延迟角θw与电机预测转子角度相加得到逆变器的延迟角θinv，经过空间矢量调制后输入到逆变侧，对逆变侧的开关管进行控制；
4)电流参考值经过电流补偿得到整流侧的电流参考值作为整流侧控制方法的输入信号。
作为本发明的进一步技术方案，所述高频信号的处理和观测器的设计包括以下步骤：
1)电机三相定子电压va、vb、vc和电机转子预测角经过d、q坐标变换之后，得到q轴电压
2)经过带通滤波器滤去杂波之后得到仅包含高频信号的q轴电压乘以高频正弦分量对信号进行处理之后获得2倍频分量和直流分量，再经过低通滤波器把高次谐波滤除，获得仅与转子位置有关的信号ε(θerr)；
3)ε(θerr)通过PI控制器后得到电机的转速信号，经过低通滤波器滤去杂波之后，得到电机的预测转速经过积分单元得到电机转子的预测角同时作为电机三相电压d、q变换的一个输入，整体系统形成闭环控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，不仅继承了电流源型功率变换器结构坚固、输出电压波形好、母线短路电流抑制能力强的特点，还可以避免由电机位置传感器带来的系统可靠性降低、对扰动和噪声敏感和提高系统成本的问题。本发明提出的同步磁阻电机的无位置控制方法的电机转速运行范围很广，特别是电机运行在低速情况下时也能实现无位置控制。
附图说明
图1为电流源型同步磁阻电机驱动系统的拓扑结构。
图2为电流源整流与逆变模块控制策略的原理图。
图3为逆变侧高频信号注入的示意图。
图4为电机转速和电子转子位置观测的示意图。
图5为电机转子实际位置和预测位置的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示的电流源型同步磁阻电机驱动系统的拓扑结构，包括：
同步磁阻电机1.9，该电机与三相滤波电容组1.8并联连接；
所述三相滤波电容组1.8，与电流源型逆变器单元1.7相连接；
所述电流源型逆变器单元1.7通过直流侧的进线端与直流母线电感1.5、1.6串联；
所述直流母线电感1.5、1.6由电流源型整流器单元1.4馈电；
所述电流源型整流器单元1.4在电网侧与LC滤波器相连接；
所述LC滤波器包括三相并网电感1.2以及与之并联的三相滤波电容1.3，其中：所述三相并网电感1.2的另一端与三相电网1.1相连接，所述三相滤波电容1.3的另一端与电流源型整流器单元1.4并联连接。
如图2所示，所述电流源型逆变模块1.7的控制方法包括以下步骤：
1)同步磁阻电机的定子电压2.7经过d、q轴坐标变换2.8得到预测转子坐标系下的d、q轴电压和中经过观测器2.9进行信号处理后可以获得同步磁阻电机的预测转速和预测转子位置和
2)转速给定值高频信号、观测器2.9输出的和d、q轴坐标变换输出的 作为逆变侧控制器2.4的输入信号，经过逆变侧控制器2.4计算输出调制比ma和延迟角θinv，作为空间矢量控制单元2.6的输入信号，从而对电流源逆变模块1.7的开关管进行控制；
3)逆变侧控制器2.4输出的直流电流参考值作为整流侧控制器2.2的输入信号。
所述电流源整流模块1.4通过特定谐波消去法2.3进行控制，所述特定谐波消去法2.3所需的延迟角θrec由整流侧控制器2.2计算得到，所述整流侧控制器有三个输入变量：电网侧三相电容电压vc2.1、直流母线电流idc2.5和逆变侧控制器2.4输出的直流母线电流参考值
如图3所示，所述逆变侧控制器2.4的控制方法包括以下步骤：
1)通过同步磁阻电机转速控制器3.1产生电机定子电流，根据最大转矩电流比的原则对该电流进行d、q轴分配3.2，同时在d轴电流上叠加一个高频分量，得到电机定子的d、q轴电流
2)电机定子的d、q轴电流经过电机侧电容的电流补偿3.3、3.4得到逆变器输出的d、q轴电流。经过笛卡尔坐标变换之后，得到电流源型逆变器输出的电流参考值和延迟角θw。
3)电流参考值与电流实际值相除可以得到电流源型逆变器的调制比ma，延迟角θw与电机预测转子角度相加得到逆变器的延迟角θinv。经过空间矢量调制之后，输入到逆变侧3.8，对逆变侧的开关管进行控制。
4)由于在d轴注入了高频信号，电流参考值需要经过电流补偿得到整流侧3.7的电流参考值作为整流侧控制方法的输入信号。
如图4所示，所述高频信号的处理和观测器的设计包括以下步骤：
1)电机三相定子电压va、vb、vc和电机转子预测角经过d、q变换之后，得到q轴电压
2)经过带通滤波器4.2滤去杂波之后得到仅包含高频信号的q轴电压乘以高频正弦分量4.3对信号进行处理之后，获得2倍频分量和直流分量，再经过低通滤波器4.4把高次谐波滤除，获得仅与转子位置有关的信号ε(θerr)。
3)ε(θerr)通过PI控制器4.5后得到电机的转速信号，经过低通滤波器4.6滤去杂波之后，可以使系统更为稳定，从而得到电机的预测转速经过积分单元4.7得到电机转子的预测角 同时作为电机三相电压d、q变换4.1的一个输入，整体系统形成闭环控制。
图5为同步磁阻电机无位置控制实验中转子位置角的实验波形。其中，实际转子位置通过电机编码器反馈得到，预测转子位置通过本发明中提出的高频注入的方法获得。如图所示，同步磁阻电机运行在50r/min的低速状态下，转子位置角的误差小于0.2机械角度。因此可以认为，在电流源型变换器馈电的同步磁阻电机系统中，本发明提出的无位置控制方法是可行的，在低速运行下取得了良好的实验结果。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，其特征在于，所述同步磁阻电机驱动系统包括与同步磁阻电机(1.9)并联连接的三相滤波电容组(1.8)，三相滤波电容组(1.8)与电流源型逆变器单元(1.7)相连接，电流源型逆变器单元(1.7)通过直流侧的进线端与直流母线电感(1.5、1.6)串联，直流母线电感(1.5、1.6)由电流源型整流器单元(1.4)馈电，电流源型整流器单元(1.4)在电网侧与LC滤波器相连接，LC滤波器包括三相并网电感(1.2)以及与之并联的三相滤波电容(1.3)，三相并网电感(1.2)的另一端与三相电网(1.1)相连接，三相滤波电容(1.3)的另一端与电流源型整流器单元(1.4)并联连接；
所述电流源型逆变器单元(1.7)的控制方法包括以下步骤：
1)同步磁阻电机的定子电压经过d、q轴坐标变换得到预测转子坐标系下的d、q轴电压和其中经过观测器(2.9)进行信号处理后获得同步磁阻电机的预测转速和预测转子位置
2)转速给定值高频信号、观测器(2.9)输出的和d、q轴坐标变换输出的作为逆变侧控制器(2.4)的输入信号，经过逆变侧控制器(2.4)计算输出调制比ma和延迟角θinv，作为空间矢量控制单元(2.6)的输入信号，从而对电流源型逆变器单元(1.7)的开关管进行控制；
3)逆变侧控制器(2.4)输出的直流电流参考值作为整流侧控制器(2.2)的输入信号；
所述电流源型整流器单元(1.4)通过特定谐波消去法进行控制，所述特定谐波消去法所需的延迟角θrec由整流侧控制器(2.2)计算得到，所述整流侧控制器有三个输入变量：电网侧三相电容电压(2.1)、直流母线电流(2.5)和逆变侧控制器(2.4)输出的直流母线电流参考值
2.根据如权利要求1所述的一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，其特征在于，所述逆变侧控制器(2.4)的控制方法包括以下步骤：
1)通过同步磁阻电机转速控制器(3.1)产生电机定子电流，根据最大转矩电流比的原则对该电流进行d、q轴分配，同时在d轴电流上叠加一个高频分量，得到电机定子的d、q轴电流
2)电机定子的d、q轴电流分别经过电机侧电容的电流补偿得到逆变器输出的d、q轴电流，经过笛卡尔坐标变换之后，得到电流源型逆变器输出的电流参考值和延迟角θw；
3)电流参考值与电流实际值相除得到电流源型逆变器的调制比ma，延迟角θw与电机预测转子角度相加得到逆变器的延迟角θinv，经过空间矢量调制后输入到逆变侧，对逆变侧的开关管进行控制；
4)电流参考值经过电流补偿得到整流侧的电流参考值作为整流侧控制方法的输入信号。
3.根据如权利要求1所述的一种电流源型同步磁阻电机系统的无位置控制方法，其特征在于，所述高频信号的处理和观测器(2.9)的设计包括以下步骤：
1)电机三相定子电压va、vb、vc和电机转子预测角经过d、q坐标变换之后，得到q轴电压
2)经过带通滤波器(4.2)滤去杂波之后得到仅包含高频信号的q轴电压乘以高频正弦分量对信号进行处理之后获得2倍频分量和直流分量，再经过低通滤波器(4.4)把高次谐波滤除，获得仅与转子位置有关的信号ε(θerr)；
3)ε(θerr)通过PI控制器(4.5)后得到电机的转速信号，经过低通滤波器(4.6)滤去杂波之后，得到电机的预测转速经过积分单元(4.7)得到电机转子的预测角同时作为电机三相电压d、q变换的一个输入，整体系统形成闭环控制。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113364381A (zh) * 2021-05-24 2021-09-07 西安理工大学 一种表贴式永磁同步电机无位置传感器分段延时补偿策略

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014085135A (ja) * 2012-10-19 2014-05-12 Nsk Ltd 高精度レゾルバ
CN108092570A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 扬州汉龙电气有限公司 一种无位置传感器开关磁阻电机驱动系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014085135A (ja) * 2012-10-19 2014-05-12 Nsk Ltd 高精度レゾルバ
CN108092570A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 扬州汉龙电气有限公司 一种无位置传感器开关磁阻电机驱动系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EHSAN AL-NABI等: "Sensorless Control of CSC-Fed IPM Machine for Zero- and Low-Speed Operations Using Pulsating HFI Method", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113364381A (zh) * 2021-05-24 2021-09-07 西安理工大学 一种表贴式永磁同步电机无位置传感器分段延时补偿策略

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