CN110429891A - 一种无位置传感器永磁电机直驱发电控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无位置传感器永磁电机直驱发电控制方法，将全阶观测器极点相对电机极点左移与缩放得到一种统一型的反馈增益矩阵，采用设置估计转速初始值的方法来使统一型反馈增益矩阵同时适应无位置传感器下重启旋转的永磁电机与全工况下永磁发电控制的运行。在无位置传感器中重启旋转的永磁电机，并控制永磁电机发电过程中的切换，采用设置母线电压调节器q轴电流参考值的方法抑制切换过程中的冲击电流。本发明能够在全速度范围内稳定运行，在重启旋转的永磁电机与永磁电机发电运行中反馈增益矩阵无需在线切换，同时在全速范围内不同工况之间的切换冲击电流较小。

Description

一种无位置传感器永磁电机直驱发电控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁电机的控制方法。

背景技术

永磁电机具有高功率密度、高效率以及较高的控制精度等，因此在工业中被广泛应用。通常情况下，转子位置的测量精度直接决定了永磁电机的控制精度。一般通过光电编码器或者旋转变压器来获得转子位置信号，然而位置传感器的使用会给整个系统带来额外的电磁干扰，从而使得系统变得更加的复杂且鲁棒性变差。无位置传感器技术具有高可靠性、环境适应性强、电磁干扰弱且高功率密度等优点，因为全阶观测器具有估计精度高、参数鲁棒性强以及动态响应快等优点,因而得到广泛应用。S.Po-ngam学者在IEEETrans.Power Electron发表了关于全阶观测器中反馈增益矩阵采用固定阻尼比的设计方法来获得，如文献《tability and dynamic performance improvement of adaptivefull-order observers for sensorless pmsm drive》，这种反馈增益矩阵在高速与低速区运行时系统容易震荡。为了解决固定阻尼比设计方法在低速区震荡等问题，有学者提出了观测器极点相对电机极点左移来设计反馈增益矩阵的方法，这种设计方法能够使观测器的稳定性与收敛速度有所提高，如文献《基于空间矢量调制的感应电机无速度传感器模型预测磁链控制》，但是这种方法仍然没有解决高速震荡等问题。

在无位置传感器下永磁电机发电系统中电机的初始转速未知且不为零，急需一种可靠的无位置传感器算法来估计出永磁电机旋转的初始转速，然后再切换到正常的发电控制中，目前在异步电机模型预测控制中H.Yang在IEEE Trans.Energy Convers上发表了关于启动旋转的异步电机的无位置传感器算法，如文献《A method to start rotatinginduction motor based on speed sensorless model-predictive control》，但是这种方法需要在线对反馈增益矩阵进行切换，同时在重启与电动控制切换中文献采用了目标函数来抑制冲击电流过大的问题。对于永磁电机直驱发电矢量控制中，目前尚没有较好的方法能够同时满足：1)全速范围内系统稳定可靠、估计精度高且参数鲁棒性强；2)基于全阶观测器下重启旋转的永磁电机；3)反馈增益矩阵无需在线切换；4)无位置传感器下重启旋转的永磁电机与永磁电机发电控制运行过程中冲击电流较小。因此，需要开发出一种简单且实用的方法，在获取更好的控制性能的同时提高无位置传感器算法的通用性和实用性。

发明内容

为了使估计转速在全速范围内可靠稳定运行，具有较高的估计精度及较强的参数鲁棒性，本发明提出一种无位置传感器永磁电机直驱发电控制方法。本发明采用全阶观测器得到估计转速，全阶观测器中的反馈增益矩阵采用相对永磁电机极点缩放与左移统一型的设计方法。基于全阶观测器来重启旋转的永磁电机，设置估计转速的初始值使得统一型反馈增益矩阵适应全速范围内运行，为了使无位置传感器下重启的旋转电机与永磁电机发电控制过程切换中冲击电流较小，本发明采用设置母线电压调节器的q轴参考电流的方法来保证切换过程平滑。

本发明的具体步骤包括：

步骤1：确定内嵌式永磁同步电机数学模型

在同步坐标系下内嵌式永磁电机的数学模型为：

其中，u_d,u_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电压，i_d,i_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电流，R_s为定子电阻，L_d,L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，p为微分算子。

步骤2：建立基于有效磁链建模的永磁电机模型

通过有效磁链的概念改写步骤1中内嵌式永磁电机的数学模型，把内嵌式永磁电机转化成非凸极效应的永磁电机来建模，可得基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机电压方程为：

u_s＝R_si_s+L_qpi_s+jω_eψ_fa

其中R_s为定子电阻，u_s为定子电压矢量、i_s为定子电流矢量，L_d,L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，ψ_fa为有效磁链矢量，j为复式量的虚部，为坐标变换的旋转因子、θ_e为永磁体相对α轴的夹角，p为微分算子。

步骤3：构建基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的状态方程

根据步骤2得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的电压方程，可得基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的状态方程为：

px＝Ax+Bu_s

其中，为状态变量，i_s为定子电流矢量，ψ_fa为有效磁链矢量，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，p为微分算子。

步骤4：构造基于有效磁链建模的全阶观测器

根据步骤3得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机状态方程，可构建基于有效磁链建模的全阶观测器，全阶观测器主要由反馈增益矩阵与转速自适应率构成，全阶观测器的表达式如下：

其中，为估计的状态变量，为估计的定子电流矢量，为估计的有效磁链矢量，为状态方程估计的矩阵，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部。

步骤5：设计全阶观测器中的统一型反馈增益矩阵

根据步骤3得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的状态方程，可以得到内嵌式永磁电机的极点分布，将步骤4得到的全阶观测器的极点配置为内嵌式永磁电机极点的k倍后，再左移b个单位，即可得该全阶观测器的极点分布，由此得到一个关于反馈增益矩阵G的方程如下：

Eig(A-GC)＝kEig(A)+b

其中，Eig为求解矩阵特征值的函数，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部，C＝[1 0]为状态方程输出常数矩阵，k为缩放系数，b为左移距离。

步骤6：求取统一型反馈增益矩阵

根据步骤5中关于反馈增益矩阵G的方程，求得关于电机极点缩放与左移的统一型反馈增益矩阵表达式为：

其中，b为左移距离，k为缩放系数，R_s为定子电阻，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，j为复式量的虚部。

步骤7：估计永磁电机的转子转速

根据步骤6设计的统一型反馈增益矩阵，离散步骤4中全阶观测器表达式得到估计的定子电流与估计的有效磁链矢量，再通过转速自适应率得到估计转速的值如下：

其中，为永磁电机的估计电角速度，k₁为积分系数，为定子电流矢量误差，为叉乘符号。

步骤8：建立重启旋转的永磁电机的充要条件

基于步骤6中得到的全阶观测器中的统一型反馈增益矩阵来重启旋转永磁电机，重启旋转永磁电机时需满足的充要条件为：

其中sign为符号函数，ω_e,分别为永磁电机的电角速度与估计的电角速度。

步骤9：设置估计转速的初始值来重启旋转的永磁电机

通过设置估计转速的初始值使步骤8中的充要条件成立，估计转速初始值的方向需与电机的旋转方向一致，估计转速的初始值需要高于电机实际转速，这种重启旋转的永磁电机方法不需要在线切换反馈增益矩阵。

步骤10：设置母线电压PI调节器的输出q轴参考电流

设置步骤9中的估计转速初始值后，把母线电压PI调节器的输出q轴参考电流设置为零来重启旋转的永磁电机，在发电运行时通过母线电压PI调节器控制母线电压调节器的输出q轴参考电流，这种重启旋转的永磁电机与永磁电机发电运行的切换方法能够有效抑制冲击电流，避免冲击电流过大。

本发明具有如下特点和优势：

(1)综合了传统反馈增益矩阵设计中相对电机极点缩放或者左移两种类型的优点，解决了全阶观测器在高速与低速区系统容易震荡等问题；

(2)基于全阶观测器的无位置传感器控制算法，解决了在重启旋转永磁电机与发电控制中需对反馈增益矩阵进行切换的问题；

(3)在重启旋转的永磁电机与永磁电机发电控制切换过程中，采用调整矢量控制中q轴参考电流的方法，这种方法能明显抑制无位置传感器重启旋转的永磁电机与永磁电机发电运行切换过程中的冲击电流，避免出现冲击电流过大的问题。

附图说明

图1是永磁电机与燃气轮机发电控制硬件电路与系统结构图；

图2是无位置传感器永磁电机发电控制框图；

图3是速度自适应全阶观测器控制框图；

图4是全阶观测器极点与电机极点分布图；

图5是无位置传感器在全速范围内仿真结果；

图6是无位置传感器带不同负载运行仿真结果；

图7是无位置传感器参数不匹配仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

以下的实施例中，交流电机以永磁电机为例，逆变器以两电平电压型逆变器为例。以下通过对以上交流电机的实施例的控制过程进一步说明本发明。

如图1所示，应用本发明的永磁电机系统包括燃气轮机、永磁电机、三相逆变器、直流侧电容、负载电阻、电压电流采样电路、DSP控制器和驱动电路。电压电流采样电路利用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器分别采集直流侧母线电压及永磁电机的a、b相电流，采样信号经过信号调理电路后进入DSP控制器转换为数字信号。DSP处理器完成本发明方法的运算，输出六路脉宽调制信号，再经过驱动电路得到三相逆变器六个开关管的驱动脉冲信号。

如图2所示，应用本发明控制方法的控制系统包括母线电压PI调节器、电流调节器、坐标变换、全阶观测器，以及空间矢量脉宽调制(SVPWM)。图3为全阶观测器的结构框图，本发明的控制方法在图1所示的DSP处理器上按照如下步骤依次实现：

步骤1：确定同步坐标系下内嵌式永磁电机的数学模型为

其中，u_d,u_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电压，i_d,i_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电流，R_s为定子电阻，L_d,L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，p为微分算子。

步骤2：通过有效磁链矢量的概念改写步骤1中的内嵌式永磁电机的数学模型，把内嵌式永磁电机转化成非凸极效应的永磁电机来建模，可得基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机电压方程：

u_s＝R_si_s+L_qpi_s+jω_eψ_fa

其中R_s为定子电阻，u_s为定子电压矢量、i_s为定子电流矢量，L_d,L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，ψ_fa为有效磁链矢量，j为复式量的虚部，为坐标变换的旋转因子、θ_e为永磁体相对α轴的夹角，p为微分算子。

步骤3：根据步骤2中内嵌式永磁电机的电压方程，可得基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机状态方程为：

px＝Ax+Bu_s

其中，为状态变量，i_s为定子电流矢量，ψ_fa为有效磁链矢量，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，p为微分算子。

步骤4：根据步骤3中得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机状态方程，构建基于有效磁链建模的全阶观测器如图3所示，全阶观测器主要由反馈增益矩阵与转速自适应率组成，全阶观测器的输入为定子电压矢量u_s与定子电流矢量i_s，定子电压通过脉宽调制信号与母线电压重构获得，定子电流通过电流传感器测得，全阶观测器的表达式如下；

其中，为估计的状态变量，为估计的定子电流矢量，为估计的有效磁链矢量，为状态方程估计的矩阵，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部。

步骤5：根据步骤3中得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机状态方程，得到内嵌式永磁电机的极点分布如图4所示，将全阶观测器的极点配置为内嵌式永磁电机极点的k倍后，再左移b个单位，即可得该全阶观测器的极点分布如图4所示，因此得到一个关于反馈增益矩阵G的方程；

Eig(A-GC)＝kEig(A)+b

其中，Eig为求解矩阵特征值的函数，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部，C＝[1 0]为状态方程输出常数矩阵，k为缩放系数，b为左移距离。

步骤6：根据步骤5中关于反馈增益矩阵G的方程，可求得关于电机极点缩放与左移的统一型反馈增益矩阵表达式如下：

其中，b为左移距离，k为缩放系数，R_s为定子电阻，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，j为复式量的虚部。

步骤7：根据步骤6设计的统一型反馈增益矩阵，离散步骤4中全阶观测器表达式得到估计的定子电流与估计的有效磁链矢量，再通过转速自适应率得到估计转速的值如下：

其中，为永磁电机估计的电角速度，k₁为积分系数，为定子电流矢量误差，为叉乘符号。

步骤8：基于步骤6中得到的全阶观测器中统一型反馈增益矩阵来重启旋转永磁电机，重启旋转的永磁电机时需满足的充要条件为：

其中sign为符号函数，ω_e,分别为永磁电机的电角速度与估计的电角速度。

步骤9：通过设置估计转速的初始值使步骤8中的充要条件成立，估计转速初始值的方向需与电机的旋转方向一致，估计转速的初始值需要高于电机实际转速，这种重启旋转的永磁电机方法不需要在线切换反馈增益矩阵。

步骤10：重启旋转的永磁电机时母线电压调节器的输出I_{q_ref}需设置为零，在发电运行中母线电压调节器的输出I_{q_ref}通过母线电压PI调节器得到。本发明暂不考虑单位功率因数下发电运行，因此母线电压调节器输出的I_{d_ref}设置为零，再经过电流调节器得到参考电压u_{dq_ref}的值，最终通过空间矢量脉宽调制得到逆变器的开关管驱动信号。

本发明所提出方法的有效性通过在matlab/simulink环境的仿真结果来验证，如图5、图6及图7所示。图4为全阶观测器采用统一型反馈增益矩阵的极点与电机极点分布位置，本发明中的统一型反馈增益矩阵中缩放系数为0.8，左移35个单位，从全阶观测器的极点分布图看全阶观测器在全速范围内都具有较好的动态性能与噪声抑制能力。图5为基于全阶观测器重启旋转的永磁电机后切入到永磁电机发电过程运行的仿真结果，在本发明未启动之前，永磁电机被燃气轮机拖动到300rpm稳定后，在1s时启动本发明，然后估计转速能够很快从高到低搜索到实际电机转速并稳定运行，在2s时让母线电压调节器输出的q轴参考电流接入到电流调节器中，控制母线电压升压，在3s时燃气轮机拖动永磁电机至1800rpm后稳定运行，整个仿真结果表明本发明在重启旋转电机后切入发电运行中，每个切换过程冲击电流都很小，在全速范围内运行本发明都具有较好的动态与稳态性能。

图6为无位置传感器在恒定母线电压下带不同负载运行的仿真结果，在1s与10s时分别突加一个129Ω与33Ω的纯电阻负载让永磁电机输出额定转速，在突加载过程中母线电压跌落后能很快恢复给定值，1s后永磁电机被燃气轮机从450rpm拖动到1200rpm，整个原动机升速与带载运行过程中全阶观测器能够较快的收敛至实际转速，整个动态与稳态运行中估计角度精度较高，稳态时估计角度偏差大概只有2°左右。图7为无位置传感器下参数不匹配的仿真结果来验证本发明的参数鲁棒性，仿真里面电机参数按照实际工况中最大变化范围设置，定子电阻与转子磁链放大为实际值的1.5倍，d轴电感缩小至实际值的0.5倍，q轴电感缩小至实际的0.4倍，在2s与4s时分别突加纯电阻复杂让永磁电机输出30％与100％的额定负载，然后燃气轮机拖动永磁电机升速至1200rpm，整个参数不匹配的运行过程中估计角度偏差较小，几乎在零附近波动，从而验证本发明在全速范围内运行具有较强的参数鲁棒性。

Claims (1)

1.一种无位置传感器永磁电机直驱发电控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括如下步骤：

步骤1：确定在同步坐标系下内嵌式永磁同步电机数学模型为：

其中，u_d，u_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电压，i_d，i_q分别为内嵌式永磁电机的d轴、q轴的电流，R_s为定子电阻，L_d，L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，p为微分算子；

步骤2：通过有效磁链的概念改写步骤1中内嵌式永磁电机的数学模型，把内嵌式永磁电机转化成非凸极效应的永磁电机来建模，得到基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机电压方程为：

u_s＝R_si_s+L_qpi_s+jω_eψ_fa

其中R_s为定子电阻，u_s为定子电压矢量、i_s为定子电流矢量，L_d，L_q分别为d轴、q轴电感，ω_e为永磁电机的电角速度，ψ_f为永磁体磁链，ψ_fa为有效磁链矢量，j为复式量的虚部，为坐标变换的旋转因子、θ_e为永磁体相对α轴的夹角，p为微分算子；

步骤3：根据步骤2得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的电压方程，得到基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的状态方程为：

px＝Ax+Bu_s

其中，为状态变量，i_s为定子电流矢量，ψ_fa为有效磁链矢量，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，p为微分算子；

步骤4：构造基于有效磁链建模的全阶观测器

根据步骤3得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机状态方程，构建基于有效磁链建模的全阶观测器，全阶观测器的表达式如下：

其中，为估计的状态变量，为估计的定子电流矢量，为估计的有效磁链矢量，为状态方程估计的矩阵，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为状态方程常数矩阵，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部；

步骤5：设计全阶观测器中的统一型反馈增益矩阵

全阶观测器主要由反馈增益矩阵与转速自适应率构成；根据步骤3得到的基于有效磁链建模的内嵌式永磁电机的状态方程，得到内嵌式永磁电机的极点分布，将步骤4得到的全阶观测器的极点配置为内嵌式永磁电机极点的k倍后，再左移b个单位，即得到该全阶观测器的极点分布，由此得到一个关于反馈增益矩阵G的方程如下：

Eig(A-GC)＝kEig(A)+b

其中，Eig为求解矩阵特征值的函数，为状态方程的矩阵，ω_e为永磁电机的电角速度，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，j为复式量的虚部，为全阶观测器的反馈增益矩阵，g_1r与g_1i为反馈增益矩阵第一行的实部与虚部，g_2r与g_2i为反馈增益矩阵第二行的实部与虚部，C＝[1 0]为状态方程输出常数矩阵，k为缩放系数，b为左移距离；

步骤6：求取统一型反馈增益矩阵

根据步骤5中关于反馈增益矩阵G的方程，求得关于电机极点缩放与左移的统一型反馈增益矩阵表达式为：

其中，b为左移距离，k为缩放系数，R_s为定子电阻，为永磁电机的估计电角速度，L_q为q轴电感，j为复式量的虚部；

步骤7：估计永磁电机的转子转速

根据步骤6设计的统一型反馈增益矩阵，离散步骤4中全阶观测器表达式得到估计的定子电流与估计的有效磁链矢量，再通过转速自适应率得到估计转速的值如下：

其中，为永磁电机的估计电角速度，k₁为积分系数，为定子电流矢量误差，为叉乘符号；

步骤8：建立重启旋转的永磁电机的充要条件

基于步骤6中得到的全阶观测器中的统一型反馈增益矩阵来重启旋转永磁电机，重启旋转永磁电机时需满足的充要条件为：

其中，sign为符号函数，ω_e，分别为永磁电机的电角速度与估计的电角速度；

步骤9：设置估计转速的初始值来重启旋转的永磁电机

通过设置估计转速的初始值使步骤8中的充要条件成立，估计转速初始值的方向需与电机的旋转方向一致，估计转速的初始值需要高于电机实际转速；

步骤10：设置母线电压PI调节器的输出q轴参考电流

设置步骤9中的估计转速初始值后，把母线电压PI调节器的输出q轴参考电流设置为零来重启旋转的永磁电机，在永磁电机发电运行时通过母线电压PI调节器控制母线电压调节器的输出q轴参考电流。