CN110572099A - 一种基于fpga的同步电机励磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的同步电机励磁方法，属于励磁控制领域。首先利用给定基准电流与传感器测定的实际电机励磁绕组电流计算偏差值，并输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出。然后结合与主电路进线同步电压信号，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α，经放大输入六脉波晶闸管整流电路中；输出实际的电机励磁绕组电压施加给电动机，得到实际励磁绕组电流，被传感器测定反馈计算偏差值，形成闭环。本发明基于励磁控制板，运用优化改进的控制流程，可有效降低生产成本，同时也能快速地根据现场实际工况，调整励磁电压，安全稳定地完成对电动机的励磁控制。

Description

一种基于FPGA的同步电机励磁方法

技术领域

本发明属于励磁控制领域，具体涉及一种基于FPGA的同步电机励磁方法。

背景技术

供给同步电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统，它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成，励磁功率单元向同步电机的转子提供励磁电流，而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的影响，励磁系统的主要作用有：根据电机负荷的变化相应地调节励磁电流，以维持电机端电压为给定值；控制并列运行的各电机间无功功率分配；提高电机并列运行的静态稳定性和暂态稳定性；当电机内部出现故障时，进行灭磁，以减少故障损失程度；根据运行要求，对电机实行最大和最小励磁限制。

传统电动机励磁功能的完成基本选择国际领先的外国设备，例如西门子6RA70，其成本较高，虽然能适应各种工况自动调整励磁控制，但对于比较常见的应用现场，某些功能有些冗余，所以提供一种有效可靠的低成本同步电动机励磁方法具有一定的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的同步电机励磁方法，用于实现同步电动机的励磁功能。

一种基于FPGA的同步电机励磁方法，具体包括步骤：

步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流i_st与传感器测定的实际电机励磁绕组电流i_t计算偏差值ε。

现场工况一般是指：负载类型、驱动器类型、电机运行频率和电机运行转速等；

电动机的出厂参数包括：电机额定电压、额定电流、极对数和连接方式等。

偏差值计算公式为：ε＝i_st-i_t；

步骤二、将偏差值ε输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，可跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出u。

控制参数包括：比例系数、积分系数和微分系数；

自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入辨识器和最优反馈增益模块；

根据最优反馈控制理论，设计最优控制规律为：u(k)＝K(k)·X(k)；

X(k)为状态变量；K(k)为最优反馈增益矩阵；

K(k)＝-R^-1B^TA^-T[P(k)-Q]＝[k₁(k),k₂(k),k₃(k)]；

R＝[1]；X(k+1)＝A·X(k)+B·ε(k)；B＝[0 1 b₀]^T，a_i、b_j为同步电机励磁系统的实变参数，i＝1,2,3；j＝0,1,2。

P(k)为离散Riccati(黎卡提)方程的解，P(k)＝Q+A^TP(k)[I+BR^-1B^TP(k)]^-1A；

I为单位矩阵，Q＝diag[1 10 100]；k₁(k),k₂(k),k₃(k)分别代表传统PID调节器的传递函数中的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D，即K_P＝k₁(k)，K_I＝k₂(k)，K_D＝k₃(k)，保证自适应PID调节器的控制参数随系统实时变化，从而实现最优控制。

步骤三、最优控制输出u结合与主电路进线电压同步的电压信号u_s，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α。

具体为：

输入信号：给定的基准电流i_st，同步电压信号u_s结合辅助信号，首先经过采样芯片，实现信号的隔离和幅值转换，然后，将转换后符合电压范围的信号输入FPGA控制芯片，计算六脉波晶闸管的触发角α值，结合控制芯片中的软件锁相环单元，输出触发角；公式如下：

α＝0.69-1.57×[U/(2.34×U₀)-0.77]

U为期望整流电路输出的最优控制u的有效值，U＝2.34U₀cosα，式中U₀为六脉波晶闸管整流电路三相进线的有效值。

步骤四、FPGA控制芯片输出的触发角α经过功率管及脉冲变压器进行功率放大，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；

六脉波晶闸管按控制时序依次导通，功率放大后的触发脉冲采用双窄脉冲形式，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉冲宽度为20～30度。

步骤五、主电路三相进线电压u_i经过励磁变压器得到的电压u₀作为六脉波晶闸管整流电路的输入，输出实际的电机励磁绕组电压E_d施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流i_t，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。

本发明相比于现有技术，其优点在于：

一种基于FPGA的同步电机励磁方法，在有效降低生产成本的同时，也能快速地根据现场实际工况，调整励磁电压，安全稳定地完成对电动机的励磁功能。

附图说明

图1为本发明一种基于FPGA的同步电机励磁方法的原理图；

图2为本发明一种基于FPGA的同步电机励磁方法的流程图；

图3为本发明基于FPGA控制芯片的励磁装置电路结构图；

图4为本发明基于FPGA的同步电机励磁装置框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于FPGA的同步电机励磁方法，如图1所示，电动机的实际励磁绕组电流i_t结合给定基准电流i_st计算偏差值ε，结合辅助信号输入自适应PID调节器中，经最优反馈增益模块实现最优控制输出u，结合主电路进线的同步电压信号u_s求取六脉波晶闸管的触发角α，进行功率放大后，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；输出实际的电机励磁绕组电压E_d施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流i_t，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。

如图2所示，具体包括步骤：

步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流i_st与传感器测定的实际电机励磁绕组电流i_t计算偏差值ε。

现场工况一般是指：负载类型、驱动器类型、电机运行频率和电机运行转速等；

电动机的出厂参数包括：电机额定电压、额定电流、极对数和连接方式等。

偏差值计算公式为：ε＝i_st-i_t；

步骤二、将偏差值ε作为自适应PID调节器的输入量，结合辅助信号，对电动机的参数进行实时辨识，并将辨识参数代入离散的黎卡提方程，求解最优反馈增益作为传统PID调节器的比例、积分、微分系数，目的为了对传统PID调节器优化改进，实现最优控制输出u。

辅助信号包括：最小励磁限制、最大励磁限制、励磁电流给定输入为0时的定标等。

自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入自校正控制，包含辨识器和最优反馈增益模块；

辨识器在电动机的参数或运行状态发生变化时，对励磁系统进行辨识。

最优反馈增益模块用来计算最优反馈增益。

在研究励磁控制时，可以把同步电动机用一阶滞后环节来近似描述，传递函数为：其中K_G表示电动机的放大系数，T_d表示其时间常数；S为S域的符号。

对移相触发、功率放大和六脉波晶闸管整流器的传递函数进行泰勒级数展开并略去高次，得到简化的传递函数为：

K_Z为电压放大系数，T_Z为放大单元的时间常数；

信号检测单元描述成一阶惯性环节，其传递函数为：

K_R为输入输出比例系数，T_R为测量回路的时间常数。

因此，对于自适应PID调节器来说，控制对象可等效为一个三阶模型，将该模型转换成Z域通用的3阶离散数学模型，表示为：

其中u为期望晶闸管整流电路输出的励磁电压，将偏差值ε作为辨识器的输入量，a_i、b_j为同步电机励磁系统的实变参数，i＝1,2,3；j＝0,1,2。

当电动机的参数或运行状态发生变化时，a_i、b_j也随之变化，因此需要对励磁系统进行辨识，本励磁方法中的辨识器依据递推最小二乘辨识法，系统相关固有参数由辅助信号输入，辨识模型可写成：

式中b₀可不参加辨识，由辅助信号值直接给定，θ＝[-a₃ -a₂ -a₁ b₂ b₁]^T，其中u(k)、ε(k)为数字控制系统中对应的离散时序值，代入求解出a_i、b_j。

为简化计算，选取前一个周期的输入量、输出量以及当前输出量作为状态变量，X＝[Z^-1ε(Z),Z^-1u(Z),u(Z)]^T，状态方程为X(k+1)＝A·X(k)+B·ε(k)，式中B＝[0 1 b₀]^T。

根据最优反馈控制理论，设计最优控制规律为：u(k)＝K(k)·X(k)；

K(k)为最优反馈增益矩阵，K(k)＝-R^-1B^TA^-T[P(k)-Q]＝[k₁(k),k₂(k),k₃(k)]，式中P(k)为离散Riccati(黎卡提)方程的解，P(k)＝Q+A^TP(k)[I+BR^-1B^TP(k)]^-1A，I为单位矩阵，Q＝diag[1 10 100]，R＝[1]。

传统的PID调节器的传递函数为

K_P、K_I、K_D一般是根据工程经验计算得到的固定常量，本方法中令K_P＝k₁(k)，K_I＝k₂(k)，K_D＝k₃(k)，可使自适应PID调节器的参数随系统实时变化，从而实现最优控制。

步骤三、最优控制输出u结合与主电路进线电压同步的电压信号u_s，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α。

对于六脉波晶闸管整流电路来说，由于感应电压的存在，同步电动机的励磁绕组等效为阻感负载，因此理论上期望整流输出的励磁电压有效值为：U＝2.34U₀cosα；

式中U₀为晶闸管整流电路三相进线的有效值。

为了节省控制芯片的存储空间，采用泰勒展开拟合方法求反余弦函数值，可得：α＝0.69-1.57×[U/(2.34×U₀)-0.77]。

在励磁系统中，所有的三相交流电均取自主电路三相进线电压u_i，励磁变压器输出电压u₀相位与主电路电压一致，幅值可变，u₀＝N₁·u_i；式中N₁为变比系数；

如图3所示，由于FPGA励磁控制板的采样芯片有电压范围限制，而脉冲触发信号的发出需要以励磁整流电路的输入u₀为时间基准，为了避免叠加干扰，选择合适的降压变压器可得到与主电路三相进线电压相位一致的同步电压信号u_s，u_s＝N₂·u_i，因此u_s与u₀也保持同步。

触发角α实际意义是相对于励磁整流电路输入u₀的标定零点的相位偏移，同步信号u_s除了幅值大小有所变化，其余信息均与u₀一致，因此通过软件锁相环方法跟踪其相位，就能准确定位脉冲触发时刻。

当触发角α不同，脉冲信号的发出相对于同步信号零点的移相延时不同，同步电压信号u_s的相位跟踪主要通过FPGA励磁控制板中设计的软件锁相环单元完成。锁相环单元可以智能地识别同步电压信号u_s的平衡程度，即主电路三相进线电压u_i的平衡程度，也是励磁整流电路输入电压u₀的平衡程度。在u_s三相完全对称的情况下，选择较为简单快速的单同步坐标系软件锁相环方法；当发生电压跌落、相角突变或者单相短时接地等不平衡状况时，切换成调节性能更高的双同步坐标系解耦软件锁相环方法，从而实时准确地跟踪励磁整流电路的输入电压相位，保证触发脉冲产生的准确性和可靠性。

步骤四、FPGA控制芯片计算输出的触发角α经过功率管及脉冲变压器进行功率放大，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；

由于FPGA励磁控制板发出的是功率较小的触发脉冲，需要经过功率管及脉冲变压器进行功率放大后才能真正触发六脉波晶闸管，励磁整流电路中的六脉波晶闸管按控制时序依次导通。功率放大环节输出的触发脉冲采用双窄脉冲形式，即在向某个晶闸管输送一个窄脉冲时，给前一个晶闸管补发一个窄脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉冲宽度为20～30度，这种方式可以防止脉冲变压器饱和，降低触发电路的输出功率。

步骤五、主电路三相进线电压u_i经过励磁变压器得到的电压u₀作为六脉波晶闸管整流电路的输入，输出实际的电机励磁绕组电压E_d施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流i_t，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。

所述的基于FPGA的同步电机励磁方法是建立在同步电机励磁装置上的，如图4所示，包括励磁控制板、功率放大电路和六脉波晶闸管整流电路。

所述励磁控制板对同步电动机所在主电路的数据进行采样和分析调节，输出脉冲触发角，控制六脉波晶闸管的开通时间，从而控制励磁电压，达到励磁目的。励磁控制板主要包括采样芯片和FPGA控制芯片，FPGA控制芯片作为主控芯片，采样芯片负责对输入的同步电压信号、给定电流信号和辅助信号进行模拟量到数字量的转换，满足FPGA芯片的信号输入条件；在FPGA控制芯片中具体完成励磁控制，对给定电流和反馈励磁绕组电流进行比较做差，经过自适应PID调节和移相触发，产生对应的触发角α。

采样芯片选择ADS8365，FPGA控制芯片选择EPF10K30A。

所述的移相触发，目的是跟踪同步电压信号，计算触发角并在相应的时间发出触发脉冲。智能软件锁相环是其中的一个关键模块，该模块可替代传统的硬件同步电路，主要功能是实时判断主电路电源电压信号是否平衡，并在不同情况下智能地选择最简便有效的方法，从而加快系统响应速度，保证励磁触发角的安全可靠。

所述的功率放大电路用于脉冲信号的放大，使触发脉冲具有足够的陡度、幅值和脉宽，保证晶闸管的可靠导通；同时隔离励磁控制板与晶闸管整流电路，避免相互产生电磁干扰，影响控制效果。

所述的六脉波晶闸管整流电路用于输出励磁电压，为电动机的转子励磁绕组提供电压，产生励磁电流。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于，具体包括步骤：

步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流i_st与传感器测定的实际电机励磁绕组电流i_t计算偏差值ε；

偏差值计算公式为：ε＝i_st-i_t；

步骤二、将偏差值ε输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，可跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出u；

自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入辨识器和最优反馈增益模块；

根据最优反馈控制理论，设计最优控制规律为：u(k)＝K(k)·X(k)；

X(k)为状态变量；K(k)为最优反馈增益矩阵；

K(k)＝-R^-1B^TA^-T[P(k)-Q]＝[k₁(k),k₂(k),k₃(k)]；

R＝[1]；X(k+1)＝A·X(k)+B·ε(k)；B＝[0 1 b₀]^T，a_i、b_j为同步电机励磁系统的实变参数，i＝1,2,3；j＝0,1,2；

P(k)为离散Riccati(黎卡提)方程的解，P(k)＝Q+A^TP(k)[I+BR^-1B^TP(k)]^-1A；

I为单位矩阵，Q＝diag[1 10 100]；k₁(k),k₂(k),k₃(k)分别代表传统PID调节器的传递函数中的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D，即K_P＝k₁(k)，K_I＝k₂(k)，K_D＝k₃(k)，保证自适应PID调节器的控制参数随系统实时变化，从而实现最优控制；

步骤三、最优控制输出u结合与主电路进线电压同步的电压信号u_s，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α；

具体为：

输入信号：给定的基准电流i_st，同步电压信号u_s结合辅助信号，首先经过采样芯片，实现信号的隔离和幅值转换，然后，将转换后符合电压范围的信号输入FPGA控制芯片，计算六脉波晶闸管的触发角α值，结合控制芯片中的软件锁相环单元，输出触发角；公式如下：

α＝0.69-1.57×[U/(2.34×U₀)-0.77]

U为期望整流电路输出的励磁电压的有效值，U＝2.34U₀cosα，式中U₀为六脉波晶闸管整流电路三相进线的有效值；

步骤四、FPGA控制芯片输出的触发角α经过功率管及脉冲变压器进行功率放大，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；

步骤五、主电路三相进线电压u_i经过励磁变压器得到的电压u₀作为六脉波晶闸管整流电路的输入，输出实际的电机励磁绕组电压E_d施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流i_t，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于，步骤一中所述的给定基准电流综合考虑了试验现场工况和电动机出厂参数；

现场工况是指：负载类型、驱动器类型、电机运行频率和电机运行转速；

电动机的出厂参数包括：电机额定电压、额定电流、极对数和连接方式。

3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于，步骤二所述的可动态跟踪系统变化的控制参数包括：比例系数、积分系数和微分系数。

4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于：步骤三所述的移相触发单元中运用的锁相环模块能实时判断主电路电源电压信号是否平衡，并在不同情况下智能地选择最简便有效的方法，从而加快系统响应速度，保证励磁触发角的安全可靠。