CN110971165A - 永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统 - Google Patents

永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统，方法包括以下步骤：在开管前，采样电机的线反电动势，计算线反电动势的幅值，作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。本发明通过电流环前馈，不需要标定前馈量，而且可以精确前馈当前电压。

Description

永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统
技术领域
本发明涉及永磁发电机技术领域，尤其涉及永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统。
背景技术
永磁发电机具有效率高、功率高、可靠性高以及可输出高质量的稳定直流电能等优点。在工业及民用等领域中得到了广泛的应用。而在很多场合下，编码器作为一个易损件，常给设备可靠运行带来很多麻烦。所以研究发电机开环（无传感器控制）运行成为必然。
无传感器控制启动技术是一个关键点。在发电机的应用场合里，一般都是发电机被外力拉起来，发电机再启动。当电机在一定转速下直接开管，会有电压阶跃，容易造成过流。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统，用以解决现有的电机在一定转速下直接开管电压阶跃容易造成过流技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种永磁同步发电机的电流环前馈方法，包括以下步骤：
在开管前，采样电机的线反电动势，计算线反电动势的幅值，作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
优选地，反电动势的幅值通过以下步骤计算得到：
采样得到电机的三相线电压，将三相线电压经过CLARK变换，得到两相线电压，求平方并开根号，得到线电压的幅值，即为反电动势的幅值。
优选地，计算得到线电压的幅值后，方法还包括计算线电压的标幺值：
Figure 501396DEST_PATH_IMAGE001
其中下标pro代表标幺值，下标real代表实际值，IQ24_ONE代表基值2～24；
将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值。
优选地，方法还包括：在封管状态时，将两相线电压作为锁相环的输入得到转子的位置信息和转速信息。
优选地，转子的位置信息和转速信息，通过下式得到：
正转时：
Figure 255726DEST_PATH_IMAGE002
反转时：
Figure 992738DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 578440DEST_PATH_IMAGE004
为转子位置角，电机三相线为UVW，
Figure 8284DEST_PATH_IMAGE005
为VW两相之间的线电压；
微分得到转速信息：
Figure 813691DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 88815DEST_PATH_IMAGE007
为转子位置角，
Figure 732286DEST_PATH_IMAGE008
为角速度。
本发明还提供一种永磁同步发电机的电流环前馈系统，包括：
电压采样模块，用于采样电机的三相线电压；
CLARK模块，用于将采样得到的定子电流进行CLARK变换，得到两相线电压；
幅值计算单元，用于对两相线电压进行求平方和开根号，得到线电压的幅值；
将线电压的幅值作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
优选地，还包括标幺值计算单元，用于通过下式计算线电压的标幺值：
Figure 395348DEST_PATH_IMAGE009
其中下标pro代表标幺值，下标real代表实际值，IQ24_ONE代表基值2～24；
将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值。
优选地，还包括：
转子位置和速度计算单元，用于根据线电压计算磁链的角度和幅值，得到转子位置和速度；
将转子位置和速度分别输入到坐标变换和速度控制器中，构成双闭环结构进行双闭环矢量控制。
本发明具有以下有益效果：
本发明的永磁同步发电机的电流环前馈方法及系统，通过电流环前馈，不需要标定前馈量，而且可以精确前馈当前电压，且前馈补偿简单，准确。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施1的开环矢量控制框图；
图2是本发明优选实施例1的线电压幅值计算原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
图1为本实施例的开环矢量控制框图。
在同步dq坐标系下，永磁同步电机的数学模型可表示：
Figure 124270DEST_PATH_IMAGE010
式中
Figure 999822DEST_PATH_IMAGE011
分别为定子电压、电流和磁链，下标dq表示在dq轴上的分量，
Figure 497799DEST_PATH_IMAGE012
分别为定子绕组电阻、d轴电感和q轴电感，
Figure 331763DEST_PATH_IMAGE013
为永磁磁链，
Figure 282402DEST_PATH_IMAGE014
为转子位置，
Figure 164907DEST_PATH_IMAGE015
为dq轴旋转 角速度，即同步转速、转子转速。
由式(1)(2)可以推算出电机稳态方程：
Figure 72384DEST_PATH_IMAGE016
由式(18)可知，当电流为0时，由反电动势产生的电压都会作用在q轴。因此开管前只需要采集到反电势，计算出它的幅值，作为q轴电压的初值，即可作为电流环前馈值。
本实施例的永磁同步发电机的电流环前馈方法，包括以下步骤：
在开管前（即封管状态，本实施例中转速达到10%之前控制器均处于封管状态），采样电机的线反电动势，计算线反电动势的幅值，作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
实施时，采样得到电机的三相线电压，将三相线电压经过CLARK变换，得到两相线 电压（封管状态时，即两相的反电动势，也是两相磁链），求平方并开根号
Figure 14932DEST_PATH_IMAGE017
（其中，
Figure 452866DEST_PATH_IMAGE018
为在
Figure 935800DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下的线反电动势，
Figure 408370DEST_PATH_IMAGE020
为线反电动势的幅值），得到线电压的 幅值；在封管状态时，线电压的幅值即反电动势的幅值。
由图1可知，反电动势采样的放大倍数关系为12:1，与母线电压一致。定标是以母线电压作为基值，以2～24代表基值，计算线电压的标幺值：
Figure 521819DEST_PATH_IMAGE021
其中下标pro代表标幺值，下标real代表实际值，IQ24_ONE代表2～24；
优选将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值。
对应地，参见图1，图2，本发明还提供一种永磁同步发电机的电流环前馈系统，包括：
电压采样模块（图1中虚线边框A部分），用于采样电机的三相线电压；封管状态时，线电压即为线反电动势；
CLARK模块，用于将采样得到的定子电流进行CLARK变换，得到两相线电压（两相的线反电势）；
幅值计算单元（图1中，虚线边框B部分），用于对两相线电压进行求平方和开根号，得到线电压的幅值；
标幺值计算单元，用于通过式（4）计算线电压的标幺值；参见图2，
Figure 509367DEST_PATH_IMAGE022
分别为三 相线反电势，
Figure 733675DEST_PATH_IMAGE023
为在
Figure 795172DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下的线反电动势，
Figure 141840DEST_PATH_IMAGE024
为线反电动势的幅值。
将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
实施例2：
目前应用比较广泛的两种无传感器控制启动技术为：I/F（电流闭环）控制和高频信号注入法。其中I/F控制方法主要应用于电机工作在转速控制模式下，通过给定固定的电流频率曲线拉着电机转动起来，不适合发电机这种靠外力转动的工况。而高频信号注入法需要电机静止的时候来判断电机的极性，然后再启动，在发电机的应用场合里，一般都是发电机被外力拉起来，发电机再启动，没有静止的工况给控制器来做极性判断。因此开管时还需要判断转子的位置信息和转速信息。
本实施例在实施例1的基础上，增加：在封管状态时，采样电机的线反电动势（图1中虚线边框A部分，封管状态时，线反电动势就是线电压），将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链（即得到两相线反电动势），将两相磁链作为锁相环的输入得到转子的位置信息和转速信息。将转子位置和速度分别输入到坐标变换和速度控制器中，构成双闭环结构进行双闭环矢量控制。
转子的位置信息和转速信息，通过下式得到：
正转时：
Figure 554366DEST_PATH_IMAGE025
反转时：
Figure 582365DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 327730DEST_PATH_IMAGE027
为转子位置角，电机三相线为UVW，
Figure 517403DEST_PATH_IMAGE028
为VW两相之间的线电压；
通过微分得到转速信息：
Figure 417225DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 45653DEST_PATH_IMAGE030
为转子位置角，
Figure 347321DEST_PATH_IMAGE031
为角速度。
对应地，本实施例的永磁同步发电机的电流环前馈系统，在实施例1的基础上增加：
转子位置和速度计算单元，（分别为图1中的虚线边框C、E部分完成），用于根据线电压计算磁链的角度和幅值，得到转子位置和速度；将转子位置和速度分别输入到坐标变换和速度控制器中，构成双闭环结构进行双闭环矢量控制。
实施时，优选还包括以下组件，以进行电流控制：
电流传感器，设置于定子电源线上用于釆样定子电流，并将采样的定子电流输入到CLARK模块；
CLARK模块，用于将采样得到的定子电流进行CLARK变换，输出
Figure 707895DEST_PATH_IMAGE032
（i表示电流，下 标代表在对应坐标中的分量）；
和PARK模块，用于将
Figure 157331DEST_PATH_IMAGE033
进行PARK变换，输出
Figure 527133DEST_PATH_IMAGE034
将
Figure 417728DEST_PATH_IMAGE035
输入电流控制器作为 电流控制器反馈。
带转速启动时，如果不加电流环前馈，控制器会过流。本发明通过前馈补偿，简单，准确。不需要标定前馈量，而且可以精确前馈当前电压。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步发电机的电流环前馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
在开管前，采样电机的线反电动势，计算线反电动势的幅值，作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
2.根据权利要求1所述的永磁同步发电机的电流环前馈方法，其特征在于，所述反电动势的幅值通过以下步骤计算得到：
采样得到电机的三相线电压，将三相线电压经过CLARK变换，得到两相线电压，求平方并开根号，得到线电压的幅值，即为反电动势的幅值。
3.根据权利要求2所述的永磁同步发电机的电流环前馈方法，其特征在于，所述计算得到线电压的幅值后，所述方法还包括计算线电压的标幺值：
Figure 611950DEST_PATH_IMAGE001
其中下标pro代表标幺值，下标real代表实际值，IQ24_ONE代表基值2～24；
将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值。
4.根据权利要求1或2所述的永磁同步发电机的电流环前馈方法，其特征在于，所述方法还包括：在封管状态时，将所述两相线电压作为锁相环的输入得到转子的位置信息和转速信息。
5.根据权利要求4所述的永磁同步发电机的电流环前馈方法，其特征在于，所述转子的位置信息和转速信息，通过下式得到：
正转时：
Figure 529091DEST_PATH_IMAGE002
反转时：
Figure 308828DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 766354DEST_PATH_IMAGE004
为转子位置角，电机三相线为UVW，
Figure 580726DEST_PATH_IMAGE005
为VW两相之间的线电压；
微分得到转速信息：
Figure 403189DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 732539DEST_PATH_IMAGE007
为转子位置角，
Figure 931439DEST_PATH_IMAGE008
为角速度。
6.一种永磁同步发电机的电流环前馈系统，其特征在于，包括：
电压采样模块，用于采样电机的三相线电压；
CLARK模块，用于将所述采样得到的定子电流进行CLARK变换，得到两相线电压；
幅值计算单元，用于对所述两相线电压进行求平方和开根号，得到线电压的幅值；
将所述线电压的幅值作为q轴电压的初值，作为电流环前馈值，进行开管。
7.根据权利要求6所述的永磁同步发电机的电流环前馈系统，其特征在于，还包括标幺值计算单元，用于通过下式计算线电压的标幺值：
Figure 600318DEST_PATH_IMAGE009
其中下标pro代表标幺值，下标real代表实际值，IQ24_ONE代表基值2～24；
将计算得到的线电压的标幺值更新为线电压的幅值作为q轴电压的初值。
8.根据权利要求6所述的永磁同步发电机的电流环前馈系统，其特征在于，还包括：
转子位置和速度计算单元，用于根据线电压计算磁链的角度和幅值，得到转子位置和速度；
将所述转子位置和速度分别输入到坐标变换和速度控制器中，构成双闭环结构进行双闭环矢量控制。
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