CN110971166A - 永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统 - Google Patents

永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统 Download PDF

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CN110971166A CN201911241887.2A CN201911241887A CN110971166A CN 110971166 A CN110971166 A CN 110971166A CN 201911241887 A CN201911241887 A CN 201911241887A CN 110971166 A CN110971166 A CN 110971166A
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统，该方法包括步骤：在封管状态时，采样电机的三相线电压，将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链，即两相间的线反电动势，将两相磁链作为锁相环的输入得到转子的位置信息。该控制系统包括：电压采样模块，用于采样电机的线电压，幅值计算单元，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。本发明在封管时，通过检测电机的反电动势来预估电机当前位置，即通过采集线电压计算转子相位能够获取转子位置，可实现发电机在无传感器控制模式下非静止状态下稳定地启动。

Description

永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统
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转子位置的获取方法及控制系统。
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。目前应用比较广泛的两种启动技术为：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。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统，用以解决现有的无传感器控制启动时的技术问题。
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转子位置的获取方法，包括以下步骤：
在封管状态时，采样电机的三相线电压，将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链，即两相间的线反电动势，将两相磁链作为锁相环的输入得到转子的位置信息。
优选地，转子的位置信息，通过下式得到：
正转时：
Figure 3383DEST_PATH_IMAGE001
反转时：
Figure 945932DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 446183DEST_PATH_IMAGE003
为转子位置角，电机三相线为UVW，
Figure 866800DEST_PATH_IMAGE004
为VW两相之间的线电压。
优选地，还包括：
在正常运行状态时，釆样电机的定子的瞬时端电压和端电流，计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，从而得到估测的转子位置信息和转速信息。
优选地，电机定子磁链由积分得到：
Figure 401687DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 515136DEST_PATH_IMAGE006
分别为定子电压、电流和磁链，下标
Figure 502684DEST_PATH_IMAGE007
表示前述各物理量在
Figure 726992DEST_PATH_IMAGE007
坐标系 下的分量，
Figure 788489DEST_PATH_IMAGE008
为定子绕组电阻；
转子磁链：为定子磁链减去电感与定子电流的乘积；
反电势矢量的相位即为转子位置角。
优选地，转子位置信息为转子位置角，转速信息为转子的角速度；
估测的转子位置角
Figure 639551DEST_PATH_IMAGE009
和角速度
Figure 52078DEST_PATH_IMAGE010
可表示为：
Figure 80076DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 323976DEST_PATH_IMAGE010
为dq轴旋转角速度，即同步转速、转子转速；
Figure 513649DEST_PATH_IMAGE012
分别为定子电流和磁链，下 标
Figure 475789DEST_PATH_IMAGE013
表示在
Figure 41899DEST_PATH_IMAGE013
坐标系下的分量；
其中，
Figure 405884DEST_PATH_IMAGE013
坐标系下电机数学模型为：
Figure 766459DEST_PATH_IMAGE014
式中，共模电感
Figure 153578DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 87161DEST_PATH_IMAGE016
分别为d轴电感和q轴电感，
Figure 977756DEST_PATH_IMAGE017
为永磁磁链，
Figure 774811DEST_PATH_IMAGE018
为定子电压，下标
Figure 445964DEST_PATH_IMAGE013
表示在
Figure 619456DEST_PATH_IMAGE013
坐标系下的分量。
优选地，正常运行状态，为转子的转速为10%额定转速以上；在封管状态时，为转子静止时以及电机转速小于10%额定转速时。
本发明还提供一种永磁同步发电机的控制系统，在封管状态下，包括：
电压采样模块，用于采样电机的线电压，
幅值计算单元，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。
优选地，在正常运行状态时，还包括：
采样模块，用于釆样电机的定子的瞬时端电压和端电流；
磁链估测模型，用于根据定子的瞬时端电压和端电流计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位；
速度位置观测器，根据定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，通过反电势积分算法得到估测的转子位置信息和转速信息；
将转子位置信息和转速信息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。
优选地，还包括：封管状态选择开关，用于选择封管状态或正常运行状态。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制系统，在封管时，通过检测电机的反电动势来预估电机当前位置，即通过采集线电压计算转子相位能够获取转子位置，可实现发电机在无传感器控制模式下非静止状态下稳定地启动。
2、在优选方案中，在电机正常运行时，通过釆样定子电流和电压，通过反电势积分算法得到转子位置和速度。
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是本发明优选实施例2的开环矢量控制框图；
图2是本发明优选实施例1的反电势采样原理示意图；
图3是本发明优选实施例2的转子磁链估测模型示意图；
图4是本发明优选实施例2的角度锁相环模型示意图。
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：
本发明的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，包括以下步骤：
在正常运行状态时，釆样电机的定子的瞬时端电压和端电流，计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，从而得到估测的转子位置信息和转速信息。
正常运行阶段的反电势积分法：
在同步dq坐标系下，永磁同步电机的数学模型可表示：
Figure 630138DEST_PATH_IMAGE019
式中
Figure 660411DEST_PATH_IMAGE020
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 756543DEST_PATH_IMAGE021
分 别为定子绕组电阻、d轴电感和q轴电感，
Figure 468147DEST_PATH_IMAGE022
为永磁磁链，
Figure 395651DEST_PATH_IMAGE023
为转子位置，
Figure 534509DEST_PATH_IMAGE024
为dq轴旋转角 速度，即同步转速、转子转速。
为便于反电势法分析，在
Figure 117937DEST_PATH_IMAGE025
坐标系下电机数学模型如下：
Figure 928504DEST_PATH_IMAGE026
式中定义共模电感
Figure 913778DEST_PATH_IMAGE027
，差模电感
Figure 223537DEST_PATH_IMAGE028
， 其中，
Figure 294261DEST_PATH_IMAGE029
分别为定子电 压、电流和磁链，下标
Figure 409984DEST_PATH_IMAGE025
表示前述各物理量在
Figure 249764DEST_PATH_IMAGE025
坐标系下的分量。
对于表贴式永磁同步电机，
Figure 730424DEST_PATH_IMAGE030
=0，则上式化简为：
Figure 85182DEST_PATH_IMAGE031
式中p为微分算子。定子磁链由积分得到：
Figure 942280DEST_PATH_IMAGE032
转子磁链：为定子磁链减去电感与定子电流的乘积；
Figure 636566DEST_PATH_IMAGE033
上式中下标
Figure 350444DEST_PATH_IMAGE025
表示各物理量在
Figure 395761DEST_PATH_IMAGE025
坐标系下的分量。反电势矢量的相位就是转子位置 角。
则估测的转子位置角和角速度可表示为：
Figure 790970DEST_PATH_IMAGE034
Figure 339763DEST_PATH_IMAGE035
上述的反电势积分法可在10%额定转速以上具有良好的转速和位置跟踪效果，但在低速区（低于5%额定转速）估算结果不稳定，容易造成启动过程中转子失步或锁死。由于反电动势幅值与转速成正比，在静止时反电势积分法失效。
则，在封管状态（转速低于10%的额定转速时，均称为封管状态）如下所述，
采样电机的线反电动势，即三相线电压，（图1中虚线边框A部分，图2为A部分的具体结构示意图），将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链（处于封管状态时，两相磁链即两相间线电压就是线反电动势），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。
图2为反电动势采样的原理图。反电动势采样的放大倍数关系为12:1。UVW分别为电机三相线。可知：
VW_AD即为线电压：
Figure 991587DEST_PATH_IMAGE036
UV_AD即为线电压：
Figure 258620DEST_PATH_IMAGE037
Figure 457520DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 923136DEST_PATH_IMAGE039
为V相相电压，
Figure 182079DEST_PATH_IMAGE040
为U相相电压，
Figure 936409DEST_PATH_IMAGE041
为VW两相之间的线电压；
Figure 735738DEST_PATH_IMAGE042
为UV两相之间 的线电压。可知，角度计算只需要一组线电压，该线电压必须是VW两相之间的。
在矢量svpwm控制时，转子位置角为
Figure 259123DEST_PATH_IMAGE043
，有：
正转时：
Figure 688967DEST_PATH_IMAGE044
反转时：
Figure 727330DEST_PATH_IMAGE045
结合(9)(11)(12)(13)可计算得转子位置角
Figure 268033DEST_PATH_IMAGE043
：
正转时：
Figure 911504DEST_PATH_IMAGE046
反转时：
Figure 246670DEST_PATH_IMAGE047
实施时，正常运行状态，为转子的转速为10%额定转速以上；在封管状态时，为转子静止时以及转速为10%额定转速以下。封管状态是指本发明的控制器停机状态，控制电机转速大于10%额定转速控制器开始工作，这种状态叫开管状态。电机转速小于10%额定转速控制器停止工作，这种状态叫封管状态。在封管状态下计算出电机转子位置角，将这个角度作为开管状态的角度初值，以实现封管和开管的自然的平滑切换。
实施例2：
本实施例的原理与实施例1相同，参见图1。
本实施例的永磁同步发电机的控制系统，在封管状态下，包括：
电压采样模块采样电机的线电压；（图1中虚线边框A部分），根据线电压计算磁链的角度和幅值，得到转子位置（转子相位）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（图1中虚线边框BC部分）中，构成双闭环结构进行双闭环矢量控制。
在正常运行状态时，采样模块釆样电机的定子的瞬时端电压（图1中USA，USB代表端电压）和端电流；磁链估测模型，
根据定子的瞬时端电压和端电流计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位（即为转子位置角）。速度位置观测器，根据定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，通过反电势积分算法得到估测的转子位置信息和转速信息；将转子位置信息和转速信息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。
其中，优选地，磁链估测模型采用图3所示的电路模型，图3中：Ua：
Figure 530585DEST_PATH_IMAGE048
轴电压，Ub：
Figure 609399DEST_PATH_IMAGE049
轴 电压， Ia:
Figure 107377DEST_PATH_IMAGE048
轴电流；Ib:
Figure 675761DEST_PATH_IMAGE049
轴电流； Rs:定子电阻；Lc:
Figure 891979DEST_PATH_IMAGE025
轴等效电感；1/s:积分；FluxRa:
Figure 774484DEST_PATH_IMAGE048
轴磁链；FluxRb:
Figure 189285DEST_PATH_IMAGE049
轴磁链。
由实施例1的式(6)(7)得知，通过定子侧电压，电流可以计算出转子磁链。转子磁 链经过PLL环（锁相环，包含在图1的虚线边框D部分以及图3中）后，可以锁定转子位置角。即 由公式
Figure 131833DEST_PATH_IMAGE050
得到定子磁链。定子磁链减去电感与定子电流的乘积，可以得 到转子磁链。经过低通滤波后输出。
参见图4，由于转子位置角即转子磁链的角度即：
Figure 569768DEST_PATH_IMAGE051
由式(16)可推出：
Figure 52702DEST_PATH_IMAGE052
以式(17)作为模型构造锁相环。该式的左边作为PI环（比例积分调节器，包含在图1的虚线边框D部分以及图3中）输入，输出经低通滤波之后得到转速。转速积分并做取模处理得到当前角度。
在控制时，控制系统还优选包括以下组件：
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 525271DEST_PATH_IMAGE053
和PARK模块，用于将
Figure 373142DEST_PATH_IMAGE054
进行PARK变换，输出
Figure 298372DEST_PATH_IMAGE055
；将
Figure 86462DEST_PATH_IMAGE055
输入电流控制器作 为电流控制器反馈。在图1中，磁链观测器需要4个输入量
Figure 413538DEST_PATH_IMAGE056
其中
Figure 697889DEST_PATH_IMAGE054
从CALRK输出；
Figure 172733DEST_PATH_IMAGE057
从PARK反变换输出。
实施时，优选在坐标变换和速度控制器的输入端设置封管状态选择开关，用于选择封管状态或正常运行状态，以获取正确的转子位置和转速。
本实施例工作时，在刚开管时，电流电压均为0，此时转子磁链估测失效，无法估测出转子位置。矢量控制无法实现。根据发电机的特性，可以在当转速达到一定转速（10%额定转速）时，才启动发电，此时由于反电势的存在，可以准确估测出转子位置。而转子位置角通过锁相得到。
在封管的时候，由实施例1中的式(14)(15)可知，转子位置角与
Figure 935152DEST_PATH_IMAGE058
的相位一致。于 是将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链，作为锁相环的输入可以得到位置信息和转速 信息。
在开管以后，由实施例1中的式(6)(7)可知转子磁链可以通过端电压和端电流估测出来得到两相磁链，作为锁相环的输入可以得到位置信息和转速信息。两者之间可以做到自然的平滑切换，即刚开始工作（开管）的时候有正确的转子相位作为初始值。封管时对转子相位的估测就是为了得到一个正确的值，供开管使用。以保证电机能不带传感器的情况下，在非静止状态启动。
综上可知，本发明通过在封管时，通过检测电机的反电动势来预估电机当前位置，即通过采集线电压计算转子相位能够获取转子位置，可实现发电机在无传感器控制模式下非静止状态下稳定地启动。在电机正常运行时，通过釆样定子电流和电压，通过反电势积分算法得到转子位置和速度。
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 (9)

1.一种永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
在封管状态时，采样电机的三相线电压，将三相线电压做CLARK变化，得到两相磁链，即两相间的线反电动势，将所述两相磁链作为锁相环的输入得到转子的位置信息。
2.根据权利要求1所述的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，所述转子的位置信息，通过下式得到：
正转时：
Figure 921322DEST_PATH_IMAGE001
反转时：
Figure 838462DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 946096DEST_PATH_IMAGE003
为转子位置角，电机三相线为UVW，
Figure 341305DEST_PATH_IMAGE004
为VW两相之间的线电压。
3.根据权利要求1所述的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，所述方法还包括：
在正常运行状态时，釆样电机的定子的瞬时端电压和端电流，计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，从而得到估测的转子位置信息和转速信息。
4.根据权利要求3所述的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，所述电机定子磁链由积分得到：
Figure 155677DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 40457DEST_PATH_IMAGE006
分别为定子电压、电流和磁链，下标
Figure 307490DEST_PATH_IMAGE007
表示前述各物理量在
Figure 506390DEST_PATH_IMAGE007
坐标系 下的分量，
Figure 972006DEST_PATH_IMAGE008
为定子绕组电阻；
转子磁链：为定子磁链减去电感与定子电流的乘积；
反电势矢量的相位即为转子位置角。
5.根据权利要求3或4所述的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，所述转子位置信息为转子位置角，所述转速信息为转子的角速度；
估测的转子位置角
Figure 965370DEST_PATH_IMAGE009
和角速度
Figure 719700DEST_PATH_IMAGE010
可表示为：
Figure 456712DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 806528DEST_PATH_IMAGE012
为dq轴旋转角速度，即同步转速、转子转速；
Figure 236372DEST_PATH_IMAGE013
分别为定子电流和磁链，下 标
Figure 477998DEST_PATH_IMAGE014
表示在
Figure 549859DEST_PATH_IMAGE014
坐标系下的分量；
其中，
Figure 193330DEST_PATH_IMAGE014
坐标系下电机数学模型为：
Figure 528496DEST_PATH_IMAGE015
式中，共模电感
Figure 319735DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 398549DEST_PATH_IMAGE017
分别为d轴电感和q轴电感，
Figure 896527DEST_PATH_IMAGE018
为永磁磁链，
Figure 668174DEST_PATH_IMAGE019
为 定子电压，下标
Figure 946708DEST_PATH_IMAGE014
表示在
Figure 829214DEST_PATH_IMAGE014
坐标系下的分量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的永磁同步发电机的转子位置的获取方法，其特征在于，所述正常运行状态，为转子的转速为10%额定转速以上；所述在封管状态时，为转子静止时以及电机转速小于10%额定转速时。
7.一种永磁同步发电机的控制系统，其特征在于，在封管状态下，包括：
电压采样模块，用于采样电机的线电压，
幅值计算单元，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。
8.根据权利要求7所述的永磁同步发电机的控制系统，其特征在于，在正常运行状态时，还包括：
采样模块，用于釆样电机的定子的瞬时端电压和端电流；
磁链估测模型，用于根据定子的瞬时端电压和端电流计算电机定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位；
速度位置观测器，根据所述定子磁链、转子磁链和反电势矢量的相位，通过反电势积分算法得到估测的转子位置信息和转速信息；
将转子位置信息和转速信息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。
9.根据权利要求7或8所述的永磁同步发电机的控制系统，其特征在于，还包括：封管状态选择开关，用于选择封管状态或正常运行状态。
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