CN112821838A - 一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法；所述方法通过建立空压机PMSM在dq旋转坐标系下的数学模型，往定子磁链注入高频信号计算转子位置，得到定子磁通幅值和电磁转矩方程；将绕组内高频定子电压、电流分量用磁链方程表达；定义实际转子和估计转子同步坐标系转换变量表达式；由此得到定子磁链、电流估计值、定子磁链振幅表达式；从而得到定子磁链振幅估计值表达式，再得出转子同步坐标系下的电磁转矩方程；本发明的有益效果是：采用定子磁链估计器，通过向定子磁链幅值注入高频信号的方法，实现空压机永磁同步电动机无位置传感器控制；采用低通滤波器对高频定子电流进行信号过滤，实现转子位置准确估算、电机定子磁极判断。

Description

一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电动机控制技术，具体地说，涉及一种提高空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度的方法。

背景技术

随着工业使用环境日趋多元，不管是在工业、农业、国防或者民用领域，都需要一定高压气体来协助生产或者提高效率。空压机是一种用来压缩气体提高气体压力或输送气体的机械，具有高压气体稳定，使用寿命长等优点。随着环境问题的日益突出，导致在建火电厂数量急剧下降，未来我国电力能源重点将转向核电、水电、风电以及太阳能等新能源，现有火电厂总体数目将维持不变。由于火电增长数量受到限制，各大电厂均开展和进一步挖掘火电厂节能改造的潜力。在火电生产工艺中压缩空气主要用于热工仪表、除灰输送和检修杂用三大领域，而空压机站运行故障直接影响整个火电厂运行可靠性，严重时可造成停机事故，故空压机系统被誉为火电厂“第二厂用电系统”。永磁同步电机(PMSM)因其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转动惯量低等显著优点，己经成为空压机交流伺服驱动控制系统的主流。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法。以提高空压机永磁同步电动机无位置传感器控制系统性能为目标，采用改进定子磁链估计器实时估计空压机永磁同步电动机转子位置，通过算法实时进行磁极判断，实现空压机永磁同步电动机稳定换相。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1:建立空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型；定义dq轴、αβ轴坐标系，其中dq轴是转子磁场定向坐标系，αβ轴是定子静态坐标系；θ_e为转子旋转电角度，ω_e为转子旋转电角速度即定子电流旋转角频率，u_s、i_s、Ψ_s、Ψ_r分别为定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量和转子磁链矢量；空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型为：

式[1]中：i_d、i_q分别为d、q轴电流，u_d、u_q分别为d、q轴电压；R为定子电阻；Ψ_d、Ψ_q分别为d、q轴定子绕组磁链；u_f、i_f、R_f分别为转子电压、电流、电阻；Ψ_f为永磁直轴磁链；p为微分算子；

步骤S2:在步骤S1的数学模型的定子磁链中注入高频信号计算空压机永磁同步电机转子位置，得到空压机永磁同步电机定子磁通幅值和电磁转矩方程；

式[2]中：

为定子永磁磁链幅值；

是定子磁链高频分量指令值；

电磁转矩指令值；

是电磁转矩高频分量的指令值；n_p为空压机永磁同步电机极对数；L_d、L_q分别是d、q轴的电感；

步骤S3:在步骤S1空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下数学模型中定子磁链方程基础上，将步骤S2空压机永磁同步电机绕组内高频定子电压、电流分量用磁链方程表达：

式[3]中：u_sdh、u_sqh、i_sdh、i_sqh为dq轴下定子电压、定子电流的高频分量；Ψ_sdh、Ψ_sqh为dq轴下定子绕组磁链高频分量；

步骤S4:定义实际转子同步坐标系和估计转子同步坐标系转换变量表达式为：

式[5]中：

为估计误差；

步骤S5:在步骤S4实际转子同步坐标系和估计转子同步坐标系转换变量表达式基础上，得到空压机永磁同步电机定子磁链和电流估计值为：

式[6]中：

表示d轴定子磁链振幅估计值；

表示q轴定子磁链振幅估计值；

为d轴定子电流幅值估计值；

为q轴定子电流幅值估计值；

估计转子同步坐标系中，定子磁链振幅表示为：

式[7]中：

表示定子磁链振幅估计值；

步骤S6:根据步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、定子磁链振幅表达式，得到空压机永磁同步电机定子磁链振幅估计值表达式；即：将式[6]中关于定子磁链的表达带入式[7]中，可得：

步骤S7:根据步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、电流估计值、定子磁链振幅表达式，得出空压机永磁同步电机转子同步坐标系下的电磁转矩估计值方程为：

根据式[8]和[9]可以得出：定子磁链振幅和电磁转矩估计值等于实际值，实现空压机永磁同步电机无位置传感器控制提供更优条件，从而提升空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度。

所述一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，所述步骤S3中忽略定子压降，空压机永磁同步电动机中低速运行时，定子高频电压信号旋转角频率ω_h远高于定子电流旋转角频率ω_e，因此忽略掉表达式中的反电动势项和交叉耦合项对高频定子电压数学表达式的影响，式[3]可转换为：

所述一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，所述方法还包括以下步骤：

步骤S8:根据步骤S2空压机永磁同步电机的d、q轴特性几乎相等，满足L_d＝L_q，当采用i_d＝0控制时，根据式[2]电磁转矩表达式，可以得到电磁转矩与定子磁链幅值之间关系为：

式[10]中：n_p、Ψ_f、L_d是电机物理参数，电磁转矩的高频分量由|Ψ_s|sin(δ)产生，由于电气常数远远小于转子机械常数，在一个采样周期内，认为电磁转矩T_e保持不变，电磁转矩的高频分量可近似为0，可表示为：

式[11]中：BPF代表带通滤波器；因为

所以BPF|Ψ_s|sin(δ)≈0，sin(δ)≈0，cos(δ)≈1；经过带通滤波器的定子磁链幅值为：

BPF(|Ψ_s|)＝Ψ_shsin(ω_ht) [12]

式[12]中：ω_h为高频分量电角频率，定子磁链幅值也可表示为：

BPF[|Ψ_s|cos(δ)]≈Ψ_sh sin(ω_ht)；

步骤S9:根据步骤S8空压机永磁同步电机定子磁链幅值表达式，在实际的转子同步坐标系中，高频定子电流为：

步骤S10:将步骤S9空压机永磁同步电机高频定子电流方程带入步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、电流估计值表达式中，即将式[13]代入式[6]中得到dq坐标系下高频定子电流估计值方程为：

根据式[14]，进一步得出d、q轴定子电流估计值方程为：

步骤S11:采用低通滤波器对步骤S10中dq坐标系下高频定子电流估计值方程进行信号过滤，经过低通滤波器得到的定子电流q轴高频分量，当θ_e的值较小时，可表示为：

其中：LPF代表低通滤波器；如果式[16]中的信号为零，则Δθ_e将等于零；因此，估计的转子位置将等于实际转子位置；

步骤S12:进一步的，为了实现磁极判断，将步骤S10空压机永磁同步电机dq坐标系下高频定子电流估计值方程中的d轴电流信号通过低通滤波器，得到d轴电流信号低通滤波方程为：

根据d轴电流信号低通滤波方程式[17]，定义估计转子位置误差参数，得到估计的转子位置磁极判断依据：

从而进一步提升空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度。

本发明的有益效果是：

1.采用定子磁链估计器，通过向定子磁链幅值注入高频信号，在三相绕组中产生高频电流，高频电流被发送到转子位置和转速估计器，实现空压机永磁同步电动机无位置传感器控制。

2.采用低通滤波器对高频定子电流进行信号过滤，实现转子位置准确估算、电机定子磁极准确判断。

附图说明

图1为本发明空压机永磁同步电动机坐标定义图；

图2为空压机永磁同步电动机转子位置和转速观测器；

图3为空压机永磁同步电动机驱动系统示意图；

图4为空压机永磁同步电动机新型磁链估计器估计和实际转子位置对比图；

图5为空压机永磁同步电动机新型磁链估计器估计和实际转子转速对比图；

图6为空压机永磁同步电动机新型磁链估计器估计和实际转子位置误差图；

图7为空压机永磁同步电动机新型磁链估计器估计和实际转子转速误差图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-3所示，本发明一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法为了建立空压机PMSM数学模型，定义dq轴、αβ轴坐标系，其中dq轴是转子磁场定向坐标系，αβ轴是定子静态坐标系。θ_e为转子旋转电角度；ω_e为转子旋转电角速度即定子电流旋转角频率；u_s、i_s、Ψ_s、Ψ_r分别为定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量和转子磁链矢量。空压机PMSM在dq旋转坐标系下的数学模型为：

式[1]中：i_d、i_q、u_d、u_q为d、q轴电流、电压；R为定子电阻；Ψ_d、Ψ_q为d、q轴定子绕组磁链；u_f、i_f、R_f为转子电压、电流、电阻；Ψ_f永磁直轴磁链；p为微分算子。

通过在定子磁链中注入高频信号来计算空压机PMSM转子位置，空压机PMSM定子磁通幅值和电磁转矩为：

式[2]中：

为定子永磁磁链幅值；

是定子磁链高频分量指令值；

电磁转矩指令值；

是电磁转矩高频分量的指令值；n_p为空压机PMSM极对数；L_d、L_q分别是d、q轴的电感。

当把高频信号注入到定子磁链后，在空压机PMSM绕组内会产生高频定子电压电流分量。参考式[1]，高频定子电压为：

式[3]中：u_sdh、u_sqh、i_sdh、i_sqh为dq轴下定子电压、定子电流的高频分量；Ψ_sdh、Ψ_sqh为dq轴下定子绕组磁链高频分量。忽略定子压降，空压机PMSM中低速运行时，定子高频电压信号旋转角频率ω_h远高于定子电流旋转角频率ω_e，因此可忽略掉表达式中的反电动势项和交叉耦合项对高频定子电压数学表达式的影响，式[3]可转换为：

如图2所示，定义实际转子同步坐标系和估计转子同步坐标系转换变量为：

式[5]中：

为估计误差。转子同步坐标系下的定子磁链和电流估计值为：

估计转子同步坐标系中，定子磁链振幅表示为：

将式[6]中关于定子磁链的表达带入式[7]中，可得：

根据式[6]，可以推导出转子同步坐标系下的电磁转矩为：

根据式[8]、式[9]可以得出：定子磁链振幅和电磁转矩估计值等于实际值，这为实现空压机PMSM无位置传感器控制提供了良好的条件，从而提升空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度。

空压机PMSM的d、q轴特性几乎相等，满足L_d＝L_q，当采用i_d＝0控制时，根据式[2]电磁转矩表达式，可以得到电磁转矩与定子磁链幅值之间关系为：

式[10]中：n_p、Ψ_f、L_d是电机物理参数，电磁转矩的高频分量由|Ψ_s|sin(δ)产生，由于电气常数远远小于转子机械常数，在一个采样周期内，认为电磁转矩T_e保持不变，电磁转矩的高频分量可近似为0，可表示为：

式[11]中：BPF代表带通滤波器。因为

所以BPF|Ψ_s|sin(δ)≈0，sin(δ)≈0，cos(δ)≈1。经过带通滤波器的定子磁链幅值为：

BPF(|Ψ_s|)＝Ψ_sh sin(ω_ht) [12]

式[12]中：ω_h为高频分量电角频率，定子磁链幅值也可表示为：BPF[|Ψ_s|cos(δ)]≈Ψ_sh sin(ω_ht)。

在实际的转子同步坐标系中，高频定子电流为：

将式[13]代入式[6]中，估计dq坐标系下高频定子电流为：

根据式[14]，可以得出d、q轴定子电流估计值方程为：

本发明采用低通滤波器对高频定子电流进行信号过滤。经过低通滤波器得到的定子电流q轴高频分量，当θ_e的值较小时，可表示为：

其中：LPF代表低通滤波器。如果式[16]中的信号为零，则Δθ_e将等于零。因此，估计的转子位置将等于实际转子位置。

转子位置可以准确估算，但存在磁极无法判断问题，估计转子位置可以等于实际值，或者与实际相差180°，因此磁极判断是必要的。让式[14]中的d轴电流信号通过低通滤波器，可以得出：

根据式[17]，磁极判据如下：

在图2中，dq轴定子磁链通过带通滤波器BPF，转换为高频定子电流，通过估计转子同步坐标系转换变量得到其估计值，高频定子电流估计值通过低通滤波器LPF进行信号过滤，d轴高频分量信号进行磁极判据，q轴高频分量信号估计的转子位置。

如图3所示，为了验证本发明所提改进定子磁链估计器可以提高空压机PMSM无位置传感器控制性能，搭建了电机试验平台。试验参数如表1所示。

表1空压机PMSM参数

为了验证本发明所提基于低速脉冲高频定子磁链注入法的无位置传感器空压机PMSM控制性能，进行以额定转矩0.22N.m、额定转速100r/min的稳态试验。为了方便高频信号提取，在定子磁链中注入500Hz的正弦电压信号。

在图3中，交流(AC)电源通过整流模块变为直流电，直流电经过IPM模块变为电机驱动信号，实现电机正常运行。为了实现空压机PMSM无位置传感器控制，需要将电压信息通过电压采样模块并经过ADC转换模块，电流信息通过电流采样模块并经过ADC转换模块输入至DSP中，PC电脑将控制程序输入至DSP，所有控制信息转换为PWM信号实现电机控制。

如图4和5所示，新型磁链估计器估计的转子相角与实际空压机PMSM转子相角相位一致，估计值能很好地跟踪实际值。空压机电机在低转速运行时，估计转速和实际转速均在100r/min左右，频率与转子磁场的速度相一致，估计转速能够准确跟踪实际转速。

如图6和7所示，估计误差可以控制在±1°之间，相位无滞后。估计转速与实际转速误差小，可以控制在1.5rad/min之间，实现了低速情况下，空压机PMSM无位置传感器控制。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤S1:建立空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型；定义dq轴、αβ轴坐标系，其中dq轴是转子磁场定向坐标系，αβ轴是定子静态坐标系；θ_e为转子旋转电角度，ω_e为转子旋转电角速度即定子电流旋转角频率，u_s、i_s、Ψ_s、Ψ_r分别为定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量和转子磁链矢量；空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型为：

式[1]中：i_d、i_q分别为d、q轴电流，u_d、u_q分别为d、q轴电压；R为定子电阻；Ψ_d、Ψ_q分别为d、q轴定子绕组磁链；u_f、i_f、R_f分别为转子电压、电流、电阻；Ψ_f为永磁直轴磁链；p为微分算子；

步骤S2:在步骤S1的数学模型的定子磁链中注入高频信号计算空压机永磁同步电机转子位置，得到空压机永磁同步电机定子磁通幅值和电磁转矩方程；

式[2]中：

为定子永磁磁链幅值；

是定子磁链高频分量指令值；

电磁转矩指令值；

是电磁转矩高频分量的指令值；n_p为空压机永磁同步电机极对数；L_d、L_q分别是d、q轴的电感；

步骤S3:在步骤S1空压机永磁同步电机在dq旋转坐标系下数学模型中定子磁链方程基础上，将步骤S2空压机永磁同步电机绕组内高频定子电压、电流分量用磁链方程表达：

式[3]中：u_sdh、u_sqh为dq轴下定子电压的高频分量,i_sdh、i_sqh为dq轴下定子电流的高频分量；Ψ_sdh、Ψ_sqh为dq轴下定子绕组磁链高频分量；

步骤S4:定义实际转子同步坐标系和估计转子同步坐标系转换变量表达式为：

式[5]中：

为估计误差；

步骤S5:在步骤S4实际转子同步坐标系和估计转子同步坐标系转换变量表达式基础上，得到空压机永磁同步电机定子磁链和电流估计值为：

式[6]中：

表示d轴定子磁链振幅估计值；

表示q轴定子磁链振幅估计值；

为d轴定子电流幅值估计值；

为q轴定子电流幅值估计值；

估计转子同步坐标系中，定子磁链振幅表示为：

式[7]中：

表示定子磁链振幅估计值；

步骤S6:根据步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、定子磁链振幅表达式，得到空压机永磁同步电机定子磁链振幅估计值表达式；即：将式[6]中关于定子磁链的表达带入式[7]中，可得：

步骤S7:根据步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、电流估计值、定子磁链振幅表达式，得出空压机永磁同步电机转子同步坐标系下的电磁转矩估计值方程为：

根据式[8]和[9]可以得出：定子磁链振幅和电磁转矩估计值等于实际值，实现空压机永磁同步电机无位置传感器控制提供更优条件，从而提升空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度。

2.根据权利要求1所述的一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，其特征在于：所述步骤S3中忽略定子压降，空压机永磁同步电动机中低速运行时，定子高频电压信号旋转角频率ω_h远高于定子电流旋转角频率ω_e，因此忽略掉表达式中的反电动势项和交叉耦合项对高频定子电压数学表达式的影响，式[3]可转换为：

3.根据权利要求1所述的一种提高空压机永磁同步电动机控制系统性能的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

步骤S8:根据步骤S2空压机永磁同步电机的d、q轴特性几乎相等，满足L_d＝L_q，当采用i_d＝0控制时，根据式[2]电磁转矩表达式，可以得到电磁转矩与定子磁链幅值之间关系为：

式[10]中：n_p、Ψ_f、L_d是电机物理参数，电磁转矩的高频分量由|Ψ_s|sin(δ)产生，由于电气常数远远小于转子机械常数，在一个采样周期内，认为电磁转矩T_e保持不变，电磁转矩的高频分量可近似为0，可表示为：

式[11]中：BPF代表带通滤波器；因为

所以BPF|Ψ_s|sin(δ)≈0，sin(δ)≈0，cos(δ)≈1；经过带通滤波器的定子磁链幅值为：

BPF(|Ψ_s|)＝Ψ_shsin(ω_ht) [12]

式[12]中：ω_h为高频分量电角频率，定子磁链幅值也可表示为：

BPF[|Ψ_s|cos(δ)]≈Ψ_shsin(ω_ht)；

步骤S9:根据步骤S8空压机永磁同步电机定子磁链幅值表达式，在实际的转子同步坐标系中，高频定子电流为：

步骤S10:将步骤S9空压机永磁同步电机高频定子电流方程带入步骤S5空压机永磁同步电机定子磁链、电流估计值表达式中，即将式[13]代入式[6]中得到dq坐标系下高频定子电流估计值方程为：

根据式[14]，进一步得出d、q轴定子电流估计值方程为：

步骤S11:采用低通滤波器对步骤S10中dq坐标系下高频定子电流估计值方程进行信号过滤，经过低通滤波器得到的定子电流q轴高频分量，当θ_e的值较小时，可表示为：

其中：LPF代表低通滤波器；如果式[16]中的信号为零，则Δθ_e将等于零；因此，估计的转子位置将等于实际转子位置；

步骤S12:进一步的，为了实现磁极判断，将步骤S10空压机永磁同步电机dq坐标系下高频定子电流估计值方程中的d轴电流信号通过低通滤波器，得到d轴电流信号低通滤波方程为：

根据d轴电流信号低通滤波方程式[17]，定义估计转子位置误差参数，得到估计的转子位置磁极判断依据：

从而进一步提升空压机永磁同步电机定子磁链估计器精度。

Images