CN115706549A

CN115706549A - 基于smo的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法

Info

Publication number: CN115706549A
Application number: CN202110909643.8A
Authority: CN
Inventors: 王婧; 吴元元
Original assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Current assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-17

Abstract

本发明涉及一种基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法，包括：永磁同步发电机从零速开始启动时，不启动滑模状态观测器；根据建立PMSG扩展反电动势模型提取永磁同步发电机转子位置和转速；将满足设定稳定条件的转子位置和转速，作为滑模状态观测器开启前一拍的初始状态，启动滑模状态观测器；采用滑模状态观测器对反电动势进行估计；根据电流误差构造李雅普诺夫函数，使滑模增益系数满足滑模状态观测器的稳定条件；从估计反电动势中提取转子转速和位置信息。本发明有效缩短了稳态调节时间，并避免了始状态过渡到稳定状态过程可能存在超调、振荡等现象，提高了永磁同步发电机矢量控制系统的稳定性。

Description

基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法

技术领域

本发明涉及永磁同步发电机无速度传感器技术领域，尤其涉及一种基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法。

背景技术

永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)具有结构简单、高转矩惯性比、高功率密度、动态响应快、过载能力强以及较宽的恒功率区域等优点，因此PMSG被广泛应用于航空航天、电动汽车、工业控制等领域。PMSG矢量控制系统中需要转子位置和转速信息，该信息通常由位置传感器获得，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性，因此PMSG无传感器技术得到广泛重视。

常用估计转速和位置的方法有：卡尔曼滤波器法、模型参考自适应法、磁链估计法、滑模观测器法等。滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)具有算法简单、工程易实现、系统鲁棒性强等特点，通过SMO估计PMSG的反电动势，从而将转子的位置和转速信息从反电动势中提取出来。针对滑模观测器初始状态，通常默认为零矢量，当开启SMO时，观测器的初始状态过渡到稳定状态需要一定时间，此过程可能存在超调、振荡等现象，造成永磁同步发电机矢量控制系统稳定性降低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法，解决零初始状态过渡到稳定状态存在超调、振荡等问题。

本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法，包括：

永磁同步发电机从零速开始启动时，不启动滑模状态观测器；

根据建立的PMSG扩展反电动势模型提取永磁同步发电机转子位置和转速；

将满足稳定条件的转子位置和转速，作为滑模状态观测器开启前一拍的初始状态，启动滑模状态观测器；

采用滑模状态观测器对反电动势进行估计；

根据电流误差构造李雅普诺夫函数，使滑模增益系数满足滑模状态观测器的稳定条件；

从估计反电动势中提取转子转速和位置信息。

进一步地，所述根据建立的PMSG扩展反电动势模型提取永磁同步发电机转子位置和转速；包括：

建立PMSG的D-Q轴数学模型；

经过反Park变换建立IPSMG扩展反电动势模型；

从IPSMG扩展反电动势模型中得到α、β轴反电动势E_α和E_β；

根据α、β轴反电动势E_α和E_β提取转子转速和位置信息。

进一步地，PMSG的D-Q轴数学模型为：

式中，u_d、u_q为d、q轴电压；i_d、i_q为d、q轴电流；L_d、L_q为d、q轴电感；R_s为定子绕组电阻；ω_e为转子电角速度；ψ_f为永磁体主磁链；p为微分算子。

进一步地，经过反Park变换可建立IPSMG扩展反电动势模型如下：

式中，u_α、u_β为α、β轴电压；i_α、i_β为α、β轴电流；E_α和E_β为α、β轴反电动势，所述反电动势E_α和E_β包含转子位置信息表达式如下：

式中，θ_e为转子电角位移。

进一步地，根据IPMSG扩展反电动势模型可知，此时，电机电流为0，α-β轴电机电压值与α-β轴反电动势相等，表达式如下：

式中，u_αi、u_βi为α、β轴电压初始值；E_αi和E_βi为α、β轴反电动势初始值；ω_ei为转子电角速度初始值；θ_ei为转子电角位移初始值。

进一步地，所述滑模状态观测器方程为：

式中，

为α、β轴估计电流微分值；

为α、β轴估计电流；

为估计电角速度；z_α、z_β为控制函数。

进一步地，控制函数z_α、z_β的表达式为：

式中，函数sign(·)为符号函数，k为滑模增益系数，e_α、e_β为α、β轴电流误差。

进一步地，假设估计电角速度可以收敛到实际电角速度，即

则电流误差的状态方程表达如下：

式中，

为α、β轴电流误差微分值；e_α、e_β为α、β轴电流误差；

构造李雅普诺夫函数为：

李雅普诺夫函数的微分形式如下：

当k＞max(|E_α|,|E_β|)时，则

，则滑模状态观测器稳定。

进一步地，所述滑模状态观测器观测的反电动势是一个高频不连续信号，在z_α、z_β控制函数之后加一个低通滤波器进行滤波后，得到α、β轴估计反电动势

和

式中，ω_c为低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯变换算子。

进一步地，将所述稳定条件的转子转速设置为600-1000转/秒。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明通过SMO估计PMSG的反电动势，从而将转子的位置和转速信息从反电动势中提取出来。利用矢量控制和滑模观测器算法开启前反电动势初始值可检测的特点，根据反电动势得到转子位置和转速信息，将其作为算法开启前一拍的初始状态，有效缩短了稳态调节时间，并避免了始状态过渡到稳定状态过程可能存在超调、振荡等现象，提高了永磁同步发电机矢量控制系统的稳定性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的基于SMO的永磁同步发电机无速度传感器矢量控制框图；

图2为本发明实施例中的基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法流程图；

图3为本发明实施例中的根据建立PMSG扩展反电动势模型提取的转子位置和转速方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例中的基于SMO的永磁同步发电机无速度传感器矢量控制框图如图1所示。

母线电压环输出值作为q轴电流环的电流给定值

d轴电流环电流给定值

d-q轴电流环给定与d-q轴电流采样做差得到电流误差，并通过PI控制器获得电流环输出值u_d和u_q，然后通过反Park变换和反Clark变换得到控制量u_a、u_b和u_c。SMO模块的输入信号为PMSG的α-β轴电压初始值、α-β轴电压值和α-β轴电流值，其中α-β轴电压值和α-β轴电流值用于估计位置和转速信号，α-β轴电压初始值用于SMO初始状态确定。SMO模块的输出信号为位置估计信号和转速估计信号。

基于图1中的基于SMO的永磁同步发电机无速度传感器矢量控制框图，本实施例公开了一种基于SMO的永磁同步发电机转子位置和转速估算方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S201、永磁同步发电机从零速开始启动时，不启动滑模状态观测器；

步骤S202、根据建立PMSG扩展反电动势模型提取永磁同步发电机转子位置和转速；

步骤S203、将满足设定稳定条件的转子位置和转速，作为滑模状态观测器开启前一拍的初始状态，启动滑模状态观测器；

步骤S204、采用滑模状态观测器对反电动势进行估计；

步骤S205、根据电流误差构造李雅普诺夫函数，使滑模增益系数满足滑模状态观测器的稳定条件；

步骤S206、从估计反电动势中提取转子转速和位置信息。

具体的，步骤S202中的根据建立PMSG扩展反电动势模型提取的转子位置和转速方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S301、建立PMSG的D-Q轴数学模型；

具体的，PMSG的D-Q轴数学模型为：

式中，u_d、u_q为d、q轴电压(V)；i_d、i_q为d、q轴电流(A)；L_d、L_q为d、q轴电感(H)；R_s为定子绕组电阻(Ω)；ω_e为转子电角速度(rad/s)；ψ_f为永磁体主磁链(V·s)；p为微分算子。

步骤S302、经过反Park变换建立IPSMG扩展反电动势模型；

具体的IPSMG扩展反电动势模型如下：

式中，u_α、u_β为α、β轴电压；i_α、i_β为α、β轴电流；E_α和E_β为α、β轴反电动势。

将上式等效为：

式中，

为q轴电流微分(A/s)。

步骤S303、从IPSMG扩展反电动势模型中得到α、β轴反电动势E_α和E_β；

所述反电动势E_α和E_β包含转子位置信息表达式如下：

式中，θ_e为转子电角位移。

步骤S304、根据α、β轴反电动势E_α和E_β提取转子转速和位置信息。

具体的，提取转子转速和位置信息公式如下：

所述步骤S203中满足的设定稳定条件为在不启动滑模状态观测器时，永磁同步发电机从零速启动后加速到一个相对平稳的转速区间。

由于反电动势与转子转速和主磁链成正比，转子转速过低导致反电动势过低，从而使反电动势测量不准确。因此在考虑各轴电压和电流的可测量情况以及永磁体主磁链的大小，可以将稳定条件的转子转速设置为600-1000转/秒。

采用该稳定条件下的永磁同步发电机转子位置和转速，作为滑模状态观测器开启前一拍的初始状态，启动滑模状态观测器；可以避免在永磁同步发电机转子从零速状态过度到稳定状态过程，采用滑模状态观测器进行矢量控制存在超调、振荡等现象，提高了永磁同步发电机矢量控制系统的稳定性。并且，有效缩短了稳态调节时间，提高了调节的效率。

当PMSG转子稳定运行且矢量控制和滑模观测器算法未开启时，对SMO初始状态进行确定。根据PMSG扩展反电动势模型可知，此时，电机电流为0，α-β轴电机电压值与α-β轴反电动势相等，表达式如下：

式中，u_αi、u_βi为α、β轴电压初始值(V)；E_αi和E_βi为α、β轴反电动势初始值(V)；ω_ei为转子电角速度初始值(rad/s)；θ_ei为转子电角位移初始值(rad)。

具体的，本实施例中的PSMG扩展反电动势模型经数学变换得到如下状态方程：

式中，

为α、β轴电流微分值(A/s)。

SMO设计如下：

式中，

为α、β轴估计电流微分值(A/s)；

为α、β轴估计电流(A)；

为估计电角速度(rad/s)；z_α、z_β为控制函数，表达式如下：

式中，函数sign(·)为符号函数。

具体的，步骤S205、根据电流误差构造李雅普诺夫函数，使滑模增益系数满足滑模状态观测器的稳定条件；

假设估计电角速度可以收敛到实际电角速度，即

则电流误差的状态方程表达如下：

式中，

为α、β轴电流误差微分值；e_α、e_β为α、β轴电流误差；

构造李雅普诺夫函数为：

李雅普诺夫函数的微分形式如下：

当滑模增益系数k＞max(|E_α|,|E_β|)时，则

则滑模状态观测器稳定。

具体的，步骤S206中，滑模状态观测器稳定后，观测的反电动势是一个高频不连续信号，在z_α、z_β控制函数之后加一个低通滤波器进行滤波后，得到α、β轴估计反电动势

和

式中，ω_c为低通滤波器截止频率，s为拉普拉斯变换算子。

最终，从滤除高频信号后的估计反电动势中提取转子转速和位置信息，具体公式如下：

综上所述，本实施例通过SMO估计PMSG的反电动势，从而将转子的位置和转速信息从反电动势中提取出来。利用矢量控制和滑模观测器算法开启前反电动势初始值可检测的特点，根据反电动势得到转子位置和转速信息，将其作为算法开启前一拍的初始状态，有效缩短了稳态调节时间，并避免了始状态过渡到稳定状态过程可能存在超调、振荡等现象，提高了永磁同步发电机矢量控制系统的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。