CN205039733U - 永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于永磁同步电机的永磁磁链失磁监测装置，其包括：参数检测模块，其与永磁同步电机相连接，用以获取永磁同步电机运行时的定子电流、定子电压、转子转速的参数值；无迹非线性变换模块，其与检测模块连接，用以将检测采样的实时参数进行无迹非线性变换，获得定子电流与永磁磁链估算值对应的sigma点集信息；卡尔曼滤波器，其与无迹非线性变换模块，用以将无迹变换的定子电流与永磁磁链估算信息进行卡尔曼滤波，从而获得实时磁链参数的精确值；比较及输出模块，其与尔曼滤波器连接，将经滤波的磁链参数与系统所设的阈值范围进行比较，并在离开范围时输出磁链参数。本实用新型的结构简单、监测数据精确，并具有很强的鲁棒性。

Description

永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置

技术领域

本实用新型涉及永磁同步电机技术领域，具体说，涉及一种用于永磁同步电机的永磁磁链失磁监测装置。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高能量密度、结构简单，在众多工业领域得到越来越广泛应用，人们对它的运行安全性和可靠性也提出了越来越高的要求。然而永磁同步电机在工作过程中因受到温度、机械振动、电枢反应等原因导致电机永磁材料存在失磁。而永磁体的失磁或磁场波动都会直接导致电机发热异常及转矩性能变差，严重时电机可能报废，这一问题极大地限制了永磁电机的应用。为了减少永磁体失磁故障而造成的经济损失，对永磁电机永磁体失磁实现在线监测，降低维护成本。

针对永磁同步电机失磁监测问题，国内外许多学者进行了大量研究工作。在现有技术中，有人提出将滑模观测器和龙伯格观测器相结合，基于滑模等值控制原理对永磁体磁链进行实时监测。另外，还有人提出一种改进综合学习粒子群优化算法对辨识PMSM的定子电阻、电感和永磁体磁链等参数辨识。此外，另有人提出了一种磁场重建方法并进行了有限元分析，对PMSM永磁体的部分失磁和偏心失磁进行了深入的研究。然而，Jordi、Gritli等人基于小波分析理论提出了基于电机失磁后会在定子电流中产生特定谐波的理论来进行失磁分析的方法。Lu等提出基于人工神经网络失磁故障检测方法。史宇超、肖曦等设计了基于扩展卡尔曼滤波器的永磁体磁链在线监测方法，取得了较好的效果。

然而扩展卡尔曼滤波器对永磁电机模型非线性模型存在线性化误差，可能导致滤波器不稳定，而且需要计算雅克比矩阵,计算量大，占用微处理器大量计算时间。

实用新型内容

根据现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种用于永磁同步电机的永磁磁链失磁监测装置，其包括：

参数检测模块，其与永磁同步电机相连接，用以获取所述永磁同步电机运行时的与获得转子磁链相关的参数值；这些参数值包括但不限于，定子电流、定子电压以及转子转速等。

无迹非线性变换模块，其与所述检测模块连接，用以将检测采样的定子电流、定子电压、转子转速的实时参数进行无迹非线性变换，从而获得定子电流与永磁磁链估算值对应的sigma点集信息；

卡尔曼滤波器，其与所述无迹非线性变换模块，用以将无迹变换的定子电流与永磁磁链估算值进行卡尔曼滤波，从而得到实时磁链参数的精确值；

比较及输出模块，其与所述卡尔曼滤波器连接，将经过所述卡尔曼滤波模块进行滤波的磁链参数与系统所设的阈值范围进行比较，并在离开所述范围时输出所述磁链参数。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与光电码盘及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的转子转速与转子位置。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与电流传感器及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的定子电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括母线电压检测单元，其与母线电压传感器连接，以检测永磁同步电机的母线电压。

根据本实用新型的一个实施例，所述无迹非线性变换模块包括IPARK变换单元和PARK单元。其中，所述IPARK变换单元将旋转坐标轴系下的定子电压转变二相静止坐标轴系中定子电压，PARK单元将二相静止坐标轴系中的定子电流转变为旋转坐标轴系下的定子电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述无迹非线性变换模块还包括CLARK变换单元，其将三相静止坐标系中三相定子电流转变为二相静止坐标轴系中的二相定子电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述永磁磁链失磁监测装置还包括所述比较及输出模块还包括光电隔离驱动单元。

本实用新型设计的基于无迹卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁磁链在线监测装置具有结构简单、监测数据精确，并对电机参数精确性不敏感，具有很强的鲁棒性。该装置既为控制系统提供准确的磁链信息，又能有效地防止电机失磁严重恶化，减小经济损失。

附图说明

图1示出了永磁同步电机永磁磁链的变化；

图2A和2B显示了根据本实用新型的一个实施例的控制系统的硬件框图；以及

图3显示了根据本实用新型的一个实施例的控制系统框图。

具体实施方式

本实用新型采用一种新型的无迹卡尔曼滤波器，其无需考虑雅克比矩阵，结构简单，并具有处理非线性模型估计问题的能力。在本实用新型中，首先设计一种以永磁电机定子电流、永磁磁链为状态变量的观测模型，构建基于无迹卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁磁链计算方法，实现了电机永磁磁链在线监测。

基于转子磁链定向的d-q坐标系下的电压方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d={\mathrm{Ri}}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q\\ u_q={\mathrm{Ri}}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_f\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：R为定子相电阻；u_d、u_q分别为定子绕组的d、q轴电压；i_d、i_q分别为定子绕组d、q轴电流；L_d、L_q为定子d、q轴电感；ψ_f为永磁磁链；ω为磁场同步转速。

如图1所示，当永磁电机发生失磁故障，而导致永磁体磁链矢量幅值和方向发生如图所示的变化时，当ψ_r失磁后，d轴和q轴的磁链变为ψ_rq、ψ_rd，电机定子电压方程变为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d={\mathrm{Ri}}_d+L_d\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}-{\mathrm{\ωL}}_q{i}_q-{\mathrm{\ω\ψ}}_{rq}\\ u_q={\mathrm{Ri}}_q+L_q\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}+{\mathrm{\ωL}}_d{i}_d+{\mathrm{\ω\ψ}}_{rd}\end{array}\right.---\left(2\right)$

如图2A和2B所示，为本实用新型提出的用于永磁同步电机的永磁磁链失磁监测装置，其包括：参数检测模块、无迹非线性变换模块、卡尔曼滤波器以及比较及输出模块。如图2B所示，参数检测模块与永磁同步电机相连接，用以获取所述永磁同步电机运行时的与获得转子磁链相关的参数值。该参数值包括但不限于定子电流、定子电压和转子转速。无迹非线性变换模块与所述检测模块连接，用以将检测采样的定子电流、定子电压和转子转速的实时参数进行无迹非线性变换，从而获得定子电流与永磁磁链估算值对应的sigma点集信息。

卡尔曼滤波器与所述无迹非线性变换模块，用以将无迹变换的实时磁链参数包括定子电流和永磁磁链估算值进行卡尔曼滤波，从而获得实时磁链参数的精确值。

比较及输出模块与所述卡尔曼滤波器连接，将经过所述卡尔曼滤波模块进行滤波的磁链参数与系统所设的阈值范围进行比较，并在离开所述范围时输出所述磁链参数。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与光电码盘及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的转子位置。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与电流传感器及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的定子电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述参数检测模块包括母线电压检测单元，其与母线电压传感器连接，以检测永磁同步电机的母线电压。

无迹非线性变换模块包括IPARK变换单元和PARK单元。其中，所述IPARK变换单元将旋转坐标轴系下的定子电压转变二相静止坐标轴系中定子电压，PARK单元将二相静止坐标轴系中的定子电流转变为旋转坐标轴系下的定子电流。无迹非线性变换模块还可包括CLARK变换单元，其将三相静止坐标系中三相定子电流转变为二相静止坐标轴系中的二相定子电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述永磁磁链失磁监测装置还包括所述比较及输出模块还包括光电隔离驱动单元。

图2A中显示的是本发明的控制系统的硬件框图。如图所示，整个系统包括交流电源模块、整流电路模块、滤波模块、IPM逆变模块以及永磁同步电机。交流电源为整个永磁电机系提供交流电源，该交流电通过整流电路和滤波电路进行整流滤波后，输入到IPM逆变模块，从而为永磁同步电梯提供三相交流电能。

同时，在该系统中，还必要地包括电压测量模块、电流测量模块、速度测量模块以及电压信号调理模块、电流信号调理模块和速度信号调理模块，这些模块分别将母线上的电压和永磁电机上的三相电流检测到并进行处理后，提供给本发明的永磁磁链监测装置。然后，由永磁磁链监测装置根据它们提供的实时参数计算出实时的永磁磁链参数以及用于控制IMP模块的脉冲信号。用于控制IMP模块的脉冲信号需要经过功率器件驱动模块才能到达IMP模块，从而给永磁同步电机提供电压。

如图3所示，本实用新型的永磁磁链监测装置还包括IPARK变换单元和PARK变换单元以及CLARK单元。通过这些变换模块可以得到准确调节的定转子电流。永磁磁链观测器作为参数检测模块对母线电压、定转子电流以及磁链进行实时监测。

根据本实用新型而设计的基于无迹卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁磁链在线监测装置具有结构简单、监测数据精确，并对电机参数精确性不敏感，具有很强的鲁棒性。该装置既为控制系统提供准确的磁链信息，又能有效地防止电机失磁严重恶化，减小经济损失。

虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，包括：

参数检测模块，其与永磁同步电机相连接，用以获取所述永磁同步电机运行时的定子电流、定子电压、转子转速的参数值；

无迹非线性变换模块，其与所述检测模块连接，用以将检测采样的定子电流、定子电压、转子转速的实时参数进行无迹非线性变换，获得定子电流与永磁磁链估算值对应的sigma点集信息；

卡尔曼滤波器，其与所述无迹非线性变换模块，用以将无迹变换的定子电流与永磁磁链估算信息进行卡尔曼滤波，从而获得实时磁链参数的精确值；

比较及输出模块，其与所述卡尔曼滤波器连接，将经过所述卡尔曼滤波模块进行滤波的磁链参数与系统所设的阈值范围进行比较，并在离开所述范围时输出所述磁链参数。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与光电码盘及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的转子转速与转子位置。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述参数检测模块包括转子位置检测单元，其与电流传感器及信号调理电路连接，以检测永磁同步电机的定子电流。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述参数检测模块包括母线电压检测单元，其与母线电压传感器连接，以检测永磁同步电机的母线电压。

5.如权利要求1-4中任一项所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述无迹非线性变换模块包括IPARK变换单元和PARK单元，其中，IPARK变换单元将旋转坐标轴系下的定子电压转变二相静止坐标轴系中定子电压，PARK单元将二相静止坐标轴系中的定子电流转变为旋转坐标轴系下的定子电流。

6.如权利要求5所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述无迹非线性变换模块还包括CLARK变换单元，其将三相静止坐标系中三相定子电流转变为二相静止坐标轴系中的二相定子电流。

7.如权利要求1所述的永磁同步电机永磁磁链失磁监测装置，其特征在于，所述比较及输出模块还包括光电隔离驱动单元。