CN108242904A - 一种永磁同步电机零无功功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机零无功功率控制方法，包括电机转速闭环、交直轴电流分配方法、交直轴电流双闭环、交直轴电压前馈解耦以及空间矢量调制五个部分。本发明利用电机转速环给定电机交直轴电流矢量幅值，利用交直轴电流分配方法分配电机交直轴电流给定，交直轴电流双闭环保证电机实际电流对于给定值的跟踪，实现永磁同步电机有功功率满足负载要求、无功功率为零的目的。实现永磁同步电机零无功功率运行，减少电网无功功率损耗，提高电网电压质量，这对于国民经济发展具有重大意义。转速调节器以及电流调节器可采用PI调节器、PID调节器、模糊PI调节器、模糊PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

Description

一种永磁同步电机零无功功率控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制方法，特别是涉及一种永磁同步电机零无功功率控制方法。

背景技术

近年来，学者针对永磁同步电机控制策略进行了深入的研究，主要有直接转矩控制策略、i_d＝0控制策略、弱磁控制策略、最大转矩电流比控制策略等。直接转矩控制策略不需要电机位置角，不需要依赖电机参数，整个控制结构简单，鲁棒性好，对电机转矩以及电机定子磁链进行控制，满足电机负载要求，但是采用滞环控制，PWM频率不固定等缺点。

矢量控制技术是借鉴直流电机电枢电流与励磁电流垂直、无耦合以及可相互独立控制思路，对电机定子电流在同步旋转坐标系中大小和方向的控制，达到对交轴和直轴分量解耦控制目的，实现对电机磁场以及转矩控制。i_d＝0控制策略是最普遍的矢量控制技术，该控制策略简单，多用于伺服电机控制中。为提高电机转速调节范围，采用弱磁控制策略。为减小电机铜耗，提高电机效率，可采用最大转矩电流比控制策略。

但上述永磁同步电机控制策略都未考虑无功功率，若负荷侧有大量的永磁同步电机负载，电网无功补偿装置容量不足，导致电网电压降低，电网质量下降。

发明内容

发明目的：本发明的目的是实现永磁同步电机有功功率满足负载要求、无功功率为零的目的。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的永磁同步电机零无功功率控制方法，包括以下步骤：

S1：通过绝对式编码器、增量式编码器、霍尔位置传感器或者无位置传感器算法得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω^*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω^*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交直轴给定电流矢量幅值I^*；

S2：通过步骤S1得到的电流矢量幅值I^*计算交直轴电流分配角α，通过电流矢量幅值I^*与交直轴电流分配角α计算，得电机交轴电流给定直轴电流给定控制电机交直轴电流可控制永磁同步电机无功功率为零。电机交直轴给定电流如式(1)所示：

S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经过abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α轴电流i_α与β轴电流i_β，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d；将所述交轴电流i_q与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压将所述直轴电流i_d和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过电流调节器得到直轴电压

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压和直轴电压输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到解耦后的交轴电压根据公式得到解耦后的直轴电压其中，L_d为电机直轴电感，λ为永磁磁链值，L_q为电机交轴电感；

S5：将步骤S4得到的交轴参考电压和直轴参考电压以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下α轴参考电压和β轴参考电压将α轴参考电压β轴参考电压以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

进一步，所述速度调节器以及电流调节器可采用PI调节器、PID调节器、模糊PI调节器、模糊PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)无功功率为零，永磁同步电机仅输出有功功率，永磁同步电机高功率因数运行；

2)提高负荷端电网电压质量；

3)负荷侧不需要大容量无功补偿装置。

附图说明

图1为采用了本发明具体实施方式方法的***的整体控制框图；

图2为本发明具体实施方式的电机工作在负载0.5N·m时的有功功率仿真波形；

图3为本发明具体实施方式的电机工作在负载0.5N·m时的无功功率仿真波形；

图4为本发明具体实施方式的电机工作在负载1N·m时的有功功率仿真波形；

图5为本发明具体实施方式的电机工作在负载1N·m时的无功功率仿真波形；

图6为本发明具体实施方式的电机转速仿真波形图；

图7为本发明具体实施方式的电机转速仿真波形图；

图8为本发明具体实施方式的***硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本实施例的永磁同步电机零无功功率控制方法，包括电机转速闭环、交直轴电流分配方法、交直轴电流双闭环、交直轴电压前馈解耦以及空间矢量调制五个部分，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1：通过绝对式编码器、增量式编码器、霍尔位置传感器或者无位置传感器算法得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω^*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω^*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交直轴给定电流矢量幅值I^*；

S2：通过步骤S1得到的电流矢量幅值I^*计算交直轴电流分配角α，通过电流矢量幅值I^*与交直轴电流分配角α计算，得电机交轴电流给定直轴电流给定控制电机交直轴电流可控制永磁同步电机无功功率为零。电机交直轴给定电流如式(1)所示：

S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经过abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α轴电流i_α与β轴电流i_β，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d；将所述交轴电流i_q与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压将所述直轴电流i_d和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过电流调节器得到直轴电压

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压和直轴电压输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到解耦后的交轴电压根据公式得到解耦后的直轴电压其中，L_d为电机直轴电感，λ为永磁磁链值，L_q为电机交轴电感；

S5：将步骤S4得到的交轴参考电压和直轴参考电压以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下α轴参考电压和β轴参考电压将α轴参考电压β轴参考电压以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

其中，所述速度调节器以及电流调节器可采用PI调节器、PID调节器、模糊PI调节器、模糊PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

根据以上所述的步骤，利用MATLAB/Simulink仿真平台，搭建该仿真模型，并针对***负载分别为0.5N·m、1N·m时进行仿真，得出相应的仿真波形。图2为电机工作在负载0.5N·m时的有功功率仿真波形；图3为电机工作在负载0.5N·m时的无功功率仿真波形；图4为电机工作在负载1N·m时的有功功率仿真波形；图5为电机工作在负载1N·m时的无功功率仿真波形；图6为本发明具体实施方式的电机转速仿真波形图；图7为本发明具体实施方式的电磁转矩仿真波形图。根据图2与图4可得，电机满足负载要求，负载增加，电机有功功率增加；根据图3与图5可得，电机无功功率在零上下波动，最大值不超过20var，最小值不超过-20var；根据图6可得该控制方法对给定转速有良好跟踪性能，转速超调量小，响应速度快，抗干扰能力强；根据图7可知电机电磁转矩对于负载转矩有良好跟踪性能。仿真结果验证了本发明提出的永磁同步电机零有功功率控制算法的有效性。

上述算法的微机控制PWM调速***硬件结构图如图8所示，整个调速***的硬件电路由永磁同步电机、逆变器、控制电路、保护电路组成。电机的实时转速由电机自带的FBS检测，经脉冲整形，通过单片机的数字测速模块给中央处理器，电机转速或采用无位置传感器控制算法得到；电机的给定速度由键盘给出，通过单片机的I/O模块给中央处理器。利用电机的实时速度与给定速度的差值，经一个速度调节器，得出电机的交直轴电流矢量幅值；计算交直轴电流分配角以及分配电机交直轴电流给定分量；通过电流互感器实时测得电机三相相电流，经单片机的A/D模块，将电机的相电流的实时数据输送给中央处理器，经Clarke变化，将三相静止坐标系上的三相电流转换为两相静止坐标系上的αβ轴电流i_α与i_β，经一个Park变换，将两相静止坐标系下的电流i_α与i_β变换为同步旋转坐标系下的交直轴电流，与上述给定的交直轴参考电流构成反馈闭环，二者相减的信号经过电流调节器，经过电压的前馈补偿，得到电机在旋转坐标系下的交直轴参考电压，经过Clarke逆变换，将所得在两相静止坐标系下的αβ轴电压u_α与u_β信号给到SVPWM模块，SVPWM给出六路PWM波，六路PWM波经过光耦隔离电路，再经驱动电路，控制逆变器的功率管的开通与关断，带动电机旋转。

***保护电路由电压过压保护电路、电路过流保护电路以及温度检测电路组成，对电压、电流以及温度进行分析比较，若发生故障，立即通知单片机，避免故障进一步扩大，其中，检测回路中的电压、电流以及温度信号由A/D转换通道变为数字量进入单片机，显示单元显示当前电机的转速、相电压、相电流等等，电源供电电路转变为不同的电压等级，给故障保护电路、驱动电路、光耦隔离电路、调理电路以及单片机供电保证其正常工作。

本实施例利用电机转速环给定电机交直轴电流矢量幅值，利用交直轴电流分配方法分配电机交直轴电流给定，交直轴电流双闭环保证电机实际电流对于给定值的跟踪，实现永磁同步电机有功功率满足负载要求、无功功率为零的目的。实现永磁同步电机零无功功率运行，减少电网无功功率损耗，提高电网电压质量，这对于国民经济发展具有重大意义。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何非实质性改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机零无功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过绝对式编码器、增量式编码器、霍尔位置传感器或者无位置传感器算法得出当前的电机转子位置角θ，并计算电机转子的实际转速ω；再将当前电机转子的实际转速ω通过负反馈与给定转速ω^*构成转速外环，电机转子实际转速ω与给定转速ω^*相减得到转速偏差信号Δω，转速偏差信号Δω经过速度调节器后的输出信号作为电机交直轴给定电流矢量幅值I^*；

S2：通过步骤S1得到的电流矢量幅值I^*计算交直轴电流分配角α，通过电流矢量幅值I^*与交直轴电流分配角α计算，得电机交轴电流给定直轴电流给定控制电机交直轴电流可控制永磁同步电机无功功率为零；

S3：利用电流互感器采集逆变器的相电流i_a和i_b，经过abc/αβ变换得到在两相静止坐标系下的α轴电流i_α与β轴电流i_β，再经过αβ/dq变换得到两相旋转坐标系下的交轴电流i_q和直轴电流i_d；将所述交轴电流i_q与步骤S2得到的交轴电流给定值比较后，经过电流调节器得到交轴电压将所述直轴电流i_d和步骤S2得到的直轴电流给定值比较后，再经过电流调节器得到直轴电压

S4：将步骤S3中得到两相旋转坐标系下的交轴电压和直轴电压输入到前馈解耦控制器中，根据公式得到解耦后的交轴电压根据公式得到解耦后的直轴电压其中，L_d为电机直轴电感，λ为永磁磁链值，L_q为电机交轴电感；

S5：将步骤S4得到的交轴参考电压和直轴参考电压以及当前的电机转子位置角θ输给dq/αβ单元，输出两相静止坐标系下α轴参考电压和β轴参考电压将α轴参考电压β轴参考电压以及直流母线电压V_dc输入到SVPWM单元中，SVPWM单元输出六路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机零无功功率控制方法，其特征在于：所述速度调节器以及电流调节器可采用PI调节器、PID调节器、模糊PI调节器、模糊PID调节器、滑膜调节器或者神经网络调节器。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机零无功功率控制方法，其特征在于，步骤S2中：

所述电机交直轴给定电流如式(1)所示：