CN110971166A - 永磁同步发电机的转子位置的获取方法及控制*** - Google Patents
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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***,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***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
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***。
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***,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:
反转时:
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:
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;
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***,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***,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:
式中p为微分算子。定子磁链由积分得到:
转子磁链:为定子磁链减去电感与定子电流的乘积;
则估测的转子位置角和角速度可表示为:
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:
UV_AD即为线电压:
正转时:
反转时:
正转时:
反转时:
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***,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:轴电压,Ub:轴
电压, Ia:轴电流;Ib: 轴电流; Rs:定子电阻;Lc: 轴等效电感;1/s:积分;FluxRa:
轴磁链;FluxRb: 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:
由式(16)可推出:
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***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;
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。
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。
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***,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***,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***,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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