一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法与流程

1.本发明涉及三级式同步发电机技术领域，尤其是一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法。


背景技术：

2.现代交流驱动控制系统一般是基于磁场定向矢量控制，这种控制方法能够获得较高的运行效率，但是需要转子位置传感器提供的实际和准确的信息。然而，在实践中，由于驱动器的设计原因，不是总能够使用位置传感器。在这种情况下，就需要具有较低成本的无传感器控制系统。此外，无传感器系统不仅消除了受噪声影响的长信号线的问题，而且还可以与传感器一起使用，在传感器或通信线路断裂的情况下继续工作，提高了电机运行的可靠性和容错性。
3.目前有许多用于三级式同步发电机的无位置传感器控制系统，但大多数方案中的电机都不是在接近于零的低速运行，比如：1、通过观察电机对高频信号的响应进而监测转子位置。这种方案需要高精度计算而且耗时，还导致定子电流和电机电磁转矩的高频脉动。
4.2、在永磁体磁化钢的过程中改变各相电感。该方法动态特性低，仅适用于电机初始位置和接近零速度的确定。
5.3、基于数学模型的观测器使用电机的已知微分方程。这种类型的观测器比较容易实现和配置，但是它们需要电机电阻和电感的精确值，这可能会因电机温升而变化。
6.为了消除观测器的上述缺陷，研究人员提出了许多改善措施。例如，建立发动机的参考模型和参数的自适应调整，考虑机器参数的变化，实现高精度并提供广泛的观测范围。与低速受限操作相关的问题可以使用经典梯度算法来解决。该算法在广泛的工作范围内给出了良好的结果，但需要求解二阶微分方程，这使工作复杂化，也需要大量的计算资源。


技术实现要素：

7.本发明解决了现有观测器在低速受限的问题，提出一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，使得发动机启动在内的各种速度范围内都是稳定的。
8.为实现上述目的，提出以下技术方案：一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：s1，在代数观测器中，基于pi调节器构建负反馈回路，得到闭环反馈观测器；s2，设定闭环反馈观测器的截止频率和阻尼系数，获取闭环反馈观测器的反馈下限频率；s3，当闭环反馈观测器的反馈回路在达到反馈下限频率后由控制信号接通，此时电机emf的形式设置为正弦，则磁链投影的瞬时值包含转子轴α相对于定子轴α的实际角位置的信息，用以下表达式表示：
其中ψm是转子磁链振幅；使用三角函数求出转子的角度：转子转速为：
9.本发明基于代数转子位置观测器，所提出的闭环反馈观测器的关键特征是能够从零速度工作，解决了现有技术的难题。此外本发明所提出的闭环反馈观测器在运行期间对定子的电阻和电感的变化也是鲁棒的，与其他解决方案相比，所提出的闭环反馈观测器易于实现和配置。
10.作为优选，所述s1具体包括以下步骤：设定代数观测器的计算磁链：计算转子磁链矢量在《α，β》坐标系中投影的瞬时值：ψr＝∫(u
s-r
sis
)dt-l
sis
；其中是电压列矢量；是定子电流列矢量；rs是定子绕组的有效电阻；ls是定子电感；在计算磁链中引入负反馈：负反馈是在pi调节器的基础上实现的：其中s是拉普拉斯算子；拉普拉斯空间中的磁通量关联表达式采用以下形式：整理成标准格式如下：其中是闭环时间常数；为阻尼系数；
则等高线的截止频率为：
11.作为优选，所述s2具体包括以下步骤：选择截止频率为f
cf
＝0.3hz，阻尼系数为ξ
cf
＝2；获取三级式同步发电机的定子的实际电阻值和电感值，根据定子的实际电阻值和电感值对闭环反馈观测器进行初始化；从低速开始，对初始化后的闭环反馈观测器进行测试得到反馈下限频率。
12.作为优选，所述s2还包括计算闭环反馈观测器的过渡时间：
13.作为优选，所述s1还包括利用一阶低通滤波器来控制闭环速度控制回路的运行，所述一阶低通滤波器的截止频率f
fw
远小于电流控制回路的截止频率fi：f
fw
＜＜fi。
14.作为优选，所述闭环反馈观测器的定子电压值u
mi
的计算公式如下：其中i是相位数，n
pwm
是pwm参考信号的幅度。
15.本发明的有益效果是：本发明基于代数转子位置观测器，所提出的闭环反馈观测器的关键特征是能够从零速度工作，解决了现有技术的难题。此外本发明所提出的闭环反馈观测器在运行期间对定子的电阻和电感的变化也是鲁棒的，与其他解决方案相比，所提出的闭环反馈观测器易于实现和配置。
附图说明
16.图1是实施例的控制系统框图；图2是实施例的闭环反馈观测器的频率响应示意图；图3是实施例的闭环反馈观测器控制框图；
具体实施方式
17.实施例：本实施例提出一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：s1，在代数观测器中，基于pi调节器构建负反馈回路，得到闭环反馈观测器；s2，设定闭环反馈观测器的截止频率和阻尼系数，获取闭环反馈观测器的反馈下限频率；s3，当闭环反馈观测器的反馈回路在达到反馈下限频率后由控制信号接通，此时电机emf的形式设置为正弦，则磁链投影的瞬时值包含转子轴α相对于定子轴α的实际角位置的信息，用以下表达式表示：
其中ψm是转子磁链振幅；使用三角函数求出转子的角度：转子转速为：
18.代数观测器的基本工作原理使用同步电机方程表达式计算转子磁链矢量在《α，β》坐标系中投影的瞬时值：ψr＝∫(u
s-r
sis
)dt-l
sis
(1)其中是电压列矢量；是定子电流列矢量；rs是定子绕组的有效电阻；ls是定子电感。
19.为了减少瞬态过程，过滤电流和电压中的噪声，以及补偿运行期间绕组电阻和电感的变化，在计算磁链(1)的函数中引入了负反馈。
20.负反馈是在pi调节器的基础上实现的：其中s是拉普拉斯算子。
21.那么拉普拉斯空间中的磁通量关联表达式采用以下形式：整理成标准格式如下：其中是闭环时间常数；为阻尼系数。
22.等高线的截止频率为：为确保观测器的性能，从低速开始，选择截止频率为f
cf
＝0.3hz，阻尼系数为ξ
cf
＝
2。
23.图2显示了与积分器特性相比的闭环反馈回路的频率响应。
24.从图2可以看出，当频率等于f＝4hz时，闭环反馈回路的频率响应与积分器的频率响应一致，这是观测器闭环反馈的下限。因此，从0hz到4hz，观测器的反馈回路不工作。
25.闭环反馈观测器的过渡时间定义为：观测器工作时，根据方程(1-4)，需要定子的电阻和电感值。当定子温度从-40℃变化到80℃时，定子电阻变化了2倍。
26.为了确定实际电阻值，在启动前施加恒定电压的测试信号。电阻的实际值是根据欧姆定律从测量电流中计算出来的。初始化过程后，观测器准备好操作。
27.图3所示的观测器框图框图。反馈回路在达到4hz的频率之后由控制信号fy接通。电机emf的形式设置为正弦，则磁链投影的瞬时值包含转子轴α相对于定子轴α的实际角位置的信息，可以用以下表达式表示：可以用以下表达式表示：其中ψm是转子磁链振幅。
28.由此，可以使用三角函数求出转子的角度：转子转速为：三级同步电机控制系统的完整框图如图1所示。该控制系统是一个经典的双回路双通道自动控制系统，基于重新定向的d，q坐标系中的pi控制器。当前角度控制单元在改变转速(励磁)时提供最大扭矩。
29.当使用观测器时，为了使闭环速度控制回路稳定运行，需要一阶低通滤波器(lpf
ω
)。滤波器的截止频率设置得比电流控制回路的截止频率小得多：f
fw
＜＜fi由于使用pwm，定子的实际电压包含高频频谱。在这方面，使用dc链路即u
dc
的电压和建模信号来计算观测器的定子电压值u
mi
：其中i是相位数，n
pwm
是pwm参考信号的幅度。

技术特征：
1.一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，包括以下步骤：s1，在代数观测器中，基于pi调节器构建负反馈回路，得到闭环反馈观测器；s2，设定闭环反馈观测器的截止频率和阻尼系数，获取闭环反馈观测器的反馈下限频率；s3，当闭环反馈观测器的反馈回路在达到反馈下限频率后由控制信号接通，此时电机emf的形式设置为正弦，则磁链投影的瞬时值包含转子轴α相对于定子轴α的实际角位置的信息，用以下表达式表示：用以下表达式表示：其中ψ
m
是转子磁链振幅；使用三角函数求出转子的角度：转子转速为：2.根据权利要求1所述的一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，所述s1具体包括以下步骤：设定代数观测器的计算磁链：计算转子磁链矢量在<α，β>坐标系中投影的瞬时值：ψ
r
＝∫(u
s-r
s
i
s
)dt-l
s
i
s
；其中是电压列矢量；是定子电流列矢量；r
s
是定子绕组的有效电阻；l
s
是定子电感；在计算磁链中引入负反馈：负反馈是在pi调节器的基础上实现的：其中s是拉普拉斯算子；拉普拉斯空间中的磁通量关联表达式采用以下形式：整理成标准格式如下：
其中是闭环时间常数；为阻尼系数；则等高线的截止频率为：3.根据权利要求2所述的一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，所述s2具体包括以下步骤：选择截止频率为f
cf
＝0.3hz，阻尼系数为ξ
cf
＝2；获取三级式同步发电机的定子的实际电阻值和电感值，根据定子的实际电阻值和电感值对闭环反馈观测器进行初始化；从低速开始,对初始化后的闭环反馈观测器进行测试得到反馈下限频率。4.根据权利要求3所述的一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，所述s2还包括计算闭环反馈观测器的过渡时间：5.根据权利要求1所述的一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，所述s1还包括利用一阶低通滤波器来控制闭环速度控制回路的运行，所述一阶低通滤波器的截止频率f
fw
远小于电流控制回路的截止频率f
i
：f
fw
＜＜f
i
。6.根据权利要求2所述的一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，其特征是，所述闭环反馈观测器的定子电压值u
mi
的计算公式如下：其中i是相位数，n
pwm
是pwm参考信号的幅度。

技术总结
本发明提出一种三级式同步发电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：S1，在代数观测器中，基于PI调节器构建负反馈回路，得到闭环反馈观测器；S2，设定闭环反馈观测器的截止频率和阻尼系数，获取闭环反馈观测器的反馈下限频率；S3，当闭环反馈观测器的反馈回路在达到反馈下限频率后由控制信号接通，此时电机EMF的形式设置为正弦，则磁链投影的瞬时值包含转子轴α相对于定子轴α的实际角位置的信息并计算转子的角度和转速。本发明使得发动机启动在内的各种速度范围内都是稳定的。在内的各种速度范围内都是稳定的。在内的各种速度范围内都是稳定的。


技术研发人员：武新章 潘建臣 张冬冬 郭平辉 童雨斌 罗涛 蔡贞
受保护的技术使用者：浙江超精电机科技有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/9/23