基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，包括：电压传感器、电流传感器、匹配电阻A、匹配电阻B、调理放大器、A／D转换器、绝对值编码器、速度传感器、FPGA、DSP。本实用新型的优点：在全速范围内都可以有效地观测磁链；可以应用在交交变频电励磁同步电机矢量控制系统中，使系统具有良好的调速性能；使用的电压模型无传统电压模型的饱和以及初始误差问题；使用的电压模型可以有效地跟踪磁链幅值变化；电压模型在速度动态变化时使用转速和电流模型补偿得到同步角可以有效地跟踪磁链变化。
【专利说明】基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及交交变频电励磁同步电机矢量控制系统磁链观测器研究，尤其是以基于交交变频器电励磁同步电机矢量控制系统为研究对象，提出了新型磁链观测器，该观测器结合了电流模型和基于比例谐振控制器的电压模型，阐明了新型磁链观测器的原理，具体涉及基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置。
【背景技术】
[0002]交交变频电励磁同步电机系统在大功率及特大功率低频场合如矿井提升、轧机、船舶推进和大型发电机交流励磁等领域有着广泛的应用。
[0003]基于晶闸管的交交变频器具有效率高、易于实现负载侧与电源侧之间的能量回馈、过载能力强等优点，电励磁同步电机具有功率因数可控、大功率电机制造容易等优点。
[0004]交交变频电励磁同步电机的控制采用基于气隙磁链定向的矢量控制系统。气隙磁链的获取是同步电机矢量控制系统的基础。气隙磁链可通过电流模型和电压模型获取。电流模型使用电流求取磁链，在低速和零速下可准确获取磁链，但由于需要参数较多，在速度较高时磁链计算误差较大。传统电压模型是通过对定子电动势积分求取磁链，速度低时定子电动势小，导致计算误差大，适用于在较高转速范围计算磁链。然而传统电压模型在实际应用时存在积分器饱和、初始积分误差、数字控制系统相位滞后误差等问题。
[0005]针对传统电压模型存在的问题，出现了很多改进方法。文献l(Hurst K D，Hableter T,Griva G，et al.Zero-speed tacholess IM torque control:Simply a matterof stator voltage integration[J].1EEE Transactions on Industry Applications，1998,34(4):790-795.)使用低通滤波器代替纯积分器来改善电压模型，这种方法取得了一定的效果，但是该方法对磁链的幅值和相位估计都产生一定的误差。文献2 (文晓燕，郑琼林，韦克康等.带零漂补偿和定子电阻自校正的磁链观测器[J].中国电机工程学报2011,31 (12):102-107.)在低通滤波方法的基础上根据定子磁链计算值和定子电流进行零漂和电阻误差在线估计，对相应变量进行校正来消除观测结果中的直流分量，该方法取得较好效果，但实现起来较复杂。文献3 (高金文，温旭辉，陈静薇等.新型锁相环定子磁链观测器[J].中国电机工程学报2007，27 (18):41-47.)使用基于锁相环原理内置PI速度跟踪调节器的磁链观测器，本质上是认为电动势的磁链轴分量为零，这在动态过程中不成立的。文献4(王宇，邓智泉，王晓琳.一种新颖的电机磁链辨识算法[J].中国电机工程学报，2007，27 (6):39-44.)采用高通滤波器和坐标变换结合的方法来消除纯积分环节带来的问题，并对电压同步角频率分量的相位进行补偿，该方法操作简单，但是由于电机定子电压谐波含量大，这种方法对定子电压高频分量抑制较弱，带来了相位和幅值误差。
实用新型内容
[0006]针对现有技术的不足之处，本实用新型的目的是为了实现同步电机全速范围内观测磁链并消除传统电压模型存在的问题，提出了一种结合电流模型和基于比例谐振控制器的电压模型磁链观测器，见图1。该模型在低速段使用电流模型观测磁链，在高速段采用基于比例谐振控制器的电压模型观测磁链，并使用线性过渡的方法来完成模型间的过渡。
[0007]根据本实用新型提供的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，包括:电压传感器、电流传感器、匹配电阻A、匹配电阻B、调理放大器、A / D转换器、绝对值编码器、速度传感器、FPGA、DSP ；
[0008]连接关系为:
[0009]电压传感器的输出端连接匹配电阻A ;
[0010]电流传感器的输出端连接匹配电阻B ；
[0011]匹配电阻A、匹配电阻B的输出端均连接调理放大器的输入端；
[0012]调理放大器的输出端连接A / D转换器的输入端；
[0013]A / D转换器的输出端连接DSP的输入端；
[0014]绝对值编码器的输出端连接FPGA的输入端；
[0015]速度传感器的输出端连接FPGA的输入端；
[0016]FPGA的输出端连接DSP的输入端；
[0017]进一步地:
[0018]匹配电阻A、匹配电阻B分别将电压传感器和电流传感器输出的电流或电压信号调理成为调理放大器输入电压信号(+1.0V?-1.0V)；
[0019]调理放大器将匹配电阻A、匹配电阻B的输出调节为A / D转换器要求的+IOV?-1OV的电压信号；
[0020]A / D转换器将模拟量信号转换成数字量信号；
[0021]FPGA将绝对值编码器输出的串行信号转换成并行的数字信号；
[0022]FPGA将速度传感器输出的脉冲信号转换成并行的数字信号；
[0023]DSP根据A / D转换后的数字信号结合FPGA提供的转子角速度和转子位置信息计算出磁链。
[0024]优选地，调理放大器的型号为INA159。
[0025]优选地，A / D转换器的型号为ADS8365。
[0026]优选地，绝对值编码器的型号为AVM58N-011K1R0GN-1213。
[0027]优选地，速度传感器的型号为RVI50N-09BK0A3TN-01000。
[0028]优选地，FPGA的型号为 EPF10K50EQC208-1。
[0029]优选地，DSP的型号为 TMS320F28335。
[0030]利用本实用新型可以实现基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测方法，包括如下步骤:
[0031]步骤1:采样电机的电压、电流、转子位置和转子速度信号，并将电压和电流进行3/2变换；
[0032]步骤2:根据电流模型计算出电流模型磁链备用；
[0033]步骤3:根据电压模型计算出电压模型磁链备用，该电压模型为基于比例谐振控制器的电压模型；
[0034]步骤4:根据转子角速度判断是使用电流模型磁链还是电压模型磁链。
[0035]优选地,所述步骤3包括如下子步骤:[0036]步骤3.1:根据电压、电阻和电流计算电动势；
[0037]步骤3.2:使用电流模型和转子角速度计算出同步角速度；
[0038]步骤3.3:对电动势使用比例谐振控制器进行同步角速度分量提取；
[0039]步骤3.4:根据坐标变换计算出电压模型磁链。
[0040]与现有技术相比，本实用新型由于采用了以上技术方案，其具有以下优点:
[0041]I)在全速范围内都可以有效地观测磁链。
[0042]2)可以应用在交交变频电励磁同步电机矢量控制系统中，使系统具有良好的调速性能。
[0043]3)使用的 电压模型无传统电压模型的饱和以及初始误差问题。
[0044]4)使用的电压模型可以有效地跟踪磁链幅值变化。
[0045]5)电压模型在速度动态变化时使用转速和电流模型补偿得到同步角可以有效地跟踪磁链变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0047]图1为磁链观测器原理框图；
[0048]图2为基于电流给定值的电流模型原理图；
[0049]图3为基于坐标变换的电压模型原理框图；
[0050]图4为基于比例谐振控制器的同步电动势提取框图；
[0051]图5为传统积分和比例谐振控制器算法对比波形；
[0052]图6为突加励磁电流时的磁链响应；
[0053]图7、图8为重载时速度变化时的磁链响应；
[0054]图9为全速范围内磁链观测波形；
[0055]图10为交交变频电励磁同步电机矢量控制系统结构图；
[0056]图11为数字控制器结构；
[0057]图12至16为重载工况下矢量控制系统波形；
[0058]图17为本实用新型的结构原理图。
【具体实施方式】
[0059]下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0060]1、比例谐振控制器提取信号
[0061]比例控制器和谐振控制器结合，即比例谐振(Proportional Resonant, PR)控制器，可以实现对谐振频率的信号的提取。其传递函数Gpk(s)为
[0062]G』= ~+^/+(y2)[0063]式中，kp为比例系数，T i为谐振控制器时间常数，CO为谐振频率。
[0064]2、基于坐标变换的电压模型磁链观测算法
[0065]电动势和磁链的关系如下
[0066]
【权利要求】
1.一种基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，包括:电压传感器、电流传感器、匹配电阻A、匹配电阻B、调理放大器、A / D转换器、绝对值编码器、速度传感器、FPGA、DSP ； 连接关系为: 电压传感器的输出端连接匹配电阻A ； 电流传感器的输出端连接匹配电阻B ； 匹配电阻A、匹配电阻B的输出端均连接调理放大器的输入端； 调理放大器的输出端连接A / D转换器的输入端； A / D转换器的输出端连接DSP的输入端； 绝对值编码器的输出端连接FPGA的输入端； 速度传感器的输出端连接FPGA的输入端； FPGA的输出端连接DSP的输入端； 进一步地: 匹配电阻A、匹配电阻B分别将电压传感器和电流传感器输出的电流或电压信号调理成为调理放大器输入电压信号； 调理放大器将匹配电阻A、匹配电阻B的输出调节为A / D转换器要求的的电压信号； A / D转换器将模拟量信号转换成数字量信号； FPGA将绝对值编码器输出的串行信号转换成并行的数字信号； FPGA将速度传感器输出的脉冲信号转换成并行的数字信号； DSP根据A / D转换后的数字信号结合FPGA提供的转子角速度和转子位置信息计算出磁链。
2.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，调理放大器的型号为INA159。
3.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，A / D转换器的型号为ADS8365。
4.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，绝对值编码器的型号为AVM58N-011K1R0GN-1213。
5.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，速度传感器的型号为RVI50N-09BK0A3TN-01000。
6.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，FPGA 的型号为 EPF10K50EQC208-1。
7.根据权利要求1所述的基于比例谐振控制器的同步电机磁链观测装置，其特征在于，DSP 的型号为 TMS320F28335。
【文档编号】H02P21/13GK203522601SQ201320594203
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】姜建国, 王贵峰, 周金邢, 罗*, 徐亚军, 乔树通 申请人:上海交通大学