一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据单位功率因数控制关系式得到给定定子电流的m轴分量；利用全阶磁链观测模型观测电机的磁链，得到气隙磁链的相位角和幅值；根据气隙磁链的相位角和给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过矢量控制算法得到与电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据脉冲矢量控制三相逆变器中开关的开通状态；根据气隙磁链的幅值控制电机的励磁电压，以使气隙磁链幅值跟踪给定的气隙磁链值。本申请可实现单位功率因数控制，且基于全阶磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。

A Control Method and System of Air-gap Field Orientation for Electrically Excited Synchronous Motor

The invention discloses an air gap field oriented control method and system of an electric excitation synchronous motor, which includes: acquiring the T-axis component of the given stator current and the given air gap flux linkage of the electric excitation synchronous motor, and obtaining the M-axis component of the given stator current according to the control formula of the unit power factor; observing the flux linkage of the motor by using the full-order flux observation model, and obtaining the phase of the air gap flux linkage. Angle and amplitude; According to the phase angle of air gap flux linkage and the T-axis component and M-axis component of given stator current, the pulse vector corresponding to the three-phase inverter connected to the motor is obtained by vector control algorithm, so as to control the switching state of the three-phase inverter according to the pulse vector; and according to the amplitude of air gap flux linkage, the excitation voltage of the motor is controlled so that the amplitude of air gap flux linkage can track the given value. Air gap flux linkage value. This application can realize unit power factor control, and based on the full-order flux observation model, the orientation of air gap magnetic field is accurate, less affected by parameters, and can achieve complete decoupling control with better performance.

【技术实现步骤摘要】
一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统
本专利技术涉及大功率调速领域，特别是涉及一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统。
技术介绍
电励磁同步电机作为一种典型的同步电机，在大功率调速系统中得到了广泛应用。目前，电励磁同步电机的控制方式主要有两种：基于磁场定向的矢量控制方式和基于转矩的直接转矩控制方式。而电励磁同步电机的矢量控制主要有：转子磁场定向控制、气隙磁场定向控制、定子磁场定向控制及阻尼磁场定向控制。在这几种磁场定向控制中，转子磁场定向控制的数学模型最为简单，所以其较为常用。现有技术中，在转子磁场定向控制方式下，电励磁同步电机的磁链方程为(不考虑阻尼绕组)：ψsd＝Ldisd+Ladif、ψsq＝Lqisq；电压方程为：usd＝Rsisd-ωrψsq、usq＝Rsisq+ωrψsd；转矩方程为：Te＝(Ld-Lq)isdisq+Ladifisq；其中，ψsd为定子磁链的d轴分量，ψsq为定子磁链的q轴分量，Ld为纵轴同步电感，Lq为横轴同步电感，Lad为纵轴电枢反应电感，isd为定子电流的d轴分量，isq为定子电流的q轴分量，if为励磁电流，usd为定子电压的d轴分量，usq为定子电压的q轴分量，Rs为定子电阻，ωr为电机的角速度，Te为电机的转矩。可见，传统的转子磁场定向控制无法完全实现磁链和转矩的解耦控制，定向准确性受参数影响较大，导致动态控制性能较差。而在气隙磁场定向控制方式下，只要气隙磁场保持恒定，便可实现磁链和转矩的完全解耦，但气隙磁场的定向准确性同样较低，且无法实现单位功率因数控制，导致整个系统的效率较低。因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法及系统，可实现电机的单位功率因数控制，从而提高了整个系统的效率；而且，本申请是基于全阶的磁链观测模型，气隙磁场的定向准确，受参数影响较小，可实现完全解耦控制，性能较优。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，ism*为所述给定定子电流的m轴分量，ψσ*为所述给定气隙磁链，Lsl为定子漏抗，ist*为所述给定定子电流的t轴分量；利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。优选地，所述获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链的过程具体为：获取所述电机的实际转速，并求取所述电机的给定转速与所述实际转速之间的转速误差；将所述转速误差经速度调节器调节后得到所述电机的给定定子电流的t轴分量；获取所述电机的定子电压，并求取所述电机的给定定子电压与所述定子电压之间的定子电压误差；将所述定子电压误差经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，并将所述气隙磁链补偿值补偿至所述电机的预设气隙磁链，得到所述电机的给定气隙磁链。优选地，所述根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量的过程具体为：获取所述电机的三相交流电流，并根据所述气隙磁链的相位角将所述三相交流电流经坐标转换后得到所述电机的定子电流的t轴分量ist及m轴分量ism；将ist、ism对应与ist*、ism*作差，并将两个差值分别经电流调节器调节后对应得到所述电机的定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量；将所述电机的给定定子电压的t轴前馈分量ust*及m轴前馈分量usm*与所述定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量对应求和，得到补偿后的定子电压的t轴分量ust及m轴分量usm；根据所述气隙磁链的相位角将ust、usm经坐标转换后再经空间矢量脉宽调制SVPWM调制，得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。优选地，所述根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值的过程具体为：将给定的气隙磁链值与所述气隙磁链的幅值作差，并将二者差值经磁链调节器调节后得到所述电机的给定励磁电流if*；获取所述电机的励磁电流if，并求取if*与if之间的励磁电流误差；将所述励磁电流误差经对应的电流调节器调节后得到所述电机的给定励磁电压uf*；根据uf*调整所述电机的转子对应的控制角，使所述电机的励磁电压uf跟踪uf*，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。优选地，所述全阶磁链观测模型的预设过程具体为：根据所述电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型，以其定子磁链、转子磁链及阻尼磁链为状态变量建立所述电机的状态方程；根据所述状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建所述电机的全阶磁链观测器；获取所述电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取所述电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用所述全阶磁链观测器对所述电机的磁链进行观测。优选地，获取所述电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：预先根据所述三相逆变器对应的直流侧电压及脉冲矢量设置相电压重构关系式；利用所述相电压重构关系式重构所述定子输入的相电压，并将所述相电压经坐标变换得到定子电压的d轴分量及q轴分量。优选地，所述相电压重构关系式具体为：其中，uan、ubn、ucn对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电压的a相分量、b相分量、c相分量，Udc为所述直流侧电压，Sj为三电平开关函数，ia、ib、ic对应为所述电机在abc三相静止坐标系下定子电流的a相分量、b相分量、c相分量，ΔU为预设误差电压。优选地，获取所述电机的励磁电压的过程具体为：利用预设励磁电压重构关系式uf＝0.9*u1*(1+cosα)*0.5重构所述电机的励磁电压；其中，uf为励磁电压，u1为所述转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角。优选地，所述预设反馈矩阵具体为：其中，g1、g2、g3、g4、g5为反馈矩阵G的5个自由度，其设置依据为所述全阶磁链观测器所配置的极点位置。为解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制系统，包括：功率因数控制单元，用于获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，ism*为所述给定定子电流的m轴分量，ψσ*为所述给定气隙磁链，Lsl为定子漏抗，ist*为所述给定定子电流的t轴分量；磁链观测单元，用于利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；矢量控制单元，用于根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式

【技术特征摘要】
1.一种电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，包括：获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链，并根据预设单位功率因数控制关系式得到电机的给定定子电流的m轴分量；其中，ism*为所述给定定子电流的m轴分量，ψσ*为所述给定气隙磁链，Lsl为定子漏抗，ist*为所述给定定子电流的t轴分量；利用预设全阶磁链观测模型观测所述电机的磁链，得到所述电机的气隙磁链的相位角和幅值；根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量，以根据所述脉冲矢量控制所述三相逆变器中开关的开通状态；根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值。2.如权利要求1所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述获取电励磁同步电机的给定定子电流的t轴分量和给定气隙磁链的过程具体为：获取所述电机的实际转速，并求取所述电机的给定转速与所述实际转速之间的转速误差；将所述转速误差经速度调节器调节后得到所述电机的给定定子电流的t轴分量；获取所述电机的定子电压，并求取所述电机的给定定子电压与所述定子电压之间的定子电压误差；将所述定子电压误差经电压调节器调节后得到气隙磁链补偿值，并将所述气隙磁链补偿值补偿至所述电机的预设气隙磁链，得到所述电机的给定气隙磁链。3.如权利要求2所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述根据所述气隙磁链的相位角和所述给定定子电流的t轴分量及m轴分量，通过预设矢量控制算法得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量的过程具体为：获取所述电机的三相交流电流，并根据所述气隙磁链的相位角将所述三相交流电流经坐标转换后得到所述电机的定子电流的t轴分量ist及m轴分量ism；将ist、ism对应与ist*、ism*作差，并将两个差值分别经电流调节器调节后对应得到所述电机的定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量；将所述电机的给定定子电压的t轴前馈分量ust*及m轴前馈分量usm*与所述定子调制电压的t轴调节分量及m轴调节分量对应求和，得到补偿后的定子电压的t轴分量ust及m轴分量usm；根据所述气隙磁链的相位角将ust、usm经坐标转换后再经空间矢量脉宽调制SVPWM调制，得到与所述电机连接的三相逆变器对应的脉冲矢量。4.如权利要求3所述的电励磁同步电机的气隙磁场定向控制方法，其特征在于，所述根据所述气隙磁链的幅值控制所述电机的励磁电压，以使所述气隙磁链的幅值跟踪给定的气隙磁链值的过程具体为：将给定的气隙磁链值与所述气隙磁链的幅值作差，并将二者差值经磁链调节器调节后得到所述电机的给定励磁电流if*；获取所述电机的励磁电流if，并求取if*与if之间的励磁电流误差；将所述励磁电流误差经对应的电流调节器调节后得到所述电机的给定励磁电压uf*；根据uf*调整所述电机的转子对应的控制角，使所述电机的励...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘韦韦，徐绍龙，郭维，陈科，侯招文，王文韬，李宗帅，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43