一种基于FPGA的同步电机励磁方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的同步电机励磁方法，属于励磁控制领域。首先利用给定基准电流与传感器测定的实际电机励磁绕组电流计算偏差值，并输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出。然后结合与主电路进线同步电压信号，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α，经放大输入六脉波晶闸管整流电路中；输出实际的电机励磁绕组电压施加给电动机，得到实际励磁绕组电流，被传感器测定反馈计算偏差值，形成闭环。本发明专利技术基于励磁控制板，运用优化改进的控制流程，可有效降低生产成本，同时也能快速地根据现场实际工况，调整励磁电压，安全稳定地完成对电动机的励磁控制。

A excitation method of synchronous motor based on FPGA

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的同步电机励磁方法
本专利技术属于励磁控制领域，具体涉及一种基于FPGA的同步电机励磁方法。
技术介绍
供给同步电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统，它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成，励磁功率单元向同步电机的转子提供励磁电流，而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的影响，励磁系统的主要作用有：根据电机负荷的变化相应地调节励磁电流，以维持电机端电压为给定值；控制并列运行的各电机间无功功率分配；提高电机并列运行的静态稳定性和暂态稳定性；当电机内部出现故障时，进行灭磁，以减少故障损失程度；根据运行要求，对电机实行最大和最小励磁限制。传统电动机励磁功能的完成基本选择国际领先的外国设备，例如西门子6RA70，其成本较高，虽然能适应各种工况自动调整励磁控制，但对于比较常见的应用现场，某些功能有些冗余，所以提供一种有效可靠的低成本同步电动机励磁方法具有一定的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于FPGA的同步电机励磁方法，用于实现同步电动机的励磁功能。一种基于FPGA的同步电机励磁方法，具体包括步骤：步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流ist与传感器测定的实际电机励磁绕组电流it计算偏差值ε。现场工况一般是指：负载类型、驱动器类型、电机运行频率和电机运行转速等；电动机的出厂参数包括：电机额定电压、额定电流、极对数和连接方式等。偏差值计算公式为：ε＝ist-it；步骤二、将偏差值ε输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，可跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出u。控制参数包括：比例系数、积分系数和微分系数；自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入辨识器和最优反馈增益模块；根据最优反馈控制理论，设计最优控制规律为：u(k)＝K(k)·X(k)；X(k)为状态变量；K(k)为最优反馈增益矩阵；K(k)＝-R-1BTA-T[P(k)-Q]＝[k1(k),k2(k),k3(k)]；R＝[1]；X(k+1)＝A·X(k)+B·ε(k)；B＝[01b0]T，ai、bj为同步电机励磁系统的实变参数，i＝1,2,3；j＝0,1,2。P(k)为离散Riccati(黎卡提)方程的解，P(k)＝Q+ATP(k)[I+BR-1BTP(k)]-1A；I为单位矩阵，Q＝diag[110100]；k1(k),k2(k),k3(k)分别代表传统PID调节器的传递函数中的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD，即KP＝k1(k)，KI＝k2(k)，KD＝k3(k)，保证自适应PID调节器的控制参数随系统实时变化，从而实现最优控制。步骤三、最优控制输出u结合与主电路进线电压同步的电压信号us，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α。具体为：输入信号：给定的基准电流ist，同步电压信号us结合辅助信号，首先经过采样芯片，实现信号的隔离和幅值转换，然后，将转换后符合电压范围的信号输入FPGA控制芯片，计算六脉波晶闸管的触发角α值，结合控制芯片中的软件锁相环单元，输出触发角；公式如下：α＝0.69-1.57×[U/(2.34×U0)-0.77]U为期望整流电路输出的最优控制u的有效值，U＝2.34U0cosα，式中U0为六脉波晶闸管整流电路三相进线的有效值。步骤四、FPGA控制芯片输出的触发角α经过功率管及脉冲变压器进行功率放大，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；六脉波晶闸管按控制时序依次导通，功率放大后的触发脉冲采用双窄脉冲形式，两个窄脉冲的前沿相差60度，脉冲宽度为20～30度。步骤五、主电路三相进线电压ui经过励磁变压器得到的电压u0作为六脉波晶闸管整流电路的输入，输出实际的电机励磁绕组电压Ed施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流it，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。本专利技术相比于现有技术，其优点在于：一种基于FPGA的同步电机励磁方法，在有效降低生产成本的同时，也能快速地根据现场实际工况，调整励磁电压，安全稳定地完成对电动机的励磁功能。附图说明图1为本专利技术一种基于FPGA的同步电机励磁方法的原理图；图2为本专利技术一种基于FPGA的同步电机励磁方法的流程图；图3为本专利技术基于FPGA控制芯片的励磁装置电路结构图；图4为本专利技术基于FPGA的同步电机励磁装置框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种基于FPGA的同步电机励磁方法，如图1所示，电动机的实际励磁绕组电流it结合给定基准电流ist计算偏差值ε，结合辅助信号输入自适应PID调节器中，经最优反馈增益模块实现最优控制输出u，结合主电路进线的同步电压信号us求取六脉波晶闸管的触发角α，进行功率放大后，将实际的触发脉冲输入六脉波晶闸管整流电路中；输出实际的电机励磁绕组电压Ed施加给电动机，得到电动机的实际励磁绕组电流it，被传感器测定反馈计算偏差值ε，形成闭环。如图2所示，具体包括步骤：步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流ist与传感器测定的实际电机励磁绕组电流it计算偏差值ε。现场工况一般是指：负载类型、驱动器类型、电机运行频率和电机运行转速等；电动机的出厂参数包括：电机额定电压、额定电流、极对数和连接方式等。偏差值计算公式为：ε＝ist-it；步骤二、将偏差值ε作为自适应PID调节器的输入量，结合辅助信号，对电动机的参数进行实时辨识，并将辨识参数代入离散的黎卡提方程，求解最优反馈增益作为传统PID调节器的比例、积分、微分系数，目的为了对传统PID调节器优化改进，实现最优控制输出u。辅助信号包括：最小励磁限制、最大励磁限制、励磁电流给定输入为0时的定标等。自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入自校正控制，包含辨识器和最优反馈增益模块；辨识器在电动机的参数或运行状态发生变化时，对励磁系统进行辨识。最优反馈增益模块用来计算最优反馈增益。在研究励磁控制时，可以把同步电动机用一阶滞后环节来近似描述，传递函数为：其中KG表示电动机的放大系数，Td表示其时间常数；S为S域的符号。对移相触发、功率放大和六脉波晶闸管整流器的传递函数进行泰勒级数展开并略去高次，得到简化的传递函数为：KZ为电压放大系数，TZ为放大单元的时间常数；信号检测单元描述成一阶惯性环节，其传递函数为：KR为输入输出比例系数，TR为测量回路的时间常数。因此，对于自适应PID调节器来说，控制对象可等效为一个三阶模型，将该模型转换成Z域通用的3阶离散数学模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于，具体包括步骤：/n步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流i

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的同步电机励磁方法，其特征在于，具体包括步骤：
步骤一、根据试验现场的工况，结合电动机的出厂参数，利用给定基准电流ist与传感器测定的实际电机励磁绕组电流it计算偏差值ε；
偏差值计算公式为：ε＝ist-it；
步骤二、将偏差值ε输入自适应PID调节器，经最优反馈增益模块计算最优控制参数值，可跟踪辨识器实时变化，实现最优控制输出u；
自适应PID调节器是在传统的PID调节器本体基础上，加入辨识器和最优反馈增益模块；
根据最优反馈控制理论，设计最优控制规律为：u(k)＝K(k)·X(k)；
X(k)为状态变量；K(k)为最优反馈增益矩阵；
K(k)＝-R-1BTA-T[P(k)-Q]＝[k1(k),k2(k),k3(k)]；
R＝[1]；X(k+1)＝A·X(k)+B·ε(k)；B＝[01b0]T，ai、bj为同步电机励磁系统的实变参数，i＝1,2,3；j＝0,1,2；
P(k)为离散Riccati(黎卡提)方程的解，P(k)＝Q+ATP(k)[I+BR-1BTP(k)]-1A；
I为单位矩阵，Q＝diag[110100]；k1(k),k2(k),k3(k)分别代表传统PID调节器的传递函数中的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD，即KP＝k1(k)，KI＝k2(k)，KD＝k3(k)，保证自适应PID调节器的控制参数随系统实时变化，从而实现最优控制；
步骤三、最优控制输出u结合与主电路进线电压同步的电压信号us，作为移相触发单元的输入控制信号，求取六脉波晶闸管的触发角α；
具体为：
输入信号：给定的基准电流ist，同步电压信号us结合辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋珺，段巍，王成胜，李凡，兰志明，杨琼涛，杨培，
申请(专利权)人：北京金自天正智能控制股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11