基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统及方法与流程

本发明涉及一种同步磁阻电机的控制装置，具体涉及一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统及方法。

背景技术：

同步磁阻电机因其具有的一系列优点(如成本较低，效率介于异步电机和永磁同步电机之间等)，已成为了取代异步电机和永磁同步电机在水泵、风机和空压机等领域进行应用的一种理想选择，而寻找一种适合同步磁阻电机无传感器控制的方法也成为了眼下研究的特点。

目前，国内外学者对此已进行了部分研究，如文献1(专利号：201710465148.6)阐述了一种基于直接转矩控制的同步磁阻电机弱磁控制系统，设计了一个转矩限幅自适应控制器，转矩的限制幅度能够随着电机参数变化自动进行调节，从而能实时精确的对从pi模块输出的给定电磁转矩进行限幅，避免了因对从pi模块输出的给定电磁转矩限幅失败而造成控制系统失控的发生，从而提高了系统的稳定性和控制精度。但是，该文献对定子磁链的观测采用了电压-电流观测模型，由于该模型使用了纯积分环节，微小的直流偏置都将最终导致积分饱和，造成磁链观测的幅值、相位偏差，进而引发转矩观测偏差，所以采用该方法的系统存在启动力矩不大，带载能力弱等问题。文献2(专利号：201410377874.9)，提供了一种永磁同步磁阻电机的最大转矩电流比控制方法，根据电机的电流实时调整电机的q轴电感和d轴电感，保证了电流和电感的同步性，大大提高了电机的控制精度，且有利于减小电机对负载扰动或目标速度变化的响应速度，但该文献的研究对象是永磁辅助同步磁阻电机，加工工艺复杂，本发明的研究对象没有永磁辅助。文献3(专利号：201610881133.3)，公开了一种同步磁阻电机启动控制方法、装置及控制器，根据电机的参数生成直轴电流时间函数和交轴电流时间函数，电流时间函数中直轴电流与启动时间负相关，通过在同步磁阻电机启动时，分别向直轴和交轴注入较大实时直轴电流和较大实时交轴电流，提高了电机带载启动能力和启动响应速度。但是因为注入的电流较大，在启动过程存在较大的噪声，实际应用时会受到限制。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统，包括第一减法器、恒压频率比v/f模块、定子电压空间矢量给定角度θ模块、第二减法器、基于无功功率计算的电压幅值补偿模块、基于有功功率计算的角度补偿模块、扇区计算模块、svpwm调制模块、clarke变换模块、整流/三相逆变器模块和同步磁阻电机；其特征在于：所述同步磁阻电机输出两相实际电流ia、ib到clarke变换模块；

clarke变换模块根据输入的两相实际电流ia、ib，经运算得出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ，并将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块和基于有功功率计算的角度补偿模块；

基于有功功率计算的角度补偿模块根据输入的静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ、定子电压空间矢量给定角度θ模块输出的定子电压空间矢量给定角度θ和第二减法器输出的新的定子电压矢量幅值vref1，经运算得出给定速度的补偿值δn，并将补偿值δn输出到第一减法器(；

上位系统分别输出给定速度nref到第一减法器和恒压频率比v/f模块；

第一减法器根据输入的给定速度nref和给定速度的补偿值δn，经运算得出新的给定速度n，并将新的给定速度n输出到定子电压空间矢量给定角度θ模块；

定子电压空间矢量给定角度θ模块根据输入的新的给定速度n，经运算得出定子电压空间矢量给定角度θ，并将定子电压空间矢量给定角度θ分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块、基于有功功率计算的角度补偿模块和扇区计算模块；

基于无功功率计算的电压幅值补偿模块根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和第二减法器输出的定子电压矢量幅值vref1，经运算得出定子电压矢量幅值的补偿值δvref，并将电压矢量幅值的补偿值δvref输出到第二减法器；

恒压频率比v/f模块根据输入的给定速度nref，经运算得出给定电压矢量幅值vref，并将给定电压矢量幅值vref输出到第二减法器；

第二减法器根据输入的给定电压矢量幅值vref和电压矢量的补偿值δvref，经运算得出新的定子电压矢量幅值vref1，并将新的定子电压矢量幅值vref1分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块、基于有功功率计算的角度补偿和svpwm调制模块；

扇区计算模块根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ，经运算得出定子电压矢量所处扇区值n，并将定子电压矢量所处扇区值n输出到svpwm调制模块；

svpwm调制模块根据输入的给定电压矢量幅值vref1和定子电压矢量所处扇区值n，经运算得出六路pwm信号，并将六路pwm信号输出到整流/三相逆变器模块；

整流/三相逆变器模块根据输入的六路pwm信号控制同步磁阻电机运行。

本发明还提供一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统：所述基于无功功率计算的电压幅值补偿模块包括无功功率计算模块、加法器和第一pi模块；

第二减法器输出新的给定电压参考值vref1、clarke变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及定子空间矢量给定角度θ模块输出定子空间矢量给定角度θ到无功功率计算模块；

无功功率计算模块根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和新的给定电压参考值vref1，经运算得出无功功率pq，并将其输出到加法器；

上位系统输出功率因数χ到加法器；

加法器根据输入的无功功率pq和功率因数χ，经运算得出误差值eq，并将误差值eq输出到第一pi模块；

第一pi模块根据输入的误差值eq，经运算得出定子电压矢量幅值的补偿值δvref，并将定子电压矢量幅值的补偿值δvref输出到第二减法器；

所述无功功率计算模块中无功功率pq的具体计算方法如下：

静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ和静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

无功电流iq为电流矢量i在电压矢量e法线上的投影，即：

为电压矢量e和电流矢量i幅角的差值，将代入式(3)可得：

无功功率pq为电压矢量e的模e和无功电流iq的乘积；即

pq＝e·iq(5)

新的给定电压参考值vref1即为电压矢量e的模e，静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ的模eα、eβ根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ和新的给定电压参考值vref1，可得：

eα＝vref1×cos(θ)(6)

eβ＝vref1×sin(θ)(7)

定子电压空间矢量给定角度θ等于电压矢量e的幅角由式(4)、(5)、(6)和(7)，得出：

作为对本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统的改进：所述基于有功功率计算的角度补偿模块包括有功功率计算模块、低通滤波器模块、第四减法器和第二pi模块；

第二减法器输出新的给定电压参考值vref1、clarke变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及定子空间矢量给定角度θ模块输出定子空间矢量给定角度θ到有功功率计算模块；

有功功率计算模块根据输入的新的给定电压参考值vref1、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ、和定子电压空间矢量给定角度θ，经运算输出有功功率pp，并将有功功率pp分别输出到低通滤波器模块和第四减法器，

低通滤波器模块根据输入的有功功率pp，经滤波后得出滤波后有功功率pp1，并将滤波后有功功率pp1输出到第四减法器；

第四减法器根据输入的有功功率pp和滤波后有功功率pp1，经运算得出误差值ep，并将误差值ep输入到第二pi模块；

第二pi模块根据输入的误差值ep，经运算得出给定速度的补偿值δn，并将其输入到第一减法器；

所述有功功率计算模块中有功功率pp的具体计算方法如下：

静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ和静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

有功电流ip为矢量i在矢量e上的投影，即：

为电压矢量e和电流矢量i幅角和的差值，将代入式(三)可得：

有功功率pp为电压矢量e的模e和有功电流ip的乘积；即

pp＝e·ip(五)

新的给定电压参考值vref1即为电压矢量e的模e，电压分量eα、eβ的模eα、eβ根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ和新的给定电压参考值vref1，可得：

eα＝vref1×cos(θ)(六)

eβ＝vref1×sin(θ)(七)

定子电压空间矢量给定角度θ等于电压矢量e的幅角由式(四)、(五)、(六)和(七)，得出：

本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统及方法的技术优势为：

本发明提出了一种基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统及方法，实现同步磁阻电机的无传感器控制，并采用输出电压差值δvref和给定速度的补偿值δn分别新的定子电压矢量幅值vref1和定子电压空间矢量给定角度θ的方式来提高同步磁阻电机的出力能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统的原理框图；

图2为图1中基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5的原理框图；

图3为图1中基于有功功率计算的角度补偿模块6的原理框图；

图4为静止坐标系下的电压和电流空间矢量图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、基于功率补偿的同步磁阻电机无传感器控制系统，如图1‐4所示，包括第一减法器1、恒压频率比v/f模块2、定子电压空间矢量给定角度θ模块3、第二减法器4、基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5、基于有功功率计算的角度补偿模块6、扇区计算模块7、svpwm调制模块8、clarke变换模块9、整流/三相逆变器模块10和同步磁阻电机11。

本发明的信号连接关系如下：

同步磁阻电机11输出两相实际电流ia、ib到clarke变换模块9；

clarke变换模块9根据输入的两相实际电流ia、ib，经运算得出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ，并将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5和基于有功功率计算的角度补偿模块6；

基于有功功率计算的角度补偿模块6根据输入的静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ、定子电压空间矢量给定角度θ和新的定子电压矢量幅值vref1，经运算得出给定速度的补偿值δn，并将补偿值δn输入到第一减法器1；

上位系统分别输出给定速度nref到第一减法器1和恒压频率比v/f模块2；

第一减法器1根据输入的给定速度nref和给定速度的补偿值δn，经运算得出新的给定速度n，并将新的给定速度n输出到定子电压空间矢量给定角度θ模块3；

定子电压空间矢量给定角度θ模块3根据输入的新的给定速度n，经运算得出定子电压空间矢量给定角度θ，并将定子电压空间矢量给定角度θ分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5、基于有功功率计算的角度补偿模块6和扇区计算模块7；

基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和第二减法器4输出的新的定子电压矢量幅值vref1，经运算得出定子电压矢量幅值的补偿值δvref，并将电压矢量幅值的补偿值δvref输出到第二减法器4；

恒压频率比v/f模块2根据输入的给定速度nref，经运算得出给定电压矢量幅值vref，并将其输出到第二减法器4；

第二减法器4根据输入的给定电压矢量幅值vref和电压矢量的补偿值δvref，经运算得出新的定子电压矢量幅值vref1，并将新的定子电压矢量幅值vref1分别输出到基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5、基于有功功率计算的角度补偿6和svpwm调制模块8；

扇区计算模块7根据输入的电压矢量给定角度θ，经运算得出定子电压矢量所处扇区值n，并将定子电压矢量所处扇区值n输出到svpwm调制模块8；

svpwm调制模块8根据输入的给定电压矢量幅值vref1和定子电压矢量所处扇区值n，经运算得出六路pwm信号，并将六路pwm信号输出到整流/三相逆变器模块10；

整流/三相逆变器模块10根据输入的六路pwm信号控制同步磁阻电机11运行。

本发明中的基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5包括无功功率计算模块12、加法器13和第一pi模块14。基于无功功率计算的电压幅值补偿模块5的信号连接关系如下：

第二减法器4输出新的给定电压参考值vref1、clarke变换模块9输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及定子空间矢量给定角度θ模块3输出定子空间矢量给定角度θ到无功功率计算模块12；无功功率计算模块12根据输入的定子空间矢量给定角度θ、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和新的给定电压参考值vref1，经运算得出无功功率pq，并将其输出到加法器13；上位系统输出功率因数χ到加法器(13)；其中χ是一个与定义同步磁阻电机11参数有关的量，可以通过实验或经验值获得；加法器(13)根据输入的无功功率pq和功率因数χ，经运算得出误差值eq，并将误差值eq输出到第一pi模块(14)；第一pi模块(14)根据输入的误差值eq，经运算得出定子电压矢量幅值的补偿值δvref，并将定子电压矢量幅值的补偿值δvref输出到第二减法器(4)。

本发明的基于有功功率计算的角度补偿模块6包括有功功率计算模块15、低通滤波器模块16、第四减法器17和第二pi模块18；基于有功功率计算的角度补偿模块6的信号连接关系如下：

第二减法器4输出新的给定电压参考值vref1、clarke变换模块9输出静止两相坐标系下的iα、iβ和定子空间矢量给定角度θ模块3输出转子角度θ到有功功率计算模块15；有功功率计算模块15根据输入的新的给定电压参考值vref1、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和定子电压空间矢量给定角度θ，经运算输出有功功率pp，并将有功功率pp分别输出到低通滤波器模块16和第四减法器17，低通滤波器模块16根据输入的有功功率pp，经滤波后得出有功功率pp1，并将有功功率pp1输出到第四减法器17；第四减法器17根据输入的有功功率pp和滤波后有功功率pp1，经运算得出误差值ep，并将误差值ep输入到第二pi模块18；第二pi模块18根据输入的误差值ep，经运算得出给定速度的补偿值δn，并将其输入到第一减法器1。

本发明无功功率计算模块12计算无功功率pq和有功功率计算模块15计算有功功率pp的过程为：

定义同步磁阻电机11三相绕组的各相电压和电流值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic，将上述参数变换到定子静止两相坐标系α-β下，得到静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ和静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ。各参量的关系如图4所示。

静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ和静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别可以合成为电压矢量e和电流矢量i：

式中，e、i分别为电压矢量e、电流矢量i的模，分别为电压矢量e、电流矢量i的幅角；

有功电流ip和无功电流iq分别为电流矢量i在电压矢量e及其法线上的投影，即：

为电压矢量e和电流矢量i幅角和的差值，将代入式(3)、(4)可得：

无功功率pq为电压矢量e的模e和无功电流iq的乘积；有功功率pp为电压矢量e的模e和有功电流ip的乘积；即

pp＝e·ip(7)

pq＝e·iq(8)

新的给定电压参考值vref1即为电压矢量e的模e，静止两相坐标系下的电压分量eα、eβ的模eα、eβ根据输入的定子电压空间矢量给定角度θ和新的给定电压参考值vref1，可得：

eα＝vref1×cos(θ)(9)

eβ＝vref1×sin(θ)(10)

定子电压空间矢量给定角度θ等于电压矢量e的幅角由式(5)-式(10)得出：

由式(11)和式(12)可方便地计算出无功功率pq和有功功率pp。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。