一种电励磁同步电机的磁链观测方法及系统与流程
本发明涉及大功率交流传动领域，特别是涉及一种电励磁同步电机的磁链观测方法及系统。
背景技术：
电励磁同步电机作为一种典型的交流传动电机，相比于异步电机具有功率因数高、电机效率高、过载倍数高及转动惯量小等优点，因此其在大功率交流传动领域得到广泛应用。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。为了高性能实现电机控制系统的控制策略，这两种控制方式均需要获取电励磁同步电机的磁链，而获取的磁链的精确度很大程度上决定了系统的控制性能，因此，精确的磁链观测方法对于系统的控制性能极为关键。
现有技术中，电励磁同步电机的磁链观测模型主要有两种：开环磁链模型和基于电压和电流的混合磁链模型。对于开环磁链模型来说，开环磁链模型采用的是开环的磁链观测方法，其易受电机参数的影响，而电机参数会随温度和工况的变化而变化，因此开环磁链模型观测磁链的精确度较低。对于混合磁链模型来说，混合磁链模型本质上是一个降阶磁链模型，稳态精度和动态性能都不够优异，无法保证电机控制系统的高性能控制。
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。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电励磁同步电机的磁链观测方法及系统，建立全阶磁链模型对电励磁同步电机的磁链进行观测，相比于开环磁链模型和混合磁链模型，稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电励磁同步电机的磁链观测方法，包括：
根据电励磁同步电机在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励磁同步电机的状态方程；
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励磁同步电机的全阶磁链观测器；
获取所述电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取所述电励磁同步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励磁同步电机的磁链进行观测。
优选地，所述状态方程具体为：
其中，x为状态变量，
则所述全阶磁链观测器具体为：
优选地，获取所述电励磁同步电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：
预先根据所述电励磁同步电机的控制系统中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对应为所述电励磁同步电机在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对应为所述电励磁同步电机在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，获取所述电励磁同步电机的励磁电压的过程具体为：
利用电压传感器获取所述电励磁同步电机的励磁电压。
优选地，获取所述电励磁同步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重构所述电励磁同步电机的励磁电压；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，本发明还提供了一种电励磁同步电机的磁链观测系统，包括：
状态方程建立单元，用于根据电励磁同步电机在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励磁同步电机的状态方程；
观测器构建单元，用于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励磁同步电机的全阶磁链观测器；
电压电流获取单元，用于获取所述电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取所述电励磁同步电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；
磁链观测单元，用于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励磁同步电机的磁链进行观测。
优选地，所述状态方程具体为：
其中，x为状态变量，
则所述全阶磁链观测器具体为：
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。
本发明提供了一种电励磁同步电机的磁链观测方法，包括：根据电励磁同步电机在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电励磁同步电机的状态方程；根据状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器；获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步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，利用全阶磁链观测器对电励磁同步电机的磁链进行观测。可见，本申请建立了全阶磁链模型对电励磁同步电机的磁链进行观测，相比于开环磁链模型和混合磁链模型，稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。
本发明还提供了一种电励磁同步电机的磁链观测系统，与上述磁链观测方法具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电励磁同步电机的磁链观测方法的流程图；
图2(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的d轴等效电路图；
图2(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的q轴等效电路图；
图3为本发明提供的一种电励磁同步电机的空间矢量图；
图4为本发明提供的一种三相三电平逆变器与电机定子的连接电路图；
图5(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的d轴分量实际值与观测值的对比图；
图5(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的q轴分量实际值与观测值的对比图；
图6为本发明提供的一种电励磁同步电机的磁链观测系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电励磁同步电机的磁链观测方法及系统，建立全阶磁链模型对电励磁同步电机的磁链进行观测，相比于开环磁链模型和混合磁链模型，稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种电励磁同步电机的磁链观测方法的流程图。
该电励磁同步电机的磁链观测方法包括：
步骤s1：根据电励磁同步电机在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电励磁同步电机的状态方程。
具体地，首先将电励磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型转化至dq两相旋转坐标系下进行分析，电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型如下：
磁链方程：
电压方程：
转矩方程：
te＝ψsdisq-ψsqisd；
根据电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的数学模型可以得到电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的等效电路。请参照图2(a)及图2(b)，图2(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的d轴等效电路图，图2(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机在dq两相旋转坐标系下的q轴等效电路图。
综合上述分析，可以得到电励磁同步电机的空间矢量图，请参照图3，图3为本发明提供的一种电励磁同步电机的空间矢量图。图3中，ωr＝ω。
其中，ψs为定子磁链，ψsd为定子磁链的d轴分量，ψsq为定子磁链的q轴分量，ψf为转子磁链，ψd为阻尼磁链的d轴分量，ψq为阻尼磁链的q轴分量，ψδ为气隙磁链，ψδd为气隙磁链的d轴分量，ψδq为气隙磁链的q轴分量，lsd为定子d轴同步电感，lsq为定子q轴同步电感，lad为d轴电枢反应电感，laq为q轴电枢反应电感，lf为转子同步电感，ld为阻尼d轴同步电感，lq为阻尼q轴同步电感，lsl为定子漏抗，is为定子电流，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，iad为d轴电枢反应电流，iaq为q轴电枢反应电流，id为阻尼电流的d轴分量，iq为阻尼电流的q轴分量，us为定子电压，usd为定子电压的d轴分量，usq为定子电压的q轴分量，uf为励磁电压，ud为阻尼电压的d轴分量，uq为阻尼电压的q轴分量，rs为定子电阻，rf为转子电阻，rd为阻尼电阻的d轴分量，rq为阻尼电阻的q轴分量，ωr为电机的角速度，te为电机的转矩。
基于此，考虑到电励磁同步电机的磁链是电机工作中的关键变量，所以根据电励磁同步电机在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电励磁同步电机的状态方程，状态方程可具体为：
其中，x为状态变量，
其中，系数矩阵a、b、c分别为：
步骤s2：根据状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器。
需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。
具体地，根据电励磁同步电机的状态方程和提前设置好的反馈矩阵，利用现代控制理论便可以构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器，具体结果如下：
其中，^表示状态观测量，g为反馈矩阵。对于全阶磁链观测器来说，反馈矩阵决定了其性能，为了准确观测电励磁同步电机的磁链值，需对反馈矩阵进行合理设计。
步骤s3：获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量。
具体地，已知全阶磁链观测器中需要知道电励磁同步电机的转子和定子的电压量及电流量，才得以观测电励磁同步电机的磁链，所以本申请获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量，以便于利用全阶磁链观测器准确观测电励磁同步电机的磁链。至于获取转子和定子的电压量及电流量的具体方式，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况而定。
步骤s4：根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用全阶磁链观测器对电励磁同步电机的磁链进行观测。
具体地，本申请在获取的转子和定子的电压量及电流量之后，便可以利用全阶磁链观测器观测电励磁同步电机的磁链。由于本申请采用的是全阶磁链观测器，所以磁链观测值受电机参数影响小，鲁棒性强；对外部信号的抗扰性强，具有很强适应性；且稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。
本发明提供了一种电励磁同步电机的磁链观测方法，包括：根据电励磁同步电机在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电励磁同步电机的状态方程；根据状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器；获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步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，利用全阶磁链观测器对电励磁同步电机的磁链进行观测。可见，本申请建立了全阶磁链模型对电励磁同步电机的磁链进行观测，相比于开环磁链模型和混合磁链模型，稳态精度和动态性能都较优异，从而保证了电机控制系统的高性能控制。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，状态方程具体为：
其中，x为状态变量，
则全阶磁链观测器具体为：
具体地，对于本实施例的介绍，上述实施例已作详细说明，本申请在此不再赘述。
作为一种优选地实施例，获取电励磁同步电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程具体为：
预先根据电励磁同步电机的控制系统中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；
利用相电压重构关系式重构定子输入的相电压，并将相电压经坐标变换得到定子电压的d轴分量及q轴分量。
具体地，请参照图4，图4为本发明提供的一种三相三电平逆变器与电机定子的连接电路图。电励磁同步电机的控制系统中的三相三电平逆变器包括电源、中间电容(c1、c2)及各开关，通过改变各开关的开通状态调整输入至电机定子的三相交流电。
基于此，本申请在获取电励磁同步电机的定子电压的d轴分量及q轴分量的过程中，为了节省成本，未在定子侧安装电压传感器，而是通过三相逆变器对应的直流侧电压(即中间电容两端的电压)及脉冲矢量(即控制各开关的开通状态的开关函数)重构定子电压。具体地，本申请提前根据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。当获取电机定子电压的d轴分量及q轴分量时，首先利用相电压重构关系式重构定子输入的相电压(三相静止坐标系下的定子电压)，然后将相电压经坐标变换(三相静止坐标系-两相静止坐标系-两相旋转坐标系)得到电机定子电压的d轴分量及q轴分量。
作为一种优选地实施例，相电压重构关系式具体为：
其中，uan、ubn、ucn对应为电励磁同步电机在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为直流侧电压，sj为三电平开关函数，ia、ib、ic对应为电励磁同步电机在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。
进一步地，大功率电路多采用三电平结构，本申请以三电平结构为例介绍电压重构，其他电平结构均可以此类推。
三电平开关函数如下：
则重构的相电压为：
其中，考虑到死区时间和开关管的非线性会使重构的相电压与定子输入的相电压之间存在些许误差，本申请在相电压重构关系式中设置误差电压δu，以减小二者之间的误差。
作为一种优选地实施例，获取电励磁同步电机的励磁电压的过程具体为：
利用电压传感器获取电励磁同步电机的励磁电压。
具体地，本申请的电励磁同步电机的励磁电压可以通过安装电压传感器获取。
作为一种优选地实施例，获取电励磁同步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重构电励磁同步电机的励磁电压；其中，uf为励磁电压，u1为转子的电源对应的交流输入电压的峰值，α为控制角。
同样地，除了安装电压传感器获取电励磁同步电机的励磁电压之外，本申请还可以重构励磁电压。具体地，本申请提前设置励磁电压重构关系式uf＝0.9*u1*(1+cosα)*0.5(α决定转子对应的开关管的导通时间，进而决定转子的输入电压)，当获取电机励磁电压时，便可利用励磁电压重构关系式重构电机励磁电压。
作为一种优选地实施例，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，其设置依据为全阶磁链观测器所配置的极点位置。
具体地，已知反馈矩阵决定全阶磁链观测器的性能，为了获取准确的磁链值，必须对反馈矩阵进行合理的设计：
首先需要确定反馈矩阵的形式，因为状态变量有5个，输出变量有3个，因此可以确定反馈矩阵应为一个5*3的矩阵；同时系统是一个5阶系统，所以反馈矩阵可以有5个自由度配置。其中，转子磁链和转子电流(即励磁电流)强相关，可以单独用转子电流的误差来校正转子磁链，转子电流为单相直流量，所以只需要一个自由度；定子磁链与定子电流强相关，可以用定子电流的误差来校正定子磁链，定子电流是对称的三相电流，因此需要两个自由度；由于阻尼电流不可测，所以没有办法用阻尼电流来校正阻尼磁链，同时反馈矩阵还剩下两个自由度，因此本申请采用定子电流的误差来校正阻尼磁链，较为合理。
综上，为便于计算，可以得到反馈矩阵的形式如下：
然后需要确定反馈矩阵的取值，反馈矩阵决定着全阶磁链观测器的极点位置，即决定着全阶磁链观测器的性能。为了使全阶磁链观测器比电机实际磁链收敛得快，可将全阶磁链观测器的极点配置在原电机极点的k倍处。由于k值越大，全阶磁链观测器的收敛速度越快，但同时对外界干扰会越敏感，所以k的选择需要在快速性和扰动、噪声的灵敏性之间折中，凭经验设定。
在确定反馈矩阵的形式和期望极点的位置之后，便可采用现代控制理论中全阶状态观测器的设计方法，计算反馈矩阵。由于系统是5阶系统，反馈矩阵的解析表达式异常庞大，因此本申请可采用maple或matlab等数学工具的数值计算功能求取反馈矩阵，从而使全阶磁链观测器准确观测到电机的磁链值。
请参照图5(a)及图5(b)，图5(a)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的d轴分量实际值与观测值的对比图，图5(b)为本发明提供的一种电励磁同步电机的气隙磁链的q轴分量实际值与观测值的对比图。从图5(a)及图5(b)可以看出，由全阶磁链模型观测的气隙磁链与电机实际的气隙磁链无论是在稳态过程还是在动态过程均能保持一致，即全阶磁链模型具有很好的稳态精度和动态性能，说明全阶磁链模型的有效性和准确性。
请参照图6，图6为本发明提供的一种电励磁同步电机的磁链观测系统的结构示意图。
该电励磁同步电机的磁链观测系统包括：
状态方程建立单元1，用于根据电励磁同步电机在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电励磁同步电机的状态方程；
观测器构建单元2，用于根据状态方程和预设反馈矩阵，利用现代控制理论构建电励磁同步电机的全阶磁链观测器；
电压电流获取单元3，用于获取电励磁同步电机的励磁电压和定子电压的d轴分量及q轴分量，并获取电励磁同步电机的励磁电流和定子电流的d轴分量及q轴分量；
磁链观测单元4，用于根据获取的转子和定子的电压量及电流量，利用全阶磁链观测器对电励磁同步电机的磁链进行观测。
作为一种优选地实施例，状态方程具体为：
其中，x为状态变量，
则全阶磁链观测器具体为：
作为一种优选地实施例，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，其设置依据为全阶磁链观测器所配置的极点位置。
本发明提供的磁链观测系统的介绍请参考上述磁链观测方法的实施例，本发明在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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