專(zhuān)利名稱(chēng)：低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁同步發(fā)電機(jī)，尤其是涉及一種低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今人類(lèi)生存和發(fā)展所需解決的緊迫問(wèn)題，隨著非再生能源的銳減，風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色可再生能源的利用具有十分重要的意義。近年來(lái)，采用永磁同步發(fā)電機(jī)及全功率變換器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組越來(lái)越多，永磁同步發(fā)電機(jī)具有較高的效率和功率密度。同時(shí)，采用全功率變換器可擴(kuò)展發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，具有更高的風(fēng)能捕獲效率。在低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)中，需要準(zhǔn)確獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以供控制電路使用。轉(zhuǎn)子位置信息準(zhǔn)確與否直接關(guān)系永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能。一般情況下，可通過(guò)安裝在發(fā)電機(jī)軸上的編碼器獲取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息，但在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，機(jī)艙環(huán)境較為惡劣、編碼器容易受到污染，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)不準(zhǔn)確，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；其次，由于編碼器的安裝增加了系統(tǒng)的軸向長(zhǎng)度，安裝過(guò)程中容易損耗；另外，由于低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)相對(duì)較多，造成編碼器難以在機(jī)械傳動(dòng)一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的電角度分辨率，因此采用無(wú)速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速獲取具有重要意義。對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置估算的方法有多種，其中，基于發(fā)電機(jī)反電勢(shì)的方法應(yīng)用較為廣泛，該方法的主要問(wèn)題是在低速區(qū)由于反電勢(shì)過(guò)小，難以準(zhǔn)確估計(jì)而造成估算效果不好。但對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，只有風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)才投入運(yùn)行，不存在“低速”運(yùn)行情況，故基于反電勢(shì)的方法可以很好地應(yīng)用于直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中。對(duì)于反電勢(shì)的估算有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種，閉環(huán)方法具有更好的穩(wěn)定性，切對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不是特別敏感，具有較好的性能。中國(guó)專(zhuān)利CN101505130公開(kāi)一種永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算及校正方法，以電機(jī)積端相、線電壓過(guò)零點(diǎn)為界，將電機(jī)轉(zhuǎn)子360°電氣角度分為12個(gè)電氣角度區(qū)間，以三相相、線電壓與零的相對(duì)關(guān)系作為當(dāng)前角度區(qū)間通用判斷方法，以提出的當(dāng)前電氣角度區(qū)間特殊判斷流程為依據(jù)，判斷當(dāng)前電氣角度區(qū)間，并根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣轉(zhuǎn)速計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子電氣角度增量，在每個(gè)電氣角度區(qū)域里起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度與相對(duì)于起始點(diǎn)電氣角度增量之和便為電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。以上述位置信號(hào)量作為基本位置信號(hào)量，運(yùn)用特定的控制算法估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的偏差量，并以該偏差量作為位置校正環(huán)節(jié)的反饋量，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，將輸出結(jié)果補(bǔ)償?shù)交疚恢眯盘?hào)量中，從而得到準(zhǔn)確的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于全階觀測(cè)器的發(fā)電機(jī)反電勢(shì)估測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的精確獲取的一種低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法。本發(fā)明包括以下步驟I)建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型2)建立基于全階狀態(tài)觀測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)；3)建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；4)基于反電勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置進(jìn)行估測(cè)。在步驟I)中，所述建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的具體方法可為建立估算待測(cè)定坐標(biāo)系(d、q )和真實(shí)坐標(biāo)系(d，q)之間的關(guān)系，定義兩個(gè)坐標(biāo)系
之間的角度差為& = 1，其中0g為真實(shí)的轉(zhuǎn)子位置，&為待測(cè)定的轉(zhuǎn)子位置，由此定義
由永磁體產(chǎn)生的發(fā)電勢(shì)和待測(cè)定坐標(biāo)系之間的關(guān)系；假設(shè)轉(zhuǎn)子位置被精確估計(jì)，即轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的反電勢(shì)完全位于q軸上，得到此時(shí)的永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓方程；再將得到的電壓方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型。在步驟3)中，所述建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體方法可為將永磁發(fā)電機(jī)的狀態(tài)空間模型對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成觀測(cè)器各部分，得到輸出變量與狀態(tài)變量；驗(yàn)證系統(tǒng)可觀性，即對(duì)應(yīng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電勢(shì)的可觀性；建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述輸入、輸出以及估測(cè)變量間的關(guān)系，并得到觀測(cè)器特征方程。在步驟4)中，所述基于反電勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置進(jìn)行估測(cè)可采用以下方法確定觀測(cè)器增益矩陣L，從而得到發(fā)電機(jī)的反電勢(shì)；根據(jù)步驟I中的估測(cè)坐標(biāo)系和真實(shí)坐標(biāo)系的空間關(guān)系，確定控制目標(biāo)為久,使之作為閉環(huán)系統(tǒng)的誤差信號(hào)；建立完整的反電勢(shì)測(cè)定及轉(zhuǎn)子位置和速度估測(cè)框圖，獲取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置的測(cè)定值。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，采用基于全階觀測(cè)器的永磁同步發(fā)電機(jī)反電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速值的準(zhǔn)確估測(cè)，實(shí)現(xiàn)了低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)行。


圖1是估算坐標(biāo)系和真實(shí)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。圖2是狀態(tài)觀測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明中輸入、輸出與觀測(cè)量之間的具體關(guān)系。圖4是基于角度誤差的轉(zhuǎn)子位置估測(cè)框圖。圖5是本發(fā)明的完整實(shí)現(xiàn)框圖。圖6是突加負(fù)載時(shí)的永磁同步發(fā)電機(jī)直流母線電壓波形。在圖6中，橫坐標(biāo)為時(shí)間(S)，縱坐標(biāo)為直流母線電壓(V)。圖7是突加負(fù)載時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定和實(shí)際轉(zhuǎn)速比較。在圖7中，橫坐標(biāo)為時(shí)間(min),縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速(r) ;a為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定，b為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。圖8是穩(wěn)態(tài)時(shí)直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)有關(guān)參數(shù)。在圖8中，I為轉(zhuǎn)子位置估測(cè)，2為發(fā)電機(jī)定子電流，3為直流母線電壓，4為發(fā)電機(jī)變換器輸出線電壓。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1 8說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式，本發(fā)明實(shí)施方式具體包括以下步驟步驟一、建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型步驟1.1、對(duì)于無(wú)速度傳感器控制的永磁同步發(fā)電機(jī)而言，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置^是估算出來(lái)的而不是實(shí)際測(cè)量的，那么估算的坐標(biāo)系和真實(shí)的轉(zhuǎn)子位置坐標(biāo)系之間就會(huì)有角度誤差&，圖1給出了估算的dq坐標(biāo)系和真實(shí)的坐標(biāo)系之間的關(guān)系，其中~代表估算分量。兩個(gè)坐標(biāo)系之間的角度差&，定義如下
權(quán)利要求
1.低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于包括以下步驟 1)建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型 2)建立基于全階狀態(tài)觀測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)； 3)建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 4)基于反電勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置進(jìn)行估測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于在步驟I)中，所述建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的具體方法為 建立估算待測(cè)定坐標(biāo)系(d q )和真實(shí)坐標(biāo)系(d，q)之間的關(guān)系，定義兩個(gè)坐標(biāo)系之間的角度差為ゥ=O -1，其中98為真實(shí)的轉(zhuǎn)子位置，あ為待測(cè)定的轉(zhuǎn)子位置，由此定義由永磁體產(chǎn)生的發(fā)電勢(shì)和待測(cè)定坐標(biāo)系之間的關(guān)系；假設(shè)轉(zhuǎn)子位置被精確估計(jì)，即轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的反電勢(shì)完全位于q軸上，得到此時(shí)的永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓方程；再將得到的電壓方程轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型。
3.如權(quán)利要求1所述的低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于在步驟3)中，所述建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體方法為將永磁發(fā)電機(jī)的狀態(tài)空間模型對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成觀測(cè)器各部分，得到輸出變量與狀態(tài)變量；驗(yàn)證系統(tǒng)可觀性，即對(duì)應(yīng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電勢(shì)的可觀性；建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述輸入、輸出以及估測(cè)變量間的關(guān)系，并得到觀測(cè)器特征方程。
4.如權(quán)利要求1所述的低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法，其特征在于在步驟4)中，所述基于反電勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置進(jìn)行估測(cè)采用以下方法確定觀測(cè)器增益矩陣L，從而得到發(fā)電機(jī)的反電勢(shì)；根據(jù)步驟I中的估測(cè)坐標(biāo)系和真實(shí)坐標(biāo)系的空間關(guān)系，確定控制目標(biāo)為I,使之作為閉環(huán)系統(tǒng)的誤差信號(hào)；建立完整的反電勢(shì)測(cè)定及轉(zhuǎn)子位置和速度估測(cè)框圖，獲取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置的測(cè)定值。
全文摘要
低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法，涉及一種永磁同步發(fā)電機(jī)。提供基于全階觀測(cè)器的發(fā)電機(jī)反電勢(shì)估測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的精確獲取的一種低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置估算方法。建立永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型建立基于全階狀態(tài)觀測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)；建立永磁同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；基于反電勢(shì)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置進(jìn)行估測(cè)。簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)，采用基于全階觀測(cè)器的永磁同步發(fā)電機(jī)反電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速值的準(zhǔn)確估測(cè)，實(shí)現(xiàn)了低速直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02P21/14GK103051280SQ20121055746
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者張輯, 陳天翔, 彭彥卿, 郭建炎, 孫園, 田洪, 邵振華, 蘇曉藝 申請(qǐng)人:廈門(mén)理工學(xué)院