[發明專利]永磁同步電機永磁磁場畸變實時檢測與分析方法及其裝置

有效

• 申請號: 200710176726.0
• 申請日: 2007-11-02
• 公開（公告）號: CN101149423A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 肖曦;張猛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02;G01R33/12;G01R31/34;G01R23/16;H02P6/00
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1.一種永磁同步電機永磁磁場畸變實時檢測與分析方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)永磁同步電機永磁磁場畸變實時檢測方法

a.通過位置傳感器獲得電機轉子位置θ，由轉速計算模塊計算得到電機轉速ω；將轉速ω輸入到電機控制模塊中；

b.將永磁同步電機在兩相坐標下的定子電壓u_α、u_β經過αβ/dq坐標變換得到的dq坐標系下定子電壓u_d、u_q；將永磁同步電機在ABC三相坐標系下的定子電流i_A、i_B和i_C，經abc/αβ、αβ/dq兩次坐標變換得到dq坐標系定子電流i_d、i_q；

c.將θ、ω、i_d、i_q、u_d、u_q作為永磁體磁鏈觀測器的輸入信號，得到dq坐標系下永磁磁鏈分量ψ_fd、ψ_fq，除以電機極對數得到dq坐標系下反電勢系數K_Ed、K_Eq；

d.選擇dq坐標系下定子電流i_d、i_q、ψ_fd、ψ_fq為狀態變量，dq坐標系下定子電流為測量向量，dq坐標系下定子電壓為輸入向量，構建觀測永磁體磁鏈觀測的系統狀態方程和輸出方程：

系統狀態方程：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{{-R}_s}{L_d}& \mathrm{\ω}\frac{L_q}{L_d}& 0& \frac{\mathrm{\ω}}{L_d}\\ -\mathrm{\ω}\frac{L_d}{L_q}& \frac{{-R}_s}{L_q}& -\frac{\mathrm{\ω}}{L_q}& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fq}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_d}& 0\\ 0& \frac{1}{L_q}\\ 0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

測量方程：

$y=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]$

利用上面的方程構建永磁體磁鏈觀測器，實現dq坐標系下永磁磁鏈ψ_fd、ψ_fq的實時觀測；

2)永磁同步電機永磁磁場畸變分析方法

a.在步驟1)中的實時檢測方法的基礎上，根據ABC坐標系變換到同步旋轉dq坐標系的變換矩陣：

$C_{3s/2r}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}& \cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}+\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}& -\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}+\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

其中，θ與坐標變換角θ′相差一固定角度Δθ，即θ′＝θ+Δθ，得到三相反電勢系數與dq坐標系下反電勢系數變換關系為：

$\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{Ed}}\\ K_{\mathrm{Eq}}\end{array}\right]=C_{3s/2r}\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{EA}}\\ K_{\mathrm{EB}}\\ K_{\mathrm{EC}}\end{array}\right]$

b.由于同步旋轉dq坐標系以三相反電勢系數基波頻率旋轉，ABC坐標系下反電勢系數基波變換到dq坐標系下時，得到dq軸反電勢系數為：

$K_{\mathrm{Ed}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_{E{d}_i}$，(i＝6n，n＝0，1，2，3……)

$K_{\mathrm{Eq}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_{E{q}_i}$，(i＝6n，n＝0，1，2，3……)

忽略高次諧波情況下，dq坐標系下反電勢系數是一個直流偏置波形，在2π周期內有6次脈動，這一結論與檢測方法1)中得到的結果相符合；

根據上式表示的三相反電勢系數與d、q軸反電勢系數關系，可對永磁體磁鏈觀測器得到的磁鏈波形進行數據分析，得到其在相繞組中的磁鏈即反電勢系數；

3)基于上述檢測和分析方法，對永磁電機永磁體失磁進行預測和預防：

a.首先判斷dq坐標系下反電勢系數是否有波動，如果無波動說明永磁體磁場波形只有幅值和相位改變，沒有發生非正弦畸變；如果幅值降低并且超過給定限制Δψ₁，則給出失磁幅值超限報警，其中Δψ₁由電機永磁材料退磁曲線具體確定；

b.如果dq坐標系下反電勢系數有波動，則按步驟2)中提到的永磁磁場畸變分析方法進行諧波分析，如果6次諧波脈動超過給定限制Δψ₂，則給出永磁體磁場畸變超限報警，其中Δψ₂由電機永磁材料退磁曲線具體確定；

4)基于永磁體磁鏈在線檢測結果的永磁同步電機優化控制策略：

a.如果dq坐標系下反電勢系數無波動，磁鏈幅值降低但是尚未超過給定限制Δψ₁，則根據實時檢測到的永磁體磁場幅值和相位重新進行磁場定向控制；

b.如果dq坐標系下反電勢系數有波動，按步驟2)中提到的永磁磁場畸變分析方法進行諧波分析，如果分析結果中6次諧波脈動尚未超過給定限制Δψ₂，則在電機電流給定處加入諧波前饋補償，以抑制諧波反電勢造成的轉矩脈動。