一種基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法。采用交流電動機(jī)定子磁鏈的電壓模型，對輸入的反電動勢矢量進(jìn)行幅值和相位變換直接得到原始的定子磁鏈?zhǔn)噶?，然后?jīng)過信號濾波與補(bǔ)償處理得到期望的定子磁鏈。分別設(shè)計了基于可編程的低通濾波器(LPF)和帶通濾波器(BPF)的矢量變換方案，并且根據(jù)計算磁鏈幅值盡快收斂于給定磁鏈值的原則得到優(yōu)化函數(shù)，對LPF與BPF的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合，得到性能最優(yōu)的磁鏈計算方法。進(jìn)一步的，將BPF算法進(jìn)行分解，使優(yōu)化的磁鏈算法的結(jié)構(gòu)得到簡化，減小了計算量，節(jié)約系統(tǒng)資源。本發(fā)明算法對電動機(jī)參數(shù)依賴性小，應(yīng)用范圍廣，移植性強(qiáng)；計算得到的磁鏈畸變小、精度高。
【專利說明】
_種基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)自動化領(lǐng)域，具體涉及一種針對三相交流電動機(jī)控制系統(tǒng)的基于 矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交流電動機(jī)磁鏈算法研究在高性能電動機(jī)控制領(lǐng)域具有核心地位。磁鏈算法的電 壓模型具有結(jié)構(gòu)簡單，對電動機(jī)參數(shù)依賴小的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能的交流電動機(jī)控制 系統(tǒng)。電壓模型的純積分環(huán)節(jié)存在初始相位和直流漂移使得積分輸出磁鏈畸變或?qū)е路e分 飽和的問題，通常使用一階低通濾波器(LPF)來替代純積分環(huán)節(jié)。LPF計算的磁鏈存在幅值 和相位誤差，大量改進(jìn)算法研究的重點(diǎn)是消除LPF引入的磁鏈誤差。改進(jìn)方案主要有兩類： 一是引入反電動勢頻率估算器，計算運(yùn)行頻率，進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償；另一種是反饋方法， 將輸出磁鏈的幅值經(jīng)過限幅模塊進(jìn)行校正，然后送入低通濾波器得到磁鏈補(bǔ)償值與LPF的 輸出值疊加構(gòu)成反饋。第一種基于補(bǔ)償算法引入了定子頻率進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償，觀測 器性能依賴估算準(zhǔn)確度，電動機(jī)啟動以及速度跳變時需要進(jìn)行特別處理;反饋型算法結(jié) 構(gòu)簡單，不需要電動機(jī)頻率參數(shù)，但是，考慮到幅值和相位畸變，該算法截止頻率一般較低， 對磁鏈直流偏置衰減速度較慢，系統(tǒng)動態(tài)性能較差。還有文獻(xiàn)提出二階、三階等高階濾波器 替代純積分環(huán)節(jié)的算法，原理與一階LPF-致，對磁鏈計算性能改善不大，而且系統(tǒng)過于復(fù) 雜，計算量增加很多。除了磁鏈電壓模型，一些文獻(xiàn)提出了基于電流模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波 器法以及基于全階觀測器的磁鏈觀測模型，這些算法計算磁鏈精度較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對 電動機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)，具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對三相交流電動機(jī)控制系統(tǒng)的磁鏈電壓模型純積分環(huán)節(jié)存在直流偏置 的問題，以及現(xiàn)有方案的不足，提出了一種基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法。 采用定子磁鏈的電壓模型，對輸入的反電動勢矢量進(jìn)行幅值和相位變換，然后對輸出信號 進(jìn)行濾波與補(bǔ)償處理，得到期望的定子磁鏈。
[0004] 矢量變換操作為:將電動機(jī)定子反電動勢矢量幅值變?yōu)樵瓉淼?/| ?」，為定子 電動勢角頻率，然后沿著與定子電壓轉(zhuǎn)動相反的方向旋轉(zhuǎn)V2角度，直接得到原始的定子磁 鏈?zhǔn)噶俊?shí)際應(yīng)用時，反電動勢e s中含有較多的噪音干擾和高頻分量，使用一階低通濾波器 (LPF)來除去這些干擾信號；由于各方面的干擾因素，輸入的反電動勢信號存在直流分量， 而基于LPF濾波處理的磁鏈算法對直流輸入沒有衰減作用。為了抑制直流偏置，在LPF后級 串聯(lián)高通濾波器(HPF)，構(gòu)成帶通濾波器(BPF)進(jìn)行信號濾波。LPF濾波器與BPF濾波方案的 磁鏈算法分別如下：
[0007]式中隊(duì)/和隊(duì)乂為LPF和BPF輸出的磁鏈;低通濾波器與高通濾波器截止頻率分別 為：0^ = 1^ ?e|和《c2 = k2| ?e|。由于LPF和BPF濾波器引入了幅值和相位誤差，需要對輸 出信號進(jìn)行補(bǔ)償處理，從而得到期望的定子磁鏈。兩者補(bǔ)償分別為：
[0010] 其中Sign()為取符號運(yùn)算。兩種濾波方案均能夠得到穩(wěn)定的磁鏈，通過優(yōu)化處理 結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，并使得計算磁鏈盡快收斂到給定值，從而得到性能更好的磁鏈算法。優(yōu)化 函數(shù)fo Ptimal由以下線性方程給出： '^mL￥s,l+nWs,B
[0011] < mL = (sQ + sB)i(2e0 + eL+sB) mB =(￡-〇 +eL)/(2sf)+sL +sB)
[0012]其中屯,l和隊(duì),b分別為LPF算法和BPF算法補(bǔ)償后輸出的磁鏈;隊(duì),。的為優(yōu)化的磁鏈輸 出值。式中￡〇為一極小的給定正常數(shù)，避免￡l+￡B = 0時計算溢出。eL、eB分別為LPF和BPF算法 估算磁鏈幅值誤差，如下式所示。
[0014]算法中引用的定子反電動勢角頻率co e與磁鏈角頻率相等，co e通過磁鏈相角微分 及濾波獲得，如下式所示：
[0016]發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在：
[0017] 1、本發(fā)明采用矢量變換處理，信號濾波均進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償操作，理論上沒有 幅值及相位誤差。計算處理比較簡單，輸出磁鏈畸變小、精度高；
[0018] 2、使用的濾波器采用可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，截止頻率隨定子頻率升高而增大，系統(tǒng)動 態(tài)響應(yīng)快，抑制直流偏置及噪音干擾和高頻諧波能力明顯增強(qiáng)；
[0019] 3、本發(fā)明的磁鏈算法進(jìn)行了優(yōu)化處理，加快了磁鏈?zhǔn)諗克俣?，減小了磁鏈紋波，并 且優(yōu)化算法對直流輸入和高頻輸入的增益為零；
[0020] 4、算法對電動機(jī)參數(shù)依賴性小，應(yīng)用范圍廣泛，可移植性強(qiáng)，運(yùn)用于交流電動機(jī)控 制系統(tǒng)，在較廣的速度范圍內(nèi)性能優(yōu)異。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明磁鏈計算方法所說明的矢量變換原理圖。
[0022]圖2為基于LPF濾波及補(bǔ)償?shù)氖噶孔儞Q算法結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖3為邱坐標(biāo)系下基于LPF的矢量變換算法原理圖。
[0024]圖4為邱坐標(biāo)系下基于BPF的矢量變換算法原理圖。
[0025]圖5為優(yōu)化的矢量變換算法結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖6為邱坐標(biāo)系下簡化后的優(yōu)化算法原理圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明磁鏈計算方法應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)運(yùn)行于中高速時輸出信號波 形。
[0028] 圖8為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)運(yùn)行于低速時輸出信號波形。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明。
[0030]圖1為磁鏈計算方法中矢量變換的原理:磁鏈?zhǔn)噶康姆底優(yōu)殡妱觿菔噶縼淼?/ ?」；定子反電動勢矢量逆時針轉(zhuǎn)動時《e>〇,磁鏈相位為反電動勢矢量沿著順時針方向旋 轉(zhuǎn)V2角度;定子反電動勢矢量順時針轉(zhuǎn)動時〇^<〇,磁鏈相位為反電動勢矢量沿著逆時針 方向旋轉(zhuǎn)Ji/2角度。aP坐標(biāo)系下磁鏈表達(dá)式為：
[0032]圖2為基于LPF濾波及補(bǔ)償?shù)氖噶孔儞Q算法結(jié)構(gòu)圖，圖3給出了邱坐標(biāo)系下基于LPF 的矢量變換算法原理圖，虛線框中部分為矢量變換處理。實(shí)際應(yīng)用時，電動機(jī)反電動勢中定 子電壓通過母線電壓和開關(guān)狀態(tài)構(gòu)造而成，定子電流由信號調(diào)理電路得到。因此，反電動勢 es含有較多的噪音干擾和高頻分量。通常使用一階低通濾波器(LPF)來除去這些干擾信號。 LPF濾波器及其補(bǔ)償處理在邱坐標(biāo)系下表達(dá)式如下：

[0035]圖4為邱坐標(biāo)系下基于BPF的矢量變換算法原理圖，虛線框中部分為矢量變換處 理。應(yīng)用中由于各方面的干擾因素，如電動機(jī)模型中定子電阻參數(shù)不準(zhǔn)，或阻值在電動機(jī)運(yùn) 行時隨溫度變化，電動機(jī)轉(zhuǎn)速跳變以及定子電流采樣電路的零漂等原因，其輸入的反電動 勢信號存在直流分量?；贚PF濾波處理的磁鏈算法對直流輸入沒有衰減作用，為了抑制直 流偏置，在LPF后級串聯(lián)高通濾波器(HPF)，構(gòu)成帶通濾波器(BPF)進(jìn)行信號濾波。BPF濾波及 補(bǔ)償表達(dá)式為：
[0038]圖5為優(yōu)化的矢量變換算法結(jié)構(gòu)圖。兩種濾波方案均能夠得到穩(wěn)定的磁鏈，通過優(yōu) 化處理結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化函數(shù)fc>Ptlmal使得計算磁鏈盡快收斂到給定值，得到性能更好 的磁鏈算法。其中Hlpf (s)代表LPF濾波處理的磁鏈算法，HBPF (s)表示BPF濾波的磁鏈算法， H〇Pt( s)為經(jīng)過優(yōu)化的磁鏈算法。
[0039]圖6為邱坐標(biāo)系下簡化后的優(yōu)化算法原理圖。優(yōu)化算法需要分別進(jìn)行HLPF(s)和HBPF (s)處理，兩者有共同的LPF及其補(bǔ)償運(yùn)算。由于濾波處理和補(bǔ)償計算都是線性的，可以交換 計算順序及調(diào)整系數(shù)。將HbpKs)算法分解為LPF和HPF兩個部分，并分別進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化算法 所需變量直接由H BPF(s)得到。轉(zhuǎn)化處理使得優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)更加簡潔，很大程度地減少了優(yōu) 化算法的計算量和占用系統(tǒng)資源。
[0040] 實(shí)施例：
[0041] 本發(fā)明的基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛。下 面以基于直接轉(zhuǎn)矩控制的感應(yīng)電動機(jī)控制系統(tǒng)為例說明其具體應(yīng)用。系統(tǒng)采用基于滯環(huán)控 制器的傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案，采用圓形磁鏈軌跡，力矩和磁鏈滯環(huán)共同決定輸出電壓矢 量;系統(tǒng)為速度閉環(huán)控制，電動機(jī)速度采用PI控制器調(diào)節(jié)。電動機(jī)額定功率為75. OkW，額定 電壓380V，額定頻率50.0Hz，額定磁鏈幅值為0.980Wb，額定力矩470Nm。
[0042] 圖7為本發(fā)明磁鏈計算方法應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)運(yùn)行于中高速時輸出信號波 形。給定速度為1200rpm(80.0%的額定轉(zhuǎn)速），電動機(jī)由靜止開始啟動，0.9s進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)， 速度曲線平滑，超調(diào)很小。仿真的1.3s時刻，給定速度由1200rpm跳變到800rpm。四個子圖依 次為電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子A相電流和定子磁鏈幅值與札分量。由圖可知，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn) 速、力矩、電流波形平滑，觀測磁鏈幅值穩(wěn)定，完全跟隨給定磁鏈，系統(tǒng)性能良好。圖8為直接 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)運(yùn)行于低速時輸出信號波形。仿真的0.4s時刻，突加 lOONm約為20.9%負(fù)載， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有明顯速度波動。0.9s時刻，給定速度由150rpm跳變到50.0rpm(3.30 %的 額定轉(zhuǎn)速），電動機(jī)在在極低的速度下穩(wěn)定運(yùn)行。由以上結(jié)果可知，優(yōu)化算法運(yùn)行良好，電流 和力矩波動很小，系統(tǒng)性能優(yōu)異。
[0043]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于矢量變換與信號濾波的定子磁鏈計算方法，其特征在于，采用交流電動機(jī) 定子磁鏈的電壓模型，對輸入的定子反電動勢矢量進(jìn)行變換，將幅值變?yōu)樵瓉淼?/1 ωθ|， 為電動機(jī)定子反電動勢角頻率;沿著與定子電壓轉(zhuǎn)動相反的方向旋轉(zhuǎn)31/2角度，直接得 到原始的磁鏈?zhǔn)噶?，然后對該信號進(jìn)行濾波與補(bǔ)償處理，從而得到期望的定子磁鏈值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矢量變換與信號濾波的磁鏈計算方法，其特征在于，原始 磁鏈?zhǔn)噶康臑V波與補(bǔ)償處理分別采用可編程的低通濾波器(LPF)和帶通濾波器(BPF)進(jìn)行 濾波，然后對LPF和BPF進(jìn)行幅值和相位補(bǔ)償，消除誤差;根據(jù)計算磁鏈幅值盡快收斂于給定 磁鏈值的原則，使用優(yōu)化函數(shù)f〇 Ptimai對LPF和BPF補(bǔ)償后輸出的磁鏈分量進(jìn)行線性組合，得 到最終的性能最優(yōu)磁鏈值;優(yōu)化函數(shù)f CiptimaI如下式所示：其中也,L和隊(duì),B分別為LPF算法和BPF算法補(bǔ)償后輸出的磁鏈分量;隊(duì),。的為優(yōu)化處理后的 磁鏈輸出值;式中為一極小的給定正常數(shù)，避免^+εΒ = 0時計算溢出；^、εΒ分別為LPF和 BPF算法估算磁鏈幅值誤差，如下式所示：3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于矢量變換與信號濾波的磁鏈計算方法，其特征在于，優(yōu)化 算法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下簡化處理:將BPF算法分解為LPF和HPF兩個模塊，并分別進(jìn)行補(bǔ)償，BPF 分解原理如下式戶，>其中ω cl和ω c2分別為LPF和HPF截止頻率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的基于矢量變換與信號濾波的磁鏈計算方法，其特征 在于，所述可編程濾波器截止頻率ω。隨定子反電動勢頻率ω e變化，取值為：ω e = k I ω e I ; ω。在頻率ω e低于設(shè)定閾值時進(jìn)行特別處理:參數(shù)k隨著ω e線性減小到零。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于矢量變換與信號濾波的磁鏈計算方法，其特征在于， 所述定子反電動勢頻率ω。某干磁鏈相#微；》平滑濾湞々卜理徨剎，計算方法為：其中，Φμ和為αβ兩相靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈的α軸分量和β軸分量，esa和esfi為反電動 勢的α軸分量和β軸分量。
【文檔編號】H02P23/30GK105846748SQ201610325797
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】程善美, 劉瑩, 劉江, 寧博文
【申請人】華中科技大學(xué)