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。采用交流電動機定子磁鏈的電壓模型，對輸入的反電動勢矢量進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)點進行組合，得到性能最優(yōu)的磁鏈計算方法。進一步的，將BPF算法進行分解，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)明算法對電動機參數(shù)依賴性小，應(yīng)用范圍廣，移植性強；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] 交流電動機磁鏈算法研究在高性能電動機控制領(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，對電動機參數(shù)依賴小的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高性能的交流電動機控制 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，大量改進算法研究的重點是消除LPF引入的磁鏈誤差。改進方案主要有兩類： 一是引入反電動勢頻率估算器，計算運行頻率，進行幅值和相位補償；另一種是反饋方法， 將輸出磁鏈的幅值經(jīng)過限幅模塊進行校正，然后送入低通濾波器得到磁鏈補償值與LPF的 輸出值疊加構(gòu)成反饋。第一種基于補償算法引入了定子頻率進行幅值和相位補償，觀測 器性能依賴估算準(zhǔn)確度，電動機啟動以及速度跳變時需要進行特別處理;反饋型算法結(jié) 構(gòu)簡單，不需要電動機頻率參數(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，一些文獻提出了基于電流模型的擴展卡爾曼濾波 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 電動機參數(shù)依賴性強，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行幅值和相位變換，然后對輸出信號 進行濾波與補償處理，得到期望的定子磁鏈。
[0004] 矢量變換操作為:將電動機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?。實際應(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/和隊乂為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 出信號進行補償處理，從而得到期望的定子磁鏈。兩者補償分別為：
[0010] 其中Sign()為取符號運算。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，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,b分別為LPF算法和BPF算法補償后輸出的磁鏈;隊,。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，信號濾波均進行幅值和相位補償操作，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；
[0019] 3、本發(fā)明的磁鏈算法進行了優(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、算法對電動機參數(shù)依賴性小，應(yīng)用范圍廣泛，可移植性強，運用于交流電動機控 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)運行于低速時輸出信號波形。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明。
[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)系下磁鏈表達式為：
[0032]圖2為基于LPF濾波及補償?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。實際應(yīng)用時，電動機反電動勢中定 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濾波器及其補償處理在邱坐標(biāo)系下表達式如下：

[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，如電動機模型中定子電阻參數(shù)不準(zhǔn)，或阻值在電動機運 行時隨溫度變化，電動機轉(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)進行信號濾波。BPF濾波及 補償表達式為：
[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，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)化算法需要分別進行HLPF(s)和HBPF (s)處理，兩者有共同的LPF及其補償運算。由于濾波處理和補償計算都是線性的，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，并分別進行補償，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，電動機速度采用PI控制器調(diào)節(jié)。電動機額定功率為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），電動機由靜止開始啟動，0.9s進入穩(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%負載， 系統(tǒng)運行穩(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），電動機在在極低的速度下穩(wěn)定運行。由以上結(jié)果可知，優(yōu)化算法運行良好，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、等同替換和改進等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
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 定子磁鏈的電壓模型，對輸入的定子反電動勢矢量進行變換，將幅值變?yōu)樵瓉淼?/1 ωθ|， 為電動機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)噶浚缓髮υ撔盘栠M行濾波與補償處理，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)進行 濾波，然后對LPF和BPF進行幅值和相位補償，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補償后輸出的磁鏈分量進行線性組合，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,B分別為LPF算法和BPF算法補償后輸出的磁鏈分量;隊,。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，并分別進行補償，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)