CN104601080A - 定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，实时检测积分器的输出偏移量，对输出偏移量进行滤波得到平滑的偏移量，把平滑的偏移量从输出中减掉，对平滑的偏移量设计调节器，将调节器输出反馈到输入端与输入偏移量相抵消，此时积分器的输出就是实际磁链，积分器的输入就是实际的定子反电势。本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，相对于使用惯性或其他环节替代纯积分的磁链计算而言，该方法不会造成磁链幅值和相位的畸变，磁链检测的结果无偏移，提高了磁链辨识的精度，减少了磁链幅值波动量，直接从输出中减去偏移量，大大缩短了检测时间。

Description

定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法

技术领域

本发明属于交流电机变频调速方法技术领域，具体涉及一种定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法。

背景技术

电机磁链的在线估计是实现磁场定向控制技术、直接转矩控制技术的关键。

在基于电压模型定子磁链辨识算法中，由于纯积分环节的存在，在辨识的定子磁链中引入了直流偏置误差或初始相位积分误差，从而影响了磁链辨识的精度。为了解决纯积分环节存在的问题，一种常用的方法是用一阶低通滤波器来代替纯积分环节。一阶低通滤波器虽然会减小直流偏置误差及消除初始相位积分误差，但它又会在辨识的磁链中引入幅值误差和相位超前，尤其当电机运行在低通截止频率以下时，使电机控制精度很低。

论文《定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法》(陈增禄，马鑫_，姬弘扬，刘娟娟，汪冰.定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法[J].中国电机工程学报.2014(6))，提出了计算磁链输出偏移量的新方法，并通过反馈调节来抑制并消除这个偏移。该方法虽然能得到较为满意的磁链检测结果，但是检测结果存在波动；另外该方法需要较长的检测时间，不利于电机的动态控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，磁链检测结果无偏移，减少了磁链幅值波动量，大大缩短检测时间。

本发明所采用的技术方案是：定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，实时检测积分器的输出偏移量，对输出偏移量进行滤波得到平滑的偏移量，把平滑的偏移量从输出中减掉，对平滑的偏移量设计调节器，将调节器输出反馈到输入端与输入偏移量相抵消，此时积分器的输出就是实际磁链，积分器的输入就是实际的定子反电势。

具体按照以下步骤实施：

步骤1：在α-β坐标下建立包含偏移量的输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，e_sα、e_sβ表示定子反电势；e^* _sα、e^* _sβ表示含有偏移量q_α、q_β的定子反电势；下标α和β分别表示α和β轴分量；

包含偏移量的输出为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ψ_sα、ψ_sβ表示磁链；ψ^* _sα、ψ^* _sβ表示含有偏移量d_α、d_β的磁链；

设上一次定子反电势采样值为e_sα1、e_sβ1，下一次定子反电势采样值为e_{sα 2}、e_sβ2；上一次定子磁链采样值为ψ^* _sα1、ψ^* _sβ1，下一次定子磁链采样值为ψ^* _sα2、ψ^* _sβ2；则输出偏移量d_α和d_β为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{\α}}=\frac{{-e}_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*}-e_{\mathrm{s\β}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}}\\ d_{\mathrm{\β}}=\frac{{-e}_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\α}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}-e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤2：由于步骤1计算得到的偏移量是不连续变化的，直接减掉会造成磁链幅值的突变，因此加一个惯性滤波环节，表达式为

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{T_{1}s+1}---\left(4\right)$

式(4)是对该惯性滤波环节的一种复数域描述，其中T₁表示该惯性滤波的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

用式(4)对步骤1得到的输出偏移量d_α和d_β进行惯性滤波，从而得到平滑的偏移量d_α ^＇和d_β ^＇，

d_α ^＇＝d_α*G₁(s)，d_β ^＇＝d_β*G₁(s)    (5)

步骤3：对步骤2得到的平滑偏移量d_α ^＇和d_β ^＇设计调节器，表达式为

$G_2\left(s\right)=\frac{H(T_{2}s+1)}{s}---\left(6\right)$

式(6)是对该调节器的一种复数域描述，其中H表示该调节器的放大倍数，T₂表示该调节器的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

则调节器输出q_α ^＇和q_β ^＇为：

q_α ^＇＝d_α ^＇*G₂(s)，q_β ^＇＝d_β ^＇*G₂(s)   (7)

步骤4：将步骤3得到的q_α ^＇和q_β ^＇反馈到输入端，从输入e^* _sα、e^* _sβ中减掉，从而抵消输入中的偏移量q_α、q_β，得到纯净的定子反电势e_sα、e_sβ；

步骤5：将步骤2得到的平滑偏移量d_α ^＇和d_β ^＇，直接从输出ψ^* _sα、ψ^* _sβ中减掉，得到不含偏移量的磁链ψ_sα、ψ_sβ，即ψ_sα＝ψ^* _sα-d_α ^＇，ψ_sβ＝ψ^* _sβ-d_β ^＇，缩短了***调节时间。

本发明的特点还在于，

步骤1中的磁链ψ_sα、ψ_sβ是采用一个纯积分环节对定子反电势e_sα、e_sβ积分得到。

本发明的有益效果是：本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，从定子反电势和磁链的相位关系出发，计算α-β轴磁链输出偏移量的公式并对其进行惯性滤波，磁链幅值平滑，减少了磁链幅值波动量，设计了偏移量反馈调节的调节器，使得闭环调节后偏移量趋于0，最终使得磁链检测的结果无偏移，相对于使用惯性或其他环节替代纯积分的磁链计算而言，该方法不会造成磁链幅值和相位的畸变，提高了磁链辨识的精度，直接从输出中减去偏移量，大大缩短了检测时间。

附图说明

图1是本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法的原理框图；

图2是采用论文《定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法》得到的仿真图；

图3是采用本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法得到的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在α-β坐标下建立包含偏移量的输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，如图1所示，e_sα、e_sβ表示定子反电势；e^* _sα、e^* _sβ表示含有偏移量q_α、q_β的定子反电势；下标α和β分别表示α和β轴分量；

包含偏移量的输出为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，如图1所示，ψ_sα、ψ_sβ表示磁链；ψ^* _sα、ψ^* _sβ表示含有偏移量d_α、d_β的磁链；其中磁链ψ_sα、ψ_sβ是采用一个纯积分环节对定子反电势e_sα、e_sβ积分得到。

设上一次定子反电势采样值为e_sα1、e_sβ1，下一次定子反电势采样值为e_{sα 2}、e_sβ2；上一次定子磁链采样值为ψ^* _sα1、ψ^* _sβ1，下一次定子磁链采样值为ψ^* _sα2、ψ^* _sβ2；如图1所示，经过偏移量计算模块，计算出输出偏移量d_α和d_β为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{\α}}=\frac{{-e}_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*}-e_{\mathrm{s\β}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}}\\ d_{\mathrm{\β}}=\frac{{-e}_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\α}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}-e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤2：由于步骤1计算得到的偏移量是不连续变化的，直接减掉会造成磁链幅值的突变，因此加一个如图1所示惯性滤波环节G₁(s)，其表达式为：

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{T_{1}s+1}---\left(4\right)$

式(4)是对该惯性滤波环节的一种复数域描述，其中T₁表示该惯性滤波的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

用式(4)对步骤1得到的输出偏移量d_α和d_β进行惯性滤波，从而得到平滑的偏移量d_α ^＇和d_β ^＇：

d_α ^＇＝d_α*G₁(s)，d_β ^＇＝d_β*G₁(s)      (5)

步骤3：对步骤2得到的平滑偏移量d_α ^＇和d_β ^＇设计调节器，如图1所示的G₂(s)，其表达式为：

$G_2\left(s\right)=\frac{H(T_{2}s+1)}{s}---\left(6\right)$

式(6)是对该调节器的一种复数域描述，其中H表示该调节器的放大倍数，T₂表示该调节器的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

则调节器输出q_α ^＇和q_β ^＇为：

q_α ^＇＝d_α ^＇*G₂(s)，q_β ^＇＝d_β ^＇*G₂(s)    (7)

步骤4：将步骤3得到的q_α ^＇和q_β ^＇反馈到输入端，从输入e^* _sα、e^* _sβ中减掉，从而抵消输入中的偏移量q_α、q_β，得到纯净的定子反电势e_sα、e_sβ；

步骤5：将步骤2得到的平滑偏移量d_α ^＇和d_β ^＇，直接从输出ψ^* _sα、ψ^* _sβ中减掉，得到不含偏移量的磁链ψ_sα、ψ_sβ，即ψ_sα＝ψ^* _sα-d_α ^＇，ψ_sβ＝ψ^* _sβ-d_β ^＇，缩短了***调节时间。

本发明的原理为：采用一个纯积分环节对定子反电势e_s积分以得到定子磁链ψ_s。输入反电势中除了定子反电势e_s外还包含输入偏移量q；积分器输出磁链中除了定子磁链ψ_s以外，还包含输出偏移量d。本发明实时检测出积分器输出中的偏移量d；然后将偏移量d通过调节器反馈到纯积分环节的输入端，***动态平衡后调节器的输出就等于q，恰好与输入偏移量q相抵消。此时积分器的输出就是实际磁链ψ_s，积分器的输入就是实际的定子反电势e_s。

图2是采用论文《定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法》得到的仿真图，横轴是时间，纵轴是幅值，图中波形分别是磁链ψ_sα、ψ_sβ。从图2可以看出，磁链ψ_sα、ψ_sβ在20秒左右达到稳态，波动量约为110％。图3是采用本发明定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法得到的仿真图，横轴是时间，纵轴是幅值，图中波形分别是磁链ψ_sα、ψ_sβ。从图3可以看出，磁链ψ_sα、ψ_sβ在2秒左右达到稳态，检测时间比论文中减小了90％；波动量约为20％，比论文中减小了90％。

本发明的有益效果在于：

(1)对偏移量进行了滤波，磁链幅值平滑，与论文《定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法》中的方法相比，磁链幅值波动量减少了90％；

(2)直接从输出中减去偏移量，极大地缩短了检测时间，与论文《定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿新方法》中的方法相比，检测时间缩短了90％；

(3)相对于使用惯性或其他环节替代纯积分的磁链计算而言，该方法不会造成磁链幅值和相位的畸变；

(4)该方法不需要高阶滤波环节；

(5)该方法无论在稳态还是动态过程中，都能得到满意的磁链检测结果。

实施例

假设某一时刻定子反电势为：

e_sα＝sinθ，e_sβ＝cosθ

输入的偏移量为10，即

q_α＝10，q_β＝10

根据式(1)，含偏移量的输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)=\sin \mathrm{\θ}+10\\ e_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)=\cos \mathrm{\θ}+10\end{array}\right.$

***动态平衡以后，由式(3)计算得到输出的偏移量d_α和d_β；

根据步骤2，取T₁＝0.02，则惯性滤波环节为：

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{0.02s+1}$

对输出偏移量d_α和d_β进行惯性滤波，得到平滑的偏移量d_α ^＇和d_β ^＇；

根据步骤3，取T₂＝3，H＝0.2，对平滑的偏移量d_α ^＇和d_β ^＇设计调节器：

$G_2\left(s\right)=\frac{0.2(3s+1)}{s}$

***动态平衡后，调节器的输出为：

q_α′＝10，q_β′＝10

将得到的q_α ^＇和q_β ^＇反馈到输入端，从输入e^* _sα、e^* _sβ中减掉，得到纯净的定子反电势为：

e_sα＝sinθ，e_sβ＝cosθ

将得到的平滑偏移量d_α ^＇和d_β ^＇，直接从输出ψ^* _sα、ψ^* _sβ中减掉，得到不含偏移量的磁链：ψ_sα＝ψ^* _sα-10，ψ_sβ＝ψ^* _sβ-10。

Claims (3)

1.定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，其特征在于，实时检测积分器的输出偏移量，对输出偏移量进行滤波得到平滑的偏移量，把平滑的偏移量从输出中减掉，对平滑的偏移量设计调节器，将调节器输出反馈到输入端与输入偏移量相抵消，此时积分器的输出就是实际磁链，积分器的输入就是实际的定子反电势。

2.如权利要求1所述的定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在α-β坐标下建立包含偏移量的输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)=e_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+q_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，e_sα、e_sβ表示定子反电势；e^* _sα、e^* _sβ表示含有偏移量q_α、q_β的定子反电势；下标α和β分别表示α和β轴分量；

包含偏移量的输出为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}\left(t\right)+d_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ψ_sα、ψ_sβ表示磁链；ψ^* _sα、ψ^* _sβ表示含有偏移量d_α、d_β的磁链；

设上一次定子反电势采样值为e_sα1、e_sβ1，下一次定子反电势采样值为e_{sα 2}、e_sβ2；上一次定子磁链采样值为ψ^* _sα1、ψ^* _sβ1，下一次定子磁链采样值为ψ^* _sα2、ψ^* _sβ2；则输出偏移量d_α和d_β为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{\α}}=\frac{-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*}-e_{\mathrm{s\β}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}}\\ d_{\mathrm{\β}}=\frac{-e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}1}^{*}+e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}2}^{*}-e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\α}2}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}2}^{*})}{e_{\mathrm{s\α}1}{e}_{\mathrm{s\β}2}-e_{\mathrm{s\α}2}{e}_{\mathrm{s\β}1}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤2：由于步骤1计算得到的偏移量是不连续变化的，直接减掉会造成磁链幅值的突变，因此加一个惯性滤波环节，表达式为

$G_1\left(s\right)=\frac{1}{T_{1}s+1}---\left(4\right)$

式(4)是对该惯性滤波环节的一种复数域描述，其中T₁表示该惯性滤波的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

用式(4)对步骤1得到的输出偏移量d_α和d_β进行惯性滤波，从而得到平滑的偏移量d＇_α和d＇_β，

d＇_α＝d_α*G₁(s)，d＇_β＝d_β*G₁(s)    (5)

步骤3：对步骤2得到的平滑偏移量d＇_α和d＇_β设计调节器，表达式为

$G_2\left(s\right)=\frac{H(T_{2}s+1)}{s}---\left(6\right)$

式(6)是对该调节器的一种复数域描述，其中H表示该调节器的放大倍数，T₂表示该调节器的时间常数、其单位是秒，s表示微分运算的符号；

则调节器输出q＇_α和q＇_β为：

q＇_α＝d＇_α*G₂(s)，q＇_β＝d＇_β*G₂(s)    (7)

步骤4：将步骤3得到的q＇_α和q＇_β反馈到输入端，从输入e^* _sα、e^* _sβ中减掉，从而抵消输入中的偏移量q_α、q_β，得到纯净的定子反电势e_sα、e_sβ；

步骤5：将步骤2得到的平滑偏移量d＇_α和d＇_β，直接从输出ψ^* _sα、ψ^* _sβ中减掉，得到不含偏移量的磁链ψ_sα、ψ_sβ，即ψ_sα＝ψ^* _sα-d＇_α，ψ_sβ＝ψ^* _sβ-d＇_β，缩短了***调节时间。

3.如权利要求1所述的定子磁链电压模型的偏移计算和反馈补偿方法，其特征在于，所述步骤1中的磁链ψ_sα、ψ_sβ是采用一个纯积分环节对定子反电势e_sα、e_sβ积分得到。