CN107579692A - 永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，其包括：获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度；根据实际角速度得到理想角速度；利用理想角速度和实际角速度得到角速度偏差；根据角速度偏差得到角度偏差；利用角度偏差对转子的实际角度进行补偿。本发明实现了对位置信号非线性周期性振荡的补偿。可以看出，本发明补偿方法简单，操作方便，从一定程度上可以减少信号非线性周期性振荡对电机运行的影响。实际工程数据表明，本发明能够有效消除三相电流中的直流偏置，减少电机损耗，保证了电机运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机(PMSM,Permanent Magnet Synchronous Motor)技术领域，尤其涉及一种用于对永磁同步电机的位置信号非线性周期性振荡进行补偿的方法，还涉及一种用于对永磁同步电机的位置信号非线性周期性振荡进行补偿的***。
背景技术
目前位置传感器一般采用旋转变压器。图1示出了无刷旋转变压器的电气原理示意图。如图1所示，旋转变压器的初级励磁绕组(R1-R2)和相互正交的次级感应绕组(S1-S3,S2-S4)同在定子侧。不过，可变磁阻旋转变压器的转子上不存在绕组，转子侧的特殊设置使得次级耦合随着角位置变化而发生正弦变化。
参照图1，当旋转变压器的转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后，次级两输出绕组中便会产生感应电势，大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。这样，可以利用旋转变压器来测量转子角度。旋转变压器输入输出关系如式(1)所示：
式中：E0为旋转变压器驱动的励磁最大幅值；ω为旋转变压器激励的励磁角频率；K为旋转变压器变比；θ为转子转过的轴角度。位置传感器检测的位置角度φ是是根据图1中的旋变S1-S3与S2-S4两者的偏差来闭环得出实际电机的轴角度，具体如式(2)所示：
E0sinωt×(sinθcosφ-cosθsinφ) (2)
忽略各种因素的影响，理论上来说，在某一个速度点，位置角度φ值是一个与电周期相关的从0到360度变化的线性值。轴的角度θ值的变化范围为0到360度，两种应该是同步变化。速度信号可以根据位置传感器的检测的位置偏差信号得到。
在实际应用过程中，位置传感器一般安装在电机端部的转子处。然而，安装时由于各种原因导致传感器转子的中心轴与电机的轴中心线位置不处于同一条直线上。具体请参照图2a，相对于实际角速度信号(如图2a中的直线所示)，位置传感器检测到的角速度信号(如图2a中的虚线所示)为与电周期相关的非线性的振荡信号。参照图2b，相对于实际角度信号(如图2b中的直线所示)，位置传感器检测到的角度信号(如图2b中的虚线所示)为与电周期相关的非线性的振荡信号。在这种情况下，位置传感器必然引入与电周期相关的非线性的振荡信号。由于位置信号用于磁场定向，如果检测到的位置角度与实际的位置角度偏差很大，则必然会导致***由稳态趋于发散，最终导致***的失控。
发明内容
本发明目的主要是根据实际工程项目中，由于各种因素导致位置传感器信号引入非线性周期性干扰信号，针对此情况，提出一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法及***，用于提高控制***的性能。
根据本发明一个方面，提供一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，其包括：
获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度；
根据所述实际角速度，得到理想角速度；
利用所述理想角速度和所述实际角速度，得到角速度偏差；
根据所述角速度偏差，得到角度偏差；
利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿。
优选的是，根据所述实际角速度，得到理想角速度，包括：
对所述实际角速度进行滤波处理；
将经滤波的实际角速度作为所述理想角速度。
优选的是，根据所述角速度偏差，得到角度偏差，包括：
在预设的控制周期内，对所述角速度偏差进行积分；
将积分结果作为所述角度偏差。
优选的是，利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿，包括：
使所述角度偏差与所述实际角度相加；
将所述角度偏差与所述实际角度的和作为补偿后的实际角度。
优选的是，上述永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，还包括：
利用所述补偿后的实际角度对所述永磁同步电机进行控制。
根据本发明的另一个方面，提供了一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***，其包括：
位置传感器，设置为获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度；
理想角速度确定模块，设置为根据所述实际角速度，得到理想角速度；
角速度偏差确定模块，设置为利用所述理想角速度和所述实际角速度，得到角速度偏差；
角度偏差确定模块，设置为根据所述角速度偏差，得到角度偏差；
补偿模块，设置为利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿。
优选的是，所述理想角速度确定模块包括：
滤波单元，设置为对所述实际角速度进行滤波处理；
理想角速度确定单元，设置为将经滤波的实际角速度作为所述理想角速度。
优选的是，所述角度偏差确定模块包括：
积分单元，设置为在预设的控制周期内，对所述角速度偏差进行积分；
角度偏差确定单元，设置为将积分结果作为所述角度偏差。
优选的是，所述补偿模块包括：
加法运算单元，设置为使所述角度偏差与所述实际角度相加；
补偿单元，设置为将所述角度偏差与所述实际角度的和作为补偿后的实际角度。
优选的是，上述永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***，还包括电机控制模块，其设置为利用所述补偿后的实际角度对所述永磁同步电机进行控制。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明首先利用电机转子的角速度偏差得到角度偏差，然后利用角度偏差对电机转子的实际角度进行补偿，从而实现了对位置信号非线性周期性振荡的补偿。可以看出，本发明补偿方法简单，操作方便，从一定程度上可以减少信号非线性周期性振荡对电机运行的影响。实际工程数据表明，本发明能够有效消除三相电流中的直流偏置，减少电机损耗，保证了电机运行的稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了无刷旋转变压器的电气原理示意图；
图2a示出了永磁同步电机的转子的实际角速度信号与传感器检测到的角速度信号的对比示意图；
图2b示出了永磁同步电机的转子的实际角度与传感器检测到的角度信号的对比示意图；
图3示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法的流程示意图；
图4示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法的原理示意图；以及
图5示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
在实际应用过程中，位置传感器一般安装在电机端部的转子处。然而，安装时由于各种原因导致传感器转子的中心轴与电机的轴中心线位置不处于同一条直线上。在这种情况下，位置传感器必然引入与电周期相关的非线性的振荡信号。由于位置信号用于磁场定向，如果检测到的位置角度与实际的位置角度偏差很大，则必然会导致***由稳态趋于发散，最终导致***的失控。针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法及***，用于提高控制***的性能。
图3示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法的流程示意图。如图3所示，本实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，主要包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度。
在具体实施过程中，采用位置传感器来实时检测电机转子的实际角速度和实际角度。这里，位置传感器优选为旋转变压器。
在步骤102中，根据实际角速度，得到理想角速度。
在具体实施过程中，对实际角速度进行滤波处理，得到经滤波的实际角速度。然后，将经滤波的实际角速度作为理想角速度。
在步骤103中，利用理想角速度和实际角速度，得到角速度偏差。
具体地，使理想角速度减去实际角速度，将差值作为角速度偏差。
在步骤104中，根据角速度偏差，得到角度偏差。
在具体实施过程中，在预设的一个控制周期内，对角速度偏差进行积分，得到积分结果。然后，将上述积分结果作为角度偏差。
在步骤105中，利用角度偏差对转子的实际角度进行补偿。
在具体实施过程中，首先，使角度偏差与实际角度进行相加。然后，将角度偏差与实际角度的和作为补偿后的实际角度。
在本发明一优选的实施例中，电机控制器基于补偿后的实际角度来对电机的运行进行控制。这里，电机控制器利用补偿后的实际角度对电机进行负反馈控制，以使电机的转速或者输出功率达到期望的目标。
图4示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法的原理示意图。下面参照图4来详细描述本实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法的工作原理。
首先参照图2a和图2b，实线表示电机的理论上实际的信号，而虚线表示由于安装原因引起位置与速度信号畸变情况的信号。可以看到，在t1时刻，理想角速度与理想角度信号分别记为ω′和φ′，而通过位置传感器检测到的实际角速度和实际角度信号分别记录为ω和φ。由附图2a和图2b可以得到以下式(3)：
通过式(3)可推导出式(4)：
φ′＝Δφ+φ (4)
同时存在式(5)：
Δφ＝Δω×Ts (5)
式中，Ts为控制***的采样周期(即预设的控制周期)。为了消除位置信号非线性周期性振荡，需要对位置传感器采集到角度信号进行补偿，补偿值为Δφ。因为角度补偿信号(也称位置补偿信号)Δφ可以通过角速度偏差Δω积分得到，所以可以首先获得角速度偏差Δω，然后通过角速度偏差Δω来得到角度偏差Δφ。具体的工作原理图如图4所示。
参照图4，位置传感器检测到实际角速度信号与实际角度信号(位置信号)后，首先对实际角速度信号进行处理，以得到理想角速度信号(其等效于不存在位置信号非线性周期性振荡情况下的角速度信号)，在这个速度处理环节，我们采用了低通滤波器来获取平滑稳定的理想角速度信号ω′。然后，通过通过式(3)可以得到角速度偏差Δω。接下来，对所得到的角速度偏差Δω在预设时间内(优选为一个控制周期)内进行积分就获得了角度偏差信号(即位置补偿信号)Δφ。然后，利用于式(4)得到理想角度信号。最后，可以将所获取得到理想角度信号(即理想的坐标变换角)φ′输入到控制***(电机控制器)中，以使控制***基于补偿后的实际角度来对电机的运行进行控制。这里，电机控制器利用补偿后的实际角度对电机进行负反馈控制，以使电机的转速或者输出功率达到期望的目标。
应用本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，首先利用电机转子的角速度偏差得到角度偏差，然后利用角度偏差对电机转子的实际角度进行补偿，从而实现了对位置信号非线性周期性振荡的补偿。可以看出，本实施例的补偿方法简单，操作方便，从一定程度上可以减少信号非线性周期性振荡对电机运行的影响。实际工程数据表明，本实施例能够有效消除三相电流中的直流偏置，减少电机损耗，保证了电机运行的稳定性。
相应地，本发明实施例还提供了一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***。
图5示出了本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***的结构示意图。如图5所示，本实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***主要包括位置传感器201、理想角速度确定模块202、角速度偏差确定模块203、角度偏差确定模块204和补偿模块205。其中，位置传感器201通过理想角速度确定模块202、角速度偏差确定模块203和角度偏差确定模块204与补偿模块205相连接，位置传感器201还分别与角速度偏差确定模块203和补偿模块205相连接。
具体地，位置传感器201，设置为获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度。位置传感器201例如为旋转变压器。
理想角速度确定模块202，设置为根据实际角速度，得到理想角速度。这里，理想角速度确定模块202包括彼此连接的滤波单元和理想角速度确定单元。其中，滤波单元设置为对实际角速度进行滤波处理。理想角速度确定单元，设置为将经滤波的实际角速度作为理想角速度。
角速度偏差确定模块203，设置为利用理想角速度和实际角速度，得到角速度偏差。角速度偏差确定模块203具体设置为将理想角速度减去实际角速度的差作为角速度偏差。
角度偏差确定模块204，设置为根据角速度偏差，得到角度偏差。这里，角度偏差确定模块204包括彼此连接的积分单元和角度偏差确定单元。其中，积分单元设置为在预设的控制周期内对角速度偏差进行积分。角度偏差确定单元，设置为将积分结果作为角度偏差。
补偿模块205，设置为利用角度偏差对转子的实际角度进行补偿。这里，角度偏差确定模块205包括彼此连接的加法运算单元和补偿单元。其中，加法运算单元，设置为使角度偏差与实际角度相加。补偿单元，设置为将角度偏差与实际角度的和作为补偿后的实际角度。
在本发明一优选的实施例中，永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***还包括与补偿模块205相连接的电机控制模块。电机控制模块设置为利用补偿后的实际角度对永磁同步电机进行控制。
上述各模块中的操作的具体细化，可参见上面结合图3和图4对本发明方法的说明，在此不再详细赘述。
应用本发明实施例永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***，首先利用电机转子的角速度偏差得到角度偏差，然后利用角度偏差对电机转子的实际角度进行补偿，从而实现了对位置信号非线性周期性振荡的补偿。可以看出，本实施例的结构简单，其所涉及的补偿方法简单，操作方便，从一定程度上可以减少信号非线性周期性振荡对电机运行的影响。实际工程数据表明，本实施例能够有效消除三相电流中的直流偏置，减少电机损耗，保证了电机运行的稳定性。
本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿方法，其特征在于，包括：
获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度；
根据所述实际角速度，得到理想角速度；
利用所述理想角速度和所述实际角速度，得到角速度偏差；
根据所述角速度偏差，得到角度偏差；
利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述实际角速度，得到理想角速度，包括：
对所述实际角速度进行滤波处理；
将经滤波的实际角速度作为所述理想角速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述角速度偏差，得到角度偏差，包括：
在预设的控制周期内，对所述角速度偏差进行积分；
将积分结果作为所述角度偏差。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿，包括：
使所述角度偏差与所述实际角度相加；
将所述角度偏差与所述实际角度的和作为补偿后的实际角度。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：
利用所述补偿后的实际角度对所述永磁同步电机进行控制。
6.一种永磁同步电机位置信号非线性周期性振荡的补偿***，其特征在于，包括：
位置传感器，设置为获取永磁同步电机的转子的实际角速度和实际角度；
理想角速度确定模块，设置为根据所述实际角速度，得到理想角速度；
角速度偏差确定模块，设置为利用所述理想角速度和所述实际角速度，得到角速度偏差；
角度偏差确定模块，设置为根据所述角速度偏差，得到角度偏差；
补偿模块，设置为利用所述角度偏差对所述转子的实际角度进行补偿。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述理想角速度确定模块包括：
滤波单元，设置为对所述实际角速度进行滤波处理；
理想角速度确定单元，设置为将经滤波的实际角速度作为所述理想角速度。
8.根据权利要求6或7所述的***，其特征在于，所述角度偏差确定模块包括：
积分单元，设置为在预设的控制周期内，对所述角速度偏差进行积分；
角度偏差确定单元，设置为将积分结果作为所述角度偏差。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的***，其特征在于，所述补偿模块包括：
加法运算单元，设置为使所述角度偏差与所述实际角度相加；
补偿单元，设置为将所述角度偏差与所述实际角度的和作为补偿后的实际角度。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的***，其特征在于，还包括电机控制模块，其设置为利用所述补偿后的实际角度对所述永磁同步电机进行控制。
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