CN111551781B - 等效畸变电压直接检测方法及逆变器非线性因素补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等效畸变电压直接检测方法，包括：将电机控制***中参考电压由傅里叶级数展开的物理意义进行展开，建立参考电压与各畸变电压之间的关系方程式；对参考电压与畸变电压之间的关系方程式进行简化，以使逆变器非线性因素引起的等效畸变电压的系数为常数；通过控制***实时得到简化后的关系方程式一边的结果，再对结果进行低通滤波，进而得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压。本发明还公开了一种逆变器非线性因素补偿方法，基于上述检测方法得到的等效畸变电压，对逆变器非线性因素进行补偿。本发明具有补偿精度高、适用范围广、动态响应好等优点。

Description

等效畸变电压直接检测方法及逆变器非线性因素补偿方法

技术领域

本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种等效畸变电压直接检测方法及逆变器非线性因素补偿方法。

背景技术

随着电力机车和铁路技术的发展，轨道交通应用的越来越广泛，具有舒适性、便捷性、经济性等优点。电力机车作为轨道交通的运载工具，其电机控制***是机电能量转换的大脑，***的控制性能影响着电力机车的能量转换效率、运行稳定性等。在电机控制***中，逆变器为交流电机供电，通过逆变器可实现电机的变频控制。其中逆变器开关管导通和关闭需要一定的时间，为了防止逆变器同一桥臂的上下开关管同时导通，产生电源短路的严重后果，同一桥臂的上下开关管在导通关闭时序上存在死区时间，即控制信号的切换有个延迟等待时间。由于死区时间以及开关管与并联二极管压降的影响，逆变器的参考电压与输出电压并不相等，两者之间存在畸变电压，从而造成在abc静止坐标系中，逆变器输出电流有很严重的6k±1次谐波(k＝1,2,3…)，在d-q旋转坐标系中，表现为6k次谐波,最终造成电机转矩脉动变大、产生振动噪声、影响运行效率等不良影响，进而影响电机高性能控制和寿命。因此，为了提高电机的高性能控制，对逆变器非线性因素的补偿必不可少。

现在对逆变器非线性因素补偿的研究可以划分为两类，基于时间的补偿法和基于电压的补偿法。下面对各补偿方法进行说明：

1、基于时间的补偿法主要思想是对开关管导通时间进行合适的补偿，该方法需要准确获得误差时间，而获取误差时间的方法忽略了逆变器非理想开关特性或者电机参数变化，从而造成补偿不精确，因此，基于时间的补偿法已很少使用。

2、基于电压的补偿法从逆变器的参考电压入手，通过对逆变器的参考电压实施补偿来消除逆变器非线性因素引起的畸变电压。基于电压的补偿法主要又可分为平均电压补偿法和基于观测器的在线补偿法：

2.1、平均电压的补偿法使用了离线测量的开关管导通、关闭时间以及开关管、二极管导通压降，而忽略了各参数在运行过程发生变化导致补偿效果变差。

2.2、基于观测器的在线补偿法忽略了电机参数变化对逆变器非线性因素补偿的影响，但电机的定子电阻、交直轴电感和磁链在运行中有比较大的变化，且有些方法只能运行在i_d＝0工况，忽略高次谐波的影响，应用领域有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种精度高的等效畸变电压直接检测方法及逆变器非线性因素补偿方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种等效畸变电压直接检测方法，包括步骤：

将电机控制***中参考电压由傅里叶级数展开的物理意义进行展开，建立参考电压与各畸变电压之间的关系方程式；

对参考电压与畸变电压之间的关系方程式进行简化，以使逆变器非线性因素引起的等效畸变电压的系数为常数；

通过控制***实时得到简化后的关系方程式一边的结果，再对结果进行低通滤波，进而得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压。

优选地，关系方程式为：

其中u_d*、u_q*分别为d轴参考电压、q轴参考电压；

分别为d轴参考电压直流分量、q轴参考电压直流分量；

分别为d轴畸变电压直流分量、q轴畸变电压直流分量；

4V_deadsin(θ_e+α)、4V_deadcos(θ_e+α)分别为逆变器非线性因素引起的d轴畸变电压、q轴畸变电压；

u_dh、u_qh分别为d轴参考电压谐波分量、q轴参考电压谐波分量；其中u_dh、u_qh中不含有由逆变器非线性因素引起的谐波分量；

其中θ为位置角；α为电流矢量与q轴的夹角。

优选地，关系方程式简化过程为：

由(1a)和(1b)方程可得以下方程：

令(2a)方程两边同时乘以sin(θ_e+α)和(2b)方程两边同时乘以cos(θ_e+α)，可得以下方程：

令(3a)+(3b)，可得以下方程，以使4V_dead的系数化为常数：

优选地，通过控制***实时得到式(4)中的

的结果，再通过低通滤波器对此结果进行低通滤波，进而提取出直流分量4V_dead，再根据方程(5)即可计算出d-q轴畸变电压：

其中u'_d为d轴畸变电压；u'_q为q轴畸变电压。

优选地，关系方程式简化过程为：

令(1a)方程两边同时乘以sin(θ_e)和(1b)方程两边同时乘以cos(θ_e)，可得以下方程：

令(6a)+(6b)，可得以下方程：

进一步简化式(7)，得：

优选地，通过控制***实时得到式(8)中的

的结果，再通过低通滤波器对此结果进行低通滤波，进而提取出直流分量4V_deadcos(α)，除以非零量4cos(α)便得到V_dead，再根据方程(5)即可计算出d-q轴畸变电压：

其中u'_d为d轴畸变电压；u'_q为q轴畸变电压。

优选地，通过数字滤波器对结果进行低通滤波。

本发明还公开了一种逆变器非线性因素补偿方法，包括步骤：

电机转速偏差经PI调节后输出定子电流i_s；

定子电流i_s经最大转矩电流比控制输出参考直轴电流i_d*、参考交轴电流i_q*，再分别与对应反馈电流i_d、i_q的偏差经PI调节后输出参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*；

根据参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*以及计算出的Dd和Dq，依据如权利要求1～7中任意一项所述的等效畸变电压直接检测方法直接检测出等效畸变电压V_dead；

等效畸变电压的目标值与检测出的等效畸变电压V_dead的偏差经调节后的输出值，与Dd和Dq计算出补偿直轴畸变电压u_dc、补偿交轴畸变电压u_qc；

参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*分别被u_dc、u_qc补偿之后，生成补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*；

补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*通过空间矢量调制，生成控制逆变器的PWM脉冲，再发送至逆变器中以生成三相电流为电机供电。

优选地，等效畸变电压的目标值与检测出的等效畸变电压V_dead的偏差经PI调节后得到输出值。

优选地，Dd和Dq的计算式为：

其中i_a、i_b、i_c分别为三相电流；θ为位置角；i_a,b,c表示为i_a或i_b或i_c。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于傅里叶级数展开的物理意义对参考电压进行展开，并将其进行数学简化，再结合控制***实时得到的结果，再进行低通滤波，最终得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压；由于无需使用离线测量的参数，避免了以上参数在运行中变化所引起的偏差，故补偿精度高。

本发明无需使用电机参数，从而避免了参数变化对补偿的影响，适用性广，并考虑到高次谐波，提高了补偿精度，且可以运行在i_d＝0和i_d≠0两种工况，故可以运用在最大转矩电流比控制和弱磁控制，拓宽了后续逆变器非线性因素补偿方法的应用领域。

本发明的逆变器非线性因素补偿方法，通过将等效畸变电压与目标值之间的偏差进行PI调节，通过PI调节使等效畸变电压快速收敛至目标值0(收敛速度加快)，从而达到快速补偿逆变器非线性因素的目的，动态响应好。

附图说明

图1为本发明的检测方法在实施例的流程图。

图2为本发明的补偿方法在实施例的对应控制框图。

图3为无补偿时检测的V_dead波形图。

图4为补偿后的V_dead波形图。

图5为补偿前的A相电流波形图。

图6为补偿后的A相电流波形图。

图7为补偿前的A相电流FFT分析结果图。

图8为补偿后的A相电流FFT分析结果图。

图9为补偿前的q轴电流和d轴电流波形图。

图10为补偿后的q轴电流和d轴电流波形图。

图11为补偿前的电机转矩波形图。

图12为补偿后的电机转矩波形图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的等效畸变电压直接检测方法，包括步骤：

1)将电机控制***中参考电压由傅里叶级数展开的物理意义进行展开，建立参考电压与各畸变电压之间的关系方程式；

2)对参考电压与畸变电压之间的关系方程式进行简化，以使逆变器非线性因素引起的等效畸变电压的系数为常数；

3)通过控制***实时得到简化后的关系方程式一边的结果，再对结果进行低通滤波，进而得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压。

本发明基于傅里叶级数展开的物理意义对参考电压进行展义，并将其进行数学简化，再结合控制***实时得到的结果，再进行低通滤波，最终得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压；由于无需使用离线测量的参数，避免了以上参数在运行中变化所引起的偏差，故检测结果精度高，使得后续的逆变器非线性因素补偿精度高。

本实施例中，步骤1)的具体过程为：

d轴参考电压

和q轴参考电压

的谐波主要由逆变器非线性因素导致，由傅里叶级数展开，可知逆变器d轴参考电压

和q轴参考电压

满足以下方程：

其中u_d*、u_q*分别为d轴参考电压、q轴参考电压；

分别为d轴参考电压直流分量、q轴参考电压直流分量；

分别为d轴畸变电压直流分量、q轴畸变电压直流分量；

4V_deadsin(θ_e+α)、4V_deadcos(θ_e+α)分别为逆变器非线性因素引起的d轴畸变电压、q轴畸变电压(该畸变电压中含有直流分量和谐波分量，该表达式由逆变器非线性数学模型得出)；

u_dh、u_qh分别为d轴参考电压其它谐波分量、q轴参考电压其它谐波分量(其它谐波分量表示：不是由逆变器非线性因素引起的谐波分量)；

其中θ为位置角；α为电流矢量与q轴的夹角。

本实施例中，步骤2)的具体过程为：

由(1a)和(1b)方程可得以下方程：

令(2a)方程两边同时乘以sin(θ_e+α)和(2b)方程两边同时乘以cos(θ_e+α)，可得以下方程：

令(3a)+(3b)，使4V_dead的系数化为常数，可得以下方程：

本实施例中，步骤3)的具体过程为：

项中参数值可在控制***中实时获得，4V_dead项是直流分量，u_dh×sin(θ_e+α)+u_qh×cos(θ_e+α)项为谐波分量，含有极少的直流分量，可忽略不计；

在控制***中实时求得式(4)左边结果，将结果通过低通滤波器(如数字滤波器)，便可提取出直流分量4V_dead，再根据方程(5)即可计算出d-q轴畸变电压：

其中u'_d为d轴畸变电压；u'_q为q轴畸变电压。

在其它实施例中，步骤2)的具体过程也可以为：

令(1a)方程两边同时乘以sin(θ_e)和(1b)方程两边同时乘以cos(θ_e)，可得以下方程：

令(6a)+(6b)，可得以下方程：

进一步简化式(7)，得：

对应地，步骤3)的具体过程为：在式(8)的右边，第一项4V_deadcos(α)中的cos(α)为非零常数，在不同时刻有4个取值，1、0.5、-0,5、-1，第二项

为基频分量，第三项u_dh×sin(θ_e)和第四项u_qh×cos(θ_e)为高频分量，含有极少的直流分量，可忽略不计；

其中式(8)的左边的

项中参数值可在控制***中实时获得，在控制***中实时求得式(8)左边结果，将结果通过低通滤波器(如数字滤波器)，便可提取出直流分量4V_deadcos(α)，该值除以非零量4cos(α)便得到V_dead，从而可计算出d-q轴畸变电压。

本发明还公开了一种逆变器非线性因素补偿方法，具体应用于电机控制***中，其中电机控制***的具体控制框图如图2所示，其中控制框图中各参数说明如下：

ω*为参考角速度，ω为反馈角速度；i_s为定子电流；i_q*为参考交轴电流，i_q为反馈交轴电流；i_d*为参考直轴电流，i_d为反馈直轴电流；u_q*为参考交轴电压；u_d*为参考直轴电压；u_qc为补偿交轴畸变电压；u_dc为补偿直轴畸变电压；u_q2*为补偿后参考交轴电压；u_d2*为补偿后参考直轴电压；i_a、i_b、i_c分别为三相电流；θ为位置角；

为检测的等效畸变电压；

LPF：低通滤波器；MTPA：最大转矩电流比控制；SVPWM：空间矢量调制；PMSM：永磁同步电机abc-dq：park变换；Dd和Dq为θ的函数，表达式如下：

其中i_a、i_b、i_c分别为三相电流；θ为位置角；i_a,b,c表示为i_a或i_b或i_c。

其中该电机控制***采用的是矢量控制***，控制对象为永磁同步电机，具体的控制补偿方法如下：

该控制***转速环用来实现达到目标转速，转速偏差经PI调节器输出定子电流i_s；

定子电流i_s经“MTPA”模块输出合适的参考直轴电流i_d*、参考交轴电流i_q*，其与反馈电流i_d、i_q之间的偏差经PI调节器输出为参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*；

根据参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*以及计算出的Dd和Dq，在图2中的“计算”模块中，按如上所述的检测方法直接检测出等效畸变电压V_dead；

设定等效畸变电压的目标值为0,其与等效畸变电压V_dead的偏差经PI调节器输出，该输出值、Dd和Dq共同计算出补偿直轴畸变电压u_dc、补偿交轴畸变电压u_qc；

参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*分别被计算出的畸变电压u_dc、u_qc补偿之后，生成补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*；

补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*通过空间矢量调制，生成控制逆变器的PWM脉冲；

PWM脉冲发送至逆变器，使逆变器工作，生成三相电流，开始为电机供电；

其中三相电流经Park变化为d-q旋转坐标系下的i_d，i_q电流，作为反馈；其中位置角信号θ可由电机监测设备测得。

本发明基于傅里叶级数展开参考电压，并将其进行数学简化，再结合控制***实时得到的结果，再进行低通滤波，最终得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压；由于无需使用离线测量的参数，避免了以上参数在运行中变化所引起的偏差，故补偿精度高。

本发明无需使用电机参数，避免了参数变化对补偿的影响，适用性广，并考虑到高次谐波，提高了补偿精度，且可以运行在i_d＝0和i_d≠0两种工况，故可以运用在最大转矩电流比控制和弱磁控制，拓宽了后续逆变器非线性因素补偿方法的应用领域。

本发明的逆变器非线性因素补偿方法，通过将等效畸变电压与目标值之间的偏差进行PI调节，通过PI调节使等效畸变电压快速收敛至目标值0(收敛速度加快)，从而达到快速补偿逆变器非线性因素的目的，动态响应好。

具体地，下面结合具体的仿真实验对本发明做进一步说明：

使用发明中的检测方法检测V_dead且未进行逆变器非线性补偿，在仿真条件下，检测出V_dead的稳态值为3.208V，如图3所示；使用发明中的检测方法检测V_dead并进行逆变器非线性补偿，得到补偿后V_dead的变化波形，使用PI调节器，可以使V_dead快速收敛至0，如图4所示。

其中补偿前的A相电流波形如图5所示，补偿后的B相电流波形如图6所示，可以看出，加入补偿后的A相电流波形变得更加接近于正弦，对A相电流波形进行FFT分析，得到以下FFT分析结果，如图7和图8所示，由A相电流的FFT分析结果可知，补偿前谐波畸变率(THD)为7.69％，补偿后谐波畸变率(THD)为1.31％,THD减少了6.38％，5次、7次、11次和13次谐波明显减少，逆变器非线性因素补偿方法降低谐波效果明显。

另外，如图9和图10所示，通过对比可以看出，补偿后的q轴电流和d轴电流波形波动变小，尤其是d轴电流波形。如图11和图12所示，通过波形可知，补偿前转矩波动为0.55N左右，补偿后转矩波动减小为0.35N左右，转矩波动减少了36.4％。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，包括步骤：

将电机控制***中参考电压由傅里叶级数展开的物理意义进行展开，建立参考电压与各畸变电压之间的关系方程式；

对参考电压与畸变电压之间的关系方程式进行简化，以使逆变器非线性因素引起的等效畸变电压的系数为常数；

通过电机控制***实时得到简化后的关系方程式一边的结果，再对结果进行低通滤波，进而得到逆变器非线性因素引起的等效畸变电压；

关系方程式为：

其中u_d*、u_q*分别为d轴参考电压、q轴参考电压；

分别为d轴参考电压直流分量、q轴参考电压直流分量；

分别为d轴畸变电压直流分量、q轴畸变电压直流分量；

4V_dead sin(θ_e+α)、4V_dead cos(θ_e+α)分别为逆变器非线性因素引起的d轴畸变电压、q轴畸变电压；

u_dh、u_qh分别为d轴参考电压谐波分量、q轴参考电压谐波分量；其中u_dh、u_qh中不含有由逆变器非线性因素引起的谐波分量；

其中θ为位置角；α为电流矢量与q轴的夹角。

2.根据权利要求1所述的等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，关系方程式简化过程为：

由(1a)和(1b)方程可得以下方程：

令(2a)方程两边同时乘以sin(θ_e+α)和(2b)方程两边同时乘以cos(θ_e+α)，可得以下方程：

令(3a)+(3b)，可得以下方程，以使4V_dead的系数化为常数：

3.根据权利要求2所述的等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，通过控制***实时得到式(4)中的

的结果，再通过低通滤波器对此结果进行低通滤波，进而提取出直流分量4V_dead，再根据方程(5)即可计算出d-q轴畸变电压：

其中u'_d为d轴畸变电压；u'_q为q轴畸变电压。

4.根据权利要求1所述的等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，关系方程式简化过程为：

令(1a)方程两边同时乘以sin(θ_e)和(1b)方程两边同时乘以cos(θ_e)，可得以下方程：

令(6a)+(6b)，可得以下方程：

进一步简化式(7)，得：

5.根据权利要求4所述的等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，通过控制***实时得到式(8)中的

的结果，再通过低通滤波器对此结果进行低通滤波，进而提取出直流分量4V_dead cos(α)，除以非零量4cos(α)便得到V_dead，再根据方程(5)即可计算出d-q轴畸变电压：

其中u'_d为d轴畸变电压；u'_q为q轴畸变电压。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的等效畸变电压直接检测方法，其特征在于，通过数字滤波器对结果进行低通滤波。

7.一种逆变器非线性因素补偿方法，其特征在于，包括步骤：

电机转速偏差经PI调节后输出定子电流i_s；

定子电流i_s经最大转矩电流比控制输出参考直轴电流i_d*、参考交轴电流i_q*，再分别与对应反馈电流i_d、i_q的偏差经PI调节后输出参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*；

根据参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*以及计算出的Dd和Dq，依据如权利要求1～7中任意一项所述的等效畸变电压直接检测方法直接检测出等效畸变电压V_dead；

等效畸变电压的目标值与检测出的等效畸变电压V_dead的偏差经调节后的输出值，与Dd和Dq计算出补偿直轴畸变电压u_dc、补偿交轴畸变电压u_qc；

参考直轴电压u_d*、参考交轴电压u_q*分别被u_dc、u_qc补偿之后，生成补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*；

补偿后参考直轴电压u_d2*、补偿后参考交轴电压u_q2*通过空间矢量调制，生成控制逆变器的PWM脉冲，再发送至逆变器中以生成三相电流为电机供电。

8.根据权利要求7所述的逆变器非线性因素补偿方法，其特征在于，等效畸变电压的目标值与检测出的等效畸变电压V_dead的偏差经PI调节后得到输出值。

9.根据权利要求7或8所述的逆变器非线性因素补偿方法，其特征在于，Dd和Dq的计算式为：

其中i_a、i_b、i_c分别为三相电流；θ为位置角；i_a,b,c表示为i_a或i_b或i_c。

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