本發(fā)明屬于交流電機(jī)傳動技術(shù)領(lǐng)域,涉及永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法,具體涉及一種基于方波注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置時延補(bǔ)償方法估算方法,是一種在低開關(guān)頻率下利用空間矢量脈寬調(diào)制并基于方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法。
背景技術(shù):
永磁同步電機(jī)因效率高、功率密度大及寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn),近年來受到軌道交通行業(yè)的密切關(guān)注。由于與牽引電機(jī)為一體,惡劣的環(huán)境導(dǎo)致位置傳感器的故障率一直較高,造成機(jī)破、降速行駛等安全問題。無位置傳感器控制是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)。在傳統(tǒng)功率變頻器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通常把pwm調(diào)制環(huán)節(jié)使用padé近似簡化為一階慣性環(huán)節(jié);其前提是:pwm調(diào)制的開關(guān)頻率較高,其延時相對較小,可以忽略此延時對控制系統(tǒng)的影響。而大功率變頻裝置的開關(guān)器件受開關(guān)損耗以及散熱的限制,最高開關(guān)頻率一般不超過1khz,pwm調(diào)制環(huán)節(jié)的延時顯著增大,使得電流環(huán)帶寬受限、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力下降,且由此產(chǎn)生較大的數(shù)字控制延時將加劇dq軸電流的交叉耦合程度,從而造成在使用信號注入法時高頻響應(yīng)電流發(fā)生畸變,影響位置估計(jì)精度。另一方面,傳統(tǒng)的正弦電壓注入法在高頻信號解調(diào)和位置估計(jì)時需要使用較多濾波器,會極大限制電流環(huán)和速度環(huán)的帶寬,且開關(guān)頻率較低時由于采樣點(diǎn)數(shù)較少,正弦電壓信號會發(fā)生嚴(yán)重失真,導(dǎo)致響應(yīng)電流出現(xiàn)畸變。而方波電壓信號的形式?jīng)Q定了其更加適用于低開關(guān)頻率下的諧波注入。
目前,國內(nèi)外關(guān)于永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的研究主要集中在開關(guān)頻率較高的情況下,而關(guān)于消除低開關(guān)頻率下脈沖生成環(huán)節(jié)的信號延遲均是通過重新設(shè)計(jì)電流控制器來實(shí)現(xiàn)對定子電流磁化分量和轉(zhuǎn)矩分量的有效解耦,并沒有分析pwm信號滯后及電流耦合程度加劇對位置估計(jì)精度的影響。
低開關(guān)頻率下傳統(tǒng)的高頻注入法會存在以下兩個特殊問題:1)正弦信號在低采樣頻率下由于采樣點(diǎn)過少會出現(xiàn)嚴(yán)重失真,導(dǎo)致高頻響應(yīng)信號出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。2)pwm信號出現(xiàn)滯后,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升,交叉耦合加劇,進(jìn)一步影響了高頻響應(yīng)電流包絡(luò)線的正弦度,帶來位置估計(jì)誤差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本發(fā)明提出一種方波注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置時延補(bǔ)償方法估算方法,一方面選擇方波電壓作為注入諧波,簡化了高頻信號處理過程。另一方面引入了一種時延補(bǔ)償算法消除pwm信號滯后帶來的影響,改善低開關(guān)頻率造成的電流耦合現(xiàn)象,降低高頻響應(yīng)電流畸變率。
技術(shù)方案
一種方波注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置時延補(bǔ)償方法估算方法,其特征在于:
通過pi電流調(diào)節(jié)器控制輸出ud、uq電壓矢量的大小,在電機(jī)靜止時向估計(jì)d軸注入方波電壓信號,閉環(huán)完成初始定位,使n極收斂到真實(shí)d軸。電機(jī)起動后,通過bpf消除負(fù)載高頻分量,獲取q軸高頻響應(yīng)電流,通過位置觀測單元估算轉(zhuǎn)子位置。
計(jì)算低開關(guān)頻率下數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣延時時間tdelay≈1.5ts,其中ts為載波周期,并建立考慮tdelay下的pi電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);針對得到的轉(zhuǎn)子位置估算值,計(jì)算低開關(guān)頻率下
具體步驟如下:
步驟1:向估計(jì)d軸注入如下式所示的方波電壓信號
其中,符號“∧”代表對應(yīng)量的估計(jì)值,uh為注入方波電壓的幅值。注入頻率ωh設(shè)置為開關(guān)頻率的一半;
步驟2:計(jì)算轉(zhuǎn)子位置估算誤差
其中,θr為轉(zhuǎn)子位置真實(shí)值,
步驟3:獲取q軸載波電流
步驟4:對
其中,
步驟5:計(jì)算考慮相位滯后的實(shí)際三相電流值
其中,isdel為實(shí)際采樣的電流峰值,δ為pwm延遲造成的實(shí)際系統(tǒng)電流的滯后相位;
步驟6:交直軸電流給定為
步驟7:通過補(bǔ)償增益,得到參與pi電流調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償電流idqmc:
步驟8:當(dāng)δ′=δ時,則系統(tǒng)延時得到補(bǔ)償,聯(lián)立推導(dǎo)得:
其中,δ′為估計(jì)的延時相位;
步驟9:位置誤差信號
其中,
有益效果
本發(fā)明提出的一種方波注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置時延補(bǔ)償方法估算方法,通過pi電流調(diào)節(jié)器控制輸出ud、uq電壓矢量的大小,在電機(jī)靜止時向估計(jì)d軸注入方波電壓信號,閉環(huán)完成初始定位,使n極迅速收斂到真實(shí)d軸。電機(jī)順利起動后,考慮到在動態(tài)過程中負(fù)載分量的快速變化會產(chǎn)生高頻分量,從而限制位置觀測器帶寬,影響位置估計(jì)精度,本發(fā)明通過bpf來消除負(fù)載高頻分量,獲取q軸高頻響應(yīng)電流,并通過位置觀測器估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和速度。同時,基于q軸電流誤差延時補(bǔ)償算法消除pwm信號滯后帶來的高頻響應(yīng)電流畸變。
本發(fā)明方法的控制原理框圖如圖1所示。其中,高頻電流信號
本發(fā)明所述的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制具有以下優(yōu)點(diǎn):1)選用方波電壓作為注入諧波,免除了位置估計(jì)環(huán)節(jié)大量濾波器的使用,提高了控制系統(tǒng)帶寬;2)采用基于q軸電流誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?,消除了低開關(guān)頻率下pwm信號滯后帶來的影響,降低了響應(yīng)電流畸變率,提高了位置估計(jì)精度。3)考慮負(fù)載電流分量對位置估計(jì)精度的影響,在閉環(huán)模型的高頻信號提取環(huán)節(jié)通過bpf濾除負(fù)載高頻分量,進(jìn)一步改善了位置估計(jì)效果。
附圖說明
圖1:本發(fā)明方法原理框圖
圖2:位置觀測器
圖3:傳動系統(tǒng)數(shù)字控制時序
圖4:數(shù)字延時電壓矢量示意圖
圖5:考慮等效延時的同步電流pi矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖6:開關(guān)頻率變化時的零極點(diǎn)圖
圖7:時延補(bǔ)償算法框圖
圖8:系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖
圖9:注入的方波電壓信號及采樣時刻
圖10:方波電壓信號的施加形式
圖11:空載時永磁同步電機(jī)a相電流波形對比
圖12:空載時永磁同步電機(jī)位置估計(jì)波形對比
圖13:空載時永磁同步電機(jī)位置估計(jì)誤差對比
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
本發(fā)明是一種通過方波電壓注入實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)位置估計(jì)的無位置傳感器控制策略,考慮到低開關(guān)頻率帶來的pwm信號滯后及注入諧波頻率降低造成的位置估計(jì)誤差,通過分析低開關(guān)頻率下pwm信號滯后機(jī)理及時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,提出了一種時延補(bǔ)償算法,建立了一種適用于低開關(guān)頻率的無位置傳感器閉環(huán)控制模型,旨在實(shí)現(xiàn)對定子電流磁化分量和轉(zhuǎn)矩分量的有效解耦,從而改善低開關(guān)頻率下的響應(yīng)電流畸變率,提高位置估計(jì)精度。最終通過pi電流調(diào)節(jié)器輸出電壓矢量,再以svpwm控制兩電平通用變頻器。包括以下幾方面:
(1)dsp計(jì)算及pwm輸出延時和數(shù)字控制時序有關(guān),典型的傳動系統(tǒng)數(shù)字控制時序如圖3所示,主要包括采樣、矢量控制算法計(jì)算、中斷下溢重載、pwm更新??紤]在數(shù)字控制時序中,延時主要包括控制算法計(jì)算延時和pwm輸出延時,則低開關(guān)頻率下的數(shù)字控制系統(tǒng)的延時時間可表示為:
tdelay=tcal+tpwm≈1.5ts(1)
其中,ts為電流采樣周期,tcal為計(jì)算延時,tpwm為pwm輸出延時。
(2)通過復(fù)矢量法來分析低開關(guān)頻率對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,主要包括:
a)對pmsm采用磁鏈定向的矢量控制,在復(fù)數(shù)坐標(biāo)系{1,j}上定義復(fù)變量udq=ud+juq,idq=id+jiq,旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下pmsm的電壓方程為
ud=rsid+ldpid-ωrlqiq(2)
uq=rsiq+lqpiq+ωr(ldid+ψf)(3)
其中,ud和uq為d、q軸電壓分量;id和iq為d、q軸電流分量,lq和ld分別為交直軸同步電感,rs為定子電阻,ωr為轉(zhuǎn)子電角速度。為了簡化分析過程,取表貼式永磁同步電機(jī),令lq=ld=ls,則復(fù)平面內(nèi)矢量形式表示的永磁同步電機(jī)d-q坐標(biāo)系電壓方程為
udq=rsidq+lspidq+jωr(lsidq+ψf)(4)
b)考慮系統(tǒng)等效延時,基于同步電流pi調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。
若把反電勢當(dāng)作一個擾動,則由圖5易得到系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為
其中tdelay為系統(tǒng)采樣延時,在進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算后,
(3)由于pwm輸出延時造成電流出現(xiàn)相位滯后,使用估計(jì)的位置角
其中,isdel為實(shí)際采樣的電流峰值,δ為pwm延遲造成的實(shí)際系統(tǒng)電流的滯后相位。由于永磁體勵磁恒定,若能控制q軸電流誤差,估算實(shí)際系統(tǒng)延時帶來的滯后相位,估算值為δ′,然后控制估計(jì)的同步旋轉(zhuǎn)矩陣位移角
式(8)~(12)所體現(xiàn)的補(bǔ)償流程如圖7所示,根據(jù)誤差電流iqerr,利用pi控制器實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)延時,從而控制估計(jì)的轉(zhuǎn)子位移角
(4)向估計(jì)d軸注入方波電壓信號后,通過對q軸電流進(jìn)行信號處理來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。注入的電壓形式為:
其中,uh為注入方波電壓的幅值,注入的方波電壓與載波的對應(yīng)關(guān)系如圖9所示。圖10給出了實(shí)驗(yàn)條件下注入的方波電壓信號,其參數(shù)設(shè)定依賴于電機(jī)和逆變器參數(shù),此時開關(guān)頻率為1khz,方波電壓頻率500hz,注入電壓幅值15v。
(5)在對高頻信號解調(diào)時,選擇對q軸響應(yīng)電流進(jìn)行處理,對經(jīng)過bpf后的q軸電流進(jìn)行采樣可得到采樣值
其中,
本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示,包括:整流電路、濾波電路、三相全橋逆變器、電流和電壓檢測電路、中央控制器。本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器來進(jìn)行真實(shí)位置信號的采集,并與估計(jì)位置作對比,構(gòu)成永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)。為驗(yàn)證本發(fā)明方法,采用rtlab作為主控制器,利用一臺3.7kw的永磁同步電機(jī)搭建了驗(yàn)證平臺。
實(shí)施例包含的具體步驟如下:
1.基于rtlab控制器搭建方波注入的基礎(chǔ)模型;
2.通過q軸高頻響應(yīng)電流解算位置信號,包括以下步驟:
(2.1).通過電流傳感器以及相應(yīng)的信號處理電路從交流供電的逆變器電路中測得pmsm三相電流ia、ib、ic,其中iabc=iabcf+iabch;
(2.2).由下式計(jì)算永磁同步電機(jī)定子電流在靜止兩相坐標(biāo)系αβ軸下的分量:
(2.3).由下式計(jì)算永磁同步電機(jī)定子電流在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的分量:
(2.4).由下式提取q軸響應(yīng)電流
(2.5).轉(zhuǎn)子位置誤差信息由下式計(jì)算
(2.6).位置和轉(zhuǎn)速的估計(jì)由圖2所示的位置觀測器完成。
3.通過以下步驟分析低開關(guān)頻率下延時對系統(tǒng)穩(wěn)定性及位置估計(jì)精度的影響:
(3.1).數(shù)字控制系統(tǒng)中根據(jù)電壓得到的開通關(guān)斷時間即占空比d(k),需要等到(k+1)周期才能加載,中間存在ts的時間延遲,由圖4所示,在第k個周期中估計(jì)的位置角
(3.2).不考慮數(shù)字延時影響,作用在電機(jī)上的兩項(xiàng)靜止電壓矢量可表示為
考慮數(shù)字延時影響,結(jié)合圖3,可以得到兩項(xiàng)靜止電壓計(jì)算方程
上式中,
(3.3).取延遲時間為tdelay,考慮信號采樣的延遲和pwm控制的慣性特性,本發(fā)明用1階系統(tǒng)來近似模擬,則dq坐標(biāo)系下的電壓輸入輸出關(guān)系為
上式中,
(3.4).考慮pi環(huán)節(jié),則電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為
圖6為開關(guān)頻率變化時的系統(tǒng)零極點(diǎn)圖,當(dāng)開關(guān)頻率降低(即tdelay變大),延時環(huán)節(jié)的極點(diǎn)向?qū)嵼S靠近,對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響加大。
(3.5).使用方波電壓,注入實(shí)際dq軸的高頻電壓為
在估計(jì)dq坐標(biāo)系下由注入方波電壓信號產(chǎn)生的電流波動為
(3.6).考慮到低開關(guān)頻率下pwm信號滯后帶來的影響,實(shí)際注入的高頻電壓信號會畸變?yōu)?/p>
則轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的計(jì)算值為
其中,
(4.1).由以下步驟完成對dq反饋電流的幅值補(bǔ)償:
(4.1.1).交直軸電流給定為
(4.1.2).通過補(bǔ)償增益,可得到參與pi電流調(diào)解的補(bǔ)償電流idqmc
(4.2).由以下步驟完成對系統(tǒng)相位延時的計(jì)算:
(4.2.1).通過交軸電流給定
(4.2.2).當(dāng)δ′=δ時,則系統(tǒng)延時得到補(bǔ)償,聯(lián)立推導(dǎo)可得
通過pi調(diào)節(jié)延時相位誤差,即可得到估計(jì)的延時相位δ′。
所述的pmsm無位置傳感器控制實(shí)施例中,圖8所示的硬件系統(tǒng)中三相全橋逆變器輸出端接入pmsm定子三相繞組,在估計(jì)出轉(zhuǎn)子初始位置后,控制pmsm實(shí)現(xiàn)啟動并工作在低速狀態(tài)。圖11至圖13即為電機(jī)在圖8所示硬件系統(tǒng)的控制下,使用延時補(bǔ)償算法后a相電流、位置估計(jì)波形、位置估計(jì)誤差與未補(bǔ)償時的對比。