一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法，位置傳感器輸入端連接永磁同步電機(jī)輸出端，其輸出端分別連接轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、坐標(biāo)換模塊和電流反變換模塊；轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊輸出值作為速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸入；電流傳感器將檢測的永磁同步電機(jī)兩相電流經(jīng)求和模塊輸入坐標(biāo)變換模塊，同時(shí)也將兩相電流輸入坐標(biāo)變換模塊，坐標(biāo)變換模塊將三相電流坐標(biāo)變換后輸入增量式卡爾曼濾波器，增量式卡爾曼濾波器輸出端連接電流反變換模塊、q軸及d軸電流環(huán)；第一、第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出端經(jīng)電壓反變換模塊連接逆變器，電流反變換模塊的輸出端連接死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸入端，死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸出端連接逆變器的輸入端，逆變器的輸出端連接永磁同步電機(jī)的輸入端。
【專利說明】一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法，特別是關(guān)于一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度、無碳刷等優(yōu)點(diǎn)，在伺服場合獲得了廣泛應(yīng)用。實(shí)際的系統(tǒng)一般都包含有一定程度的噪聲，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的電流噪聲來源可以分成兩種，一種是由于干擾、采樣誤差等非理想因素引起的白噪聲，這是無法避免的。另一種是由于系統(tǒng)處于閉環(huán)控制的狀態(tài)，將原有的白噪聲當(dāng)作輸入誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成系統(tǒng)輸出頻繁擾動(dòng)，從而引起更大的噪聲。對于這一類型的噪聲，可以采取合理的濾波方法，在反饋通道將系統(tǒng)白噪聲最大限度地濾除，避免引起系統(tǒng)輸出不必要的擾動(dòng)，從而達(dá)到削弱噪聲的目的。
[0003]低通濾波器是一種常用的濾波方法，它具有結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算負(fù)荷小的特點(diǎn)?；瑒?dòng)平均濾波本質(zhì)上就是一種簡易的低通濾波器，伺服領(lǐng)域中它被廣泛應(yīng)用于濾除電流、轉(zhuǎn)速等信號中的高頻隨機(jī)噪聲。但是，低通濾波器原理上對信號中的所有頻率成分都存在延時(shí)，這樣的延時(shí)會(huì)削弱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
[0004]卡爾曼濾波是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種現(xiàn)代濾波方法，它是一種最小方差意義上的最優(yōu)線性估計(jì)方法。與低通濾波器原理不同，卡爾曼濾波器使用到了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，相當(dāng)于獲取了更多的系統(tǒng)信息，基于數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)量的濾波或估計(jì)，但代價(jià)是計(jì)算負(fù)荷明顯增大。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)一般采用三相PWM電壓源型逆變器驅(qū)動(dòng)。為了避免同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，一般采取插入死區(qū)時(shí)間的方式來保證在一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通之前另一開關(guān)已經(jīng)關(guān)斷。死區(qū)的插入相當(dāng)于疊加了一個(gè)周期性脈動(dòng)的干擾電壓，這種干擾電壓會(huì)引起相電流畸變進(jìn)而引起電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。
[0005]為了獲得正弦度更好的相電流波形，一般通過死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆绞较绤^(qū)效應(yīng)的影響。由于死區(qū)引起的干擾電壓與相電流的極性存在著密切聯(lián)系，相電流極性判斷出錯(cuò)導(dǎo)致的誤補(bǔ)償會(huì)引起電流出現(xiàn)更大的畸變，因此死區(qū)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于相電流過零點(diǎn)的檢測。直接根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換得到的檢測值判斷相電流極性容易受到采樣噪聲的影響，發(fā)生誤補(bǔ)償?shù)膸茁时容^大。傳統(tǒng)方法根據(jù)輸出電壓矢量的位置判斷相電流極性，避免了電流采樣噪聲帶來的不利影響，同時(shí)提出在特定電流區(qū)域中只需對其中一相輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟呗?，然而對“電壓矢量和感?yīng)電動(dòng)勢之間的夾角”的計(jì)算方法只適用于穩(wěn)態(tài)過程，對于轉(zhuǎn)速與電流等工況處于頻繁波動(dòng)的伺服系統(tǒng)并不適用。
[0006]采用數(shù)字控制方式時(shí)，控制量的施加存在一拍滯后延時(shí)。這種情況下，如果仍以當(dāng)前周期的電流狀態(tài)作為判斷相電流極性的依據(jù)，那么對死區(qū)的補(bǔ)償也會(huì)延遲一拍。如果在當(dāng)前周期內(nèi)電流極性已經(jīng)發(fā)生改變，由于數(shù)字控制一拍滯后的影響，補(bǔ)償電壓在當(dāng)前周期內(nèi)不能得到立即響應(yīng)，最快必須等到下一周期才能作出調(diào)整。這種情況下，當(dāng)前周期內(nèi)的死區(qū)補(bǔ)償就相當(dāng)于誤補(bǔ)償。對于死區(qū)補(bǔ)償?shù)囊慌臏髥栴}，目前研究較少。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種有效削弱電流噪聲和抑制死區(qū)引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置與補(bǔ)償方法。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置，其特征在于:它包括位置傳感器、永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流反變換模塊、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流傳感器、求和模塊、增量式卡爾曼濾波器、第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器1、電壓反變換模塊、第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、逆變器和死區(qū)補(bǔ)償模塊；所述坐標(biāo)變換模塊、增量式卡爾曼濾波器和第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成q軸電流環(huán)；所述坐標(biāo)變換模塊、增量式卡爾曼濾波器和第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成d軸電流環(huán)，所述q軸電流環(huán)和d軸電流環(huán)構(gòu)成電流環(huán)；所述位置傳感器的輸入端連接所述永磁同步電機(jī)的輸出端，所述位置傳感器的輸出端分別連接所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、所述坐標(biāo)換模塊和電流反變換模塊，將采集到的電角度Θ傳輸至所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、所述坐標(biāo)換模塊和電流反變換模塊；所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊輸出的轉(zhuǎn)速ω作為負(fù)反饋，并與給定轉(zhuǎn)速指令值ω*取差值后，作為所述速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入；所述電流傳感器連接所述永磁同步電機(jī)的定子，將檢測到的永磁同步電機(jī)定子的三相電流中的兩相電流經(jīng)所述求和模塊求和取負(fù)后輸入所述坐標(biāo)變換模塊；所述電流傳感器同時(shí)也將所述兩相電流輸入所述坐標(biāo)變換模塊，所述坐標(biāo)變換模塊將所述三相電流進(jìn)行dq坐標(biāo)變換后輸入所述增量式卡爾曼濾波器，q軸電流檢測值i,和d軸電流檢測值id經(jīng)所述增量式卡爾曼濾波器處理后，將q軸電流預(yù)測濾波值Itom分別輸入所述q軸電流環(huán)和電流反變換模塊，將所述d軸電流預(yù)測濾波值idjm分別輸入所述d軸電流環(huán)和電流反變換模塊；所述q軸電流預(yù)測濾波值iq—作為q軸電流環(huán)負(fù)反饋，與所述速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出比較，比較值輸入到所述第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到q軸電壓<，q軸電壓<傳輸至所述電壓反變換模塊；所述d軸電流檢測值id作為d軸電流環(huán)負(fù)反饋與預(yù)先給定的電流ζ比較，比較值輸入到所述第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到d軸電壓iC , d軸電壓< 傳輸至所述電壓反變換模塊；所述電壓反變換模塊的輸出端連接所述逆變器的輸入端；所述電流反變換模塊的輸出端連接所述死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸入端，所述死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸出端連接所述逆變器的輸入端，所述逆變器的輸出端連接所述永磁同步電機(jī)的輸入端。
[0009]基于一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置的永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償方法，包括以下步驟:1)電流傳感器將檢測到的永磁同步電機(jī)三相定子電流ia、ib和
i。輸入至坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，對其進(jìn)行abc/a β的坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量ia、ie:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置，其特征在于:它包括位置傳感器、永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流反變換模塊、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流傳感器、求和模塊、增量式卡爾曼濾波器、第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器1、電壓反變換模塊、第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、逆變器和死區(qū)補(bǔ)償模塊；所述坐標(biāo)變換模塊、增量式卡爾曼濾波器和第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成q軸電流環(huán)；所述坐標(biāo)變換模塊、增量式卡爾曼濾波器和第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成d軸電流環(huán)，所述q軸電流環(huán)和d軸電流環(huán)構(gòu)成電流環(huán)； 所述位置傳感器的輸入端連接所述永磁同步電機(jī)的輸出端，所述位置傳感器的輸出端分別連接所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、所述坐標(biāo)換模塊和電流反變換模塊，將采集到的電角度Θ傳輸至所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊、所述坐標(biāo)換模塊和電流反變換模塊；所述轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊輸出的轉(zhuǎn)速ω作為負(fù)反饋，并與給定轉(zhuǎn)速指令值ω*取差值后，作為所述速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入；所述電流傳感器連接所述永磁同步電機(jī)的定子，將檢測到的永磁同步電機(jī)定子的三相電流中的兩相電流經(jīng)所述求和模塊求和取負(fù)后輸入所述坐標(biāo)變換模塊；所述電流傳感器同時(shí)也將所述兩相電流輸入所述坐標(biāo)變換模塊，所述坐標(biāo)變換模塊將所述三相電流進(jìn)行dq坐標(biāo)變換后輸入所述增量式卡爾曼濾波器，q軸電流檢測值i,和d軸電流檢測值id經(jīng)所述增量式卡爾曼濾波器處理后，將q軸電流預(yù)測濾波值Itom分別輸入所述q軸電流環(huán)和電流反變換模塊，將所述d軸電流預(yù)測濾波值id,分別輸入所述d軸電流環(huán)和電流反變換模塊；所述q軸電流預(yù)測濾波值iq—作為q軸電流環(huán)負(fù)反饋，與所述速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出比較，比較值輸入到所述第一電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到q軸電壓<，q軸電壓<傳輸至所述電壓反變換模塊；所述d軸電流檢測值id作為d軸電流環(huán)負(fù)反饋與預(yù)先給定的電流^比較，比較值輸入到所述第二電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到d軸電壓u!，d軸電壓<傳輸至所述電壓反變換模塊；所述電壓反變換模塊的輸出端連接所述逆變器的輸入端；所述電流反變換模塊的輸出端連接所述死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸入端，所述死區(qū)補(bǔ)償模塊的輸出端連接所述逆變器的輸入端，所述逆變器的輸出端連接所述永磁同步電機(jī)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方法，其包括以下步驟: 1)電流傳感器將檢測到的永磁同步電機(jī)三相定子電流ia、ijPi。輸入至坐標(biāo)變換模塊內(nèi)，對其進(jìn)行abc/α β的坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量1、％:
3.如權(quán)利要求2所述的一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償方法，其特征在于:所述步驟4)中，增量 式卡爾曼濾波器對電流檢測值id、iq的處理包括以下步驟: (O同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的定子d軸、q軸電壓方程為:
ud=Rid+Lddid/dt-CoLqiq,
uq=Riq+Lqdiq/dt+ ωLdid+ ω 其中ud、uq分別為定子d、q軸電壓，id、iq分別為定子d、q軸電流，R為定子電阻，Ld>Ltl分別為定子d、q軸電感，Vf為永磁體磁鏈，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； (2)根據(jù)步驟(1)中的定子q軸電壓方程，在當(dāng)前周期(k)Ts和上一周期(k_l)Ts內(nèi)分別建立永磁同步電機(jī)的離散電壓方程:
uq (k) =Re (iq (k) +iqjre (k+1)) /2+Le Qqjre (k+1) _iq (k)) /Ts+ ω (Ldid+ ψf)，
uq(k-1) =R(iq(k) +iq(k_l))/2+Lq(iq(k)_iq(k_l))/Ts+ ω (Ldid+ ψf), 其中Itom(k+1)為當(dāng)前周期內(nèi)對下一周期開始時(shí)刻q軸電流的預(yù)測值，簡稱電流預(yù)測值，iq(k)為當(dāng)前周期的電流檢測值，i,(k-1)上一周期永磁同步電機(jī)定子q軸電流檢測值，Ts為控制周期，uq(k)為當(dāng)前周期定子q軸電壓，Uq(k-Ι)為上一周期定子q軸電壓，Re> Le分別為對永磁同步電機(jī)定子電阻R、定子q軸電感Lq的估計(jì)值； (3)忽略與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓項(xiàng)的變化，將步驟(2)中的兩個(gè)公式相減，得到永磁同步電機(jī)的簡化電流增量公式，因?yàn)镽6遠(yuǎn)小于L/Ts，因此忽略R的影響，得到當(dāng)前周期內(nèi)對下一周期開始時(shí)刻d軸電流的預(yù)測值id, (k+1),并將電流增量公式轉(zhuǎn)化成矩陣形式:
4.如權(quán)利要求3所述的一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償方法，其特征在于:所述步驟(5)中，所述最優(yōu)估計(jì)值X,汁算方法包括以下步驟: ①計(jì)算先驗(yàn)估計(jì)向量值(與相應(yīng)誤差矩陣:
5.如權(quán)利要求2所述的一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償方法，其特征在于:所述步驟6)中，所述電流反變換模塊內(nèi)處理過程包括以下步驟: ①預(yù)測出下一周期永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)變換角度Θpre,由于永磁同步電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，則認(rèn)為電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)保持勻速運(yùn)行的狀態(tài)，即永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子在下一周期和當(dāng)前周期內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度Θ —致； ②結(jié)合dq軸電流的預(yù)測濾波值，通過坐標(biāo)變換，得到下一周期的三相電流的預(yù)測值ia—pre、ib—pre 矛口 i?！猵re 為 *
6.如權(quán)利要求2所述的一種永磁同步電機(jī)電流濾波及死區(qū)補(bǔ)償方法，其特征在于:所述步驟7)中，所述死區(qū)補(bǔ)償包括以下步驟: ①死區(qū)補(bǔ)償模塊根據(jù)接收到的下一周期三相預(yù)測電流iajm、ib_pre和Icum，得到下一周期三相預(yù)測電流分別產(chǎn)生的相應(yīng)電壓誤差A(yù)ua、Aub和Au。:
【文檔編號】H02P21/05GK103684179SQ201310692734
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】肖曦, 王偉華, 孫凱, 丁有爽 申請人:清華大學(xué)