CN102780444A - 一种电机定子磁链估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机定子磁链估算方法，其操作步骤为：对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿，通过低通滤波器将经过补偿的定子反电动势转换成定子磁链，其中：还包括确定低通滤波器的截止频率的步骤，具体为通过定子磁链计算得到定子磁链角速度，然后根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率，本发明保证了电机在起动、低速动态性能的同时，兼顾直流漂移抑制能力，实现了电机的起动、低速动态性能和直流漂移抑制之间的良好平衡。

Description

一种电机定子磁链估算方法

技术领域

本发明涉及一种磁链估算方法，具体涉及一种电机定子磁链估算方法。

背景技术

直接转矩控制和定子磁链定向的矢量控制均是基于电机定子磁链的定向控制，因此，电机定子磁链的估算精度对上述两种控制方式是非常重要的。现有技术中有多种电机定子磁链的估算的方法。采用理想积分器估算定子磁链的方法存在直流漂移问题，直流漂移问题是指由于定子电流与变频器直流电压的测量误差以及定子电阻参数不准都会在磁链估算结果中引起直流漂移而最终导致积分饱和；并且由于电子干扰、传感器或者A/ D 转换等误差原因导致理想积分器的直流漂移在实际中无法避免。因此为了克服理想积分器的直流漂移问题，出现了采用低通滤波器代替理想积分器的多种磁链估计方法，在此原理基础上，一种较好的优化定子磁链估算方法为：先对定子反电动势（也可称为感应电动势）进行相位和幅值补偿，然后再通过低通滤波器获得定子磁链，有效抑制了直流漂移的同时还对低通滤波器带来的相位和幅值误差进行补偿，提高了磁链估算精度，其具体方案和工作原理描述可以参见本申请第一发明人发表的期刊文献——文章名称：“定子磁链观测器低通滤波器的改进”，作者：何志明，廖勇，向大为，期刊：中国电机工程学报第28卷第18期，2008年6月25日。

然而在实际应用中发现，虽然以上方法大幅度提高了磁链估算精度，但是因为此方法低通滤波器的截止频率是事先选取的，是不可变化的。如果选取的截止频率较大，当电机转速和同步速度较小时，即ω_e 接近零时，定子频率的估计误差可会造成补偿过量或欠补偿，造成较大的定子磁链估计误差，从而影响电机的起动性能和低速动态性能。如果低通滤波器的截止频率选取过小，则存在与理想积分器一样的直流漂移问题，导致磁链估计精度不高，因此现有低能滤波技术一般都是通过选到合适的截止频率去平衡直流漂移和低速动态性能（包括起动性能），从而保证电机具有较好的起动、低速动态运行性能。由于低通滤波器的截止频率是不可变化的，因此它不很在电机的起动、低速动态性能和直流漂移之间做到最佳的平衡。因此在现有技术基础上，克服其存在的技术问题，在满足电机的起动、低速动态性能的条件下，又能避免直流漂移问题是本领域所属技术人员一直致力寻求的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电机定子磁链估算方法，在满足电机起动、低速动态性能的同时，尽量抑制直流漂移问题，即在电机的起动、低速动态性能和避免直流漂移之间做到最佳的平衡。

本发明是本专利第一发明人在结合了其本领域的多年研究经验和以前研究成果并经过多次研究试验而得到的。

本发明的技术方案为：

一种电机定子磁链估算方法，其操作步骤为：对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿，通过低通滤波器将经过补偿的定子反电动势转换成定子磁链，其中：还包括确定低通滤波器的截止频率的步骤，具体为通过定子磁链计算得到定子磁链角频率，然后根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率。

优选地，所述的根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率的步骤为：当定子磁链角频率小于

时，低通滤波器的截止频率设定在下限幅值A；当定子磁链角频率在

和

之间时，低通滤波器的截止频率与定子磁链角频率成比例关系，即

；当定子磁链角频率大于

时，低通滤波器的截止频率设定在上限幅值B。本发明所述的下限幅A、上限幅值B可根据控制器的信号（电流和电压）检测精度、定子电阻精度和低速动态性能要求具体确定。

优选地，所述的下限幅值A是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最低允许值，从而确保电机在起动时，避免低通滤波器的截止频率过小甚至为零而产生直流漂移问题。

优选地，所述的上限幅值B是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最高允许值，增强电机高速运行时的抗干扰能力。

本发明对于所述的下限幅值A、上限幅值B和比例值K可根据控制器的信号（电流和电压）检测精度、定子电阻精度和起动、低速动态性能要求确定。

优选地，所述的比例值K范围在0.4-3，进一步优选地，所述的比例值K为1，相对于现有技术中的低通滤波器的截止频率始终保持不变，本发明可以最大程度地兼顾确保电机的起动、低速动态性能和直流漂移问题。

优选地，所述的计算定子反电动势的步骤为：根据定子电压和定子电阻计算得到定子反动势，计算公式如下（1）、（2）：

e_sα=u_sα-R_s*i_sα   (1)

e_sβ=u_sβ-R_s*i_sβ   (2)

（1）、（2）式中：u_sα ,u_sβ 分别是α，β方向的定子电压；e_sα ，e_sβ分别是α，β方向的反电动势；R_s 是定子电阻；i_sα ，i_sβ 分别是α，β方向的定子电流。

优选地，所述的对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿的步骤为：根据计算得到定子磁链角频率和确定的低通滤波器的截止频率计算补偿系数，通过补偿系数计算得到补偿后的定子反电动势，具体计算公式如下（3）、（4）：

$e_{\mathrm{s\α}}^{\′}=e_{\mathrm{s\α}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{{\mathrm{\ω}}_e}{e}_{\mathrm{s\β}}---\left(3\right)$

$e_{\mathrm{s\β}}^{\′}=e_{\mathrm{s\β}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{{\mathrm{\ω}}_e}{e}_{\mathrm{s\α}}---\left(4\right)$

（3）、（4）式中：ω_e是定子磁链角频率，ω_c是低通滤波器的截止频率，

是本发明所述的补偿系数，即完成了对定子反电动势的相位和幅值的补偿。

本发明所述的通过低通滤波器将经过补偿的定子反电动势转换成定子磁链的计算公式如下（5）、（6）、（7）、（8）：

Ψ_sα(k+1)=ae′_sα+bΨ_sα(k)  (5)

Ψ_sβ(k+1)=ae′_sβ+bΨ_sβ(k)  (6)

$a=\frac{T}{1+{\mathrm{\ω}}_{c}T}---\left(7\right)$

$b=\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}_{c}T}---\left(8\right)$

（5）、（6）、（7）、（8）式中：Ψ_sα(k+1),Ψ_sβ(k+1）分别是α，β方向的定子磁链，Ψ_sα(k)，Ψ_sβ(k)分别是上一个采样周期的α，β方向的定子磁链，T是指低通滤波器的采样周期，ω_c 是低通滤波器的截止频率。

当然地，结合本发明全文所述可清楚知道：在电机起动瞬间状态时，ω_e=0，ω_c为下限幅值A，后续状态则根据历史定子磁链来计算定子磁链角频率，然后根据定子磁链角频率大小和下限幅值A、上限幅值B和比例值K确定低通滤波器的截止频率，然后再根据定子磁链角频率大小和低通滤波器的截止频率来计算得到补偿系数，并通过补偿系数计算得到补偿后的定子反电动势，通过补偿和低通滤波环节后计算得到新的定子磁链。

本发明的工作原理和优点： 本发明在现有的采用先补偿后低通滤波（具体为先对定子反电动势进行相位和幅值补偿，然后再通过低通滤波器获得定子磁链）上进行了改进。改进原因主要是由于如果低通滤波器的截止频率选取的过大，则电机的起动、低速动态性能均较差，如果低通滤波器的截止频率选取的过小，会产生直流漂移现象，导致磁链估计精度不高，即单方面来考虑，为了提高电机的起动、低速动态性能，低通滤波器的截止频率越低越好，为了避免直流漂移现象，低通滤波器的截止频率越高越好，而另一方面，作为低通滤波器本身具有抗干扰功能，如果其截止频率设定的过高，则又失去了其具备的抗干扰功能的优点，基于在此背景下，首次提出一种其截止频率跟随定子磁链角频率变化而变化的定子磁链估计方法，具体为：

电机定子磁链角频率在

和

之间时，低通滤波器的截止频率与定子磁链角频率成比例关系，即

，以最大程度地兼顾确保电机的低速动态性能和抑制直流漂移；同时为了避免在电机起动时，低通滤波器的截止频率过小甚至为零而造成直流漂移现象，因此本发明在电机起动时将低通滤波器的截止频率设定在下限幅值A；同时为了避免电机在高速运行时，低通滤波器的截止频率过大，导致低通滤波器失去抗干扰能力减弱，因此本发明在电机高速运行时将低通滤波器的截止频率设定在上限幅值B。

本发明通过以上简单的技术方案解决了现有技术存在的技术难题，在满足了电机起动、低速动态性能的同时，尽可能抑制直流漂移，同时还实现了在电机高速时确保低通滤波器的抗干扰功能。、

本发明所述的电机可以是永磁同步电机也可以是感应电机，也可以是其他类型电机。

本发明还需要说明的是，本发明全文所述的电机起动、低速、中速、高速或定子磁链角速度低速、中速、高速是相同的，这是由于电机的运行速度与定子磁链角速度基本成比例关系（感应电机存在一定的转差，但不影响本发明的实施效果）。

附图说明

附图1是本发明一种实施例所述的定子磁链计算框图。

具体实施方式

实施例1、一种电机定子磁链估算方法，其操作步骤为：对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿，通过低通滤波器将经过补偿的定子反电动势转换成定子磁链，其中：还包括确定低通滤波器的截止频率的步骤，具体为通过定子磁链计算得到定子磁链角频率，然后根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率。

实施例2、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率的步骤为：当定子磁链角频率小于

时，低通滤波器的截止频率设定在下限幅值A；当定子磁链角频率在

和

之间时，低通滤波器的截止频率与定子磁链角频率成比例关系，即；当定子磁链角频率大于

时，低通滤波器的截止频率设定在上限幅值B，其余同实施例1。

实施例3、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的下限幅值A是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最低允许值，其余同实施例2。

实施例4、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的上限幅值B是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最高允许值，其余同实施例2。

实施例5、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的计算定子反电动势的步骤为：根据定子电压和定子电阻计算得到定子反动势，其余同实施例1-4中的任意一种实施例。

实施例6、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿的步骤为：根据计算得到定子磁链角速度和确定的低通滤波器的截止频率计算补偿系数，通过补偿系数计算得到补偿后的定子反电动势，其余同实施例1-4中的任意一种实施例。

实施例7、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为0.4，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例8、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为0.5，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例9、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为0.8，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例10、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为1，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例11、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为1.5，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例12、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为2，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

实施例13、一种电机定子磁链估算方法，其中：所述的比例值K为3，其余同实施例2-6中的任意一种实施例。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，如对所述的比例值K选择等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机定子磁链估算方法，其操作步骤为：对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿，通过低通滤波器将经过补偿的定子反电动势转换成定子磁链，其特征在于：还包括确定低通滤波器的截止频率的步骤，具体为通过定子磁链计算得到定子磁链角频率，然后根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率。

2.如权利要求1所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的根据定子磁链角频率大小确定低通滤波器的截止频率的步骤为：当定子磁链角频率小于

时，低通滤波器的截止频率设定在下限幅值A；当定子磁链角频率在

和

之间时，低通滤波器的截止频率与定子磁链角频率成比例关系，即

；当定子磁链角频率大于时，低通滤波器的截止频率设定在上限幅值B。

3.如权利要求2所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的下限幅值A是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最低允许值。

4.如权利要求2所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的上限幅值B是指低通滤波器的截止频率保持在预先设定的最高允许值。

5.如权利要求1或2所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的计算定子反电动势的步骤为：根据定子电压和定子电阻计算得到定子反动势。

6.如权利要求1或2或5所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的对计算得到的定子反电动势的相位和幅值进行补偿的步骤为：根据计算得到定子磁链角速度和确定的低通滤波器的截止频率计算补偿系数，通过补偿系数计算得到补偿后的定子反电动势。

7.如权利要求2所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的比例值K范围在0.4-3。

8.如权利要求2或7所述的一种电机定子磁链估算方法，其特征在于：所述的比例值K为1。

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