CN103199791A - 使用单采样电阻的三相电流重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，包括步骤：A．对变频器的直流母线电流进行采样；B．状态观测器估计出感应电机的三相电流和反电动势；C．根据有效矢量的作用时间，判断是否需要进行电流重构，若需要重构，则执行步骤D，若无需重构，则跳至步骤G；D．状态观测器在三相电流的非正常采样区对电机电流进行观测；E．对观测到的电机电流进行误差控制；F．对观测到的电机电流的变化量进行限幅处理；G．生成空间矢量脉宽调制信号；H．设置下一次直流母线电流采样的时间点，中断返回步骤A。本发明提高了电流估计的准确性和通用性，精确实现了宽范围、多种SVPWM模式的电流重构，并且不改变SVPWM电压基本矢量，显著降低电压矢量THD值。

Description

使用单采样电阻的三相电流重构方法

技术领域

本发明涉及三相电机控制技术领域，具体来说，本发明涉及一种使用单采样电阻的三相电流重构方法。

背景技术

1：变频器的电流检测是控制系统中重要的反馈环节，关系到矢量控制性能和良好的限流保护能力。如图1所示，比较常见的电流检测方式是在感应电机（IM）的两相电流上串联霍尔传感器或者采样电阻，对三相电流直接采样。此方法简单可行，但会带来成本提升、产品故障率高的缺点。

2：在变频器的直流母线侧串联单个采样电阻R可以重构出三相电流，如图2所示。因为三相电流最终都会通过直流母线回到电网U_dc，因此，直流母线侧的电流准确反应出三相电流的变化。通过一定的控制技术可以重构出三相电流，即节省了成本又提高了可靠性。

在变频器的直流母线上串联一个电阻，电阻上的压降包含三相电流的信息。通过空间矢量脉宽调制方式（SVPWM），在正常采样区，两个有效矢量的时间大于采样时间和死区时间Tmin（如图3所示），则可采样两路电流，另外一路通过基尔霍夫定律计算得出。

3：单电阻采样最大的问题在于扇区边界和低调制度，如图4所示，只能采到一个有效矢量，甚至一个都采不到，需要进行重构。

4：在扇区交界和低调制度范围内，现有的方法都是通过移相或者插入法重构出足够的有效矢量作用时间Tmin，可以进行电流采样，如图5～8所示为其中的四种方法。

此类方法最大的问题在于改变了SVPWM空间矢量调制的有效矢量，甚至出现反作用矢量。虽然在一个周期之内的矢量作用不会改变，但难免会造成电压矢量THD值（总谐波含量）的明显升高，并使电机输出转矩脉动，电机运行不稳定，发热更严重。上述四种方法的THD值可如图9所示。

另外，此类方法应用范围有限，在低调制度和过调制区域都难以构造出足够时间的采样矢量，并且在多种SVPWM模式切换过程中，移相范围不同，程序通用性较差。

总而言之，未有本发明之前的现有技术存在如下缺点：

1：变频器的相电流采样一般由两个霍尔传感器构成，带来成本高、电路复杂等缺点；并且霍尔传感器故障率高，有一个发生异常，则整个系统无法正常工作。

2：当前单电阻采样方案大多使用移相方法或者是插入有效的采样矢量，在不改变电压矢量幅值和相位的前提下对电压矢量进行重构，以便于产生足够的采样矢量。这种方法虽然可以对电流进行重构，但必然导致谐波含量大增，电机发热，转矩脉动，运行效率降低。

3：当前电流重构方法应用范围狭窄，在高低调制度和扇区交界处的采样准确度不高，并且对多种SVPWM模式的适应性不强。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，提高电流估计的准确性和通用性。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，精确地实现宽范围、多种SVPWM模式的电流重构。

本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，降低电压矢量的总谐波含量值。

为解决上述技术问题，本发明提供一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，包括步骤：

A.对三相逆变系统中变频器的直流母线电流进行采样；

B.利用状态观测器估计出感应电机的三相电流和反电动势；

C.根据有效矢量的作用时间，判断是否需要进行电流重构，若需要重构，则执行步骤D，若无需重构，则跳至步骤G；

D.所述状态观测器在所述三相电流的非正常采样区对电机电流进行观测；

G.生成空间矢量脉宽调制信号，实现三相电流重构。

可选地，在上述步骤G之后还包括步骤：

H.设置下一次所述直流母线电流采样的时间点，之后中断返回上述步骤A。

可选地，在上述步骤D之后、步骤G之前还包括步骤：

E.对观测到的所述电机电流进行误差控制。

可选地，在上述步骤E之后、步骤G之前还包括步骤：

F．对观测到的所述电机电流的变化量进行限幅处理。

可选地，所述误差控制是使用基尔霍夫定理和/或功率等效原则对误差进行有效控制。

可选地，所述限幅处理是将误差控制在一定范围内，并且对估计出的电流值进行更新。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1：使用单个采样电阻，简化变频器系统，节省成本；

2：对电流的预估使用数学模型和状态估计方法，准确度高；

3：使用范围广，在高低调制度都可以准确应用，扇区交界处平滑过渡，且适用于多种SVPWM模式；

4：通过误差控制和电流矢量幅值限制对误差进行精准预测，提高了电流估计的准确性；

5：载波频率的控制可以将应用范围延伸到0.05低调制度。

本发明使用状态观测器方法，对滑模系数和滤波系数进行归一化处理，提高了电流估计的准确性和通用性。通过误差控制和电流限幅，更加精确的实现宽范围、多种SVPWM模式的电流重构；并且不改变SVPWM电压基本矢量，显着降低电压矢量THD值。

另外，本发明采用的滑模估计算法先进，电流误差和幅值的控制方法新颖，实效性强，在系统仿真和实际测试过程中都取得了很好的控制性能，基本可以和双传感器电流采样系统相媲美。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一种采用两个传感器对感应电机进行电流检测的电路示意图；

图2为现有技术中的一种在变频器直流母线侧串联单个采样电阻对感应电机进行电流检测的电路示意图；

图3为现有技术中的一种在空间矢量脉宽调制方式下正常的电流采样时刻示意图；

图4为现有技术中的一种有效矢量作用时间小于最小采样时间的示意图；

图5为现有技术中的一种直接改变SVPWM基本矢量以重构出足够的有效矢量作用时间的示意图；

图6为现有技术中的一种移相后由三个基本矢量合成重构出足够的有效矢量作用时间的示意图；

图7为现有技术中的一种移相后由反向电压矢量重构出足够的有效矢量作用时间的示意图；

图8为现有技术中的一种直接插入测量矢量（插入矢量之和为0）以重构出足够的有效矢量作用时间的示意图；

图9为现有技术中的几种移相、插入重构法的总谐波含量值的对比曲线图；

图10为本发明一个实施例的利用状态观测器对三相电机电流进行重构的方法流程图；

图11为本发明一个实施例的用于对三相电机电流进行重构的状态观测器的结构图；

图12为本发明一个实施例的对电流重构的估计器输出的电流估计值与实际电流值的对比曲线图；

图13为本发明一个实施例的状态观测与电流重构过程的示意图；

图14为本发明一个实施例的误差控制过程中为确保误差矢量幅值不变的功率等效原则的示意图；

图15为本发明一个实施例的在电流限幅过程中使用误差限幅并更新电流估计值的示意图；

图16为本发明一个实施例的未使用状态重构时对直流母线电流直接采样的电流波形图；

图17为本发明一个实施例的使用电流重构方法得到的电流波形与实际采样波形的对比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

在三相逆变系统中，仅在变频器的直流母线侧串联单个采样电阻，通过母线上的电流对三相电流进行重构，在此基础上能实现电机控制算法。

图10为本发明一个实施例的利用状态观测器对感应电机电流进行重构的方法流程图。如图10所示，对电机电流进行重构的该方法流程可以包括：

执行步骤S101，对三相逆变系统中变频器的直流母线电流进行采样。

执行步骤S102，利用状态观测器估计出感应电机的三相电流和反电动势。

其中，上述步骤S101和S102一起用于建立准确的电机模型，构造状态观测方程，是电流估计是否准确快速的关键。

电机模型与状态估计式：

变频器驱动异步电机和同步电机时，在三相静止坐标系中电机模型都可以用下式表示：

$L{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{abc}}+{\mathrm{RI}}_{\mathrm{abc}}+E_{\mathrm{abc}}=U_{\mathrm{abc}}$

通过clerk变换，将三相静止坐标系变换到两相直角坐标系，得到电机在两相坐标系下的模型如下：

${\stackrel{.}{I}}_{\mathrm{\α\β}}={\mathrm{AI}}_{\mathrm{\α\β}}+B(U_{\mathrm{\α\β}}-E_{\mathrm{\α\β}}),A=-\frac{R}{L}{I}_2,B=-\frac{1}{L}{I}_2$

其中：L为定子电感，R为定子电阻，E为反电动势，U为端电压值，I₂为两阶单位矩阵。如图11所示为本发明一个实施例的用于对三相电机电流进行重构的状态观测器的结构图。

通过上述状态方程构造状态观测式：

${\stackrel{\·}{\hat{I}}}_{\mathrm{\α\β}}=A{\hat{I}}_{\mathrm{\α\β}}+B(U_{\mathrm{\α\β}}-E_{\mathrm{\α\β}})$

其中，A、B矩阵与上式相同。

离散化之后的状态方程如下：

${\hat{I}}_{\mathrm{\α}}(n+1)=\mathrm{\Φ}{\hat{I}}_{\mathrm{\α}}\left(n\right)+\mathrm{\Γ}[U_{\mathrm{\α}}\left(n\right)-E_{\mathrm{\α}}\left(n\right)],\mathrm{\Φ}=1-R_s*\frac{T_s}{L_m},\mathrm{\Γ}=\frac{T_s}{L_m}$

滑模估计器的设计与实现：

反馈矩阵使用滑模估计器，结构如下式所示：

${\hat{I}}_{\mathrm{\α\β}}(n+1)=\mathrm{\Φ}{\hat{I}}_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)+\mathrm{\Γ}[U_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)-E_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)]+K_e\mathrm{sign}[I_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)-{\hat{I}}_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)]$

滑模在零点附近可使用线性化或者指数函数形式：

$Z_n=K_e\mathrm{sign}[I_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)-{\hat{I}}_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)],K_e=2*U_o/U_N$

其中：U_o为输出电压，U_N为额定电压，滑模控制比例系数K_e通过对变频器输出电压进行归一化，对反电动势的估计更加快速准确，且全范围适应能力强。

反电动势的估计通过低通滤波得到：

$E_{\mathrm{\α\β}}\left(n\right)=E_{\mathrm{\α\β}}(n-1)+K_f(Z_n-E_{\mathrm{\α\β}}(n-1)),K_f=2*\mathrm{pi}*f_0*T_s$

滤波系数K_f与基波频率f₀进行归一化处理，提高参数的自适应能力。

然后，对电机电流进行重构的该方法流程继续包括：

执行步骤S103，根据有效矢量的作用时间，判断是否需要进行电流重构，若需要重构，则执行下述步骤S104，若无需重构，则直接跳至下述步骤S107。

执行步骤S104，状态观测器在三相电流的非正常采样区对电机电流进行观测，用于电流重构。

其中，通过估计器输出的电流值得到实际电流值，是电流重构的关键所在。

在可以准确采到两相电流的情况下，估计器的输出

与I实际值之间可以准确跟随。如图12所示为本发明一个实施例的对电流重构的估计器输出的电流估计值与实际电流值的对比曲线图。

因此，在单采样电阻的情况下，非观测区域可以使用电流估计值来等效于电流实际值，并完成迭代算法，如图13所示。在这个过渡过程中，可能会导致误差的累计和发散，需要通过一定的误差控制技术才能完成。

其中，Tmin为完成采样所需的最小时间，包含死区时间、电流振荡稳定所需时间和AD采样时间。

为了优化电流的跟随效果和估计器的收敛性，对电机电流进行重构的该方法流程可以包括：

执行步骤S105，对观测到的电机电流进行误差控制。

在本实施例中，可以使用如下几点对上述误差进行有效控制：

$I_A={\hat{I}}_A+{\mathrm{\δ}}_A,I_B={\hat{I}}_B+{\mathrm{\δ}}_B,I_C={\hat{I}}_C+{\mathrm{\δ}}_C,$ 其中δ_A为A相估计器的误差，以此类推。

1：基尔霍夫定理

三相电流之和为0，可以得出如下结论：

$I_A+I_B+I_C=0,{\hat{I}}_A+{\hat{I}}_B+{\hat{I}}_C=0;\⇒{\mathrm{\δ}}_A+{\mathrm{\δ}}_B+{\mathrm{\δ}}_C=0$ 式1-9

2：功率等效原则

电流估计值和电流实际值之间按照功率等效原则，应确保电流矢量幅值相等。如图14所示为本发明一个实施例的误差控制过程中为确保误差矢量幅值不变的功率等效原则的示意图。

由此可得出如下结论：

$I_s|=\sqrt{I_{\mathrm{\α}}^2+I_{\mathrm{\β}}^2},|{\hat{I}}_s|=\sqrt{{\hat{I}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{I}}_{\mathrm{\β}}^2},I_s|=\left|{\hat{I}}_s\right|$ 式1-10

为了避免电流波动，对电机电流进行重构的该方法流程还可以包括：

执行步骤S106，对观测到的电机电流变化量进行限幅处理。

由于电感特性，电机电流不会突变，在短时间内应该控制在合理范围之内。当电流估计值与电流实际值之间误差很大时，使用误差限幅处理，将误差控制在一定范围内，并且对估计器输出的电流值进行更新，可确保整个算法的收敛性。

图15为本发明一个实施例的在电流限幅过程中使用误差限幅并更新电流估计值的示意图。举例说明，在扇区6和扇区1交界处，只能采到A相电流，I_A和δ_A是已知的，因此由上式1-9和上式1-10可推导出：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_B\\ {\mathrm{\δ}}_C\end{array}\right]=-\left[\begin{array}{c}0.5+0.866*{\hat{I}}_{\mathrm{\α}}/{\hat{I}}_{\mathrm{\β}}\\ 0.5-0.866*{\hat{I}}_{\mathrm{\α}}/{\hat{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]{\mathrm{\δ}}_A$

由于

，

通过clerk变换直接得出，因此对误差进行限幅控制后，可以推导出准确的电流实际值。

然后，对电机电流进行重构的该方法流程还需要包括：

执行步骤S107，生成空间矢量脉宽调制信号。

此步骤对解决技术问题是必要的，此步骤是电机控制的关键步骤，重构出的电流值通过解耦，实现矢量控制，空间矢量SVPWM是电压的一种实现形式，通过SVPWM可以提高电压利用率。

最后，对电机电流进行重构的该方法流程需要包括：

执行步骤S108，设置下一次直流母线电流采样的时间点，之后中断返回上述步骤S101。

此步骤对解决技术问题是必要的，设置正确的采样点，才能采到准确的电流。

Tmin为完成采样所需的最小时间，包含死区时间、电流振荡稳定所需时间和AD采样时间。

有效矢量的作用时间T必须大于Tmin才能准确采样。Tad为AD采样时刻，设置需遵循上述标准。

在过调制区域中，由于可以准确采样到一相电流，因此对电流重构并不影响，无需做特殊调整；在低调制区域，由于输出电压幅值很低，占空比较小，在大部分时间可能采不到任何电流，因此需通过载波的控制，尽可能的扩大可采样时间，同时电流估计的区域会相应增大。

本发明可以适用于多种SVPWM实现方式，在任意SVPWM模式下，采样点的选择只要满足T>Tmin即可。

本发明相对于现有技术的有益效果可以描述如下：

1：由于SVPWM波形和基本矢量未发生改变，不影响输出电压波形。

2：未使用电流重构时直接采样的波形畸变严重，在每个扇区交界处都能看到明显的变形，如图16所示；电流重构的波形与实际波形基本重合，在波峰波谷处有轻微畸变现象，但电流采样波形的THD值控制在2.0以下，对电机控制系统无明显影响，如图17所示。

3：调制范围从0.05～1.103，全范围适应，7段式、5段式SVPWM不受影响。本发明应用范围广，程序适用性强。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种使用单采样电阻的三相电流重构方法，包括步骤：

A．对三相逆变系统中变频器的直流母线电流进行采样；

B．利用状态观测器估计出感应电机的三相电流和反电动势；

C．根据有效矢量的作用时间，判断是否需要进行电流重构，若需要重构，则执行步骤D，若无需重构，则跳至步骤G；

D．所述状态观测器在所述三相电流的非正常采样区对电机电流进行观测；

G．生成空间矢量脉宽调制信号，实现三相电流重构。

2.根据权利要求1所述的三相电流重构方法，其特征在于，在上述步骤G之后还包括步骤：

H．设置下一次所述直流母线电流采样的时间点，之后中断返回上述步骤A。

3.根据权利要求1或2所述的三相电流重构方法，其特征在于，在上述步骤D之后、步骤G之前还包括步骤：

E．对观测到的所述电机电流进行误差控制。

4.根据权利要求3所述的三相电流重构方法，其特征在于，在上述步骤E之后、步骤G之前还包括步骤：

F．对观测到的所述电机电流的变化量进行限幅处理。

5.根据权利要求3所述的三相电流重构方法，其特征在于，所述误差控制是使用基尔霍夫定理和/或功率等效原则对误差进行有效控制。

6.根据权利要求4所述的三相电流重构方法，其特征在于，所述限幅处理是将误差控制在一定范围内，并且对估计出的电流值进行更新。

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