CN103856140B - 一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法，通过对电流信号采样、调理、传输过程的误差进行补偿，保证了参与闭环控制运算的i_d、i_q参数的准确性。有益效果在于：通过虚拟d-q坐标系补偿计算模块解算出的i_d、i_q保证了与理想采样相电流的同步性，避免了实际系统中因软、硬件延迟或相移特性与理论分析形成差异；通过对失真的用于交流电机矢量控制的控制内环信号进行误差补偿，改善了高性能电机控制系统或高速电机控制系统的动态性能，且方法简单、易实现。

Description

一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法

技术领域

本发明属于交流电机矢量控制方法，具体涉及一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法。

背景技术

随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，交流电机传动控制系统逐步取代了直流电机传动控制系统，并为模拟成熟的直流电机控制策略，交流电机矢量控制应运而生。矢量控制采用转子参考坐标系进行d、q轴解耦，使得交流电机电枢磁场与转子励磁磁场间成90°恒定不变，具有转矩控制的线性特性，电流利用率高，尤其适合高精度电力传动系统的需求。在交流电机矢量控制技术中，信号采样、调理、传输过程会不可避免地产生不同程度的信号失真现象，当电机高转速运行时，运用这些失真的信号进行电机控制会严重影响电机控制精度，甚至会造成系统振荡。

目前现有的交流电机控制中更多是考虑对PWM死区时间的补偿技术，未涉及具体控制系统内环中各信号的误差及其补偿方法，导致高性能电机控制系统或高速电机控制系统动态性能较差，因此需要对各信号的误差进行有效补偿。

作为相关的已有技术，中国专利CN101350586A，名称为“全数字交流电机控制中时间延迟补偿方法及其控制装置”中公开了如下所述的方法，即通过增加数字时间延迟补偿模块，结合电机转速，为同步/固定坐标变换器补偿一定相位角，以求克服一些对电机控制性能要求很高或者有高速运行要求的控制中会存在动态性能差以及电流调节器不稳定的问题。

CN101350586A所述的方法只对同步/固定坐标变换器涉及到的电机转子位置进行补偿，没有考虑到电流控制环中固定/同步坐标变换器中转子位置的误差，且并未对信号幅值误差进行补偿，这样势必导致电流控制环解算出的直轴电流i_d、交轴电流i_q与理想反馈交、直轴电流间存在误差，影响电机控制性能。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法，目的在于提供一种对交流电机矢量控制中电流信号经采样、调理、传输后与理想电流信号间存在的误差进行补偿的方法。

技术方案

一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对采样得到的交流电机相电流的幅值进行补偿，其中：I为实际检测电流进行幅值；A(ω)为补偿系数；

所述A(ω)等于采样时选用的低通滤波器的幅频特性；

步骤2：对幅值补偿后的相电流进行相位补偿，得到补偿后的d-q坐标系下相电流的相位角θ′=Δθ+θ，其中：Δθ为相电流相位滞后角，Δθ=Δθ₁+Δθ₂；Δθ₁为相电流采样固有延迟时间t₁、CPLD读取片外AD延迟时间t₂、传输延迟时间t₃造成的相位滞后角；Δθ₂为Δθ₁与滤波器对相电流进行调理过程造成的相位滞后Δθ₂；

所述Δθ₁＝ω_r(t₁+t₂+t₃)，t₁为相电流采样固有延迟时间，t₂为CPLD读取片外AD延迟时间，t₃为传输的延迟时间，ω_r为电机实际运行时的转速；

所述Δθ₂等于采样时选用的低通滤波器的相频特性；

步骤3：得到补偿后的三相电流合成矢量i'_s=I′e^jθ′；

步骤4：将d-q坐标系旋转Δθ角度，得到d-q的虚拟坐标系d'-q'，在d'-q'坐标系对幅值补偿后的相位滞后的三相电流合成矢量i'_s进行三角分解，分解后得到补偿后的交直轴电流i'_q和i'_d。

有益效果

本发明提出的一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法，通过对电流信号采样、调理、传输过程的误差进行补偿，保证了参与闭环控制运算的i_d、i_q参数的准确性。

与现有技术相比，该方法的有益效果在于：

（1）通过虚拟d-q坐标系补偿计算模块解算出的i_d、i_q保证了与理想采样相电流的同步性，避免了实际系统中因软、硬件延迟或相移特性与理论分析形成差异；

（2）通过对失真的用于交流电机矢量控制的控制内环信号进行误差补偿，改善了高性能电机控制系统或高速电机控制系统的动态性能，且方法简单、易实现。

附图说明

图1为包括本发明的交流电机矢量控制系统的功能框图；

图2为虚拟d-q坐标系电流变换关系图；

图3为未采用电流信号误差补偿控制方法的实测转速波形图；

图4为采用本发明的电流信号误差补偿控制方法的实测转速波形图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

由图1可见，图中示出按照本发明的电流信号误差补偿交流电机矢量控制系统的功能框图。本发明具体实施方式分为以下几个步骤：

步骤1、对经采样的交流电机相电流的幅值进行补偿：对采样得到的交流电机相电流的幅值进行补偿，其中：I为实际检测电流进行幅值；A(ω)为补偿系数，本实施例选择二阶有源RC低通滤波器对相电流进行调理为例。根据滤波器的幅频特性，经滤波器调理后，相电流幅值衰减A(ω)倍，具体为其中G₀为滤波器零频增益，ω为电流频率，ω_n为滤波器截止频率，ξ为阻尼系数。则利用系数对调理后的电流I进行幅值上的修正，即补偿后的电流值

步骤2：对幅值补偿后的相电流进行相位补偿，如图2所示，得到补偿后的d-q坐标系下相电流的相位角θ′=Δθ+θ；

对幅值补偿后的相电流进行相位补偿。，经幅值补偿后的三相电流合成矢量i'_s滞后于理想电流合成矢量i_s的角度为Δθ，包括相电流采样固有延迟时间t₁、CPLD读取片外AD延迟时间t₂、传输延迟时间t₃造成的相位滞后Δθ₁与二阶有源RC低通滤波器对相电流进行调理过程造成的相位滞后Δθ₂。具体为Δθ₁＝ω_r(t₁+t₂+t₃)；

其中：Δθ＝Δθ₁+Δθ₂，其中ω_r为电机实际运行时的转速，由速度计算器解算获得。

步骤3：将幅值补偿后的电流、相位滞后角Δθ₁与Δθ₂、无差转子位置信号θ通入虚拟d-q坐标系补偿计算模块，解算出理想的无误差交、直轴电流，将电流采样、调理与传输过程中造成的电流信号失真度降到最低。具体为：将d-q坐标系旋转Δθ角度，得到虚拟d-q坐标系即d'-q'坐标系，在d'-q'坐标系对滞后的三相电流合成矢量i'_s进行三角分解，使i'_s分解得到的i'_d、i'_q能与由理想电流合成矢量i_s分解得到的i_d、i_q的值一致。

步骤4：将给定转速ω_r ^*与反馈转速ω_r通入转速调节器，输出的直轴电流给定值与交轴电流给定值一起通入电流调节器，与通过补偿算法解算出的理想无误差i'_d、i'_q比较，输出的交、直轴电压v_q、v_d与通过位置传感器获得的无差转子位置信号θ经坐标变换环节通入三相电压发生器中，以便控制三相全桥逆变器进行合理地通断变换，实现对电机驱动的控制。

为演示本发明的有效性，本发明通过对一台15kW永磁同步电机搭建矢量控制系统实验平台，进行信号误差补偿控制策略的验证。以TI公司的DSP-TMS320F2812为控制核心，配合可编程逻辑器(CPLD)-EPM1270来实现控制算法；电流传感器采用串行AD转换芯片AD7357，A、C相电流经信号调理电路后进行AD转换，然后数据送至CPLD，再由CPLD传送至F2812；转子位置检测采用高精度旋转变压器配合解码芯片AD2S1210，实时获取转子位置信息。在母线电压为270V，给定转速为1000rpm到7000rpm到12000rpm的阶跃信号条件下，对有无误差补偿的情况分别进行实验。图3为无补偿的转速实测曲线，图4为采用本发明的电流信号误差补偿方法后的转速实测曲线。可见电机运转于低、中速区时，电流信号误差对转速的跟踪影响甚微；但当电机运转于高速区时，若不加补偿，反馈转速能上升到11500rpm，但是波动极为剧烈，转速误差达2000rpm，并出现轻微振荡。加入电流信号误差补偿控制后，反馈转速能很好地跟踪上给定转速，当给定转速为12000rpm时，转速跟踪误差仅为2.5%左右，明显改善了电机高速运行性能，证明了本发明的有效性。

Claims (1)

1.一种交流电机矢量控制电流信号误差补偿方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对采样得到的交流电机相电流的幅值进行补偿，其中：I为实际检测电流的幅值；A(ω)为补偿系数；

所述A(ω)等于采样时选用的低通滤波器的幅频特性；

步骤2：对幅值补偿后的相电流进行相位补偿，得到补偿后的d-q坐标系下相电流的相位角θ′＝Δθ+θ，其中：Δθ为相电流相位滞后角，Δθ＝Δθ₁+Δθ₂；Δθ₁为相电流采样固有延迟时间t₁、CPLD读取片外AD延迟时间t₂、传输延迟时间t₃造成的相位滞后角；Δθ₂为滤波器对相电流进行调理过程造成的相位滞；

所述Δθ₁＝ω_r(t₁+t₂+t₃)，t₁为相电流采样固有延迟时间，t₂为CPLD读取片外AD延迟时间，t₃为传输的延迟时间，ω_r为电机实际运行时的转速；

所述Δθ₂等于采样时选用的低通滤波器的相频特性；

步骤3：得到补偿后的三相电流合成矢量i'_s＝I′e^jθ′；

步骤4：将d-q坐标系旋转Δθ角度，得到d-q的虚拟坐标系d'-q'，在d'-q'坐标系对幅值补偿后的相位滞后的三相电流合成矢量i'_s进行三角分解，分解后得到补偿后的交直轴电流i'_q和i'_d。