CN106452251A - 一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，包括：电机转子位置检测模块，用于输出时间同步的电机转子位置信号，所述电机转子位置信号包括电机转子位置的余弦信号和正弦信号；电机电量检测模块，用于输出至少两路时间同步的电机电量信号；同步转换模块，用于根据电机转子位置信号、电机交流电量信号及两者间的采样时间间隔获得k时刻同步电机交流电量。与现有技术相比，本发明可有效克服电机交流电量与转子位置采样之间的延迟，实现真正意义上的电机交流电量同步采样，进而为高动态性能车用电机矢量控制奠定良好基础。

Description

一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置

技术领域

本发明涉及一种车用永磁同步电机的控制装置，尤其是涉及一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置。

背景技术

永磁同步电机以其功率密度大、恒转矩的转速范围宽以及效率高等优点在电动汽车上应用广泛，而推动其应用的关键正是矢量控制技术。矢量控制通过在d-q同步坐标系内直接控制定子电流矢量i_s的幅值和相位，完成电机转矩的实时精确控制，使得永磁同步电机获得了与直流电机相媲美的动态性能。矢量控制中的必要环节之一是准确地采集定子相电流并转换为同步坐标系内的电流矢量i_s，这涉及到电机转子位置以及电机交流电量的实时采集。在实际应用中，电机转子位置的采集一般通过增加硬件解码芯片来完成电机转子位置的获取，这种做法不仅会额外增加控制器成本，而且解码过程中通过反正切求取转子位置时易引入位置误差；对于电流的采集则是采用霍尔元件，尽管电流采样精度较高，但是采样过程中很难保证电机转子位置与电机交流电量同步采集开始与采集结束。电机转子位置的不精确以及两种采样的不同步均会使得闭环控制中所用到的电流矢量产生偏差，导致永磁同步电机矢量控制动态性能下降。当电机高速运行时电流矢量偏差进一步增大，使得电机控制性能更差甚至难以维持系统稳定。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，包括：

电机转子位置检测模块，用于输出电机转子位置信号，所述电机转子位置信号包括电机转子位置的时间同步的余弦信号和正弦信号；

电机电量检测模块，用于输出至少两路时间同步的电机电量信号；

同步转换模块，用于根据电机转子位置信号、电机交流电量信号及两者间的采样时间间隔获得k时刻同步电机交流电量，所采用的公式为：

其中，

为k时刻同步电机交流电量，D^k为k时刻的电机电量信号，为k时刻电机转子位置的余弦信号和正弦信号，δ^k为根据电机转子位置信号和电机交流电量信号的采样时间间隔计算得到的电机转子转过角度，θ为电机转子位置，K为幅值变换系数，M为正交变换矩阵。

优选地，所述电机电量检测模块为电机相电流检测模块、电机相电压检测模块或电机线电压检测模块，对应输出的信号为电机相电流信号、电机相电压信号或电机线电压信号，所述同步转换模块对应输出的同步信号为同步电流值、同步相电压值或同步线电压值。

优选地，所述电机电量检测模块输出两路时间同步的电机电量信号时，M为正交变换矩阵M和k时刻的电机电量信号D^k分别为：

所述电机电量检测模块输出三路时间同步的电机电量信号时，正交变换矩阵M和k时刻的电机电量信号D^k分别为：

优选地，所述电机转子位置信号的采样周期T_θ和电机电量信号的采样周期为T_n满足：

每次电机电量信号采样周期内至少完成一次电机转子位置信号采样，二者采样时刻差值小于设定值且每次电机电量信号采样结束后触发同步转换模块。

优选地，所述电机转子位置检测模块和电机电量检测模块中均包括ADC电路，所述ADC电路为Σ-Δ型ADC电路。

优选地，该装置还包括：

谐波信号同步提取模块，用于根据电机转子位置信号和电机交流电量信号获得实现各次谐波信号的同步提取。

所述各次谐波信号的同步提取的步骤包括：

1)根据k时刻电机转子位置的余弦信号和正弦信号按倍角公式计算出n次谐波变换需要的余弦值cos(nθ)和正弦值sin(nθ)：

2)根据k时刻的电机电量信号D^k以及余弦值cos(nθ)和正弦值sin(nθ)得到谐波同步坐标系下的电量值

其中，

3)对所述谐波同步坐标系下的电量值进行滤波获得最终的n次谐波电流

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明可直接利用电机转子位置余/正弦进行信号同步，简化了传统电机转子位置的计算步骤，并消除了根据余/正弦信号求取反正切过程中引入的位置误差。

(2)本发明通过对电机转子位置补偿某一角度有效地消除了采样过程中引入的交流电量与位置的不同步，从而获得精确的电机交流电量，如交直轴电流i_d,i_q等，为高性能的车用永磁同步电机矢量控制奠定了基础。

(3)本发明电机转子位置检测模块和电机电量检测模块可以部分构造成可编程器件或者由软件实现，同步变换模块可可采用硬件电路实现，整个装置实现简单。

(4)本发明直接基于倍角公式计算高次余/正弦值，消除了轻微角度误差对高次余/正弦值的影响，从而可以精确提取各次谐波信号。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为电流采样与位置采样同步的示意图；

图3为电流采样与位置采样不同步的示意图

图4为引入电机转子位置补偿的同步坐标系示意图；

图5为谐波电流提取模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示为包含本发明装置的新的永磁同步电机矢量控制系统框图，其中本发明为图中虚线框内部分。本发明的电机交流电量同步采样装置包括电机转子位置检测模块1、电机电量检测模块2和同步转换模块3，其中，电机转子位置检测模块1用于输出时间同步的电机转子位置信号，所述电机转子位置信号包括电机转子位置的余弦信号和正弦信号；电机电量检测模块2用于输出至少两路时间同步的电机电量信号；同步转换模块3用于根据电机转子位置信号、电机交流电量信号及两者间的采样时间间隔获得k时刻同步电机交流电量。本实施例中，电机电量检测模块2为电机相电流检测模块，用于实现电机电流值的同步采样。

电机转子位置检测模块包括两路Σ-Δ型ADC电路，去除旋变返回信号(Cos+,Cos-,Sin+,Sin-)中的高频载波成分，提取出当前位置余/正弦值

Σ-Δ型ADC电路上配有采用多级噪声整形技术(MASH)的Σ-Δ型调制器、级联型梳状积分器(CIC)、有限长单位冲激响应滤波器(FIR)、整流器以及积分器，其参数能通过编程配置。采用多级噪声整形技术的Σ-Δ型调制器将旋变返回信号(Cos+,Cos-,Sin+,Sin-)转变为数字信号，数字信号的采样率远大于旋变返回信号的奈奎斯特频率，同时将量化噪声推向高频；级联型梳状积分器以及有限长单位冲激响应滤波器滤除数字信号的高频部分，以增加数字信号有效位数的方式提高采样精度，并通过配置抽取率来降低数字信号速率；整流器以及积分器将数字信号中的高频载波成分去除，得到与旋变载波信号无关的前位置余/正弦值并进一步降低数字信号速率，使其满足时间间隔。

本实施例中，电机相电流检测模块也由两路Σ-Δ型ADC电路实现，获得电流采样值电机相电流检测模块的电路构成除了不含整流器之外，与电机转子位置检测模块的电路构成完全相同，其参数能通过编程配置。

如图2所示，如果将电路参数配置成与电机转子位置检测模块的参数相同，则在同时开启4路Σ-Δ型ADC电路的情况下，能够严格保证位置余/正弦值与电流的同步采样；如图3所示，如果电路参数与电机转子位置检测模块的参数配置不完全相同，则不能严格保证位置余/正弦值与电流的同步采样，需通过时间戳的方式来获取电流采样值与当前位置余/正弦值之间的时间差ΔT^k，通过公式：

δ^k＝ω×ΔT^k

计算电流采用与位置采用不同步时等效电机转子的转过位置δ^k，其中ω为电机转子转速。

同步变换模块可采用硬件电路实现，可根据电流采样与位置采样时间间隔计算得到电机转子转过角度为δ^k，并根据当前电流采样值和当前位置余/正弦值计算得到当前同步电流值

电机转子位置信号的采样周期T_θ和相电流信号的采样周期为T_i满足：每次相电流信号采样周期内至少完成一次电机转子位置信号采样，二者采样时刻差值小于设定值且每次相电流信号采样结束后触发同步转换模块。

采用上述电机交流电量同步采样装置进行电流同步采样的方法包括以下步骤：

步骤1，提取出当前电机转子位置余/正弦值

步骤2，获得电流采样值

步骤3，根据步骤1及步骤2中获取的电流采样值当前位置余/正弦值以及补偿电流与位置不同步的等效电机转子转过位置δ^k，可由如下同步转换模块计算得出精确地电流矢量i′_s(如图4)。

由定子电流求取同步坐标下交直轴电流的传统变换公式为：

其中K为转换系数，由电流采样分辨率以及Clark变换原则决定；P为Park矩阵，可表示为：

考虑采样过程中引入的相位滞后δ^k，则变换矩阵P变为：

由于到δ^k很小，满足

sinδ^k≈δ^k,cosδ^k≈1

则变换矩阵P′可简化为：

其中，

因此交直轴电流最终可表示为

本发明的另一实施例中，电机转子位置检测模块还具有第三路电流检测通道AD_w，则同步变换公式调整为：

若所采用的电流检测模块的ADC电路为Σ-Δ型且与位置检测通道时间上同步，即满足：T_θ＝T_i和δ^k＝0，此时电流同步转换模块中的变换公式可简化为：

或者

实施例2

本实施例中的电机交流电量同步采样装置还可包括谐波信号同步提取模块，用于根据电机转子位置信号和电机交流电量信号获得实现各次谐波信号的同步提取。本实施例中，谐波信号同步提取模块为谐波电流同步提取模块4，该模块的结构示意图如图5所示，包括倍角转换单元41、谐波电流同步转换单元42和低通滤波单元43。

谐波信号同步提取模块的具体过程如下：

首先根据当前位置余/正弦值按倍角公式计算出n次谐波变换需要的余/正弦值(cos(nθ),sin(nθ))：

其次，根据当前电流采样值和谐波余/正弦值(cos(nθ),sin(nθ))按谐波电流同步转换模块得到n次谐波同步坐标系下的电流值

其中，

最后，将得到的谐波同步坐标系下的电流值通过低通滤波单元后获取n次谐波电流

实施例3

本实施例的电机交流电量同步采样装置中，电机电量检测模块为电机相电压检测模块或电机线电压检测模块，可用于实现电机相电压或线电压的同步采样。

Claims (7)

1.一种充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，包括：

电机转子位置检测模块，用于输出电机转子位置信号，所述电机转子位置信号包括时间同步的电机转子位置的余弦信号和正弦信号；

电机电量检测模块，用于输出至少两路时间同步的电机电量信号；

其特征在于，还包括：

同步转换模块，用于根据电机转子位置信号、电机交流电量信号及两者间的采样时间间隔获得k时刻同步电机交流电量，所采用的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_d^k\\ n_q^k\end{array}\right]=K\×(P+{\mathrm{\δ}}^k{P}^{*})\×M\×D^k$

其中，

$P=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{AD}}_x^k& {\mathrm{AD}}_y^k\\ -{\mathrm{AD}}_y^k& {\mathrm{AD}}_x^k\end{array}\right],P^{*}=\frac{d}{d\mathrm{\θ}}P=\left[\begin{array}{cc}-{\mathrm{AD}}_y^k& {\mathrm{AD}}_x^k\\ -{\mathrm{AD}}_x^k& -{\mathrm{AD}}_y^k\end{array}\right],$

为k时刻同步电机交流电量，D^k为k时刻的电机电量信号，为k时刻电机转子位置的余弦信号和正弦信号，δ^k为根据电机转子位置信号和电机交流电量信号的采样时间间隔计算得到的电机转子转过角度，θ为电机转子位置，K为幅值变换系数，M为正交正交变换矩阵。

2.根据权利要求1所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，所述电机电量检测模块为电机相电流检测模块、电机相电压检测模块或电机线电压检测模块，对应输出的信号为电机相电流信号、电机相电压信号或电机线电压信号，所述同步转换模块对应输出的同步信号为同步电流值、同步相电压值或同步线电压值。

3.根据权利要求1所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，所述电机电量检测模块输出两路时间同步的电机电量信号时，正交变换矩阵M和k时刻的电机电量信号D^k分别为：

$M=\left[\begin{array}{cc}\frac{3}{2}& 0\\ \frac{\sqrt{3}}{2}& \sqrt{3}\end{array}\right],D^k=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{AD}}_u^k\\ {\mathrm{AD}}_v^k\end{array}\right]$

所述电机电量检测模块输出三路时间同步的电机电量信号时，正交变换矩阵M和k时刻的电机电量信号D^k分别为：

$M=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],D^k=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{AD}}_u^k\\ {\mathrm{AD}}_v^k\\ {\mathrm{AD}}_w^k\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，所述电机转子位置信号的采样周期T_θ和电机电量信号的采样周期T_n满足：

每次电机电量信号采样周期内至少完成一次电机转子位置信号采样，二者采样时刻差值小于设定值且每次电机电量信号采样结束后触发同步转换模块。

5.根据权利要求1所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，所述电机转子位置检测模块和电机电量检测模块中均包括ADC电路，所述ADC电路为Σ-Δ型ADC电路。

6.根据权利要求1所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，还包括：

谐波信号同步提取模块，用于根据电机转子位置信号和电机交流电量信号获得实现各次谐波信号的同步提取。

7.根据权利要求6所述的充分利用旋变正交输出的电机交流电量同步采样装置，其特征在于，所述各次谐波信号的同步提取的步骤包括：

1)根据k时刻电机转子位置的余弦信号和正弦信号按倍角公式计算出n次谐波变换需要的余弦值cos(nθ)和正弦值sin(nθ)：

$cos\left(n\mathrm{\θ}\right)=\underset{r=0}{\overset{n}{\Σ}}{C}_n^r{({\mathrm{AD}}_x^k-{\mathrm{AD}}_y^k{\mathrm{\δ}}^k)}^{n-r}{({\mathrm{AD}}_y^k+{\mathrm{AD}}_x^k{\mathrm{\δ}}^k)}^{n-r}cos\frac{r\mathrm{\π}}{2}$

$sin\left(n\mathrm{\θ}\right)=\underset{r=0}{\overset{n}{\Σ}}{C}_n^r{({\mathrm{AD}}_x^k-{\mathrm{AD}}_y^k{\mathrm{\δ}}^k)}^{n-r}{({\mathrm{AD}}_y^k+{\mathrm{AD}}_x^k{\mathrm{\δ}}^k)}^{n-r}sin\frac{r\mathrm{\π}}{2}$

2)根据k时刻的电机电量信号D^k以及余弦值cos(nθ)和正弦值sin(nθ)得到谐波同步坐标系下的电量值

$\left[\begin{array}{c}{R}_d^{kn\_th}\\ R_q^{k\_nth}\end{array}\right]=K\×P^n\×M\×D^k$

其中，

$P^n=\left[\begin{array}{cc}cos\left(n\mathrm{\θ}\right)& sin\left(n\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(n\mathrm{\θ}\right)& cos\left(n\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right];$

3)对所述谐波同步坐标系下的电量值进行滤波获得最终的n次谐波电流