CN106487301B - 一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，该方法首先基于永磁同步电机，采用滑模观测器，对旋转坐标系下的参考电压、旋转坐标系下的实际电流和定子反电动势进行实时在线观测；然后滑膜观测器通过观测到的值估计出旋转坐标系下的扰动电压；最后将所述估计出的扰动电压反馈到参考电压，进行死区补偿。本发明使用在线补偿方法，可以明显减小电流谐波幅值，降低电流总谐波畸变率，较好地抑制零电流钳位现象，改善了电流波形，提高系统低速低频性能。

Description

一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法。

背景技术

在永磁同步电机的驱动系统中广泛采用三相脉宽调制(PWM)电压源逆变器(VSI)。在PWM VSI中，为了避免直通现象，必须在开关信号中加入死区。由于开关设备的非理想特性(如死区、开通/关断时间、开关设备的压降等)的影响，在参考电压和输出电压之间存在电压失真，这被称作死区效应。尽管死区时间相对PWM周期很小，但却造成了严重的波、形失真，电机电流的失真和转矩的脉动。电压失真随着开关频率增加，并且在静止参考坐标系下主要产生5次和7次谐波成份。电压失真甚至会恶化驱动系统的性能。这些问题在低速低频运行情况下更为严重。因此，为了提高永磁同步电机驱动系统的性能，补偿死区效应是非常必须要的。

目前对PWM逆变器死区效应问题的研究，最简单的采用离线补偿，即根据电机三相电流的方向，计算出死区时间带来的误差时间或者误差电压，通过增加一个与其幅值相同、方向相反的时间或者电压矢量来对死区进行补偿，但是该方法中电流方向的难以准确确定。若采用硬件的方法来直接对电流方向进行检测，往往存在一定的滞后以及A/D转换部分带来的误差，需要对电流进行滤波。另外，受到噪声、PWM开关的高频干扰以及电流过零时的钳位效应的影响，此方法很难准确地获得电流的过零点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，以解决目前使用离线补偿方法对死区进行补偿的补偿效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，包括五个方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

1)基于永磁同步电机，采用滑模观测器，对旋转坐标系下的参考电压、旋转坐标系下的实际电流和定子反电动势进行实时在线观测；

2)滑膜观测器通过观测到的值估计出旋转坐标系下的扰动电压；

3)将所述估计出的扰动电压反馈到参考电压，进行死区补偿。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述滑膜观测器将预测电流与观测到的旋转坐标系下的实际电流的差值通过控制函数得到控制结果，再将控制结果通过一阶低通滤波器得到预测扰动电压；其中，所述预测电流为将滑膜观测器观测到的旋转坐标系下的参考电压、定子反电动势和所述控制结果经过电流估计得到。

方法方案三，在方法方案二的基础上，所述控制函数为：

其中，Δ为饱和函数的阈值。

方法方案四，在方法方案二的基础上，所述一阶低通滤波器的公式为：

其中，τ_c为一阶滤波的时间常数。

方法方案五，在方法方案四的基础上，所述预测扰动电压为：

其中，为预测扰动电压，f为控制函数，为预测电流与观测到的旋转坐标系下的实际电流的差值。

本发明的有益效果是：本发明针对死区和功率器件的非理想开关特性造成的输出电压误差引起的严重的波形失真，导致电机电流的失真和转矩的脉动、电流波形的畸形，基于永磁同步电机，使用滑膜观测器和一个反馈环，对参考电压、逆变器输出的电流和定子反电动势进行实时在线观测，并通过观测到的值估计出扰动电压反馈到参考电压以补偿死区的影响。本发明使用在线补偿方法，可以明显减小电流谐波幅值，降低电流总谐波畸变率，较好地抑制零电流钳位现象，改善了电流波形，提高系统低速低频性能。

附图说明

图1是基于滑膜观测器的死区补偿控制系统框图；

图2是滑膜观测器的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明。

本发明的一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法实施例：

如图1所示为本发明的一种基于滑膜观测器的死区补偿控制系统框图。旋转坐标系下的参考电流分量和实际电流分量i_d比较后，经过PI调节器转换成参考电压分量参考电压分量和实际电流分量i_q比较后，经过PI调节器转换成旋参考电压分量 和经过dq-αβ变换后，变成分量和信号。和信号经过SVPWM调制，生成六路开关信号T1-T6来控制逆变器。逆变器产生三相电压来驱动永磁同步电机PMSM，PMSM的三相电压被转换成旋转坐标系下的实际电流i_d和i_q负反馈给参考电流和

滑膜观测器实时观测旋转坐标系下的参考电压分量和实际电流i_d和i_q、以及定子反电动势e_r，估计出旋转坐标系下的扰动电压和反馈给旋转坐标系下的参考电压和

如图2所示为本发明的滑膜观测器的原理框图。滑膜观测器将预测电流(包括分量和)与观测到的旋转坐标系下的实际电流i_r(包括分量i_d和i_q)的差值(包括分量和)通过控制函数f得到控制结果(包括分量和再将控制结果(包括分量和)通过一阶低通滤波器得到预测扰动电压u_dead(包括分量和)；其中，将滑膜观测器观测到的旋转坐标系下的参考电压(包括分量和)、定子反电动势e_r和控制结果(包括分量和)经过电流估计得到预测电流(包括和)。

考虑由于死区效应引起的扰动电压，表面式永磁同步电机在两相旋转坐标系下的电压-电流方程为：

其中，和分别旋转坐标系下d轴和q轴的电压分量；i_d和i_q分别表示旋转坐标系下d轴和q轴的定子电流；L＝L_d＝L_q表示电感；ω表示机械角速度；ωΨ_f表示定子反电动势；u_d,dead和u_q,dead分别表示d轴和q轴的扰动电压分量。

将式(1)变形并写成矩阵形式为：

其中，且表示参考电压，i_r＝[i_d i_q]^T为实际电流，e_r＝[0 ωΨ_f]^T为定子反电动势，u_dead＝[u_d,dead u_q,dead]^T为扰动电压；由于C＝-B，式(2)可化为：

基于式(3)，定义滑模面：

其中，则永磁同步电机的滑模控制方程为：

其中，为正常数；为扰动电压的估计值；为预测电流；f表示控制函数。

为了抑制滑模控制所产生的抖动现象，本文选取饱和函数替代符号函数作为控制函数：

其中，Δ为饱和函数的阈值。

通过一阶低通滤波，就可以得到平滑准确的扰动电压估计值：

其中，τ_c为一阶滤波的时间常数。

由式(4)和(3)可以得到滑模的动态方程：

下面通过设计Lyapunov函数求滑动模态的存在条件：取V＝S(X)^TS(X)，如果满足则滑动模态存在。

由于的输出极值为±1，可推得：

只有当满足式(10)时，才可以确保滑模观测器收敛到滑模平面内。

由于系统进入滑模平面后，由式(8)得：

根据图1，将估算的扰动电压反馈到参考电压上。

Claims (3)

1.一种基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)基于永磁同步电机，采用滑模观测器，对旋转坐标系下的参考电压、旋转坐标系下的实际电流和定子反电动势进行实时在线观测；

2)滑膜观测器通过观测到的值估计出旋转坐标系下的扰动电压；

3)将所述估计出的扰动电压反馈到参考电压，进行死区补偿；

所述滑膜观测器将预测电流与观测到的旋转坐标系下的实际电流的差值通过控制函数得到控制结果，再将控制结果通过一阶低通滤波器得到预测扰动电压；其中，所述预测电流为将滑膜观测器观测到的旋转坐标系下的参考电压、定子反电动势和所述控制结果经过电流估计得到；

所述控制函数为：

其中，Δ为饱和函数的阈值。

2.根据权利要求1所述的基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，其特征在于，所述一阶低通滤波器的公式为：

其中，τ_c为一阶滤波的时间常数。

3.根据权利要求2所述的基于滑膜观测器的死区补偿控制方法，其特征在于，所述预测扰动电压为：

其中，为预测扰动电压，f为控制函数，为预测电流与观测到的旋转坐标系下的实际电流的差值。