CN108631678B - 永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统 - Google Patents

永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统 Download PDF

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CN108631678B CN201810495729.9A CN201810495729A CN108631678B CN 108631678 B CN108631678 B CN 108631678B CN 201810495729 A CN201810495729 A CN 201810495729A CN 108631678 B CN108631678 B CN 108631678B
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统，包括：1)对三相电流的采集以及对应坐标的变换、滤波以及坐标反变换；2)通过电机自带的编码器，检测出当前采样周期的电角度，并根据对应时间间隔的电角度变化，计算出对应的电角速度，进而计算出电角加速度，并进行低通滤波处理后，用于预测下一个采样周期的电角度；3)通过对比当前电角度和下一个周期的预测电角度以及三相电流在当前采样周期的电流值是否小于设定阀值，进而判断出当前是否是死区补偿时间；4)根据判断的电流过零点时的死区补偿时间以及电流大小，实施对应电压的补偿。本发明克服由于过量计算和采样滞后造成的死区补偿失败，实现电机具有实时性的高性能控制。

Description

永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、响应快、功率高等优势，在新能源汽车、数控机床以及机器人等设备得到广泛的应用。目前，市场上现有的永磁同步电机控制系统(或者驱动器)一般都是采用矢量控制方法。矢量控制的核心思想是利用电机的定子绕组产生一个旋转磁场，进而推动转子旋转。然而要定子绕组要形成旋转的磁场，要求必须具有正弦变化的三相电流。现有的电机驱动系统基本采用交-直-交的逆变模式，并结合脉宽调节技术控制功率模块(如IGBT或者IPM)产生对应的正弦电流。
为了防止逆变器同一桥臂上下两个功率器件直通毁坏逆变器，需要人为地在控制信号中加入死区时间，在死区时间内两个功率器件均截止。此外，在逆变器工作时，开关时间存在延迟，并且关断时间通常延迟更长，死区时间的嵌入以及开关时间的滞后造成的时间误差导致了实际得到的电压值与理论值之间存在差异，致使电流的正弦波形出现畸变。这将对电压和转矩等各方面都产生影响，在低频时这种现象尤其明显，因为相同载波下，低频时一个周期内开关次数更多，并且低频时输出电压较低，时间误差比重越大。最直接的，它降低了系统的输出电压能力，乃至出现相移。
为了克服死区的影响，需要补偿死区造成的电压损失，相对于相电流大于零和小于零的情况，需要对相应相电压做不同的补偿。如何确定相电流的过零点是一个难点，也是多种算法的分析所在，它决定了死区补偿的成败。
专利文献CN 102931902 B公开了一种死区补偿方法：通过自适应滤波以及坐标变换计算d，q轴的电流id,iq，然后利用两者的反正切关系计算出电流矢量的角度，进而根据象限判断电流过零点，但这种方法只适用于交流异步电机控制的死区补偿，无法应用到永磁同步电机。因为永磁同步电机的d轴电流恒等于零，即id＝0。此外，该方法存在多次坐标变换，加重处理器的运算负担，进而会出现由于计算量过大而产生的滞后，致使过零点的误判，造成死区补偿失败。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统，克服由于过量计算和采样滞后造成的死区补偿失败，实现电机具有实时性的高性能控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，包括以下步骤：
1)永磁同步电机三相电流计算，包括：
步骤11:坐标变换，由三相电流ia,b,c变换到静止坐标两相电流iα，β，再由静止坐标两相电流iα，β变换到旋转坐标两相电流id,q。
Figure GDA0002431765860000021
其中，θ为电机电角度；
步骤12：自适应滤波，把正弦变化的三相交流信号通过上述式(1)转化成两项直流信号后，采用自适应滤波器，分离出检测信号的直流分量
Figure GDA0002431765860000022
具体实现如下：
Figure GDA0002431765860000023
其中，ω为权系数，id，q为三相电流在两相旋转坐标下的电流值；
权系数ω采用以下的迭代修正算法：
ω(t)＝ω(t-1)+2γe(t-1)id，q(t-1) (3)
其中，γ为学习系数，e(t-1)为t-1时刻的信号误差，定义如下：
Figure GDA0002431765860000024
其中，
Figure GDA0002431765860000025
为旋转坐标下的两相电流设定信号；
根据上述式(2)、(3)和(4)，则可以得出旋转坐标下经过自适应滤波后的直流分量
Figure GDA0002431765860000026
步骤13:坐标烦变换，把上述经过滤波后的直流分量
Figure GDA0002431765860000027
映射到两相静止坐标，然后再变换到原来的三相电流直流分量，具体变换矩阵如下：
Figure GDA0002431765860000028
2)永磁同步电机电角度
Figure GDA0002431765860000029
预测，具体包括：
步骤21：计算电角速度，根据安装伺服电机的编码器可以检测到伺服电机的实时运行角度θ，则可以根据下式计算伺服电机的角速度：
Figure GDA0002431765860000031
其中，T为采样周期，Δθ为采样周期的电机角度变化值；
根据下式，则可以计算出伺服电机的电角速度ve
Figure GDA0002431765860000032
其中，p是电机极对数；
步骤22:计算电角加速度，再根据下式计算出电机角加速度a：
Figure GDA0002431765860000033
然后，对上式进而低通滤波，得到滤波后的电角加速度
Figure GDA0002431765860000034
具体方法如下：
Figure GDA0002431765860000035
其中，0＜ω＜1为滤波系数；
步骤23:预测下一个周期的电角度
Figure GDA0002431765860000036
根据下式进行预算：
Figure GDA0002431765860000037
3)电流过零点判断：
根据上述式(10)，则可建立如下的过零点判据1：
当电机顺时针旋转时，有：
如果
Figure GDA0002431765860000038
且
Figure GDA0002431765860000039
则A相电流由正向负过零点；
如果θ(t)<π且
Figure GDA00024317658600000310
则A相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000311
且
Figure GDA00024317658600000312
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000313
且
Figure GDA00024317658600000314
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000315
且
Figure GDA00024317658600000316
则C相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000317
且
Figure GDA00024317658600000318
则C相电流由负向正过零点；
当电机逆时针旋转时，有
如果
Figure GDA0002431765860000041
且
Figure GDA0002431765860000042
则A相电流由负向正过零点；
如果θ(t)<π且
Figure GDA0002431765860000043
则A相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000044
且
Figure GDA0002431765860000045
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000046
且
Figure GDA0002431765860000047
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000048
且
Figure GDA0002431765860000049
则C相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000410
且
Figure GDA00024317658600000411
则C相电流由正向负过零点；
根据上述式(5)，可以得出以下判据2：
如果
Figure GDA00024317658600000412
则A相电流在零点附近；
如果
Figure GDA00024317658600000413
则B相电流在零点附近；
如果
Figure GDA00024317658600000414
则C相电流在零点附近；
其中，δ为零点电流误差阀值；
只要当前采样周期的三相电流以及电角度同时满足上述判据1和判据2，则认为当前周期为死区补偿时间；
4)电机死区补偿值计算：
三相电流的补偿是通过对应的相电压进行补偿，三相电的补偿电压的具体计算如下：
Figure GDA00024317658600000415
其中，X＝>A,B,C为电机三相电，且Te＝Td+To+Tf，Td为逆变的死区时间，To为导通时间，Tf为关断时间，Ts为采样时间，udc为直流母线电压。
一种永磁同步电机矢量控制死区补偿系统，包括：
1)永磁同步电机三相电流计算部：实现对三相电流的采集以及对应坐标的变换、滤波以及坐标反变换,具体为把含有噪声的三相交流信号经过矢量变换成两相直流信号，并对直流信号进行滤波；然后，把干净的两相直流信号经过坐标反变换成对应的三相交流信号，最终获得相对比较干净的三相交流信号；
2)永磁同步电机电角度预测部：通过电机自带的编码器，检测出当前采样周期的电角度，并根据对应时间间隔的电角度变化，计算出对应的电角速度，进而计算出电角加速度，并进行低通滤波处理后，用于预测下一个采样周期的电角度；
3)电机电流过零点判断部：通过对比当前电角度和下一个周期的预测电角度以及三相电流在当前采样周期的电流值是否小于设定阀值，进而判断出当前是否是死区补偿时间；
4)死区补偿电压计算部：根据判断的电流过零点时的死区补偿时间以及电流大小，实施对应电压的补偿。
本发明的有益效果是：
1)能快速而准确地判断出电机的三相电流过零点，实施精准的电压补偿，保证电机在运行中的综合性能；
2)有效克服现有技术存在的由于采样时滞或者测量误差而造成的补偿失败问题。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，包括以下步骤：
理想情况下，电机的三相电流:
ia＝Isin(ωt+θ)、
Figure GDA0002431765860000051
其中，ω为电角速度，θ为矢量电流初始角度,I为矢量电流。
由于受到各种干扰以及采样电路精度的影响，很难检测到电流的零点，因此不能通过直接采集电流来判断死区补偿时间，但经过处理后的电流可以作为死区补偿判断的一个条件。
1)永磁同步电机三相电流计算，包括：
步骤11:坐标变换，由三相电流ia,b,c变换到静止坐标两相电流iα，β，再由静止坐标两相电流iα，β变换到旋转坐标两相电流id,q。
Figure GDA0002431765860000061
其中，θ为电机电角度；
步骤12：自适应滤波，把正弦变化的三相交流信号通过上述式(1)转化成两项直流信号后，采用自适应滤波器，分离出检测信号的直流分量
Figure GDA0002431765860000062
具体实现如下：
Figure GDA0002431765860000063
其中，ω为权系数，id，q为三相电流在两相旋转坐标下的电流值；
权系数ω采用以下的迭代修正算法：
ω(t)＝ω(t-1)+2γe(t-1)id，q(t-1) (3)
其中，γ为学习系数，e(t-1)为t-1时刻的信号误差，定义如下：
Figure GDA0002431765860000064
其中，
Figure GDA0002431765860000065
为旋转坐标下的两相电流设定信号；
根据上述式(2)、(3)和(4)，则可以得出旋转坐标下经过自适应滤波后的直流分量
Figure GDA0002431765860000066
步骤13:坐标烦变换，把上述经过滤波后的直流分量
Figure GDA0002431765860000067
映射到两相静止坐标，然后再变换到原来的三相电流直流分量，具体变换矩阵如下：
Figure GDA0002431765860000068
2)永磁同步电机电角度θ可以通过安装在电机上的编码器检测出来，但由于存在检测滞后，当前周期检测到的电角度是上个一指令的执行结果。因此也无法直接用于作为判断电流过零点的直接判据，但可以根据电角度的信息预测下一个周期的电角度
Figure GDA0002431765860000069
永磁同步电机电角度
Figure GDA00024317658600000610
预测，具体包括：
步骤21：计算电角速度，根据安装伺服电机的编码器可以检测到伺服电机的实时运行角度θ，则可以根据下式计算伺服电机的角速度：
Figure GDA00024317658600000611
其中，T为采样周期，Δθ为采样周期的电机角度变化值；
根据下式，则可以计算出伺服电机的电角速度ve
Figure GDA0002431765860000071
其中，p是电机极对数；
步骤22:计算电角加速度，再根据下式计算出电机角加速度a：
Figure GDA0002431765860000072
然后，对上式进而低通滤波，得到滤波后的电角加速度
Figure GDA0002431765860000073
具体方法如下：
Figure GDA0002431765860000074
其中，0＜ω＜1为滤波系数；
步骤23:预测下一个周期的电角度
Figure GDA0002431765860000075
根据下式进行预算：
Figure GDA0002431765860000076
3)电流过零点判断：
根据上述式(10)，则可建立如下的过零点判据1：
当电机顺时针旋转时，有：
如果
Figure GDA0002431765860000077
且
Figure GDA0002431765860000078
则A相电流由正向负过零点；
如果θ(t)＜π且
Figure GDA0002431765860000079
则A相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000710
且
Figure GDA00024317658600000711
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000712
且
Figure GDA00024317658600000713
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000714
且
Figure GDA00024317658600000715
则C相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA00024317658600000716
且
Figure GDA00024317658600000717
则C相电流由负向正过零点；
当电机逆时针旋转时，有
如果
Figure GDA00024317658600000718
且
Figure GDA00024317658600000719
则A相电流由负向正过零点；
如果θ(t)＜π且
Figure GDA0002431765860000081
则A相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000082
且
Figure GDA0002431765860000083
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000084
且
Figure GDA0002431765860000085
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000086
且
Figure GDA0002431765860000087
则C相电流由负向正过零点；
如果
Figure GDA0002431765860000088
且
Figure GDA0002431765860000089
则C相电流由正向负过零点；
根据上述式(5)，可以得出以下判据2：
如果
Figure GDA00024317658600000810
则A相电流在零点附近；
如果
Figure GDA00024317658600000811
则B相电流在零点附近；
如果
Figure GDA00024317658600000812
则C相电流在零点附近；
其中，δ为零点电流误差阀值；
只要当前采样周期的三相电流以及电角度同时满足上述判据1和判据2，则认为当前周期为死区补偿时间；
4)电机死区补偿值计算：
三相电流的补偿是通过对应的相电压进行补偿，三相电的补偿电压的具体计算如下：
Figure GDA00024317658600000813
其中，X＝>A,B,C为电机三相电，且Te＝Td+To+Tf，Td为逆变的死区时间，To为导通时间，Tf为关断时间，Ts为采样时间，udc为直流母线电压。
为实现上述所提出的方法，本发明还提供了一种永磁同步电机矢量控制死区补偿系统，包括：
1)永磁同步电机三相电流计算部：实现对三相电流的采集以及对应坐标的变换、滤波以及坐标反变换,具体为把含有噪声的三相交流信号经过矢量变换成两相直流信号，并对直流信号进行滤波；然后，把干净的两相直流信号经过坐标反变换成对应的三相交流信号，最终获得相对比较干净的三相交流信号；具体实现算法如上提出方法的步骤1)部分所述。
2)永磁同步电机电角度预测部：通过电机自带的编码器，检测出当前采样周期的电角度，并根据对应时间间隔的电角度变化，计算出对应的电角速度，进而计算出电角加速度，并进行低通滤波处理后，用于预测下一个采样周期的电角度；具体实现算法如上提出方法的步骤2)部分所述。
3)电机电流过零点判断部：通过对比当前电角度和下一个周期的预测电角度以及三相电流在当前采样周期的电流值是否小于设定阀值，进而判断出当前是否是死区补偿时间；具体实现算法如上提出方法的步骤3)部分所述。
4)死区补偿电压计算部：根据判断的电流过零点时的死区补偿时间以及电流大小，实施对应电压的补偿。具体实现算法如上提出方法的步骤4)部分所述。
通过本发明提出的永磁同步电机矢量控制死区补偿方法及系统，能达到以下的效果：
1)能快速而准确地判断出电机的三相电流过零点，实施精准的电压补偿，保证电机在运行中的综合性能；
2)有效克服现有技术存在的由于采样时滞或者测量误差而造成的补偿失败问题。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)永磁同步电机三相电流计算；
2)永磁同步电机电角度
Figure FDA0002308241350000011
预测；
3)电流过零点判断；
4)电机死区补偿值计算；
所述步骤1)具体为：
步骤11:坐标变换，由三相电流ia,b,c变换到静止坐标两相电流iα，β，再由静止坐标两相电流iα，β变换到旋转坐标两相电流id,q:
Figure FDA0002308241350000012
其中，θ为电机电角度；
步骤12：自适应滤波，把正弦变化的三相交流信号通过上述式(1)转化成两项直流信号后，采用自适应滤波器，分离出检测信号的直流分量
Figure FDA0002308241350000013
具体实现如下：
Figure FDA0002308241350000014
其中，ω为权系数，id，q为三相电流在两相旋转坐标下的电流值；
权系数ω采用以下的迭代修正算法：
ω(t)＝ω(t-1)+2γe(t-1)id，q(t-1) (3)
其中，γ为学习系数，e(t-1)为t-1时刻的信号误差，定义如下：
Figure FDA0002308241350000015
其中，
Figure FDA0002308241350000016
为旋转坐标下的两相电流设定信号；
根据上述式(2)、(3)和(4)，则可以得出旋转坐标下经过自适应滤波后的直流分量
Figure FDA0002308241350000017
步骤13:坐标反变换，把上述经过滤波后的直流分量
Figure FDA0002308241350000018
映射到两相静止坐标，然后再变换到原来的三相电流，具体变换矩阵如下：
Figure FDA0002308241350000019
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
步骤21：计算电角速度，根据安装伺服电机的编码器可以检测到伺服电机的实时运行角度θ，则可以根据下式计算伺服电机的角速度v：
Figure FDA0002308241350000021
其中，T为采样周期，Δθ为采样周期的电机角度变化值；
根据下式，则可以计算出伺服电机的电角速度ve
Figure FDA0002308241350000022
其中，p是电机极对数；
步骤22:计算电角加速度，再根据下式计算出电机角加速度a：
Figure FDA0002308241350000023
然后，对上式进而低通滤波，得到滤波后的电角加速度
Figure FDA0002308241350000024
具体方法如下：
Figure FDA0002308241350000025
其中，0＜ω＜1为滤波系数；
步骤23:预测下一个周期的电角度
Figure FDA0002308241350000026
根据下式进行预算：
Figure FDA0002308241350000027
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
根据式(10)，则可建立如下的过零点判据1：
当电机顺时针旋转时，有：
如果且
Figure FDA0002308241350000029
则A相电流由正向负过零点；
如果θ(t)＜π且
Figure FDA00023082413500000210
则A相电流由负向正过零点；
如果
Figure FDA00023082413500000211
且
Figure FDA00023082413500000212
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure FDA0002308241350000031
且
Figure FDA0002308241350000032
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure FDA0002308241350000033
且
Figure FDA0002308241350000034
则C相电流由正向负过零点；
如果
Figure FDA0002308241350000035
且
Figure FDA0002308241350000036
则C相电流由负向正过零点；
当电机逆时针旋转时，有
如果
Figure FDA0002308241350000037
且
Figure FDA0002308241350000038
则A相电流由负向正过零点；
如果θ(t)＜π且
Figure FDA0002308241350000039
则A相电流由正向负过零点；
如果
Figure FDA00023082413500000310
且
Figure FDA00023082413500000311
则B相电流由负向正过零点；
如果
Figure FDA00023082413500000312
且
Figure FDA00023082413500000313
则B相电流由正向负过零点；
如果
Figure FDA00023082413500000314
且
Figure FDA00023082413500000315
则C相电流由负向正过零点；
如果
Figure FDA00023082413500000316
且
Figure FDA00023082413500000317
则C相电流由正向负过零点；
根据上述式(5)，可以得出以下判据2：
如果
Figure FDA00023082413500000318
则A相电流在零点附近；
如果
Figure FDA00023082413500000319
则B相电流在零点附近；
如果
Figure FDA00023082413500000320
则C相电流在零点附近；
其中，δ为零点电流误差阀值；
只要当前采样周期的三相电流以及电角度同时满足上述判据1和判据2，则认为当前周期为死区补偿时间。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机矢量控制死区补偿方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：
三相电流的补偿是通过对应的相电压进行补偿，三相电的补偿电压ux的具体计算如下：
Figure FDA0002308241350000041
其中，X＝>A,B,C为电机三相电，且Te＝Td+To+Tf，Td为逆变的死区时间，To为导通时间，Tf为关断时间，Ts为采样时间，udc为直流母线电压。
5.一种永磁同步电机矢量控制死区补偿系统，其特征在于，包括：
1)永磁同步电机三相电流计算部：实现对三相电流的采集以及对应坐标的变换、滤波以及坐标反变换,具体为把含有噪声的三相交流信号经过矢量变换成两相直流信号，并对直流信号进行滤波；然后，把干净的两相直流信号经过坐标反变换成对应的三相交流信号，最终获得相对比较干净的三相交流信号；
2)永磁同步电机电角度预测部：通过电机自带的编码器，检测出当前采样周期的电角度，并根据对应时间间隔的电角度变化，计算出对应的电角速度，进而计算出电角加速度，并进行低通滤波处理后，用于预测下一个采样周期的电角度；
3)电机电流过零点判断部：通过对比当前电角度和下一个周期的预测电角度以及三相电流在当前采样周期的电流值是否小于设定阀值，进而判断出当前是否是死区补偿时间；
4)死区补偿电压计算部：根据判断的电流过零点时的死区补偿时间以及电流大小，实施对应电压的补偿。
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