CN108631681A - 一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法及补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法及补偿装置，方法包括：检测电机定子三相电流；对三相电流进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量；获得三相电流的基波电流相位，然后根据基波电流相位得到虚拟三相电流，并对虚拟三相电流进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量；计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积；对叉积进行比例积分运算，得到周期性误差的幅值；获得旋转变压器输出的位置信号θ；根据周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将其与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置。本发明能够有效地对旋转变压器的周期性误差进行在线补偿，从而解决周期性误差引起的相电流畸变与转矩脉动问题。

Description

一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法及补偿装置
技术领域
本发明属于永磁电机位置传感器信号校正领域，更具体地，涉及一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法及补偿装置。
背景技术
在电动汽车等工业应用领域，对于永磁电机(Permanent Magnet SynchronousMotor,PMSM)的需求增长迅速。永磁电机的磁场定向控制(Field-oriented Control，FOC)技术性能优异，因而获得广泛应用。磁场定向技术需要精确的转子位置，对位置传感器提出了较高要求。旋转变压器(Resolver)作为一种常见的位置传感器，鲁棒性好，可靠性高，可以抑制共模噪声，因此被大量使用，特别是在恶劣的工作环境下。
由于旋转变压器自身存在非线性特性，其提供给电机的位置信号含有多种误差。这些位置误差将引起电流谐波与转矩脉动，恶化电机的性能。周期性误差在多种形式的误差中占主导地位。旋转变压器周期性位置误差的存在使得永磁电机电流控制器中用到的d轴电流、q轴电流与实际值存在偏差，从而导致相电流畸变与转矩脉动，电流畸变与转矩脉动还将产生振动噪声，恶化电机性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法及补偿装置，旨在解决由于旋转变压器输出信号中存在周期性误差引起的相电流畸变与转矩脉动问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，包括如下步骤：
(1)检测电机定子三相电流iabc；
(2)对三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量可调电流矢量由基波电流矢量和谐波电流矢量构成；获得三相电流iabc的基波电流相位，然后根据基波电流相位得到虚拟三相电流i'abc，并对虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量参考电流矢量仅包含基波电流矢量；其中，(x1,y1)和(x2,y2)分别为对应的电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
(3)计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积；该叉积即为基波电流矢量与谐波电流矢量的叉积，充分反映了旋转变压器周期性误差的幅值、阶次等性质；
(4)对叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；
(5)获得旋转变压器输出的位置信号θ；根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置，从而实现对旋转变压器周期性误差的在线补偿。
进一步地，步骤(3)中，计算可调电流矢量与参考电流矢量的叉积，其计算公式为：
按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法的补偿装置，包括：第一坐标变换模块、锁相环、正弦波发生器、第二坐标变换模块、矢量叉乘单元、PI控制器以及位置计算模块；第一坐标变换模块的输入端用于接收电流传感器输出的电机定子三相电流iabc，第一坐标变换模块用于对电机定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量可调电流矢量由基波电流矢量和谐波电流矢量构成；锁相环的输入端用于接收电流传感器输出的电机定子三相电流iabc，锁相环用于根据电机定子三相电流iabc获得基波电流相位；正弦波发生器的输入端连接至锁相环的输出端，正弦波发生器用于根据基波电流相位产生虚拟三相电流i'abc；第二坐标变换模块的输入端连接至正弦波发生器的输出端，第二坐标变换模块用于对虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量参考电流矢量仅包含基波电流矢量；矢量叉乘单元的第一输入端连接至第一坐标变换模块的输出端，矢量叉乘单元的第二输入端连接至第二坐标变换模块的输出端，矢量叉乘单元用于计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积；该叉积即为基波电流矢量与谐波电流矢量的叉积，充分反映了旋转变压器周期性误差的幅值、阶次等性质；PI控制器的输入端连接至矢量叉乘单元的输出端，PI控制器用于对叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；位置计算模块的第一输入端用于接收旋转变压器输出的位置信号θ，位置计算模块的第二输入端连接至PI控制器的输出端，位置计算模块用于根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置。
进一步地，矢量叉乘单元用于计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积，其计算公式为：
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，首先根据电机定子三相电流分别得到包含基波电流矢量和谐波电流矢量的可调电流矢量和仅包含基波电流矢量的参考电流矢量，然后对可调电流矢量和参考电流矢量执行叉积运算，以得到充分反映旋转变压器周期性误差的幅值、阶次等性质叉积运算结果，并进一步根据该运算结果观测得到周期性误差的幅值以及周期性误差，并最终得到补偿后的转子位置。因此，通过本发明所提供的方法，能够有效地对旋转变压器输出的位置信号中的周期性误差进行在线补偿，从而有效解决周期性误差引起的相电流畸变与转矩脉动问题。
(2)本发明所提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，不依赖于机电参数，其中，用于根据差集运算结果得到周期性误差幅值的PI参数对电机参数、工作环境均不敏感，因此，具有较强的鲁棒性，能够应用于不同的电机系统。
(3)本发明所提供的补偿装置，仅包括锁相环、正弦波发生器等基本单元，不需要增加额外的高精度位置传感器，也不需要考虑控制器的带宽，因此，所需的运算量较小，所需占用的内存空间也较小。
附图说明
图1为现有的永磁同步电机控制系统示意图；
图2为本发明实施例提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法流程图；
图3为本发明实施例提供的包括本发明所提供的补偿装置的永磁电机控制系统示意图；
图4为本发明实施例提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法的实施过程示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
001为速度控制器，002为电流控制器，003为空间矢量脉宽调制模块，004为永磁同步电机，005为电流传感器，006为旋转变压器，007为速度计算模块，008为坐标变换模块，010为补偿装置，011为第一坐标变换模块，012为锁相环，013为正弦波发生器，014为第二坐标变换模块，015为矢量叉乘单元，016为PI控制器，017为位置计算模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在介绍本发明的技术方案之前，首先对现有的永磁电机控制系统进行简单介绍。如图1所示，现有的永磁电机控制系统包括：速度控制器001、电流控制器002、空间矢量脉宽调制模块003、永磁同步电机004、电流传感器005、旋转变压器006、速度计算模块007以及坐标变换模块008；速度控制器001通过比较转速指令值与反馈值，并利用PI控制器计算得到d轴、q轴电流的指令值；电流控制器002通过比较d轴、q轴电流指令值与反馈值，通过前馈解耦设计、抗饱和设计与PI控制器计算得到d轴、q轴电压的指令值；空间矢量脉宽调制模块003经过调制，将期望的电压施加于永磁同步电机004；永磁同步电机004的相电流由电流传感器005测得，转子位置由旋转变压器006测得；永磁同步电机004的相电流由电流传感器005测得，转子位置由旋转变压器006测得；速度计算模块007根据旋转变压器006提供的位置信号计算得到转子速度，反馈给速度控制器001；坐标变换模块008根据电流传感器005提供的相电流与旋转变压器006提供的位置信号，通过坐标变换得到d轴、q轴电流，反馈给电流控制器002；旋转变压器006提供的位置信号同时被空间矢量脉宽调制模块003用于电压矢量的调制。
旋转变压器006输出的位置信号直接被空间矢量脉宽调制模块003、速度计算模块007以及坐标变换模块008使用。当旋转变压器输出的位置信号中存在周期性误差时，反馈给速度控制器001的转子速度将出现误差，反馈给电流控制器002的d轴、q轴电流值将与实际值存在偏差，空间矢量脉宽调制模块003也将受到影响。旋转变压器输出信号中存在的周期性误差最终将导致相电流畸变，引起转矩脉动。电流畸变与转矩脉动还将产生振动噪声，恶化电机性能。为在线补偿旋转变压器输出信号中存在的周期性误差，本发明提出一种新的在线补偿方法及补偿装置，使永磁同步电机控制系统获得精确的转子位置信号。
本发明所提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，如图2所示，包括如下步骤：
(1)检测电机定子三相电流iabc；
(2)对三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量可调电流矢量由基波电流矢量和谐波电流矢量构成；获得三相电流iabc的基波电流相位，然后根据基波电流相位得到虚拟三相电流i'abc，并对虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量参考电流矢量仅包含基波电流矢量；其中，(x1,y1)和(x2,y2)分别为对应的电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
(3)计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积，其计算公式为：该叉积即为基波电流矢量与谐波电流矢量的叉积，充分反映了旋转变压器周期性误差的幅值、阶次等性质；
(4)对叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；
(5)获得旋转变压器输出的位置信号θ；根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置，从而实现对旋转变压器周期性误差的在线补偿。
当旋转变压器输出信号中存在周期性误差时，经过误差补偿器的作用，输出信号中的周期性误差得到在线补偿，不需要增加额外的高精度位置传感器，也不需要专门考虑控制器的带宽。与其它方案相比，所需运算量有限、占用内存空间很小。本方法在不影响永磁同步电机正常工作的情况下，不添加其他附加硬件，通过运算的方式观测得到旋转变压器周期性误差。经过在线补偿，电机系统的位置精度和电流质量显著提升。
结合本发明所提供的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，本发明还提供一种补偿装置010，其两个输入端分别连接至电流传感器005和旋转变压器006，并且其输出端分别连接至空间矢量脉宽调制模块003、速度计算模块007和坐标变换模块008，如图3所示。本发明所提供的补偿装置包括：第一坐标变换模块011、锁相环012、正弦波发生器013、第二坐标变换模块014、矢量叉乘单元015、PI控制器016以及位置计算模块017；第一坐标变换模块011的输入端用于接收电流传感器005输出的电机定子三相电流iabc，第一坐标变换模块011用于对电机定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量可调电流矢量由基波电流矢量和谐波电流矢量构成；锁相环012的输入端用于接收电流传感器005输出的电机定子三相电流iabc，锁相环012用于根据电机定子三相电流iabc获得基波电流相位；正弦波发生器013的输入端连接至锁相环012的输出端，正弦波发生器013用于根据基波电流相位产生虚拟三相电流i'abc；第二坐标变换模块014的输入端连接至正弦波发生器013的输出端，第二坐标变换模块014用于对虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量参考电流矢量仅包含基波电流矢量；矢量叉乘单元015的第一输入端连接至第一坐标变换模块011的输出端，矢量叉乘单元015的第二输入端连接至第二坐标变换模块014的输出端，矢量叉乘单元015用于计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积，其计算公式为：该叉积即为基波电流矢量与谐波电流矢量的叉积，充分反映了旋转变压器周期性误差的幅值、阶次等性质；PI控制器016的输入端连接至矢量叉乘单元015的输出端，PI控制器016用于对叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；位置计算模块017的第一输入端用于接收旋转变压器006输出的位置信号θ，位置计算模块017的第二输入端连接至PI控制器016的输出端，位置计算模块017用于根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置。
如图4所示，在如图3所示的永磁电机控制系统中，本发明所提供的在线补偿方法的实施过程如下：
S001：电流传感器005测得电机定子三相电流iabc，旋转变压器006测得转子位置信号θ，提供给补偿装置010；
S002：第一坐标变换模块011对三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量
S003：锁相环012获得三相电流iabc的基波电流相位，正弦波发生器013根据基波电流相位得到虚拟三相电流i'abc，第二坐标变换模块014对虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
S004：矢量叉乘单元015计算得到可调电流矢量与参考电流矢量的叉积，其计算公式为：
S005：控制器016根据可调电流矢量与参考电流矢量的叉积实现闭环控制，观测得到旋转变压器周期性误差的幅值；
S006：位置计算模块017根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置；
S007：速度计算模块007根据补偿装置010提供的误差补偿后的转子位置计算得到转子速度，反馈给速度控制器001；
S008：速度控制器001通过比较转速指令值与反馈值，利用PI控制器计算得到d轴、q轴电流的指令值；
S009：坐标变换模块008根据电流传感器005提供的定子三相电流与补偿装置010提供的误差补偿后的转子位置，通过帕克坐标变换得到d轴、q轴电流，并反馈给电流控制器002；
S010：电流控制器002通过比较d轴、q轴电流指令值与反馈值，通过前馈解耦设计、抗饱和设计与PI控制器计算得到d轴、q轴电压的指令值；
S011：空间矢量脉宽调制模块003经过调制，将期望的电压施加于永磁同步电机004；补偿装置010提供的误差补偿后的转子位置同时被空间矢量脉宽调制模块003用于电压矢量的调制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)检测电机定子三相电流iabc；
(2)对所述三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量获得所述三相电流iabc的基波电流相位，然后根据所述基波电流相位得到虚拟三相电流i'abc，并对所述虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量其中，(x1,y1)和(x2,y2)分别为对应的电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
(3)计算得到所述可调电流矢量与所述参考电流矢量的叉积；
(4)对所述叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；
(5)获得旋转变压器输出的位置信号θ；根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与所述位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置，从而实现对旋转变压器周期性误差的在线补偿。
2.如权利要求1所述的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)中，计算所述可调电流矢量与所述参考电流矢量的叉积，其计算公式为：
3.一种基于权利要求1所述的旋转变压器周期性误差的在线补偿方法的补偿装置，其特征在于，包括：第一坐标变换模块、锁相环、正弦波发生器、第二坐标变换模块、矢量叉乘单元、PI控制器以及位置计算模块；
所述第一坐标变换模块的输入端用于接收电流传感器输出的电机定子三相电流iabc，所述第一坐标变换模块用于对电机定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量
所述锁相环的输入端用于接收电流传感器输出的电机定子三相电流iabc，所述锁相环用于根据电机定子三相电流iabc获得基波电流相位；
所述正弦波发生器的输入端连接至所述锁相环的输出端，所述正弦波发生器用于根据基波电流相位产生虚拟三相电流i'abc；
所述第二坐标变换模块的输入端连接至所述正弦波发生器的输出端，所述第二坐标变换模块用于对所述虚拟三相电流i'abc进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
所述矢量叉乘单元的第一输入端连接至所述第一坐标变换模块的输出端，所述矢量叉乘单元的第二输入端连接至所述第二坐标变换模块的输出端，所述矢量叉乘单元用于计算得到所述可调电流矢量与所述参考电流矢量的叉积；
所述PI控制器的输入端连接至所述矢量叉乘单元的输出端，所述PI控制器用于对所述叉积进行比例积分运算，得到旋转变压器周期性误差的幅值；
所述位置计算模块的第一输入端用于接收旋转变压器输出的位置信号θ，所述位置计算模块的第二输入端连接至所述PI控制器的输出端，所述位置计算模块用于根据旋转变压器周期性误差的幅值计算得到旋转变压器的周期性误差，并将周期性误差与所述位置信号θ相减，得到补偿后的转子位置。
4.如权利要求3所述的补偿装置，其特征在于，所述矢量叉乘单元用于计算得到所述可调电流矢量与所述参考电流矢量的叉积，其计算公式为：
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