CN109245646A - 一种基波电流观测器和永磁同步电机基波电流提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基波电流观测器以及永磁同步电机基波电流提取系统。所述基波电流观测器包括电流磁链模块，利用旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据电机电流和转子位置计算电流模型下的定子磁链，电压磁链模块，利用静止坐标系下电压与磁链的关系，根据电机电流和定子电压计算电压模型下的定子磁链，反馈校正模块，根据电流模型下的定子磁链与电压模型下的定子磁链的差值计算补偿电压，用以校正所述电压磁链模块输出的电压模型下的定子磁链，基波电流模块，基于旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据校正后的电压模型下的定子磁链反算出旋转坐标系下的基波电流，以提高永磁同步电机控制系统的稳定性。

Description

一种基波电流观测器和永磁同步电机基波电流提取系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机牵引技术领域，尤其涉及一种可以应用于逆变器开关频率较低的永磁同步电机牵引系统的基波电流观测器和永磁同步电机基波电流提取方法。

背景技术

当前的永磁同步电机变频调速系统输出的电压信号都是脉宽调制PWM波。这种PWM波具有丰富的谐波，尤其在低载波比以及过调制区下谐波含量更大。这种PWM电压作用在永磁同步电机上将会产生相应的谐波电流。

对于基于电机基波模型的控制方法，如矢量控制，这种谐波电流会很大程度地影响控制系统的动静态特性和稳定性。因此，有必要提取基波电流来提高永磁同步电机的控制性能。

在目前现有的基波电流提取方法中，一般采用电流滤波的方法，但是这种方法会有相位延迟，会降低系统的控制性能，同时低次电流谐波很难滤除。

虽然也有文献直接采用程序中的指令电压根据永磁同步电机旋转坐标系下的数学模型来计算基波电流，但是这种方法存在较大的累计误差，并且受参数的影响较大。

发明内容

针对永磁同步牵引系统的控制方法受谐波电流影响大的问题，本发明提出了一种新的基波电流的提取方法，确切地说是一种基波电流观测器，以及包括了所述基波电流观测器的永磁同步电机基波电流提取系统，用以提高永磁同步电机控制系统的动静态性能和稳定性。

本发明提供的基波电流观测器，其包括：

电流磁链模块，其设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据电机电流和转子位置计算电流模型下的定子磁链；

电压磁链模块，其设置为基于永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系，根据电机电流、定子电阻和定子电压计算电压模型下的定子磁链；

反馈校正模块，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为根据所述电流磁链模块输出的电流模型下的定子磁链与所述电压磁链模块输出的电压模型下的定子磁链的差值计算相应的补偿电压，并将所述补偿电压反馈给所述电压磁链模块，用以校正所述电压磁链模块输出的电压模型下的定子磁链；

基波电流模块，其连接所述电压磁链模块，设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据所述电压磁链模块输出的校正后的电压模型下的定子磁链反算出旋转坐标系下的基波电流。

根据本发明的实施例，上述永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系为：

式中：i_d和i_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流，L_d和L_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电感和交轴电感，ψ_f为永磁同步电机旋转坐标系下的反电势常数，ψ_d和ψ_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴磁链和交轴磁链。

根据本发明的实施例，上述电流磁链模块包括：

坐标变换单元，其设置为根据转子位置将电机电流通过坐标变换转换成直轴电流和交轴电流；

直轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据直轴电感以及所述坐标变换单元输出的直轴电流计算第一磁链，并将所述第一磁链加上反电势常数，从而获得相应的直轴磁链；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感以及所述坐标变换单元输出的交轴电流计算相应的交轴磁链；

坐标反变换单元，其连接所述直轴电感单元和交轴电感单元，设置为分别对所述直轴电感单元输出的直轴磁链和所述交轴电感单元输出的交轴磁链进行坐标反变换，从而获得所述电流模型下的定子磁链的第一分量和第二分量。

根据本发明的实施例，上述永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系为：

式中：ψ_sα，ψ_sβ分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子磁链的第一分量和第二分量，分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子电压的第一分量和第二分量，i_α，i_β为永磁同步电机静止坐标系下的电机电流的第一分量和第二分量，R_s为定子电阻，t为时间。

根据本发明的实施例，上述电压磁链模块包括：

第一校正单元，其设置为将所述定子电压的第一分量减去电机电流的第一分量与定子电阻的乘积，并加上补偿电压的第一分量；

第二校正单元，其设置为将所述定子电压的第二分量减去电机电流的第二分量与定子电阻的乘积，并加上补偿电压的第二分量；

第一积分单元，其连接所述第一校正单元，设置为对所述第一校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链的第一分量；

第二积分单元，其连接所述第二校正单元，设置为对所述第二校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链的第二分量；

根据本发明的实施例，上述反馈校正模块包括：

第一比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链的第一分量与所述电压模型下的定子磁链的第一分量的差值；

第二比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链的第二分量与所述电压模型下的定子磁链的第二分量的差值；

第一比例积分调节单元，其连接所述第一比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链的第一分量与所述电压模型下的定子磁链的第一分量的差值输出所述补偿电压的第一分量；

第二比例积分调节单元，其连接所述第二比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链的第二分量与所述电压模型下的定子磁链的第二分量的差值输出所述补偿电压的第二分量。

根据本发明的实施例，上述基波电流模块包括：

坐标变换单元，其连接所述电压磁链模块，设置为分别对所述电压磁链模块输出的校正后的电压模型下的定子磁链的第一分量和第二分量进行坐标变换，获得旋转坐标系下基波磁链的直轴分量和交轴分量；

直轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据直轴电感以及所述坐标变换单元输出的基波磁链的直轴分量与反电势常数的差值来计算基波电流的直轴分量；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感以及所述坐标变换单元输出的基波磁链的交轴分量来计算基波电流的交轴分量。

此外，本发明还提供一种永磁同步电机基波电流提取系统，其包括：

矢量控制器，其设置为输出定子电压；

指令电压线性器，其连接所述矢量控制器，设置为对所述矢量控制器输出的定子电压进行线性化处理，获得线性化的定子电压；

脉冲宽度调制器，其连接所述指令电压线性器，用于根据所述线性化的指令定子电压输出相应的脉宽调制电压，以控制永磁同步电机工作，并产生相应的电机电流；

如上面所述的基波电流观测器，其分别与所述指令电压线性器、脉冲宽度调制器及矢量控制器相连，设置为根据所述指令电压线性器输出的线性化的定子电压、转子位置对所述脉冲宽度调制器输出的电机电流提取旋转坐标系下的基波电流，并将所述基波电流反馈给所述矢量控制器，以提高永磁同步电机控制系统的稳定性。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

1)采用本发明提供的基波电流观测器提取永磁同步电机基波电流，实施简单，并且没有相位延迟；

2)本发明利用线性化电压以及混合的观测模型提取基波电流，相对于其他传统方法精度更高，而且应用范围更广，可以在全速度段、全电压下使用。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例中提供的基波电流观测器的组成结构示意图；

图2是本发明一实施例中基波电流观测器的电流磁链模块的结构示意图；

图3是本发明一实施例中基波电流观测器的电压磁链模块的结构示意图；

图4是本发明一实施例中基波电流观测器的反馈校正模块的结构示意图；

图5是本发明一实施例中基波电流观测器的基波电流模块的结构示意图；

图6是本发明一实施例中提供的永磁同步电机基波电流提取系统的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

需要说明的是，图1和图2仅是本发明实施例的示意图。本发明在具体实施时，可以根据具体要求在此基础上进行添加、修改或替换，只要在本发明所述的技术范围内，都应在本发明的保护范围之内。

第一实施例

下面结合图1至图5对本发明的基波电流观测器做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的基波电流观测器主要包括：电流磁链模块100，电压磁链模块200，反馈校正模块300和基波电流模块400。其中：

电流磁链模块100，设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据电机电流i_s和转子位置θ_r计算电流模型下的定子磁链ψ_si。具体的，永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系为：

式中：i_d和i_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流，L_d和L_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电感和交轴电感，ψ_f为永磁同步电机旋转坐标系下的反电势常数，ψ_d和ψ_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴磁链和交轴磁链。

该电流磁链模块100可以如图2所示分为：

坐标变换单元，其设置为根据转子位置θ_r将电机电流i_s通过坐标变换转换成直轴电流i_d和交轴电流i_q；

直轴电感单元，其连接坐标变换单元，设置为根据直轴电感L_d以及所述坐标变换单元输出的直轴电流i_d计算第一磁链ψ₁，并将所述第一磁链ψ₁加上反电势常数ψ_f，从而获得相应的直轴磁链ψ_d；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感L_q以及所述坐标变换单元输出的交轴电流i_q计算相应的交轴磁链ψ_q；

坐标反变换单元，其连接所述直轴电感单元和交轴电感单元，设置为分别对所述直轴电感单元输出的直轴磁链ψ_d和所述交轴电感单元输出的交轴磁链ψ_q进行坐标反变换，从而获得所述电流模型下的定子磁链ψ_si的第一分量ψ_siα和第二分量ψ_siβ。

电压磁链模块200，设置为基于永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系，根据电机电流i_s、定子电阻R_s和定子电压计算电压模型下的定子磁链ψ_s。具体地，所述永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系为：

式中：ψ_sα，ψ_sβ分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子磁链ψ_s的第一分量和第二分量，分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子电压的第一分量和第二分量，i_α，i_β为永磁同步电机静止坐标系下的电机电流i_s的第一分量和第二分量，R_s为定子电阻，t为时间。

该电压磁链模块200可以如图3所示分为：

第一校正单元，其设置为将所述定子电压的第一分量减去电机电流i_s的第一分量i_α与定子电阻R_s的乘积，并加上补偿电压u_c的第一分量u_cα；

第二校正单元，其设置为将所述定子电压的第二分量减去电机电流i_s的第二分量i_β与定子电阻R_s的乘积，并加上补偿电压u_c的第二分量u_cβ；

第一积分单元，其连接所述第一校正单元，设置为对所述第一校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第一分量ψ_sα；

第二积分单元，其连接所述第二校正单元，设置为对所述第二校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第二分量ψ_sβ。

反馈校正模块300，其连接所述电流磁链模块100和电压磁链模块200，设置为根据所述电流磁链模块100输出的电流模型下的定子磁链ψ_si与所述电压磁链模块200输出的电压模型下的定子磁链ψ_s的差值计算相应的补偿电压u_c，并将所述补偿电压u_c反馈给所述电压磁链模块200，以对所述电压磁链模块200输出的电压模型下的定子磁链ψ_s进行校正。具体地，该反馈校正模块300可以如图4所示分为：

第一比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链ψ_si的第一分量ψ_siα与所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第一分量ψ_sα的差值；

第二比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链ψ_si的第二分量ψ_siβ与所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第二分量ψ_sβ的差值；

第一比例积分调节单元，其连接所述第一比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链ψ_si的第一分量ψ_siα与所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第一分量ψ_sα的差值输出所述补偿电压u_c的第一分量u_cα；

第二比例积分调节单元，其连接所述第二比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链ψ_si的第二分量ψ_siβ与所述电压模型下的定子磁链ψ_s的第二分量ψ_sβ的差值输出所述补偿电压u_c的第二分量u_cβ。

基波电流模块400，其连接电压磁链模块200，设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据所述电压磁链模块200输出的校正后的电压模型下的定子磁链ψ_s反算出旋转坐标系下的基波电流i_{s_f}。该基波电流模块400可以如图5所示分为：

坐标变换单元，其连接所述电压磁链模块，设置为分别对所述电压磁链模块输出的校正后的电压模型下的定子磁链ψ_s的第一分量ψ_sα和第二分量ψ_sβ进行坐标变换，获得旋转坐标系下基波磁链ψ_{s_f}的直轴分量ψ_{sd_f}和交轴分量ψ_{sq_f}；

直轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据直轴电感L_d以及所述坐标变换单元输出的基波磁链ψ_{s_f}的直轴分量ψ_{sd_f}与反电势常数ψ_f的差值来计算基波电流i_{s_f}的直轴分量i_{d_f}；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感L_q以及所述坐标变换单元输出的基波磁链ψ_{s_f}的交轴分量ψ_{sq_f}来计算基波电流i_{s_f}的交轴分量i_{q_f}。

上述基波电流观测器实质上是将利用电流模型计算得到的磁链与利用电压模型计算得到的磁链之差经过PI调节器的值后作为输入的补偿电压u_c，来消除电压模型中受到积分漂移影响的问题。

第二实施例

图6所示是本发明的基于矢量控制的永磁同步电机基波电流提取系统的控制框图。该系统主要包括矢量控制器10、指令电压线性器20、脉冲宽度调制器30和本发明的基波电流观测器40。其中，矢量控制器10设置为输出定子电压(定子电压的第一分量的幅值定子电压的第二分量的幅值)；指令电压线性器20设置为对矢量控制器10输出的定子电压进行线性化处理，获得线性化的定子电压(即经过线性化处理的基波指令电压，线性化的定子电压的第一分量的幅值线性化的定子电压的第二分量的幅值)；脉冲宽度调制器30根据线性化的定子电压输出相应的脉宽调制电压，以控制永磁同步电机工作，并产生相应的电机电流(电机电流i_s的第一分量i_α变换用的的采样值i_a，电机电流i_s的第二分量i_β变换用的的采样值i_b)；基波电流观测器40则设置为根据指令电压线性器20输出的线性化的定子电压、转子位置对脉冲宽度调制器30输出的电机电流提取旋转坐标系下的基波电流i_{s_f}(基波电流的第一分量i_{d_f}，基波电流的第二分量i_{q_f})，并将所述基波电流反馈给矢量控制器10，这样可以有效防止电流谐波对控制系统的干扰，提高控制系统的动静态性能和稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基波电流观测器，其特征在于，包括：

电流磁链模块，其设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据电机电流和转子位置计算电流模型下的定子磁链；

电压磁链模块，其设置为基于永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系，根据电机电流、定子电阻和定子电压计算电压模型下的定子磁链；

反馈校正模块，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为根据所述电流磁链模块输出的电流模型下的定子磁链与所述电压磁链模块输出的电压模型下的定子磁链的差值计算相应的补偿电压，并将所述补偿电压反馈给所述电压磁链模块，用以校正所述电压磁链模块输出的电压模型下的定子磁链；

基波电流模块，其连接所述电压磁链模块，设置为基于永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系，根据所述电压磁链模块输出的校正后的电压模型下的定子磁链反算出旋转坐标系下的基波电流。

2.如权利要求1所述的基波电流观测器，其特征在于，所述永磁同步电机旋转坐标系下电流与磁链的关系为：

式中：i_d和i_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流，L_d和L_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴电感和交轴电感，ψ_f为永磁同步电机旋转坐标系下的反电势常数，ψ_d和ψ_q分别为永磁同步电机旋转坐标系下的直轴磁链和交轴磁链。

3.如权利要求1或2所述的基波电流观测器，其特征在于，所述电流磁链模块包括：

坐标变换单元，其设置为根据转子位置将电机电流通过坐标变换转换成直轴电流和交轴电流；

直轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据直轴电感以及所述坐标变换单元输出的直轴电流计算第一磁链，并将所述第一磁链加上反电势常数，从而获得相应的直轴磁链；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感以及所述坐标变换单元输出的交轴电流计算相应的交轴磁链；

坐标反变换单元，其连接所述直轴电感单元和交轴电感单元，设置为分别对所述直轴电感单元输出的直轴磁链和所述交轴电感单元输出的交轴磁链进行坐标反变换，从而获得所述电流模型下的定子磁链的第一分量和第二分量。

4.如权利要求1所述的基波电流观测器，其特征在于，所述永磁同步电机静止坐标系下电压与磁链的关系为：

式中：ψ_sα，ψ_sβ分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子磁链的第一分量和第二分量，分别为永磁同步电机静止坐标系下的定子电压的第一分量和第二分量，i_α，i_β为永磁同步电机静止坐标系下的电机电流的第一分量和第二分量，R_s为定子电阻，t为时间。

5.如权利要求4所述的基波电流观测器，其特征在于，所述电压磁链模块包括：

第一校正单元，其设置为将所述定子电压的第一分量减去电机电流的第一分量与定子电阻的乘积，并加上补偿电压的第一分量；

第二校正单元，其设置为将所述定子电压的第二分量减去电机电流的第二分量与定子电阻的乘积，并加上补偿电压的第二分量；

第一积分单元，其连接所述第一校正单元，设置为对所述第一校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链的第一分量；

第二积分单元，其连接所述第二校正单元，设置为对所述第二校正单元输出的结果进行积分，从而获得所述电压模型下的定子磁链的第二分量。

6.如权利要求1所述的基波电流观测器，其特征在于，所述反馈校正模块包括：

第一比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链的第一分量与所述电压模型下的定子磁链的第一分量的差值；

第二比较单元，其连接所述电流磁链模块和电压磁链模块，设置为计算所述电流模型下的定子磁链的第二分量与所述电压模型下的定子磁链的第二分量的差值；

第一比例积分调节单元，其连接所述第一比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链的第一分量与所述电压模型下的定子磁链的第一分量的差值输出所述补偿电压的第一分量；

第二比例积分调节单元，其连接所述第二比较单元，设置为根据所述电流模型下的定子磁链的第二分量与所述电压模型下的定子磁链的第二分量的差值输出所述补偿电压的第二分量。

7.如权利要求1所述的基波电流观测器，其特征在于，所述基波电流模块包括：

坐标变换单元，其连接所述电压磁链模块，设置为分别对所述电压磁链模块输出的校正后的电压模型下的定子磁链的第一分量和第二分量进行坐标变换，获得旋转坐标系下基波磁链的直轴分量和交轴分量；

直轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据直轴电感以及所述坐标变换单元输出的基波磁链的直轴分量与反电势常数的差值来计算基波电流的直轴分量；

交轴电感单元，其连接所述坐标变换单元，设置为根据交轴电感以及所述坐标变换单元输出的基波磁链的交轴分量来计算基波电流的交轴分量。

8.一种永磁同步电机基波电流提取系统，其特征在于，包括：

矢量控制器，其设置为输出定子电压；

指令电压线性器，其连接所述矢量控制器，设置为对所述矢量控制器输出的定子电压进行线性化处理，获得线性化的定子电压；

脉冲宽度调制器，其连接所述指令电压线性器，用于根据所述线性化的定子电压输出相应的脉宽调制电压，以控制永磁同步电机工作，并产生相应的电机电流；

如权利要求1至7中任意一项所述的基波电流观测器，其分别与所述指令电压线性器、脉冲宽度调制器及矢量控制器相连，设置为根据所述指令电压线性器输出的线性化的定子电压、转子位置对所述脉冲宽度调制器输出的电机电流提取旋转坐标系下的基波电流，并将所述基波电流反馈给所述矢量控制器，以提高永磁同步电机控制系统的稳定性。