CN110784147A - 一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于死区补偿的无位置矢量控制系统及电机系统，属于电力电子控制技术领域，包括：电流采样模块，其输入端连接至三相桥臂；观测模块，其第一输入端连接至电流采样模块的输出端，第二输入端用于接收电压矢量Uαβ，第三输入端连接至观测模块的第二输出端，用于估算电机转子的位置和角速度，并过滤掉其中的五次谐波和七次谐波；反馈控制模块，其三个输入端分别连接至观测模块的第一输出端、第二输出端以及电流采样模块的输出端；死区补偿模块，其第一输入端用于接收相电流，第二输入端连接至反馈控制模块的输出端；以及SVPWM模块，其输入端和输出端分别连接至死区补偿模块的输出端和三相桥臂。本发明能够提高永磁同步电机的控制性能。

Description

一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，更具体地，涉及一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统。
背景技术
近年来，能源短缺问题制约着人类社会的发展。随着我国高性能稀土永磁材料的发现以及电力电子器件不断地发展，工业自动化，机器人和电动汽车都广泛用到电机。运用于电气传动工控行业的电机主要分为交流电机和直流电机，其中交流电机又可分为感应式交流电机和永磁同步电机。永磁同步电机不仅具有可靠性高、结构简单、体积小、控制性能良好的优点，与直流电机相比，永磁同步电机内部没有机械换向器和电刷，因此其具有高可靠性，维修成本也相对较低；与感应式交流电机相比，永磁同步电机不需要励磁电流，其功率因数更高。目前，永磁同步电机被广泛地运用于工业生产、家用电器和交通运输等领域，提升永磁同步电机的控制性能具有很大的实用价值。
永磁同步电机的控制方法主要分为两种：直接转矩控制和矢量控制，这两种控制方法都需要精确的转子位置和角速度。因此，在电机控制系统之中，一般都会加入位置传感器如光电编码器。机械位置传感器虽然能够精确地提供转子的角度信息，但是也会给电机控制系统带来一定的负面影响，主要体现在：(1)机械位置传感器的价格普遍较高，电机控制系统安装位置传感器会增加成本，增大了电机驱动器的体积；(2)需要额外给电机和驱动器之间加上QEP编码接口电路，给工程应用带来不便，同时也不利于系统的稳定性；(2)机械位置传感器为电磁元件，受系统运行工况的影响比较大，其检测的精度容易受外部条件的制约，从而降低了系统的可靠性；(4)在一些受到工作条件限制的特殊应用场合，不能使用机械位置传感器，如空调压缩机系统，这样整个系统就不能正常运转。
电机无位置控制系统利用观测器根据系统的外部变量的实测值估算转子位置和角速度，而无需使用位置传感器，因此，能够很好的解决上述问题。但是，由于死区效应的影响，观测器估算得到的观测值与实际值往往存在较大误差，使得电机无位置控制系统的控制性能并不理想。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，其目的在于，提高永磁同步电机的控制性能。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，包括：电流采样模块、观测模块、反馈控制模块、死区补偿模块以及SVPWM模块；
电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂；电流采样模块用于采集任意两相电流，以将相电流变换至两相静止坐标系下，得到电流矢量iαβ；
观测模块的第一输入端连接至电流采样模块的输出端，观测模块的第二输入端用于接收电机在两相静止坐标系下的电压矢量Uαβ，观测模块的第三输入端连接至观测模块的第二输出端；观测模块用于根据输入信号估算电机转子的位置和角速度，并过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，得到转子的电角度观测值
Figure BDA0002243827240000021
和角速度观测值
反馈控制模块的第一输入端连接至观测模块的第一输出端，反馈控制模块的第二输入端连接至观测模块的第二输出端，反馈控制模块的第三输入端连接至电流采样模块的输出端；反馈控制模块用于根据输入信号进行速度反馈控制和电流反馈控制，得到两相静止坐标系下的电压矢量指令值
Figure BDA0002243827240000031
死区补偿模块的第一输入端用于接收相电流，死区补偿模块的第二输入端连接至反馈控制模块的输出端；死区补偿模块用于根据各相电流确定对应的相电压补偿量后，转换至两相静止坐标系下，得到用于进行死区补偿的补偿电压矢量并利用补偿电压矢量
Figure BDA0002243827240000033
对电压矢量指令值进行补偿，得到电压矢量指令值
SVPWM模块的输入端连接至死区补偿模块的输出端，SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；SVPWM模块用于根据电压矢量指令值
Figure BDA0002243827240000036
进行SVPWM调制，得到开关信号Sabc，对电机逆变器进行驱动控制。
死区效应产生的影响主要是会产生五次谐波和七次谐波，本发明利用观测模块获得电机转子的电角度观测值和角速度观测值时，会过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，从而能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，使得估算得到的转子位置更加接近于实际值，转子位置稳态误差振荡减小，由于转子位置(电角度)与转子速度(角速度)之间存在微分关系，本发明在提高转子位置的估算精度的同时，也提高了转子速度的估算精度，因此，本发明能够提高永磁同步电机的控制性能；传统的死区补偿方案采用统一的补偿策略，而不考虑相电流实际的取值，相电流在过零点会产生较大的偏差；本发明根据实际的相电流确定用于进行矢量补偿的补偿电压矢量，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高控制性能。总的来说，本发明充分考虑了死区效应对永磁同步电机的影响，提高了永磁同步电机的控制性能。
进一步地，观测模块包括：全阶滑模观测器、自适应陷波器以及正交锁相环；
全阶滑模观测器的第一输入端作为观测模块的第一输入端，全阶滑模观测器的第二输入端作为观测模块的第二输入端，全阶滑模观测器的第三输入端作为观测模块的第三输入端；全阶滑模观测器用于根据电流矢量iαβ、电压矢量Uαβ以及角速度观测值
Figure BDA0002243827240000041
估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000042
自适应陷波器的输入端连接至全阶滑模观测器的输出端；自适应陷波器用于对其内部参数进行连续的自整定，以获得使观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh，之后根据陷波频率ωh过滤掉扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000043
中的五次谐波和七次谐波，得到扩展反电动势矢量
Figure BDA0002243827240000044
正交锁相环的输入端连接至自适应陷波器的输出端，正交锁相环的第一输出端作为观测模块的第一输出端，正交锁相环的第二输出端作为观测模块的第二输出端；正交锁相环用于根据扩展反电动势矢量
Figure BDA0002243827240000045
估算电机转子的电角度观测值
Figure BDA0002243827240000046
和角速度观测值
Figure BDA0002243827240000047
本发明中，使用全阶滑模观测器估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值，并利用自适应陷波器过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，同时，避免了因使用低通滤波器而导致转子位置估计产生相位滞后，保证了转子的电角度观测值更接近于实际值，提高了对转子位置和转子速度的估算精度。
进一步地，全阶滑模观测器进行观测的状态方程，其确定方式包括：
对电机定子电压方程进行变换，以实现转子位置信息的解耦，得到第一电压方程为：
Figure BDA0002243827240000051
将第一电压方程变换至两相静止坐标系下，得到第二电压方程；
将第二电压方程变换为状态方程，得到目标状态方程为：
Figure BDA0002243827240000052
根据目标状态方程建立全阶滑模观测器的状态方程：
Figure BDA0002243827240000053
其中，Rs表示定子绕组中的电阻值，p表示微分运算符，Ld和Lq分别表示定子绕组的d轴电感值和q轴电感值，ud和uq分别表示d轴电压和q轴电压，id和iq分别表示d轴电流和q轴电流，ωe表示实际的转子角速度，ψf表示转子磁链，
Figure BDA0002243827240000054
表示两相静止坐标系下的电流矢量观测值，
Figure BDA0002243827240000055
和
Figure BDA0002243827240000056
分别表示电流矢量观测值
Figure BDA0002243827240000057
和扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000058
的微分量，I表示单位矩阵，sgn()表示全阶滑模观测器的开关函数，
Figure BDA0002243827240000059
Figure BDA00022438272400000510
k1、k2、l1和l2均为全阶滑模观测器内部参数。
本发明在确定全阶滑模观测的状态方程时，对电机定子电压方程进行变换，实现了转子位置信息的解耦，从而保证了利用观测模块能够提取出转子的位置信息。
进一步地，全阶滑模观测器的开关函数为sigmoid函数；sigmoid函数具有光滑连续性，使用sigmoid函数作为全阶滑模观测器的开关函数，能够提高转子位置信息和速度信息的估算精度。
进一步地，自适应陷波器根据最小均方差算法(LMS)对其内部参数进行连续的自整定，以获得使观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh。
进一步地，自适应陷波器的传递函数为：
其中，μ为自适应陷波器内部的常参数。
进一步地，死区补偿模块根据各相电流确定对应的相电压补偿量，其方式为：
对于每一相的相电流i，根据预设的阈值Ioct -、Ict -、Ict +和Ioct +将相电流i划分为五个区间，若i＞Ioct +，则对应相的相电压补偿量ΔV为正；若i＜Ioct -，则对应相的相电压补偿量ΔV为负；若i∈(Ict -,Ict +)，则不进行死区补偿；若i∈[Ioct -,Ict -]或i∈[Ict +,Ioct +]，则对应相的相电压补偿量ΔV为相电流i的线性函数；
其中，Ioct -＜Ict -＜0＜Ict +＜Ioct +，相电流i为a相电流ia、b相电流ib或者c相电流ic。
本发明采用分段补偿的方式，将相电流的实际取值划分为五个区间，根据相电流实际所处的区间采用不同的补偿策略，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高对永磁同步电机的控制性能。
进一步地，死区补偿模块所确定的相电压补偿量ΔV与对应相的相电流i之间满足：
Figure BDA0002243827240000071
其中，Udc为直流母线电压，τ为死区效应的影响时间，Ts为SVPWM周期。
进一步地，反馈控制模块包括：αβ-dq坐标变换单元、d轴电流PI控制单元、速度PI控制单元、q轴电流PI控制单元以及dq-αβ坐标变换单元；
αβ-dq坐标变换单元的第一输入端和dq-αβ坐标变换单元的第一输入端相连后作为反馈控制模块的第一输入端；
αβ-dq坐标变换单元的第二输入端作为反馈控制模块的第三输入端；αβ-dq坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure BDA0002243827240000072
将电流矢量iαβ变换至dq旋转坐标系下，得到d轴电流id和q轴电流iq；
d轴电流PI控制单元的输入端连接至αβ-dq坐标变换单元的第一输出端；d轴电流PI控制单元用于将d轴电流id和预设的d轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000073
作比较后，进行PI控制，得到d轴电压指令值
速度PI控制单元的输入端作为反馈控制模块的第二输入端；速度PI控制单元用于将电机转子的角速度观测值
Figure BDA0002243827240000075
和预设的角速度指令值
Figure BDA0002243827240000076
作比较后，进行PI控制，得到q轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000077
q轴电流PI控制单元的第一输入端连接至速度PI控制单元的输出端，q轴电流PI控制单元的第二输入端连接至αβ-dq坐标变换单元的第二输出端；q轴电流PI控制单元用于将q轴电流iq和q轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000081
作比较后，进行PI控制，得到q轴电压指令值
Figure BDA0002243827240000082
dq-αβ坐标变换单元的第二输入端连接至d轴电流PI控制单元的输出端，dq-αβ坐标变换单元的第三输入端连接至q轴电流PI控制单元的输出端，dq-αβ坐标变换单元的输出端作为反馈控制模块的输出端；dq-αβ坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure BDA0002243827240000083
将d轴电压指令值
Figure BDA0002243827240000084
和q轴电压指令值
Figure BDA0002243827240000085
变换至两相静止坐标系下，得到电压矢量指令值
Figure BDA0002243827240000086
按照本发明的第二方面，提供了一种电机系统，包括电机和电机无位置矢量控制系统，电机无位置矢量控制系统为本发明第一方面提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统；
电机无位置矢量控制系统的电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂，电机无位置矢量控制系统的SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；电机无位置矢量控制系统用于对电机进行控制。
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)本发明所提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，利用观测模块估算电机转子的电角度观测值和角速度观测值时，会过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，提高对转子位置和转子速度的估算精度，从而提高永磁同步电机的控制性能；本发明根据实际的电流矢量确定用于进行矢量补偿的补偿电压矢量，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高控制性能。总的来说，本发明充分考虑了死区效应对永磁同步电机的影响，提高了永磁同步电机的控制性能。
(2)本发明所提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，使用全阶滑模观测器估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值，并利用自适应陷波器过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，同时，避免了因使用低通滤波器而导致转子位置估计产生相位滞后，保证了转子的电角度观测值更接近于实际值，提高了对转子位置和转子速度的估算精度。
(3)本发明所提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，在确定全阶滑模观测的状态方程时，对电机定子电压方程进行变换，实现了转子位置信息的解耦，从而保证了利用观测模块能够提取出转子的位置信息。
(4)本发明所提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，使用具有光滑连续性的sigmoid函数作为全阶滑模观测器的开关函数，能够提高转子位置信息和速度信息的估算精度。
(5)本发明所提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统及电机系统，采用分段补偿的方式，将电流矢量的实际取值划分为五个区间，根据电流矢量实际所处的区间采用不同的补偿策略，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高对永磁同步电机的控制性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统的示意图；
图2为现有的二阶滑模观测器示意图；
图3为现有的全阶滑模观测器示意图；
图4为本发明实施例提供的死区效应反电动势的向量图。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了提高对永磁同步电机的控制性能，本发明提供的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，如图1所示，包括：电流采样模块、观测模块、反馈控制模块、死区补偿模块以及SVPWM模块；
电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂；电流采样模块用于采集任意两相电流，以将相电流变换至两相静止坐标系下，得到电流矢量iαβ；由于三相对称，采集任意两相的相电流之后，即可计算出第三相的相电流，在本实施例中，如图1所示，具体采集的两相电流为a相电流ia和b相电流ib；
观测模块的第一输入端连接至电流采样模块的输出端，观测模块的第二输入端用于接收电机在两相静止坐标系下的电压矢量Uαβ，观测模块的第三输入端连接至观测模块的第二输出端；观测模块用于根据输入信号估算电机转子的位置和角速度，并过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，得到转子的电角度观测值
Figure BDA0002243827240000101
和角速度观测值
Figure BDA0002243827240000102
其中，观测模块估算得到的电角度观测值
Figure BDA0002243827240000103
对应转子的位置信息，角速度观测值
Figure BDA0002243827240000104
对应转子的速度信息，电压矢量Uαβ具体可根据开关信号Sabc和直流母线电压Udc计算得到；通过将观测模块输出的角速度观测值
Figure BDA0002243827240000105
反馈输入至观测模块，形成了闭环；
反馈控制模块的第一输入端连接至观测模块的第一输出端，反馈控制模块的第二输入端连接至观测模块的第二输出端，反馈控制模块的第三输入端连接至电流采样模块的输出端；反馈控制模块用于根据输入信号进行速度反馈控制和电流反馈控制，得到两相静止坐标系下的电压矢量指令值
Figure BDA0002243827240000111
死区补偿模块的第一输入端用于接收相电流，死区补偿模块的第二输入端连接至反馈控制模块的输出端；死区补偿模块用于根据各相电流确定对应的相电压补偿量后，转换至两相静止坐标系下，得到用于进行死区补偿的补偿电压矢量
Figure BDA0002243827240000112
并利用补偿电压矢量
Figure BDA0002243827240000113
对电压矢量指令值进行补偿，得到电压矢量指令值同样地，由于三相对称，接收任意两相的相电流之后，即可计算出第三相的相电流，在本实施例中，如图1所示，死区补偿模块具体采集的两相电流为a相电流ia和b相电流ib；
SVPWM模块的输入端连接至死区补偿模块的输出端，SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；SVPWM模块用于根据电压矢量指令值
Figure BDA0002243827240000116
进行SVPWM调制，得到开关信号Sabc，对电机逆变器进行驱动控制。
上述基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，利用观测模块获得电机转子的电角度观测值和角速度观测值时，会过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，提高对转子位置和转子速度的估算精度，因此，能够提高永磁同步电机的控制性能；上述基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，根据实际的电流矢量确定用于进行矢量补偿的补偿电压矢量，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高控制性能。总的来说，上述基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，充分考虑了死区效应对永磁同步电机的影响，提高了永磁同步电机的控制性能。
在本实施例中，如图1所示，上述基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统中的观测模块包括：全阶滑模观测器、自适应陷波器以及正交锁相环；
全阶滑模观测器的第一输入端作为观测模块的第一输入端，全阶滑模观测器的第二输入端作为观测模块的第二输入端，全阶滑模观测器的第三输入端作为观测模块的第三输入端；全阶滑模观测器用于根据电流矢量iαβ、电压矢量Uαβ以及角速度观测值
Figure BDA0002243827240000121
估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000122
自适应陷波器的输入端连接至全阶滑模观测器的输出端；自适应陷波器用于对其内部参数进行连续的自整定，以获得使观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh，之后根据陷波频率ωh过滤掉扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000123
中的五次谐波和七次谐波，得到扩展反电动势矢量
Figure BDA0002243827240000124
正交锁相环的输入端连接至自适应陷波器的输出端，正交锁相环的第一输出端作为观测模块的第一输出端，正交锁相环的第二输出端作为观测模块的第二输出端；正交锁相环用于根据扩展反电动势矢量
Figure BDA0002243827240000125
估算电机转子的电角度观测值
Figure BDA0002243827240000126
和角速度观测值
Figure BDA0002243827240000127
二阶滑模观测器的结构及原理如图2所示，全阶滑模观测器的结构及原理如图3所示，二阶滑模观测器由于引用了低通滤波器，会导致转子位置估计产生相位滞后；本实施例使用全阶滑模观测器估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值，并利用自适应陷波器过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，能够降低死区效应产生的失配电压矢量对系统的影响，同时，避免了因使用低通滤波器而导致转子位置估计产生相位滞后，保证了转子的电角度观测值更接近于实际值，提高了对转子位置和转子速度的估算精度；
在本实施例中，全阶滑模观测器进行观测的状态方程，其确定方式包括：
对电机定子电压方程进行变换，以实现转子位置信息的解耦，得到第一电压方程；
永磁同步电机定子电压方程为：
其中，Rs表示定子绕组中的电阻值，p表示微分运算符，ud和uq分别表示d轴电压和q轴电压，id和iq分别表示d轴电流和q轴电流，ωe表示实际的转子角速度，ψd和ψq分别表示d轴磁链和q轴磁链；
上述定子电压方程中转子位置信息没有完全解耦，将该方程经过变换后得到的第一电压方程为：
Figure BDA0002243827240000132
其中，Ld和Lq分别表示定子绕组的d轴电感值和q轴电感值，ψf表示转子磁链；
将第一电压方程变换至两相静止坐标系下，得到第二电压方程；
将第二电压方程变换为状态方程，得到目标状态方程为：
Figure BDA0002243827240000133
根据目标状态方程建立全阶滑模观测器的状态方程：
Figure BDA0002243827240000134
其中，
Figure BDA0002243827240000135
表示两相静止坐标系下的电流矢量观测值，和
Figure BDA0002243827240000137
分别表示电流矢量观测值
Figure BDA0002243827240000138
和扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000139
的微分量，I表示单位矩阵，sgn()表示全阶滑模观测器的开关函数，
Figure BDA00022438272400001310
Figure BDA0002243827240000141
k1、k2、l1和l2均为全阶滑模观测器内部参数；
在确定全阶滑模观测的状态方程时，对电机定子电压方程进行变换，实现了转子位置信息的解耦，从而保证了利用观测模块能够提取出转子的位置信息；
在一个优选的实施方式中，全阶滑模观测器的开关函数为sigmoid函数；sigmoid函数具有光滑连续性，使用sigmoid函数作为全阶滑模观测器的开关函数，能够提高转子位置信息和速度信息的估算精度。
在一个优选的实施方式中，自适应陷波器(ANF)根据最小均方差算法(LMS)对其内部参数进行连续的自整定，以获得使观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh；
相应地，自适应陷波器的传递函数为：
Figure BDA0002243827240000142
其中，μ为自适应陷波器内部的常参数。
图4所示为死区效应反电动势的向量图，其中虚线表示的向量Es为理想情况下的反电动势矢量，实线表示的向量Zs为受死区效应影响后，实际的反电动势矢量；根据图4可以看到，实际的反电动势矢量会受到不同的影响，因此，传统的死区补偿方案采用统一的补偿策略，而不考虑电流矢量实际的取值，相电流在过零点会产生较大的偏差；
在本实施例中，死区补偿模块根据各相电流确定对应的相电压补偿量，其方式为：
对于每一相的相电流i，根据预设的阈值Ioct -、Ict -、Ict +和Ioct +将相电流i划分为五个区间，若i＞Ioct +，则对应相的相电压补偿量ΔV为正；若i＜Ioct -，则对应相的相电压补偿量ΔV为负；若i∈(Ict -,Ict +)，则不进行死区补偿；若i∈[Ioct -,Ict-]或i∈[Ict +,Ioct +]，则对应相的相电压补偿量ΔV为相电流i的线性函数；
其中，Ioct -＜Ict -＜0＜Ict +＜Ioct +，相电流i为a相电流ia、b相电流ib或者c相电流ic；阈值Ict +的具体设定需满足在一个电流控制周期内相电流变化量不超过Ict +，此处将阈值Ict +设定为相电流幅值的5％；Ioct +-Ict +须足够大以使得补偿电压不会造成相电流振荡；
具体地，死区补偿模块所确定的相电压补偿量ΔV与对应相的相电流i之间满足：
Figure BDA0002243827240000151
其中，Udc为直流母线电压，τ为死区效应的影响时间，Ts为SVPWM周期；
具体求得a相的相电压补偿量ΔVa、b相的相电压补偿量ΔVb以及c相的相电压补偿量ΔVc之后，转换到两项静止坐标系下，即可得到补偿电压矢量
Figure BDA0002243827240000152
本实施例采用分段补偿的方式，将相电流的实际取值划分为五个区间，根据相电流实际所处的区间采用不同的补偿策略，能够有效地避免相电流在过零点所带来的偏差，从而提高对永磁同步电机的控制性能。
在本实施例中，如图1所示，反馈控制模块包括：αβ-dq坐标变换单元、d轴电流PI控制单元、速度PI控制单元、q轴电流PI控制单元以及dq-αβ坐标变换单元；
αβ-dq坐标变换单元的第一输入端和dq-αβ坐标变换单元的第一输入端相连后作为反馈控制模块的第一输入端；
αβ-dq坐标变换单元的第二输入端作为反馈控制模块的第三输入端；αβ-dq坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure BDA0002243827240000161
将电流矢量iαβ变换至dq旋转坐标系下，得到d轴电流id和q轴电流iq；
d轴电流PI控制单元的输入端连接至αβ-dq坐标变换单元的第一输出端；d轴电流PI控制单元用于将d轴电流id和预设的d轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000162
作比较后，进行PI控制，得到d轴电压指令值
Figure BDA0002243827240000163
速度PI控制单元的输入端作为反馈控制模块的第二输入端；速度PI控制单元用于将电机转子的角速度观测值和预设的角速度指令值
Figure BDA0002243827240000165
作比较后，进行PI控制，得到q轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000166
q轴电流PI控制单元的第一输入端连接至速度PI控制单元的输出端，q轴电流PI控制单元的第二输入端连接至αβ-dq坐标变换单元的第二输出端；q轴电流PI控制单元用于将q轴电流iq和q轴电流指令值
Figure BDA0002243827240000167
作比较后，进行PI控制，得到q轴电压指令值
Figure BDA0002243827240000168
dq-αβ坐标变换单元的第二输入端连接至d轴电流PI控制单元的输出端，dq-αβ坐标变换单元的第三输入端连接至q轴电流PI控制单元的输出端，dq-αβ坐标变换单元的输出端作为反馈控制模块的输出端；dq-αβ坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure BDA0002243827240000169
将d轴电压指令值
Figure BDA00022438272400001610
和q轴电压指令值
Figure BDA00022438272400001611
变换至两相静止坐标系下，得到电压矢量指令值
Figure BDA00022438272400001612
容易理解的是，上述基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统中，两相静止坐标系下的电压矢量和电流矢量，均由α轴分量和β轴分量构成；例如，电压矢量Uαβ＝[Uα,Uβ]T，Uα和Uβ分别表示电压矢量Uαβ的α轴分量和β轴分量；再例如，扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000171
和分别表示扩展反电动势矢量观测值
Figure BDA0002243827240000174
的α轴分量和β轴分量；以此类推，在此将不作一一列举。
本发明还提供了一种电机系统，包括电机和电机无位置矢量控制系统，电机无位置矢量控制系统为上述于死区补偿的电机无位置矢量控制系统；
电机无位置矢量控制系统的电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂，电机无位置矢量控制系统的SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；电机无位置矢量控制系统用于对电机进行控制。
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 (10)

1.一种基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，包括：电流采样模块、观测模块、反馈控制模块、死区补偿模块以及SVPWM模块；
所述电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂；所述电流采样模块用于采集任意两相电流，以将相电流变换至两相静止坐标系下，得到电流矢量iαβ；
所述观测模块的第一输入端连接至所述电流采样模块的输出端，所述观测模块的第二输入端用于接收电机在两相静止坐标系下的电压矢量Uαβ，所述观测模块的第三输入端连接至所述观测模块的第二输出端；所述观测模块用于根据输入信号估算电机转子的位置和角速度，并过滤掉其中的五次谐波和七次谐波，得到转子的电角度观测值
Figure FDA0002243827230000011
和角速度观测值
Figure FDA0002243827230000012
所述反馈控制模块的第一输入端连接至所述观测模块的第一输出端，所述反馈控制模块的第二输入端连接至所述观测模块的第二输出端，所述反馈控制模块的第三输入端连接至所述电流采样模块的输出端；所述反馈控制模块用于根据输入信号进行速度反馈控制和电流反馈控制，得到两相静止坐标系下的电压矢量指令值
Figure FDA0002243827230000013
所述死区补偿模块的第一输入端用于接收相电流，所述死区补偿模块的第二输入端连接至所述反馈控制模块的输出端；所述死区补偿模块用于根据各相电流确定对应的相电压补偿量后，转换至两相静止坐标系下，得到用于进行死区补偿的补偿电压矢量
Figure FDA0002243827230000014
并利用补偿电压矢量
Figure FDA0002243827230000015
对电压矢量指令值
Figure FDA0002243827230000016
进行补偿，得到电压矢量指令值
Figure FDA0002243827230000017
所述SVPWM模块的输入端连接至所述死区补偿模块的输出端，所述SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；所述SVPWM模块用于根据电压矢量指令值
Figure FDA0002243827230000021
进行SVPWM调制，得到开关信号Sabc，对电机逆变器进行驱动控制。
2.如权利要求1所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述观测模块包括：全阶滑模观测器、自适应陷波器以及正交锁相环；
所述全阶滑模观测器的第一输入端作为所述观测模块的第一输入端，所述全阶滑模观测器的第二输入端作为所述观测模块的第二输入端，所述全阶滑模观测器的第三输入端作为所述观测模块的第三输入端；所述全阶滑模观测器用于根据电流矢量iαβ、电压矢量Uαβ以及角速度观测值估算两相静止坐标系下的扩展反电动势矢量观测值
Figure FDA0002243827230000023
所述自适应陷波器的输入端连接至所述全阶滑模观测器的输出端；所述自适应陷波器用于对其内部参数进行连续的自整定，以获得使所述观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh，之后根据陷波频率ωh过滤掉扩展反电动势矢量观测值
Figure FDA0002243827230000024
中的五次谐波和七次谐波，得到扩展反电动势矢量
Figure FDA0002243827230000025
所述正交锁相环的输入端连接至所述自适应陷波器的输出端，所述正交锁相环的第一输出端作为所述观测模块的第一输出端，所述正交锁相环的第二输出端作为所述观测模块的第二输出端；所述正交锁相环用于根据扩展反电动势矢量估算电机转子的电角度观测值
Figure FDA0002243827230000027
和角速度观测值
Figure FDA0002243827230000028
3.如权利要求2所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述全阶滑模观测器进行观测的状态方程，其确定方式包括：
对电机定子电压方程进行变换，以实现转子位置信息的解耦，得到第一电压方程为：
Figure FDA0002243827230000031
将第一电压方程变换至两相静止坐标系下，得到第二电压方程；
将第二电压方程变换为状态方程，得到目标状态方程为：
Figure FDA0002243827230000032
根据所述目标状态方程建立全阶滑模观测器的状态方程：
其中，Rs表示定子绕组中的电阻值，p表示微分运算符，Ld和Lq分别表示定子绕组的d轴电感值和q轴电感值，ud和uq分别表示d轴电压和q轴电压，id和iq分别表示d轴电流和q轴电流，ωe表示实际的转子角速度，ψf表示转子磁链，
Figure FDA0002243827230000034
表示两相静止坐标系下的电流矢量观测值，
Figure FDA0002243827230000035
和
Figure FDA0002243827230000036
分别表示电流矢量观测值
Figure FDA0002243827230000037
和扩展反电动势矢量观测值的微分量，I表示单位矩阵，sgn()表示所述全阶滑模观测器的开关函数，
Figure FDA0002243827230000039
Figure FDA00022438272300000310
k1、k2、l1和l2均为所述全阶滑模观测器内部参数。
4.如权利要求2或3所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述全阶滑模观测器的开关函数为sigmoid函数。
5.如权利要求2所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述自适应陷波器根据最小均方差算法对其内部参数进行连续的自整定，以获得使所述观测模块不受五次谐波和七次谐波影响的陷波频率ωh。
6.如权利要求2或5所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述自适应陷波器的传递函数为：
Figure FDA0002243827230000041
其中，μ为所述自适应陷波器内部的常参数。
7.如权利要求1所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述死区补偿模块根据各相电流确定对应的相电压补偿量，其方式为：
对于每一相的相电流i，根据预设的阈值Ioct -、Ict -、Ict +和Ioct +将相电流i划分为五个区间，若i＞Ioct +，则对应相的相电压补偿量ΔV为正；若i＜Ioct -，则对应相的相电压补偿量ΔV为负；若i∈(Ict -,Ict +)，则不进行死区补偿；若i∈[Ioct -,Ict -]或i∈[Ict +,Ioct +]，则对应相的相电压补偿量ΔV为相电流i的线性函数；
其中，Ioct -＜Ict -＜0＜Ict +＜Ioct +，相电流i为a相电流ia、b相电流ib或者c相电流ic。
8.如权利要求7所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述死区补偿模块所确定的相电压补偿量ΔV与对应相的相电流i之间满足：
Figure FDA0002243827230000051
其中，Udc为直流母线电压，τ为死区效应的影响时间，Ts为SVPWM周期。
9.如权利要求1所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述反馈控制模块包括：αβ-dq坐标变换单元、d轴电流PI控制单元、速度PI控制单元、q轴电流PI控制单元以及dq-αβ坐标变换单元；
所述αβ-dq坐标变换单元的第一输入端和所述dq-αβ坐标变换单元的第一输入端相连后作为所述反馈控制模块的第一输入端；
所述αβ-dq坐标变换单元的第二输入端作为所述反馈控制模块的第三输入端；所述αβ-dq坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure FDA0002243827230000052
将电流矢量iαβ变换至dq旋转坐标系下，得到d轴电流id和q轴电流iq；
所述d轴电流PI控制单元的输入端连接至所述αβ-dq坐标变换单元的第一输出端；所述d轴电流PI控制单元用于将d轴电流id和预设的d轴电流指令值
Figure FDA0002243827230000053
作比较后，进行PI控制，得到d轴电压指令值
Figure FDA0002243827230000054
所述速度PI控制单元的输入端作为所述反馈控制模块的第二输入端；所述速度PI控制单元用于将电机转子的角速度观测值
Figure FDA0002243827230000055
和预设的角速度指令值
Figure FDA0002243827230000056
作比较后，进行PI控制，得到q轴电流指令值
所述q轴电流PI控制单元的第一输入端连接至所述速度PI控制单元的输出端，所述q轴电流PI控制单元的第二输入端连接至所述αβ-dq坐标变换单元的第二输出端；所述q轴电流PI控制单元用于将q轴电流iq和q轴电流指令值
Figure FDA0002243827230000061
作比较后，进行PI控制，得到q轴电压指令值
所述dq-αβ坐标变换单元的第二输入端连接至所述d轴电流PI控制单元的输出端，所述dq-αβ坐标变换单元的第三输入端连接至所述q轴电流PI控制单元的输出端，所述dq-αβ坐标变换单元的输出端作为所述反馈控制模块的输出端；所述dq-αβ坐标变换单元用于根据电角度观测值
Figure FDA0002243827230000063
将d轴电压指令值和q轴电压指令值
Figure FDA0002243827230000065
变换至两相静止坐标系下，得到电压矢量指令值
10.一种电机系统，包括电机和电机无位置矢量控制系统，其特征在于，所述电机无位置矢量控制系统为权利要求1-9任一项所述的基于死区补偿的电机无位置矢量控制系统；
所述电机无位置矢量控制系统的电流采样模块的输入端连接至电机逆变器的三相桥臂，所述电机无位置矢量控制系统的SVPWM模块的输出端连接至电机逆变器的三相桥臂；所述电机无位置矢量控制系统用于对所述电机进行控制。
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