CN111884459A - 一种高精度高带宽的信号处理方法 - Google Patents

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章春娟
王慧贞
刘伟峰
宋洁
路通
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Abstract

本发明公开了一种高精度高带宽的信号处理方法，该信号处理方法包括新型同步基频提取滤波器与频率检测单元两个部分，能够在输入信号已知的前提下，利用频率检测单元，准确估计输入信号的频率，反馈到新型同步基频提取滤波器，从而消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量，实现输出的估计信号相对于输入信号既无幅值衰减，也无相位滞后，提高了控制精度，且具有较高的通频带，系统易于稳定。本发明具有较高的普适性，该信号处理方法能够广泛地应用在各领域，使系统高效而稳定地工作。

Description

一种高精度高带宽的信号处理方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及永磁同步电机控制系统中的信号处理技术。
背景技术
无位置传感器的永磁同步电机系统具有成本低、鲁棒性高等优点，目前是交流传动领域的一个重要研究方向。转子位置估计是永磁同步电机无传感器控制的关键。电机反电动势中包含有转子角度信息，在电机中高速区，利用反电动势估计转子位置是首选方法。
控制算法、死区效应、负载扰动等引起的谐波和高频噪声使无位置传感器估计到的反电动势中含有噪声和谐波，怎样从中提取转子位置信息是研究的难点。直接用反电势反正切得到电机转子位置，尤其当反电动势观测值过零时，转子位置观测误差会进一步放大。实际应用场合中，通常采用低通滤波器对信号进行处理，这样的处理方式简单易行，计算量少，但存在响应速度慢、相位偏移、受频率偏移影响、响应速度与检测精度相互矛盾的缺点。利用锁相环技术可以较为准确地估算出转子位置，但估计的转速中含有较高噪声，需要滤波，又必然影响转速观测的动态性能，实时性较差。为了克服这些缺点，需要提出一种新型的信号处理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有滤波器存在较大延时，现有的滤波器加锁相环的信号处理方法具有观测精度低、实时性差等缺陷，目的在于提供一种高精度带宽高的信号处理方法，使输出的估计信号相对于输入信号既无幅值衰减，也无相位滞后，提高了控制精度，解决上述问题。
本发明为解决上述问题采用以下技术方案：
一种高精度高带宽的信号处理方法，该信号处理方法是一个闭环控制，由新型同步基频提取滤波器与频率检测单元组成。由图1可知，该信号处理方法中包含的新型同步基频提取滤波器，X(t)为输入信号，
Figure BDA0002581480440000011
为滤波器的估计误差；x(t)由滤波器增益ε乘上估计误差
Figure BDA0002581480440000012
，再乘上ω0后得到位置相关估计信号a(t)；a(t)经过正弦和余弦两个支路得c(t)1与c(t)2；正弦支路由a(t)乘参考信号sin(ω0t)再经积分环节后与参考信号sin(ω0t)相乘得c(t)1；余弦支路由a(t)乘参考信号cos(ω0t)再经积分环节后与参考信号cos(ω0t)相乘得c(t)2；正余弦支路相加得滤波器输出X*，X*为新型同步基频提取滤波器的输出，即对输入信号的估计值；qX*由X*乘上ω0后经过积分环节可得，qX*为X*的正交信号；X*反馈到输入端，构成新型同步基频提取滤波器的闭环控制；新型同步基频提取滤波器的估计误差
Figure BDA0002581480440000013
与qX*的乘积εf作为频率检测单元FLL的输入，在经过负增益为-γ的放大器，乘上归一化单元，积分后得ω0，即为FLL的估计频率；频率估计单元输出的ω0反馈到新型同步基频提取滤波器的输入端，形成该信号处理方法的闭环控制。
作为本发明的一种优选方案，所述新型同步基频提取滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002581480440000021
Figure BDA0002581480440000022
其中，ε表示滤波器增益，ω0表示滤波器跟踪的输入信号频率，X*为新型同步基频提取滤波器的输出，即对输入信号的估计值；qX*为滞后X*90°的正交信号。
频率检测单元的频率响应特性为：
Figure BDA0002581480440000023
时间常数为：
Figure BDA0002581480440000024
加入归一化单元
Figure BDA0002581480440000025
后，FLL频率响应特性及时间常数为：
Figure BDA0002581480440000026
Figure BDA0002581480440000027
能够消除输入信号的幅值、频率变化对频率检测时间的影响。
FLL中添加有
Figure BDA0002581480440000029
的积分器，可使估计频率ω0逼近ω，最终使检测单元的估计频率，即同步基频提取滤波器跟踪的频率ω0与输入信号频率ω一致(即ω0＝ω)时：
Figure BDA0002581480440000028
其中，Hα(jω)为将传递函数G1(s)中的s代以jω所得的频率响应函数，Hqα(jω)为将传递函数G2(s)中的s代以jω所得的频率响应函数。
滤波器输出信号X*与qX*幅值相同，相位相差90°，并且X*与输入信号X具有相同的相位和幅值，能够消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量。另外可利用滤波器单元得到的X*与qX*，根据瞬时对称分量法进行正、负序分量的分离，得到输入信号的正、负序分量，从而能消除输入信号不对称造成的影响。
作为本发明的一种优选方案，G1(s)的品质因数为：
Figure BDA0002581480440000031
其中，Q表示品质因数，ε表示滤波器增益。该新型同步基频提取滤波器品质因数不受频率的影响，其频率带宽只受ε的影响，与跟踪频率ω0无关。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明信号处理方法其频率带宽只受ε值的影响，与中心频率ω0无关；在输入信号已知的前提下，利用锁频环单元，准确估计输入信号的频率，反馈到其中的新型同步基频提取滤波器，从而达到消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量的目的，使该信号处理方法输出的估计信号相对于输入信号既无幅值衰减，也无相位滞后，提高了控制精度。
2、本发明信号处理方法的频率检测时间与输入信号的幅值、频率无关，适用频率大范围变化的场合。
3、本发明具有较高的普适性、控制精度高、实时性强、鲁棒性高，该信号处理方法能够广泛地应用在众多领域，使系统高效而稳定地工作。
附图说明
图1为本发明信号处理方法的详细原理框图；
图2为图1信号处理方法所示的伯德图；
图3为本发明实施例基于该信号处理方法的滑模控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进行详细说明。下面通过参考附图描述的实施方式是实例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为本发明的限制。
一种高精度高带宽的信号处理方法，如图1所示，该信号处理方法是一个闭环控制，包括新型同步基频提取滤波器与频率检测单元两个部分；新型同步基频提取滤波器输出X*、qX*与
Figure BDA0002581480440000032
作为频率检测单元FLL的输入，同时锁频环输出估计频率ω0反馈到滤波器输入端，构成完整的闭环控制。
该信号处理方法包含以下步骤：
步骤一，将所述滤波器增益ε乘上估计误差
Figure BDA0002581480440000033
再乘上跟踪频率ω0后得到位置相关估计信号a(t)；
步骤二，所述位置相关估计信号a(t)经过正弦和余弦两个支路得c(t)1与c(t)2，其中，正弦支路由a(t)乘参考信号sin(ω0t)再经积分环节后与参考信号sin(ω0t)相乘得c(t)1；余弦支路由a(t)乘参考信号cos(ω0t)再经积分环节后与参考信号cos(ω0t)相乘得c(t)2；
步骤三，所述正弦支路与所述余弦支路相加得到滤波器输出值X*，即对输入信号的估计值；滤波器输出值X*的正交信号qX*由X*乘以锁频环输出估计频率ω0后经过积分环节得到；
步骤四，所述滤波器的估计误差
Figure BDA0002581480440000046
与其输出值正交信号qX*的乘积εf作为频率检测单元FLL的输入，在经过负增益为-γ的放大器，乘以归一化单元，积分后得ω0，即为锁频环输出估计频率；
步骤五，所述锁频环输出估计频率ω0信号反馈到所述滤波器的输入端，形成闭环控制。
进一步的，所述滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002581480440000041
Figure BDA0002581480440000042
其中，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率。
更进一步的，所述频率检测单元FLL中添加有
Figure BDA0002581480440000047
的积分器，使所述锁频环输出估计频率ω0逼近ω，最终使频率检测单元FLL的估计频率，即新型同步基频提取滤波器跟踪的频率ω0与输入信号频率ω一致，ω0＝ω时：
Figure BDA0002581480440000043
G1(s)的品质因数为：
Figure BDA0002581480440000044
其中，Hα(jω)为将传递函数G1(s)中的s代以jω所得的频率响应函数，Hqα(jω)为将传递函数G2(s)中的s代以jω所得的频率响应函数。
更进一步的，所述的频率检测单元的时间常数为：
Figure BDA0002581480440000045
加入归一化处理后，时间常数为：
Figure BDA0002581480440000051
能够消除输入信号的幅值、频率变化对频率检测时间的影响；所述的频率检测单元的估计频率，即同步基频提取滤波器跟踪的频率ω0与输入信号频率ω一致，ω0＝ω时，所述滤波器输出信号X*与其正交信号qX*幅值相同，相位相差90°，并且所述滤波器输出信号X*与输入信号X具有相同的相位和幅值。如图2所示，该信号处理方法输出X*与qX*幅值相同，相位相差90°，并且X*与输入信号X具有相同的相位和幅值，能够消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量，实现信号幅值无衰减且无相位延迟，从而提高控制精度；另外能利用X*与qX*信号得到输入信号的正、负序分量，从而能消除输入信号不对称造成的影响。
本发明所要解决的技术问题在于克服现有滤波器存在较大延时，现有的滤波器加锁相环的信号处理方法具有观测精度低、实时性差等缺陷，目的在于提供一种高精度带宽高的信号处理方法，在输入信号已知的前提下，利用频率检测单元FLL，准确估计输入信号的频率，反馈到新型同步基频提取滤波器，从而消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量，使输出的估计信号相对于输入信号既无幅值衰减，也无相位滞后，提高了控制精度，解决上述问题。
如图3所示，是本发明实施例基于该信号处理方法的滑模无位置控制原理框图，滑模观测器估计的反电势中包含大量高频谐波，经由基于新型同步基频提取滤波器与锁频环的高精度带宽高的信号处理方法之后，获得精确的反电势信号，及转子转速信息，再采用锁相环技术获得电机转子的位置信息，用于系统控制。在本发明实施例中电机控制所需的转速信号ω0由该信号处理方法中的锁频环得到，电机位置信号由锁相环技术得到，提高跟踪频率的精确度，从而提高无位置系统的控制精度。在跟踪频率由频率检测单元FLL精确获取的前提下，实现本发明方法处理前后的信号幅值无衰减且无相位延迟。
综上所述，本发明提出一种高精度高带宽的信号处理方法，该信号处理方法能够在输入信号已知的前提下，利用锁频环单元，准确估计输入信号的频率，反馈到新型同步基频提取滤波器，从而消除输入信号中的高频谐波，提取基波分量，实现该信号处理方法输出的估计信号相对于输入信号既无幅值衰减，也无相位滞后，提高了控制精度，且具有较高的通频带，系统易于稳定。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于：所述信号处理方法采用同步基频提取滤波器的输出值X*、以及其正交信号qX*，作为频率检测单元FLL的输入，同时锁频环输出估计频率ω0反馈到滤波器输入端。
2.根据权利要求1所述的一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于：所述信号处理方法包含以下步骤：
步骤一，将所述滤波器增益ε乘上估计误差
Figure FDA0002581480430000014
再乘上跟踪频率ω0后得位置相关估计信号a(t)；
步骤二，所述位置相关估计信号a(t)经过正弦和余弦两个支路得c(t)1与c(t)2，其中，正弦支路由a(t)乘参考信号sin(ω0t)再经积分环节后与参考信号sin(ω0t)相乘得c(t)1；余弦支路由a(t)乘参考信号cos(ω0t)再经积分环节后与参考信号cos(ω0t)相乘得c(t)2；
步骤三，所述正弦支路与所述余弦支路相加得到滤波器输出值X*，即对输入信号的估计值；滤波器输出值X*的正交信号qX*由X*乘以锁频环输出估计频率ω0后经过积分环节得到；
步骤四，所述滤波器的估计误差
Figure FDA0002581480430000015
与其输出值正交信号qX*的乘积εf作为频率检测单元FLL的输入，在经过负增益为-γ的放大器，乘以归一化单元，积分后得ω0，即为锁频环输出估计频率；
步骤五，所述锁频环输出估计频率ω0信号反馈到所述滤波器的输入端，形成闭环控制。
3.根据权利要求2所述的一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于，所述滤波器的传递函数为：
Figure FDA0002581480430000011
Figure FDA0002581480430000012
其中，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率。
4.根据权利要求2所述的一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于，
所述频率检测单元FLL中添加有-□的积分器，使所述锁频环输出估计频率ω0逼近ω，最终使频率检测单元FLL的估计频率，即新型同步基频提取滤波器跟踪的频率ω0与输入信号频率ω一致，ω0＝ω时：
Figure FDA0002581480430000013
G1(s)的品质因数为：
Figure FDA0002581480430000021
其中，Hα(jω)为将传递函数G1(s)中的s代以jω所得的频率响应函数，Hqα(jω)为将传递函数G2(s)中的s代以jω所得的频率响应函数。
5.根据权利要求2所述的一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于，所述的频率检测单元的时间常数为：
Figure FDA0002581480430000022
加入归一化处理后，时间常数为：
Figure FDA0002581480430000023
能够消除输入信号的幅值、频率变化对频率检测时间的影响。
6.根据权利要求2至5任一项所述的一种高精度高带宽的信号处理方法，其特征在于，所述的频率检测单元的估计频率，即同步基频提取滤波器跟踪的频率ω0与输入信号频率ω一致，ω0＝ω时，所述滤波器输出信号X*与其正交信号qX*幅值相同，相位相差90°，并且所述滤波器输出信号X*与输入信号X具有相同的相位和幅值。
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