CN114268261A - 一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，旋转变压器连接有内置式永磁同步电机，方法包括以下步骤：电流采集步骤：采集内置式永磁同步电机的三相电流，对该三相电流进行3/2变换，获取q轴反馈电流；直流偏置误差提取步骤：将q轴反馈电流输入预设的直流偏置误差提取模块中，获取直流偏置误差；误差补偿步骤：采用直流偏置误差对旋转变压器的输出信号进行补偿；直流偏置误差提取模块，根据q轴反馈电流中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项的幅值，提取直流偏置误差。与现有技术相比，本发明提升了旋变软解码方案中转子位置估算的精确性，提升了电机转矩输出品质。
Description
技术领域
本发明涉及旋转变压器控制领域，尤其是涉及一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法。
背景技术
内置式永磁同步电机具有效率高、功率密度高、结构简单紧凑等优点，随着电力电子器件的发展，被广泛应用于电动汽车、新能源发电以及工业伺服驱动等领域。在使用磁场定向控制的内置式永磁同步电机系统中，因控制方法需要，通常使用位置传感器来实时采集电机转子位置信号，常用的位置传感器有光电编码器、旋转变压器等。
旋转变压器作为一种位置及速度传感器具有鲁棒性高、运行安全可靠等优点，近年来被广泛应用于电动汽车等电机控制领域。一般来说，使用旋转变压器进行转子位置及速度提取可以采用硬件解码方式和软件解码方式两种，两种方式原理相似，即旋转变压器包含一个输入的正弦形式的激励信号和两个包含转子绝对位置的正弦形式输出信号，通过旋变数字转换器(Resolver-to-digital Converter)转换成数字信号，并提取位置及速度信息。
由于硬件解码芯片成本高昂，使用软件解码方案提取转子位置及速度信息越来越普遍，在对旋转变压器进行软件解码过程中，由于外部电路、AD采样及旋变本身影响，采样得到的旋变输出信号会存在直流偏置误差。而旋变输出信号中的直流偏置误差会对软件解码得到的转子位置造成影响，使d-q轴电流中存在一个与电频率相同频率的波动，从而导致电机转矩出现波动，影响电机转矩输出特性，降低系统运行效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在外部电路及采样等原因导致的旋转变压器输出信号中包含的直流偏置对转子位置的影响的缺陷而提供一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，所述旋转变压器连接有内置式永磁同步电机，所述方法包括以下步骤：
电流采集步骤：采集所述内置式永磁同步电机的三相电流，对该三相电流进行3/2变换，获取q轴反馈电流；
直流偏置误差提取步骤：将所述q轴反馈电流输入预设的直流偏置误差提取模块中，获取直流偏置误差；
误差补偿步骤：采用所述直流偏置误差对所述旋转变压器的输出信号进行补偿；
所述直流偏置误差提取模块，从所述q轴反馈电流中提取频率为电机电频率的正弦余弦波动项，从而计算所述直流偏置误差。
进一步地，所述直流偏置误差提取模块设有相位延迟补偿单元和分量提取单元，
所述相位延迟补偿单元用于求取所述正弦余弦波动项的相位延迟量；
所述分量提取单元根据所述相位延迟量，从所述正弦余弦波动项中提取正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。
进一步地，所述相位延迟补偿单元中的相位延迟量的计算表达式为：
θdelay＝θdelay1+θdelay2
式中，θdelay为相位延迟补偿单元中的相位延迟量，θdelay1为q轴反馈电流的相位延迟分量，θdelay2为带通滤波器的相位延迟分量，P为电机极对数，ωcc为电流环带宽，n为电机转速。
进一步地，所述分量提取单元将所述正弦余弦波动项的幅值与0做差，然后分别输入预设的第一积分器和第二积分器中，基于所述相位延迟量控制所述第一积分器和第二积分器的开启和关闭，得到正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。
进一步地，所述正弦余弦波动项的横坐标对应电机转子位置，该电机转子位置的取值在0至2pi范围以内，通过所述相位延迟量对所述电机转子位置进行相位补偿；
所述第一积分器在所述相位补偿后的电机转子位置位于0至pi之间时开启，在其余情况关闭，所述第一积分器用于求取所述正弦余弦波动项中正弦波动分量的定积分，得到所述正弦波动分量的幅值。
进一步地，所述正弦余弦波动项的横坐标对应电机转子位置，该电机转子位置的取值在0至2pi范围以内，通过所述相位延迟量对所述电机转子位置进行相位补偿；
所述第二积分器在所述相位补偿后的电机转子位置位于pi/2至3pi/2之间时开启，在其余情况关闭，所述第二积分器用于求取所述正弦余弦波动项中余弦波动分量的定积分，得到所述余弦波动分量的幅值。
进一步地，所述正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值对应所述旋转变压器输出信号中的正弦信号和余弦信号的直流偏置，根据所述正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值，对所述旋转变压器输出信号中的正弦信号和余弦信号进行直流偏置补偿，获取补偿后的旋转变压器输出信号。
进一步地，所述直流偏置误差提取模块采用带通滤波器提取所述q轴反馈电流中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项。
进一步地，所述带通滤波器为中心频率为电频率的有限冲击响应带通滤波器。
进一步地，所述旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法用于使用软解码方案的内置式永磁同步电机控制系统中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明对旋转变压器的d-q轴电流的直流偏置误差进行分析，通过提取q轴反馈电流的中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项的幅值，得到直流偏置误差的大小，从而对所述旋转变压器的输出信号进行补偿，以此提升了旋变软解码方案中转子位置估算的精确性，提升了电机转矩输出品质。
(2)本发明考虑到q轴电流波动项中的误差频率与电机转速有关，因此实际转子位置与q轴波动项之间存在相位延迟，该相位延迟随速度提升而增加；因此设置了相位延迟补偿单元，并且同时考虑q轴电流波动频率及电流闭环带宽和带通滤波器进行相位延迟补偿，有利于提取出准确的旋变误差信息。
附图说明
图1为本发明方法应用于内置式永磁同步电机系统的整体原理图；
图2为本发明直流偏置误差提取模块的部分原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，用于使用软解码方案的内置式永磁同步电机控制系统中，旋转变压器连接有内置式永磁同步电机，方法包括以下步骤：
电流采集步骤：采集内置式永磁同步电机的三相电流，对该三相电流进行3/2变换，获取q轴反馈电流；
直流偏置误差提取步骤：将q轴反馈电流输入预设的直流偏置误差提取模块中，获取直流偏置误差；
误差补偿步骤：采用直流偏置误差对旋转变压器的输出信号进行补偿；
直流偏置误差提取模块包括直流偏置误差提取单元、相位延迟补偿单元和分量提取单元。
下面对直流偏置误差提取模块中各单元以及本方法的具体实施过程进行具体描述。
1、直流偏置误差提取单元
直流偏置误差提取单元根据q轴反馈电流中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项的幅值，提取直流偏置误差。
本实施例采用带通滤波器提取q轴反馈电流中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项的幅值。带通滤波器具体为中心频率为电频率的有限冲击响应带通滤波器。
2、相位延迟补偿单元
相位延迟补偿单元用于求取正弦余弦波动项的相位延迟量，相位延迟量的计算表达式为：
θdelay＝θdelay1+θdelay2
式中，θdelay为相位延迟补偿单元中的相位延迟量，θdelay1为q轴反馈电流的相位延迟分量，θdelay2为带通滤波器的相位延迟分量，P为电机极对数，ωcc为电流环带宽，n为电机转速。
3、分量提取单元
分量提取单元根据相位延迟量，从正弦余弦波动项中提取正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值对应旋转变压器输出信号中的正弦信号和余弦信号的直流偏置。
根据正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值，对旋转变压器输出信号中的正弦信号和余弦信号进行直流偏置补偿，获取补偿后的旋转变压器输出信号。将补偿后的旋变输出信号输入到旋变\数字转换器进行转子位置角计算。
具体地，分量提取单元将正弦余弦波动项的幅值与0做差，然后分别输入预设的第一积分器和第二积分器中，基于相位延迟量控制第一积分器和第二积分器的开启和关闭，得到正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。
正弦余弦波动项的横坐标对应电机转子位置，该电机转子位置的取值在0至2pi范围以内，通过相位延迟量对电机转子位置进行相位补偿；
第一积分器在相位补偿后的电机转子位置位于0至pi之间时开启，在其余情况关闭，第一积分器用于求取正弦余弦波动项中正弦波动分量的定积分，得到正弦波动分量的幅值。
第二积分器在相位补偿后的电机转子位置位于pi/2至3pi/2之间时开启，在其余情况关闭，第二积分器用于求取正弦余弦波动项中余弦波动分量的定积分，得到余弦波动分量的幅值。
4、具体实施过程
一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，包括以下步骤：
S1：在使用软解码方案的内置式永磁同步电机控制系统中，采集电机abc三相电流，经过3/2变换后将q轴反馈电流输入到直流偏置误差提取模块中，输出即为直流偏置误差。
S2：将直流偏置误差提取模块输出的直流偏置误差分别补偿到两个旋变输出信号中，使用补偿后的旋变输出信号进行角度及速度提取即可。
步骤S1所述的直流偏置误差提取模块具体实施步骤如下：
1)旋变输出信号解调制(提取包络线)后，得到如下信号：
其中E为反馈信号的幅值，Vdc1、Vdc2分别是正弦、余弦信号中包含的直流误差分量。
将式(1)信号分别与转子位置反馈值三角函数相乘并做差，得到误差信息如下：
当闭环系统将err控为0时，认为存在角度中的误差可表示如下：
将该误差代入到坐标变换中，可以求得包含误差信息的d、q轴电流模型：
其中β为电流角；
为转子位置估计值。
计算得到：
通过对式(5)中q轴(或d轴)电流进行分析可以得出：q轴电流由直流分量以及频率为电机电频率的正弦余弦波动项构成，波动项幅值即为直流偏置误差。因此，使用带通滤波器提取该频率波动项后，通过对该波动项进行积分处理，能够提取出直流偏置误差。
2)如图2所示，使用中心频率为电频率的有限冲击响应(FIR)带通滤波器(BPF，FIR-Band pass filter)提取q轴电流中包含的正余弦波动项，然后将正余弦波动项输入到相位延迟补偿单元中进行相位延迟补偿，将补偿后的正余弦波动项与0做差，然后将该信号输入到积分器1与积分器2中，其中积分器1在相位补偿后转子位置为0到pi之间作用，目的是求取信号中正弦波动分量的幅值；积分器2在相位补偿后转子位置为pi/2到3pi/2之间作用，目的是求取信号中余弦波动分量的幅值。
在一些情况下，带通滤波器只能显示正余弦波动项的幅值大小，而正余弦波动项的幅值与电机转子位置相对应，此时先通过相位延迟补偿单元计算出相位延迟量，对电机转子位置进行相位补偿，而积分器1和积分器2均根据相位补偿后的电机转子位置对应的正余弦波动项的幅值进行积分运算。
所述正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值分别是旋变输出正弦信号和余弦信号的直流偏置，对旋变输出信号进行补偿后，将旋变输出信号输入到所述旋变\数字转换器进行转子位置角计算。
步骤2)中所述的相位延迟补偿单元，其具体实施方式如下：
由于q轴电流波动项中的误差频率与电机转速有关，因此实际转子位置与q轴波动项之间存在相位延迟，该相位延迟随速度提升而增加。为了提取出准确的旋变误差信息，需要对该相位延迟进行补偿。
考虑到q轴电流波动频率及电流闭环带宽，相位延迟可以由下式求得：
其中ωcc为电流环带宽，P为电机极对数。
此外，由于需要使用FIR带通滤波器对波动信号进行提取，因此这一部分延迟θdelay2同样需要补偿，需要补偿的相位角要根据滤波器的设计参数而定，总的相位延迟θdelay＝θdelay1+θdelay2。
如图1所示，为本发明方法应用于内置式永磁同步电机系统的整体原理图，在内置式永磁同步电机系统中，Te信号进入MTPA&弱磁表格单元中(MTPA为PMSM的最大转矩电流比控制)，生成信号idref和iqref，然后流入PI电流控制器中，生成信号vd和vq，经过Park反变换单元1，生成信号vα和vβ，信号vα和vβ，同Vdc一同流入空间矢量脉宽调制单元SVPWM中，生成PWM_Signals信号(脉冲宽度调制信号)，并流入电压源逆变器VSI中，电压源逆变器VSI的输出端分别连接3/2变换单元2和内置式永磁同步电机IPMSM，与内置式永磁同步电机IPMSM连接的旋转变压器Resolver输出旋变输出信号并流入旋变/数字转换器中；电压源逆变器VSI向3/2变换单元2传输信号三相电流信号iabc，3/2变换单元2生成d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq，其中iq流入直流偏置补偿模块中，直流偏置补偿模块对旋变/数字转换器中旋转变压器Resolver输出的旋变输出信号进行直流偏置误差补偿，从而进行角度及速度提取。
其中，Te、idref、iqref、vd、vq、vα、vβ和Vdc分别为电机转矩命令、d轴参考电流、q轴参考电流、d轴电压、q轴电压、α轴电压、β轴电压和直流母线电压。
本实施例的旋转变压器输出信号直流偏置检测及补偿方法，解决了采用软解码方案的内置式永磁同步电机矢量控制系统中由于旋变输出信号包含直流偏置误差而导致的位置信号估算不准，d-q轴电流及转矩中包含波动的问题，具有以下有益效果：本实施例的旋转变压器输出信号直流偏置检测及补偿方法，在使用软解码方案的内置式永磁同步电机控制系统中，当旋变输出信号由于采样等问题出现直流偏置误差时，通过在线计算直流偏置误差的幅值，能够实时对旋变输出信号中的直流偏置误差进行补偿与修正，以此提升旋变软解码方案中转子位置估算的精确性，提升电机转矩输出品质。
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 (10)
1.一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，所述旋转变压器连接有内置式永磁同步电机，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
电流采集步骤：采集所述内置式永磁同步电机的三相电流，对该三相电流进行3/2变换，获取q轴反馈电流；
直流偏置误差提取步骤：将所述q轴反馈电流输入预设的直流偏置误差提取模块中，获取直流偏置误差；
误差补偿步骤：采用所述直流偏置误差对所述旋转变压器的输出信号进行补偿；
所述直流偏置误差提取模块从所述q轴反馈电流中提取频率为电机电频率的正弦余弦波动项，从而计算所述直流偏置误差。
2.根据权利要求1所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述直流偏置误差提取模块设有相位延迟补偿单元和分量提取单元，
所述相位延迟补偿单元用于求取所述正弦余弦波动项的相位延迟量；
所述分量提取单元根据所述相位延迟量，从所述正弦余弦波动项中提取正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。
3.根据权利要求2所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述相位延迟补偿单元中的相位延迟量的计算表达式为：
θdelay＝θdelay1+θdelay2
式中，θdelay为相位延迟补偿单元中的相位延迟量，θdelay1为q轴反馈电流的相位延迟分量，θdelay2为带通滤波器的相位延迟分量，P为电机极对数，ωcc为电流环带宽，n为电机转速。
4.根据权利要求2所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述分量提取单元将所述正弦余弦波动项的幅值与0做差，然后分别输入预设的第一积分器和第二积分器中，基于所述相位延迟量控制所述第一积分器和第二积分器的开启和关闭，得到正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值。
5.根据权利要求4所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述正弦余弦波动项的横坐标对应电机转子位置，该电机转子位置的取值在0至2pi范围以内，通过所述相位延迟量对所述电机转子位置进行相位补偿；
所述第一积分器在所述相位补偿后的电机转子位置位于0至pi之间时开启，在其余情况关闭，所述第一积分器用于求取所述正弦余弦波动项中正弦波动分量的定积分，得到所述正弦波动分量的幅值。
6.根据权利要求4所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述正弦余弦波动项的横坐标对应电机转子位置，该电机转子位置的取值在0至2pi范围以内，通过所述相位延迟量对所述电机转子位置进行相位补偿；
所述第二积分器在所述相位补偿后的电机转子位置位于pi/2至3pi/2之间时开启，在其余情况关闭，所述第二积分器用于求取所述正弦余弦波动项中余弦波动分量的定积分，得到所述余弦波动分量的幅值。
7.根据权利要求4所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，根据所述正弦波动分量的幅值和余弦波动分量的幅值，对所述旋转变压器输出信号中的正弦信号和余弦信号进行直流偏置补偿，获取补偿后的旋转变压器输出信号。
8.根据权利要求1所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述直流偏置误差提取模块采用带通滤波器提取所述q轴反馈电流中的频率为电机电频率的正弦余弦波动项。
9.根据权利要求8所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述带通滤波器为中心频率为电频率的有限冲击响应带通滤波器。
10.根据权利要求1所述的一种旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法，其特征在于，所述旋转变压器输出信号直流偏置误差补偿方法用于使用软解码方案的内置式永磁同步电机控制系统中。
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