CN114531081A - 基于mras的三相vsi非线性在线补偿和永磁电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿和永磁电机控制系统，属于逆变器非线性补偿领域。通过滤波器、锁相环和正弦波发生器等获取电机的基波电流矢量，将其作为参考模型输出；通过坐标变换获取包含谐波成分和基波成分的电流矢量，将其作为可调模型输出；比较机构采用矢量叉积运算，计算参考电流矢量与可调电流矢量的叉积，在给定周期内基于叉积结果求绝对值/平方后再积分，所得结果反映参考电流矢量与可调电流矢量的差异；采用该差异作为自适应机构的目标函数，自适应机构不断寻优，可调模型输出不断接近参考模型输出，在此过程中，逆变器非线性引起的参考电流矢量与可调电流矢量的差异不断减小，有效地对逆变器非线性进行在线补偿。
Description
技术领域
本发明属于逆变器非线性补偿领域，更具体地，涉及基于MRAS(model referenceadaptive system，模型参考自适应系统)的三相VSI(voltage source inverter，电压源型逆变器)非线性在线补偿和永磁电机控制系统。
背景技术
三相电压源型逆变器(VSI)具有控制策略灵活、响应速度快和效率高的优点，因此在电机控制系统中得到广泛应用。
为防止同一桥臂的上下开关管同时导通，在开关管的切换时存在一段上下桥臂均关闭的时间，称之为死区时间。同时，开关管的导通和关断都需要一段时间。此外，开关管和续流二极管在导通时都存在导通压降。在相电流的过零点附近，由于电流太小，还存在钳位现象。这些因素共同引起了逆变器非线性问题。逆变器非线性将导致相电流波形畸变与转矩脉动，电流畸变与转矩脉动还将产生振动噪声。在无位置传感器控制系统中，逆变器非线性还将导致位置观测误差，进一步恶化电机性能。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿和永磁电机控制系统，其目的在于解决由于逆变器非线性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，提供了一种基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿系统，所述非线性在线补偿系统包括：
可调模型，用于实时获取电机定子三相电流iabc，对其进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量
输出至比较机构，其中，(iα,iβ)为可调电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
参考模型，包括依次串联的滤波模块、锁相环、正弦波发生器与矢量合成单元；
所述滤波模块，用于实时获取电机定子三相电流iabc，滤除基波成分外的所有谐波，得到滤波后的三相基波电流iabc(1)；
所述锁相环，用于获取三相基波电流iabc(1)的相位
所述正弦波发生器，用于生成虚拟三相电流
其中，
和
为给定的正的常数；
所述矢量合成单元，用于对虚拟三相电流
进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
输出至比较机构，其中，
为参考电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
比较机构，用于计算第k个给定周期T内可调电流矢量
与参考电流矢量
的差异性，输出至自适应机构，所述给定时间T需大于5个电流基波周期；
自适应机构，包括依次串联的非线性补偿占空比计算模块和占空比计算模块；
所述非线性补偿占空比计算模块，用于计算第k+1个给定周期内的补偿占空比ΔTk+1，所述计算方式需保证比较机构的输出趋于零；
所述占空比计算模块，用于实时获取脉宽调制后的原占空比Ta、Tb、Tc，计算x相对应的补偿后占空比T’x＝Tx+λ*sign(ix)ΔTk+1，得到T’a、T’b、T’c，输出至电压源型逆变器，其中，Tx为x相对应的原占空比，λ为权重系数，0<λ≤1,sign()为符号函数，ix为实时获取到的电机定子x相电流，x＝a,b,c。
优选地，所述滤波模块为带通滤波。
有益效果：采用上述滤波方式，能够保证对基波成分的相位没有偏移。
优选地，所述比较结构通过以下方式实现：
计算可调电流矢量
与参考电流矢量
的叉积p；
以给定时间T为周期，对叉积p的绝对值求和，得到差异性
有益效果：采用上述方式计算差异性，差异越大，p幅值越大，P越大，采用P作为目标函数，有效避免了交流信号对控制系统造成的困难。当目标函数趋近于零时，参考电流矢量于可调电流矢量的差异不断减小。
优选地，所述比较结构通过以下方式实现：
计算可调电流矢量
与参考电流矢量
的叉积p；
以给定时间T为周期，对叉积p的平方求和，得到差异性
有益效果：采用上述方式计算差异性，差异越大，p的平方越大，P越大，采用P为目标函数，有效避免了交流信号对控制系统造成的困难。
优选地，所述非线性补偿占空比计算模块通过以下方式计算第k+1个给定周期内的补偿占空比ΔTk+1：
ΔTk+1＝ΔTk-gPk/P0
g＝(Pk-Pk-1)/(ΔTk-ΔTk-1)
其中，ΔTk为第k个给定周期内的补偿占空比，g为梯度，Pk为第k个给定周期T内可调电流矢量与参考电流矢量的差异性。
有益效果：采用上述方式计算补偿占空比，梯度下降法快速收敛的特点，使得可调电流矢量能够快速接近参考电流矢量。并且，当电机工况发生变化时，由于梯度下降法的不断寻优特性，上述方式仍然可以实现自适应补偿。
优选地，所述非线性补偿占空比计算模块为PI调节器。
有益效果：采用上述方式计算补偿占空比，由于PI控制器无静差调节的特点，使得目标函数能够不断趋于零。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种使用三相VSI的永磁电机控制系统，所述永磁电机控制系统采用如第一方面所述的基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿系统；
所述非线性在线补偿系统的两个输入端分别连接脉宽调制模块和电流传感器，输出端连接电压源型逆变器。
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：
本发明提出一种新的逆变器非线性在线补偿方法，借鉴了基于模型参考自适应系统的思想，通过滤波器、锁相环和正弦波发生器等获取电机的基波电流矢量(参考电流矢量)，并将其作为参考模型的输出；通过坐标变换获取包含谐波成分和基波成分的电流矢量(可调电流矢量)，并将其作为可调模型的输出；比较机构采用矢量叉积运算，计算参考电流矢量与可调电流矢量的叉积，在一个周期内基于叉积结果求绝对值/平方后再积分，所得结果反映了参考电流矢量与可调电流矢量的差异；采用上述差异作为自适应机构的目标函数，自适应机构不断寻优，可调模型的输出不断接近参考模型的输出，在此过程中，逆变器非线性引起的参考电流矢量与可调电流矢量的差异不断减小，从而有效地对逆变器非线性进行在线补偿，解决逆变器非线性引起的相电流畸变与转矩脉动问题。此外，由于不需要使用高精度传感器做离线的逆变器非线性标定，仅依靠电流传感器测得的电机定子三相电流即可进行在线的逆变器非线性补偿，并且只涉及简单的数学运算，所需运算量少，对控制器的运算负担较小，同时，在线非线性补偿过程中需要存储的数据十分有限，因此，不需要增加额外的存储空间；由于不依赖于机电参数，根据叉积运算结果得到非线性补偿占空比的补偿过程对电机参数、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。
附图说明
图1是现有的使用三相电压源型逆变器的永磁电机控制系统示意图；
图2是本发明实施例提供的基于模型参考自适应系统的逆变器非线性在线补偿方法流程图；
图3是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基于模型参考自适应系统的逆变器非线性在线补偿方法的实施过程示意图；
图5为现有技术和本发明的结果对比图，其中，(a)为现有的使用三相电压源型逆变器的永磁电机控制系统的结果，(b)为包括本发明所提供的补偿装置的永磁电机控制系统的结果，横轴为时间，纵轴为电机相电流；
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
001为速度控制器，002为电流控制器，003为脉宽调制模块，004为电压源型逆变器，005为永磁电机，006为电流传感器，007为位置传感器/观测器，008为速度计算模块，009为坐标变换模块，010为逆变器非线性补偿模块，011为可调模型，012为参考模型，013为带通滤波器，014为锁相环，015为正弦波发生器，016为矢量合成单元，017为矢量叉乘单元，018为非线性补偿占空比计算模块，019为占空比计算模块。
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。
首先对现有的使用电压源型逆变器的永磁电机控制系统进行简单介绍。如图1所示，现有的使用电压源型逆变器的永磁电机控制系统包括：速度控制器001、电流控制器002、脉宽调制模块003、电压源型逆变器004、永磁电机005、电流传感器006、位置传感器/观测器007、速度计算模块008以及坐标变换模块009。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；脉宽调制模块003经过调制，生成各相占空比；电压源型逆变器004根据各相占空比输出各相电压施加到电机端口；永磁电机005的相电流由电流传感器006测得，转子位置由位置传感器/观测器007提供；速度计算模块008根据位置传感器/观测器007提供的转子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009根据电流传感器006提供的相电流与位置传感器/观测器007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；位置传感器/观测器007提供的位置信号同时被脉宽调制模块003用于电压矢量的调制。
脉宽调制模块003经过调制，生成各相占空比。电压源型逆变器004根据各相占空比输出各相电压。考虑到逆变器中开关器件的死区时间、开通/关断延迟、开关器件及续流二极管的导通管压降、相电流过零点钳位现象等非线性因素，施加到电机端口的电压与期望的电压之间将存在偏差，相电流中出现5、7、11、13等次数的谐波。逆变器非线性导致的相电流畸变，将引起转矩脉动。电流畸变与转矩脉动还将产生振动噪声，恶化电机性能。在无位置传感器控制系统中，转子位置由位置传感器/观测器007计算得到。电压、电流的畸变还将导致位置传感器/观测器007的计算结果出现误差，降低转子磁场定向的精度。
为在线补偿逆变器非线性误差，本发明提出一种新的在线补偿方法，使永磁电机控制系统的输出电压与期望的电压相符。
本发明所提供的基于模型参考自适应系统的逆变器非线性在线补偿方法，如图2所示，包括如下步骤：
(1)获取电机定子三相电流iabc；
(2)使用带通滤波器对所述三相电流iabc滤波，得到滤波后的三相基波电流iabc(1)；
(3)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
作为可调模型的输出，其中，(iα,iβ)为可调电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
(4)使用锁相环获得所述三相基波电流iabc(1)的相位
(5)生成虚拟三相电流生成虚拟三相电流
其中，
和
为给定的正的常数，本实施例中取值1；
(6)对所述虚拟三相电流
进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
作为参考模型的输出，其中，
为参考电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
(7)计算得到所述可调电流矢量
与所述参考电流矢量
的叉积p，求叉积p的绝对值，以给定时间T为周期对结果求和，得到
(8)记第k-1个周期内的补偿占空比为ΔTk-1，第k个周期内的补偿占空比为ΔTk(本实施例中，令ΔT0＝0，ΔT1＝0.01)，记录相邻两个周期内补偿占空比的变化量为δ＝ΔTk-ΔTk-1，记录相邻两个周期内P的变化量为ΔP＝Pk-Pk-1，计算梯度g＝ΔP/δ；
(9)令第k+1个周期内的补偿占空比为ΔTk+1＝ΔTk-gPk/P0；
(10)当x(x＝a,b,c)相电流为正或负时，将补偿占空比ΔTk+1与原占空比Tx,k+1相加或相减，得到补偿后的占空比T′x,k+1；
(11)计算得到Pk+1，比较Pk+1与常数ε(本实施例取值5)的大小；
(12)若Pk+1大于ε，重复步骤(8)至(11)；
(13)若Pk+1小于ε，结束。
当电压源型逆变器存在非线性时，经过逆变器非线性补偿器的作用，输出电压中的电压畸变得到在线补偿，不需要增加额外的高精度传感器做离线的逆变器非线性标定，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，通过运算的方式得到逆变器非线性补偿占空比。经过在线补偿，电机系统的电压电流质量显著提升。
运用本发明所提供的基于模型参考自适应系统的逆变器非线性在线补偿方法，改进现有的永磁电机控制系统，如图3所示。改进前后的永磁电机控制系统，差别在于有无逆变器非线性补偿模块010。逆变器非线性补偿模块010的两个输入端分别连接脉宽调制模块003和电流传感器006，并且其输出端连接电压源型逆变器004。
逆变器非线性补偿模块010包括：可调模型011、参考模型012、矢量合成单元016、非线性补偿占空比计算模块018以及占空比计算模块019；参考模型012包括：带通滤波器013、锁相环014、正弦波发生器015、矢量合成单元016。
可调模型011的输入端用于接收电流传感器006输出的电机定子三相电流iabc，可调模型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。
带通滤波器013的输入端用于接收电流传感器006输出的电机定子三相电流iabc，用于从电机定子三相电流iabc获得基波电流。
锁相环014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015的输入端连接锁相环014的输出端，正弦波发生器015用于根据基波电流相位产生虚拟三相电流
矢量合成单元016的输入端连接正弦波发生器015的输出端，矢量合成单元016用于对虚拟三相电流
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017的第一输入端连接可调模型011的输出端，矢量叉乘单元017的第二输入端连接参考模型012的输出端，矢量叉乘单元017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，充分反映了逆变器非线性引起的电流谐波的幅值、相位等性质。
非线性补偿占空比计算模块018的输入端连接矢量叉乘单元017的输出端，非线性补偿占空比计算模块018用于根据叉积计算得到非线性补偿占空比。
占空比计算模块019的第一输入端用于接收脉宽调制模块003输出的三相占空比Tabc，占空比计算模块019的第二输入端连接非线性补偿占空比计算模块018的输出端，占空比计算模块019用于将非线性补偿占空比与原占空比Tabc相加，得到补偿后的占空比T′abc。
如图4所示，在如图3所示的永磁电机控制系统下，本发明所提供的在线补偿方法的实施过程如下：
S001：位置传感器/观测器007输出转子位置信号；
S002：电流传感器006测得定子三相电流；
S003：速度计算模块008计算得到转速；
S004：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；
S005：坐标变换模块009根据电流传感器006提供的定子三相电流与位置传感器/观测器007提供的转子位置，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；
S006：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；
S007：脉宽调制模块003经过调制，计算出三相占空比，提供给逆变器非线性补偿模块010；
S008：可调模型011对三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量
S009：锁相环014获得三相电流iabc的基波电流相位，正弦波发生器015根据基波电流相位得到虚拟三相电流
矢量合成单元016对虚拟三相电流
进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
S010：矢量叉乘单元017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：
S011：非线性补偿占空比计算模块018计算叉积p的绝对值|p|，以给定时间T为周期对|p|求和，得到
记第k-1个周期内的补偿占空比为ΔTk-1，第k个周期内的补偿占空比为ΔTk(本实施例中，令ΔT0＝0，ΔT1＝0.01)，记录相邻两个周期内补偿占空比的变化量为δ＝ΔTk-ΔTk-1，记录相邻两个周期内P的变化量为ΔP＝Pk-Pk-1，计算梯度g＝ΔP/δ；令第k+1个周期内的补偿占空比为ΔTk+1＝ΔTk-gPk/P0；
S012：占空比计算模块019根据x(x＝a,b,c)相电流极性，将补偿占空比ΔTk+1与原占空比Tx,k+1相加或相减，得到补偿后的占空比T′x，k+1；
S013：电压源型逆变器004根据补偿后的占空比输出三相电压。
如图5所示，由于逆变器非线性的影响，现有控制系统的相电流波形畸变十分严重；使用本发明所提供的补偿装置后，相电流波形得到明显的改善。
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 (7)
1.一种基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿系统，其特征在于，所述非线性在线补偿系统包括：
可调模型，用于实时获取电机定子三相电流iabc，对其进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量
输出至比较机构，其中，(iα,iβ)为可调电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
参考模型，包括依次串联的滤波模块、锁相环、正弦波发生器与矢量合成单元；
所述滤波模块，用于实时获取电机定子三相电流iabc，滤除基波成分外的所有谐波，得到滤波后的三相基波电流iabc(1)；
所述锁相环，用于获取三相基波电流iabc(1)的相位
所述正弦波发生器，用于生成虚拟三相电流
其中，
和
为给定的正的常数；
所述矢量合成单元，用于对虚拟三相电流
进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量
输出至比较机构，其中，
为参考电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；
比较机构，用于计算第k个给定周期T内可调电流矢量
与参考电流矢量
的差异性，输出至自适应机构，所述给定时间T需大于5个电流基波周期；
自适应机构，包括依次串联的非线性补偿占空比计算模块和占空比计算模块；
所述非线性补偿占空比计算模块，用于计算第k+1个给定周期内的补偿占空比ΔTk+1，所述计算方式需保证比较机构的输出趋于零；
所述占空比计算模块，用于实时获取脉宽调制后的原占空比Ta、Tb、Tc，计算x相对应的补偿后占空比T’x＝Tx+λ*sign(ix)ΔTk+1，得到T’a、T’b、T’c，输出至电压源型逆变器，其中，Tx为x相对应的原占空比，λ为权重系数，0<λ≤1,sign()为符号函数，ix为实时获取到的电机定子x相电流，x＝a,b,c。
2.如权利要求1所述的非线性在线补偿系统，其特征在于，所述滤波模块为带通滤波。
3.如权利要求1或2所述的非线性在线补偿系统，其特征在于，所述比较结构通过以下方式实现：
计算可调电流矢量
与参考电流矢量
的叉积p；
以给定时间T为周期，对叉积p的绝对值求和，得到差异性
4.如权利要求1或2所述的非线性在线补偿系统，其特征在于，所述比较结构通过以下方式实现：
计算可调电流矢量
与参考电流矢量
的叉积p；
以给定时间T为周期，对叉积p的平方求和，得到差异性
5.如权利要求1至4任一项所述的非线性在线补偿系统，其特征在于，所述非线性补偿占空比计算模块通过以下方式计算第k+1个给定周期内的补偿占空比ΔTk+1：
ΔTk+1＝ΔTk-gPk/P0
g＝(Pk-Pk-1)/(ΔTk-ΔTk-1)
其中，ΔTk为第k个给定周期内的补偿占空比，g为梯度，Pk为第k个给定周期T内可调电流矢量与参考电流矢量的差异性。
6.如权利要求1至4任一项所述的非线性在线补偿系统，其特征在于，所述非线性补偿占空比计算模块为PI调节器。
7.一种使用三相VSI的永磁电机控制系统，其特征在于，所述永磁电机控制系统采用如权利要求1至6任一项所述的基于MRAS的三相VSI非线性在线补偿系统；
所述非线性在线补偿系统的两个输入端分别连接脉宽调制模块和电流传感器，输出端连接电压源型逆变器。
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