一种基于矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法。采用交流电动机定子磁链的电压模型，对输入的反电动势矢量进行幅值和相位变换直接得到原始的定子磁链矢量，然后经过信号滤波与补偿处理得到期望的定子磁链。分别设计了基于可编程的低通滤波器(LPF)和带通滤波器(BPF)的矢量变换方案，并且根据计算磁链幅值尽快收敛于给定磁链值的原则得到优化函数，对LPF与BPF的优点进行组合，得到性能最优的磁链计算方法。进一步的，将BPF算法进行分解，使优化的磁链算法的结构得到简化，减小了计算量，节约系统资源。本发明专利技术算法对电动机参数依赖性小，应用范围广，移植性强；计算得到的磁链畸变小、精度高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。采用交流电动机定子磁链的电压模型，对输入的反电动势矢量进行幅值和相位变换直接得到原始的定子磁链矢量，然后经过信号滤波与补偿处理得到期望的定子磁链。分别设计了基于可编程的低通滤波器(LPF)和带通滤波器(BPF)的矢量变换方案，并且根据计算磁链幅值尽快收敛于给定磁链值的原则得到优化函数，对LPF与BPF的优点进行组合，得到性能最优的磁链计算方法。进一步的，将BPF算法进行分解，使优化的磁链算法的结构得到简化，减小了计算量，节约系统资源。本专利技术算法对电动机参数依赖性小，应用范围广，移植性强；计算得到的磁链畸变小、精度高。【专利说明】_种基于矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法
本专利技术属于工业自动化领域，具体涉及一种针对三相交流电动机控制系统的基于 矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法。
技术介绍
交流电动机磁链算法研究在高性能电动机控制领域具有核心地位。磁链算法的电 压模型具有结构简单，对电动机参数依赖小的优点，广泛应用于高性能的交流电动机控制 系统。电压模型的纯积分环节存在初始相位和直流漂移使得积分输出磁链畸变或导致积分 饱和的问题，通常使用一阶低通滤波器(LPF)来替代纯积分环节。LPF计算的磁链存在幅值 和相位误差，大量改进算法研究的重点是消除LPF引入的磁链误差。改进方案主要有两类： 一是引入反电动势频率估算器，计算运行频率，进行幅值和相位补偿；另一种是反馈方法， 将输出磁链的幅值经过限幅模块进行校正，然后送入低通滤波器得到磁链补偿值与LPF的 输出值叠加构成反馈。第一种基于补偿算法引入了定子频率进行幅值和相位补偿，观测 器性能依赖估算准确度，电动机启动以及速度跳变时需要进行特别处理;反馈型算法结 构简单，不需要电动机频率参数，但是，考虑到幅值和相位畸变，该算法截止频率一般较低， 对磁链直流偏置衰减速度较慢，系统动态性能较差。还有文献提出二阶、三阶等高阶滤波器 替代纯积分环节的算法，原理与一阶LPF-致，对磁链计算性能改善不大，而且系统过于复 杂，计算量增加很多。除了磁链电压模型，一些文献提出了基于电流模型的扩展卡尔曼滤波 器法以及基于全阶观测器的磁链观测模型，这些算法计算磁链精度较高，但是结构复杂，对 电动机参数依赖性强，具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术针对三相交流电动机控制系统的磁链电压模型纯积分环节存在直流偏置 的问题，以及现有方案的不足，提出了。 采用定子磁链的电压模型，对输入的反电动势矢量进行幅值和相位变换，然后对输出信号 进行滤波与补偿处理，得到期望的定子磁链。 矢量变换操作为:将电动机定子反电动势矢量幅值变为原来的1/| ?」，为定子 电动势角频率，然后沿着与定子电压转动相反的方向旋转V2角度，直接得到原始的定子磁 链矢量。实际应用时，反电动势e s中含有较多的噪音干扰和高频分量，使用一阶低通滤波器 (LPF)来除去这些干扰信号；由于各方面的干扰因素，输入的反电动势信号存在直流分量， 而基于LPF滤波处理的磁链算法对直流输入没有衰减作用。为了抑制直流偏置，在LPF后级 串联高通滤波器(HPF)，构成带通滤波器(BPF)进行信号滤波。LPF滤波器与BPF滤波方案的 磁链算法分别如下：式中队/和队乂为LPF和BPF输出的磁链;低通滤波器与高通滤波器截止频率分别 为：0^ = 1^ ?e|和《c2 = k2| ?e|。由于LPF和BPF滤波器引入了幅值和相位误差，需要对输 出信号进行补偿处理，从而得到期望的定子磁链。两者补偿分别为： 其中Sign()为取符号运算。两种滤波方案均能够得到稳定的磁链，通过优化处理 结合二者的优点，并使得计算磁链尽快收敛到给定值，从而得到性能更好的磁链算法。优化 函数fo Ptimal由以下线性方程给出： '^mL￥s,l+nWs,B < mL = (sQ + sB)i(2e0 + eL+sB) mB =(￡-〇 +eL)/(2sf)+sL +sB)其中屯,l和队,b分别为LPF算法和BPF算法补偿后输出的磁链;队,。的为优化的磁链输 出值。式中￡〇为一极小的给定正常数，避免￡l+￡B = 0时计算溢出。eL、eB分别为LPF和BPF算法 估算磁链幅值误差，如下式所示。算法中引用的定子反电动势角频率co e与磁链角频率相等，co e通过磁链相角微分 及滤波获得，如下式所示：专利技术的技术效果体现在： 1、本专利技术采用矢量变换处理，信号滤波均进行幅值和相位补偿操作，理论上没有 幅值及相位误差。计算处理比较简单，输出磁链畸变小、精度高； 2、使用的滤波器采用可编程技术实现，截止频率随定子频率升高而增大，系统动 态响应快，抑制直流偏置及噪音干扰和高频谐波能力明显增强； 3、本专利技术的磁链算法进行了优化处理，加快了磁链收敛速度，减小了磁链纹波，并 且优化算法对直流输入和高频输入的增益为零； 4、算法对电动机参数依赖性小，应用范围广泛，可移植性强，运用于交流电动机控 制系统，在较广的速度范围内性能优异。【附图说明】图1为本专利技术磁链计算方法所说明的矢量变换原理图。图2为基于LPF滤波及补偿的矢量变换算法结构图。图3为邱坐标系下基于LPF的矢量变换算法原理图。图4为邱坐标系下基于BPF的矢量变换算法原理图。图5为优化的矢量变换算法结构图。图6为邱坐标系下简化后的优化算法原理图。 图7为本专利技术磁链计算方法应用于直接转矩控制系统运行于中高速时输出信号波 形。 图8为直接转矩控制系统运行于低速时输出信号波形。【具体实施方式】下面结合附图来对本专利技术的【具体实施方式】进行说明。图1为磁链计算方法中矢量变换的原理:磁链矢量的幅值变为电动势矢量来的1/ ?」；定子反电动势矢量逆时针转动时《e>〇,磁链相位为反电动势矢量沿着顺时针方向旋 转V2角度;定子反电动势矢量顺时针转动时〇^<〇,磁链相位为反电动势矢量沿着逆时针 方向旋转Ji/2角度。aP坐标系下磁链表达式为：图2为基于LPF滤波及补偿的矢量变换算法结构图，图3给出了邱坐标系下基于LPF 的矢量变换算法原理图，虚线框中部分为矢量变换处理。实际应用时，电动机反电动势中定 子电压通过母线电压和开关状态构造而成，定子电流由信号调理电路得到。因此，反电动势 es含有较多的噪音干扰和高频分量。通常使用一阶低通滤波器(LPF)来除去这些干扰信号。 LPF滤波器及其补偿处理在邱坐标系下表达式如下： 图4为邱坐标系下基于BPF的矢量变换算法原理图，虚线框中部分为矢量变换处 理。应用中由于各方面的干扰因素，如电动机模型中定子电阻参数不准，或阻值在电动机运 行时随温度变化，电动机转速跳变以及定子电流采样电路的零漂等原因，其输入的反电动 势信号存在直流分量。基于LPF滤波处理的磁链算法对直流输入没有衰减作用，为了抑制直 流偏置，在LPF后级串联高通滤波器(HPF)，构成带通滤波器(BPF)进行信号滤波。BPF滤波及 补偿表达式为：图5为优化的矢量变换算法结构图。两种滤波方案均能够得到稳定的磁链，通过优 化处理结合二者的优点，优化函数fc>Ptlmal使得计算磁链尽快收敛到给定值，得到性能更好 的磁链算法。其中Hlpf (s)代表LPF滤波处理的磁链算法，HBPF (s)表示BPF滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矢量变换与信号滤波的定子磁链计算方法，其特征在于，采用交流电动机定子磁链的电压模型，对输入的定子反电动势矢量进行变换，将幅值变为原来的1/|ωe|，ωe为电动机定子反电动势角频率；沿着与定子电压转动相反的方向旋转π/2角度，直接得到原始的磁链矢量，然后对该信号进行滤波与补偿处理，从而得到期望的定子磁链值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程善美，刘莹，刘江，宁博文，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42