一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器制造技术

本发明专利技术公开了一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，属于电机控制领域，包括一种截止频率可调的低通滤波型定子磁链观测器及其补偿模块、一种消除因逆变器死区效应造成的磁链观测误差的方法。本发明专利技术所述定子磁链观测器能克服纯积分器本质上的弱点，解决因测量误差造成的定子磁链观测畸变，实现全转速范围内准确的定子磁链观测，对永磁同步电机直接转矩控制系统性能的提升具有重要借鉴意义。

A Stator Flux Observer for Permanent Magnet Synchronous Motor Considering Dead-time Effect of Inverter

The invention discloses a stator flux observer of permanent magnet synchronous motor considering dead-time effect of inverters, belonging to the field of motor control, including a low-pass filter stator flux observer with adjustable cut-off frequency and its compensation module, and a method for eliminating flux observation error caused by dead-time effect of inverters. The stator flux observer of the invention can overcome the inherent weakness of the pure integrator, solve the observation distortion of the stator flux caused by the measurement error, realize accurate stator flux observation in the full speed range, and has important reference significance for improving the performance of the direct torque control system of the permanent magnet synchronous motor.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器
本专利技术涉及一种永磁同步电机定子磁链观测器，具体涉及一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，属于电机控制

技术介绍
永磁同步电机直接转矩控制系统要想获得良好的控制性能，一个重要的前提是能够对定子磁链准确观测，传统的定子磁链观测器采用对反电势积分的方式求得定子磁链。在实际控制系统中，一方面，由于数字计算的截断误差，物理量Us，Is，Rs的测量误差以及误差的累积等非理想因素的影响，难免在被积分量中会出现微量的直流成分，通过积分，这个直流成分就会累积和放大，使定子磁链观测结果产生严重的偏移，最终导致观测的磁链值与实际值不符，这将严重影响电机的运行性能。另一方面，在实际控制场合，往往需要知道输出电压的状态量，由于输出电压由离散的脉冲组合而成，难以测量，同时为了节约成本，商用变频器一般不直接测量定子电压，而是根据直流母线电压和逆变器的开关状态重构定子电压，但与实际电压相比，重构电压与实际电压之间由于逆变器死区效应的影响将有所差别，将其应用于定子磁链观测时，势必产生较大的观测误差。中国专利《电压模型定子磁链估计方法》(公开日：2018.05.25、公开号：CN108075704)采用电机控制器运算单元计算出逆变器调制电压来获得两相静止坐标系下的定子电压分量Usα，Usβ。但是在定子电压获取过程中，未考虑逆变器死区效应对定子电压分量的影响。论文《考虑死区效应影响的永磁同步电机磁链估计》(电机与控制应用2017)研究了逆变器死区效应对永磁同步电机永磁体磁链观测的影响，但对定子磁链观测的问题并无涉及。若要实现精确的永磁同步电机直接转矩控制，需要考虑上述两个方面的影响，对定子磁链观测器进行改进，以便精确地估算出永磁同步电机在运行过程中定子磁链的幅值和相角，防止扇区误判和控制策略失误，提高控制性能。
技术实现思路
针对永磁同步电机直接转矩控制系统对定子磁链观测准确性的要求，以及逆变器死区效应对定子磁链观测值的影响，本专利技术提出了一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，此观测器可消除逆变器死区效应对定子磁链观测的影响，可克服传统积分型定子磁链观测器由于测量误差引起的积分饱和问题。本专利技术为解决以上技术问题采用如下技术方案：一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，由反电势计算模块和定子磁链观测模块构成；所述反电势计算模块中，定子电压根据直流母线电压和逆变器的开关状态计算获得，并补偿由于死区效应造成的误差电压；所述定子磁链观测模块由幅值相位补偿模块和低通滤波模块组成，低通滤波模块采用截止频率可调的低通滤波器，滤除反电势中的直流成分，低通滤波器的截止频率可根据电机转速实时调整，幅值和相位补偿模块置于低通滤波模块之前，根据电机转速实时补偿信号通过低通滤波器后产生的幅值和相位偏差。作为本专利技术的进一步优选方案，所述反电势计算模块在磁链观测时不直接采集电机驱动器的端口电压ua，ub，uc，而根据母线电压Udc和逆变器的开关状态Sa，Sb，Sc重构定子电压，并转换到两相静止坐标系下得到Usα，Usβ。转换到两相静止坐标系下得到Usα，Usβ，定子电压计算公式如下：进一步的，所述反电势计算模块中，计算由死区效应造成的误差电压，根据每相电流的极性判断出每相误差电压的极性sgn[ia],sgn[ib],sgn[ic]，误差电压的幅值等于母线电压Udc与死区时间Td和开关周期时间Ts之比的乘积，在求出每相误差电压后，将其经过坐标变换，得到两相静止坐标系中的误差电压矢量△Usα，△Usβ，误差电压计算公式为：进一步的，所述反电势计算模块中，将根据母线电压和逆变器的开关状态重构的定子电压在两相静止坐标系中的分量Usα，Usβ分别减去△Usα，△Usβ，得到消除误差电压后的定子电压分量Usα*，Usβ*，再减去定子电阻压降Rsiα，Rsiβ，解算出定子感应反电势esα，esβ送入磁链观测模块中，以补偿因逆变器死区效应产生的误差电压可提高定子磁链的观测精度，实际定子电压表达式为：定子感应反电势表达式为：进一步的，所述定子磁链观测模块由幅值相位补偿模块和低通滤波模块组成，采用一阶高通滤波器和积分器串联组成的一阶低通滤波器代替纯积分器计算定子磁链，滤除定子感应反电势中的直流成分，解决纯积分型定子磁链观测器中由于直流成分导致的积分饱和问题，低通滤波器的截止频率ωc根据电机转速n实时调整。进一步的，所述一阶低通滤波器及幅值相位补偿模块表达式为：式中，ωe为电角频率，其和转速n的关系为：ωc为滤波器截止频率，其和转速n的关系为：k为调节系数，p为电机极对数，s为拉普拉斯算子。进一步的，所述定子磁链观测模块中，幅值相位补偿模块置于低通滤波模块之前，提高补偿模块在电机运行在动态时的性能。本专利技术的有益效果为：与传统积分型定子磁链观测器相比，本专利技术能消除因逆变器死区效应造成的磁链观测误差，能克服纯积分器本质上的弱点，解决因测量误差造成的定子磁链观测畸变，实现全转速范围内准确的定子磁链观测。附图说明图1是本专利技术所述的一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器。图2是本专利技术所述的一种解决过零点电流极性模糊性的基于坐标变换的滤波方法。图3是本专利技术所述的一种计算因逆变器死区效应造成的误差电压的方法。图4是考虑逆变器死区效应和不考虑逆变器死区效应时定子磁链观测结果仿真结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，包括一种截止频率可调的低通滤波型定子磁链观测器及其补偿模块，一种补偿因逆变器死区效应造成的电压误差的方法。图1所示为本专利技术所述的考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器结构图。观测器由三部分组成，包括①：反电势计算模块、②：幅值相位补偿模块、③：低通滤波模块。其中低通滤波模块采用截止频率可调的一阶低通滤波器代替纯积分器，滤除反电势中的直流成分，低通滤波器的截止频率可根据电机转速实时调整。幅值和相位补偿模块中，根据电机转速实时补偿信号通过低通滤波器后产生的幅值和相位偏差。图2是本专利技术所述的一种基于坐标变换的滤波方法，用于消除电流过零点时的极性判断误差。其原理是通过克拉克变换和派克变换将电机的定子电流从三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系，定子电流的基波分量在同步旋转坐标系中变换为直流量，高次谐波分量通过低通滤波器滤除，然后再通过派克反变换和克拉克反变换，提取出三相电流的基波分量，由基波分量来判断电流极性,以消除三相电流在过零点时极性的模糊性。图3是本专利技术所述的一种计算因逆变器死区效应造成的电压误差的方法，由于死区效应使得重构电压和实际电压之间产生误差，所以要对逆变器死区效应引起的误差电压进行计算，并将误差电压补偿到重构电压中再进行定子磁链的观测。计算时，根据电流极性判断出每相误差电压的极性，误差电压的幅值等于母线电压与死区时间和开关周期时间之比的乘积，在求出每相误差电压后，将其经过坐标变换，得到两相静止坐标系中的误差电压矢量△Usα，△Usβ。图4(a)为采用传统方案，即不考虑逆变器死区效应影响时的定子磁链的观测结果，图4(b)是采用本专利技术所述的考虑逆变器死区效应的定子磁链观测器后的观测结果。对比可知，在采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，其特征在于：由反电势计算模块和定子磁链观测模块构成；所述反电势计算模块中，定子电压根据直流母线电压和逆变器的开关状态计算获得，并补偿由于死区效应造成的误差电压；所述定子磁链观测模块由幅值相位补偿模块和低通滤波模块组成，低通滤波模块采用截止频率可调的低通滤波器，滤除反电势中的直流成分，低通滤波器的截止频率可根据电机转速实时调整，幅值和相位补偿模块置于低通滤波模块之前，根据电机转速实时补偿信号通过低通滤波器后产生的幅值和相位偏差。

【技术特征摘要】
1.一种考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，其特征在于：由反电势计算模块和定子磁链观测模块构成；所述反电势计算模块中，定子电压根据直流母线电压和逆变器的开关状态计算获得，并补偿由于死区效应造成的误差电压；所述定子磁链观测模块由幅值相位补偿模块和低通滤波模块组成，低通滤波模块采用截止频率可调的低通滤波器，滤除反电势中的直流成分，低通滤波器的截止频率可根据电机转速实时调整，幅值和相位补偿模块置于低通滤波模块之前，根据电机转速实时补偿信号通过低通滤波器后产生的幅值和相位偏差。2.根据权利要求1所述的考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，其特征在于：所述反电势计算模块根据母线电压Udc和逆变器的开关状态Sa，Sb，Sc重构定子电压，并转换到两相静止坐标系下得到Usα，Usβ，定子电压计算公式如下：3.根据权利要求1所述的考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测器，其特征在于：所述反电势计算模块中，计算由死区效应造成的误差电压，根据每相电流的方向判断出每相误差电压的极性sgn[ia],sgn[ib],sgn[ic]，误差电压的幅值等于母线电压Udc与死区时间Td和开关周期时间Ts之比的乘积，在求出每相误差电压后，将其经过坐标变换，得到两相静止坐标系中的误差电压矢量△Usα，△Usβ，误差电压计算公式为：4.根据权利要求1所述的考虑逆变器死区效应的永磁同步电机定子磁链观测...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鸿浩，李文，郭前岗，吕鹏程，朱冠宇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32