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      基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法與流程

      文檔序號(hào):11623004閱讀:414來源:國知局
      基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法與流程

      本發(fā)明涉及一種同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法,屬于同步電機(jī)調(diào)速控制領(lǐng)域。



      背景技術(shù):

      隨著各行各業(yè)對電力傳動(dòng)設(shè)備的需求越來越大,工程人員對于電力傳動(dòng)設(shè)備的要求也越來越嚴(yán)格。在大功率傳動(dòng)領(lǐng)域,電勵(lì)磁同步電機(jī)憑借其可調(diào)的高功率因數(shù)、較高的控制精度以及變頻器容量小等優(yōu)勢備受青睞,但是它卻比異步電機(jī)、直流電機(jī)等設(shè)備需求更加復(fù)雜的控制。而其中首要的問題就是在同步電機(jī)的啟動(dòng)控制環(huán)節(jié),必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息,這也是同步電機(jī)各種控制方法的基礎(chǔ)。而光電碼盤等機(jī)械式傳感器除了安裝受限,其較低的穩(wěn)定性一直是大功率設(shè)備所無法接受的,這會(huì)給同步電機(jī)的工程應(yīng)用環(huán)節(jié)帶來很大的檢測和維護(hù)成本。

      目前,眾多學(xué)者致力于對同步電機(jī)的無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法進(jìn)行研究,其中基于高頻注入的電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法得到了廣泛應(yīng)用。該方法在電勵(lì)磁同步電機(jī)的勵(lì)磁側(cè)或者定子側(cè)注入一個(gè)高頻信號(hào),通過在另一側(cè)耦合出的電信號(hào)來檢測轉(zhuǎn)子位置信息。而大功率的電勵(lì)磁同步電機(jī)為了能夠提高自身的穩(wěn)定性,其變頻控制裝置通常會(huì)選擇具有更大容量的半導(dǎo)體器件晶閘管來實(shí)現(xiàn),用以減少同一橋臂所串聯(lián)的半導(dǎo)體器件數(shù)量,這類拓?fù)湮覀兎Q之為負(fù)載換相逆變器(loadcommutatedinverter,lci)。由于晶閘管是半控型器件,無法直接產(chǎn)生我們所需要的高頻信號(hào)。此類方法通常需要外加全控型器件來完成高頻信號(hào)的注入,這樣不但會(huì)增加設(shè)備成本,同時(shí)也會(huì)降低其可靠性。

      也有研究者提出基于勵(lì)磁本身的脈動(dòng)來代替高頻信號(hào)的注入,但是通常由于其勵(lì)磁側(cè)脈動(dòng)頻率與變頻側(cè)脈動(dòng)頻率相同,而變頻側(cè)的同頻信號(hào)會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子位置檢測的精度。因此該類方法僅適用于變頻側(cè)的脈動(dòng)頻率與勵(lì)磁側(cè)的脈動(dòng)頻率互不干擾的情況下。對于最基本的整流、逆變以及勵(lì)磁側(cè)都為六脈動(dòng)lci拓?fù)鋪碚f,這種方法并不適用。因此研究出一種不需改變lci本體結(jié)構(gòu)的無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法具有非常重要的意義。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      針對上述不足,本發(fā)明提供一種能夠在不外加傳感器,同時(shí)也不改變負(fù)載換相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提高可靠性,降低成本的基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法。

      本發(fā)明的基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法,所述方法包括如下步驟:

      步驟一:采用間隔觸發(fā)方式觸發(fā)待測同步電機(jī),觸發(fā)間隔為120°,此時(shí)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生頻率為fh的脈動(dòng)信號(hào);

      步驟二:利用帶通濾波器提取勵(lì)磁電流中頻率為fh的成分,帶通濾波器輸出電流信號(hào)if_h;

      步驟三:將電流信號(hào)if_h延遲3/4個(gè)周期,得到電流信號(hào)if_h1;

      步驟四:測量同步電機(jī)定子三相端電壓,并將三相端電壓由abc軸坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到αβ軸坐標(biāo)系上,得到電壓信號(hào)uα和uβ;

      步驟五:利用帶通濾波器提取電壓信號(hào)uα和uβ中頻率為fh的成分,帶通濾波器輸出電壓信號(hào)uα_h和uβ_h;

      步驟六:將電壓信號(hào)uα_h和uβ_h信號(hào)分別與步驟三中得到的電流信號(hào)if_h1做乘法,得到電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1;

      步驟七:利用低通濾波器提取電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1中包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的成分,得到電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2;

      步驟八:將電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2輸入至歸一化后的正交鎖相環(huán)中,得到轉(zhuǎn)子位置角θm和當(dāng)前的電角速度ωr;

      步驟九:根據(jù)步驟八獲得的當(dāng)前的電角速度ωr對轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行校正,得到校正后的當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ。

      優(yōu)選的是,所述步驟九為:

      根據(jù)當(dāng)前的電角速度ωr求出帶通濾波器和低通濾波器濾波給轉(zhuǎn)子位置帶來的相位偏移根據(jù)相位偏移對轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行校正,獲得校正后的轉(zhuǎn)子位置角θ,

      其中,相位偏移表示步驟五中在(ωh+ωr)電角速度下經(jīng)過帶通濾波器所產(chǎn)生的相位變化,相位偏移表示步驟七中利用低通濾波器提取電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1中包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成分時(shí)所產(chǎn)生的相位變化。

      優(yōu)選的是,所述步驟八包括如下步驟:

      步驟八一:電壓信號(hào)uα_h2與當(dāng)前sinθm相乘;

      步驟八二:電壓信號(hào)uβ_h2與當(dāng)前cosθm相乘;

      步驟八三:步驟八二相乘后的結(jié)果與步驟八一相乘后的結(jié)果相減,結(jié)果為ε;

      步驟八四:根據(jù)電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2,獲得

      步驟八五:將步驟八三的ε除以步驟八四的結(jié)果為ε1;

      步驟八六:步驟八五的ε1輸入比例調(diào)節(jié)單元kp,比例調(diào)節(jié)單元kp輸出結(jié)果保留;

      步驟八七:步驟八五的ε1輸入積分調(diào)節(jié)單元ki,積分調(diào)節(jié)單元ki輸出的結(jié)果再輸入至比例積分單元

      步驟八八:將步驟八六中的比例積分單元輸出的結(jié)果與步驟八七的比例調(diào)節(jié)單元kp輸出的結(jié)果相加,結(jié)果為當(dāng)前的電角速度ωr;

      步驟八九:將當(dāng)前估測的電角速度ωr輸入至比例積分單元比例積分單元輸出結(jié)果為轉(zhuǎn)子位置角θm。

      上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代,只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。

      本發(fā)明的有益效果在于:

      (1)本發(fā)明不需要改變變頻裝置的硬件結(jié)構(gòu),通過改變勵(lì)磁的觸發(fā)方式產(chǎn)生合適的高頻注入信號(hào)。本發(fā)明的方法控制簡單,能廣泛適應(yīng)于各類lci型驅(qū)動(dòng)裝置,同時(shí)也能夠降低系統(tǒng)的硬件成本及維護(hù)成本。

      (2)本發(fā)明的方法利用勵(lì)磁電流信息完成轉(zhuǎn)子位置信息的處理環(huán)節(jié),提高了轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

      (3)本發(fā)明的方法應(yīng)用了歸一化后的正交鎖相環(huán),能夠提高檢測精度,保證系統(tǒng)的檢測帶寬為定值,同時(shí)也使該算法能夠在不同實(shí)驗(yàn)裝置中有著更好的適應(yīng)性。

      (4)本發(fā)明的方法精確計(jì)算了信號(hào)處理過程中濾波器對信號(hào)產(chǎn)生的影響并進(jìn)行了合理的信號(hào)校正,進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)子位置信息的檢測精度。

      附圖說明

      圖1為本發(fā)明的基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法的原理示意圖,其中bpf表示帶通濾波器,lpf表示低通濾波器,pll表示歸一化后的正交鎖相環(huán),sm表示被測同步電機(jī);

      圖2為本發(fā)明中對待測同步電機(jī)的勵(lì)磁觸發(fā)方式的波形圖;

      圖3為本發(fā)明歸一化后的正交鎖相環(huán)的原理示意圖;

      圖4為具體實(shí)施例的步驟一中勵(lì)磁電流的波形;

      圖5為具體實(shí)施例的步驟二中勵(lì)磁電流及帶通濾波器的輸出;

      圖6為具體實(shí)施例的步驟三中電流信號(hào)延遲前后的波形;

      圖7為具體實(shí)施例的步驟四中三相端電壓從abc坐標(biāo)系變換到αβ軸的分量;

      圖8為具體實(shí)施例的步驟七中低通濾波器的輸出結(jié)果;

      圖9為根據(jù)具體實(shí)施例的步驟八中獲得的電角速度所得到的轉(zhuǎn)速估計(jì)波形;

      圖10為具體實(shí)施例中校正前的轉(zhuǎn)子位置檢測波形;

      圖11為具體實(shí)施例中校正前的轉(zhuǎn)子位置檢測誤差;

      圖12為具體實(shí)施例中校正后的轉(zhuǎn)子位置檢測波形;

      圖13為具體實(shí)施例中校正后的轉(zhuǎn)子位置檢測誤差。

      具體實(shí)施方式

      下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

      需要說明的是,在不沖突的情況下,本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

      下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明,但不作為本發(fā)明的限定。

      結(jié)合圖1-圖13說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述的基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法,如圖1所示,包括如下步驟:

      步驟一:如圖2所示,采用間隔觸發(fā)方式觸發(fā)待測同步電機(jī),觸發(fā)間隔為120°,此時(shí)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生頻率為fh的脈動(dòng)信號(hào);

      步驟二:利用帶通濾波器提取勵(lì)磁電流中頻率為fh的成分,帶通濾波器輸出電流信號(hào)if_h;

      步驟三:將電流信號(hào)if_h延遲3/4個(gè)周期,得到電流信號(hào)if_h1;

      步驟四:測量同步電機(jī)定子三相端電壓,并將三相端電壓由abc軸坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到αβ軸坐標(biāo)系上,得到電壓信號(hào)uα和uβ;

      步驟五:利用帶通濾波器提取電壓信號(hào)uα和uβ中頻率為fh的成分,帶通濾波器輸出電壓信號(hào)uα_h和uβ_h;

      步驟六:將電壓信號(hào)uα_h和uβ_h信號(hào)分別與步驟三中得到的電流信號(hào)if_h1做乘法,得到電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1;

      步驟七:利用低通濾波器提取電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1中包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的成分,得到電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2;

      步驟八:將電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2輸入至歸一化后的正交鎖相環(huán)中,得到轉(zhuǎn)子位置角θm和當(dāng)前電角速度ωr;

      步驟九:根據(jù)當(dāng)前估測的電角速度ωr對轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行校正,得到校正后的當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ。

      本實(shí)施方式對現(xiàn)有基于脈動(dòng)勵(lì)磁電流響應(yīng)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置連續(xù)估計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn),能夠在不外加傳感器,同時(shí)也不改變負(fù)載換相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)各類lci拓?fù)湎码妱?lì)磁同步電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測。具有更加廣泛的適應(yīng)性,能夠提高系統(tǒng)的可靠性,降低設(shè)備硬件成本,同時(shí)也能夠降低檢測和維護(hù)成本。

      本實(shí)施方式將勵(lì)磁電流的實(shí)時(shí)信息應(yīng)用于信號(hào)處理過程中,大大提高的檢測的可靠性,同時(shí)也能夠提高無傳感器轉(zhuǎn)子位置信息的檢測精度。

      本實(shí)施方式能夠避免變頻側(cè)和勵(lì)磁側(cè)脈動(dòng)頻率相同給檢測環(huán)節(jié)所帶來的信號(hào)干擾,進(jìn)一步提高了無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法的測量精度。

      因?yàn)椴襟E五和步驟七引入的帶通濾波器和低通濾波器,濾波器對電壓信號(hào)所帶來幅值和相位的變化,所以步驟八獲得的轉(zhuǎn)子位置角θm還不夠準(zhǔn)確,優(yōu)選實(shí)施例中,步驟九為:

      根據(jù)當(dāng)前估測的電角速度ωr求出帶通濾波器和低通濾波器濾波給轉(zhuǎn)子位置帶來的相位偏移根據(jù)相位偏移對轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行校正,獲得校正后的轉(zhuǎn)子位置角θ,

      其中,相位偏移表示步驟五中在(ωh+ωr)電角速度下經(jīng)過帶通濾波器所產(chǎn)生的相位變化,相位偏移表示步驟七中利用低通濾波器提取電壓信號(hào)uα_h1和uβ_h1中包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成分時(shí)所產(chǎn)生的相位變化。

      本實(shí)施方式對步驟八獲得的轉(zhuǎn)子位置角θm進(jìn)行了校正,提高了轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的準(zhǔn)確性。

      歸一化后的正交鎖相環(huán)的原理示意圖如圖3所示,優(yōu)選實(shí)施例中,步驟八包括如下步驟:

      步驟八一:電壓信號(hào)uα_h2與當(dāng)前sinθm相乘;

      步驟八二:電壓信號(hào)uβ_h2與當(dāng)前cosθm相乘;

      步驟八三:步驟八二相乘后的結(jié)果與步驟八一相乘后的結(jié)果相減,結(jié)果為ε;

      步驟八四:根據(jù)電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2,獲得

      步驟八五:將步驟八三的ε除以步驟八四的結(jié)果為ε1;

      步驟八六:步驟八五的ε1輸入比例調(diào)節(jié)單元kp,比例調(diào)節(jié)單元kp輸出結(jié)果保留;

      步驟八七:步驟八五的ε1輸入積分調(diào)節(jié)單元ki,積分調(diào)節(jié)單元ki輸出的結(jié)果再輸入至比例積分單元

      步驟八八:將步驟八六中的比例積分單元輸出的結(jié)果與步驟八七的比例調(diào)節(jié)單元kp輸出的結(jié)果相加,結(jié)果為當(dāng)前估測的電角速度ωr;

      步驟八九:將當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ωr輸入至比例積分單元比例積分單元輸出結(jié)果為轉(zhuǎn)子位置角θm。

      本實(shí)施方式應(yīng)用了歸一化的鎖相環(huán),能夠提高檢測精度,保證系統(tǒng)的檢測帶寬為定值,同時(shí)也使該算法能夠在不同實(shí)驗(yàn)裝置中有著更好的適應(yīng)性。

      具體實(shí)施例:

      步驟一:勵(lì)磁觸發(fā)為每120°觸發(fā)一次,此時(shí)勵(lì)磁電流中產(chǎn)生一個(gè)150hz的脈動(dòng)信號(hào);

      此時(shí)勵(lì)磁電流表達(dá)式為:

      其中,if為勵(lì)磁電流if的有效值;ih為勵(lì)磁電流高頻成分的幅值;ωh為勵(lì)磁電流高頻成分的電角速度;為勵(lì)磁電流高頻成分的相位;角標(biāo)l1、l2等代表勵(lì)磁電流中的其他頻率成分;

      步驟二:將勵(lì)磁電流經(jīng)過一個(gè)中心頻率為150hz的帶通濾波器,提取其中150hz交流成分if_h:

      步驟三:將提取的交流成分if_h延遲3/4個(gè)周期,得到if_h1:

      步驟四:采集同步電機(jī)三相端電壓,并將其換算到αβ0軸系上,所得到的電壓分量為uα和uβ:

      坐標(biāo)變換方程為:

      如下為待測同步電機(jī)機(jī)的基本方程。其中u、i為電機(jī)端電壓和電樞電流,角標(biāo)α、β代表各物理量在α、β軸上的分量,rs為同步電機(jī)定子電阻,p為微分算子,idd和idq為阻尼電感電流的d軸和q軸分量,ld和lq分別為d軸和q軸的同步電感,lad和laq為d軸和q軸電樞反應(yīng)電感,ωr為同步電機(jī)當(dāng)前的電角速度,θ為同步電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子角度,總有為電機(jī)的初始位置電角度,t為時(shí)間。

      其中,

      [i]αβ=[iαiβifiddidq]t

      步驟五:將uα和uβ分別經(jīng)過帶通濾波器,提取其包含150hz的高頻交流成分uα_h和uβ_h:

      若不考慮帶通濾波器對電壓信號(hào)所帶來的幅值和相位變化,此時(shí)有如下表達(dá)式:

      若考慮帶通濾波器對電壓信號(hào)所帶來的幅值和相位變化,則表達(dá)式可化為:

      其中,a1、a2和φ1、φ2分別為(ωh+ωr)、(ωh-ωr)兩種電角速度成分經(jīng)過帶通濾波器所產(chǎn)生的幅值衰減和相位變化:

      步驟六:分別將uα_h和uβ_h與步驟三中得到的if_h1信號(hào)做乘法運(yùn)算,得到其結(jié)果分別為uα_h1和uβ_h1:

      uα_h1和uβ_h1的表達(dá)式為:

      步驟七:分別將uα_h1和uβ_h1進(jìn)行低通濾波處理,提取其中包含電機(jī)的電角速度ωr的交流成分uα_h2和uβ_h2:

      uα_h2和uβ_h2的表達(dá)式為:

      其中,a3和φ3為電機(jī)的電角速度ωr項(xiàng)經(jīng)過低通濾波器所產(chǎn)生的幅值衰減和相位變化。

      為了簡化計(jì)算,令a1=a2,φ1=-φ2,則uα_h2和uβ_h2的表達(dá)式可化簡為:

      其中,

      步驟八:將電壓信號(hào)uα_h2和uβ_h2輸入至歸一化后的正交鎖相環(huán)中,得到轉(zhuǎn)子位置角θm和電機(jī)當(dāng)前的電角速度ωr,

      步驟九:根據(jù)電機(jī)當(dāng)前的電角速度ωr,求出電壓經(jīng)過帶通濾波器和低通濾波器所帶來的相差φ1和φ3,對θm進(jìn)行校正,最終得到更為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置角θ。

      本實(shí)施方式獲得圖4-圖13:

      圖4為勵(lì)磁電流波形。

      圖5為勵(lì)磁電流及bpf輸出。

      圖6為勵(lì)磁電流延遲前后的波形。

      圖7為三相端電壓變換到αβ軸的分量。

      圖8為低通濾波器的輸出結(jié)果。

      圖9為轉(zhuǎn)速的估計(jì)波形。

      圖10為校正前的轉(zhuǎn)子位置檢測波形。

      圖11為校正前的轉(zhuǎn)子位置檢測誤差。

      圖12為校正后的轉(zhuǎn)子位置檢測波形。

      圖13為校正后的轉(zhuǎn)子位置檢測誤差。

      參照圖4-圖13,本實(shí)施例能夠有效檢測轉(zhuǎn)子位置信息,并且檢測結(jié)果有著很好的檢測精度。

      雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來描述本發(fā)明,但是應(yīng)該理解的是,這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是,可以對示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改,并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置,只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是,可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是,結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。

      當(dāng)前第1頁1 2 
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