本發(fā)明屬于無位置傳感器控制技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說是一種基于脈振高頻信號(hào)注入法的信號(hào)提取改進(jìn)策略。
背景技術(shù):
永磁同步電機(jī)以其高效率、小體積和易控制、顯著的長(zhǎng)壽命和可靠性等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì),在要求高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合如艦船推進(jìn)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車和家用電器等許多領(lǐng)域獲得極為廣泛的應(yīng)用,成為各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
以電動(dòng)工具為例,其工作環(huán)境以及安裝要求較高,傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器難以滿足其加工精度以及工作要求,所以無位置技術(shù)顯得尤為重要。為了滿足低速下轉(zhuǎn)子位置跟蹤穩(wěn)定、帶載能力強(qiáng)等條件,選用了脈振高頻信號(hào)注入法作為方案。
脈振高頻信號(hào)注入法由于需要額外注入高頻信號(hào),同時(shí)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)中夾雜直流分量以及二次諧波等信號(hào)波,因此,如何準(zhǔn)確提取各頻率信號(hào)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的信號(hào)提取方案是通過設(shè)計(jì)的帶通、低通等濾波器,經(jīng)過調(diào)制輸出信號(hào)幅值,由于提取方案存在帶通、低通濾波器,引入了幅值誤差以及相位偏移,且造成了軟件延時(shí),系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜等問題。同時(shí),提取效果完全取決于濾波器的處理效果,因而提取效果不佳。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供了一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng),通過并聯(lián)epll實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)幅值的提取策略。
技術(shù)方案:一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,包括:電源電路、整流器、逆變器、電機(jī)、電機(jī)負(fù)載模塊、電機(jī)電流采集模塊、clark變換模塊、park變換模塊、并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊、高頻信號(hào)pi模塊,積分處理模塊、直軸正方向判斷模塊、角度修正模塊、轉(zhuǎn)速誤差模塊、轉(zhuǎn)速pi模塊、d軸電流誤差模塊、d軸電流pi模塊、q軸電流誤差模塊、q軸電流pi模塊、高頻信號(hào)注入模塊、park逆變換模塊、脈寬調(diào)制??欤?/p>
所述電源電路為單相交流電源,用于為整流器提供單相交流電;
所述整流器為單相不控整流器,用于將單相輸入交流電整流為直流電,并向逆變器供電;
所述逆變器為三相電壓源型逆變器,用于接收脈寬調(diào)制模塊的電壓脈沖,并根據(jù)電壓脈沖控制電機(jī);
所述電機(jī)負(fù)載模塊為外部負(fù)載,用于電機(jī)加載/卸載;
所述電機(jī)電流采集模塊用于采集電機(jī)三相電流,并發(fā)送至clark變換模塊;
所述clark模塊用于將電機(jī)三相電流轉(zhuǎn)換為αβ軸電流,并發(fā)送至park變換模塊;
所述park變換模塊用于將αβ軸電流轉(zhuǎn)換為d軸實(shí)際電流、q軸實(shí)際電流,并發(fā)送至并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊;
所述并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊用于采集電機(jī)所需的各頻率信號(hào),并發(fā)送至高頻信號(hào)pi模塊、d軸電流pi模塊、q軸電流pi模塊以及直軸正方向判斷模塊;
所述高頻信號(hào)pi模塊用于將q軸高頻信號(hào)幅值收斂到零,得到預(yù)估轉(zhuǎn)子位置信號(hào),并發(fā)送到轉(zhuǎn)速誤差模塊;
所述積分處理模塊用于將預(yù)估轉(zhuǎn)速積分處理后得到預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角;
所述直軸正方向模塊用于判斷轉(zhuǎn)子位置角是否偏差180度,并發(fā)送標(biāo)志位到角度修正模塊修正預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角;
所述角度修正模塊用于對(duì)轉(zhuǎn)子角進(jìn)行修正,并發(fā)送到park變換以及逆變器模塊;
所述轉(zhuǎn)速誤差模塊用于將給定轉(zhuǎn)速與所述信號(hào)處理計(jì)算得到的預(yù)估電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比,得到轉(zhuǎn)速誤差,并將其發(fā)送至轉(zhuǎn)速pi模塊;
所述轉(zhuǎn)速pi模塊用于將轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到q軸電流矢量,并發(fā)送至q軸電流誤差模塊;
所述d軸電流誤差模塊用于將d軸給定電流與d軸實(shí)際基波電流對(duì)比,得到d軸電流誤差,并將其發(fā)送至d軸電流pi模塊;
所述q軸電流誤差模塊用于將q軸給定電流與q軸實(shí)際基波電流對(duì)比,得到q軸電流誤差,并將其發(fā)送至q軸電流pi模塊;
所述d軸電流pi模塊用于將d軸電流誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到d軸實(shí)際電壓,并發(fā)送至電壓park逆變換模塊;
所述q軸電流pi模塊用于將q軸電流誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到q軸實(shí)際電壓,并發(fā)送至電壓park逆變換模塊;
所述高頻信號(hào)注入模塊用于給電機(jī)預(yù)估d、q軸注入高頻信號(hào),發(fā)送到park逆變換模塊,從而在電機(jī)預(yù)估d、q軸電流上得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào);
所述park逆變換模塊用于將d、q軸電壓轉(zhuǎn)換為α軸電壓、β軸電壓,并發(fā)送至脈寬調(diào)制模塊;
所述脈寬調(diào)制模塊為空間矢量脈寬調(diào)制,用于根據(jù)αβ軸電壓、母線電壓計(jì)算得到電壓脈沖,并發(fā)送至逆變器。
進(jìn)一步的,所述電機(jī)為永磁同步電機(jī)。
一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,包括以下步驟:
實(shí)時(shí)采集單相交流輸入電壓、輸入電流、直流母線電壓幅值及相位,實(shí)時(shí)采集電機(jī)三相電流;
對(duì)所述的電機(jī)abc三相電流進(jìn)行clark變換,得到αβ軸電流,對(duì)所述αβ軸電流進(jìn)行park變換,得到d、q軸實(shí)際電流;
計(jì)算給定電機(jī)轉(zhuǎn)速與所述電機(jī)預(yù)估轉(zhuǎn)速的誤差,并對(duì)轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié);計(jì)算d軸給定電流、q軸給定電流;
計(jì)算d、q軸給定電流與實(shí)際d、q軸電流誤差,并對(duì)電流誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到d、q軸電壓實(shí)際值;
在預(yù)估d、q軸上注入高頻余弦信號(hào)波,與d、q軸電壓實(shí)際值疊加得到計(jì)算電壓;
對(duì)d、q軸計(jì)算電壓進(jìn)行park逆變換,得到αβ軸電壓;
根據(jù)αβ軸電壓、母線電壓,對(duì)逆變器進(jìn)行svpwm調(diào)制,并通過逆變器控制電機(jī)。
進(jìn)一步的,所述信號(hào)提取的策略包括如下步驟:
三相電流通過clark、park變換模塊得到d軸實(shí)際電流、q軸實(shí)際電流,通過并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊提取基波分量以及高頻分量、二次諧波分量的幅值,基波分量發(fā)送至d、q軸電流誤差模塊,高頻分量幅值經(jīng)過pi收斂到零,得到預(yù)估轉(zhuǎn)子位置,二次諧波分量進(jìn)行直軸正方向判斷,修正預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角。
進(jìn)一步的,所述信號(hào)提取的策略原理如下:
假設(shè)系統(tǒng)在預(yù)估d、q軸上注入高頻電壓信號(hào),如式(1):
式中,
注入的高頻電壓信號(hào)與經(jīng)過d、q軸電流pi模塊的d、q軸電壓相疊加,經(jīng)過park逆變換以及svpwm調(diào)制,并通過逆變器控制電機(jī);
通過電機(jī)電流采集模塊得到三相電流,并進(jìn)行clark變換,得到αβ軸電流,對(duì)所述αβ軸電流進(jìn)行park變換,得到d、q軸實(shí)際電流,通過信號(hào)采集得到高頻電流信號(hào)
計(jì)算理想系統(tǒng)注入高頻電壓信號(hào)在電機(jī)預(yù)估d、q軸產(chǎn)生的電流如式(2)所示:
式中,
提取
預(yù)估轉(zhuǎn)速
進(jìn)一步的,所述并聯(lián)epll信號(hào)分析原理如下:
分析q軸實(shí)際電流波形,發(fā)現(xiàn)電流信號(hào)中含有基波、高頻信號(hào)波以及二次諧波等。因此,通過并聯(lián)epll幅值環(huán),給定高頻信號(hào)波以及二次諧波的頻率,從而提取各頻率信號(hào)。
epll具有幅值預(yù)估環(huán)以及相位/頻率估計(jì)環(huán),且相互具有線性解耦,因此可以簡(jiǎn)化epll模型,提取固定頻率的相位幅值,并連基波提取、高頻信號(hào)提取以及二次諧波提取環(huán)節(jié),構(gòu)成了并聯(lián)epll分析模型。
進(jìn)一步的,所述相位補(bǔ)償方案如下:
實(shí)驗(yàn)中,由于受軟件延時(shí)、干擾以及電機(jī)定子電阻的影響,提取信號(hào)的相位產(chǎn)生偏移。過大的相位偏移導(dǎo)致了提取幅值的波動(dòng),影響了幅值的準(zhǔn)確提取。在實(shí)際信號(hào)波中,通過對(duì)
進(jìn)一步的,所述參數(shù)計(jì)算如下:
假設(shè)輸入u=uisinφi,輸出為y=u0sinφ0;
定義
滿足時(shí)間常量
定義
化簡(jiǎn)得到:
最終得到相位/頻率環(huán):
選擇參數(shù):
式中ωr為信號(hào)頻率基準(zhǔn)值,
有益效果:
通過改進(jìn)并聯(lián)epll方案對(duì)信號(hào)波進(jìn)行提取,在頻率固定的情況下,簡(jiǎn)化epll方案,使用幅值環(huán)提取含有轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)幅值,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。同時(shí),在多頻率疊加的信號(hào)波中,使用并聯(lián)的epll幅值環(huán),分別提取基波分量、高頻信號(hào)以及二次諧波的幅值,簡(jiǎn)單方便。并且在固定頻率的基礎(chǔ)上,通過對(duì)q軸電流高頻分量進(jìn)行epll頻率/相位環(huán)補(bǔ)償相位。相較于以往的濾波器調(diào)制的信號(hào)提取方案,信號(hào)提取更快,系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便,提取幅值沒有衰減。因此,以提取幅值更加優(yōu)越為前提,實(shí)現(xiàn)電機(jī)脈振高頻信號(hào)注入法在低速下帶載運(yùn)行,優(yōu)化了轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的準(zhǔn)確性和魯棒性,增強(qiáng)無位置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)用性,控制簡(jiǎn)單有效;簡(jiǎn)化信號(hào)提取環(huán)節(jié),根據(jù)理論推導(dǎo)得到解耦的epll幅值環(huán),在固定頻率下提取指定頻率的信號(hào)幅值,達(dá)到準(zhǔn)確、快速的信號(hào)提取目的,同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性及實(shí)用性;簡(jiǎn)化了系統(tǒng)所需的帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程,避免了帶通濾波器引入的延時(shí)、相位偏移及幅值損耗等問題,且參數(shù)通過理論可以整定,避免了調(diào)節(jié)的復(fù)雜性,簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)過程,有效增加了信號(hào)提取的快速性和準(zhǔn)確性。另一方面,準(zhǔn)確和快速的提取信號(hào)使得信號(hào)中含有的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)更加精確,轉(zhuǎn)子位置估計(jì)更加精確、快速,誤差減小。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明脈振高頻信號(hào)提取流程圖。
圖3為本發(fā)明epll結(jié)構(gòu)框圖。
圖4為本發(fā)明并聯(lián)epll結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述,所舉實(shí)例僅用于解釋本發(fā)明,并非用于限定本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明公開了一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng),圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,包括:電源電路、整流器、逆變器、電機(jī)、電機(jī)負(fù)載模塊、電機(jī)電流采集模塊、clark變換模塊、park變換模塊、并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊、高頻信號(hào)pi模塊,積分處理模塊、直軸正方向判斷模塊、角度修正模塊、轉(zhuǎn)速誤差模塊、轉(zhuǎn)速pi模塊、d軸電流誤差模塊、d軸電流pi模塊、q軸電流誤差模塊、q軸電流pi模塊、高頻信號(hào)注入模塊、park逆變換模塊、脈寬調(diào)制???;
所述電源電路為單相交流電源,用于為整流器提供單相交流電;
所述整流器為單相不控整流器,用于將單相輸入交流電整流為直流電,并向逆變器供電;
所述逆變器為三相電壓源型逆變器,用于接收脈寬調(diào)制模塊的電壓脈沖,并根據(jù)電壓脈沖控制電機(jī);
所述電機(jī)負(fù)載模塊為外部負(fù)載,用于電機(jī)加載/卸載;
所述電機(jī)電流采集模塊用于采集電機(jī)三相電流,并發(fā)送至clark變換模塊;
所述clark模塊用于將電機(jī)三相電流轉(zhuǎn)換為αβ軸電流,并發(fā)送至park變換模塊;
所述park變換模塊用于將αβ軸電流轉(zhuǎn)換為d軸實(shí)際電流、q軸實(shí)際電流,并發(fā)送至并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊;
所述并聯(lián)epll信號(hào)分析模塊用于采集電機(jī)所需的各頻率信號(hào),并發(fā)送至高頻信號(hào)pi模塊、d軸電流pi模塊、q軸電流pi模塊以及直軸正方向判斷模塊;
所述高頻信號(hào)pi模塊用于將q軸高頻信號(hào)幅值收斂到零,得到預(yù)估轉(zhuǎn)子位置信號(hào),并發(fā)送到轉(zhuǎn)速誤差模塊;
所述積分處理模塊用于將預(yù)估轉(zhuǎn)速積分處理后得到預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角;
所述直軸正方向模塊用于判斷轉(zhuǎn)子位置角是否偏差180度,并發(fā)送標(biāo)志位到角度修正模塊修正預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角;
所述角度修正模塊用于對(duì)轉(zhuǎn)子角進(jìn)行修正,并發(fā)送到park變換以及逆變器模塊;
所述轉(zhuǎn)速誤差模塊用于將給定轉(zhuǎn)速與所述信號(hào)處理計(jì)算得到的預(yù)估電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比,得到轉(zhuǎn)速誤差,并將其發(fā)送至轉(zhuǎn)速pi模塊;
所述轉(zhuǎn)速pi模塊用于將轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到q軸電流矢量,并發(fā)送至q軸電流誤差模塊;
所述d軸電流誤差模塊用于將d軸給定電流與d軸實(shí)際基波電流對(duì)比,得到d軸電流誤差,并將其發(fā)送至d軸電流pi模塊;
所述q軸電流誤差模塊用于將q軸給定電流與q軸實(shí)際基波電流對(duì)比,得到q軸電流誤差,并將其發(fā)送至q軸電流pi模塊;
所述d軸電流pi模塊用于將d軸電流誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到d軸實(shí)際電壓,并發(fā)送至電壓park逆變換模塊;
所述q軸電流pi模塊用于將q軸電流誤差進(jìn)行pi調(diào)節(jié),得到q軸實(shí)際電壓,并發(fā)送至電壓park逆變換模塊;
所述高頻信號(hào)注入模塊用于給電機(jī)預(yù)估d、q軸注入高頻信號(hào),發(fā)送到park逆變換模塊,從而在電機(jī)預(yù)估d、q軸電流上得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào);
所述park逆變換模塊用于將d、q軸電壓轉(zhuǎn)換為α軸電壓、β軸電壓,并發(fā)送至脈寬調(diào)制模塊;
所述脈寬調(diào)制模塊為空間矢量脈寬調(diào)制,用于根據(jù)αβ軸電壓、母線電壓計(jì)算得到電壓脈沖,并發(fā)送至逆變器。
一種基于并聯(lián)epll的脈振高頻信號(hào)注入法信號(hào)提取系統(tǒng),包括以下步驟:實(shí)時(shí)采集電機(jī)三相電流ia、ib、ic;對(duì)電機(jī)abc三相電流進(jìn)行clark變換,得到αβ軸電流iα、iβ,對(duì)αβ軸電流進(jìn)行park變換,得到d、q軸實(shí)際電流id、iq;通過提取d、q軸實(shí)際電流id、iq信號(hào)中的高頻分量幅值,經(jīng)過pi控制收斂到零,得到預(yù)估轉(zhuǎn)速
如圖2所示為脈振高頻信號(hào)提取流程圖。
脈振高頻信號(hào)提取,包含以下步驟:
實(shí)時(shí)采集的電機(jī)三相電流ia、ib、ic通過clark、park變換得到d、q軸實(shí)際電流id、iq經(jīng)過并聯(lián)epll信號(hào)提取,分別提取固定頻率的基波、高頻信號(hào)以及二次諧波分量幅值,對(duì)q軸實(shí)際電流iq高頻分量進(jìn)行頻率/相位環(huán)進(jìn)行相位鎖定,提取的高頻幅值經(jīng)過pi控制收斂到零,得到預(yù)估轉(zhuǎn)速
所示并聯(lián)epll信號(hào)提取系統(tǒng)流程圖,包括并聯(lián)epll幅值提取、
如圖3所示為epll結(jié)構(gòu)框圖。
圖中,ωi=ωn+δωi為輸入頻率,φi=ωnt+δφi為輸入相位
假設(shè)輸入u=uisinφi,輸出為y=u0sinφ0;
對(duì)于頻率/相位環(huán),誤差為:
對(duì)于幅值環(huán),誤差為:
對(duì)于系統(tǒng)小信號(hào)分析,定義
當(dāng)提取信號(hào)滿足:1、提取頻率不變,相位存在偏差不大;2、只提取幅值大小,對(duì)頻率要求較低。
此時(shí),可以得到幅值環(huán)與相位環(huán)線性解耦。同時(shí),滿足時(shí)間常量
并聯(lián)epll設(shè)計(jì)方案:
如圖4所示為并聯(lián)epll結(jié)構(gòu)框圖。
假設(shè)輸入含有基波、高頻信號(hào)以及二次諧波,u=u0isinφ0i+u1isinφi+u2isin2φi
同理,存在:
x=esinφ0=(u0isinφ0i+u1isinφi+u2isin2φi-u0sinφ00-u1sinφ0-u2sin2φ0)(4)
同樣進(jìn)行小信號(hào)分析,能夠得到:
因此可以分別提取基波信號(hào)以及高頻信號(hào)、二次諧波的幅值。
所述相位補(bǔ)償方案:
我們不忽略電阻、基頻、轉(zhuǎn)子磁鏈等因素時(shí),重新建立脈振高頻信號(hào)注入法高頻激勵(lì)方程:
可以看到
在
以上所述均為本發(fā)明的較佳實(shí)案例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。