一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法与流程

本发明属于异步电机位置传感器信号校正领域，更具体地，涉及一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法。

背景技术：

间接磁场定向控制(indirectfield-orientedcontrol,ifoc)具有实现简单、动态响应快和可靠性高的优点，因此在异步电机控制器中得到广泛应用。间接磁场定向技术需要精确的转子位置，对位置传感器提出了较高要求。旋转变压器(简称旋变，resolver)作为一种常见的位置传感器，由于其高可靠性，被大量使用于恶劣的工作环境。由于旋变自身存在非线性特性，其提供给电机的位置信号中含有周期性误差。旋变周期性误差的存在使得异步电机电流控制器中用到的d轴电流、q轴电流与实际值存在偏差，从而导致相电流畸变与转矩脉动，电流畸变与转矩脉动还将产生振动噪声，恶化电机性能。

现有的周期性误差补偿方法主要有几种：使用高精度编码器在各个位置获得准确的位置信号，与旋变输出的位置信号相减，得到位置误差并作离线记录，然后在实际控制器中使用查表法对位置误差进行补偿；通过抑制d轴电流的谐波补偿位置误差；使用椭圆拟合法作误差补偿；利用相电流谐波作误差补偿，其中用到了pi控制器。

上述几种方法存在一些缺陷，分别是：使用高精度编码器的方法需要额外的高精度位置传感器来获得准确的位置信号，增加了系统成本；抑制d轴电流谐波的方法必须考虑电流环的带宽等因素的影响，增加控制器计算负担；椭圆拟合所需的dsp存储空间非常大；利用相电流谐波的方法只考虑了周期性误差的幅值，没有考虑其相位，并且使用pi控制器调节不够迅速。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法，其目的在于，在不增加系统成本的前提下，实现运算量少且高精度的旋变周期误差补偿。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法，包括：

(1)对检测得到的定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量

(2)对检测得到的定子三相电流iabc进行滤波，得到三相基波电流iabc(1)，根据所述三相基波电流的相位生成虚拟三相电流并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

(3)计算所述可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p，在给定时间t内对叉积p的绝对值求和，得到

(4)将补偿信号幅值设为初始值并保持不变，在n1个周期内根据对补偿信号相位进行迭代更新，将第n1个周期对应的补偿信号相位作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号相位

其中，为k+1个周期对应的补偿信号相位，第为第k个周期对应的补偿信号相位，g1为第一梯度，为相邻两个周期内的变化量，为相邻两个周期对应的补偿信号相位的变化量，

(5)将步骤(4)得到的补偿信号相位保持不变，在n2个周期内根据对补偿信号幅值进行迭代更新，将第n2个周期对应的补偿信号幅值作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号幅值得到完整的补偿信号

其中，θp(m+1)为m+1个周期对应的补偿信号幅值，第θpm为第m个周期对应的补偿信号幅值，g1为第二梯度，δθp为相邻两个周期对应的补偿信号幅值的变化量，δθp＝θpm-θp(m-1)，n为旋变周期性误差的阶次，为补偿后的转子位置；

(6)将补偿信号与旋转变压器输出的转子位置相减实现对旋变周期性误差的补偿，得到补偿后的转子位置

进一步地，所述虚拟三相电流分别为为常数，分别为三相基波电流iabc(1)的相位。

进一步地，通过公式计算所述可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿系统，包括：

可调电流矢量获取模块，用于对检测得到的定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量

参考电流矢量获取模块，用于对检测得到的定子三相电流iabc进行滤波，得到三相基波电流iabc(1)，根据所述三相基波电流的相位生成虚拟三相电流并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

矢量叉乘单元，用于计算可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p，并在给定时间t内对叉积p的绝对值求和，得到

补偿信号相位获取模块，用于将补偿信号幅值设为初始值并保持不变，在n1个周期内根据对补偿信号相位进行迭代更新，将第n1个周期对应的补偿信号相位作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号相位其中，为k+1个周期对应的补偿信号相位，第为第k个周期对应的补偿信号相位，g1为第一梯度，为相邻两个周期内的变化量，为相邻两个周期对应的补偿信号相位的变化量，

补偿信号幅值获取模块，将补偿信号相位保持不变，在n2个周期内根据对补偿信号幅值进行迭代更新，将第n2个周期对应的补偿信号幅值作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号幅值得到完整的补偿信号其中，θp(m+1)为m+1个周期对应的补偿信号幅值，第θpm为第m个周期对应的补偿信号幅值，g1为第二梯度，δθp为相邻两个周期对应的补偿信号幅值的变化量，δθp＝θpm-θp(m-1)，n为旋变周期性误差的阶次，为补偿后的转子位置；

转子位置补偿模块，用于将补偿信号与旋转变压器输出的转子位置相减实现对旋变周期性误差的补偿，得到补偿后的转子位置

进一步地，所述虚拟三相电流分别为为常数，分别为三相基波电流iabc(1)的相位。

进一步地，通过公式计算所述可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p。

本发明还提供了一种间接磁场定向异步电机控制系统，包括上述基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿系统，或采用上述基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法对异步电机进行间接磁场定向控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明首先根据电机定子三相电流分别得到可调电流矢量和参考电流矢量，先观测得到用来补偿的周期性误差的相位，再观测得到用来补偿的周期性误差的幅值，能够同时对旋变周期性误差进行相位和幅值补偿，由于使用了变步长的梯度下降法，当补偿信号远离周期性误差时步长较大，当补偿信号接近周期性误差时步长较小，最后步长非常小，使得补偿信号充分接近周期性误差，因此，本发明方法补偿精度高，能够有效解决周期性误差引起的相电流畸变与转矩脉动问题。

(2)本发明采用梯度下降法进行补偿信号相位和幅值的更新，相对于传统的pi控制，梯度下降法的收敛速度更快，使得辨识周期性误差的相位及幅值的速度大大提高。

(3)本发明方法不需要使用高精度编码器做离线的误差标定，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误差补偿，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，在线误差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。

(4)本发明方法不依赖于机电参数，其中，用于根据叉积运算结果得到周期性误差幅值及相位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是现有的间接磁场定向异步电机控制系统示意图；

图2是本发明实施例提供的旋变周期性误差幅值相位补偿方法流程图；

图3是本发明实施例提供的包括本发明幅值相位补偿系统的间接磁场定向异步电机控制系统示意图；

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为空间矢量脉宽调制模块，004为异步电机，005为电流传感器，006为旋转变压器，007为速度计算模块，008为转差计算模块，009为转子磁链位置计算模块，010为坐标变换模块，011为旋变周期性误差幅值相位补偿系统，012为可调电流矢量获取模块012，013为参考电流矢量获取模块，014为矢量叉乘单元，015为补偿信号相位获取模块，016为补偿信号幅值获取模块，017为转子位置补偿模块，018为基于无功功率的转子时间常数辨识模块。

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。

在介绍本发明的技术方案之前，首先对现有的间接磁场定向异步电机控制系统进行简单介绍。如图1所示，现有的间接磁场定向异步电机控制系统包括：速度控制器001、电流控制器002、空间矢量脉宽调制模块003、永磁同步电机004、电流传感器005、旋转变压器006、速度计算模块007以及坐标变换模块008；速度控制器001通过比较转速指令值ωr^*与转速反馈值ωr，并利用pi控制器计算得到d轴、q轴电流的指令值idq^*；电流控制器002通过比较d轴、q轴电流指令值idq^*与反馈值idq，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udq^*；空间矢量脉宽调制模块003经过调制，将期望的电压uabc施加于异步电机004；异步电机004的相电流iabc由电流传感器005测得，转子位置由旋转变压器006测得；速度计算模块007根据旋转变压器006提供的位置信号计算得到转子速度ωr，反馈给速度控制器001；转差计算模块008根据d轴、q轴电流的指令值idq^*与已知的转子时间常数tr计算转差ωf；转子磁链位置计算模块009根据转差计算模块提供的转差ωf与旋转变压器006提供的转子位置计算得到转子磁链位置θe；坐标变换模块010根据电流传感器005提供的相电流iabc与旋转变压器006提供的位置信号通过坐标变换得到d轴、q轴电流idq，反馈给电流控制器002；旋转变压器006提供的位置信号同时被空间矢量脉宽调制模块003用于电压矢量的调制。

上述控制系统中，由于旋转变压器006输出的位置信号直接被速度计算模块007与转子磁链位置计算模块009使用，当旋转变压器输出的位置信号中存在周期性误差时，反馈给速度控制器001的转子速度将出现误差，反馈给电流控制器002的d轴、q轴电流值将与实际值存在偏差，空间矢量脉宽调制模块003也将受到影响。旋变周期性误差最终将导致相电流畸变，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。为在线补偿旋变周期性误差，本发明提出一种新的补偿方法，使间接磁场定向异步电机控制系统获得精确的转子位置信号。

参考图2，本发明实施例一方面提供的一种基于梯度下降法的旋变周期性误差幅值相位补偿方法，包括：

(1)对检测得到的定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量其中，iα、iβ为可调电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；

(2)对检测得到的定子三相电流iabc进行滤波，得到三相基波电流iabc(1)，根据所述三相基波电流的相位生成虚拟三相电流并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

其中，为常数，根据设置，分别为三相基波电流iabc(1)的相位，为参考电流矢量在静止两相坐标系下的坐标；

(3)计算所述可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p，在给定时间t内对叉积p的绝对值求和，得到

具体地，传统的叉积计算公式为本发明根据坐标变换的原理，通过公式计算所述可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p，能够减少坐标变换的次数，从而降低控制器的计算负担。

(4)将补偿信号幅值设为初始值并保持不变，在n1个周期内根据对补偿信号相位进行迭代更新，将第n1个周期对应的补偿信号相位作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号相位其中，为k+1个周期对应的补偿信号相位，第为第k个周期对应的补偿信号相位，g1为第一梯度，为相邻两个周期内的变化量，为相邻两个周期对应的补偿信号相位的变化量，

具体地，本发明实施例n1取100，具体应用中n1根据位置信号的精度要求取值，精度要求越高，取值越大。

(5)将步骤(4)得到的补偿信号相位保持不变，在n2个周期内根据对补偿信号幅值进行迭代更新，将第n2个周期对应的补偿信号幅值作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号幅值得到完整的补偿信号其中，θp(m+1)为m+1个周期对应的补偿信号幅值，第θpm为第m个周期对应的补偿信号幅值，g1为第二梯度，δθp为相邻两个周期对应的补偿信号幅值的变化量，δθp＝θpm-θp(m-1)，n为旋变周期性误差的阶次，为补偿后的转子位置；

具体地，令θp0＝0，θp1＝0.02，n2取100，具体应用中n2取值方法同n1。

(6)将补偿信号与旋转变压器输出的转子位置相减实现对旋变周期性误差的补偿，得到补偿后的转子位置

运用上述旋变周期性误差幅值相位补偿方法，改进现有的间接磁场定向的异步电机控制系统，如图3所示。改进前后的间接磁场定向的异步电机控制系统，差别在于有无旋变周期性误差补偿系统011和基于无功功率的转子时间常数辨识模块018。旋变周期性误差补偿系统011的两个输入端分别连接至电流传感器005和旋转变压器006，并且其输出端分别连接至速度计算模块007和转子磁链位置计算模块009。旋变周期性误差补偿系统011与上述方法各个步骤实施过程对应，包括：可调电流矢量获取模块012，用于对检测得到的定子三相电流iabc进行克拉克坐标变换，得到可调电流矢量可调电流矢量包括基波电流矢量和谐波电流矢量；参考电流矢量获取模块013，具体包括：锁相环、正弦波发生器和坐标变换单元；锁相环，用于根据检测得到的定子三相电流iabc，得到三相基波电流相位；正弦波发生器，用于根据三相基波电流相位生成虚拟三相电流第二坐标变换模块，用于对虚拟三相电流进行克拉克坐标变换，得到参考电流矢量其中，参考电流矢量仅包含基波电流矢量；矢量叉乘单元014，用于计算可调电流矢量与参考电流矢量的叉积p，并在给定时间t内对叉积p的绝对值求和，得到该叉积即为基波电流矢量与谐波电流矢量的叉积，充分反映了旋转变压器周期性误差的幅值、相位、阶次等性质；补偿信号相位获取模块015，用于将补偿信号幅值设为初始值并保持不变，在n1个周期内根据对补偿信号相位进行迭代更新，将第n1个周期对应的补偿信号相位作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号相位其中，为k+1个周期对应的补偿信号相位，第为第k个周期对应的补偿信号相位，g1为第一梯度，为相邻两个周期内的变化量，为相邻两个周期对应的补偿信号相位的变化量，补偿信号幅值获取模块016，将补偿信号相位保持不变，在n2个周期内根据对补偿信号幅值进行迭代更新，将第n2个周期对应的补偿信号幅值作为最终用于补偿旋变周期性误差的补偿信号幅值得到完整的补偿信号其中，θp(m+1)为m+1个周期对应的补偿信号幅值，第θpm为第m个周期对应的补偿信号幅值，g1为第二梯度，δθp为相邻两个周期对应的补偿信号幅值的变化量，δθp＝θpm-θp(m-1)，n为旋变周期性误差的阶次，为补偿后的转子位置；转子位置补偿模块017，用于将补偿信号与旋转变压器输出的转子位置相减实现对旋变周期性误差的补偿，得到补偿后的转子位置基于无功功率的转子时间常数辨识模块018辨识得到转子时间常数tr*，并提供给转差计算模块008。

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。