一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法及设备

1.本发明属于死区电压补偿相关技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法及设备。


背景技术：

2.永磁同步电机拥有众多的优点，使得其应用范围非常广泛。逆变器因为其上下桥臂要避免直接导通的特点，而产生了死区效应，死区效应造成电流畸变、转矩波动，特别是在低速情况下，造成的影响尤为明显和恶劣。
3.随着伺服系统在工业机器人、智能机器人和高端数控机床中的广泛应用，这些装备需要伺服系统拥有很高的低速性能表现，伺服系统在低速时的表现极大地影响着各种高端装备的定位精度和响应性能。
4.为了获得正弦度更好的相电流波形，一般通过死区补偿的方式消除死区效应的影响。由于死区引起的干扰电压与相电流的极性存在着密切联系，相电流极性判断出错导致的误补偿会引起电流出现更大的畸变，因此死区补偿的关键在于相电流过零点的检测，如专利201010566483.3、201010268341.9等都是直接根据a/d转换得到的检测值来判断相电流极性，其容易受到采样噪声的影响，发生误补偿的几率比较大。传统方法根据输出电压矢量的位置判断相电流极性，避免了电流采样噪声带来的不利影响，同时提出在特定电流区域中只需对其中一相输出电压进行补偿的策略，然而对“电压矢量和感应电动势之间的夹角”的计算方法只适用于稳态过程，对于转速与电流等工况处于频繁波动的伺服系统并不适用。
5.死区补偿算法目前主要分类三类：1.基于死区电压模型的补偿算法：需要直接或者间接获取电流极性，容易造成误补偿。2.基于死区时间补偿的算法：由于死区时间使得上桥臂或者下桥臂的作用时间减小，直接重新计算桥臂作用时间，同样需要直接或者间接获取电流极性造成误补偿。3.基于观测器的补偿算法：主要是基于模型观测的方法，利用前馈或者反馈补偿死区电压，如专利201110440513中用到了一种电压闭环控制补偿方法，但是需要检测线电压的传感器，增加了硬件成本。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法及设备，所述设备能够实时监测出d轴逆变器误差电压和q轴逆变器误差电压，并经过分数阶pi控制器实时补偿到永磁同步电机电流环控制系统中，分数阶pi控制器具有响应速度快，鲁棒性好的特点，能够让死区误差电压迅速收敛，从而极大的提高永磁同步电机电流环在低电流响应时的响应性能。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿设备，所述设备包括电流控制装置及分数阶死区电压补偿装置，所述电流控制装置包括q轴电流pi控制器及d轴电流pi控制器；所述死区电压补偿装置包括q轴电压
估计模块、d轴电压估计模块、q轴误差电压分数阶pi控制器及d轴电压分数阶pi控制器；
8.q轴电流pi控制器用于接收q轴参考电流值iqref和q轴电流iq，并依据接收到的q轴参考电流值iqref和q轴电流iq计算出q轴参考电压vq_ref；d轴电流pi控制器用于接收d轴参考电流值idref和d轴电流值id，并依据接收到的d轴参考电流值idref和d轴电流值id计算出d轴参考电压vd_ref；所述q轴电压估计模块的输入为q轴电流iq，其输出为q轴估计电压vq；q轴误差电压分数阶pi控制器的输入为来自q轴电流pi控制器的q轴参考电压vq_ref和来自q轴电压估计模块的q轴估计电压vq的差值，其输出为q轴补偿电压δvq；将q轴补偿电压δvq加到q轴参考电压vq_ref之上得到给逆变器的q轴实际指令电压vq*，将d轴补偿电压δvd加到d轴参考电压之上得到给逆变器的d轴实际指令电压vd*，将q轴实际指令电压vq*和d轴实际指令电压vd*经过ipark变换后，通过svpwm算法施加到逆变器上，经过逆变器输出给永磁同步电机，以消除逆变器死区电压误差造成的影响。
9.进一步地，q轴电流pi控制器和d轴电流pi控制器均为普通pi控制器，用于生成q轴参考电压vq_ref和d轴参考电压vd_ref，其具体公式为：
10.g
pi
＝kp+ki/s
11.err_q＝iq
ref-iq
12.vq_ref＝err_q*g
pi
13.err_d＝id
ref-id
14.vd_ref＝err_d*g
pi
15.其中，g
pi
为pi控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为拉普拉斯算子，iq
ref
为q轴参考电流值，iq为q轴电流值，id
ref
为d轴参考电流值，id为d轴电流值，vq_ref为q轴参考电压，vd_ref为d轴参考电压。
16.进一步地，q轴电压估计模块根据永磁同步电机q轴电压模型计算出q轴电压，其计算公式为：
[0017][0018]
式中：vq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电压，iq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电流，iq(k-2)表示第k-2个周期的q轴电流，id(k-1)表示第k-1个周期的d轴电流，we(k-1)表示第k-1个周期的电角速度，rs为电机电阻，lq为q轴电感，ld为d轴电感，λf为反电动势系数，ts为离散周期。
[0019]
进一步地，d轴电压估计模块的计算公式为：
[0020][0021]
式中，vd(k-1)表示第k-1个周期的d轴电压，id(k-1)表示第k-1个周期的d轴电流，id(k-2)表示第k-2个周期的d轴电流，iq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电流，we(k-1)表示第k-1个周期的电角速度，rs为电机电阻，lq为q轴电感，ld为d轴电感，ts为离散周期。
[0022]
进一步地，q轴误差电压分数阶pi控制器和d轴误差电压分数阶pi控制器的传递函数为：
[0023]gfopi
＝kp+ki/s
α
[0024]
式中，g
fopi
为fopi控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为拉普拉斯
算子，α为分数阶阶次。
[0025]
进一步地，将第k个周期的q轴误差电压估计值近似等于第k-1个周期的q轴误差电压，通过q轴误差电压分数阶pi控制器能够计算出q轴补偿电压δvq：
[0026]
err_vq(k)≈err_vq(k-1)＝vq_ref(k-1)-vq(k-1)
[0027]
δvq(k)＝err_vq(k)*g
fopi
[0028]
式中，err_vq(k)为第k个周期的q轴误差电压，err_vq(k-1)为第k-1个周期的q轴误差压，vq_ref(k-1)为第k-1个周期的q轴参考电压；vq(k-1)为第k-1个周期的q轴电压，δvq(k)为第k个周期的q轴补偿电压，g
fopi
为fopi控制器的传递函数。
[0029]
进一步地，将第k个周期的d轴误差电压估计值近似等于第k-1个周期的d轴误差电压，通过d轴误差电压分数阶pi控制器可以计算出d轴补偿电压δvd：
[0030]
err_vd(k)≈err_vd(k-1)＝vd_ref(k-1)-vd(k-1)
[0031]
δvd(k)＝err_vd(k)*g
fopi
[0032]
式中，err_vd(k)为第k个周期的d轴误差电压，err_vd(k-1)为第k-1个周期的d轴误差压，vd_ref(k-1)为第k-1个周期的d轴参考电压，vd(k-1)为第k-1个周期的d轴电压，δvd(k)为第k个周期的d轴补偿电压，g
fopi
为fopi控制器的传递函数。
[0033]
进一步地，q轴实际指令电压为：
[0034]
vq
*
(k)＝vq_ref(k)+δvq(k)；
[0035]
d轴实际指令电压为：
[0036]
vd
*
(k)＝vd_ref(k)+δvd(k)。
[0037]
按照本发明的另一个方面，提供了一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法，所述方法采用如上所述的永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿设备对永磁同步电机进行电压补偿。
[0038]
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，本发明提供的永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法及设备主要具有以下有益效果：
[0039]
1.分数阶pi控制器具有响应速度快，鲁棒性好的特点，能够让死区误差电压迅速收敛，从而极大地提高永磁同步电机电流环在低电流响应时的响应性能。
[0040]
2.采用在线死区电压补偿，并实时计算误差电压，补偿准确且补偿速度快，不需要检测电流极性，避免了极性检测带来的误差补偿。
[0041]
3.所述设备利用了分数阶控制器的响应速度快，鲁棒性好的特性，对于转速与电流等工况处于频繁波动的伺服系统等非稳态条件下依旧具有良好的补偿控制性能。
[0042]
4.相对于使用整数阶pi和不使用pi的死区补偿策略，本发明的q轴电流响应具有更快的响应速度，更小的转矩脉动。
附图说明
[0043]
图1是本发明提供的永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿设备的结构示意图；
[0044]
图2是采用永磁同步电机普通电流环pi控制的整体结构示意图；
[0045]
图3是本发明采用的q/d轴误差电压分数阶pi控制器的结构示意图；
[0046]
图4是采用本发明和采用普通电流环pi控制的q轴电流阶跃响应对比图；
[0047]
图5是采用本发明和采用普通电流环pi控制的d轴电流响应对比图；
[0048]
图6中的(a)、(b)分别是本发明和采用普通电流环pi控制的三相电流响应对比图。
具体实施方式
[0049]
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。
[0050]
请参阅图1及图3，本发明提供了一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿设备，所述设备包括电流控制装置及分数阶死区电压补偿装置，所述电流控制装置包括q轴电流pi控制器及d轴电流pi控制器。所述死区电压补偿装置包括q轴电压估计模块、d轴电压估计模块、q轴误差电压分数阶pi控制器及d轴电压分数阶pi控制器。
[0051]
所述电流控制装置主要用于生成d轴参考电压及q轴参考电压并控制d轴和q轴的电流。q轴电流pi控制器用于接收q轴参考电流值iqref和q轴电流iq，并依据接收到的q轴参考电流值iqref和q轴电流iq计算出q轴参考电压vq_ref。d轴电流pi控制器用于接收d轴参考电流值idref和d轴电流值id，并依据接收到的d轴参考电流值idref和d轴电流值id计算出d轴参考电压vd_ref。
[0052]
所述分数阶死区电压补偿装置主要用于计算逆变器带来的d轴误差电压及q轴误差电压，并借助分数阶pi控制器的快速响应和鲁棒性进行死区误差电压补偿。所述q轴电压估计模块的输入为q轴电流iq，其输出为q轴估计电压vq。q轴误差电压分数阶pi控制器的输入为来自q轴电流pi控制器的q轴参考电压vq_ref和来自q轴电压估计模块的q轴估计电压vq的差值，其输出为q轴补偿电压δvq。
[0053]
将q轴补偿电压δvq加到q轴参考电压vq_ref之上得到给逆变器的q轴实际指令电压vq*，将d轴补偿电压δvd加到d轴参考电压之上得到给逆变器的d轴实际指令电压vd*，将q轴实际指令电压vq*和d轴实际指令电压vd*经过ipark变换后，通过svpwm算法施加到逆变器上，经过逆变器输出给永磁同步电机，可以有效消除逆变器死区电压误差带来的电流畸变、转矩脉动和响应速度缓慢等不利影响。
[0054]
q轴电流pi控制器和d轴电流pi控制器均为普通pi控制器，用于生成q轴参考电压vq_ref和d轴参考电压vd_ref，其具体的传递函数公式为：
[0055]gpi
＝kp+ki/s
[0056]
err_q＝iq
ref-iq
[0057]
vq_ref＝err_q*g
pi
[0058]
err_d＝id
ref-id
[0059]
vd_ref＝err_d*g
pi
[0060]
其中，g
pi
为pi控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为拉普拉斯算子，iq
ref
为q轴参考电流值，iq为q轴电流值，id
ref
为d轴参考电流值，id为d轴电流值，vq_ref为q轴参考电压，vd_ref为d轴参考电压。
[0061]
q轴电压估计模块根据永磁同步电机q轴电压模型计算出q轴电压，其计算公式为：
[0062][0063]
式中：vq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电压，iq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电流，iq(k-2)表示第k-2个周期的q轴电流，id(k-1)表示第k-1个周期的d轴电流，we(k-1)表示第k-1个周期的电角速度，rs为电机电阻，lq为q轴电感，ld为d轴电感，λf为反电动势系数，ts为离散周期。
[0064]
d轴电压估计模块的计算公式为：
[0065][0066]
式中，vd(k-1)表示第k-1个周期的d轴电压，id(k-1)表示第k-1个周期的d轴电流，id(k-2)表示第k-2个周期的d轴电流，iq(k-1)表示第k-1个周期的q轴电流，we(k-1)表示第k-1个周期的电角速度，rs为电机电阻，lq为q轴电感，ld为d轴电感，ts为离散周期。
[0067]
q轴误差电压分数阶pi控制器和d轴误差电压分数阶pi控制器的传递函数为：
[0068]gfopi
＝kp+ki/s
α
[0069]
式中，g
fopi
为fopi控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为拉普拉斯算子，α为分数阶阶次。
[0070]
将第k个周期的q轴误差电压估计值近似等于第k-1个周期的q轴误差电压，通过q轴误差电压分数阶pi控制器可以计算出q轴补偿电压δvq：
[0071]
err_vq(k)≈err_vq(k-1)＝vq_ref(k-1)-vq(k-1)
[0072]
δvq(k)＝err_vq(k)*g
fopi
[0073]
式中，err_vq(k)为第k个周期的q轴误差电压，err_vq(k-1)为第k-1个周期的q轴误差压，vq_ref(k-1)为第k-1个周期的q轴参考电压；vq(k-1)为第k-1个周期的q轴电压，δvq(k)为第k个周期的q轴补偿电压，g
fopi
为fopi控制器的传递函数。
[0074]
将第k个周期的d轴误差电压估计值近似等于第k-1个周期的d轴误差电压，通过d轴误差电压分数阶pi控制器可以计算出d轴补偿电压δvd：
[0075]
err_vd(k)≈err_vd(k-1)＝vd_ref(k-1)-vd(k-1)
[0076]
δvd(k)＝err_vd(k)*g
fopi
[0077]
式中，err_vd(k)为第k个周期的d轴误差电压，err_vd(k-1)为第k-1个周期的d轴误差压，vd_ref(k-1)为第k-1个周期的d轴参考电压，vd(k-1)为第k-1个周期的d轴电压，δvd(k)为第k个周期的d轴补偿电压，g
fopi
为fopi控制器的传递函数。
[0078]
q轴实际指令电压为：
[0079]
vq
*
(k)＝vq_ref(k)+δvq(k)
[0080]
d轴实际指令电压为：
[0081]
vd
*
(k)＝vd_ref(k)+δvd(k)。
[0082]
以下以具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明：首先在matlab/simulink中建立永磁同步电机伺服系统死区补偿的仿真模型，电机模型参数为r＝0.3872欧姆、l＝4.37mh、j＝0.02727kg.m^2、b＝5.027n.m.s、p＝5，死区时间为2.2us；采用idref＝0的svpwm驱动方式进行电流闭环的iq电流阶跃响应实验，给定iqref＝1.536a，其中q轴电流pi控制器和d轴电流pi控制器的参数kp和ki通过对消永磁同步电机电磁环节和给定穿越频率
整定，给定穿越频率为5000hz，整定得到的kp＝1.5008，ki＝221.3782；q轴误差电压分数阶pi控制器和d轴误差电压分数阶pi控制器的参数kp、ki、α采用粒子群优化算法进行整定，整定的适应度指标采用q轴电流响应itae标准如下：
[0083][0084]
利用粒子群算法整定得到的q轴误差电压分数阶pi控制器的参数为kp＝1.6938、ki＝503.6825、α＝-0.7226。同时，利用粒子群算法整定得到的d轴误差电压分数阶pi控制器的参数为kp＝2.1861、ki＝503.68、α＝-0.6514。
[0085]
为了对比本实施方式的死区补偿效果，采用图2所示的普通电流环pi控制的q轴电流阶跃响应进行对比研究，图2所述的普通电流环pi控制同样采用iqref＝1.536a,idref＝0a,svpwm驱动方式。
[0086]
如图4所示，将本发明的分数阶pi在线补偿和无补偿普通电流环pi控制的q轴电流响应进行对比得到的结果，可以看到，本发明的分数阶pi在线补偿的响应速度要比无补偿普通电流环pi控制要快很多，从电流脉动情况上看，无补偿普通电流环pi控制的q轴电流脉动非常剧烈，分数阶pi在线补偿方法在抑制转矩脉动情况中起到了很好的作用，基本上仅仅有轻微的脉动。
[0087]
如图5所示，将本发明的分数阶pi在线补偿和无补偿普通电流环pi控制的d轴电流响应进行对比得到的结果，可以看到，从d轴电流波动情况上看，无补偿普通电流环pi控制的d轴电流波动非常剧烈，分数阶pi在线补偿方法在控制id＝0的能力要远远强于无补偿普通电流环pi控制，证明分数阶pi在线补偿方法对抑制d轴电流波动有很好的效果。
[0088]
如图6所示，将本发明的分数阶pi在线补偿方法和无补偿普通电流环pi控制的三相电流响应进行对比得到的结果，由于死区效应主要造成电流畸变和零点电流钳位，容易观察到分数阶pi在线补偿方法的零点电流钳位时间要远远小于无补偿普通电流环pi控制的零点电流钳位时间；可以看到，无补偿普通电流环pi控制在稳态时相对于理想三相正弦波已经发生了很大的畸变，而分数阶pi在线补偿方法在稳态时相对于理想三相正弦波仅仅发生了很小的畸变，证明分数阶pi在线补偿方法对消除零点电流钳位时间和电流畸变有很好的效果。
[0089]
本发明还提供了一种永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿方法，所述方法采用如上所述的永磁同步电机电流环死区电压的在线补偿设备对永磁同步电机进行电压补偿。
[0090]
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。