一种转子磁场定向偏差在线校正方法和装置与流程

本发明涉及基于转子磁场定向的异步电机矢量控制技术领域，更具体地说，涉及一种转子磁场定向偏差在线校正方法和装置。

背景技术：

基于转子磁场定向的异步电机矢量控制将定子电流解耦成励磁电流和转矩电流，实现了转子磁链和转矩的独立控制，具有良好的控制性能。转子磁场定向准确是异步电机矢量控制获得良好控制性能的关键，转子磁场定向角度与转子磁场实际角度之间的偏差越大，控制性能就越差。因此，有必要对转子磁场定向偏差进行在线校正。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种转子磁场定向偏差在线校正方法和装置，以提高转子磁场定向准确性，从而保证基于转子磁场定向的异步电机矢量控制获得良好控制性能。

一种转子磁场定向偏差在线校正方法，包括：

在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制中，利用磁链观测器获取转子磁链幅值观测值

根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，根据公式计算当前电机互感lm下对应的稳态转子磁链幅值i^*d为异步电机定子d轴给定电流；

计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差iq为异步电机定子q轴反馈电流；

由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc，补偿角度θc叠加当前转子磁场定向角度作为校正后的转子磁场定向角度。

可选的，所述根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，包括：

基于离线标定出的电机互感lm与转子磁链幅值观测值之间的数据对应关系表，根据转子磁链幅值观测值查表得到当前电机互感lm。

可选的，所述获取转子磁链幅值观测值包括：

获取由自适应全阶状态观测器观测到的转子磁链幅值

可选的，所述计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差后，还包括：对偏差进行死区处理得到偏差计算公式为

其中为设定阈值；

对应的，所述由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc，替换为：由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc。

可选的，所述替换为：

为设定阈值。

可选的，所述由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc后，还包括：对补偿角度θc进行限幅处理。

一种转子磁场定向偏差在线校正装置，包括：

观测值获取单元，用于在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制中，利用磁链观测器获取转子磁链幅值观测值

期望值计算单元，用于根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，根据公式计算当前电机互感lm下对应的稳态转子磁链幅值i^*d为异步电机定子d轴给定电流；

偏差计算单元，用于计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差iq为异步电机定子q轴反馈电流；

校正单元，用于由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc，补偿角度θc叠加当前转子磁场定向角度作为校正后的转子磁场定向角度。

可选的，所述观测值获取单元具体用于基于离线标定出的电机互感lm与转子磁链幅值观测值之间的数据对应关系表，根据转子磁链幅值观测值查表得到当前电机互感lm。

可选的，所述观测值获取单元具体用于获取由自适应全阶状态观测器观测到的转子磁链幅值

可选的，所述转子磁场定向偏差在线校正装置还包括：

限幅单元，用于对补偿角度θc进行限幅处理。

从上述的技术方案可以看出，本发明根据转子磁链幅值的期望值与观测值之间的偏差确定转子磁场定向偏差，通过对转子磁链幅值的期望值与观测值之间的偏差进行闭环调节来间接实现转子磁场定向偏差的闭环校正。而且，所述期望值的确定仅利用电机互感参数获得，也即是说本发明利用非常少的电机参数实现了转子磁场定向偏差在线校正，从而尽量避免了电机参数随外界环境变化所导致的校正精度降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种基于转子磁场定向的异步电机无速度传感器矢量控制系统框图；

图2为本发明实施例公开的一种转子磁场定向偏差在线校正方法流程图；

图3为本发明实施例公开的一种自适应全阶状态观测器结构示意图；

图4为本发明实施例公开的又一种转子磁场定向偏差在线校正方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种转子磁场定向偏差在线校正装置结构示意图；

图6为本发明实施例公开的又一种转子磁场定向偏差在线校正装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开的转子磁场定向偏差在线校正方法和装置，应用于基于转子磁场定向的异步电机矢量控制系统，例如图1所示基于转子磁场定向的异步电机无速度传感器矢量控制系统。

图1所示基于转子磁场定向的异步电机无速度传感器矢量控制系统，具体内容如下：

异步电机定子d、q轴给定电流i^*d和i^*q以及异步电机定子d、q轴反馈电流id和iq通过dq轴电流调节器运算得到异步电机定子d、q轴给定电压u^*d和u^*q，u^*d和u^*q经过反park变换(即从dq坐标系到αβ坐标系的变换)得到异步电机定子α、β轴给定电压u^*α和u^*β，u^*α和u^*β通过svpwm模块转换成三相占空比，所述三相占空比叠加死区补偿模块输出的补偿占空比，得到最终的三相占空比信号控制逆变器功率管的开通和关断。其中，所述死区补偿模块的输入信号为三相定子电流通过clark变换(即从abc坐标系到α-β坐标系的变换)得到的异步电机定子α、β轴反馈电流iα和iβ；id和iq由iα和iβ通过park变换(即从α-β坐标系到d-q坐标系的变换)得到。

iα和iβ以及异步电机定子α、β轴给定电压u^*α和u^*β通过转速、磁链观测器观测得到电机转速以及转子磁链α、β轴分量和和输入幅值、角度计算模块中，将和进行矢量求和得到转子磁链幅值观测值通过反正切函数或锁相环计算得到转子磁场定向角度叠加本发明在线校正得到的补偿角度θc从而获得准确的转子磁场定向角度用于上述park变换、反park变换，实现了高性能、高可靠性的异步电机无速度传感器矢量控制。

由于转子磁场定向角度偏差会影响异步电机d、q轴实际电流的分配，使得实际励磁电流偏离期望励磁电流，从而实际转子磁链幅值会偏离期望转子磁链幅值，所以转子磁场定向偏差会通过转子磁链幅值期望值与转子磁链幅值观测值之间的偏差进行体现。基于此，本发明实施例根据与之间的偏差确定当前需要的补偿角度θc，通过转子磁链观测器闭环调节转子磁链幅值来实现转子磁场定向偏差的闭环校正。

基于以上描述，本发明实施例公开的一种转子磁场定向偏差在线校正方法如图2所示，包括：

步骤s01：在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制中，利用磁链观测器获取转子磁链幅值观测值

具体的，为了保证磁链观测器观测到的转子磁链幅值的准确性，本发明实施例推荐采用如图3所示的自适应全阶状态观测器作为磁链观测器，其利用实际电流与观测电流误差作为反馈量对观测器本身进行闭环校正，具有较好的鲁棒性以及低速性能。

所述自适应全阶状态观测器的结构如图3所示，包括：将第一运算值+第二运算值-第三运算值的运算结果作为积分器(即1/s)的输入，该积分器的输出为(三相定子电流观测值)和(表示图1中的和矢量)，与矩阵c的乘积为其中，所述第一运算值为usαβ(usαβ表示图1中的uα和uβ矢量)与矩阵b的乘积，所述第二运算值为isαβ(isαβ表示图1中的iα和iβ矢量)与做差后与矩阵g的乘积，所述第三运算值为与矩阵a的乘积；矩阵a以电机转速为自变量，是由转速自适应率pi调节器根据isαβ与之差以及计算得到。其中：

g为反馈矩阵，根据系统实际需求选择；

上述各参数含义如下：

ls：电机定子自感；lr：电机转子自感；lm：电机互感；rs：电机定子电阻；rr：电机转子电阻；kp：转速自适应率pi调节器比例系数；ki：转速自适应率pi调节器积分系数；σ：漏磁系数；α轴电流误差；β轴电流误差；τr：转子时间常数。

步骤s02：根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，根据公式计算得到当前电机互感lm下对应的稳态转子磁链幅值iq为异步电机定子q轴反馈电流。

具体的，为了消除磁场饱和效应引起的电感变化，本发明实施例推荐事先离线标定出电机互感lm与转子磁链幅值观测值之间的数据对应关系，存入表中，系统运行时根据转子磁链幅值观测值查表得到当前电机互感lm，用于后续计算。本发明实施例将当前电机互感lm下计算得到的稳态转子磁链幅值作为转子磁链幅值期望值

步骤s03：计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差iq为异步电机定子q轴反馈电流。

具体的，本发明实施例计算与之差经过符号处理函数得到所述符号处理函数根据iq的正负号确定的正负号，这样就可适用于电动和发电工况，iq为负值时对应得到的适用于发电工况，iq为正值时对应得到的适用于电动工况。

步骤s04：由pi调节器对偏差放大后得到补偿角度θc，补偿角度θc叠加当前转子磁场定向角度作为校正后的转子磁场定向角度

具体的，所述步骤s04中pi调节器表达式为其中kp和ki为pi调节器比例、积分参数，可根据实际系统进行参数整定。由于本校正方法主要针对稳态磁链，因此需要将pi调节器动态响应整定的慢一些，也可以利用积分器代替pi调节器。

由以上描述可知，本发明实施例根据转子磁链幅值的期望值与观测值之间的偏差确定转子磁场定向偏差，通过对转子磁链幅值的期望值与观测值之间的偏差进行闭环调节来间接实现转子磁场定向偏差的闭环校正。而且，所述期望值的确定仅利用电机互感参数获得，也即是说本发明实施例利用非常少的电机参数实现了转子磁场定向偏差在线校正，从而尽量避免了电机参数随外界环境变化所导致的校正精度降低。

需要说明的是，由于本发明实施例不需要采用速度值采样值进行异步电机转子磁场定向偏差在线校正，所以本发明实施例可以应用于有速度传感器矢量控制系统也可以是应用于无速度传感器矢量控制系统。

可选的，本发明实施例还对进行死区处理，以防止由于计算误差导致补偿角度θc在小范围内频繁跳动。对应的技术方案例如图4所示，包括：

步骤s11：在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制中，利用磁链观测器获取转子磁链幅值观测值

步骤s12：根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，根据公式计算得到当前电机互感lm下对应的稳态转子磁链幅值iq为异步电机定子q轴反馈电流。

步骤s13：计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差iq为异步电机定子q轴反馈电流。

步骤s14：对进行死区处理，得到计算公式为

其中为设定阈值，例如0.01。

步骤s15：由pi调节器对偏差放大后得到补偿角度θc，补偿角度θc叠加当前转子磁场定向角度作为校正后的转子磁场定向角度

或者，本发明实施例也可对进行死区处理，以防止由于计算误差导致补偿角度θc在小范围内频繁跳动。对应的技术方案为：将所述步骤s03中的替换为：

为设定阈值；

然后将当前计算得到的用于后续计算。

可选的，基于上述公开的任一实施例，在得到补偿角度θc后，还包括：对补偿角度θc进行限幅处理，以避免补偿角度θc过大或过小而导致校正错误。

具体的，对补偿角度θc进行限幅处理得到θc1的限幅函数为

补偿角度上下限值θch、θcl可根据实际系统取值，如

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种转子磁场定向偏差在线校正装置，如图5所示，包括：

观测值获取单元100，用于在基于转子磁场定向的异步电机矢量控制中，利用磁链观测器获取转子磁链幅值观测值

期望值计算单元200，用于根据转子磁链幅值观测值确定当前电机互感lm，根据公式计算当前电机互感lm下对应的稳态转子磁链幅值i^*d为异步电机定子d轴给定电流；

偏差计算单元300，用于计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差iq为异步电机定子q轴反馈电流；

校正单元400，用于由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc，补偿角度θc叠加当前转子磁场定向角度作为校正后的转子磁场定向角度。

可选的，所述观测值获取单元100具体用于基于离线标定出的电机互感lm与转子磁链幅值观测值之间的数据对应关系表，根据转子磁链幅值观测值查表得到当前电机互感lm。

可选的，上述公开的任一装置实施例中，所述观测值获取单元100具体用于获取由自适应全阶状态观测器观测到的转子磁链幅值

可选的，上述公开的任一装置实施例中，偏差计算单元300在计算稳态转子磁链幅值与转子磁链幅值观测值之间的偏差后，还用于对偏差进行死区处理得到偏差计算公式为

其中为设定阈值；

对应的，校正单元400由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc，替换为：由pi调节器或积分器对偏差放大后得到补偿角度θc。

或者，上述公开的任一装置实施例中，偏差计算单元300中进行的如下计算替换为：

为设定阈值。

可选的，上述公开的任一装置实施例中，如图6所示，所述转子磁场定向偏差在线校正装置还包括：限幅单元500，用于对补偿角度θc进行限幅处理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。