一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法

1.本发明属于电机控制领域，具体涉及一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法。


背景技术：

2.高频信号注入法(high frequency signal injection)在电机的无位置传感器控制、参数辨识和故障诊断等领域得到了广泛的应用。在对电机进行高频信号注入后，可通过采集并处理高频响应信号进行电机的转子位置辨识、电感在线测量以及故障诊断等。
3.在采用电压源逆变器供电的电机系统中，传统的高频信号注入是通过在电机参考电压矢量信号进入空间矢量脉宽调制(svpwm)算法之前叠加一定的高频信号实现的。然而受限于svpwm的调制性能，当注入信号的频率接近pwm载波频率时，调制出的高频电压存在较大的失真。在无位置传感器控制方面，高频电压的失真会引起位置辨识的误差，从而导致控制性能的下降，严重时甚至会影响系统的稳定性。在故障诊断方面，高频电压的失真会导致故障程度估计的误差。因此，为了减小高频电压失真的影响，在采用传统高频信号注入方法的场合，注入电压信号的频率大多限制在pwm载波频率的十分之一以内(开关频率为10khz时，注入频率不大于1khz)。
4.然而，无位置传感器控制的带宽与注入电压信号的频率紧密相关，提高注入电压信号的频率可以扩大控制带宽，有效提升电机的控制性能。故障诊断方面，尤其对于匝间短路等对电感产生影响的故障，提高注入电压信号的频率可以增大故障特征响应量，有利于提高故障诊断的灵敏度。因此，在无位置传感器控制、故障诊断、参数辨识中如何实现精确的、更高频率的高频信号注入，具有很重要的现实意义。
5.针对上述提出的问题，现提出一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法，该方法注入信号频率最高可达pwm载波频率的六分之五，且注入信号稳定可靠，不受电机工况变化等因素的影响。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法，具体包括如下步骤：
9.s1、高频信号注入
10.获得确定的频率选择和幅值给定；
11.s2、有效矢量生成
12.s3、开关状态插入
13.所述s2包括：
14.s2.1选择有效矢量循环序列
15.svpwm调制的有效基本电压矢量可表示为：
[0016][0017]
公式
①
中，vn为有效基本电压矢量，u
dc
为电压源逆变器直流侧电压；
[0018]
所对应的开关状态具体为：
[0019][0020]
公式
②
中，sa为a相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，sb为b相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，sc为c相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，当sa、sb或sc为1时，开关器件开通；反之当sa、sb或sc为0时，开关器件关断；
[0021]
s2.2、计算有效矢量注入时间；
[0022]
根据s1中的幅值给定以及s2.1选择的有效矢量循环序列，计算有效矢量持续时间ti并设定开关状态插入时间段，时长为ti的时间段设定在pwm周期的开头、中间或结尾阶段。
[0023]
进一步的，s1中注入信号的频率是pwm载波频率的5/6或2/3或1/3或1/6倍；
[0024]
s2.1中基于s1中注入的频率，选择对应的有效矢量循环序列，如图4所示，信号注入的频率为pwm载波频率5/6时，有效矢量循环序列为v1—v6—v5—v4—v3—v2；信号注入的频率为pwm载波频率2/3时，有效矢量循环序列为v1—v5—v3；信号注入的频率为pwm载波频率1/3时，有效矢量循环序列为v1—v3—v5；信号注入的频率为pwm载波频率1/6时，有效矢量循环序列为v1—v2—v3—v4—v5—v6；v1～v6为svpwm调制的有效基本电压矢量。
[0025]
进一步的，s2.2中ti根据拟注入电压幅值ui和电压源逆变器直流侧电压u
dc
计算求得；
[0026]
有效矢量循环序列为v1—v6—v5—v4—v3—v2时满足：
[0027][0028]
有效矢量循环序列为v1—v5—v3时满足：
[0029][0030]
有效矢量循环序列为v1—v3—v5时满足：
[0031][0032]
有效矢量循环序列为v1—v2—v3—v4—v5—v6时满足：
[0033][0034]
有效矢量开关状态插入时间段可设定在pwm周期的开头p1、中间p2或结尾p3阶段，
具体表示为：
[0035][0036]
ts为pwm的载波周期。
[0037]
进一步的，以p1时间段依次插入v1—v2—v3—v4—v5—v6的pwm波形为例，注入的电压空间矢量vi(t)可表示为：
[0038][0039]
对公式
⑧
做高频旋转变换此时vi(t)被变换到在高频正序旋转坐标系上，记为v
iph
(t)，表示为：
[0040][0041]
公式
⑨
中u
iphd
为v
iph
(t)在高频正序旋转坐标系d轴上的分量，u
iphq
为v
iph
(t)在高频正序旋转坐标系q轴上的分量，表示为：
[0042][0043][0044]uiphd
和u
iphq
中的直流分量u
iphd
和u
iphq
通过下式求出：
[0045][0046][0047]
所注入的高频电压幅值为：
[0048][0049]
在进行高频信号注入时，ui取值已知，此时根据下式求出具体ti的取值：
[0050]
[0051]
进一步的，s3具体为：根据s2确定的有效矢量循环序列以及设定的有效矢量开关状态插入时间段，在svpwm输出的pwm信号插入时间长度为ti的有效矢量开关状态，形成新的开关状态，根据有效矢量循环序列依次注入有效矢量，实现高频电压信号注入。
[0052]
进一步的，基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法适用于电机无位置传感器控制、故障诊断和参数辨识等需要高频信号注入的场合。
[0053]
本发明的有益效果：
[0054]
1、本发明提出的基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法，直接在svpwm的零矢量输出开关状态中插入有效矢量开关状态进行注入，每个pwm周期中固定的插入时间段保证了注入电压信号稳定可靠，不受电机工况变化等因素的影响；
[0055]
2、本发明提出的基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法，按特定的有效矢量循环序列进行注入，可以实现向电机注入最高频率达六分之五pwm载波频率的电压。
附图说明
[0056]
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，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。
[0057]
图1是本发明的高频信号注入的控制框图；
[0058]
图2是本发明的矢量控制下高频信号注入的控制框图；
[0059]
图3是本发明的高频信号注入流程图；
[0060]
图4是本发明的循环注入序列v1—v2—v3—v4—v5—v6的空间矢量示意图；
[0061]
图5是本发明的有效矢量开关状态插入时间段示意图；
[0062]
图6是本发明的p1时间段插入有效矢量v1开关状态的pwm波形图；
[0063]
图7是本发明的p1时间段依次插入v1—v2—v3—v4—v5—v6的pwm波形图。
具体实施方式
[0064]
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
如图1所示，本发明的基本思想是直接利用有效矢量构建旋转电压矢量，并直接在svpwm输出的连续的pwm信号中通过将零矢量输出开关状态中插入开有效矢量开关状态进行有效矢量的注入。
[0066]
以矢量控制下电压源逆变器供电的电机系统为例(其余的情况类似)的注入框图如图2所示。整体的高频电压注入流程如附图3所示，在启动高频信号注入后，首先获得确定的频率选择和幅值给定。根据频率选择选择有效矢量循环序列。
[0067]
本发明包括高频信号注入、有效矢量生成和开关状态插入三个环节，在高频信号注入环节，获得确定的频率选择和幅值给定，在有效矢量生成环节，根据频率选择选择有效矢量循环序列，根据幅值给定与选定的有效矢量循环序列，计算有效矢量注入时间长度ti，在开关状态插入环节，将确定的有效矢量以时间长度ti插入到原pwm信号中，形成新的开关
状态。根据有效矢量循环序列依次注入有效矢量，即可实现高频电压信号注入。
[0068]
一种基于电压源型逆变器的电机高频信号注入方法，具体包括如下步骤：
[0069]
s1、高频信号注入
[0070]
获得确定的频率选择和幅值给定，其中注入信号的频率可以是pwm载波频率的5/6或2/3或1/3或1/6倍。
[0071]
s2、有效矢量生成
[0072]
s2.1选择有效矢量循环序列
[0073]
基于s1中注入的频率，选择对应的有效矢量循环序列，如图4所示，信号注入的频率为pwm载波频率5/6时，有效矢量循环序列为v1—v6—v5—v4—v3—v2；信号注入的频率为pwm载波频率2/3时，有效矢量循环序列为v1—v5—v3；信号注入的频率为pwm载波频率1/3时，有效矢量循环序列为v1—v3—v5；信号注入的频率为pwm载波频率1/6时，有效矢量循环序列为v1—v2—v3—v4—v5—v6；其中，v1～v6为svpwm调制的6个有效基本电压矢量；
[0074]
svpwm调制的有效基本电压矢量可表示为：
[0075][0076]
公式
①
中，vn为有效基本电压矢量，u
dc
为电压源逆变器直流侧电压；
[0077]
所对应的开关状态具体为：
[0078][0079]
公式
②
中，sa为a相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，sb为b相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，sc为c相支路上桥臂功率开关器件的开关状态，当sa、sb或sc为1时，开关器件开通；反之当sa、sb或sc为0时，开关器件关断。
[0080]
s2.2、计算有效矢量注入时间
[0081]
根据s1中的幅值给定以及s2.1选择的有效矢量循环序列，计算有效矢量持续时间ti并设定开关状态插入时间段，时长为ti的时间段可设定在pwm周期的开头、中间或结尾阶段，其中ti可根据拟注入电压幅值ui和电压源逆变器直流侧电压u
dc
计算求得；
[0082]
有效矢量循环序列为v1—v6—v5—v4—v3—v2时满足：
[0083][0084]
有效矢量循环序列为v1—v5—v3时满足：
[0085][0086]
有效矢量循环序列为v1—v3—v5时满足：
[0087][0088]
有效矢量循环序列为v1—v2—v3—v4—v5—v6时满足：
[0089][0090]
有效矢量开关状态插入时间段可设定在pwm周期的开头p1、中间p2或结尾p3阶段，具体为表示为：
[0091][0092]
ts为pwm的载波周期。
[0093]
有效矢量开关状态插入时间段如图5中阴影部分所示，图6为p1时间段插入有效矢量v1开关状态的pwm波形图。图7为p1时间段依次插入v1—v2—v3—v4—v5—v6的pwm波形图，以此为例，此时注入的电压空间矢量vi(t)可表示为：
[0094][0095]
对公式
⑧
做高频旋转变换此时vi(t)被变换到在高频正序旋转坐标系上，记为v
iph
(t)，可表示为：
[0096][0097]
公式
⑨
中u
iphd
为v
iph
(t)在高频正序旋转坐标系d轴上的分量，u
iphq
为v
iph
(t)在高频正序旋转坐标系q轴上的分量，可表示为：
[0098][0099][0100]uiphd
和u
iphq
中的直流分量u
iphd
和u
iphq
可通过下式求出：
[0101][0102]
[0103]
所注入的高频电压幅值为：
[0104][0105]
在进行高频信号注入时，ui取值已知，此时可根据下式求出具体ti的取值：
[0106][0107]
s3、开关状态插入
[0108]
根据s2确定的有效矢量循环序列以及设定的有效矢量开关状态插入时间段，在svpwm输出的pwm信号插入时间长度为ti的有效矢量开关状态，形成新的开关状态，根据有效矢量循环序列依次注入有效矢量，即可实现高频电压信号注入。
[0109]
需要注意的是，本发明适用于电机无位置传感器控制、故障诊断和参数辨识等需要高频信号注入的场合。
[0110]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0111]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。