基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统及策略

摘要

本发明公开了一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统及策略，包括：对三相电流进行Clark及Park变换，得到d、q轴电流；通过改进EPLL策略对含有转子位置信号的q轴电流进行幅值提取，q轴高频信号幅值得到预估转速及角度，q轴二次谐波信号正负值修正角度；直流信号进行PI调节，得到d、q轴实际电压；对d、q轴实际电压进行Park逆变换，得到α、β轴电压；对逆变器进行调制控制电机。本发明能实现电机在低速情况下的无位置运行，获得预估转子位置信号，在脉振高频信号注入法的基础上，改善了滤波器的延迟问题，简化了信号提取过程，在响应速度以及信号提取精度上具有优越性。

说明书

技术领域

本发明属于无位置传感器控制技术领域，更具体地说是一种基于脉振高频信号注入法的信号提取改进策略。

背景技术

永磁同步电机以其高效率、小体积和易控制、显著的长寿命和可靠性等特点在调速领域显现优势，在要求高控制精度和高可靠性的场合如舰船推进、数控机床、机车牵引、电动汽车和家用电器等许多领域获得极为广泛的应用，成为各国学者的研究热点。

以电动工具为例，其工作环境以及安装要求较高，传统的机械传感器难以满足其加工精度以及工作要求，所以无位置技术显得尤为重要。为了满足低速下转子位置跟踪稳定、带载能力强等条件，选用了脉振高频信号注入法作为方案。

脉振高频信号注入法由于需要额外注入高频信号，同时转子位置信号中夹杂直流分量以及二次谐波等信号波，因此，如何准确提取各频率信号显得尤为重要。传统的信号提取方案是通过设计的带通、低通等滤波器，经过调制输出信号幅值，由于提取方案存在带通、低通滤波器，引入了幅值误差以及相位偏移，且造成了软件延时，系统相对复杂等问题。同时，提取效果完全取决于滤波器的处理效果，因而提取效果不佳。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统，通过并联EPLL实现高频信号幅值的提取策略。

技术方案：一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统实现方案，包括：电源电路、整流器、逆变器、电机、电机负载模块、电机电流采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、并联EPLL信号分析模块、高频信号PI模块，积分处理模块、直轴正方向判断模块、角度修正模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、脉宽调制模快；

所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；

所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；

所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制电机；

所述电机负载模块为外部负载，用于电机加载/卸载；

所述电机电流采集模块用于采集电机三相电流，并发送至Clark变换模块；

所述Clark模块用于将电机三相电流转换为αβ轴电流，并发送至Park变换模块；

所述Park变换模块用于将αβ轴电流转换为d轴实际电流、q轴实际电流，并发送至并联EPLL信号分析模块；

所述并联EPLL信号分析模块用于采集电机所需的各频率信号，并发送至高频信号PI模块、d轴电流PI模块、q轴电流PI模块以及直轴正方向判断模块；

所述高频信号PI模块用于将q轴高频信号幅值收敛到零，得到预估转子位置信号，并发送到转速误差模块；

所述积分处理模块用于将预估转速积分处理后得到预估转子位置角；

所述直轴正方向模块用于判断转子位置角是否偏差180度，并发送标志位到角度修正模块修正预估转子位置角；

所述角度修正模块用于对转子角进行修正，并发送到Park变换以及逆变器模块；

所述转速误差模块用于将给定转速与所述信号处理计算得到的预估电机转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；

所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴电流矢量，并发送至q轴电流误差模块；

所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴实际基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；

所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴实际基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；

所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴实际电压，并发送至电压park逆变换模块；

所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴实际电压，并发送至电压park逆变换模块；

所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块，从而在电机预估d、q轴电流上得到转子位置信号；

所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至脉宽调制模块；

所述脉宽调制模块为空间矢量脉宽调制，用于根据αβ轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。

进一步的，所述电机为永磁同步电机。

一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统实现方案，包括以下步骤：

实时采集单相交流输入电压、输入电流、直流母线电压幅值及相位，实时采集电机三相电流；

对所述的电机abc三相电流进行Clark变换，得到αβ轴电流，对所述αβ轴电流进行Park变换，得到d、q轴实际电流；

计算给定电机转速与所述电机预估转速的误差，并对转速误差进行PI调节；计算d轴给定电流、q轴给定电流；

计算d、q轴给定电流与实际d、q轴电流误差，并对电流误差进行PI调节，得到d、q轴电压实际值；

在预估d、q轴上注入高频余弦信号波，与d、q轴电压实际值叠加得到计算电压；

对d、q轴计算电压进行Park逆变换，得到αβ轴电压；

根据αβ轴电压、母线电压，对逆变器进行SVPWM调制，并通过逆变器控制电机。

进一步的，所述信号提取的策略包括如下步骤：

三相电流通过Clark、Park变换模块得到d轴实际电流、q轴实际电流，通过并联EPLL信号分析模块提取基波分量以及高频分量、二次谐波分量的幅值，基波分量发送至d、q轴电流误差模块，高频分量幅值经过PI收敛到零，得到预估转子位置，二次谐波分量进行直轴正方向判断，修正预估转子位置角。

进一步的，所述信号提取的策略原理如下：

假设系统在预估d、q轴上注入高频电压信号，如式(1)：

式中，为系统注入电压高频信号，U_mh为注入高频电压信号幅值，ω_h为注入高频电压信号频率；

注入的高频电压信号与经过d、q轴电流PI模块的d、q轴电压相叠加，经过Park逆变换以及SVPWM调制，并通过逆变器控制电机；

通过电机电流采集模块得到三相电流，并进行Clark变换，得到αβ轴电流，对所述αβ轴电流进行Park变换，得到d、q轴实际电流，通过信号采集得到高频电流信号

计算理想系统注入高频电压信号在电机预估d、q轴产生的电流如式(2)所示：

式中，为预估角度与实际角度的误差；

提取信号，通过高频信号PI模块，将信号幅值收敛到零，得到预估转速，再经过滤波处理后得到实际预估转速

预估转速积分后得到角度误差Δθ，并发送到转速误差模块以及Park变换及逆变换；

进一步的，所述并联EPLL信号分析原理如下：

分析q轴实际电流波形，发现电流信号中含有基波、高频信号波以及二次谐波等。因此，通过并联EPLL幅值环，给定高频信号波以及二次谐波的频率，从而提取各频率信号。

EPLL具有幅值预估环以及相位/频率估计环，且相互具有线性解耦，因此可以简化EPLL模型，提取固定频率的相位幅值，并连基波提取、高频信号提取以及二次谐波提取环节，构成了并联EPLL分析模型。

进一步的，所述相位补偿方案如下：

实验中，由于受软件延时、干扰以及电机定子电阻的影响，提取信号的相位产生偏移。过大的相位偏移导致了提取幅值的波动，影响了幅值的准确提取。在实际信号波中，通过对进行锁相环得到高频信号的相位偏移。

进一步的，所述参数计算如下：

假设输入u＝U_i>i，输出为y＝U₀>0；

定义当φ_i逐渐接近到φ₀，得到幅值环：

满足时间常量即对于固定频率从而确定μ₁的值。

定义同理，在小信号系统下，最终得到频率/相位环：

化简得到：

最终得到相位/频率环：

选择参数：

式中ω_r为信号频率基准值，为相位系数，U_i为输入信号幅值。

有益效果：

通过改进并联EPLL方案对信号波进行提取，在频率固定的情况下，简化EPLL方案，使用幅值环提取含有转子位置的信号幅值，简化了系统。同时，在多频率叠加的信号波中，使用并联的EPLL幅值环，分别提取基波分量、高频信号以及二次谐波的幅值，简单方便。并且在固定频率的基础上，通过对q轴电流高频分量进行EPLL频率/相位环补偿相位。相较于以往的滤波器调制的信号提取方案，信号提取更快，系统更加简便，提取幅值没有衰减。因此，以提取幅值更加优越为前提，实现电机脉振高频信号注入法在低速下带载运行，优化了转子位置估计的准确性和鲁棒性，增强无位置控制系统的稳定性及实用性，控制简单有效；简化信号提取环节，根据理论推导得到解耦的EPLL幅值环，在固定频率下提取指定频率的信号幅值，达到准确、快速的信号提取目的，同时增强系统鲁棒性及实用性；简化了系统所需的带通滤波器的设计过程，避免了带通滤波器引入的延时、相位偏移及幅值损耗等问题，且参数通过理论可以整定，避免了调节的复杂性，简化了调节过程，有效增加了信号提取的快速性和准确性。另一方面，准确和快速的提取信号使得信号中含有的转子位置信号更加精确，转子位置估计更加精确、快速，误差减小。

附图说明

图1为本发明一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统结构框图。

图2为本发明脉振高频信号提取流程图。

图3为本发明EPLL结构框图。

图4为本发明并联EPLL结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开了一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统，图1为本发明的系统结构框图，包括：电源电路、整流器、逆变器、电机、电机负载模块、电机电流采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、并联EPLL信号分析模块、高频信号PI模块，积分处理模块、直轴正方向判断模块、角度修正模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、脉宽调制模快；

所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；

所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；

所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制电机；

所述电机负载模块为外部负载，用于电机加载/卸载；

所述电机电流采集模块用于采集电机三相电流，并发送至Clark变换模块；

所述Clark模块用于将电机三相电流转换为αβ轴电流，并发送至Park变换模块；

所述Park变换模块用于将αβ轴电流转换为d轴实际电流、q轴实际电流，并发送至并联EPLL信号分析模块；

所述并联EPLL信号分析模块用于采集电机所需的各频率信号，并发送至高频信号PI模块、d轴电流PI模块、q轴电流PI模块以及直轴正方向判断模块；

所述高频信号PI模块用于将q轴高频信号幅值收敛到零，得到预估转子位置信号，并发送到转速误差模块；

所述积分处理模块用于将预估转速积分处理后得到预估转子位置角；

所述直轴正方向模块用于判断转子位置角是否偏差180度，并发送标志位到角度修正模块修正预估转子位置角；

所述角度修正模块用于对转子角进行修正，并发送到Park变换以及逆变器模块；

所述转速误差模块用于将给定转速与所述信号处理计算得到的预估电机转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；

所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴电流矢量，并发送至q轴电流误差模块；

所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴实际基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；

所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴实际基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；

所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴实际电压，并发送至电压park逆变换模块；

所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴实际电压，并发送至电压park逆变换模块；

所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块，从而在电机预估d、q轴电流上得到转子位置信号；

所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至脉宽调制模块；

所述脉宽调制模块为空间矢量脉宽调制，用于根据αβ轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。

一种基于并联EPLL的脉振高频信号注入法信号提取系统，包括以下步骤：实时采集电机三相电流I_a、I_b、I_c；对电机abc三相电流进行Clark变换，得到αβ轴电流i_α、i_β，对αβ轴电流进行Park变换，得到d、q轴实际电流i_d、i_q；通过提取d、q轴实际电流i_d、i_q信号中的高频分量幅值，经过PI控制收敛到零，得到预估转速通过积分得到预估角度，再与i_q信号中二次谐波信号进行角度校正，得到预估角度提取计算给定电机转速n*与所述预估电机转速的误差，并对转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流i_q*；计算d、q轴给定电流与实际d、q轴电流误差，并对电流误差进行PI调节，得到d、q轴电压实际值u_d、u_q；在预估d、q轴上注入高频信号，与d、q轴电压实际值叠加得到d、q轴计算电压u_d*、u_q*；对d、q轴计算电压进行Park逆变换，得到αβ轴电压u_α、u_β；根据αβ轴电压、母线电压，对逆变器进行SVPWM调制，并通过逆变器控制电机。

如图2所示为脉振高频信号提取流程图。

脉振高频信号提取，包含以下步骤：

实时采集的电机三相电流I_a、I_b、I_c通过Clark、Park变换得到d、q轴实际电流i_d、i_q经过并联EPLL信号提取，分别提取固定频率的基波、高频信号以及二次谐波分量幅值，对q轴实际电流i_q高频分量进行频率/相位环进行相位锁定，提取的高频幅值经过PI控制收敛到零，得到预估转速通过积分得到预估角度

所示并联EPLL信号提取系统流程图，包括并联EPLL幅值提取、高频信号相位补偿、高频信号PI模块、直轴正方向判断以及预估转子位置模块。

如图3所示为EPLL结构框图。

图中，ω_i＝ω_n+Δω_i为输入频率，φ_i＝ω_nt+Δφ_i为输入相位

假设输入u＝U_i>i，输出为y＝U₀>0；

对于频率/相位环，误差为：

对于幅值环，误差为：

对于系统小信号分析，定义当φ_i逐渐接近到φ₀，能够得到：

当提取信号满足：1、提取频率不变，相位存在偏差不大；2、只提取幅值大小，对频率要求较低。

此时，可以得到幅值环与相位环线性解耦。同时，满足时间常量即对于固定频率从而确定μ₁的值。

并联EPLL设计方案：

如图4所示为并联EPLL结构框图。

假设输入含有基波、高频信号以及二次谐波，u＝U_0i>0i+U_1i>i+U_2isin>i

同理，存在：

x＝e>0＝(U_0i>0i+U_1i>i+U_2i sin>i-U₀>00-U₁>0-U₂ sin>0)>

同样进行小信号分析，能够得到：

因此可以分别提取基波信号以及高频信号、二次谐波的幅值。

所述相位补偿方案：

我们不忽略电阻、基频、转子磁链等因素时，重新建立脉振高频信号注入法高频激励方程：

可以看到存在相位偏移，且相位偏移实时变化，同时相位偏移较大时，幅值提取影响很大。因此，对于含有转子信号的高频信号，我们必须进行相位补偿。

在高频幅值环基础上，重新加上频率/相位环，锁定此时的相位，避免相位偏移造成的影响。

以上所述均为本发明的较佳实案例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。