一种基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法

技术领域

本发明属于计算机辅助技术领域，具体涉及一种基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法。

背景技术

在使用单电流传感器采样逆变器直流母线电流的电流重构方案中，需要在有源基本电压矢量的作用时间内进行电流采样。当有源基本电压矢量的作用时间不足以实现电流传感器的稳定采样时，相电流信息缺失，引起重构死区问题。单电流传感器采样时刻与三相电流传感器采样时刻之间存在时间间隔，且单电流传感器在一个开关周期内的两个采样时刻之间也存在时间间隔，这两类时间间隔导致重构电流产生误差。

针对上述问题，一种改进的电流采样与重构方案被提出。通过逆变器开关状态相移(移相法)，将两个采样时刻之间的时间间隔固定为最小采样窗口时间，使得重构死区被转移至低调制区，并一定程度上减少了电流重构误差。

当永磁同步电机运行在中高速范围时，反电动势的信噪比较大。在使用改进的电流采样与补偿方案时，电流重构误差仍影响电机的控制性能。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法。

线性扩张观测器(LESO)拥有参数整定方便和稳定性分析容易的优点，可以被用来进行反电动势的观测。对于传统LESO存在的反电动势估计延迟问题，在改进的线性扩张观测器(ILESO)中，可以通过插入一个快速变化的正弦干扰估计器(RSIE)，以实现对等效反电动势的准确观测，可以使用观测器对其反电动势进行估计，进而获取其中的转子位置信息。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法，包括以下步骤：

基于单电流传感器的采样电流进行逆变器直流母线电流重构；

通过提取内置式永磁同步电机IPMSM的转子位置信息，根据转子位置信息建立线性扩张观测器LESO与内置式永磁同步电机的电压方程的状态方程；

根据线性扩张观测器LESO与内置式永磁同步电机的电压方程的状态方程及电流重构结果，估计内置式永磁同步电机的反电势，得到重构电流的误差；

根据重构电流的误差构建补偿重构电流误差传递函数，对重构电流进行补偿。

优选地，所述分析基于单电流传感器的采样电流进行逆变器直流母线电流重构，构建三个相电流，具体包括：

电机同一时刻的三相电流约束条件为i

电流采样时，采样时刻被移动到逆变器触发脉冲的下降沿，在触发脉冲的下降沿能够获取该下降沿之前的开关状态所对应的直流母线电流，对电流进行采样通过移相，使两次采样时刻的时间间隔固定为最小采样窗口时间T

分别在t

优选地，所述内置式永磁同步电机的电压方程的状态方程能够被写为在电流重构补偿方法IPMSM控制方法中，d轴电流i

优选地，使用线性扩张观测器LESO实现对扩展电动势[e

其中，β

IPMSM的电压方程写为非线性状态方程形式：

其中，u

再将扩展反电动势视为未知干扰项，使用两个线性扩张观测器LESO，将其用向量表示，即令，

其中，a＝-R

优选地，所述估计内置式永磁同步电机的反电势EMF的过程包括：

采样时间t

三相电流经过Clark变换为两相静止坐标，定义为α轴与β轴的电流误差，公式为：

其中，i

T

插入RSIE后，线性扩张观测器LESO的状态方程为：

进行拉普拉斯变换得：

其中，s为拉普拉斯变换之后的复变量，G(s)为转换函数，

RSIE的转换函数为：

其中，K

同样的，由于

令J(s)为改进后的观测器传递函数，即，

则估计内置式永磁同步电机的反电动势EMF表达为：

其中

优选地，补偿后的重构电流误差为：

K

K

其中，T

本发明提供的基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法具有以下有益效果：

本发明利用观测器的中间变量来估计电流在任意电压激励下的变化率，并同时估计电机的等效反电动势，进而在对重构电流进行补偿的同时观测转子位置，转子位置由单电流传感器和线性扩张观测器LESO估算，该观测器减少了系统中使用的传感器数量。LESO用于估计当前的变化率并补偿重建的电流，从而降低了系统的复杂性，降低了改进的电流采样与重构方案中的电流误差，有效提升了单电流传感器控制方案的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是使用单电流传感器的线性扩张观测器LESO控制方案的结构框图。

图2是插入电流补偿环节的改进线性扩张观测器LESO的结构框图。

图3是补偿电流误差传递函数矩阵的伯德图。

图4是使用本发明的方法得到的实际与重构电流仿真图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种基于LESO的单电流传感器电流重构补偿方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

(1)基于单电流传感器的采样电流进行逆变器直流母线电流重构，具体为基于单电流传感器进行逆变器直流母线电流重构，构建三个相电流。

(2)提取内置式永磁同步电机IPMSM的转子位置信息，根据转子位置信息建立线性扩张观测器LESO与内置式永磁同步电机的电压方程的状态方程。

(3)根据线性扩张观测器LESO与内置式永磁同步电机的电压方程的状态方程及电流重构结果，估计内置式永磁同步电机的反电势，得到重构电流的误差及其对观测器的影响。具体为采用线性扩张状态观测器和电流重构相结合的方法来估计内置式永磁同步电机的反电势，推导重构电流的误差及其对观测器的影响。

(4)根据重构电流的误差构建补偿重构电流误差传递函数，对重构电流进行补偿。

进一步的，在步骤(1)中，基于直流母线电流采样的三相电流重构方案可以将电流传感器安装在逆变器直流母线上，母线电流与相电流之间存在对应关系；电机同一时刻的三相电流约束条件可以写为i

进一步的，在步骤(2)中，内置式永磁同步电机(IPMSM)的电压方程可以被写为在IPMSM控制方法中，i

进一步的，在步骤(2)中，使用线性扩张观测器LESO实现对扩展电动势[e

状态方程可以使用线性扩张观测器LESO进行观测。观测器的状态方程可以写为：

其中，β

IPMSM的电压方程写为非线性状态方程形式：

其中，u

再将扩展反电动势视为未知干扰项，使用两个线性扩张观测器LESO，将其用向量表示，即令：

其中，a＝-R

定义正弦干扰估计器中

定义e

进一步的，在步骤(3)中，实际三相电流i

三相电流可经过Clark变换为两相静止坐标，定义为α轴与β轴的电流误差，公式为：

其中，i

T

对考虑重构误差的IPMSM电压方程进行修正，得到：

插入RSIE后，线性扩张观测器LESO的状态方程可以写为：

进行拉普拉斯变换得：

可得：

其中，s为拉普拉斯变换之后的复变量，G(s)为转换函数，

RSIE的转换函数为：

其中，K

同样的，由于

令J(s)为改进后的观测器传递函数，即：

则估计内置式永磁同步电机的反电动势EMF表达为：

进一步的，在步骤(3)中，当使用直流母线电流采样时，重构的三相电流存在误差，若直接使用重构电流作为等效反电动势观测器的输入，势必会对观测器的输出造成影响，可以得到：

其中，D

其中，

K

K

其中，T

将补偿后的电流作为观测器的输入，则加入补偿方法的观测器框图如图2所示。

等效反电动势观测器的干扰项中包含了常数项与观测器间的耦合误差项。不过，在中高速范围的应用中，由于等效反电动势的值远远大于D

进一步的，在步骤(4)中，将补偿后的电流公式写为：

其中，

其中，εi

但观测器的输出仍为：

同样的

且由

由此可以得到：重构电流误差εi

其中，表示估计电流重构误差。

整理可得到：

对其进行拉普拉斯变换，并整理得到：

为简化表示，令，

将上式带入初始补偿后的电流公式得到：

x

其中，K

带入ε

最终得到估计反电动势：

其中，

即估计等效反电动势的传递函数矩阵为：

K(s)＝J(s)((a-s)K

则补偿后的重构电流误差可以表达为：

K

K

其中，T

如图3所示，为补偿电流误差传递函数矩阵的伯德图，可以看出扇区I内，在电机的运行频率ω

当电压参考值位于其他扇区时，I(s)的伯德图也相似，补偿电流误差的增益都在-120dB以下。

使用传统开关状态移相与电流重构方案对三相电流进行重构，使用永磁同步电机作为逆变器的负载。电机控制过程中的电流环反馈来自重构三相电流，并使用重构三相电流作为LESO的输入，进而利用LESO估计的等效反电动势对电机控制过程中使用的转子位置(和转速)进行观测。被控电机运行在1500r/min，设置负载为5Nm。

在同样的转速参考值和负载下，将传统电流重构方案换为提出的电流重构与补偿方案，实际电流与补偿后的重构电流如图4所示。电流重构误差的标准差分别为0.0157A与0.0159A。

本发明对提出方案的数学模型进行了分析，得到了观测器与电流补偿误差的传递函数与频域响应，为后续研究的分析提供了基础。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。