本發(fā)明涉及逆變器控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種單相橋式逆變器反向電動(dòng)勢(shì)辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

過(guò)去的幾十年間，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，逆變技術(shù)在有源電力濾波、無(wú)功功率補(bǔ)償、交流電力拖動(dòng)上都有廣泛的應(yīng)用。在交流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角能夠快速準(zhǔn)確跟蹤預(yù)設(shè)值，其核心是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制，而逆變器輸出的交流電流直接決定轉(zhuǎn)矩的控制效果，電流脈動(dòng)體現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

在單相橋式逆變驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)負(fù)載的等效模型除了電阻、電感外，還有反向電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，若電機(jī)反向電動(dòng)勢(shì)大，會(huì)嚴(yán)重影響到電流的控制，從而影響到對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。因此如何觀測(cè)反向電動(dòng)勢(shì)，成為在電機(jī)控制中的重要問(wèn)題。反向電動(dòng)勢(shì)難以直接、準(zhǔn)確地獲得，一般通過(guò)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、外電壓、繞組電流等間接獲取。然而，在電機(jī)運(yùn)作及功率開關(guān)高頻通斷的電磁環(huán)境中，不論是接觸式或非接觸式的測(cè)量都難以避免噪聲的干擾。測(cè)量上的誤差會(huì)直接影響控制器的效果，而且從工程意義的角度，增加傳感器也意味著成本提高，同時(shí)也增加了一些不確定性。

對(duì)于電機(jī)反向電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了不少的研究。楊淑英丁大尉等基于反電動(dòng)勢(shì)滑模觀測(cè)器的異步電機(jī)矢量控制(《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》201620(10))，通過(guò)設(shè)計(jì)非奇異終端滑模觀測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)。本發(fā)明采用參數(shù)估計(jì)法，通過(guò)構(gòu)建增廣模型，設(shè)計(jì)龍貝格觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)。該方法原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，而且在系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)，負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，該方法依然能實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，抗干擾能力好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種單相橋式逆變器反向電動(dòng)勢(shì)辨識(shí)方法，利用構(gòu)建觀測(cè)器，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)矩陣，可實(shí)現(xiàn)反向電動(dòng)勢(shì)的快速準(zhǔn)確估算，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)等不確定因數(shù)具有很好的魯棒性，可以實(shí)現(xiàn)反向電動(dòng)勢(shì)的無(wú)傳感器跟蹤。

本發(fā)明一種單相橋式逆變器反向電動(dòng)勢(shì)辨識(shí)方法，包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)基爾霍夫電壓定律，將單相橋式逆變器帶電機(jī)負(fù)載的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的電路拓?fù)溆晒?1)表示：

其中，us為直流側(cè)輸入電壓，i是采樣電流，r、l分別代表電機(jī)的等效電阻和等效電感，ud為反向電動(dòng)勢(shì)，t代表時(shí)間，s1、s2、s3、s4代表單相橋式逆變器的四個(gè)開關(guān)，由控制器控制四個(gè)開關(guān)的打開和關(guān)斷，s為控制信號(hào)，其取值范圍為{-1,0,1}，當(dāng)s1、s4打開，s2、s3關(guān)斷時(shí)，s＝1，表示輸入側(cè)直流電壓正向輸入；當(dāng)s2、s3打開，s1、s4關(guān)斷時(shí)，s＝-1，表示輸入側(cè)直流電壓反向輸入；當(dāng)s1、s3打開，s2、s4關(guān)斷時(shí)，或者當(dāng)s2、s4打開，s1、s3關(guān)斷時(shí)，s＝0，表示沒(méi)有電壓輸入；

步驟2、在穩(wěn)定的工作情況下，反向電動(dòng)勢(shì)ud為正弦函數(shù)，將反向電動(dòng)勢(shì)ud寫成正弦形式：

其中，角頻率ω＝2πf，頻率f與繞組工頻電流一致，f＝50hz，t代表時(shí)間，相位幅值a為未知量，在后續(xù)步驟中通過(guò)龍貝格觀測(cè)器觀測(cè)出參數(shù)的值，即實(shí)現(xiàn)對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)ud的辨識(shí)；

將采樣的電流信號(hào)i與待觀測(cè)的反向電動(dòng)勢(shì)ud作為新的狀態(tài)量，建立增廣狀態(tài)空間模型：

其中，x1＝i，x2＝ud，u＝sus，是向量x的導(dǎo)數(shù)，y是輸出電流,r、l分別代表電機(jī)的等效電阻和等效電感；

步驟3、所述公式(3)表示的增廣狀態(tài)空間模型是一個(gè)線型定常系統(tǒng)，針對(duì)該模型設(shè)計(jì)一個(gè)龍貝格觀測(cè)器，觀測(cè)器方程為：

其中，表示x的觀測(cè)值，表示y的觀測(cè)值，參數(shù)矩陣ls＝[l1l2l3]^t為可調(diào)的數(shù)矩陣；定義誤差信號(hào)則誤差信號(hào)系統(tǒng)可表示為：

選擇合適的參數(shù)矩陣ls＝[l1l2l3]^t，使得當(dāng)t→∞時(shí)，狀態(tài)變量會(huì)收斂于x，即趨近于0，此時(shí)，龍貝格觀測(cè)器能夠觀測(cè)出狀態(tài)變量x2、x3，x2＝ud，利用李雅普諾夫以及拉塞爾不變集原理來(lái)證明該龍貝格觀測(cè)器的有效性；

步驟4、在實(shí)際系統(tǒng)中，采用反向差分的方法將上述觀測(cè)器方程進(jìn)行離散化：

其中，在步驟3已確定參數(shù)矩陣ls＝[l1l2l3]^t，k表示k時(shí)刻的電路情況，ts表示采樣時(shí)間，在k時(shí)刻的反相電動(dòng)勢(shì)ud通過(guò)公式(7)計(jì)算得到：

本發(fā)明基于單相橋式逆變器模型，建立增廣的狀態(tài)空間模型，根據(jù)模型設(shè)計(jì)一個(gè)龍貝格觀測(cè)器，得到誤差信號(hào)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)選取合適的狀態(tài)量，使得誤差系統(tǒng)收斂，從而觀測(cè)出系統(tǒng)的反向電動(dòng)勢(shì)。本發(fā)明能對(duì)單相橋式逆變器反向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確跟蹤，抗干擾性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)傳感器的反電動(dòng)勢(shì)辨識(shí)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中涉及單相橋式逆變器拓?fù)鋱D；

圖2是本發(fā)明中涉及線性時(shí)不變模型的反向電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)仿真圖。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的詳述。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的單相橋式逆變器拓?fù)淙鐖D1所示，us代表直流側(cè)輸入電壓，i是輸出電流，r、l分別代表電機(jī)的等效電阻和等效電感，ud代表反向電動(dòng)勢(shì)大小，s1、s2、s3、s4代表逆變器的四個(gè)開關(guān)，由控制器控制四個(gè)開關(guān)的打開和關(guān)斷，s{1,0,-1}代表控制信號(hào)，當(dāng)s1、s4打開，s2、s3關(guān)斷時(shí)，s＝1表示輸入側(cè)直流電壓正向輸入；當(dāng)s2、s3打開，s1、s4關(guān)斷時(shí)，s＝-1表示輸入側(cè)直流電壓反向輸入；當(dāng)s1、s3打開，s2、s4關(guān)斷時(shí)或者當(dāng)s2、s4打開，s1、s3關(guān)斷時(shí)，s＝0表示沒(méi)有電壓輸入。

本發(fā)明一種單相橋式逆變器反向電動(dòng)勢(shì)辨識(shí)方法，具體包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)基爾霍夫電壓定律，將單相橋式逆變器帶電機(jī)負(fù)載的電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的電路拓?fù)溆晒?1)表示：

其中，us為直流側(cè)輸入電壓，i是采樣電流，r、l分別代表電機(jī)的等效電阻和等效電感，ud為反向電動(dòng)勢(shì)，t代表時(shí)間，s1、s2、s3、s4代表單相橋式逆變器的四個(gè)開關(guān)，由控制器控制四個(gè)開關(guān)的打開和關(guān)斷，s為控制信號(hào)，其取值范圍為{-1,0,1}，當(dāng)s1、s4打開，s2、s3關(guān)斷時(shí)，s＝1，表示輸入側(cè)直流電壓正向輸入；當(dāng)s2、s3打開，s1、s4關(guān)斷時(shí)，s＝-1，表示輸入側(cè)直流電壓反向輸入；當(dāng)s1、s3打開，s2、s4關(guān)斷時(shí)，或者當(dāng)s2、s4打開，s1、s3關(guān)斷時(shí)，s＝0，表示沒(méi)有電壓輸入；

步驟2、在穩(wěn)定的工作情況下，反向電動(dòng)勢(shì)ud為正弦函數(shù)，其頻率為電網(wǎng)電壓50hz,將反向電動(dòng)勢(shì)ud寫成正弦形式：

其中，角頻率ω＝2πf，頻率f與繞組工頻電流一致，f＝50hz，t代表時(shí)間，相位幅值a為未知量，在后續(xù)步驟中通過(guò)龍貝格觀測(cè)器觀測(cè)出參數(shù)的值，即實(shí)現(xiàn)對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)ud的辨識(shí)；

將采樣的電流信號(hào)i與待觀測(cè)的反向電動(dòng)勢(shì)ud作為新的狀態(tài)量，建立增廣狀態(tài)空間模型：

其中，x1＝i，x2＝ud，u＝sus，是向量x的導(dǎo)數(shù)，y是輸出電流,r、l分別代表電機(jī)的等效電阻和等效電感；

步驟3、所述公式(3)表示的增廣狀態(tài)空間模型是一個(gè)線型定常系統(tǒng)，針對(duì)該模型設(shè)計(jì)一個(gè)龍貝格觀測(cè)器，觀測(cè)器方程為：

其中，表示x的觀測(cè)值，表示y的觀測(cè)值，參數(shù)矩陣ls＝[l1l2l3]^t為可調(diào)的數(shù)矩陣；定義誤差信號(hào)則誤差信號(hào)系統(tǒng)可表示為：

由公式(5)可知，參數(shù)矩陣ls直接決定了誤差信號(hào)系統(tǒng)的零點(diǎn)位置，進(jìn)而決定了誤差的收斂速度，換言之，通過(guò)選擇合適的矩陣ls＝[l1l2l3]^t，使得當(dāng)t→∞時(shí)，狀態(tài)變量會(huì)收斂于x，即趨近于0，則龍貝格觀測(cè)器能夠觀測(cè)出狀態(tài)變量x2、x3，x2＝ud，實(shí)現(xiàn)對(duì)ud的快速準(zhǔn)確辨識(shí)；利用李雅普諾夫以及拉塞爾不變集原理來(lái)證明該龍貝格觀測(cè)器的有效性；

步驟4、在實(shí)際系統(tǒng)中，本發(fā)明采用反向差分的方法將上述觀測(cè)器方程進(jìn)行離散化：

其中，在步驟3確定參數(shù)矩陣ls＝[l1l2l3]^t，k表示k時(shí)刻的電路情況，ts表示采樣時(shí)間，關(guān)于離散形式的穩(wěn)定性的證明本發(fā)明就不再贅述，可參考相關(guān)書籍，在k時(shí)刻的反向電動(dòng)勢(shì)ud通過(guò)公式(7)計(jì)算得到：

為了驗(yàn)證本發(fā)明中對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)的準(zhǔn)確性，可利用matlab軟件中的simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真，對(duì)該觀測(cè)方法的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性以及辨識(shí)速度進(jìn)行測(cè)試。圖2是本發(fā)明中關(guān)于線性時(shí)不變模型反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)的仿真圖，圖中的上圖為觀測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比圖，其中黃色為實(shí)際值，紅色為觀測(cè)值，由圖可知，在一個(gè)周波內(nèi)，觀測(cè)器能迅速地跟蹤上實(shí)際值；而且根據(jù)下圖誤差曲線圖可知，跟蹤誤差很小，觀測(cè)器能準(zhǔn)確跟蹤，說(shuō)明本發(fā)明所述的方法可行。

以上所述，僅是本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。