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申请/专利权人：西南交通大学

摘要：本发明公开了一种基于高阶扩展状态观测器的逆变器死区效应补偿方法，具体为：逆变器死区效应引起系统误差电压分析；根据感应电机的电压模型设计用于估计误差电压的二阶扩展状态观测器；针对二阶扩展状态观测器无法有效估计误差电压信号，设计三阶扩展状态观测器；根据三阶扩展状态观测器在抛物线信号输入作用下存在稳态误差的问题，设计四阶扩展状态观测器对误差电压进行估计；将四阶扩展状态观测器用于感应电机矢量控制系统中，对误差电压d、q轴分量进行估计，并将其补偿到系统控制回路中，实现感应电机驱动系统逆变器死区效应的有效补偿。本发明显著改善死区效应补偿效果；可在多工况下实现良好的死区效应补偿性能，且结构简单，易于实现。

主权项：1.一种基于高阶扩展状态观测器的逆变器死区效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：逆变器死区效应引起系统误差电压分析；逆变器死区时间为Td时，当A相电流iA0时，实际的电压脉宽与理想的电压脉宽相比变窄，反之则变宽，变化幅度为Td；加入死区后A相的实际输出电压脉宽为： 式中，T*A、TA为A相的理想电压脉宽、实际输出电压脉宽；sgn·为符号函数，且有： 式中，y为符号函数变量；根据式1，考虑死区效应后，A相输出电压为： 式中：Ts为开关周期；进一步，A相误差电压ΔUAO为： 假设逆变器带三相对称负载，其中性点为N，由逆变器死区产生的负载误差电压为：ΔUAN＝ΔUAO+ΔUON5式中，ΔUAN为A相负载误差电压；ΔUON为直流侧中点O与负载中性点N之间的误差电压；对于三相对称负载，各相误差电压之和为0，根据式5得直流侧中点与负载中性点间的误差电压为： 将式4、6代入式5得每相负载误差电压分别为： 根据Clark变换、Park变换，得到两相旋转d-q坐标系下的误差电压傅里叶级数表达式： 式中，ΔUd、ΔUq为误差电压d、q轴分量；A＝[1n-1]sin[nωt-δ+δ]，B＝[1n+1]sin[nωt-δ-δ]，C＝[1n-1]cos[nωt-δ+δ]，D＝[1n+1]cos[nωt-δ-δ]；δ＝tan-1isdisq为电流矢量与q轴的夹角；ω为电角频率；k＝1,2,3,…,n；步骤2：根据感应电机的电压模型设计用于估计误差电压的二阶扩展状态观测器；由感应电机d轴电压状态空间方程： 式中，isd、isq分别为电机定子d、q轴电流；usd、usq分别为电机定子d、q轴电压；Rs、Rr分别为电机定子电阻、转子电阻；Ls、Lr、Lm分别为电机定子自感、转子自感、定转子互感；ψrd、ψrq分别为转子d、q轴磁链；ωs、ωr分别为电机定子角速度、转子角速度；参数a＝RrLm2+RsLr2σLsLr2，b＝LmσLsLr，ku＝1σLs，ξr＝1Tr，Tr＝LrRr为电机转子时间常数，σ＝1-Lm2LsLr为电机漏磁系数；根据ESO将系统内、外部扰动视为一个整体的原则，将usd视为误差，其余项视为控制变量，得到用于估计d轴误差电压的二阶ESO表达式： 式中，bud＝-aisd+ωsisq+bξrψrd+bωrψrq+kuusd，上标“^”表示变量的估计值，e1为isd的实际值与估计值之间的误差；为了简化ESO在实际应用中的参数整定过程，二阶ESO的参数被配置如下： 式中，ω0为ESO的带宽；根据式10，二阶ESO的误差动力学方程为： 式中，e2为Δusd的实际值与估计值之间的误差；由式12推导出误差估计值与实际误差之间的关系： 式中，s表示微分算子；根据式13，二阶ESO的误差电压估计误差传递函数Ed2s被表示为： 误差电压d、q轴分量的信号类型主要体现为斜坡信号和抛物线信号，假设不同的输入信号表达式如下： 式中，v和w分别代表两种信号的增益；在斜坡信号和抛物线信号输入作用下，二阶ESO系统的稳态误差essdr2和essdp2分别为： 由式16和17可知，传统的二阶ESO难以对d轴误差电压进行有效估计，从而死区效应补偿性能欠佳，因此提出了基于高阶ESO的死区效应补偿方法；步骤3：针对二阶扩展状态观测器无法有效估计误差电压信号，设计三阶扩展状态观测器；估计d轴误差电压的三阶ESO表达式为： 式中，x3为所定义的高阶扰动变量；三阶ESO参数选择为： 三阶ESO的误差动力学方程为： 式中，e3为x3的实际值与估计值之间的误差；由式20推导出误差估计值与实际误差之间的关系，进一步得到三阶ESO的误差电压估计误差传递函数Ed3s，如式22所示； 在斜坡信号输入作用下，三阶ESO系统的稳态误差essdr3为： 不同工况下d轴误差电压可能体现出抛物线变化的趋势，在抛物线信号输入作用下，三阶ESO系统的稳态误差essdp3为： 可见三阶ESO系统在抛物线信号输入作用下存在稳态误差，因此需要更高阶的ESO对d轴误差电压进行估计并补偿；步骤4：根据三阶扩展状态观测器在抛物线信号输入作用下存在稳态误差的问题，设计四阶扩展状态观测器对误差电压进行估计；基于四阶ESO的d轴误差电压估计方法可以被表示为： 式中，x4为所定义的高阶扰动变量；四阶ESO参数选择为： 四阶ESO的误差动力学方程为： 式中，e4为x4的实际值与估计值之间的误差；由式27推导出误差估计值与实际误差之间的关系，进一步得到四阶ESO的误差电压估计误差传递函数Ed4s，如式29所示； 在斜坡信号和抛物线信号输入作用下，四阶ESO系统的稳态误差essdr4和essdp4均为零： 可见四阶ESO能够对斜坡变化和抛物线变化的d轴误差电压进行有效估计，从而提升死区效应补偿性能；在q轴误差电压估计过程中，除感应电机q轴电压状态空间方程与d轴电压状态空间方程不同之外，其余的分析及设计过程与d轴误差电压估计完全一致，且q轴误差电压所体现的信号类型也为斜坡信号或抛物线信号，所以q轴误差电压也可使用上述方法对其进行估计；步骤5：将所设计的四阶扩展状态观测器用于感应电机矢量控制系统中，对误差电压d、q轴分量进行估计，并将其补偿到系统控制回路中，实现感应电机驱动系统逆变器死区效应的有效补偿。

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