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ＱＱ ：］§ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 高新技术 基于谐波检测的无速度传感器控制 变频器速度估计 黄夫海董艳雪 （临沂师范学院信息学院山东临沂２７６００５） 摘要：为了克服速度估计中对电机参数的依赖性，一些学者提出了利用基于齿谐波信号中与转速相关的频率成分来提取转速的思 想。因此，转速估计就是从齿谐波信号中提取相关频率，根据其与转速的关系推算转速。转速是时变的，且要实现转速闭环控制，因 而要求检测算法计算量小，能跟踪时变信号，尤其在低速情况下需解决测量灵敏度和抗干扰问题，这些都是目前无速度传感器矢量控 制技术急需解决的关键技术。本文主要研究基于递推最小二乘算法的快速谐波检测算法，以满足转速辩识对快速性和灵敏度的要求。 关键词：无速度传感器变频器 齿谐波数字信号处理最小二乘算法 中图分类号：ＴＨ１ ３２．４３ 文献标识码：Ａ 无速度传感器矢量控制方式的基本控制思想是进行磁通观测 和速度观测。本文所要做的研究就是利用定子电流齿谐波法进行 速度估计。这种方法主要依靠数字信号处理技术进行谐波分析及 谐波信号频率的提取。如今广泛采用的ＦＦＴ技术、自相关功率 谱估计法以及ＡＲ模型等现代谱估计技术的不足之处在于，为保 证估计精度，往往所需采样时间相对较长，实时能力相对较差， 并且极易受噪声干扰的影响，造成低速下有较大的估计误差。总 之，低速下的抗干扰问题、测量灵敏度问题和实时处理能力问题 时这种方法有待解决的主要问题。因此要想真正将这种方法实用 化尚需从理论和技术处理上做出努力。 本文研究的目的就是要解决低速下测量灵敏度和抗干扰的问 题。解决低速运行下所存在的问题对于此方法的实用化具有重大 的意义。 幅值很小以至于在全驱动操作范围内无法检测到。因此我们需 要一个完整的检测算法来从线电流频谱中选择正确的谐波。假 设电机在额定滑差频率之外不工作。首先，算法通过简单的在 频谱中寻找最大的谐波来检测到基频内。然后，算法在接下来 将要说明的频率范围内寻找转子齿谐波ｆｓｈ。无负载时电机速度 被定义为窗的最大频率ｆｓｈＯ，并可以通过下面的（１—５）式来 计算。窗的最小频率由式（１＿７）来定义。式（卜６）表示依赖于电 机滑差频率的齿谐波频率。 。＝（ 一 ）ｆｏＰ （１ ５１ （１、１ ６） ｕ， ｆｓｈ＝ 一兰ｆｓｈ＝ Ｐ 删（１７） 额定的滑差频率（ 删 ）得自电机的金属机械特性。 １．用齿谐波进行速度检测的相关算法 如果滑差为５．３３ ，额定速度（５０Ｈｚ）其相应的额定滑差频 如果电机带负载，那么转子电流、转子齿电动势谐波也将 有气隙磁通的基本成分相互影响。因此，气隙磁通被转子齿槽 率为２．６７ＨＺ。对于有２８个转子齿槽、２个磁极对数的电机，产生的两个谐波成分调制，这两个谐波成分的频率为（ｚ／Ｐ） 其规定的齿谐波检测所需的窗为３８ＨＺ。检测算法会认为在式 ４—７）所规定的范围内的最大幅值的谐波（其阶数不是基频 ０３ ｒ ４－０３ ０。假使有一正弦分布的气隙磁动势，其磁通密度可 （的整数倍）为齿谐波。这种假设在大多数电机操作的情况下都 是存在的。应当注意的是：如果机器总是作为电动机进行操 作，那么检测算法的窗应为【［ｓｈＯ—Ａ［ｓｈ，［ｓｈＯ】。实际中， ＋ Ｉ ｃｏｓ【（ ＋ｏ６）ｔ一（ｐ＋ｚ１ ＋ Ｉ】 Ｐ７ （卜１） 电动机能产生检测算法的窗将是【［ｓｈＯ—Ａ［ｓｈ，［ｓｈ０一Ａ ＋Ｂ，２ ｃｏｓ【（ ＋ —ｆｐ＋ｚ１ ＋ ２】 ‘ ｆｓｈ】。还应当注意，此窗是不依赖于电机速度的，对于任何 其中 ，１ ｒ２，是相位角。磁通密度将引起一定子绕组 电动势，因而定子电流谐波频率为 ＝ ｑ± Ｐ （１—２） ｃ【都是相同的。 式（卜２）和式（卜３）明确的说明了电机转速的检测依赖于两个 此式依赖于转速。事实上，气隙磁动势不是按正弦分布 的，而是包含有由集总绕产生的空谐波。这将引起更多的出现 在气隙磁通密度，与速度相关的谐波成分 ７ ＝ ±％ （卜３）、 其中ｃ【＝±ｋ（Ｋ为正整数）是气隙磁通谐波的阶数。则 ：号 ＋ ） ｆ１—４） 其中［ｓｈ是齿谐波频率。这种方法需要知道转子齿槽的数量 （由于／ｓｈ和内是通过对定子电流的谱分析得到的）。根据Ｋ， Ｄ，Ｈｕｒｓｔ的关于转子齿槽获得的方法。对于Ｚ ２８，ｐ＝２的感应 电机在无负载（ ， ０）的情况下，实验研究表明第一个齿 谐波在内处，相应于式（１—４）中ｃ【＝１。另一个齿谐波被发 现在１ ７／＇０处，此时ｃ【＝一３。通过对线电流频谱的直接观测， 发现这两个谐波在任何电机速度和负载的情况下总是存在。二 需要更昂贵的处理器。 阶齿谐波被发现在更高的频率处（２３／０和２５／０），但它们的 数字滤波器有许多优点，这使得它可以考虑被用做检测转 ４ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＯＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ 变量的测量，也就是基频和转子齿谐波频率（ＲＳＨ）。电机输出 的电压和电流信号中由于存在着噪声，即使是在正弦源信号的情 况下，检测所需要的频率成分也不是一件容易的事情。低负载和 低转速的情况下，利用模拟方法检测齿谐波是不可行的。基于快 速傅立叶变换（ＦＦＴ）的算法，包含参数ｚ和Ｐ的式（卜５）和式（卜 ７）规定了检测随负载变化的齿谐波（ＲＳＨ）的检测范围。此检测 范围也随着电源基频而自我调整。为了减少快速傅立叶变换 （ＦＦＴ）本身的局限性，象谱泄露和低效，因此使用了现代谱估 计方法。通常是用线形预测模型，这种模型是利用过去和现在的 抽样数据来预测信号未来的抽样数据。 使用参数的方法包括几种批处理方法和递推方法。批处理 方法有最大熵方法，协方差方法和Ｐｒｏｎｙ方法。递推方法包括基 于最小均方（ＬＭＳ）的预测自适应技术，快速递推最小二乘法 （ＦＲＬＳ）和卡尔曼（Ｋａｌｍａｎ）算法。相比较于快速傅立叶变换 （ＦＦＴ），以上的方法都能有效的减少时间，因此能快速的更新速 度。然而，它们却没有快速傅立叶变换（ＦＦＴ）的可靠性，而且 维普资讯 http://www.cqvip.com
高新技术 子齿谐波（ＲＳ Ｈ）和计算转速。由于它ｆｉ’１本身递归的特性， 无限冲击响应（ＩＩＲ）可以用于实时操作。这里将要介绍的速 度辩识算法就是基于无限冲击响应（ＩＩＲ）数字滤波器，并且 利用递推的最小二乘算法（Ｒ ＬＳ）来估计参数。不同于其他 任何基于频谱的速度辩识器，这种辩识器不需要检测程序。 ２ 速度辩识算法 定子电流信号ｉ（ｔ），以下面的随即模型来近似的描述 ＳＣｌＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＱＯＲＱ Ｑ：ＭＡＴＩＯＮ 】§ 遗忘因子 （ｎ）控制着算法的收敛。它对于更有效的消除噪声影 响和更好的跟踪随时间变化的参数起到很重要的作用。在速度辩 识器中选择 ＝０．９９，而选择 （０）＝０．９。式（２－６）￣Ｉ式（２—７） 之间测量到一组新的数据，在用式（２－８）计算出新的协方差矩 阵后，得到新的数据向量 （力＋１）。新的数据向量 （力＋１） 是通过数据队列的移动得到，也就是队列上方的数据移出队列， 新的数据移入队列。在返回到式（２－６）之前，ｎ增加１。 ｔ秒为周期的抽样后，可以用 从定子电流中得到的抽样数据使递推的辩识器调整参数以 ｉ（ｎ）∑∑Ａ ｓｉｎ（ 一。± ）＋ ，１＿ 其中Ｉ１＝０，１，２，．．．是正整数， ／． 个正整数，ｍ是时间谐波的阶次，ｋ是空间谐波的阶次，Ｍ 随着得到的新的电流抽样数据，速度的估算值也相应的得 及估计转子齿谐波（ＲＳＨ）频率。估计频率 （２—１） 来估算转子转动速度。ｍ （，『Ｊ＝ 【ｍ …）±ｒｏｏ（，，）】 ＝０，１，２，．．．是 代人下式中 是最高的时间谐波，Ｋ是最高的空间谐波，Ａｍ，丘是由ｉｎ次时 间谐波和ｋ次空间谐波产生谐波的幅值（１）０是基频角频率（ｒａｄ／ Ｓ）， ０是基波的初始相位，ｌｎ是抽样频率， （力）是 噪声包括测量时的误差。 仅考虑一次转子齿谐波（ＲＳＨ），如果电流信号ｉ（ｎ）通过 一带通数字滤波器，它的中心频率时检测范围的中心频率，那 么，依赖于转子齿谐波的滑差可以被分离出来。经过滤波器后电 子电流的表达式为 ｆｒ（，？）： ＾ｓｉｎ（— ｍ曲± ｊ ）＋ （，７） ｆ２２、 ｆ 其中 （力）是噪声信号。自适应ＩＩＲ滤波器可用下式来 表示 其中，，（力）是滤波器的输出数据，Ｊｒ（力）是输入的数 据，＆和ｐ都是 矗的函数，实际上，＆和ｐ是等价的。因 此，在方程中只有Ｑ一个参数是未知的，也就是说只需要估计 ＆就能确定滤波器方程。方程（２—３）可以简化为下式 Ｉｓ（ｎ）＝ （”） （”一１）＋，（，７） （２—４） 其中１壬ｒ ７１＿［以 一以力ｒ２）一 力一１）一 力＿２）】是已知数据向 量，ｌ１＝【Ｑ ０．９９４ Ｄ １】是参数估计向量。由于Ｉ（力一１） 和Ｉ（／２—２）是已知的，任何递推估计算法，例如递推最小二 乘算法（ＲＬＳ）或者卡尔曼（Ｋａｌｍａｎ）滤波器，都可以用来更新参 数估计矢量和调整参数ａ。在这里我们使用递推最小二乘算法 （ＲＬＳ）辩识器，这种辩识器有一可变的遗忘因子。基本的递推 最小二乘（ＲＬＳ）算法的数学模型为 （，？＋１）＝ （门） １／（，７）ｉｓ，（，７＋１）一ｃ，／ （，７＋１） （，７）１ （２—５） 在ｎ＋ｌ抽样点处新的估计值 （力手１）是由之前的估计值 （力）加上一个修正项计算得到的，其中修正项包括增益向量 ｖ（力）和误差项。误差项是由滤波器在ｎ＋ｌ时刻输出的实际 观测值Ｊｒ，（力＋１）和滤波器此时的预测输出计算得到的。这种 模型也可用于扩展卡尔曼滤波器（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋ ａｌｍ ａｎ Ｆｉｌｔｅｒ）。利用递推最小二乘算法（ＲＬＳ）计算所需要的方程 还包括以下几个方程： 增益： ，、Ｐ（ｎ）Ｗ（ｎ＋１） 、 【 （，２＋１）尸（”）两 （”＋１）＋ （＂＋１而）】 （ ２－６）） 估计值： Ｏ（ｎ＋１）＝ （＂）＋，，（，７）－【Ｉ ｒ（ ＋１）一 （ ＋ＤＯ（ｎ）】 （２—７） 协方差： 尸 ＋１）＝ 【，一 ） ＋ｉ）］尸 ） （２—８） ／Ｌ《ｔ／＋ｌ｝ 、－ ｕ 其中Ｉ是单位矩阵。 权重因数： ２（ｎ＋１）＝ 五（，７）＋（１一 ） （２—９） 在递推最小二乘算法（ＲＬＳ）辩识器中，随时间变化的 到递推更新。我们需要基频０３ 调整递推的辩识器以此来估算０３ 和利用式（２一ｌ ０）估算速度。可以用简单的算法来检测基 频，这个算法和齿谐波频率０３ 的辩识并行工作。不同于齿谐 波（ＲＳＨ）的递推辩识，提取基频算法可以通过处理两个定子电 流得到基频。基频的提取方法有很多，最简单的是寻找频谱中幅 度最大的频率。自适应的速度辩识框图如下 ３．仿真结果及分析 下面三幅图分别是转速在８８１ ｒｐｍ时的稳态响应（图３． １），转速从ｌ４５ｒｐｍ到８８１ｒｐｍ（图３．２）和速度检测算法的误差 （图３．３）仿真结果。 图３．１稳态源频率为３０ＨＺ转速为８８１．０ｒｐｍ时响应时间 图３．２转速从１４５ｒｐｍ到８８１ｒｐｍ时的动态仿真结果 科技资讯ＳＯＩＥＮＯＫ＆ＴＥＯＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ５ 维普资讯 http://www.cqvip.com
ｌｊ｛ｌ８ｌＩｌ５５ｌｊｉＩ— 。 。 。。 。 。 高新技术 通过仿真结果可以发现，速度的实时更新都优于基于ＦＦＴ 算法的辨识器。利用基于ＦＦＴ算法检测速度所需时间大概位 ４７ｍＳ，而利用本文算法，从仿真结果可以看出，检测速度所 需时间只需ｌ０ｍｓ左右的时间，比基于ＦＦＴ的算法提高了至少 ３０ｍｓ。而在误差方面，基于ＦＦＴ算法精度可以达到误差为０． １ｒｐｍ，在图３． 中可以看到误差采用本文算法后小于０．２ｒｐｍ。因此，利 用这里提到的算法，在速度检测的快速性方面优于ＦＦＴ算法， 在精确度方面，这种算法也达到了与ＦＦＴ算法相当的水平。 参考文献 图３．３速度检测算法误差 『ｌ１ Ｋ．Ｄ．Ｈｕｒｓｔ ａｎｄ Ｔ．Ｇ．Ｈａｂｅｔｌｅｒ，”Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｓ－ 通过仿真结果可以发现，速度的实时更新都优于基于ＦＦＴ Ｓｐｅｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉ算法的辨识器。利用基于ＦＦＴ算法检测速度所需时间大概位 ｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｒｉｖｅｓ，“ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃ ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．１ｌ，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ，ｌ９９６ ４７ｍｓ，而利用本文算法，从仿真结果可以看出，检测速度所需 ｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌ时间只需ｌＯｍＳ左右的时间，比基于ＦＦＴ的算法提高了至少 【２】余功军，杨耕，钟彦儒，”无速度传感器矢量控制 ３０ｍｓ。而在误差方面，基于ＦＦＴ算法精度可以达到误差为０． 变频调速器的研究“【Ｊ］．电力电子技术，１９９９（１０）：１５～ｌ７ １ｒｐｍ，在图３．３中可以看到误差采用本文算法后小于０．２ｒｐｍ。 ［３］赖晓平，”ＦＩＲ数字滤波器的递推最小二乘设计算 因此，利用这里提到的算法，在速度检测的快速性方面优于 法“，信号处理，１９９９（３） ＦＦＴ算法，在精确度方面，这种算法也达到了与ＦＦＴ算法相 ［４］粱静，“数字Ｆ Ｉ Ｒ滤波器的Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ设计和仿 当的水平。 真”，现代机械，ＰＰ８８ ９ｌ，２００３（６） 质子交换膜燃料电池关键技术的研发进展 姜雪晨曾永康 （哈尔滨第六中学 黑龙江哈尔滨 １ ５００３６） 摘要：质子交换膜燃料电池具有启动速度快、能量密度高及清洁环保等优点，可广泛应用于燃料电池汽车、固定式电站和移动 型电源等领域。本文简要介绍了质子交换膜燃料电池的工作原理，综述了ＰＥＭＦＣ的发展简史及研究进展。探讨了ＰＥＭＦＣ的应 用情况。从催化剂和电解质等关键材料，膜电极的性能，燃料的安全性与实用性，以及电池的寿命等方面详细分析了ＰＥＭＦＣ 的主要技术问题，并进一步展望了ＰＥＭＦＣ的发展前景。 关键词：质子交换膜燃料电池汽车催化剂膜电极 中图分类号：ＴＱ５ｌ 文献标识码：Ａ 质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池凭借其工作温度低，启动 速度快，无电解液的腐蚀和流失问题，能量密度高等优点，逐 渐成为新型交通工具，固定式电站，便携式电脑及移动通信设 备的理想动力源。加拿大、美国、欧盟和日本等发达国家和 地区在ＰＥＭＦＣ的研究和开发方面已取得重要进展。 ＰＥＭＦＣ的核心部件是膜电极组件（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ），又称ＭＥＡ。膜电极采用传导Ｈ＋的全氟磺酸型固体 聚合物作为电解质，碳载铂（Ｐｔ／Ｃ）或碳载铂合金为电催化剂 …氢气或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体 流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。ＰＥＭＦＣ的工作 原理如图ｌ所示：在电池的阳极端，氢分子被催化氧化为氢离子 （即质子）并释放出电子。即：Ｈ，一２Ｈ＋＋２ｅ－； 阳极反应生成的氢离子穿过固体电解质膜到达阴极，电子 则通过外电路流向阴极。在电池的阴极端，在阳极催化剂作用 下，氧气（或空气）与氢离子及电子发生反应生成水。即： ｌ／２０，＋２Ｈ＋＋２ｅ一一Ｈ，Ｏ；电池总反应为：Ｈ，＋ｌ／２０，一Ｈ，Ｏ。 。１．发展概况 早在上世纪６０年代，美国ＧＥ公司就为国家航空航天局研制 了ＰＥＭＦＣ空间电源，并将其应用于双子星座飞船。由于电池采 用了聚苯乙炔磺酸膜，其稳定性、导电性均不理想，使用寿命较 短。１９７２年，美国Ｄｕ Ｐｏｎｔ公司的Ｇｒｏｔ研制出新型全氟磺酸膜 （Ｎａｔｉｏｎ？系列膜材料），ＰＥＭＦＣ性能得以大幅度提高。１９８３年， 美国Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ国家实验室（ＬＡＮＬ）成功实现电极的立体化， 使催化剂载量大大降低。ｌ ９９３年，加拿大Ｂａｌｌａｒｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ公司研制出第一台质子交换膜燃料电池汽车，标志着 ＰＥＭＦ Ｃ技术开始向产业化，民用化的方向迈进Ｉ２ Ｊ。 在Ｂａｌｌａｒｄ公司的带动下，越来越多汽车制造厂商纷纷将眼 光投向了ＰＥＭＦＣ，相继开发出以纯氢或重整气为燃料的不同特 点的燃料电池汽车。ｌ９９７年，Ｔｏｙｏｔａ公司研制出带有甲醇重 整器的ＲＡＶ４型跑车，它由一个２５ｋＷ的燃料电池和辅助干电 池一起提供了全部５０ｋＷ的能量，最高时速可以达到１２５ｋｍ，ｈ— ｌ，行程可达５００ｋｍ；德国奔驰公司在１９９８年开发出ＮＥＣＡＲ１１Ｉ质 子交换膜燃料电池汽车，同样采用甲醇外部重整向电池供给 气，汽车在启动２ｓ内动力系统的能量可达到９０％，其最大行程为 ４００ｋｍ；通用汽车公司最新研发的Ｓｅｑｕｅｌ氢燃料电池车的电池 发动机最大功率７３ｋＷ，配备三个７００ｂａｒ高压储气瓶储存７ｋｇ氢， 次加氢可连续行驶３００ｍｉｌｅ，０～６０ｍ￣ｅ・ｈ—ｌ加速只需ｌ０秒， 该指标已与普通的内燃发动机汽车非常接近。 ＰＥＭＦＣ还成功应用于固定式发电系统，市场潜力值得期 待。１９９７以来，ＢａＨａｒｄ公司先后开发了四座２５０ｋＷ级ＰＥＭＦＣ 电站，分别安装在美国、德国，瑞士、日本等地；１９９９年，美国Ｐｌｕｇ Ｐｏｗｅｒ公司和通用电气公司合资开发的ＧＥ ＨｏｍｅＧｅｎ７０００型家 用电源系统，可提供７ｋＷ的持续电力，该产品已向全球推广。 我国早在上世纪５０年代就开展了燃料电池方面的研究，主 要由中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和天津 电子部十八所等单位发起。９０年代至今，有大批的高等院校、 科研院所和高科技企业加入到ＰＥＭＦＣ的Ｒ＆Ｄ行列。其中清华 一６ 科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ