CN101515780B - 一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法，通过注入的谐波电流与基波永磁磁势相互作用产生附加的转矩分量，使得该附加转矩与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，可以互相抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。首先，通过有限元仿真结果或者实测数据，采用傅里叶级数近似逼近法对永磁电机定位力矩进行谐波分析，找出定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量；其次，对永磁电机的空载反电动势进行分析，写出相应的数学表达式；最后，根据附加转矩与定位力矩相互抵消原理，计算出注入的谐波电流。
Description
技术领域
本发明是一种通过注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制技术，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
随着稀土永磁材料钕铁硼(NdFeB)性价比的不断提高，永磁电机以其体积小、效率高、动态响应特性好等优点在越来越多的工业驱动和伺服控制领域得到广泛应用。然而永磁电机中，永磁体与有槽电枢铁心相互作用，产生定位力矩，引起电机运行过程中振动和噪声，定位力矩的存在影响了电机在速度控制系统中低速性能和在位置控制系统中的高精度定位。
关于削弱与补偿永磁电机定位力矩的方法，相关学者也进行了深入研究，并取得了一系列的研究成果。总的来说，可以归纳为两大类：一类是从电机本体设计出发研究削弱永磁电机定位力矩的方法，如包括定/转子斜槽或者斜极、磁极形状优化、分数槽结构、极弧系数组合优化、转子分段、永磁体不对称放置、定/转子开辅助槽、定子槽口宽度优化设计、不同槽口宽配合以及铁心形状优化设计等等，但是由于各方面的许多限制，受不同类型电机结构的制约，定位力矩的减小程度有限，此外，该类针对电机本体的方法在削弱定位力矩的同时，会对电机的空载反电动势、功率输出能力等产生影响，同时增加制造成本，在实际产业化过程中有一定的局限性；第二类方法则是在电机已经制造完毕后，无法对本体改进的条件下，通过控制策略来补偿电机定位力矩，从而提高其输出性能。该方法无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单易行。
发明内容
技术问题：本发明的目的就是提出一种简单有效的补偿永磁电机定位力矩的控制方法，尤其是针对电机已经制造完毕或者购买的成品电机，无法在电机本体上再采取措施。该方法尤其适用于所有反电动势为正弦的永磁电机，无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单有效。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明所提出的谐波电流注入补偿永磁电机定位力矩的方法，主要技术方案是使得注入参考电流中的谐波电流与永磁磁势的基波分量相互作用，产生附加的高次转矩分量，与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，可以相互抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。
首先，通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测永磁电机定位力矩在一个周期内的数据，用傅里叶级数近似逼近永磁电机定位力矩的基础上进行谐波分析，找出定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量；其次，对永磁电机的永磁磁势进行分析，写出相应的数学表达式；最后，通过注入的高次谐波电流分量与永磁磁势基波分量相互耦合作用，产生高次附加电磁转矩分量的机理，使得该附加电磁转矩分量与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等、相位相反，可以互相抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。所述的永磁电机为包含有永磁体作为励磁源的电机，包括纯永磁电机和混合励磁电机。
永磁电机的空载反电动势波形呈正弦分布，除基波外，其它谐波含量忽略不计。
所述的永磁电机空载反电动势波形为任意波形时，进行傅立叶分解，得到空载反电动势的基波与主要高次谐波分量，并根据定位力矩的基波和高次谐波分量的分布，综合考虑施加高次谐波电流，从而相互耦合，产生所需的高次电磁转矩分量。
有益效果：由于本发明的技术实施对象为反电动势为正弦的永磁电机，而该类型电机可以采用已经成熟的矢量控制、直接转矩控制等先进的控制策略。此外，该补偿方法只需修改控制软件，无需增加系统成本，简单易行。具体到本发明的技术方案，具有如下优点：
1.采用所提出了电流谐波注入法补偿永磁电机定位力矩的控制方法，使得注入的谐波电流与永磁磁势相互作用，产生与定位力矩中的基波与主要高次谐波分量幅值相等、相位相反的附加高次电磁转矩分量，从而相互抵消，易于实现；
2.传统的从电机本体设计出发削弱定位力矩的方法，由于各方面的条件限制，受不同类型电机结构的制约，定位力矩的减小程度有限，此外，针对电机本体的方法在削弱定位力矩的同时，会对电机的空载反电动势、功率密度和转矩输出能力等产生影响，同时增加制造成本，在实际产业化过程中有一定的局限性；
3.通过实施本发明技术后，既可明显减小电机的定位力矩，降低电机运行中的振动与噪声，拓展电机的应用范围，同时又保留了电机空载磁势、转矩输出能力等特性不变。且无需增加系统成本，只需修改相应的控制软件，简单易行。
附图说明
图1是本发明所提出的注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制系统框图。其中有：转速PI调节器1，转矩-电流变换模块2，2r/3s变换(转子旋转两相/定子静止三相变换)3、求和模块4、电流滞环比较PWM模块5、注入电流谐波求解模块6、逆变器7、永磁电机8、光电编码器9、电机转速与位置计算模块10。
具体实施方式
首先通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测数据，对永磁电机的定位力矩波形进行理论分析，用傅里叶级数近似逼近FSPM电机定位力矩的基础上并进行谐波分析，找出定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量；其次，对永磁电机的空载反电动势波形进行谐波分析，在除基波外，其它谐波含量可以忽略的前提下，写出其数学表达式；最后，通过理论分析计算注入的高次谐波电流，使其与基波永磁磁势相互作用，从而产生附加高次转矩分量的机理，使得该附加转矩与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，可以互相抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。
通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测数据，用傅里叶级数近似逼近永磁电机定位力矩的基础上进行谐波分析，找出定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量，从而可以通过基波和其他主要高次谐波分量来近似表达定位力矩。
对永磁电机的永磁磁势进行分析，通过傅立叶级数进行谐波分析，写出其包含基波分量和主要高次谐波分量的相应数学表达式，在此基础上可得到空载反电动势的数学表达式。
通过注入的高次谐波电流分量与永磁磁势基波分量相互耦合作用，产生高次附加电磁转矩分量的机理，使得该附加电磁转矩分量与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等、相位相反，可以互相抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。其具体实施方法为：假设附加高次谐波电流分量的幅值、频率和相位，使谐波电流低次分量与永磁磁势基波分量耦合所得到的高次谐波转矩分量的幅值等于定位力矩中的基波分量幅值，频率与定位力矩的基波分量频率相等，相位相反；使注入的谐波电流高次分量与永磁磁势基波分量耦合所得到的高次谐波转矩分量的幅值等于定位力矩中的主要高次分量幅值，频率与定位力矩的主要高次分量频率相等，相位相反。
Claims (4)
1.一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法，其特征在于：首先，通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测永磁电机定位力矩在一个周期内的数据，用傅里叶级数近似逼近永磁电机定位力矩的基础上进行谐波分析，找出定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量；其次，对永磁电机的永磁磁势进行分析，写出相应的数学表达式；最后，通过注入的高次谐波电流分量与永磁磁势基波分量相互耦合作用，产生高次附加电磁转矩分量的机理，使得该附加电磁转矩分量与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等、相位相反，可以互相抵消，从而达到补偿定位力矩的目的。
2.根据权利要求1所述的一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法，其特征在于所述的永磁电机为包含有永磁体作为励磁源的电机，包括纯永磁电机和混合励磁电机。
3.根据权利要求1所述的一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法，其特征在于永磁电机的空载反电动势波形呈正弦分布，除永磁电机的空载反电动势的基波外，其它永磁电机的空载反电动势的谐波含量忽略不计。
4.根据权利要求1所述的一种注入电流谐波补偿永磁电机定位力矩的控制方法，其特征在于所述的永磁电机的空载反电动势波形为任意波形时，进行傅立叶分解，得到空载反电动势的基波与主要高次谐波分量，并根据定位力矩的基波和高次谐波分量的分布，综合考虑施加高次谐波电流，从而相互耦合，产生所需的高次电磁转矩分量。
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