CN101860300A - 基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，对永磁电机采用直轴电流为零的矢量控制策略，使电磁转矩与交轴电枢电流成线性关系，根据永磁电机的电磁转矩与交轴电枢电流的线性关系，求解附加的交轴注入谐波电流，使得交轴注入谐波电流与直轴永磁磁链耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。本发明的实施对象为永磁电机，而该类型电机可以采用矢量控制、直接转矩控制等先进的控制策略，因此本发明抑制方法只需修改控制软件，无需增加控制系统硬件成本，简单易行；既可明显抑制电机的转矩脉动，同时又保留了电机空载磁势、转矩输出能力等特性不变。

Description

基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明是一种通过电流谐波注入抑制永磁电机转矩脉动的控制技术，属于电机驱动与控制技术领域，为一种基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法。

背景技术

随着永磁材料性能的不断提高和永磁电机设计制造技术的不断完善，永磁电机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，进而产生电机运行过程中的振动和噪声，影响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。

关于减小和抑制永磁电机转矩脉动的方法，国内外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减小永磁电机转矩脉动的方法，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，电机转矩脉动的减小程度有限。此外，该类针对电机本体的方法在减小电机转矩脉动的同时，会对电机的空载反电动势、转矩输出能力、功率密度等性能产生影响，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，通过控制策略来抑制电机转矩脉动，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。目前已有的控制策略又可细分为针对空载反电动势和针对定位力矩两类。前者是对空载反电动势进行谐波分析，得到主要高次电势谐波分量的频率和相位，通过注入相对应的高次谐波电流分量，使得耦合产生的电磁转矩基波分量和主要高次谐波分量之和为平稳转矩，从而达到消除脉动的目的。而后者适用于采用电流滞环矢量控制的永磁电机驱动系统，针对其定位力矩较大的缺点，首先对定位力矩进行谐波分析，得到定位力矩的基波和主要高次谐波分量的频率和相位。通过注入相对应的高次谐波电流分量，使其与基波的永磁磁链耦合产生主要的高次电磁转矩谐波分量，并与定位力矩的基波和主要高次谐波分量大小相等，相位相反，从而达到消除脉动的目的。但该类方法是基于定子坐标系下，在各相电枢电流基波分量基础之上，通过注入相应的高次谐波电流分量产生高次谐波电磁转矩，对于目前广泛应用的基于电压空间矢量调制的控制系统并不适用。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前减小和抑制永磁电机转矩脉动的方法，从电机设计方面改进的方式成本较高，生产存在局限性；从电机控制系统的改进方式对于目前广泛应用的基于电压空间矢量调制的控制系统不适用；需要一种简单、成本低、适用性好的永磁电机转矩脉动抑制方法。

本发明的技术方案为：基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，对永磁电机采用直轴电流为零的矢量控制策略，使电磁转矩与交轴电枢电流成线性关系，注入交轴谐波电流，交轴注入谐波电流

与直轴永磁磁链ψ_m耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量，以使所述附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反为目标，根据永磁电机的电磁转矩与交轴电枢电流的线性关系，求解交轴注入谐波电流

，在电机空间矢量控制基础上，注入所求得的交轴注入谐波电流

，使附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量相互抵消，实现抑制转矩脉动。

本发明具体包括以下步骤：

1)获取永磁电机定位力矩：通过有限元仿真对永磁电机的分析结果或者由转矩测试仪对永磁电机的实测数据，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永磁电机定位力矩，进行谐波分析，找出定位力矩中的基波和主要高次谐波分量，所述主要高次谐波分量是指谐波分量幅值与基波幅值相比不能忽略的高次谐波分量，针对不同的永磁电机，主要高次谐波分量不同；

2)采用直轴电流为零的电压空间矢量调制方式，推导电磁转矩与交轴电流的关系表达式，在转子坐标系下直接添加交轴谐波电流分量；

3)注入的交轴谐波电流分量与直轴永磁磁链耦合产生高次附加电磁转矩分量，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，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

永磁电机采用转速环和电流环独立调节的转速电流双闭环控制，其中转速PI调节器的输出与注入的交轴谐波电流求和得到交轴参考电流，所述交轴参考电流输入电流环进行闭环控制。

本发明所述永磁电机为任意相结构的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。

本发明基于空间电压矢量控制的永磁电机驱动系统，提出一种简单有效的抑制永磁电机转矩脉动的控制方法，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，可以方便的采用本发明方法；本发明方法尤其适用于所有定位力矩较大的永磁电机，无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单有效。

本发明的实施对象为永磁电机，而该类型电机可以采用矢量控制、直接转矩控制等先进的控制策略。因此，本发明抑制方法只需修改控制软件，无需增加控制系统硬件成本，简单易行。具体具有如下优点：

1.提出了注入交轴谐波电流抑制永磁电机转矩脉动的控制方法，在转子坐标系下直接添加交轴谐波电流分量，使得注入的交轴谐波电流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，无须在定子坐标系下对每相绕组电流分别增加高次谐波电流分量，易于实现；

2.传统的从电机本体设计出发减小转矩脉动的方法，由于各方面的条件限制，受不同类型电机结构的制约，转矩脉动的减小程度有限，此外，针对电机本体的方法在减小转矩脉动的同时，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；而本发明只需修改永磁电机的控制软件，无需对电机进行重新设计，也无需增加控制系统硬件成本；

3.通过实施本发明技术后，既可明显抑制电机的转矩脉动，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为实施例的永磁电机定位力矩波形。

图2为图1的永磁电机定位力矩谐波分析。

图3是本发明实施例的基于电压空间矢量调制的交轴电流谐波注入抑制永磁电机转矩脉动的控制系统框图。

图4为谐波电流注入前的转矩和电流波形。

图5为谐波电流注入后的转矩和电流波形。

具体实施方式

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于空间电压矢量调制，直接注入交轴高次谐波电流抑制永磁电机转矩脉动的方法，采用直轴电枢电流为零，即i_d＝0的矢量控制策略，根据永磁电机电磁转矩T_em与交轴电枢电流i_q成线性关系，计算出附加的交轴谐波电枢电流

使得注入的谐波电流

与直轴永磁磁链ψ_m相互耦合，产生附加的交轴电磁转矩谐波分量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，可以相互抵消，从而达到抑制转矩脉动的目的。其中i_d＝0的矢量控制策略为本领域的公知技术，不再详述。

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永磁电机定位力矩，并进行谐波分析，得到定位力矩中幅值较大的基波和主要高次谐波分量；其次，采用直轴电流为零(i_d＝0)矢量控制策略，根据电磁转矩与交轴(q轴)电流的线性关系，求解附加的交轴注入谐波电流

使得注入的交轴谐波电流

与直轴永磁磁链ψ_m耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量，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，从而达到抑制转矩脉动的目的。

本发明的实施对象为在空间矢量调制下，可以采用直轴电流为零矢量控制策略的永磁电机，任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机都可以，包括纯永磁电机和混合励磁电机。原理是根据永磁电机的电磁转矩与交轴电枢电流的线性关系，求解附加的交轴注入谐波电流

使得交轴注入谐波电流

与直轴永磁磁链ψ_m耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

下面以磁通切换永磁电机(flux-switching permanent magnet电机，以下简称FSPM电机)为例，说明该方法的具体实施步骤和仿真应用效果。

图1为采用虚功法有限元计算得到的定位力矩波形。由图可以看出：定位力矩波形包含有高次谐波分量，为了对其建立数学表达式，需要对其进行谐波分析，分析结果如图2所示。表1给出了主要谐波分量的幅值、与基波分量的比值和相位角。

表1定位力矩谐波分析。

谐波次数	谐波幅值(Nm)	谐波与基波幅值比(％)	谐波分量相角(°)
				基波分量	1.11	100	13.56
2次分量	0.59	52.95	27.39
				3次分量	0.03	2.31	19.48
4次分量	0.06	5.06	50.20
				5次分量	0.01	0.78	-62.74
6次分量	0.07	6.34	-85.54

可见，定位力矩的总谐波失真THD达到了53.62％，谐波分量很大，而其中最主要的高次谐波为2次谐波，与基波幅值比达到了52.95％，剩下的其余高次谐波可以忽略不计，也就是2次谐波做为主要高次谐波分量，这里的主要高次谐波分量是指高次谐波分量幅值与基波幅值相比不能忽略时的主要高次谐波分量，针对不同的永磁电机，主要高次谐波分量也是不同的，这是本领域的公知常识，不再详述。

因此，FSPM电机的定位力矩可以近似表达为：

T_cog＝T_cog1+T_cog2    (1)

其中，基波分量为：

二次谐波分量为：

式中，T_cm1为定位力矩基波分量幅值，在这里等于1.11Nm；T_cm2为定位力矩2次谐波分量幅值，在这里等于0.59Nm；

为定位力矩基波分量相位角；

为定位力矩2次谐波分量相位角；P_r为转子电磁极对数，θ_r为转子位置角。

采用i_d＝0矢量控制策略，根据电磁转矩与q轴电流的线性关系，求解附加的q轴注入谐波电流

使得注入的谐波电流

产生的附加电磁转矩谐波分量，与定位力矩中的基波T_cog1与二次谐波分量T_cog2幅值相等，相位相反，可以相互抵消，从而达到抑制转矩脉动的目的。

因此，注入的交轴谐波电流

需满足：

$\frac{3}{2}{P}_r{\mathrm{\ψ}}_m{i}_{q1}^c=-T_{\mathrm{cog}1}---\left(\text{4}\right)$

$\frac{3}{2}{P}_r{\mathrm{\ψ}}_m{i}_{q2}^c=-T_{\mathrm{cog}2}---\left(\text{5}\right)$

式中：ψ_m为直轴永磁磁链，和

分别为待注入的一次和二次交轴谐波电流。把式(2)和(3)分别代入到(4)和(5)得到注入的谐波电流为：

在FSPM电机空间矢量控制系统基础之上，结合上述的交轴谐波电流注入法，可得到包括交轴谐波电流注入法抑制永磁电机转矩脉动的控制系统如图3所示，永磁电机采用转速环和电流环独立调节的转速电流双闭环控制，其中转速PI调节器的输出与注入的交轴谐波电流求和得到交轴参考电流，所述交轴参考电流输入电流环进行闭环控制，控制系统包括转速PI调节器1、求和模块2、交轴(q轴)电流PI调节器3、直轴(d轴)电流PI调节器4、转子旋转两相/定子静止两相2r/2s变换5、空间矢量调制SVM模块6、逆变器7、永磁电机8、定子静止三相/定子静止两相3s/2s变换9、定子静止两相/转子旋转两相2s/2r变换10、光电编码器11、速度位置检测模块12、注入交轴谐波电流求解模块13。

根据电机给定转速

与实时反馈转速ω_r，求出转速差e(n)；转速差e(n)通过转速PI调节器1，得到一个q轴给定电流；该电流与采用本发明计算出的谐波电流

经过求和模块2，得到q轴参考电流

根据q轴参考电流

与电机实时反馈的q轴电流i_q，求出q轴电流差，经过交轴(q轴)电流PI调节器3，输出q轴电压u_q；采用i_d＝0控制，求出d轴参考电流与电机实时反馈的d轴电流i_d的电流差，经过直轴(d轴)电流PI调节器4，输出d轴电压u_d；u_d与u_q经过转子旋转两相/定子静止两相2r/2s变换5，得出两相静止坐标下的电压u_α和u_β；电压u_α和u_β经过空间矢量调制SVM模块6，输出逆变器中电力电子器件所需的6路PWM信号；PWM信号驱动逆变器7中电力电子器件开通与关断，输出调节永磁电机8绕组中的端电压U_a、U_b、U_c；然后，通过电流传感器测得电机三相电流i_a、i_b、i_c，三相电流经过定子静止三相/定子静止两相3s/2s变换9，求得两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，电流i_α和i_β经过定子静止两相/转子旋转两相2s/2r变换10，求得电流直轴i_d和交轴电流i_q，再分别与参考电流

和

相比较；通过光电编码器11测得电机的脉冲信号，经过速度位置检测模块12计算出电机的实时反馈转速ω_r与转子位置θ，用于转速环的闭环控制。

根据图3所示的谐波电流注入抑制转矩脉动方法建立Matlab/Simulink仿真模型。图4为谐波电流注入前的转矩和电流波形，图5为谐波电流注入后的转矩和电流波形。由图可以看出：交轴谐波电流注入前电磁转矩脉动峰-峰值达到1.4Nm，每相电流呈现很好的正弦性；交轴谐波电流注入后转矩脉动峰-峰值只有0.6Nm，转矩脉动明显降低，而每相电流有很大的谐波成分，该谐波成分产生的转矩正好抵消FSPM电机的定位力矩。

由本发明在FSPM电机上的实施例，本领域人员也可以很容易在其它永磁电机上实施本发明，原理都一样，都是在直轴电流为零的矢量控制策略下，通过注入交轴谐波电流，产生与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反的附加电磁转矩高次谐波分量，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

Claims (5)

1.基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征是对永磁电机采用直轴电流为零的矢量控制策略，使电磁转矩与交轴电枢电流成线性关系，注入交轴谐波电流，交轴注入谐波电流

与直轴永磁磁链ψm耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量，以使所述附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反为目标，根据永磁电机的电磁转矩与交轴电枢电流的线性关系，求解交轴注入谐波电流

在电机空间矢量控制基础上，注入所求得的交轴注入谐波电流

使附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量相互抵消，实现抑制转矩脉动。

2.根据权利要求1所述的基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征是具体包括以下步骤：

1)获取永磁电机定位力矩：通过有限元仿真对永磁电机的分析结果或者由转矩测试仪对永磁电机的实测数据，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永磁电机定位力矩，进行谐波分析，找出定位力矩中的基波和主要高次谐波分量，所述主要高次谐波分量是指谐波分量幅值与基波幅值相比不能忽略的高次谐波分量，针对不同的永磁电机，主要高次谐波分量不同；

2)采用直轴电流为零的电压空间矢量调制方式，推导电磁转矩与交轴电流的关系表达式，在转子坐标系下直接添加交轴谐波电流分量；

3)注入的交轴谐波电流分量与直轴永磁磁链耦合产生高次附加电磁转矩分量，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，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

3.根据权利要求1或2所述的基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征是永磁电机采用转速环和电流环独立调节的转速电流双闭环控制，其中转速PI调节器的输出与注入的交轴谐波电流求和得到交轴参考电流，所述交轴参考电流输入电流环进行闭环控制。

4.根据权利要求1或2所述的基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征是所述永磁电机为任意相结构的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。

5.根据权利要求3所述的基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征是所述永磁电机为任意相结构的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。

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