CN103378789A - 永磁同步电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括采用原有基准信号和q轴电流信号，其特征是采用叠加q轴电流补偿的方法对永磁电机的转矩进行抑制，所述q轴电流补偿方法分别有两种：第一种是当输出转矩T_e给定的情况下，可通过电磁转矩公式计算出q轴补偿电流；第二种是当电机需要的电磁转矩并不能够准确知道时，可根据磁链公式确定计算补偿电流。本发明得到的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过增加补偿电流提高永磁同步电机的控制性能，通过移相环节起到更好的补偿效果，同时限幅环节可以防止电流毛刺较大时影响补偿效果而起到保护作用。

Description

永磁同步电机转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种抑制永磁电机转矩脉动控制技术，特别是永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

背景技术

在永磁同步电机控制中，转矩脉动影响电机的控制性能。人们通过长期对转矩脉动进行研究，总结了其中的一些原因，其中磁密非理想正弦波形是其中很重要的影响因素，如齿槽效应也属于非理想气隙磁密造成的结果，为此提出一种基于磁密变化特性的一种转矩脉动补偿控制策略。永磁体失磁导致磁密波形发生三种变化。其中，非正弦畸变最为复杂。实际上即使永磁同步电机没有失磁，由于设计制造上的误差，气隙中磁密分布也不是完全正弦的，气隙磁密非正弦导致电机的反电势波形非正弦，从而影响了电机的控制性能。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种提高永磁同步电机的控制性能的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括采用原有基准信号和q轴电流信号，其特征是采用叠加q轴电流补偿的方法对永磁电机的转矩进行抑制，所述q轴电流补偿方法分别有两种方法步骤分别为：

(1)当电磁输出转矩T_e给定的情况下，可通过电磁转矩公式计算出q轴补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\frac{T_e}{P{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}$

在上述公式中，T_e为电磁输出转矩，P为微分算子，ψ_rd为永磁体的d轴磁链。

(2)当电机需要的电磁转矩并不能够准确知道时，可根据磁链公式确定计算补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\mathrm{\β}*\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*})}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*}}*i_q^{*}$

在上述公式中，ψ_rd为永磁体的d轴磁链，

为永磁体d轴磁链一个振荡周期中的磁链平均值，

为q轴电流平均值，β为补偿系数。

通过增加补偿电流提高永磁同步电机的控制性能。

q轴电流补偿方法中增加限幅移相环节，将补偿电流做一定的移相及限幅。所述的限幅移相环节，其中移相的传递函数为

其中kT_s为采样延时，T_s为系统采样周期；q轴补偿电流i′_q的限幅范围为-nI_n≤i_q′≤nI_n，I_n为额定电流值，n为倍数，变频器n取2，伺服控制器n取3。

移相主要作用为消除采样与实时控制信号之间的延时影响，该延时由采样环节硬件滤波和软件滤波两部分带来的延时共同决定，对于典型的数字化传动控制系统该延时一般可达到系统采样周期的1-5倍，实际实现可采用一阶惯性环节近似实现，其传递函数为

其中kT_s为采样延时，T_s为系统采样周期。限幅主要作用为防止前馈电流指令值在极端情况下超过合理范围，对于电力传动控制系统，瞬时电流指令一般不能超过其额定电流值I_n的n倍，为兼顾系统可靠性和启动制动快速性，一般变频器n取2左右，伺服控制器n取3左右。本方法中q轴补偿电流i′_q的限幅范围为-nI_n≤i_q′≤nI_n。通过移相环节起到更好的补偿效果，同时限幅环节可以防止电流毛刺较大时影响补偿效果起到保护作用。

本发明得到的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过增加补偿电流提高永磁同步电机的控制性能，同时移相环节起到更好的补偿效果，并且限幅环节可以防止电流毛刺较大时影响补偿效果起到保护作用。

附图说明

图1是本实施例1的q轴电流补偿控制方法一的控制框图；

图2是本实施例2的q轴电流补偿控制方法二的控制框图；

图3是实施例2的磁链计算波形；

图4是本实施例2的电机转速为125rmp时转矩波形；

图5是本实施例2的电机转速为500rmp时转矩波形；

图6是本实施例2的q轴的电流补偿前后的相电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

本发明提供的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括采用原有基准信号和q轴电流信号，采用叠加q轴电流补偿的方法对永磁电机的转矩进行抑制，所述q轴电流补偿方法分别有两种方法步骤分别为：

(1)当电磁输出转矩T_e给定的情况下，可通过电磁转矩公式计算出q轴补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\frac{T_e}{{\mathrm{P\ψ}}_{\mathrm{rd}}}$

在上述公式中，T_e为电磁输出转矩，P为微分算子，ψ_rd为永磁体的d轴磁链。

(2)当电机需要的电磁转矩并不能够准确知道时，可根据磁链公式确定计算补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\mathrm{\β}*\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*})}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*}}*i_q^{*}$

在上述公式中，ψ_rd为永磁体的d轴磁链，

为永磁体d轴磁链一个振荡周期中的磁链平均值，

为q轴电流平均值，β为补偿系数。

所述q轴电流补偿方法中增加限幅移相环节，将补偿电流做一定的移相及限幅。

公式(1)中，ψ_rd0、ψ_rd6、ψ_rq0、ψ_rq6等量均表示为直流量。

由于永磁同步电机矢量控制时，通常采用对i_d＝0的控制方法进行分析，这种方法控制电机定子电流矢量(定子磁动势)位于q轴上，与转子磁通正交，此时由于i_d＝0，永磁电机的电磁转矩只包含永磁转矩，只与定子电流幅值成正比，因此此时的电磁转矩公式如下所示：

T_e＝P[ψ_rdi_q+ψ_rqi_d+(L_d-L_q)i_di_q]＝Pψ_rdi_q               (2)

上述公式中：L_d，L_q分别为定子绕组d、q轴电感，i_d，i_q为d、q轴电流，ψ_rd，ψ_rq为d、q轴磁链。

结合公式(1)与公式(2)可以得出如下公式：

T_e＝Pψ_rdi_q＝Pi_q(ψ_rd0+ψ_rd6cos6θ_e+ψ_rd12cos12θ_e+L)    (3)

＝T₀+T₆cos6θ₆+T₁₂cos12θ_e+L

公式(3)中：ψ_rd是永磁体d轴磁链，T₀是转矩的基波分量，T₆、T₁₂分别是6次、12次谐波转矩。从式中可以看出，输出转矩随转子位置角呈周期性波动。

由于永磁体d轴磁链ψ_rd随转子位置波动，要让ψ_rd和i_q的乘积恒定，i_q需要随ψ_rd的变化而进行变化，因此仅仅是通过PI控制器对ψ_rd的波动进行调节是远远不够的，设计控制框图如图1所示，

由于当电磁输出转矩T_e给定的情况下，因此根据ψ_rd的大小预先计算出需要的i_q值，所需的q轴电流i′_q可以根据如下公式计算：

$i_q^{\′}=\frac{T_e}{P{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}---\left(4\right)$

在上述公式中，T_e为电磁输出转矩，P为微分算子，ψ_rd为永磁体的d轴磁链。

然后与PI控制器对ψ_rd的波动调节的信号进行叠加，实现电流的补偿方法控制框图如图1所示。由于监测的磁链实时计算补偿电流未必有很好的效果，因此需要移相环节将补偿电流做一定的移相，同时限幅环节可以防止电流毛刺较大时影响补偿效果而做出的保护。

q轴电流补偿方法中增加限幅移相环节，将补偿电流做一定的移相及限幅。所述的限幅移相环节，其中移相的传递函数为

其中kT_s为采样延时，T_s为系统采样周期；q轴补偿电流i′_q的限幅范围为-nI_n≤i_q′≤nI_n，I_n为额定电流值，n为倍数，变频器n取2，伺服控制器n取3。

移相主要作用为消除采样与实时控制信号之间的延时影响，该延时由采样环节硬件滤波和软件滤波两部分带来的延时共同决定，对于典型的数字化传动控制系统该延时一般可达到系统采样周期的1-5倍，实际实现可采用一阶惯性环节近似实现，其传递函数为

其中kT_s为采样延时，T_s为系统采样周期。限幅主要作用为防止前馈电流指令值在极端情况下超过合理范围，对于电力传动控制系统，瞬时电流指令一般不能超过其额定电流值I_n的n倍，为兼顾系统可靠性和启动制动快速性，一般变频器n取2左右，伺服控制器n取3左右。本方法中q轴补偿电流i′_q的限幅范围为-nI_n≤i_q′≤nI_n。

实施例2：

由于第一种方法是对于已知给定的输出转矩T_e时，能够准确地计算出q轴的补偿电流i′_q。实现对电流的补偿，但是并非所有的电机的电磁转矩能够准确知道的场合中，不能采用第一种方式计算补偿电流，因此可以采取磁链确定并计算补偿电流的方法，电路控制框图如图2所示，

此时该控制方法中的i′_q的公式可以根据磁链确定，公式如下所示：

$i_q^{\′}=\mathrm{\β}*\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*})}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*}}*i_q^{*}---\left(5\right)$

在公式(5)中：

表示为永磁体d轴磁链一个振荡周期中的磁链平均值，表示为q轴电流平均值，β表示为补偿系数。

磁链曲线公式采用计算，其波形如图3所述：该图反映了转子磁链波动的程度，波动幅度越大，输出转矩的脉动也会越大。另外，当电机不可逆失磁时，d轴磁链的平均值能够部分地反映电机的失磁程度。

通过仿真实验体现结果：采用本发明的抑制方法分别对一台典型方波永磁电机进行仿真实验进行验证，其中方波永磁电机气隙磁密采用理想的梯形波，永磁磁阻电机的反电势数据根据离线实验所得。并假设永磁磁阻电机运行中反电势波形与测量的一致，而且对离线实验采集所得的数据不做任何处理。

采用本发明中的第二种方法对的q轴电流前馈补偿方法进行控制，当电机的转速设为125r/min，补偿时刻在0.3秒，测得转矩波形如图4所示：

通过提高电机转速，在转速为500r/min时，同样采用方法2进行电流补偿，所测得的补偿波形如图5所示，通过波形可以看出转矩波动有所抑制。

通过检测q轴的电流补偿前后的相电流波形如图6所示，可以看出，在补偿后，电流中的谐波有一定的减小，补偿时刻在0.1s左右。

补偿系数β是本仿真中经常需要调节的量，在不同的转速时，设置的β参数的值因此也不相同，而且该参数与PI控制器参数的设置也有一定的关系。β参数设置太小，转矩脉动的抑制效果不够明显，而参数设置过大时，又可能会影响电机的控制性能。因此需要合适的参数β，在本仿真系统中，负载一定时，随着转速上升，β参数的设置也逐步增大。另外，通过在控制框图中增加了移相，主要是将补偿的电流在相位上进行一定的偏移，来达到更好的效果。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括采用原有基准信号和q轴电流信号，其特征是采用叠加q轴电流补偿方法对永磁电机的转矩进行抑制，所述采用叠加q轴电流补偿方法是：

(1)当电磁输出转矩T_e给定的情况下，通过电磁转矩公式计算出q轴补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\frac{T_e}{P{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}}$

在上述公式中，T_e为电磁输出转矩，P为微分算子，ψ_rd为永磁体的d轴磁链；

(2)当电机需要的电磁输出转矩T_e不能够准确知道时，根据磁链公式确定计算补偿电流，然后与原有基准信号进行叠加后，再与q轴电流比较送入控制器后输出q轴电压，所述q轴补偿电流i′_q公式为：

$i_q^{\′}=\mathrm{\β}*\frac{({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*})}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}^{*}}*i_q^{*}$

在上述公式中，ψ_rd为永磁体的d轴磁链，为永磁体d轴磁链一个振荡周期中的磁链平均值，

为q轴电流平均值，β为补偿系数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征是所述q轴电流补偿方法中增加限幅移相环节，将补偿电流做一定的移相及限幅。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征是所述的限幅移相环节，其中移相的传递函数为

其中kT_s为采样延时，T_s为系统采样周期；q轴补偿电流i′_q的限幅范围为-nI_n≤i_q′≤nI_n，I_n为额定电流值，n为倍数，变频器n取2，伺服控制器n取3。

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