CN103684177B - 一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器 - Google Patents
一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器，包括：前馈电流幅值补偿模块、迭代收敛控制模块；所述前馈电流幅值补偿模块，即采用给控制电压乘以一个补偿系数的方式对相电流进行补偿，从而抑制电机因转子的磁极不完全对称造成的相电流幅值周期性脉动；所述迭代收敛控制模块，即将电流传感器测得的相电流与理论计算值相比较，将比较结果通过迭代计算后，存入到补偿值数组中；补偿值数组中的元素被用于对电机进行矢量控制，从而使相电流被强制纠正为标准正弦波。其技术效果是：通过电流前馈幅值补偿和迭代收敛控制抑制了相电流谐波分量，纠正了相电流畸变，减少了输出同等转矩时所需的相电流幅值，最终提升了电机效率。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种应用于永磁同步电机的降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器。
背景技术
一般而言，永磁同步电机的调速系统由2个控制环组成，由外向内分别为速度和电流环。其中，电流环是影响电机调速系统性能的关键因素。目前，电流环控制方法主要有PID控制、状态反馈控制、预测控制和滞环控制等。PID控制实现简单，性能可靠，但是在电流采样噪声和系统控制延时的影响下，很难同时兼顾响应的快速性和稳定性。状态反馈控制需要对系统进行精确建模，同时建立对应的状态方程和观测器，并且进行在线或离线的模型参数辨识，但在实际应用中却很难获得足够精确的系统模型。预测控制可以实现对指令信号无超调且快速的跟踪，但是同样依赖于被控对象的精确系统模型，需要在控制过程中通过各种方法针对模型参数的不准确进行补偿和修正，实现起来较为复杂。滞环控制快速性较好，但这种Bang-Bang控制方法存在纹波大、开关频率不固定等缺陷，不适用于高性能控制场合。在永磁同步电机中，由于死区效应、电枢反应等因素的影响，相电流会发生较为严重的畸变。因而，对于该类型电机，所采用的电流环控制算法应该具有较强的畸变纠正能力，以保证电机系统具有较高的效率。然而，现有电流控制算法存在各自的弊端，不能很好地对相电流畸变进行纠正。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有电流控制算法的不足，提供一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器，该控制器可以纠正电机相电流的畸变，抑制相电流的谐波分量，最终减少相电流幅值，提高电机效率。
实现上述目的的一种技术方案是：一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器，包括前馈电流幅值补偿模块、迭代收敛控制模块，其特征在于：
所述前馈电流幅值补偿模块，即采用给控制电压乘以一个补偿系数的方式对相电流进行补偿，从而抑制电机因转子的磁极不完全对称造成的相电流幅值周期性脉动，最终使得各周期相电流幅值相等；经过前馈电流幅值补偿的控制电压Uf为：
Uf＝A[j]Umsin(θ)
其中，θ为通过旋转变压器检测到的转子机械角换算出的电角度；Umsin(θ)为基础正弦波控制电压；A[j]为储存前馈电流幅值补偿系数的数组，则当永磁电机极对数为p时，数组包含元素A[1]到A[2p]；A[2k-1](1≤k≤p)表示相电流第k个周期0-180°所对应的相电流补偿系数；A[2k](1≤k≤p)表示相电流第k个周期180-360°所对应的相电流补偿系数；如果补偿前相电流幅值偏小，则对应的补偿系数大于1，反之，则对应的补偿系数小于1；
所述迭代收敛控制模块，即将电流传感器测得的相电流与理论计算值相比较，将比较结果通过迭代计算后，存入到补偿值数组U[i]中；补偿值数组中的元素被用于对电机进行矢量控制，从而使相电流被强制纠正为标准正弦波；经过迭代收敛控制后，控制器最终输出的控制电压为：
U＝Uf+U[i]＝A[j]Umsin(θ)+U[i]
其中，补偿值数组大小定为N，则当永磁电机极对数为p时，每个数组元素储存了相电流360p/N°电角度对应的补偿值；U[(l-1)N/p+1]到U[lN/p](1≤l≤p)表示相电流第l个周期对应的控制电压补偿值。
进一步的，所述迭代收敛控制模块中补偿值数组U[i]的计算步骤为：
步骤1：通过电流传感器检测定子相电流i，并求得每p个相电流周期中电流的最大值Im；
步骤2：将Imsin(θ)作为参考标准正弦波，与当前检测到的定子相电流i相减，得到电流差Δi；
步骤3：将Δi乘以增益Kp后累加到该电角度对应的相电流补偿值数组中；
步骤4：在迭代收敛计算的最后将补偿值数组中的值乘以一个衰减系数K(0＜K＜1)，从而使得数组中的补偿值收敛，K的值非常接近于1。
本发明实施例的有益效果是，通过电流前馈幅值补偿和迭代收敛控制抑制了相电流谐波分量，纠正了相电流畸变，减少了输出同等转矩时所需的相电流幅值，最终提升了电机效率。
附图说明
图1是永磁同步电机控制系统总框图。
具体实施方式
下面采用附图和实施例对本发明做进一步说明，此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。
永磁同步电机控制系统总框图见附图1，其中降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器包括：前馈电流幅值补偿模块、迭代收敛控制模块，其特征在于：
所述前馈电流幅值补偿模块，即采用给控制电压乘以一个补偿系数的方式对相电流进行补偿，从而抑制电机因转子的磁极不完全对称造成的相电流幅值周期性脉动，最终使得各周期相电流幅值相等；经过前馈电流幅值补偿的控制电压Uf为：
Uf＝A[j]Umsin(θ)
其中，θ为通过旋转变压器检测到的转子机械角换算出的电角度；Umsin(θ)为基础正弦波控制电压；A[j]为储存前馈电流幅值补偿系数的数组，则当永磁电机极对数为3时，数组包含元素A[1]到A[6]，分别作为第一个周期0-180°、第一个周期180-360°、第二个周期0-180°、第二个周期180-360°、第三个周期0-180°、第三个周期180-360°所对应的相电流补偿系数，如果补偿前相电流幅值偏小，则对应的补偿系数大于1，反之，则对应的补偿系数小于1；
所述迭代收敛控制模块，即将电流传感器测得的相电流与理论计算值相比较，将比较结果通过迭代计算后，存入到补偿值数组U[i]中；补偿值数组中的元素被用于对电机进行矢量控制，从而使相电流被强制纠正为标准正弦波；经过迭代收敛控制后，控制器最终输出的控制电压为：
U＝Uf+U[i]＝A[j]Umsin(θ)+U[i]
其中，补偿值数组大小定为360，则当永磁电机极对数为3时，每个数组元素储存了相电流3°电角度对应的补偿值；U[1]到U[120]表示相电流第一个周期对应的控制电压补偿值，U[121]到U[240]表示相电流第二个周期对应的控制电压补偿值，U[241]到U[360]表示相电流第三个周期对应的控制电压补偿值。
进一步的，所述迭代收敛控制模块中补偿值数组U[i]的计算步骤为：
步骤1：通过电流传感器检测定子相电流i，并求得每三个相电流周期中电流的最大值Im；
步骤2：将Imsin(θ)作为参考标准正弦波，与当前检测到的定子相电流i相减，得到电流差Δi；
步骤3：将Δi乘以增益Kp后累加到该电角度对应的相电流补偿值数组中；
步骤4：在迭代收敛计算的最后将补偿值数组中的值乘以一个衰减系数K＝0.9983，从而使得数组中的补偿值收敛。
本实施例永磁同步电机的降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器采用TMS320F28069芯片实现；
永磁同步电机采用四相永磁容错电机结构，转子中永磁体采用表面贴装的Halbach阵列，极对数为3。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器，包括前馈电流幅值补偿模块、迭代收敛控制模块，其特征在于：
所述前馈电流幅值补偿模块，即采用给控制电压乘以一个补偿系数的方式对相电流进行补偿，从而抑制电机因转子的磁极不完全对称造成的相电流幅值周期性脉动，最终使得各周期相电流幅值相等；经过前馈电流幅值补偿后的控制电压Uf为：
Uf＝A[j]Umsin(θ)
其中，θ为通过旋转变压器检测到的转子机械角换算出的电角度；Umsin(θ)为基础正弦波控制电压；A[j]为储存前馈电流幅值补偿系数的数组，则当永磁电机极对数为p时，数组包含元素A[1]到A[2p]；A[2k-1](1≤k≤p)表示相电流第k个周期0°到180°所对应的相电流补偿系数；A[2k](1≤k≤p)表示相电流第k个周期180°到360°所对应的相电流补偿系数；如果补偿前相电流幅值偏小，则对应的补偿系数大于1，反之，则对应的补偿系数小于1；
所述迭代收敛控制模块，即将电流传感器测得的相电流与理论计算值相比较，将比较结果通过迭代计算后，存入到补偿值数组U[i]中；补偿值数组中的元素被用于对电机进行矢量控制，从而使相电流被强制纠正为标准正弦波；经过迭代收敛控制后，控制器最终输出的控制电压为：
U＝Uf+U[i]＝A[j]Umsin(θ)+U[i]
其中，补偿值数组大小定为N，则当永磁电机极对数为p时，每个数组元素储存了相电流(360p/N)°电角度对应的补偿值；U[(l-1)N/p+1]到U[lN/p](1≤l≤p)表示相电流第l个周期对应的控制电压补偿值。
2.根据权利要求1所述的降低永磁同步电机相电流谐波分量的迭代控制器，其特征在于：所述迭代收敛控制步骤中补偿值数组U[i]的计算步骤为：
步骤1：通过电流传感器检测定子相电流i，并求得每p个相电流周期中电流的最大值Im；
步骤2：将Imsin(θ)作为参考标准正弦波，与当前检测到的定子相电流i相减，得到电流差Δi；
步骤3：将Δi乘以增益Kp后累加到该电角度对应的相电流补偿值数组中；
步骤4：在迭代收敛计算的最后将补偿值数组中的值乘以一个衰减系数K(0＜K＜1)，从而使得数组中的补偿值收敛，K的值非常接近于1。
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