CN104601077B - 一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，所述系统包括：转子位置速度观测模块，定子相电流谐波补偿模块，相电流反馈模块，转速PI调节模块，电流PI调节模块，SVPWM变换输出模块；其中，定子相电流谐波补偿模块包括：谐波电流提取模块，通过自适应带通滤波器实时提取永磁同步电机相电流谐波；比例调节器，将谐波电流调节后反馈至电流环；谐波电流调节模块和谐波电压补偿量计算模块，基于高速永磁电机数学模型，计算谐波电压补偿量，并反馈至电压环。该系统能够准确计算电压补偿量并进行实时补偿，有效改善永磁同步电机运行中的相电流波形，降低转矩和转速脉动，进而提高电机运行效率、平稳性以及可靠性。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，更具体地，涉及一种用于控制高速永磁电机运行过程中电流谐波的系统。
背景技术
高速电机是指转速超过10000r/min的电机。与传统电机相比，高速永磁同步电机具有结构紧凑、体积小、效率高、功率密度大、响应速度快等特点，在微型燃气轮机、高速机床、鼓风机、压缩机、分子泵等领域具有广阔的应用前景，正成为国际电工领域的一个研究热点。在永磁同步电机运行中，由于PWM变频器开关器件死区时间、管压降等特性以及气隙磁场畸变将造成电机定子相电流畸变，使定子相电流中不仅含有基波分量，同时含有5次、7次、11次、13次等高次谐波分量，尤其以5次和7次谐波分量幅值较大。对于高速电机，由于转速高，一个周期内PWM调制次数少，谐波电流含量丰富，相电流畸变严重。高次谐波电流增加了高速电机的损耗，引起高速电机过热，由谐波电流引起的不同方向、不同转速旋转磁场会引起高速电机转矩和转速脉动，降低了高速电机运行效率和运行可靠性。
对此，现有技术中提出了很多关于抑制永磁同步电机运行中的相电流谐波的方法。例如，优化电机本体设计，改善气隙磁场分布正弦度，但此类方法只能抑制由于气隙磁场畸变引起的电流谐波；针对PWM变频器的非线性特性，采用电流反馈型电压补偿法进行电压补偿，但此类方法只能补偿由于PWM变频器非线性特性引起的5次、7次电流谐波；根据永磁电机的数学模型计算出电压补偿量进行电压补偿，此类方法可以抑制因逆变器非线性特性以及气隙磁场畸变引起的5次、7次电流谐波，但建立数学模型时已经忽略了部分谐波分量，且没有加入谐波电流反馈环，对于低速电机的电流谐波抑制取得了良好的效果，对于高速电机，则会引起较大的控制误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对现有高速永磁电机谐波电流抑制控制系统的不足，提供一种实时补偿谐波电压抑制高速永磁电机谐波电流的控制系统，该系统基于高速永磁电机数学模型，实时计算谐波电压补偿量，有效抑制高速永磁电机运行中的5次、7次谐波电流，降低高速永磁电机运行损耗以及转矩、转速脉动，提高高速永磁电机运行效率和运行可靠性。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，包括：
转子位置速度观测模块(1)，与电机本体连接，用于观测永磁同步电机的转子角位置θr和角速度ωr，根据θr和ωr以及极对数p计算永磁同步电机的转子电角度θ＝pθr以及转子电角速度ω＝pωr；
定子相电流谐波补偿模块(2)，与电机本体连接，用于获取电机三相相电流谐波信号，通过谐波电流提取模块(8)中自适应带通滤波器分别提取5次电流谐波d轴分量id_5h、q轴分量iq_5h和7次电流谐波d轴分量id_7h、q轴分量iq_7h。将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h分别变换到dq坐标系下，通过比例调节器(9)得到电流谐波反馈量id_hc、iq_hc，反馈回永磁同步电机电流环的d轴和q轴，将其作为谐波作用的反馈信息。将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h带入谐波电压补偿量计算模块(10)，计算出电压补偿量，经过谐波电压调节器，并变换到dq坐标系下，得到实际电压补偿量ud_fc与uq_fc，分别与参考电压udref、uqref做加法运算，得到实际控制电压ud、uq；
相电流反馈模块(3)，与电机本体连接，用于对永磁同步电机的静止ABC坐标系下相电流ia，ib，ic做Clarke变换和Park变换，得到dq坐标系下电流id_f、iq_f；
转速PI调节模块(4)，用于对给定的转子电角速度参考值ωref与所述转子位置速度观测模块(1)输出的实际转子电角速度ω做差后的信号进行PI调节后得到q轴参考电流iqref；
电流PI调节模块(5)，用于分别对d轴参考电流idref与反馈电流id_ff做差后的信号、q轴参考电流iqref与反馈电流iq_ff做差后的信号进行PI调节后得到d轴参考电压udref与q轴参考电压uqref；
SVPWM变换输出模块(6)，与电机本体连接，用于根据d轴输入电压ud和q轴输入电压uq生成空间矢量调制信号，控制三相逆变器以驱动永磁同步电机。
其中，永磁同步电机的控制方式选用id＝0的无位置传感器矢量控制，基于永磁同步电机的数学模型，通过基于反电动势积分的位置速度估测器得到转子的角位置θr和角速度ωr，表示为：
其中，Lq，Ld分别为d轴和q轴自感，ψα、ψβ为定子磁链，表示为：
转子电角度θ和转子电角速度ω表示为：
式中，p为永磁同步电机极对数。
其中，所述谐波电流提取模块(8)中自适应带通滤波器表示为：
式中，A(z)表示为：
k1，k2的选择分别取决于自适应带通滤波器的中心频率和频带宽度。
其中，所述谐波电流反馈环，作为PWM变频器非线性特性和气隙磁场畸变影响的反馈信息环，加快了系统的响应速度，同时也可以指示补偿效果。
其中，所述谐波电压补偿量计算模块(11)，根据高速永磁电机电压方程：
式中，ud、uq、id、iq、ψd、ψq、Rs、ω分别表示d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流、d轴磁链、q轴磁链、定子电阻和基波电压电角速度。
定子绕组三相相电流：
式中，ia、ib、ic分别表示A、B、C三相相电流。
得出5次谐波电压补偿量和7次谐波电压补偿量：
式中，ud5_fc、ud7_fc、uq5_fc、uq7_fc分别表示5次谐波电压补偿量d轴分量、7次谐波电压补偿量d轴分量、5次谐波电压补偿量q轴分量、7次谐波电压补偿量q轴分量；id5_fc、id7_fc、iq5_fc、iq7_fc分别表示5次谐波电流d轴分量、7次谐波电流d轴分量、5次谐波电流q轴分量、7次谐波电流q轴分量。
其中，所述各次谐波电压补偿量，经过PI调节器调节以及等幅值坐标变换可以分别得到dq坐标系下的谐波电压补偿量d轴分量ud_fc，q轴分量uq_fc。分别将d轴、q轴参考电压udref、uqref与谐波电压补偿量d轴分量、q轴分量ud_fc、uq_fc相加，得到实际控制电压d轴分量ud、q轴分量uq。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)高速永磁电机的控制方式选用id＝0的无位置传感器矢量控制，通过观测器观测永磁电机的转子电角度θ以及转子电角速度ω。避免了位置传感器安装维护困难、增加系统成本、使系统易受干扰、降低系统可靠性的缺点。
(2)基于自适应带通滤波器提取谐波电流，滤波器结构简单，且可以根据转子转频自动调整滤波器参数，谐波电流提取准确。避免了传统谐波电流提取方法计算量大或者谐波电流提取不准确的缺点。
(3)建立高速永磁电机数学模型时已经考虑谐波电流的影响，谐波电压补偿量计算准确，在永磁电机高速运行时仍然能有较好的谐波电流补偿效果。避免了传统谐波电压补偿量计算方法不适用于高速电机的缺点。
(4)谐波电流反馈环的加入作为谐波电流影响的反馈信息，可以达到有效减小谐波电流的目的。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的转子位置速度观测模块组成框图，其中图2a为磁链计算框图，图2b为转子位置和速度计算框图；
图3为本发明的谐波电流提取模块组成框图；
图4为本发明的谐波电流提取模块滤波器组成框图，其中图4a为自适应带通滤波器组成原理框图，图4b为其实现形式；
图5为本发明的谐波电压补偿量计算框图；
图6为本发明的谐波电流反馈以及谐波电压补偿原理框图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明主要由转子位置速度观测模块(1)，定子相电流谐波补偿模块(2)，相电流反馈模块(3)，转速PI调节模块(4)，电流PI调节模块(5)，SVPWM变换输出模块(6)组成。
位置速度观测模块(1)与电机本体连接，用于观测永磁同步电机的转子角位置θr和角速度ωr，根据θr和ωr以及极对数p计算永磁同步电机的转子电角度θ＝pθr以及转子电角速度ω＝pωr；
定子相电流谐波补偿模块(2)电机本体连接，包括谐波电流提取模块(8)、比例调节器(9)、谐波电流调节模块(10)和谐波电压补偿量计算模块(11)，用于获取电机三相相电流谐波信号，通过谐波电流提取模块(8)中自适应带通滤波器分别提取5次电流谐波d轴分量id_5h、q轴分量iq_5h和7次电流谐波d轴分量id_7h、q轴分量iq_7h。将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h分别变换到dq坐标系下，通过比例调节器(9)得到电流谐波反馈量id_hc、iq_hc，反馈回永磁同步电机电流环的d轴和q轴，将其作为谐波作用的反馈信息。将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h经过谐波电流调节模块(10)调节后带入谐波电压补偿量计算模块(11)，计算出电压补偿量，并变换到dq坐标系下，得到实际电压补偿量ud_fc与uq_fc，分别与参考电压udref、uqref做加法运算，得到实际控制电压ud、uq；
相电流反馈模块(3)与SVPWM变换输出模块(6)连接，用于对永磁同步电机的静止ABC坐标系下相电流ia，ib，ic做Clarke变换和Park变换，得到dq坐标系下电流id、iq；
转速PI调节模块(4)用于对给定的转子电角速度参考值ωref与所述转子位置速度观测模块(1)输出的实际转子电角速度ω做差后的信号进行PI调节后得到q轴参考电流iqref；
电流PI调节模块(5)用于分别对d轴参考电流idref与反馈电流id_ff做差后的信号、q轴参考电流iqref与反馈电流iq_ff做差后的信号进行PI调节后得到d轴参考电压udref与q轴参考电压uqref；
SVPWM变换输出模块(6)与电机本体连接，用于根据d轴输入电压ud和q轴输入电压uq生成空间矢量调制信号，控制三相逆变器以驱动永磁同步电机。
如图2所示，给出了本发明的转子位置速度观测模块组成框图，图2(a)磁链计算框图根据测量的高速永磁电机相电压ua、ub、uc以及相电流ia、ib、ic计算磁链ψα、ψβ：
图2(b)转子位置和速度计算框图根据电流iα、iβ以及磁链ψα、ψβ计算高速永磁电机转子角位置，根据转子位置计算转子角速度：
其中，Lq、Ld分别为d轴和q轴自感。
如图3所示，给出了本发明的谐波电流提取模块组成框图，通过自适应带通滤波器提取电流谐波，并经过各次谐波同步旋转坐标系变换成直流量。自适应带通滤波器H(z)由采用格型结构的全通滤波器A(z)组成，其具体结构及实现形式由图4给出。
如图4所示，给出了谐波电流提取模块滤波器组成框图，根据输入滤波中心频率以及截止频率，构建可以自动调整滤波参数的带通滤波器，提取5次、7次谐波电流，如图4(a)所示，自适应带通滤波器表示为：
式中，A(z)表示为：
k1，k2的选择分别取决于自适应带通滤波器的中心频率和频带宽度：
式中，ω*为滤波器中心频率，根据需要提取的谐波频率选取，BW为滤波器频带宽度，取为滤波器中心频率的3～4倍。图4(b)为自适应带通滤波器的具体实现形式框图。
如图5所示，基于高速永磁电机数学模型，根据输入的谐波电流，计算5次谐波电压补偿量和7次谐波电压补偿量：
得到谐波电压补偿量计算框图。
如图6所示，给出了本发明的谐波电流反馈以及谐波电压补偿原理框图，将提取出的谐波电流经比例调节器调节后得到d轴分量id_hc、q轴分量iq_hc，将其反馈至高速永磁电机电流谐波补偿系统电流环；将计算出的谐波电压补偿量d轴分量ud_fc、q轴分量uq_fc补偿至高速永磁电机电流谐波补偿系统电压环。
本发明虽为基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，但也可以作为一种通用的基于空间矢量调制的高速永磁电机控制系统，适用于无位置传感器高速永磁电机控制系统，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改系统软件参数来灵活方便地实现其功能。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，其特征在于：该系统由以下模块构成：转子位置速度观测模块(1)，定子相电流谐波补偿模块(2)，相电流反馈模块(3)，转速PI调节模块(4)，电流PI调节模块(5)，SVPWM变换输出模块(6)；其中：
所述转子位置速度观测模块(1)，与电机本体连接，用于观测永磁同步电机的转子角位置θr和角速度ωr，根据θr和ωr以及极对数p计算永磁同步电机的转子电角度θ＝pθr以及转子电角速度ω＝pωr；
所述定子相电流谐波补偿模块(2)，与电机本体连接，包括谐波电流提取模块(8)、比例调节器(9)、谐波电流调节模块(10)和谐波电压补偿量计算模块(11)，用于获取电机三相相电流谐波信号，通过谐波电流提取模块(8)中自适应带通滤波器分别提取5次电流谐波d轴分量id_5h、q轴分量iq_5h和7次电流谐波d轴分量id_7h、q轴分量iq_7h；将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h分别变换到dq坐标系下，通过比例调节器(9)得到电流谐波反馈量id_hc、iq_hc，反馈回永磁同步电机电流环的d轴和q轴，将其作为谐波作用的反馈信息；将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h经过谐波电流调节模块(10)调节后带入谐波电压补偿量计算模块(11)，计算出电压补偿量，并变换到dq坐标系下，得到实际电压补偿量ud_fc与uq_fc，分别与参考电压udref、uqref做加法运算，得到实际控制电压ud、uq；所述谐波电流提取模块(8)中自适应带通滤波器表示为：
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k1，k2的选择分别取决于自适应带通滤波器的中心频率和频带宽度；
其中，所述谐波电流反馈环，作为PWM变频器非线性特性和气隙磁场畸变影响的反馈信息环，加快了系统的响应速度，同时也可以指示补偿效果；
其中，所述谐波电压补偿量计算模块(11)，根据高速永磁电机电压方程：
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式中，ud、uq、id、iq、ψd、ψq、Rs、ω分别表示d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流、d轴磁链、q轴磁链、定子电阻和基波电压电角速度；
定子绕组三相相电流：
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式中，ia、ib、ic分别表示A、B、C三相相电流；
得出5次谐波电压补偿量和7次谐波电压补偿量：
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式中，ud5_fc、ud7_fc、uq5_fc、uq7_fc分别表示5次谐波电压补偿量d轴分量、7次谐波电压补偿量d轴分量、5次谐波电压补偿量q轴分量、7次谐波电压补偿量q轴分量；id5_fc、id7_fc、iq5_fc、iq7_fc分别表示5次谐波电流d轴分量、7次谐波电流d轴分量、5次谐波电流q轴分量、7次谐波电流q轴分量；Ld，Lq分别为d轴和q轴自感；
所述相电流反馈模块(3)，与电机本体连接，用于对永磁同步电机的静止ABC坐标系下相电流ia，ib，ic做Clarke变换和Park变换，得到dq坐标系下电流id_f、iq_f；
所述转速PI调节模块(4)，用于对给定的转子电角速度参考值ωref与所述转子位置速度观测模块(1)输出的实际转子电角速度ω做差后的信号进行PI调节后得到q轴参考电流iqref；
所述电流PI调节模块(5)，用于分别对d轴参考电流idref与反馈电流id_ff做差后的信号、q轴参考电流iqref与反馈电流iq_ff做差后的信号进行PI调节后得到d轴参考电压udref与q轴参考电压uqref；
所述SVPWM变换输出模块(6)，与电机本体连接，用于根据d轴输入电压ud和q轴输入电压uq生成空间矢量调制信号，控制三相逆变器以驱动永磁同步电机。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，其特征在于：所述的永磁同步电机的控制方式选用id＝0的无位置传感器矢量控制，基于永磁同步电机的数学模型，通过基于反电动势积分的位置速度估测器得到转子的角位置θr和角速度ωr，根据转子角位置θr和角速度ωr以及永磁电机极对数计算转子电角度θ和转子电角速度ω。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，其特征在于：所述谐波电流提取模块(8)，利用霍尔电流传感器采集永磁同步电机三相相电流信号ia、ib、ic，此时的相电流信号中含有基波与谐波，利用自适应带通滤波器，分别提取dq坐标系下5次、7次谐波电流分量，并将5次、7次谐波电流分量分别变换到5次、7次谐波同步旋转坐标系下，分别得到5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量调制的高速永磁电机谐波电流补偿系统，其特征在于：所述谐波电压补偿量计算模块(11)将提取出的5次电流谐波id_5h、iq_5h和7次电流谐波id_7h、iq_7h经谐波电流调节模块(10)调节后带入由永磁同步电机数学模型推导出的谐波电压补偿量计算模块，计算出电压补偿量，经过谐波电压调节器，并变换到dq坐标系下，得到实际电压补偿量ud_fc与uq_fc，分别与控制电压udref、uqref作加法运算，得到实际控制电压ud、uq。
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