CN104935235A - 电机的电流谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的电流谐波抑制方法，包括以下步骤：根据接收的d轴给定电流i_d ^*和d轴反馈电流i_d求差后的信号i_dh以及q轴给定电流i_q ^*和q轴反馈电流i_q求差后的信号i_qh，估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe；根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，将d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco分别加到d轴电流环控制器输出的d轴电压u_d和q轴电流环控制器输出的q轴电压u_q上。采用上述技术方案后，能够在电机矢量控制的过程中有效地消除电机的电流谐波。

Description

电机的电流谐波抑制方法

技术领域

本发明涉及电机的电流谐波抑制方法。

背景技术

由于电机齿槽效应等本身结构的原因，使得电机的反电势等并不是理想的形状，这会导致电机的电流不为正弦波，而含有谐波。谐波电流会引起转矩脉动，使得电机性能降低。对电流谐波进行抑制，可以提高电机的性能。

以三相异步电机举例来说，电流包含5次、7次、11次、13次、17次等谐波，当谐波频率较低时，电流环控制器可以较好地抑制谐波电流，但当频率升高时，由于电流环控制器带宽的限制，对谐波抑制的作用降低。要抑制谐波，可以对谐波电流进行单独控制。矢量控制由于其优良性能在异步电机控制中得到了广泛应用，矢量控制将三相电流转换到两相旋转坐标系下，实现了转矩和磁链的解耦。三相电流经过旋转坐标变换后，所含电流谐波变成6次、12次、18次等，对这些阶次的谐波进行补偿就可以起到谐波抑制的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电机的电流谐波抑制方法，其能够在电机矢量控制的过程中有效地消除电机的电流谐波。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

电机的电流谐波抑制方法，其特点在于，包括以下步骤：

根据接收的d轴给定电流i_d ^*和d轴反馈电流i_d求差后的信号i_dh以及q轴给定电流i_q ^*和q轴反馈电流i_q求差后的信号i_qh，估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe；

根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，将d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco分别加到d轴电流环控制器输出的d轴电压u_d和q轴电流环控制器输出的q轴电压u_q上。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明根据估算出的电流谐波计算出d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，并将d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco分别加到d轴电流环控制器输出的d轴电压u_d和q轴电流环控制器输出的q轴电压u_q上，实现了电机矢量控制过程中的谐波抑制，消除谐波后的电机相电流更加接近正弦波，从而提高了异步电机的性能；

2、本发明是通过估算出的电流谐波计算出d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，可以对采样和控制器的延时进行补偿，从而达到更好的谐波消除效果。

附图说明

图1是现有的电机矢量控制的控制框图。

图2示出了采用了根据本发明一实施例的电流谐波抑制方法的电机矢量控制的控制框图。

图3是根据本发明一实施例的电流谐波抑制模块的原理示意图。

图4是根据本发明一应用实例的d轴反馈电流i_d及其电流谐波实际值i_dh的波形示意图。

图5是根据本发明一应用实例的q轴反馈电流i_q及其电流谐波实际值i_qh的波形示意图。

图6是根据本发明一应用实例的d轴电流谐波实际值i_dh和估计值i_dhe的波形示意图。

图7是根据本发明一应用实例的q轴电流谐波实际值i_qh和估计值i_qhe的波形示意图。

图8是未采用根据本发明一应用实例的谐波抑制方法的电流波形示意图。

图9是采用了根据本发明一应用实例的谐波抑制方法的电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明是在电机矢量控制的基础上实现的。现有矢量控制的控制框图如图1所示。图1中，ω^*和ω分别为给定转速和反馈转速，i_d ^*、i_d分别为d轴给定电流和反馈电流，i_q ^*、i_q分别为q轴给定电流和反馈电流，i_a、i_b分别为电机的A相和B相的相电流，i_α、i_β为静止两相坐标系下的电流分量，u_d、u_q分别为d轴电压和q轴电压，u_α，u_β为静止两相坐标系下的电压分量，ω_e为电机同步角速度，速度控制器和电流环控制器均为PI调节器。

将电流转换到同步旋转坐标系后，d轴、q轴电流中含有6次、12次、18次、24次等谐波，根据傅立叶运算公式，d轴、q轴电流i_d、i_q的表达式可以由下式来表示：

上式中，d₀为i_d直流分量，da_6n为i_d的6n次谐波正弦分量系数，db_6n为id的6n次谐波余弦分量系数，q₀为i_q直流分量，qa_6n为i_q的6n次谐波正弦分量系数，qb_6n为iq的6n次谐波余弦分量系数。

当电流环控制器可以很好地实现电流控制时，给定与反馈的差值为零。可以认为，电流环控制器反馈与给定的差值就是电流的谐波，那么，谐波就可以由下式来表示：

图2示出了采用了根据本发明一实施例的电流谐波抑制方法的电机矢量控制的控制框图。图2中的虚线框表示采用了根据本发明一实施例的电流谐波抑制方法的谐波抑制模块，K为谐波控制器增益，i_dhe和i_qhe分别为估计出的d轴和q轴电流的谐波电流。

基于前述的分析，并结合图2所示，根据本发明一实施例的电机的电流谐波抑制方法，包括以下步骤：

步骤S11、根据接收的d轴给定电流i_d ^*和d轴反馈电流i_d求差后的信号i_dh以及q轴给定电流i_q ^*和q轴反馈电流i_q求差后的信号i_qh，估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe。

上述的根据i_dh和i_qh估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe具体包括以下步骤：

a、选择要消除的谐波次数，然后根据以下公式计算出要消除的各次谐波的系数：

其中，da_6n为i_d的6n次谐波正弦分量系数，db_6n为i_d的6n次谐波余弦分量系数，qa_6n为i_q的6n次谐波正弦分量系数，qb_6n为i_q的6n次谐波余弦分量系数，ω_e为电机同步角速度，T为电流周期，n＝1,2,3......。

为使计算变得简便，在一种优选的实施方式中，可以采用低通滤波器来实现对上述各次谐波系数的计算。具体地，i_d的谐波电流i_dhe的各次谐波的系数通过以下方式计算获得：将i_dh*sin(6nω_et)和i_dh*cos(6nω_et)分别输入到一个低通滤波器，并将各低通滤波器的输出乘以2分别得到da_6n和db_6n；i_q的谐波电流i_qhe的各次谐波的系数通过以下方式计算获得：将i_qh*sin(6nω_et)和i_qh*cos(6nω_et)分别输入到一个低通滤波器，并将各低通滤波器的输出乘以2分别得到qa_6n和qb_6n。

b、根据以下公式估计出i_d和i_q的谐波电流i_dhe和i_qhe：

如要消除5次和7次，就相当于消除d轴和q轴电流中的6次谐波，只要计算6次谐波的系数，如果要消除所有谐波，就要计算6次、12次、18次、24次……，结合实际需要和控制器的运算能力进行选择。计算出各次谐波系数后，就可以求出谐波估计值i_dhe和i_qhe。

S12、根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，将d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco分别加到d轴电流环控制器输出的d轴电压u_d和q轴电流环控制器输出的q轴电压u_q上，从而实现谐波抑制。

请结合图3所示。在图3所示的实施例中，谐波控制器采用了比例调节器。前述的根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco具体包括以下步骤：

将0与i_dhe求差后的信号输入一比例调节器，该比例调节器计算出d轴补偿电压u_dco；

将0与i_qhe求差后的信号输入另一比例调节器，该另一比例调节器计算出q轴补偿电压u_qco。

为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合一具体的应用实例进行说明。

本应用实例中使用了电压型变频器对异步电机进行控制来实现本发明的电流谐波抑制方法。变频器额定功率为11kw，额定电流为27A，异步电机为额定功率为3.7kw，额定电流为9.5A，系统载波频率为8k，未进行死区补偿。

首先，根据接收的d轴给定电流i_d ^*和d轴反馈电流i_d求差后的信号i_dh以及q轴给定电流i_q ^*和q轴反馈电流i_q求差后的信号i_qh，估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe。

将电流环控制器反馈与给定的差值作为电流的实际谐波，如图4和图5所示，其中图4为i_d及其谐波i_dh，图5为i_q及其谐波i_qh。

目标为消除d轴、q轴电流的6次、12次、18次谐波，只需将n设为1、2和3，先分别求出6次、12次、18次谐波的谐波系数da₆、db₆、da₁₂、db₁₂、da₁₈、db₁₈、qa₆、qb₆、qa₁₂、qb₁₂、qa₁₈和qb₁₈，得到i_d、i_q电流谐波的表达式，根据表达式可以估计出电流谐波的大小。图6示出了i_d的电流谐波实际值i_dh与电流谐波估计值i_dhe，图7示出了i_q的电流谐波的实际值i_qh与电流谐波估计值i_qhe。

然后，计算补偿电压，将补偿电压加到d、q轴电流环控制器输出上，实现谐波抑制。

这样，就可以消除相电流中的5次、7次、11次、13次、17次和19次谐波。其中，谐波控制器增益设为2.5。请参阅图8和图9，图8为未进行谐波抑制的电流波形，图9为进行谐波抑制后的电流波形，通过比较可见，进行谐波抑制后的电机相电流更加接近正弦波，i_q、i_d更加接近直流，这说明本方法可以很好地实现谐波抑制。

本发明不仅适用于异步电机，也适用于永磁同步电机。

Claims (5)

1.电机的电流谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据接收的d轴给定电流i_d ^*和d轴反馈电流i_d求差后的信号i_dh以及q轴给定电流i_q ^*和q轴反馈电流i_q求差后的信号i_qh，估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe；

根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco，将d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco分别加到d轴电流环控制器输出的d轴电压u_d和q轴电流环控制器输出的q轴电压u_q上。

2.根据权利要求1所述的电机的电流谐波抑制方法，其特征在于，所述的根据i_dh和i_qh估计出i_d的谐波电流i_dhe和i_q的谐波电流i_qhe包括以下步骤：

选择要消除的谐波次数，然后根据以下公式计算出要消除的各次谐波的系数：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}d{a}_{6n}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{i}_{dh}\sin \left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)dt\\ d{b}_{6n}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{i}_{dh}\cos \left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)dt\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{c}q{a}_{6n}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{i}_{qh}\sin \left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)dt\\ q{b}_{6n}=\frac{2}{T}{\∫}_0^T{i}_{qh}\cos \left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)dt\end{array}\right.\end{array}$

其中，da_6n为i_d的6n次谐波正弦分量系数，db_6n为i_d的6n次谐波余弦分量系数，qa_6n为i_q的6n次谐波正弦分量系数，qb_6n为i_q的6n次谐波余弦分量系数，ω_e为电机同步角速度，T为电流周期，n＝1,2,3......；

根据以下公式估计出i_d和i_q的谐波电流i_dhe和i_qhe：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dhe}=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{\mathrm{da}}_{6n}sin\left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)+d{b}_{6n}cos\left(6n{\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\\ i_{qhe}=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{\mathrm{qa}}_{6n}sin\left(6{\mathrm{n\ω}}_{e}t\right)+q{b}_{6n}cos\left(6n{\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\end{array}\right.$

3.根据权利要求2所述的电机的电流谐波抑制方法，其特征在于，i_d的谐波电流i_dhe的各次谐波的系数通过以下方式计算获得：

将i_dh*sin(6nω_et)和i_dh*cos(6nω_et)分别输入到一个低通滤波器，并将各低通滤波器的输出乘以2分别得到da_6n和db_6n；

i_q的谐波电流i_qhe的各次谐波的系数通过以下方式计算获得：

将i_qh*sin(6nω_et)和i_qh*cos(6nω_et)分别输入到一个低通滤波器，并将各低通滤波器的输出乘以2分别得到qa_6n和qb_6n。

4.根据权利要求1所述的电机的电流谐波抑制方法，其特征在于，根据估计出的谐波电流i_dhe和i_qhe计算d轴补偿电压u_dco和q轴补偿电压u_qco具体包括以下步骤：

将0与i_dhe求差后的信号输入一比例调节器，该比例调节器计算出d轴补偿电压u_dco；

将0与i_qhe求差后的信号输入另一比例调节器，该另一比例调节器计算出q轴补偿电压u_qco。

5.根据权利要求1所述的电机的电流谐波抑制方法，其特征在于，所述的电机为异步电机或永磁同步电机。