CN105720894B - 一种抑制电动机谐波的电机控制器及谐波抑制方法 - Google Patents
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Abstract
一种抑制电动机谐波的电机控制器及谐波抑制方法，它涉及一种谐波抑制控制器及谐波抑制方法。本发明的目的是为了解决现有技术中的电机控制器以及谐波抑制方法存在不能精确抑制由定子绕组整距和定子齿引起的电动机各次谐波的问题。本发明的信号发生单元包括三角波发生器、高通滤波器、比较器和电机控制芯片，功率变换单元包括功率变换器，三角波发生器的输出端连接比较器，电机控制芯片D/A接口连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端为抑制电动机谐波的电机控制器的输出端。本发明产生的驱动信号更加精准。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐波抑制控制器及谐波抑制方法，具体涉及一种抑制电动机谐波的电机控制器及谐波抑制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
交流电机绕组的电势中，除了基波外还存在由主极磁场在空间的非正弦分布和定子表面开槽引起的谐波电势，谐波电势对电机的运行性能有很大的影响。电机绕组采用短距是为了降低绕组的谐波电势，同时也削弱了基波电势；全数字化电机控制输出的SPWM驱动信号采用近似算法导致控制器输出电压的谐波含量增加；虽然全数字化电机控制可以采用谐波注入法抑制控制器输出电压谐波和电机本身非线性产生的谐波电流，但是生成SPWM驱动信号的算法求解调制波与载波的交点为超越方程，难于实现精确计算，不能精确抑制各次谐波电流。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的电机控制器以及谐波抑制方法存在不能精确抑制由定子绕组整距和定子齿引起的电动机各次谐波的问题。
本发明的技术方案是：
一种抑制电动机谐波的电机控制器，包括信号发生单元、驱动电路、检测单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接电机，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，所述信号发生单元包括三角波发生器、高通滤波器、比较器和电机控制芯片，功率变换单元包括功率变换器，三角波发生器的输出端连接比较器，电机控制芯片D/A接口连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端为抑制电动机谐波的电机控制器的输出端。
抑制电动机谐波的电机控制器包括供电单元，所述供电单元包括交流电源接口和整流电路，外部交流电源通过交流电源接口连接整流电路，整流电路的输出端连接功率变换器。
所述检测单元包括电流检测电路和信号调理电路，电流检测电路的输入端连接功率变换器的输出端，电流检测电路的输出端连接信号调理电路，信号调理电路的输出端连接电机控制芯片的A/D接口。检测电机电流，经信号调理电路转换为可进行A/D转换的信号，电机控制芯片通过检测的电流信号得到复合电压信号后由电机控制芯片的D/A输出。
一种抑制电动机谐波的电机控制器的谐波抑制方法，包括以下步骤：
步骤一、利用检测单元检测电机电流，确定控制电机所需的电压值幅值、各次谐波电流值和相位，确定各次谐波电压的实时值，通过开关频率确定抑制定子齿谐波次数；
步骤二、将步骤一所述各次谐波电压的实时值与电机控制芯片产生的控制电机电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、将所述复合电压信号与三角波发生器产生的三角波比较，得出电机控制所需的电压和频率以及抑制电机谐波电流的功率器件驱动信号。
电机控制芯片生成三相对称电压调制信号，其频率、相位和幅值根据电机运行状态确定得到的调制信号实时值由D/A接口输出模拟电压信号，再经高通滤波器得到交流调制信号与模拟载波信号直接比较输出精确SPWM信号，此驱动信号控制功率变换电路各相输出电压的谐波含量低。
本发明与现有技术相比具有以下效果：本发明提出利用模拟和数字综合控制技术由数字化生成频率和幅值可调的正弦波调制信号经D/A转换生成模拟信号后与模拟电路产生的载波信号直接比较生成精确的SPWM驱动信号和包含可以抑制电机各次谐波电流的复合信号的精确PWM驱动信号；本发明结合数字控制和模拟控制的优点，简化了全数字化控制下的计算载波和调制波交点产生功率器件SPWM驱动信号的不精确算法，具有良好的动态控制响应性能和有效降低控制器输出电压的谐波含量。
附图说明
图1为本发明的电机控制器的结构框图；
图2为SPWM驱动信号产生原理示意图；
图3为3次谐波抑制效果图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式，本实施方式的一种抑制电动机谐波的电机控制器，包括信号发生单元、驱动电路、检测单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接电机，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，所述信号发生单元包括三角波发生器、高通滤波器、比较器和电机控制芯片，功率变换单元包括功率变换器，三角波发生器的输出端连接比较器，电机控制芯片D/A接口经高通滤波器连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端为抑制电动机谐波的电机控制器的输出端。
抑制电动机谐波的电机控制器包括供电单元，所述供电单元包括交流电源接口和整流电路，外部交流电源通过交流电源接口连接整流电路，整流电路的输出端连接功率变换器。
所述检测单元包括电流检测电路和信号调理电路，电流检测电路的输入端连接功率变换器的输出端，电流检测电路的输出端连接信号调理电路，信号调理电路的输出端连接电机控制芯片的A/D接口。
三角波发生器输出三角波幅值固定，频率可调的载波信号；
电机控制芯片产生数字化的标准正弦波信号由D/A接口输出模拟电压作为调制信号，经过高通滤波器得到交流调制信号与模拟载波信号直接比较输出精确的SPWM信号；
功率变换器为电机控制器输出含有抑制电机谐波电流的各相电压；
所述比较器单元实现载波信号与调制波信号比较，由载波信号与调制波信号的交点确定功率器件的驱动信号如图2所示；
一种抑制电动机谐波的电机控制器的实现方法，包括以下步骤：
步骤一、利用检测单元检测电机电流，确定控制电机所需的电压值幅值、各次谐波电流值及谐波电流相位，确定各次谐波电压的实时值，通过开关频率确定定子齿谐波次数，具体为：
电机控制芯片实现控制电机电压的调制信号，其中x表示控制器输出三相电压ABC，ω＝2πf，由电机状态确定的三相电压调制信号的实时值经电机控制芯片的D/A输出，并由高通滤波器转换为交流模拟调制信号；
检测单元实现电机电流检测ix＝Im sin(ωt+θx)，其中x表示电机三相电流ABC，由信号调理电路变换使得电机电流检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配；
根据电机转速闭环和电流控制闭环设定，由数字化的电压信号和数字化的电流信号计算控制器基波电压幅值、频率和相位；
对数字化的电流信号进行FFT运算得到电机各次谐波电流分量组成和各次谐波电流幅值大小及相位值，谐波电压值由ui＝-xiii计算，其中负号为抑制谐波电流电压值，ii为谐波电流值，xi为谐波阻抗，下角标i代表谐波次数，由此确定抑制各次谐波电流的各次谐波电压大小将各次谐波电压值相加，再与数字化控制电机电压信号相加得到控制电机电压的复合信号，由电机控制芯片的D/A接口输出；
此信号为直流信号，经高通滤波器转换为交流信号；
步骤二、将步骤一所述各次谐波电压的实时值与与电机控制芯片产生的控制电机电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、将所述复合电压信号与三角波发生器产生的三角波比较，得出电机控制所需的电压和频率以及抑制电机谐波电流的功率器件驱动信号。
所述功率器件驱动信号为PWM信号，由电机转速闭环和电流闭环控制功率变换器输出电压的频率、相位和幅值，由电机电流谐波分析功能闭环调节包含了各次谐波电压幅值和相位的信号的大小以抑制电网各次谐波电流，本发明可以抑制电机3次及3的倍数次谐波磁势产生3次及3的倍数次谐波电势和其它阶次的谐波电势。
包含电机电流控制和谐波电流抑制的电压复合信号与三角波比较输出PWM驱动信号控制功率变换器输出电机运行所需的电压和抑制电机各次谐波电流的各次谐波电压信号；
考虑功率器件的开关频率，本发明可以抑制电机3次、5次、6次、7次、9次、11次和2mq次谐波电流，以开关频率为20kHz说明3次、5次、6次、7次、9次、11次和2mq＝24次谐波电压每周期经载波调制输出的段数分别为132段、79段、65段、56段、43段、35段和15段，因此本发明有效抑制电机3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电流和在考虑了开关频率分辨率下的电机定子齿谐波；
图3为幅值为1的3次谐波抑制设定与实际谐波相角差5度时谐波抑制率为91.8％，采用短距绕组抑制3次谐波最大抑制率为50％，在实际应用时定子绕组电阻和漏抗已知，实际相位差接近于零，因此，理想状态谐波抑制率为100％。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。
Claims (3)
1.一种抑制电动机谐波的电机控制器，包括信号发生单元、驱动电路、检测单元、供电单元和功率变换单元，信号发生单元的输出端通过驱动电路连接功率变换单元，功率变换单元的输出端连接电机，所述检测单元的输入端连接功率变换单元的输出端，检测单元的输出端连接信号发生单元，其特征在于：所述信号发生单元包括三角波发生器、高通滤波器、比较器和电机控制芯片，功率变换单元包括功率变换器，三角波发生器的输出端连接比较器，电机控制芯片D/A接口连接比较器，比较器的输出端连接驱动电路，驱动电路的输出端连接功率变换器，功率变换器的输出端为抑制电动机谐波的电机控制器的输出端；所述检测单元包括电流检测电路和信号调理电路，电流检测电路的输入端连接功率变换器的输出端，电流检测电路的输出端连接信号调理电路，信号调理电路的输出端连接电机控制芯片的A/D接口，A/D变换后可以计算得到抑制电机谐波电流的各次电压实时值。
2.根据权利要求1所述一种抑制电动机谐波的电机控制器，其特征在于：三角波发生器输出的载波与控制负载电压信号经数字化计算后由控制芯片D/A端连接的高通滤波器输出同比较器比较，输出功率器件的精确SPWM驱动信号，使得功率变换器输出基波电压波形畸变率有效降低。
3.基于权利要求1所述一种抑制电动机谐波的电机控制器的谐波抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、利用检测单元检测电机电流，确定控制电机所需的频率和电压值幅值、各次谐波电流值和相位，确定各次谐波电压的实时值，通过开关频率确定抑制定子齿谐波次数；具体为：
电机控制芯片实现控制电机电压的调制信号，其中x表示控制器输出三相电压ABC，，由电机状态确定的三相电压调制信号的实时值经电机控制芯片的D/A输出，并由高通滤波器转换为交流模拟调制信号；
检测单元实现电机电流检测，其中x表示电机三相电流ABC，由信号调理电路变换使得电机电流检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配；
根据电机转速闭环和电流控制闭环设定，由数字化的电压信号和数字化的电流信号计算控制器基波电压幅值、频率和相位；
对数字化的电流信号进行FFT运算得到电机各次谐波电流分量组成和各次谐波电流幅值大小及相位值，谐波电压值由计算，其中负号为抑制谐波电流电压值，为谐波电流值，为谐波阻抗，下角标代表谐波次数，由此确定抑制各次谐波电流的各次谐波电压大小将各次谐波电压值相加，再与数字化控制电机电压信号相加得到控制电机电压的复合信号，由电机控制芯片的D/A接口输出；
此信号为直流信号，经高通滤波器转换为交流信号；
步骤二、将步骤一所述各次谐波电压的实时值与电机控制芯片产生的控制电机电压信号相加得到复合电压信号；
步骤三、将所述复合电压信号与三角波发生器产生的三角波比较，得出电机控制所需的电压和频率以及抑制电机谐波电流的功率器件驱动信号；
所述功率器件驱动信号为PWM信号，由电机转速闭环和电流闭环控制功率变换器输出电压的频率、相位和幅值，由电机电流谐波分析功能闭环调节包含了各次谐波电压幅值和相位的信号的大小以抑制电网各次谐波电流，可以抑制电机3次及3的倍数次谐波磁势产生3次及3的倍数次谐波电势和其它阶次的谐波电势。
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