CN106817059B - 一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置，所述相电流补偿方法补偿由旋转变压器因素导致的交流同步电机的相电流偏置；所述相电流补偿方法包括：采集所述交流同步电机的三相电流信号，将所述三相电流信号变换为两相电流信号，将所述两相电流信号包括的直轴电流信号或交轴电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析，在所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件。所述交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置可以有效地解决在电机高速运转时相电流偏置引起的电机和电机控制器发热以及电机转矩波动的问题。

Description

一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术，特别涉及一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置。

背景技术

交流同步电机是一种恒速驱动电机，其转子转速与电源频率保持恒定的比例关系，被广泛应用于电子仪器仪表、现代办公设备、纺织机械等。交流同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。以永磁同步电机为例，永磁同步电机已经成为一种主流驱动电机。在以永磁同步电机为代表的交流同步电机的驱动控制中，为了保证输出转矩的平稳性，要求输入的三相电流的一致性要好，以避免出现相电流偏置现象。

然而，以永磁同步电机为代表的交流同步电机，在实际情况下，由于电机的位置传感器——旋转变压器受到干扰或出现故障等因素，都可能导致所述旋转变压器解析出的位置信号出现谐波，使所述旋转变压器实际解析出的位置信号与理想位置信号有一定偏差，从而产生相电流偏置，使电机转矩波动。所述旋转变压器实际解析出的位置信号与理想位置信号对比效果请参见图1。所述带有偏置的三相电流信号IU、IV和IW请参见图2。对带有偏置的所述三相电流信号进行变换得到的两相电流(直轴电流和交轴电流)信号中带有谐波，主要为一次谐波和二次谐波，所述直轴电流和交轴电流信号请参见图3。

在电机控制中，电流控制属于闭环控制，旋转变压器因素引起的电机相电流偏置，尽管在电机低速和小转矩时作用不为明显，但在电机高速运转时，会引起电机和电机控制器发热以及电机转矩波动。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术中交流同步电机的旋转变压器因素引起的电机相电流偏置导致的电机和电机控制器发热电机以及转矩波动问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法，适用于补偿由于所述交流同步电机的旋转变压器因素引起的电流偏置；所述旋转变压器输出转子电角度信号；所述方法包括：

采集所述交流同步电机的三相电流信号；

将所述三相电流信号变换为两相电流信号，所述两相电流信号包括直轴电流信号和交轴电流信号；

将所述直轴电流信号或交轴电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析；

在所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件。

可选的，所述谐波含量条件包括：谐波畸变率小于阈值。

可选的，所述对该次谐波进行补偿包括：设置最优电角度补偿信号，所述最优电角度补偿信号补偿所述转子电角度信号，使得补偿后的三相电流信号变换后的两相电流信号的该次谐波符合谐波含量条件。

可选的，所述设置最优电角度补偿信号包括：调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位和最优补偿幅度。

可选的，所述调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位包括：

设置第一电角度补偿信号的幅度为第一幅度，初始相位为零，频率同所述该次谐波；

设置一单位角度间隔，所述第一电角度补偿信号的相位逐次增加所述单位角度间隔至2π，得到不同的所述第一电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号；

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定使所述补偿后信号的该次谐波分量最小的相位是所述最优补偿相位。

可选的，所述第一幅度小于所述转子电角度信号的幅度。

可选的，所述调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿幅度包括：

设置第二电角度补偿信号的初始幅度为所述第一幅度，初始相位为所述最优补偿相位，频率同所述该次谐波；

设置一单位幅度间隔，所述第二电角度补偿信号的幅度逐次增加所述单位幅度间隔，得到不同的所述第二电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号；

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定初次使所述补偿后信号的该次谐波分量满足谐波含量条件的幅度是所述最优补偿幅度。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种交流同步电机的相电流偏置补偿装置，包括：

电流采集单元，适于采集所述交流同步电机的三相电流信号；

信号转换单元，电连接于所述电流采集单元，适于接收所述电流采集单元输出的三相电流数据，将所述三相电流信号变换为两相电流信号；

谐波分析单元，对所述两相电流信号之一进行谐波分析；

电机控制器，适于接收所述信号转换单元发送的控制信号，控制所述交流同步电机；并适于当所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件；

通信单元，电连接于所述信号转换单元与所述电机控制器，适于将所述信号转换单元发送的所述控制信号传输至所述电机控制器。

可选的，所述谐波含量条件包括：谐波畸变率小于阈值。

可选的，所述谐波分析单元包含于所述信号转换单元。

可选的，所述谐波分析单元是一种谐波分析仪器。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例对三相电流进行变换得到两相电流信号(直轴或交轴电流信号)，对所述直轴或交轴电流信号之一进行谐波分析，若所述谐波分析得到的待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件；本发明实施例可以有效补偿现有技术中交流同步电机由旋转变压器因素引起的电机相电流偏置，从而解决电机和电机控制器发热以及电机转矩波动的问题。

进一步，本发明实施例调整所述转子电角度信号包括：调整所述转子电角度信号的相位，调整所述转子电角度信号的幅度；调整所述转子电角度信号的相位时，设定所述第一补偿电角度信号的第一幅度值较小，在调整所述转子电角度信号的过程中可以有效地保护电机。

附图说明

图1是现有技术中旋转变压器解析出的实际位置信号与理想位置信号。

图2是现有技术中带有偏置的三相电流信号。

图3是现有技术中带有偏置的直轴与交轴电流信号。

图4是本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿方法的总体流程图。

图5是本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿方法的另一流程图。

图6是应用本发明实施例的补偿算法补偿后的三相电流信号。

图7是应用本发明实施例的补偿算法补偿后的直轴与交轴电流信号。

图8是本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿装置的原理框图。

图9是本发明实施例交流同步电机的控制系统框图。

具体实施方式

如背景技术部分所述，现有技术中交流同步电机具有旋转变压器因素引起的电机相电流偏置而导致电机和电机控制器发热以及电机转矩波动的问题。

本发明提出一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置，所述相电流补偿方法补偿由旋转变压器因素导致的交流同步电机的相电流偏置；所述相电流补偿方法包括：采集所述交流同步电机的三相电流信号，将所述三相电流信号变换为两相电流信号，将所述两相电流信号包括的直轴电流信号或交轴电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析，在所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件。所述交流同步电机的相电流偏置补偿方法及装置可以有效地解决在电机高速运转时相电流偏置引起的电机和电机控制器发热以及电机转矩波动的问题。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，所述补偿方法适用于补偿交流同步电机中由旋转变压器因素引起的相电流偏置。

图4是本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿方法的总体流程图。如图4所示，本发明实施例提出的交流同步电机相电流偏置补偿方法包括：

首先，执行步骤S101，采集所述交流同步电机的三相电流信号。

再执行步骤S102，将所述三相电流信号变换为两相电流信号，所述两相电流信号包括直轴电流信号和交轴电流信号。

再执行步骤S103，将所述直轴电流信号或交轴电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析。

再执行步骤S104，判断该次谐波是否符合谐波含量条件。

最后，执行步骤S105，在所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件。

即首先补偿一次谐波，先判断所述一次谐波是否存在，补偿所述一次谐波，直到所述一次谐波符合所述谐波含量条件；其次，补偿二次谐波，先判断所述二次谐波是否存在，通过以上所述的补偿模块补偿所述二次谐波，直到所述二次谐波符合所述谐波含量条件；以此类推到补偿N次谐波。

本发明实施例对三相电流进行变换得到两相电流信号(直轴或交轴电流信号)，对所述直轴或交轴电流信号之一进行谐波分析，若所述谐波分析得到的待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件；本发明实施例可以有效补偿现有技术中交流同步电机由旋转变压器因素引起的电机相电流偏置，从而解决电机和电机控制器发热以及电机转矩波动的问题。

本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿方法还提供另一流程图作为本发明的最佳实施例，请参考图5。

所述交流同步电机的相电流偏置补偿方法依次执行以上所述的步骤S101、S102、S103、S104至S105。

在具体实施中，所述步骤S104判断该次谐波是否符合谐波含量条件中的所述谐波含量条件包括步骤S1041，判断所述该次谐波的谐波畸变率小于阈值。在本实施例中，所述谐波畸变率的阈值取0.5％，仅以此为例。

在具体实施中，所述步骤S105中，当对经变换后得到的所述直轴电流信号交轴电流信号之一进行谐波分析后，对某次谐波进行补偿包括：通过设置最优电角度补偿信号，所述最优电角度补偿信号补偿所述旋转变压器输出的所述转子电角度信号。

所述设置最优电角度补偿信号包括：步骤S1051，调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位，和步骤S1052，调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿幅度。

调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位，包括：

首先设置第一电角度补偿信号的幅度为第一幅度A₀，初始相位为(在本实施例中，为零)，频率同所述该次谐波。

设置一单位角度间隔所述第一电角度补偿信号的相位逐次增加所述单位角度间隔至2π，得到不同的所述第一电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号。

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定使所述补偿后信号的该次谐波分量最小的相位是用于调整所述转子电角度信号的最优补偿相位，记为

需要说明的是，所述第一幅度A₀小于所述转子电角度信号的幅度。

在具体实施中，在首次设置所述第一电角度补偿信号时，设置所述第一电角度补偿信号的所述第一幅度为2个电角度。

调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿幅度，包括：

设置第二电角度补偿信号的初始幅度为所述第一幅度，初始相位为所述最优补偿相位频率同所述该次谐波。

设置一单位幅度间隔ΔA，所述第二电角度补偿信号的幅度逐次增加所述单位幅度间隔ΔA，得到不同的所述第二电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号。

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定初次使所述补偿后信号的该次谐波分量满足谐波含量条件的幅度是用于调整所述转子电角度信号的所述最优补偿幅度，记为A′。

设置最优电角度补偿信号的相位为所述最优补偿相位幅度为所述最优补偿幅度A′。执行步骤S1053，所述最优电角度补偿信号补偿所述转子电角度信号。补偿后执行步骤S1041进一步判断该次谐波畸变率是否小于阈值。

本发明实施例调整所述转子电角度信号包括：调整所述转子电角度信号的相位，调整所述转子电角度信号的幅度；调整所述转子电角度信号的相位时，设定所述第一补偿电角度信号的第一幅度值较小，在调整所述转子电角度信号的过程中可以有效地保护电机。

应用本发明实施例的相电流偏置补偿方法，对现有技术的相电流偏置进行补偿；图6是应用本发明实施例的补偿算法补偿后的三相电流信号，图7是应用本发明实施例的补偿算法补偿后的直轴与交轴电流信号。

参见图2和图6，将现有技术中带有偏置的和补偿后的三相电流信号进行对比，可观察到，补偿前的三相电流信号IU、IV和IW具有较大的偏置，其三相电流信号波形具有一定的畸变，而对比的，补偿后的三相电流信号IU1、IV1和IW1中的偏置被基本补偿消除。

参见图3和图7，带有偏置的三相电流信号变换后的直轴电流信号和交轴电流信号的波形具有不应存在的谐波分量，产生一定的波形畸变，而如图7所示的补偿后的所述直轴电流信号和交轴电流信号的谐波分量被基本补偿消除。

本发明实施例还提供一种交流同步电机的相电流偏置补偿装置100，对应于以上所述的交流同步电机的相电流偏置补偿方法。

图8是本发明实施例交流同步电机的相电流偏置补偿装置的原理框图，如图8所示，所述补偿装置100包括以下部分。

电流采集单元101，适于采集所述交流同步电机的三相电流信号。

信号转换单元102，所述信号转换单元102电连接于所述电流采集单元101，适于接收所述电流采集单元101采集所述三相电流信号而输出的三相电流数据；此外，在所述信号转换单元102内，将所述转变为所述三相电流数据的所述三相电流信号进行Park变换，转换为两相电流信号，所述两相信号包括直轴电流信号和交轴电流信号。

谐波分析单元103，适于对所述直轴电流信号或交轴电流信号之一进行谐波分析，所述谐波分析主要包括对直轴电流信号或交轴电流信号之一所述FFT变换处理。

电机控制器104和通信单元105，所述通信单元105适于将所述信号转换单元102发送的控制信号传输至所述电机控制器105，以控制所述交流同步电机；电机控制器104适于当所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对所述该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件。

在具体实施中，所述谐波含量条件包括：谐波畸变率小于阈值。

在具体实施中，所述谐波分析单元103包含于所述信号转换单元102，即所述谐波分析的算法在所述信号转换单元102内部完成计算。

在具体实施中，所述谐波分析单元102也可以不内置于所述信号转换单元102内，所述谐波分析单元102还可以是一种谐波分析硬件仪器，例如：示波器，谐波分析仪，频谱分析仪等。应用所述谐波分析硬件仪器对所述的直轴电流信号或交轴电流信号做谐波分析，输出的数据继续传送至所述信号转换单元102内进行其他处理。

在具体实施中，所述信号转换单元102是计算机，所述通信单元105是CAN通信模块，但仅以此为例。

图9是本发明实施例交流同步电机的控制系统框图。如图9所示，本发明实施例中的交流同步电机的控制系统包括：电流指令计算模块201、电流PI控制模块202、电压指令计算模块203、Park逆变换运算模块204、空间矢量输出模块205、IGBT控制输出模块206、Park变换运算模块207和补偿模块208。

所述电机控制器104(参见图8)输出扭矩指令至所述电流指令计算模块201，在所述电流指令计算模块201中进行电流指令运算，设置控制系统目标值；电流指令计算模块201输出的电流信号与反馈的直轴电流信号和交轴电流信号输入至所述电流PI控制模块202进行电流PI控制；所述电流PI控制模块202输出的电压信号输入至所述电压指令计算模块203进行电压指令运算；将所述电压指令计算模块203输出的电压信号输入至所述Park逆变换运算模块204，Park逆变换运算输出三相电压信号输入至所述空间矢量输出模块205，所述空间矢量输出模块205按照控制方法对PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制信号)波进行控制；所述空间矢量输出模块205输出的空间矢量控制所述IGBT控制输出模块206输出三相电流信号以控制所述交流同步电机；所述三相电流信号输入至所述Park变换运算模块207进行Park变换输出所述直轴电流信号和交轴电流信号；装配于所述交流同步电机的旋转变压器输出转子电角度信号。

在本发明实施例中，采用一种补偿模块208，输出最优补偿电角度信号，所述最优补偿电角度信号与所述转子电角度信号进行叠加，以补偿所述电机的三相电流偏置。补偿后的所述转子电角度信号提取出角度值分别输入至所述Park逆变换运算模块204和Park变换运算模块207参与Park逆变换和Park变换运算。

需要说明的是，以上所述的电流指令计算模块201、电流PI控制模块202、电压指令计算模块203、Park逆变换运算模块204、空间矢量输出模块205、IGBT控制输出模块206、Park变换运算模块207和补偿模块208均属于所述电机控制器104(参见图8)。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种交流同步电机的相电流偏置补偿方法，适用于补偿由于所述交流同步电机的旋转变压器因素引起的相电流偏置；所述旋转变压器输出转子电角度信号；其特征在于，所述方法包括：

采集所述交流同步电机的三相电流信号；将所述三相电流信号变换为两相电流信号，所述两相电流信号包括直轴电流信号和交轴电流信号；

将所述直轴电流信号或交轴电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析；

在所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件；

所述对该次谐波进行补偿包括：设置最优电角度补偿信号，所述最优电角度补偿信号补偿所述转子电角度信号，使得补偿后的三相电流信号变换后的两相电流信号的该次谐波符合谐波含量条件；

所述设置最优电角度补偿信号包括：调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位和最优补偿幅度；

所述调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位包括：

设置第一电角度补偿信号的幅度为第一幅度，初始相位为零，频率同所述该次谐波；

设置一单位角度间隔，所述第一电角度补偿信号的相位逐次增加所述单位角度间隔至2π，得到不同的所述第一电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号；

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定使所述补偿后信号的该次谐波分量最小的相位是所述最优补偿相位。

2.如权利要求1所述的交流同步电机的相电流偏置补偿方法，其特征在于，所述谐波含量条件包括：谐波畸变率小于阈值。

3.如权利要求1所述的交流同步电机的相电流偏置补偿方法，其特征在于，所述第一幅度小于所述转子电角度信号的幅度。

4.如权利要求1-3任一项所述的交流同步电机的相电流偏置补偿方法，其特征在于，所述调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿幅度包括：

设置第二电角度补偿信号的初始幅度为第一幅度，初始相位为所述最优补偿相位，频率同所述该次谐波；

设置一单位幅度间隔，所述第二电角度补偿信号的幅度逐次增加所述单位幅度间隔，得到不同的所述第二电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号；

对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定初次使所述补偿后信号的该次谐波分量满足谐波含量条件的幅度是所述最优补偿幅度。

5.一种交流同步电机的相电流偏置补偿装置，适用于补偿由于所述交流同步电机的旋转变压器因素引起的相电流偏置；所述旋转变压器输出转子电角度信号；其特征在于，包括：

电流采集单元，适于采集所述交流同步电机的三相电流信号；

信号转换单元，电连接于所述电流采集单元，适于接收所述电流采集单元输出的三相电流数据，将所述三相电流信号变换为两相电流信号；

谐波分析单元，适于将所述两相电流信号之一作为待处理信号，对所述待处理信号进行谐波分析；

电机控制器，适于接收所述信号转换单元发送的控制信号，控制所述交流同步电机；并适于当所述谐波分析得到的所述待处理信号的某次谐波不符合谐波含量条件时，对该次谐波进行补偿，直到该次谐波符合谐波含量条件；所述对该次谐波进行补偿包括：设置最优电角度补偿信号，所述最优电角度补偿信号补偿所述转子电角度信号，使得补偿后的三相电流信号变换后的两相电流信号的该次谐波符合谐波含量条件；所述设置最优电角度补偿信号包括：调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位和最优补偿幅度；所述调整所述最优电角度补偿信号的最优补偿相位包括：设置第一电角度补偿信号的幅度为第一幅度，初始相位为零，频率同所述该次谐波；

设置一单位角度间隔，所述第一电角度补偿信号的相位逐次增加所述单位角度间隔至2π，得到不同的所述第一电角度补偿信号分别叠加于所述转子电角度信号；对不同的补偿后信号进行采集、变换和谐波分析，并判定使所述补偿后信号的该次谐波分量最小的相位是所述最优补偿相位；

通信单元，电连接于所述信号转换单元与所述电机控制器，适于将所述信号转换单元发送的所述控制信号传输至所述电机控制器。

6.如权利要求5所述的交流同步电机的相电流偏置补偿装置，其特征在于，所述谐波含量条件包括：谐波畸变率小于阈值。

7.如权利要求5所述的交流同步电机的相电流偏置补偿装置，其特征在于，所述谐波分析单元包含于所述信号转换单元。

8.如权利要求5所述的交流同步电机的相电流偏置补偿装置，其特征在于，所述谐波分析单元是一种谐波分析仪器。