CN109687796A - 一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法及装置。本发明根据开环电压给定算法在各谐波平面约定的电压d‑q分量和参考电压矢量数学关系，建立闭环系统约定电压d‑q分量和实际电压d‑q分量的数学关系，从而得到约定电压α‑β分量和实际电压d‑q分量的数学关系。在多相永磁同步电机实际闭环控制系统中，引入一个相位补偿角在各谐波平面算法脉宽调制时叠加电机实际反馈角θ_r，以补偿实际电压d‑q分量大小及符号关系对U_αβ的影响。本发明将传统算法的开环电压给定方式拓展到了闭环d‑q电压跟踪方式。

Description

一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法及装置

技术领域

本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法及装置。

背景技术

相数大于3的多相系统具有低压器件实现大功率、转矩性能好和缺相容错运行等优点，使其在电压受限的大功率和高可靠性工业应用场合备受青睐。永磁电机优越的可控性，使其在越来越多的工业场景中得到应用。多相永磁同步电机兼具永磁电机可控性好和多相电机可靠性高的优点，因此具有广阔的应用前景。当前多相永磁同步电机多采用基波正弦供电，没有发挥其最佳性能。

相比传统三相电机，多相电机具有更多的设计和控制自由度，方波绕组电机通过方波非正弦供电，能够实现最佳性能，可以通过谐波注入方波供电技术实现。传统的非正弦供电技术基于多相异步电机开环电压参考矢量给定方式，在多相永磁同步电机的闭环下无法正常工作。而多相永磁同步电机必须采用闭环控制方式，以防止电机发生失步引起的失控和安全问题。实际上，对于开环电压给定方式的多相电机控制算法，均需要各谐波平面单独补偿实际电压d-q分量大小及符号关系对U_αβ的影响。

在谐波注入非正弦供电技术中，谐波磁场的相位和幅值将作用于气隙磁密和轭部磁密，非正弦供电时除了选择合适的谐波电流注入系数，相位关系也必须得到保证。而基于开环电压给定的谐波注入非正弦供电算法，约定电压d-q输入分量和参考矢量的关系为：

由反旋转变换关系，可以得到约定的d-q平面和α-β平面数学关系：

而在多相永磁同步电机的闭环控制中，应有电压给定参考矢量V_refk与各谐波平面实际电压d-q分量的关系为：

即该算法只适应只有给定的情况下，而对于实际闭环控制下，和将由对应谐波平面电流环根据电流误差经PI环节得到，为一动态调节值。因此，基于给定电压矢量的谐波注入非正弦供电技术不能分别对u_dk和u_qk进行控制，即不能对电流环进行准确的响应，产生畸变的电压波形，电机供电的谐波相位相互之间不满足要求，达不到电压谐波优化的目的。此外，当前基于开环电压矢量给定方式的算法均约定了电压d-q给定方式，在永磁同步电机的闭环控制环境下难以直接拓展应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置和方法，由此解决现有技术难以拓展开环电压矢量给定算法提高多相永磁同步电机铁心利用率、输出转矩和功率密度等问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，所述多相永磁同步电机的相数n大于3且为奇数，其存在(n-1)/2个谐波平面，包括以下步骤：

(1)根据电机转速反馈值和电机转速给定值之间的误差值，确定电枢电流给定值，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流；

(2)将静止相坐标轴系下的电机n相电流变换为旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量；根据旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量的d轴电流分量q轴电流分量，分别确定各谐波平面d轴电流反馈值和各谐波平面q轴电流反馈值；

(3)将各谐波平面d轴给定电流与对应的谐波平面d轴电流反馈值作差，得到各谐波平面d轴电流误差值，根据各谐波平面d轴电流误差值计算得到各谐波平面d轴电压给定值；将各谐波平面q轴给定电流与对应的谐波平面q轴电流反馈值作差，得到各谐波平面q轴电流误差值，根据各谐波平面q轴电流误差值计算得到各谐波平面q轴电压给定值；

(4)通过调节电枢电流给定值，进而调节各谐波平面d轴电流给定值和各谐波平面q轴电流给定值，使得电机转速给定值与电机转速反馈值的差值为零；通过调节各谐波平面d轴电压给定值，使得各谐波平面d轴电流给定值和其对应的谐波平面d轴电流反馈值差值为零；通过调节各谐波平面q轴电压给定值，使得各谐波平面q轴电流给定值和其对应的谐波平面q轴电流反馈值差值为零；

(5)根据各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值，计算得到各谐波平面补偿后位置角；

(6)根据各谐波平面补偿后位置角、各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值确定对应的静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值；

(7)根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，将其作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号，控制多相永磁同步电机运行。

可选地，设电机转速反馈值为ω_r，电机转速给定值为电枢电流给定值为各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为

所述步骤(1)中，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流，具体包括：

基于电枢电流给定值，使得电机d轴电流分量为零，设各谐波平面电流注入系数为k₁,k₃,...,k_n-2，则各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为：

可选地，设各谐波平面d轴电压给定值为各谐波平面q轴电压给定值为

所述步骤(5)中具体通过如下公式计算各谐波平面补偿后位置角

其中，θ_r为电机实际反馈角度，

可选地，所述步骤(6)具体包括：

其中，R^-1(θ^*)为反旋转变换矩阵，为第k个谐波平面电压正交同步旋转轴的两个分量；第k个谐波平面电压正交静止轴的两个分量；

可选地，所述步骤(7)中根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，具体包括：

根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波

其中，U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]，u_i为第i相电压，1≤i≤n，T^-1(0)为正交静止坐标分量变换为多相自然静止坐标分量的坐标变换矩阵。

第二方面，本发明提供一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，所述多相永磁同步电机的相数n大于3且为奇数，其存在(n-1)/2个谐波平面，该装置包括：

速度控制器，用于根据电机转速反馈值和电机转速给定值之间的误差值，确定电枢电流给定值，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流；

电流控制器，用于将静止相坐标轴系下的电机n相电流变换为旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量；根据旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量的d轴电流分量q轴电流分量，分别确定各谐波平面d轴电流反馈值和各谐波平面q轴电流反馈值；

相位补偿模块，用于将各谐波平面d轴给定电流与对应的谐波平面d轴电流反馈值作差，得到各谐波平面d轴电流误差值，根据各谐波平面d轴电流误差值计算得到各谐波平面d轴电压给定值；将各谐波平面q轴给定电流与对应的谐波平面q轴电流反馈值作差，得到各谐波平面q轴电流误差值，根据各谐波平面q轴电流误差值计算得到各谐波平面q轴电压给定值；通过调节电枢电流给定值，进而调节各谐波平面d轴电流给定值和各谐波平面q轴电流给定值，使得电机转速给定值与电机转速反馈值的差值为零；通过调节各谐波平面d轴电压给定值，使得各谐波平面d轴电流给定值和其对应的谐波平面d轴电流反馈值差值为零；通过调节各谐波平面q轴电压给定值，使得各谐波平面q轴电流给定值和其对应的谐波平面q轴电流反馈值差值为零；根据各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值，计算得到各谐波平面补偿后位置角；根据各谐波平面补偿后位置角、各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值确定对应的静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值；

电压给定脉宽调制模块，用于根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，将其作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号，控制多相永磁同步电机运行。

可选地，设电机转速反馈值为ω_r，电机转速给定值为电枢电流给定值为各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为

所述速度控制器基于电枢电流给定值，使得电机d轴电流分量为零，设各谐波平面电流注入系数为k₁,k₃,...,k_n-2，则各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为：

可选地，设各谐波平面d轴电压给定值为各谐波平面q轴电压给定值为

所述相位补偿模块具体通过如下公式计算各谐波平面补偿后位置角

其中，θ_r为电机实际反馈角度，

可选地，所述相位补偿模块通过如下公式确定静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值：

其中，R^-1(θ^*)为反旋转变换矩阵，为第k个谐波平面电压正交同步旋转轴的两个分量；第k个谐波平面电压正交静止轴的两个分量；

可选地，所述电压给定脉宽调制模块通过如下公式得到非正弦相调制波，具体包括：根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波U_out：

其中，U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]，u_i为第i相电压，1≤i≤n，T^-1(0)为正交静止坐标分量变换为多相自然静止坐标分量的坐标变换矩阵。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明装置针对多相永磁同步电机自身结构特点，具有更高的控制精度和稳定性，拓展传统多相电机开环电压给定算法，有效提高了多相永磁同步电机对直流母线电压的利用率，谐波注入非正弦供电技术提高了电机铁心利用率、输出转矩密度和功率密度。

(2)本发明方法根据多相电机开环电压给定算法的特点，计算相位补偿角度，补偿闭环下各谐波平面电压d-q分量对α-β分量的影响，实现了开环电压矢量给定方式到闭环d-q跟踪方式的拓展，极大地提高了多相永磁电机的应用范围。本发明具有一般性，例如，将基于开环电压矢量给定方式的谐波注入非正弦供电技术，拓展到闭环d-q跟踪方式，显著地提高了多相永磁同步电机的铁心利用率、输出转矩密度和功率密度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种九相永磁同步电机结构示意图；

图2a是本发明提供的九相永磁同步电机采用非正弦供电时的多相电流波形；

图2b是本发明提供的九相永磁同步电机采用非正弦供电时单相电流波形；

图3是本发明提供的九相永磁同步电机的闭环谐波注入非正弦供电控制装置原理图；

图4a是本发明提供的没有谐波注入的九相永磁同步电机相电压调制波形；

图4b是本发明提供的谐波注入后未补偿相位的九相永磁同步电机相电压调制波形；

图4c是本发明提供的谐波注入后做了相位补偿的九相永磁同步电机相电压调制波形；

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11为定子；12为转子；13为绕组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方法，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方法仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

对于本领域技术人员应当理解，实施例所指的九相永磁同步电机只是本发明包含的一个特例，同理，基于开环电压矢量给定方式的算法不局限于谐波注入非正弦技术，对于多相电机其他同原理算法同样适用。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的一个方面，提供了一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，包括：

速度控制器，用于接收电机转速给定值ω_r*与电机转速反馈值ω_r的差值，输出电枢电流给定值i_s*；

电流控制器，本发明涉及相数大于3且为奇数的永磁同步电机，为了获取最佳控制性能，将对1,3,…,n-2次谐波电流进行控制，即一台n相永磁同步电机存在(n-1)/2个电流谐波平面，则d轴电流控制器和q轴电流控制器分别有(n-1)/2个。其中，d轴电流调节器，用于接收d轴电流给定值i_dk*，将其分别与d轴电流反馈值i_d1,i_d3,...,i_d(n-2)作差，得到d轴电流误差值，计算得到电压给定值q轴电流调节器，用于接收q轴电流给定值i_qk*，将其分别与q轴电流反馈值i_q1,i_q3,...,i_q(n-2)作差，得到q轴电流误差值，计算得到电压给定值

相位补偿模块，首先定义算法约定电压在各谐波平面下的d-q输入分量为实际d-q分量由电流控制器输出，表示为补偿实际d-q分量的影响将由相位补偿模块进行补偿。具体过程为：

第一步，确定各谐波平面电压约定d-q分量与给定参考矢量V_refk的数学关系：

第二步，实际闭环控制系统中，在各谐波平面经反旋转变换，得到α-β分量和前述约定的d-q输入分量的数学关系：

第三步，由实际d-q分量计算对应谐波平面补偿角度

第四步，补偿角度作用电机实际反馈角度θ_r，得到算法输入的给定角度

将θ^*和实际电压d-q分量表达的约定电压α-β分量带入开环电压给定算法，其中，θ^*为的简写形式。更具体的，例如谐波注入非正弦供电技术中，作用在反旋转变换矩阵后得到修正后的反旋转变换矩阵：

电压给定脉宽调制模块，根据不同技术指标和要求，采用正弦波脉宽调制(SPWM)或电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行脉宽调制。用于接收d轴电压给定值u_d1 ^**、q轴电压给定值u_q1 ^**与补偿后位置信号经过修正的反旋转变换R^-1(θ^*)，产生n相半桥逆变器的1,2,…,n相PWM信号PWM1-2n。

将非正弦相调制波U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号PWM1-2n。n相PWM信号控制n相半桥逆变器输出电压作用在多相永磁同步电机的n个绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制多相永磁同步电机运行。

对于其他基于开环电压矢量给定的算法，例如多相SVPWM等，也可以参考上述过程进行相位补偿，将其拓展到闭环d-q跟踪方式。

n相半桥逆变器进行功率变换。n相半桥逆变器包括直流电源和2n个IGBT，n个半桥输出端分别连接到多相永磁同步电机的1,2,…,n相输入端。逆变器的输出电压作用在多相永磁同步电机的n个绕组上，控制多相永磁同步电机n相绕组相电流，产生对应于输入PWM调制波信号的电流信号波形，控制多相永磁同步电机运行；

速度传感器，用于检测转子位置信号θ_r，并对其进行微分得到电机转速反馈值ω_r；

电流传感器，用于检测多相永磁同步电机的n相的相电流i₁、i₂、…、i_n；

坐标变换模块，分为两部分，分别为相坐标轴系下相反馈相电流变换为各谐波平面下正交旋转d-q电流分量的拓展Park变换，和各谐波平面下给定正交旋转d-q电压分量变换到静止相坐标轴系下相电压变量的拓展反Park变换。

进一步地，速度控制器通过调节i_sk*，使得ω_r*-ω_r为零，d轴电流调节器通过调节u_dk*，使得i_dk*-i_dk为零，q轴电流调节器通过调节u_qk*，使得i_qk*-i_qk为零，实现对ω_r*、i_dk*和i_qk*进行无差跟踪。

进一步地，采用正弦波脉宽调制(SPWM)时，电流环输出的实际给定电压经过相位补偿得到将和补偿后的角度带入修正后的反旋转变换矩阵，可以直接得到n相PWM驱动信号。采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行脉宽调制时，采用多相SVPWM以利用谐波平面电流。

进一步地，相坐标轴系下相反馈相电流i₁,i₂,...,i_n变换为各谐波平面下正交旋转垂直d-q电流分量i_dq1,i_dq3,...,i_dq(n-2)的拓展Park变换，包含以下过程：

拓展Park变换包含两个过程，由静止相坐标轴系相变量i₁,i₂,...,i_n首先映射到正交静止轴系变量i_αβ1,i_αβ3,...,i_αβ(n-2)，再由正交静止轴系变量i_αβ1,i_αβ3,...,i_αβ(n-2)映射到正交旋转轴系变量i_dq1,i_dq3,...,i_dq(n-2)。进一步，得到拓展Park变换矩阵：

进一步地，各谐波平面下给定正交旋转d-q电压分量i_dq1,i_dq3,...,i_dq(n-2)变换到静止相坐标轴系下相电压变量i₁,i₂,...,i_n的拓展反Park变换。

所述拓展反Park变换也包含两个过程，由正交旋转轴系变量i_dq1,i_dq3,...,i_dq(n-2)首先映射到正交静止轴系变量i_αβ1,i_αβ3,...,i_αβ(n-2)，再由正交静止轴系变量i_αβ1,i_αβ3,...,i_αβ(n-2)映射到静止相坐标轴系相变量i₁,i₂,...,i_n，进一步，得到拓展反Park变换矩阵，直接由拓展Park变换取逆得到T(θ)^-1。

按照本发明的另一方面，提供了一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，包括：

(1)通过调节电枢电流给定值i_s*，进而调节各谐波平面电流给定值i_sk*，使得电机转速给定值ω_r*与电机转速反馈值ω_r的差值为零，电机转速反馈值ω_r通过对转子位置信号θ_r进行微分得到；

(2)通过分析各谐波平面电压约定d-q分量与给定参考矢量V_refk的数学关系，得到α-β分量和前述约定的d-q输入分量的数学关系。然后，由实际d-q分量计算对应谐波平面补偿角度就该补偿角度作用电机实际反馈角度θ_r，得到算法输入的给定角度最后，将θ^*和实际电压d-q分量带入开环电压给定算法，可以实现开环算法的闭环d-q跟踪实现；

(3)通过调节d轴电压给定值u_dk*，使得d轴电流给定值i_dk*与d轴电流反馈值i_dk的差值为零，通过调节q轴电压给定值u_qk*，使得q轴电流给定值i_qk*与q轴电流反馈值i_qk的差值为零，i_dk、i_qk根据电机转子位置信号θ_r和相电流i₁,i₂,...,i_n，经坐标变换计算得到；

(4)根据d轴电压给定值u_dk*、q轴电压给定值u_qk*与电机相位补偿后位置信号通过反旋转变换矩阵可以得到正交静止坐标变量(5)正交静止坐标变量进行SPWM脉宽调制，产生n相PWM信号PWM1-2n，通过n相半桥逆变器得到n相输入电压。

具体地，通过得到U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]，将非正弦相调制波U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号PWM1-2n。

(6)将n相的输入电压输入多相永磁同步电机，产生对应调制波信号的电流信号波形，控制多相永磁同步电机运行。

如图1所示为本发明实施例提供的九相永磁同步电机，它包括定子11、转子12、绕组13，以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等其他通用结构件。绕组13为对称绕组，方波非正弦供电时，九相永磁同步电机的每相绕组电流波形如图2(a)所示为对称九相波形，其中，相序按照a,b,…,h,i以40°电角度递增；如图2(b)所示为其a相调制波形。谐波注入非正弦供电的目的是通过谐波注入的方式合成近似方波或梯形波的供电波形，以提高铁心利用率、输出转矩密度和功率密度。九相永磁同步电机只是本发明提供的一个较佳实施例，实际使用时不仅限于九相永磁同步电机，可以拓展到相数n大于3且为奇数的多相永磁同步电机。

如图3所示，本发明包括速度控制器1、电流控制器2(示例中九相永磁同步电机包含1，3，5，7次电流控制器)，相位补偿模块3(进一步分为电压约定d-q分配器3a，补偿相位计算3b和补偿后位置计算3c)、电压给定脉宽调制模块4、九相半桥逆变器5、九相永磁同步的电机6、速度传感器7、电流传感器8、坐标变换模块9(进一步分为拓展Park模块9a和拓展反Park模块9b)。

将电机转速给定值ω_r*与电机转速反馈值ω_r的差值送入速度控制器1，速度控制器1输出电枢电流给定值i_s*，通过调节i_s*，使得ω_r*与ω_r的差值始终为零，即ω_r始终跟随ω_r*的变化而变化。

所述电机转速反馈值ω_r由速度传感器7检测获取的转子位置信号θ_r进行微分得到，ω_r＝dθ_r/dt；

电枢电流给定值i_s*送入电流控制器2，九相电机的1，3，5，7次谐波电流控制器2a,2b,2c和2d输入分别按照谐波注入非正弦供电的谐波注入系数对i_s*做比例运算得到，通常有i_sk*＝K_ki_s*。四个谐波电流控制器分别包含d轴和q轴电流控制器，一共构成九相系统八个电流环。将电机电流给定值i_sk*与电机电流反馈值i_sk的差值送入电流控制器2a,2b,2c和2d。d轴电流控制器输出电压给定值u_dk*，通过调节u_dk*，使得i_dk*与i_dk的差值始终为零，即i_dk始终跟随i_dk*的变化而变化。q轴电流控制器输出电压给定值u_qk*，通过调节u_qk*，使得i_qk*与i_qk的差值始终为零，即i_qk始终跟随i_qk*的变化而变化。

所述电机电流反馈值i_sk由电流传感器8首先测得静止相坐标轴系下的电流相变量i₁,i₂,...,i₉，通过坐标变换模块9的拓展Park变换模块9a，得到旋转正交轴系下的电流d-q分量i_dq1,i_dq3,i_dq5,i_dq7。

经过电流控制器2之后，得到旋转正交轴系下的电压d-q给定分量电压约定d-q分配器3a首先确定多相电机开环给定算法各谐波平面电压约定d-q分量与给定参考矢量V_refk的数学关系，得到α-β分量和前述约定的d-q输入分量的数学关系。然后，于补偿相位计算3b模块中，由实际d-q分量计算对应谐波平面补偿角度补偿后位置计算模块3c接收该补偿角度作用电机实际反馈角度θ_r，得到算法输入的给定角度最后，将θ^*和实际电压d-q分量带入开环电压给定算法，坐标变换模块9的拓展反Park变换模块9b，得到静止相坐标轴系下的电压相变量u₁,u₂,...,u₉。

电压给定脉宽调制模块4中，在所述静止相坐标轴系下的电压相变量u₁,u₂,...,u₉作为SPWM的相调制波进行PWM调制，得到九相半桥逆变器5的各IGBT驱动信号PWM1-18。

九相永磁同步电机6为图1所示对称绕组，方波非正弦供电下的相电流为图2所示对称九相波形，按间隔40°电角度相移。

九相半桥逆变器5的9个半桥输出端分别连接到九相永磁同步电机6的1,2,…,9相输入端。逆变器的输出电压作用在多相永磁同步电机6的9个绕组上，控制多相永磁同步电机6的9相绕组相电流，产生对应于输入PWM调制波信号的电流信号波形，控制多相永磁同步电机6运行。

利用Simulink对算法进行验证。仿真中给定频率f＝50Hz，模拟一个10Hz/s的上升斜坡，可以得到一个模拟的加速过程，输出波形如图4。从上到下为没有谐波注入，谐波注入后未补偿相位的输出和补偿相位之后的输出波形。由图4a可见，没有谐波注入时，相调制波为正弦波，峰值为51.85；由图4b可见，注入谐波但未做相位补偿时，相调制波畸变严重，峰值为54.95，比无谐波注入时峰值更大，更容易造成铁芯局部饱和；由图4c可见，注入谐波且做相位补偿后，相调制波为平顶波，幅值49.29，相比基波减小4.9％，减小了铁心饱和，增大了铁心利用率，可以推得当其幅值和基波相等时其隐含基波将大于无谐波注入的基波。由仿真波形可得，本发明提出的相位补偿算法在闭环下实现了比较理想的方波非正弦供电。

总体而言，本发明根据开环电压给定算法在各谐波平面约定的电压d-q分量和参考电压矢量数学关系，建立闭环系统实际电压d-q分量和约定电压d-q分量的数学关系，从而得到约定电压α-β分量和实际电压d-q分量的数学关系。在多相永磁同步电机实际闭环控制系统中，引入一个相位补偿角在各谐波平面算法脉宽调制时叠加电机实际反馈角θ_r，以补偿实际电压d-q分量大小及符号关系对U_αβ的影响。本发明将传统算法的开环电压给定方式拓展到了闭环d-q电压跟踪方式，具有一般性，为多相永磁同步电机的实际应用提供了行之有效的思路。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，其特征在于，所述多相永磁同步电机的相数n大于3且为奇数，其存在(n-1)/2个谐波平面，包括以下步骤：

(1)根据电机转速反馈值和电机转速给定值之间的误差值，确定电枢电流给定值，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流；

(2)将静止相坐标轴系下的电机n相电流变换为旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量；根据旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量的d轴电流分量q轴电流分量，分别确定各谐波平面d轴电流反馈值和各谐波平面q轴电流反馈值；

(3)将各谐波平面d轴给定电流与对应的谐波平面d轴电流反馈值作差，得到各谐波平面d轴电流误差值，根据各谐波平面d轴电流误差值计算得到各谐波平面d轴电压给定值；将各谐波平面q轴给定电流与对应的谐波平面q轴电流反馈值作差，得到各谐波平面q轴电流误差值，根据各谐波平面q轴电流误差值计算得到各谐波平面q轴电压给定值；

(4)通过调节电枢电流给定值，进而调节各谐波平面d轴电流给定值和各谐波平面q轴电流给定值，使得电机转速给定值与电机转速反馈值的差值为零；通过调节各谐波平面d轴电压给定值，使得各谐波平面d轴电流给定值和其对应的谐波平面d轴电流反馈值差值为零；通过调节各谐波平面q轴电压给定值，使得各谐波平面q轴电流给定值和其对应的谐波平面q轴电流反馈值差值为零；

(5)根据各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值，计算得到各谐波平面补偿后位置角；

(6)根据各谐波平面补偿后位置角、各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值确定对应的静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值；

(7)根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，将其作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号，控制多相永磁同步电机运行。

2.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，其特征在于，设电机转速反馈值为ω_r，电机转速给定值为电枢电流给定值为各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为

所述步骤(1)中，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流，具体包括：

基于电枢电流给定值，使得电机d轴电流分量为零，设各谐波平面电流注入系数为k₁,k₃,...,k_n-2，则各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为：

3.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，其特征在于，设各谐波平面d轴电压给定值为各谐波平面q轴电压给定值为

所述步骤(5)中具体通过如下公式计算各谐波平面补偿后位置角

其中，θ_r为电机实际反馈角度，

4.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：

其中，R^-1(θ^*)为反旋转变换矩阵，为第k个谐波平面电压正交同步旋转轴的两个分量；第k个谐波平面电压正交静止轴的两个分量；

5.根据权利要求4所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制方法，其特征在于，所述步骤(7)中根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，具体包括：

根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波U_out：

其中，U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]，u_i为第i相电压，1≤i≤n，T^-1(0)为正交静止坐标分量变换为多相自然静止坐标分量的坐标变换矩阵。

6.一种多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，所述多相永磁同步电机的相数n大于3且为奇数，其存在(n-1)/2个谐波平面，其特征在于，所述装置包括：

速度控制器，用于根据电机转速反馈值和电机转速给定值之间的误差值，确定电枢电流给定值，基于电枢电流给定值确定各谐波平面d轴给定电流和各谐波平面q轴给定电流；

电流控制器，用于将静止相坐标轴系下的电机n相电流变换为旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量；根据旋转正交d-q轴系下各谐波平面电流分量的d轴电流分量q轴电流分量，分别确定各谐波平面d轴电流反馈值和各谐波平面q轴电流反馈值；

相位补偿模块，用于将各谐波平面d轴给定电流与对应的谐波平面d轴电流反馈值作差，得到各谐波平面d轴电流误差值，根据各谐波平面d轴电流误差值计算得到各谐波平面d轴电压给定值；将各谐波平面q轴给定电流与对应的谐波平面q轴电流反馈值作差，得到各谐波平面q轴电流误差值，根据各谐波平面q轴电流误差值计算得到各谐波平面q轴电压给定值；通过调节电枢电流给定值，进而调节各谐波平面d轴电流给定值和各谐波平面q轴电流给定值，使得电机转速给定值与电机转速反馈值的差值为零；通过调节各谐波平面d轴电压给定值，使得各谐波平面d轴电流给定值和其对应的谐波平面d轴电流反馈值差值为零；通过调节各谐波平面q轴电压给定值，使得各谐波平面q轴电流给定值和其对应的谐波平面q轴电流反馈值差值为零；根据各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值，计算得到各谐波平面补偿后位置角；根据各谐波平面补偿后位置角、各谐波平面d轴电压给定值和各谐波平面q轴电压给定值确定对应的静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值；

电压给定脉宽调制模块，用于根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波，将其作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到n相PWM信号，控制多相永磁同步电机运行。

7.根据权利要求6所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，其特征在于，设电机转速反馈值为ω_r，电机转速给定值为电枢电流给定值为各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为

所述速度控制器基于电枢电流给定值，使得电机d轴电流分量为零，设各谐波平面电流注入系数为k₁,k₃,...,k_n-2，则各谐波平面d轴给定电流为各谐波平面q轴给定电流为：

8.根据权利要求6所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，其特征在于，设各谐波平面d轴电压给定值为各谐波平面q轴电压给定值为

所述相位补偿模块具体通过如下公式计算各谐波平面补偿后位置角

其中，θ_r为电机实际反馈角度，

9.根据权利要求6所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，其特征在于，所述相位补偿模块通过如下公式确定静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值：

其中，R^-1(θ^*)为反旋转变换矩阵，为第k个谐波平面电压正交同步旋转轴的两个分量；第k个谐波平面电压正交静止轴的两个分量；

10.根据权利要求9所述的多相永磁同步电机的闭环相位补偿控制装置，其特征在于，所述电压给定脉宽调制模块通过如下公式得到非正弦相调制波，具体包括：根据静止坐标系下的α轴电压给定值和β轴电压给定值，得到非正弦相调制波U_out：

其中，U_out＝[u₁,u₂,u₃,...,u_n]，u_i为第i相电压，1≤i≤n，T^-1(0)为正交静止坐标分量变换为多相自然静止坐标分量的坐标变换矩阵。