CN109713950A - 永磁同步电机转矩脉动的抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统及方法，其中抑制系统包括转矩获取单元、电流分量计算单元、角度获取单元、纹波角度构造单元、旋转变换单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、PI控制器、反旋转变换单元、前馈单元。转矩获取单元用于获取永磁同步电机的转矩；电流分量计算单元用于得到q轴的电流分量；角度获取单元获取转子的磁链的角度；纹波角度构造单元构造纹波角度；PI控制器输出第一中间分量；PI控制器还输出第二中间分量；反旋转变换单元用于得到前馈量；前馈单元用于将前馈量取反后前馈至电流环的输出中。本发明直接以转矩脉动为目标，通过闭环自动调整注入的电压前馈量，对转矩脉动的抑制更加彻底。

Description

永磁同步电机转矩脉动的抑制系统及方法

技术领域

本发明属于电机的转矩脉动抑制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统及方法。

背景技术

永磁同步电机中气隙磁通谐波的存在是永磁同步电机转矩脉动产生的一个主要原因，尽管通过电机本体中斜极，改善磁极形状，优化齿槽宽度等能降低转矩脉动，但是无法消除。另外制造过程中偏差等不确定因素的引入，也会改变转矩脉动的幅值。随着海上风电的发展，永磁风力发电机的功率朝着更大等级发展。所以转矩脉动的幅值也会更大，转矩脉动会引起震动和噪音，加大电机的机械磨损甚至影响电机的使用寿命。

现有技术中，往往通过控制加在定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。以6倍频(倍频数值为6)转矩脉动为例，其是由电流的5次和7次谐波和感应电动势的基波相互影响产生的。现有技术中，往往只需提取电流的5次和7次谐波分量，通过设计控制器抑制电流的5次和7次谐波幅值到0，以抑制转矩脉动。该方法需要分别对电流的5次和7次谐波进行抑制，计算量较大，成本较高。并且，如果感应电动势本身存在着5倍频和7倍频谐波，即使电流通入完美的正弦波，也会因为感应电动势的影响而产生6倍频转矩脉动。现有技术对转矩脉动的抑制不彻底。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是为了克服现有技术对转矩脉动的抑制成本高、抑制不彻底的缺陷，提供一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统及方法。

本发明实施例是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明实施例提供一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，包括转矩获取单元、电流分量计算单元、角度获取单元、纹波角度构造单元、旋转变换单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、PI控制器、反旋转变换单元、前馈单元；

转矩获取单元用于获取永磁同步电机的转矩T_em；

电流分量计算单元用于根据转矩T_em得到永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q，电流分量i_q的计算公式如下：

i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)；其中，Ψ_f为永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数；

角度获取单元用于获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ；

纹波角度构造单元用于构造纹波角度R，R＝n·θ，n为预设的待抑制的转矩脉动的倍频数值；

旋转变换单元用于根据以下公式对电流分量i_q进行旋转变换，以得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q；

第一低通滤波器用于在d轴上对第一电流i_qM进行低通滤波，以得到第一直流i_{qM_F}；第二低通滤波器用于在q轴上对第二电流i_qN进行低通滤波，以得到第二直流i_{qN_F}；

PI控制器以0为给定，并以第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}；PI控制器还以0为给定，并以第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}；

反旋转变换单元用于根据以下公式进行反旋转变换，以得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR；

前馈单元用于将前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至电流环的输出中。

较佳地，角度获取单元包括设置于永磁同步电机的转子上的位置传感器，位置传感器用于检测角度θ。

较佳地，角度获取单元还用于根据永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到角度θ。

较佳地，第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率均不高于100赫兹。

较佳地，n＝6。

本发明还提供一种永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，包括以下步骤：

获取永磁同步电机的转矩T_em；

根据转矩T_em计算得到永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q，电流分量i_q的计算公式如下：

i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)；其中，Ψ_f为永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数；

获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ；

构造纹波角度R，R＝n·θ，n为预设的待抑制的转矩脉动的倍频数值；

根据以下公式对电流分量i_q进行旋转变换，以得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q；

在d轴上对第一电流i_qM进行低通滤波，以得到第一直流i_{qM_F}；在q轴上对第二电流i_qN进行低通滤波，以得到第二直流i_{qN_F}；

PI控制器以0为给定，并以第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}；PI控制器以0为给定，并以第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}；

根据以下公式进行反旋转变换，以得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR；

将前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至电流环的输出中。

较佳地，获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ的步骤包括：

设置于永磁同步电机的转子上的位置传感器检测角度θ。

较佳地，获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ的步骤包括：

根据永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到角度θ。

较佳地，低通滤波的步骤中，截止频率不高于100赫兹。

较佳地，n＝6。

本发明的积极进步效果在于：本发明直接以转矩脉动为目标，通过闭环自动调整注入的电压前馈量，对转矩脉动的抑制更加彻底，并且避免了手动调整电压谐波注入的幅值。另外，由于是电压直接前馈，即使控制系统内环带宽较小也能起作用。而且对不同的转矩脉动值会自适应的输出相应的电压谐波前馈量，使转矩脉动得到很好的抑制，不仅可以消除振动、噪音，而且可以延长发电机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统的结构示意图。

图2为本发明的一较佳实施例的一种可选的实施方式的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统的局部结构示意图。

图3为本发明的一较佳实施例的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本实施例提供一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，参照图1，该抑制系统包括转矩获取单元101、电流分量计算单元102、角度获取单元103、纹波角度构造单元104、旋转变换单元105、第一低通滤波器106、第二低通滤波器107、PI控制器108、反旋转变换单元109、前馈单元110。

转矩获取单元101用于获取永磁同步电机的转矩T_em。在本实施例中，转矩获取单元采用转矩测量仪器实现。

电流分量计算单元102用于根据转矩T_em得到永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q，i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)；其中，Ψ_f为永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数。q轴也叫交轴，d轴也叫直轴，q轴和d轴实际上是坐标轴，并不是实际的轴。在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在永磁同步电机的转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性。

角度获取单元103用于获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ。在本实施例中，角度获取单元103包括设置于永磁同步电机的转子上的位置传感器，位置传感器检测永磁同步电机的转子的磁链的角度θ。在其他可选的实施方式中，角度获取单元103根据永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到角度θ。

纹波角度构造单元104用于构造纹波角度R，R＝n·θ，n为预设的待抑制的转矩脉动的倍频数值。因为6倍频的转矩脉动较为常见，因此，本实施例中n＝6。

旋转变换单元105根据以下公式对电流分量i_q进行旋转变换，得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q。

第一低通滤波器106用于在d轴上对第一电流i_qM进行低通滤波，得到第一直流i_{qM_F}；第二低通滤波器107用于在q轴上对第二电流i_qN进行低通滤波，得到第二直流i_{qN_F}。在本实施例中，第一低通滤波器106和第二低通滤波器107的截止频率均不高于100赫兹，这样，可以达到滤波性能与成本的良好平衡。

PI控制器108以0为给定，并以第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}。PI控制器108还以0为给定，并以第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}。

反旋转变换单元109用于根据以下公式进行反旋转变换，得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR。

前馈单元110用于将前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至电流环的输出中。前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至电流环的输出后，即可对永磁同步电机的转矩脉动进行自适应的抑制。尤其在开关频率设定较低、电流环的带宽小时，电流环难以跟踪谐波电流的给定，电流谐波给定注入的方法对转矩脉动的抑制效果不理想时，本实施例的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统依然能够完备地对转矩脉动进行抑制。

在其他可选的实施方式中，参照图2，PI控制器的数量为2个，分别为第一PI控制器P1和第二PI控制器P2。第一PI控制器P1以0为给定，并以第一直流i_{qM_F}为反馈，第一PI控制器P1的输出经过第一限幅单元LMT1进行限幅后，得到第一中间分量i_{qM_O}。与此同时，第二PI控制器P2以0为给定，并以第二直流i_{qN_F}为反馈，第二PI控制器P2的输出经过第二限幅单元LMT2进行限幅后，得到第二中间分量i_{qN_O}。反旋转变换单元109输出前馈量i_{qN_AC}。前馈单元中包括一取反单元111，取反单元111将前馈量i_{qN_AC}取反，得到-i_{qN_AC}，然后，前馈单元将-i_{qN_AC}前馈至电流环3的输出中。电流环3包括PI控制器301、限幅单元、内部调制模块302(其调制比为K，因此以K_duty表征)、外部模型303(其传递函数为1/(LS+R))，其中，Vq_feedford为感应电动势前馈量，Iq_ref为电流环的给定。本领域技术人员根据说明书和所掌握的本领域知识能够清楚电流环3的工作原理，此处不再赘述。本实施例的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统直接以转矩脉动为目标，通过闭环自动调整注入的电压前馈量，对转矩脉动的抑制更加彻底，并且避免了手动调整电压谐波注入的幅值。另外，由于是电压直接前馈，即使控制系统内环带宽较小也能起作用。而且对不同的转矩脉动值会自适应的输出相应的电压谐波前馈量，使转矩脉动得到很好的抑制，不仅可以消除振动、噪音，而且可以延长发电机的使用寿命。

本实施例还提供一种永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，该抑制方法采用本实施例的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统实现，参照图3，该抑制方法包括以下步骤：

步骤S201、获取永磁同步电机的转矩T_em；根据转矩T_em计算得到永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q。其中，i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)，Ψ_f为永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数。

步骤S202、获取永磁同步电机的转子的磁链的角度θ；构造纹波角度R。其中，R＝n·θ，n为希望抑制的转矩脉动的倍频数值。在本实施例中，设置于永磁同步电机的转子上的位置传感器检测永磁同步电机的转子的磁链的角度θ。在其他可选的实施方式中，角度获取单元103根据永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到角度θ。因为6倍频的转矩脉动较为常见，因此，本实施例中n＝6。

步骤S203、对电流分量i_q进行旋转变换。具体为根据以下公式对电流分量i_q进行旋转变换，得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q；

步骤S204、在d轴上对第一电流i_qM进行低通滤波，得到第一直流i_{qM_F}；在q轴上对第二电流i_qN进行低通滤波，得到第二直流i_{qN_F}。在本实施例中，低通滤波的截止频率不高于100赫兹，这样，可以达到滤波性能与成本的良好平衡。

步骤S205、PI控制器108以0为给定，并以第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}；PI控制器108以0为给定，并以第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}。

步骤S206、对第一中间分量和第二中间分量进行反旋转变换，以得到前馈量i_{qN_AC}。具体为根据以下公式进行反旋转变换，得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR。

步骤S207、将前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至电流环的输出中。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，包括转矩获取单元、电流分量计算单元、角度获取单元、纹波角度构造单元、旋转变换单元、第一低通滤波器、第二低通滤波器、PI控制器、反旋转变换单元、前馈单元；

所述转矩获取单元用于获取所述永磁同步电机的转矩T_em；

所述电流分量计算单元用于根据所述转矩T_em得到所述永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q，所述电流分量i_q的计算公式如下：

i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)；其中，Ψ_f为所述永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数；

所述角度获取单元用于获取所述永磁同步电机的转子的磁链的角度θ；

所述纹波角度构造单元用于构造纹波角度R，R＝n·θ，n为预设的待抑制的转矩脉动的倍频数值；

所述旋转变换单元用于根据以下公式对所述电流分量i_q进行旋转变换，以得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q；

所述第一低通滤波器用于在d轴上对所述第一电流i_qM进行低通滤波，以得到第一直流i_{qM_F}；所述第二低通滤波器用于在q轴上对所述第二电流i_qN进行低通滤波，以得到第二直流i_{qN_F}；

所述PI控制器以0为给定，并以所述第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}；所述PI控制器还以0为给定，并以所述第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}；

所述反旋转变换单元用于根据以下公式进行反旋转变换，以得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR；

所述前馈单元用于将所述前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至所述电流环的输出中。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，所述角度获取单元包括设置于所述永磁同步电机的转子上的位置传感器，所述位置传感器用于检测所述角度θ。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，所述角度获取单元还用于根据所述永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到所述角度θ。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器的截止频率均不高于100赫兹。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，n＝6。

6.一种永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述永磁同步电机的转矩T_em；

根据所述转矩T_em计算得到所述永磁同步电机的定子的电流在q轴的电流分量i_q，所述电流分量i_q的计算公式如下：

i_q＝T_em/(Ψ_f·p_n)；其中，Ψ_f为所述永磁同步电机的转子的磁链，p_n为极对数；

获取所述永磁同步电机的转子的磁链的角度θ；

构造纹波角度R，R＝n·θ，n为预设的待抑制的转矩脉动的倍频数值；

根据以下公式对所述电流分量i_q进行旋转变换，以得到第一电流i_qM和第二电流i_qN，

i_qM＝cosR·i_q，

i_qN＝-sinR·i_q；

在d轴上对所述第一电流i_qM进行低通滤波，以得到第一直流i_{qM_F}；在q轴上对所述第二电流i_qN进行低通滤波，以得到第二直流i_{qN_F}；

PI控制器以0为给定，并以所述第一直流i_{qM_F}为反馈，输出第一中间分量i_{qM_O}；所述PI控制器以0为给定，并以所述第二直流i_{qN_F}为反馈，输出第二中间分量i_{qN_O}；

根据以下公式进行反旋转变换，以得到前馈量i_{qN_AC}，

i_{qN_AC}＝i_{qM_O}·sinR+i_{qN_O}·cosR；

将所述前馈量i_{qN_AC}取反后前馈至所述电流环的输出中。

7.如权利要求6所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述获取所述永磁同步电机的转子的磁链的角度θ的步骤包括：

设置于所述永磁同步电机的转子上的位置传感器检测所述角度θ。

8.如权利要求6所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述获取所述永磁同步电机的转子的磁链的角度θ的步骤包括：

根据所述永磁同步电机的定子的电压和电流采用无速度传感器算法计算得到所述角度θ。

9.如权利要求6所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述低通滤波的步骤中，截止频率不高于100赫兹。

10.如权利要求6所述的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，n＝6。