CN109831143A - 一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，由定子磁链观测、谐波磁链提取、谐波电压计算以及谐波电压注入四个环节组成，属于电机控制领域，该方法通过提取定子磁链观测值中的高次谐波磁链，根据电机电压方程计算得到造成电流谐波的谐波电压，在控制环路中注入对应的谐波电压，以达到降低由于永磁同步电机定子绕组感应电势呈非理想正弦特性导致的三相电流谐波的目的。

Description

一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机谐波电流抑制方法，具体涉及一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)由于具有高效率，高转矩惯量比，较宽的调速范围等优点而被广泛应用于各种要求高性能的驱动控制场合。高性能驱动控制场合要求输出转矩具有较高的平滑度，然而由于电机在实际设计生产过程中无法达到理想的状态，永磁同步电机的转子磁场通常含有大量的空间谐波，进而使得转子磁场在定子绕组中的交链呈非理想正弦分布，使得定子绕组感应电势不再是理想正弦，而是基波和一系列高次谐波的叠加，从而使得定子电流中存在高次谐波，进而导致输出转矩存在较大脉动，限制了其在高性能驱动控制场合的应用。

永磁同步电机的转矩控制及其脉动抑制是比较复杂的问题，尤其是在低速和直接驱动场合。在直接驱动的应用场合，电机产生的转矩脉动直接传入到所带负载，使得控制系统的性能下降。研究高性能的电机控制策略，抑制因定子绕组感应电势非理想特性引起的电流谐波，对提高永磁同步电机的控制性能，扩宽其应用领域具有现实意义，具有一定的工程实践价值，同时能进一步提高我国工业自动化的水平，对国民经济的发展提供坚实基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对永磁同步电机由于定子绕组感应电势呈非理想正弦特性造成的电流谐波，本发明提出了一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，此方法可有效减轻由于反电势呈非理想正弦分布导致的三相电流畸变，消除电流中的谐波，提高三相电流的正弦度。

为解决以上技术问题采用如下技术方案：一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，由定子磁链观测、谐波磁链提取、谐波电压计算以及谐波电压注入四个环节组成，首先定子磁链观测环节根据采样得到的定子电压及电流进行定子磁链观测，然后谐波磁链提取环节对定子磁链观测结果中的高次谐波磁链的幅值和相角进行提取，紧接着谐波电压计算环节根据永磁同步电机定子电压方程计算高次谐波磁链产生的谐波电压，最后在永磁同步电机控制系统参考电压矢量生成模块输出的参考电压中注入谐波电压。

本发明通过多同步旋转滤波器求出定子磁链观测值中谐波磁链的幅值和相角，结合永磁同步电机电压方程，计算出定子绕组感应电势中的高次谐波成分，在参考电压矢量中注入特定次的谐波电压，达到减小定子电流中的谐波含量的目的。

作为本发明的进一步优选方案，所述定子磁链观测环节中，采用带幅值和相位补偿的定子磁链观测器，对反电势中由于采样误差引入的直流误差进行滤除，并补偿由于滤波环节导致的观测值幅值衰减和相位滞后。定子磁链观测器数学模型描述如下：

式(1)中，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链观测值在两相静止坐标系α轴和β轴上的分量，ω_c为滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω_e为电机电角频率，其和转速n的关系为：ω_c为滤波器截止频率，其和转速n的关系为：k为调节系数，p为电机极对数，s为拉普拉斯算子。e_α、e_β为定子绕组感应电势在α轴和β轴上的分量，可表示为：

式(2)中，U_α、U_β、i_α、i_β分别为定子电压及定子电流αβ轴上的分量，R_s为定子绕组电阻。

进一步的，所述谐波磁链提取环节中，计算得到谐波磁链的幅值和相角。根据定子磁链在空间中的幅值ψ_s以及定子磁链和α轴间的夹角θ_s，得到考虑谐波磁链的定子磁链表达式：

式(3)中，ψ_s1为定子磁链基波幅值，ψ_s(6k±1)为各次谐波幅值。将ψ_α、ψ_β通过park变换求得定子磁链在两相旋转坐标系下的分量ψ_d、ψ_q，park变换公式为：

通过构建多同步旋转滤波器，对定子磁链观测结果中的高次谐波的幅值和相角进行提取。将定子磁链观测值进行坐标变换，转换到6k±1(k＝1,2,3…)次旋转坐标系下，则6k±1次谐波磁链在6k±1次旋转坐标系下为直流成分(k值一致)，其余次谐波为交流成分。多同步旋转坐标变换表示为：

则有：

通过低通滤波器即可提取出直流成分ψ_d(6k±1)、ψ_q(6k±1)，然后求得谐波磁链的幅值ψ_s(6k±1)和相角δ_(6k±1)，谐波磁链幅值为：

谐波磁链相角为：

并有以下关系：

式(11)中，θ_e为电机位置角。

进一步地，所述谐波电压计算环节中，根据永磁同步在两相静止坐标系下的数学方程并结合定子磁链与定子绕组感应电势之间的关系，得到永磁同步电机带谐波的定子电压方程：

式(12)中，u_sα、u_sβ、i_α、i_β、分别为定子电压、电子电流在两相静止坐标系α、β轴上的分量，ψ_s6k±1为定子磁链除基波磁链外各次谐波磁链幅值，θ_s为定子磁链相角，ω_s为定子磁链在空间中的旋转角速度，R_s为定子电阻。上述电压方程是经由定子绕组感应电势与定子磁链之间的关系得到，具体为：

式(14)中，e_α、e_β为定子绕组感应电势在α、β轴上的分量。

进一步地，所述谐波电压计算环节中，根据永磁同步电机带谐波的定子电压方程，得到注入谐波电压的表达式：

进一步地，所述谐波电压注入环节中，在控制环路中参考电压矢量生成模块输出的定子电压在两相静止坐标系α、β轴线上的分量U_α、U_β上注入谐波电压。谐波注入可表示为：

进一步地，所述谐波电压注入环节中，注入谐波电压后的定子电压方程为：

从式(17)可知，通过注入谐波电压后，定子感应电势中仅包含基波成分，则定子电流中也将只含有基波电流成分。

本发明的有益效果为：通过多同步旋转滤波器求出定子磁链观测值中谐波磁链的幅值和相角，结合永磁同步电机电压方程，计算出定子绕组感应电势中的高次谐波成分，在参考电压矢量中注入特定次的谐波电压，可降低由于永磁同步电机由于定子绕组感应电势呈非理想正弦特性导致的电流谐波。

附图说明

图1是本发明所述的一种带幅值和相位补偿的定子磁链观测器结构图。

图2是本发明所述一种基于多同步旋转滤波的谐波磁链提取方法。

图3是将本发明具体应用于永磁同步电机SVM-DTC控制系统中转矩脉动抑制系统结构图。

图4是采用本发明所述方法后定子电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，包括一种定子磁链观测器、一种基于多同步旋转滤波的定子磁链谐波磁链提取方法，一种谐波电压计算及注入策略。

图1是本发明所述的一种带幅值和相位补偿的定子磁链观测器结构图。观测器由三部分组成，包括:定子感应电势计算模块、幅值相位补偿模块、低通滤波模块。其中低通滤波模块采用截止频率可调的一阶低通滤波器代替纯积分器，滤除反电势中的直流成分，低通滤波器的截止频率可根据电机转速实时调整。幅值和相位补偿模块中，根据电机转速实时补偿信号通过低通滤波器后产生的幅值和相位偏差。

图2所示为本发明所述的基于多同步旋转滤波的定子磁链谐波磁链提取方法结构图，包括基本两相αβ静止坐标系到两相dq旋转坐标系之间的变换、多同步旋转坐标变换、低通滤波，谐波磁链幅值和相角计算环节。

其中，定子磁链观测环节中，采用带幅值和相位补偿的定子磁链观测器，对反电势中由于采样误差引入的直流误差进行滤除，并补偿由于滤波环节导致的观测值幅值衰减和相位滞后。定子磁链观测器数学模型描述如下：

式中，ψ_α、ψ_β分别为定子磁链观测值在两相静止坐标系α轴和β轴上的分量，ω_e为电角频率，其和转速n的关系为：ω_c为滤波器截止频率，其和转速n的关系为：k为调节系数，p为电机极对数，s为拉普拉斯算子。e_α、e_β为定子绕组感应电势在α轴和β轴上的分量，可表示为：

式(2)中，U_α、U_β、i_α、i_β分别为定子电压及定子电流αβ轴上的分量，R_s为定子绕组电阻。

图3所示为将本发明具体应用于永磁同步电机SVM-DTC控制系统中转矩脉动抑制系统结构图。在基本的SVM-DTC控制结构上增加了本发明所述的谐波磁链提取、谐波电压生成及注入环节。

谐波磁链提取环节中，计算得到谐波磁链的幅值和相角。根据定子磁链在空间中的幅值ψ_s以及定子磁链和α轴间的夹角θ_s，得到考虑谐波磁链的定子磁链表达式：

式(3)中，ψ_s1为定子磁链基波幅值，ψ_s(6k±1)为各次谐波幅值。将ψ_α、ψ_β通过park变换求得定子磁链在两相旋转坐标系下的分量ψ_d、ψ_q，park变换公式为：

ψ_d、ψ_q表示为：

通过构建多同步旋转滤波器，对定子磁链观测结果中的高次谐波的幅值和相角进行提取。将定子磁链观测值进行坐标变换，转换到6k±1(k＝1,2,3…)次旋转坐标系下，则6k±1次谐波磁链在6k±1次旋转坐标系下为直流成分(k值一致)，其余次谐波为交流成分。多同步旋转坐标变换表示为：

则有：

通过低通滤波器即可提取出直流成分ψ_d(6k±1)、ψ_q(6k±1)，然后求得谐波磁链的幅值ψ_s(6k±1)和相角δ_(6k±1)，谐波磁链幅值为：

谐波磁链相角为：

并有以下关系：

式(9)中，θ_e为电机位置角。

而谐波电压计算环节中，根据永磁同步在两相静止坐标系下的数学方程并结合定子磁链与定子绕组感应电势之间的关系，得到永磁同步电机带谐波的定子电压方程：

式(13)中，u_sα、u_sβ、i_α、i_β、分别为定子电压、电子电流在两相静止坐标系α、β轴上的分量，ψ_s6k±1为定子磁链除基波磁链外各次谐波磁链幅值，θ_s为定子磁链相角，ω_s为定子磁链在空间中的旋转角速度，R_s为定子电阻。上述电压方程是经由定子绕组感应电势与定子磁链之间的关系得到，具体为：

式(14)中，e_α、e_β为定子绕组感应电势在α、β轴上的分量。

并且，根据永磁同步电机带谐波的定子电压方程，可以得到注入谐波电压的表达式：

而在谐波电压注入环节中，在控制环路中参考电压矢量生成模块输出的定子电压在两相静止坐标系α、β轴线上的分量U_α、U_β上注入谐波电压。谐波注入可表示为：

注入谐波电压后的定子电压方程为：

从式(17)可知，通过注入谐波电压后，定子感应电势中仅包含基波成分，则定子电流中也将只含有基波电流成分。

图4是采用本发明所述方法后定子电流波形图。如图所示，在1.1s时使能谐波注入环节，从图中可知，谐波注入前三相电流存在明显的高次谐波，波形畸变严重。注入谐波后，三相电流高次谐波得到了一定程度的抑制，电流波形正弦度得以提高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，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本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：由定子磁链观测、谐波磁链提取、谐波电压计算以及谐波电压注入四个环节组成，首先定子磁链观测环节根据采样得到的定子电压及电流进行定子磁链观测，其次谐波磁链提取环节对定子磁链观测结果中的高次谐波磁链的幅值和相角进行提取，紧接着谐波电压计算环节根据永磁同步电机定子电压方程计算高次谐波磁链产生的谐波电压，最后在永磁同步电机控制系统参考电压矢量生成模块输出的参考电压中注入谐波电压。

2.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述定子磁链观测环节中，采用带幅值和相位补偿的定子磁链观测器，对定子绕组感应电势中由于采样误差引入的直流成分进行滤除，并补偿由于滤波环节导致的幅值衰减和相位滞后；定子磁链观测器的传递函数可表示为：

式(1)中，ψ_α、ψ_β为定子磁链在α轴和β轴上的分量，ω_c为滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子，ω_e为电机电角速度，e_α、e_β为定子绕组感应电势在α轴和β轴上的分量，可表示为：

式(2)中，U_α、U_β、i_α、i_β分别为定子电压及定子电流αβ轴上的分量，R_s为定子绕组电阻。

3.根据权利要求2所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述定子磁链观测环节中，ω_e和转速n的关系为：ω_c为滤波器截止频率，其和转速n的关系为：k为调节系数，p为电机极对数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述谐波磁链提取环节中，根据定子磁链在空间中的幅值ψ_s以及定子磁链与α轴间的夹角θ_s，得到考虑谐波磁链的定子磁链表达式：

式(3)中，ψ_s1为定子磁链基波幅值，ψ_s(6k±1)为各次谐波幅值；将ψ_α、ψ_β通过park变换求得定子磁链在两相旋转坐标系下的分量ψ_d、ψ_q

通过构建多同步旋转滤波器，对定子磁链观测结果中的高次谐波的幅值和相角进行提取；将定子磁链观测值进行坐标变换，转换到6k±1(k＝1,2,3…)次旋转坐标系下，则6k±1次谐波磁链在6k±1次旋转坐标系下为直流成分，其中k值一致，其余次谐波为交流成分；多同步旋转坐标变换表示为：

则有：

通过低通滤波器即可提取出直流成分ψ_d(6k±1)、ψ_q(6k±1)，然后求得谐波磁链的幅值ψ_s(6k±1)和相角δ_(6k±1)，

谐波磁链幅值为：

谐波磁链相角为：

并有以下关系：

式(11)中，θ_e为电机位置角。

5.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述谐波电压计算环节中，根据永磁同步在两相静止坐标系下的数学方程并结合定子磁链与定子绕组感应电势之间的关系，得到永磁同步电机带谐波的定子电压方程：

式(12)中，u_sα、u_sβ、i_α、i_β、分别为定子电压、电子电流在两相静止坐标系α、β轴上的分量，ψ_s6k±1为定子磁链除基波磁链外各次谐波磁链幅值，θ_s为定子磁链相角，ω_s为定子磁链在空间中的旋转角速度，R_s为定子电阻。

6.根据权利要求5所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述谐波电压计算环节中，所述电压方程是经由定子绕组感应电势与定子磁链之间的关系得到，具体为：

式(13)中，e_α、e_β为定子绕组感应电势在α、β轴上的分量。

7.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述谐波电压计算环节中，根据永磁同步电机带谐波的定子电压方程，得到注入谐波电压的表达式：

8.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机谐波电流抑制方法，其特征在于：所述谐波电压注入环节中，在控制环路中参考电压矢量生成模块输出的定子电压在两相静止坐标系α、β轴线上的分量U_α、U_β上注入谐波电压；谐波注入可描述为：

注入谐波电压后的定子电压方程为：

从式(16)可知，通过注入谐波电压后，定子感应电势中仅包含基波成分，则定子电流中也将只含有基波电流成分。