CN110224651B - 一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法 - Google Patents

一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，通过在健康相注入三次谐波电流来抑制二次谐波转矩，在健康相注入三次谐波电流的方式是通过在矢量控制框架下加入谐波电流注入计算模块，电流比例积分谐振控制器，零轴调制电压计算模块和速度低通滤波器。谐波电流注入计算模块计算出旋转坐标系下待注入的参考谐波电流；电流比例积分谐振控制器和零轴调制电压计算模块实现谐波电流的注入；速度低通滤波器模块用来减小谐波电流注入计算模块的输入误差。利用本发明，可以解决三相电机缺相运行下由三次谐波反电动势引发的二次谐波转矩问题。

Description

一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法
技术领域
本发明属于永磁电机控制领域，尤其是涉及一种抑制由三次谐波反电动势引发的二次谐波转矩的缺相控制方法。
背景技术
永磁同步电机因其结构简单、效率高、转矩密度高等优点而被广泛使用。近年来，永磁同步电机的容错控制成为研究热点之一，因为汽车、航空等领域需要高可靠性。多种多样的容错逆变器拓扑及其相应的容错算法得到广泛的研究。三相四桥臂逆变器拓扑相比于其他拓扑，有冗余器件不多，结构简单，维持原有的直流母线电压利用率不变的优点。
电机缺相运行是一种当电机一相开路或逆变器一相开路故障发生时采用的容错工作状态。在不考虑三次谐波反电动势的前提下，三相电机缺相运行过程中，为了维持和正常态相同的转矩，健康两相的电流幅值需要增大到原有的
Figure GDA0002632990010000011
倍，同时相位偏转30°。缺相运行的电流可以理解为正序电流与零序电流的叠加。传统缺相控制算法为实现上述的缺相电流调制通常采用前馈补偿，谐振控制器，两相电机模型分析等方法。
以往的研究只考虑到基波反电动势，然而在永磁电机设计中，为了达到更高的功率密度，通常会引入三次谐波反电动势，该三次谐波反电动势为零序反电动势。零序反电动势只会与零序电流作用产生转矩。正常运行模式中，不存在零序电流，因此三次谐波反电动势不会产生额外的转矩；而在缺相运行模式中，三次谐波反电动势会与零序电流作用产生额外的二次和四次谐波转矩。传统的缺相控制算法忽略了三次谐波反电动势的影响，因此转矩、转速中包含二次和四次谐波分量，降低了系统缺相运行的性能。在电机控制过程中，低频的转矩波动会引发较大的转速波动，因此本发明通过注入补偿电流的方法，抑制二次谐波转矩，进而改善电机的运行性能。
发明内容
本发明提供了一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，解决了三相电机缺相运行下由三次谐波反电动势引发的二次谐波转矩问题，从而优化了缺相运行性能。
本发明的技术方案如下：
一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，通过在健康相注入三次谐波电流来抑制二次谐波转矩，其中，所述三次谐波电流的计算步骤为：
(1)根据电机模型计算三次谐波反电动势与健康两相基波电流作用产生的二次谐波转矩；
(2)将待注入健康两相的三次谐波电流的幅值与相位设为未知量，根据电机模型计算三次谐波电流与健康两相基波反电动势作用产生的二次谐波转矩，令其与步骤(1)的二次谐波转矩幅值相等，相位相反；
(3)求解获得2种可行的注入健康两相的三次谐波电流的幅值与相位组合；
(4)将2种注入模式的三次谐波电流坐标变换到旋转坐标系dq轴。
本发明的控制方法通过在健康相注入三次谐波电流来抑制二次谐波转矩，进而改善缺相运行的性能，适用于反电动势含有三次谐波的三相星形接法表贴式永磁同步电机的一相缺相运行工作模式。本发明主要包括待注入的三次谐波电流的计算步骤，以及在健康相注入三次谐波电流的方式。
本发明中，在健康相注入三次谐波电流的方式是通过在矢量控制框架下加入谐波电流注入计算模块，电流比例积分谐振控制器，零轴调制电压计算模块和速度低通滤波器。
进一步的，所述谐波电流注入计算模块输入为q轴参考电流直流分量
Figure GDA0002632990010000021
转子电周期位置θe、永磁体一次和三次磁链ψ1和ψ3，输出为2种注入模式中的dq轴参考谐波电流
Figure GDA0002632990010000022
和
Figure GDA0002632990010000023
注入模式1：
Figure GDA0002632990010000024
注入模式2：
Figure GDA0002632990010000025
Figure GDA0002632990010000026
进一步的，所述电流比例积分谐振控制器(PIR)在常规比例积分控制器(PI)基础上并联谐振控制器实现dq轴谐波电流的注入。谐振控制器传递函数为：
Figure GDA0002632990010000027
其中，Kr为增益，ωc为带宽，ω0为谐振角频率。谐振角频率为电角频率ωe的整数倍。一种注入模式中，需要并联ω0＝2ωe的谐振控制器；另一种注入模式中，需要并联ω0＝2ωe和ω0＝4ωe的谐振控制器。
进一步的，所述零轴调制电压计算模块根据三相电机在旋转坐标系的模型计算零轴调制电压V0：
Figure GDA0002632990010000028
其中，Rs为相电阻，L0为零轴电感，i0为零轴电流，ωe是电角频率，ψ3表示永
磁体三次磁链，θe表示转子电周期位置。
进一步的，所述速度低通滤波器模块的截止频率小于2倍电角频率，用来降低反馈转速的谐波分量，进而使速度控制器的输出，即谐波电流注入计算模块的输入更加精确。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设计用于抑制二次谐波转矩在健康两相注入的三次谐波电流计算步骤以及在矢量控制框架下实现谐波电流注入的控制算法，抑制了缺相运行时三次谐波反电动势产生的二次谐波转矩。
附图说明
图1为本发明实施例的逆变器拓扑示意图；
图2为传统缺c相运行的电流矢量示意图；
图3为本发明实施例的矢量控制框图示意图；
图4为使用本发明dq轴反馈电流对比图；
图5为使用本发明dq轴反馈电流的频谱图；
图6为使用本发明电磁转矩对比效果图；
图7为使用本发明电磁转矩的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例及附图只阐述了本发明在id＝0控制策略下的缺c相的控制方法，但本发明也适用于其它控制策略、其它相断路的缺相控制方法。
如图1所示，本发明使用三相四桥臂的逆变器冗余拓扑来实现电机的缺相控制。该拓扑结构有冗余器件不多，结构简单，同时可以保证原有的直流母线电压利用率的优点。
传统的id＝0缺c相控制电流矢量图如图2所示。缺相运行时ab相电流为
Figure GDA0002632990010000031
Figure GDA0002632990010000032
i'c1＝0.
其中，i'a1，i'b1和i'c1为缺c相三相基波电流，iq为q轴电流，θe为转子电周期的位置。
当永磁同步电机反电动势中包含三次谐波时，其反电动势如下式所示：
Figure GDA0002632990010000033
其中，ea,eb和ec为三相反电动势，ψ1和ψ3分别为永磁体一次和三次磁链，ωe为转子电角速度。
根据如下转矩公式计算得到考虑到三次谐波反电动势的转矩Te，以及二次谐波转矩T2。
Te＝p(eai'a1+ebi'b1+eci'c1)/ωe.
T2＝9pψ3iqcos(2θe+π/3)/2.
为抑制该二次谐波转矩，在ab相注入三次谐波电流进行补偿，其注入模式有2种，经过计算得到待注入的ab相三次谐波电流i'a3，i'b3。
注入模式1：
Figure GDA0002632990010000034
Figure GDA0002632990010000035
注入模式2：
Figure GDA0002632990010000036
Figure GDA0002632990010000037
为了在矢量控制框架内实现三次谐波电流的注入，需要将注入电流转换到dq旋转坐标轴，经计算得到谐波电流注入计算模块输出的dq轴参考谐波电流
Figure GDA0002632990010000038
和
Figure GDA0002632990010000039
注入模式1：
Figure GDA0002632990010000041
Figure GDA0002632990010000042
注入模式2：
Figure GDA0002632990010000043
Figure GDA0002632990010000044
其中，
Figure GDA0002632990010000045
和
Figure GDA0002632990010000046
的下角标1和2分别代表两种注入模式，iq在实际控制算法中由图3中的q轴参考电流直流分量
Figure GDA0002632990010000047
替代。
常规比例积分控制器(PI)只能跟踪直流量，因此电流控制器在PI控制器基础上并联谐振控制器成为电流比例积分谐振控制器(PIR)，谐振控制器传递函数为：
Figure GDA0002632990010000048
其中，Kr为增益，ωc为带宽，ω0为谐振角频率。谐振角频率为电角频率ωe的整数倍。注入模式1中，需要并联ω0＝2ωe的谐振控制器；注入模式中需要并联ω0＝2ωe和ω0＝4ωe的谐振控制器。
另外零轴调制电压计算模块根据以下公式计算零轴调制电压V0。
Figure GDA0002632990010000049
其中，Rs为相电阻，L0为零轴电感，i0为零轴电流，ωe是电角频率，ψ3表示永磁体三次磁链，θe表示转子电周期位置。
上述注入电流的计算均涉及q轴电流，而考虑到三次谐波反电动势的控制系统中，iq中也会包含谐波分量。因此，使用截止频率小于2倍电角频率的速度低通滤波器模块降低反馈转速的谐波分量，进而使谐波电流注入计算模块的输入q轴参考电流更加精确。
图3为矢量控制框架下本发明的系统框图，包括基础的矢量控制框架和上述谐波注入的4个模块。图4-7为本发明控制算法的实验波形。图4对比了传统算法、注入模式1和注入模式2的dq轴反馈电流，图5分析了反馈电流的频谱。传统算法dq轴反馈电流中直流为主要成分，注入模式1的dq轴反馈电流包含与理论分析一致的二次谐波分量，注入模式2的dq轴反馈电流包含与理论分析一致的二次和四次谐波分量。图6为使用本发明电磁转矩对比效果图；图7为使用本发明电磁转矩的频谱图。通过对比，可以看到传统算法会产生幅值相同的二次和四次谐波转矩。两种注入模式都可以消除其中的二次谐波转矩，不过会产生不同的副作用。注入模式1会降低平均转矩，并会引入六次谐波转矩，不过副作用的幅值在三次谐波反电动势远小于基波反电动势的前提下忽略不计，因此补偿效果更好；注入模式2具有四次谐波转矩翻倍的副作用。使用本发明后，电磁转矩的二次谐波转矩得到抑制，永磁同步电机缺相运行性能得到提高。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，通过在健康相注入三次谐波电流来抑制二次谐波转矩，其中，所述三次谐波电流的计算步骤为：
(1)根据电机模型计算三次谐波反电动势与健康两相基波电流作用产生的二次谐波转矩；
(2)将待注入健康两相的三次谐波电流的幅值与相位设为未知量，根据电机模型计算三次谐波电流与健康两相基波反电动势作用产生的二次谐波转矩，令其与步骤(1)的二次谐波转矩幅值相等，相位相反；
(3)求解获得2种可行的注入健康两相的三次谐波电流的幅值与相位组合；
(4)将2种注入模式的三次谐波电流坐标变换到旋转坐标系dq轴。
2.根据权利要求1所述的抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，在健康相注入三次谐波电流的方式是通过在矢量控制框架下加入谐波电流注入计算模块，电流比例积分谐振控制器，零轴调制电压计算模块和速度低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，所述谐波电 流注入计算模块输入为q轴参考电流直流分量
Figure 812739DEST_PATH_IMAGE001
、转子电周期位置
Figure 667431DEST_PATH_IMAGE002
、永磁体一次和三次磁 链
Figure 867469DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 267357DEST_PATH_IMAGE004
，输出为2种注入模式中的dq轴参考谐波电流
Figure 818424DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 211228DEST_PATH_IMAGE006
；注入模式1：
Figure 193DEST_PATH_IMAGE007
注入模式2：
Figure 836562DEST_PATH_IMAGE008
Figure 874925DEST_PATH_IMAGE009
。
4.根据权利要求2所述的抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，所述电流比例积分谐振控制器在常规比例积分控制器基础上并联谐振控制器，所述谐振控制器传递函
数为：
Figure 540261DEST_PATH_IMAGE010
其中，Kr为增益，ωc为带宽，ω0为谐振角频率，谐振角频率为电角频率ωe的整数倍；一种注入模式中，需要并联ω0＝2ωe的谐振控制器；另一种注入模式中，需要并联ω0＝2ωe和ω0＝4ωe的谐振控制器。
5.根据权利要求2所述的抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，所述零轴调制电压计算模块根据三相电机在旋转坐标系的模型计算零轴调制电压V0：
Figure 714891DEST_PATH_IMAGE011
其中，Rs为相电阻，L0为零轴电感，i0为零轴电流，
Figure 456582DEST_PATH_IMAGE012
是电角频率，
Figure 982241DEST_PATH_IMAGE013
表示永磁体三次 磁链，θe表示转子电周期位置。
6.根据权利要求2所述的抑制二次谐波转矩的缺相控制方法，其特征在于，所述速度低通滤波器的截止频率小于2倍电角频率。
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