CN110518852A - 基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法 - Google Patents

基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，包括：将1次d‑q轴同步坐标系变换到5次d‑q轴旋转坐标系，得到5次旋转坐标系下的d‑q轴电流，利用高次坐标变换原理以及定子电压公式可以推导出5、7次谐波电压补偿量，在此基础上并联一个d轴PI控制器和一个q轴PI控制器，采用5次、7次旋转坐标系下相应阶次的d‑q轴电流等于0为控制目标结合适用于凸极式电机的前馈电压补偿以达到抑制5、7次谐波电流的目的。谐波抑制效果良好适用性强，无需增设电流检测电路，节约成本。

Description

基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机谐波电流控制技术领域，具体地涉及一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法及装置。
背景技术
在永磁同步电机(PMSM)稳态运行中，功率器件存在死区效应以及导通压降等原因引起三相电流产生大量低次谐波称为时间谐波，电机齿槽不对称、铁心磁饱等因素引起气隙磁场畸变称为空间谐波。这两类谐波均会导致相电流发生畸变，造成输出扭矩平滑度下降，对系统性能产生负面影响，增大对定子绕组和铁芯的损耗。从理论上分析逆变器的工作特性结合对相电流进行FFT变换得出三相电流中主要是以5次、7次谐波为主，同时也是主要的抑制对象。
电机与控制学报上发表了《基于电压注入的高速永磁电机谐波电流抑制方法》，电工技术学报上发表了《永磁同步电机谐波电压与电流的耦合模型及前馈控制》，这两篇科技文献主要是采用电流注入的方式，将提取出的5、 7次d-q轴电流，经过反高次坐标变换为1次旋转坐标系下的d-q轴电流，分别注入到传统的电流环调节器，通过前馈电压补偿在一定程度上保证了电流注入的准确性。
中国电机工程学报上发表了《用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动》，该篇科技文献采用电流环并联前馈电压补偿方式，将电压补偿量经过坐标变换为Ua，Ub，Uc注入到永磁同步电机控制算法中。
现有技术抑制谐波主要有两种，一种是基于谐振调节器的谐波电流抑制方法，在传统的电流PI调节器上并联谐振调节器，但谐振控制比较适用于某固定频率上的谐波抑制而对于转速多变的工况下易发生频率抑制偏差，而且会造成不同频率谐波之间互相干扰，严重时导致系统不稳定。另一种采用谐波注入的方法，为了提高电流的动态响应特性以及保证谐波注入的准确性一般需要加入前馈电压补偿，但是对于凸极式永磁同步电机而言，5次、7 次谐波电压之间存在耦合性，在现有技术中并没有考虑这一点，所以在凸极式电机中容易导致谐波电压注入不准确，如《用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动》文献中存在该问题。对于采用电流注入的方式，在电角速度较高的情况下容易造成谐波注入发生相位偏差，同时增加了坐标变换次数会导致 MCU负载率的提高。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，采用5次、7次旋转坐标系下相应阶次的d-q 轴电流等于0为控制目标，结合适用于凸极式电机的前馈电压补偿以达到抑制5、7次谐波电流的目的，谐波抑制效果良好适用性强，无需增设电流检测电路，节约成本。
本发明的技术方案是：
一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，包括以下步骤：
S01：提取5、7次谐波电流，将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次 d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到5次谐波d轴分量和5次谐波 q轴分量；将含有7次谐波的d-q轴电流变换到7次d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到7次谐波d轴分量和7次谐波q轴分量；
S02：利用高次坐标变换原理及定子电压公式计算得到5次谐波d轴谐波电压补偿量5次谐波q轴谐波电压补偿量7次谐波d轴谐波电压补偿量和7次谐波q轴谐波电压补偿量
S03：在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴 PI控制器，以电流在5次坐标系下d轴分量5次谐波矢量电流在5 次坐标系下q轴分量5次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机5次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴PI控制器，以电流在7次坐标系下 d轴分量7次谐波矢量电流在7次坐标系下d轴分量7次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机7次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量
S04：将得到的谐波电压分量及经过反高次坐标变换之后得到1次旋转坐标系下的5、7次d-q轴谐波电压，分别在1次d-q 轴坐标系下相加得到控制电压ud_fc和uq_fc，最后注入到电机控制系统中。
优选的技术方案中，所述步骤S01中将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次d-q轴旋转坐标系下，包括步骤：
将1次d-q轴同步坐标系变换到5次d-q轴旋转坐标系，变换矩阵为：
其中，θ为当前转子角度；
将该变换矩阵左乘1次旋转坐标下的d-q轴电流id、iq，得到5次旋转坐标系下的d-q轴电流。
优选的技术方案中，所述步骤S01中二阶低通滤波的二阶低通滤波器的递推差分方程为：
y(n)＝kx(n)+2kx(n-1)+kx(n-2)-k1y(n-1)-k2y(n-2)
其中，tg＝tan(πfc/10000)，fc为截止频率。
优选的技术方案中，所述步骤S02中利用高次坐标变换原理及定子电压公式的5、7次谐波电压补偿量的计算公式：
其中，R1为定子电阻，Ld、Lq分别为d-q轴电感，ω为电机转速。
优选的技术方案中，还包括：根据当前转速实时计算陷波频率，将计算得到的陷波频率乘以6得到指定频率，将d-q轴电流id、iq通过陷波滤波器得到抑制控制电流id-fc、iq-fc，将id-fc、iq-fc分别注入到电机d-q轴电流环中。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本方案建立了在高次旋转坐标系下同时适用于隐极式、凸极式的永磁同步电机电压模型，以保证电压注入的准确性提高电流动态响应特性；
2、本方案可适用于传统的FOC控制，通过高次坐标变换即可提取高次谐波电流无需增设电流检测电路，节约成本；
3、本方案实现凸极式电机5、7次谐波之间的解耦，采用 为控制目标的电流环，谐波抑制效果良好适用性强。
4、滤波器采用二阶低通滤波算法可以根据实时转速计算出不同的截止频率，更具灵活性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法的原理框图；
图2为5次谐波电流提取原理图；
图3为5次谐波电压控制策略原理图；
图4为5、7次谐波电压坐标变换示意图；
图5为本发明另一实施例的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
整个系统是在基于最大转矩/电流曲线进行弱磁控制的基础上增加了抑制相电流畸变的谐波电压注入环节，如图1所示。
一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，包括以下步骤：
S01：提取5、7次谐波电流，将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次 d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到5次谐波d轴分量和5次谐波 q轴分量；将含有7次谐波的d-q轴电流变换到7次d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到7次谐波d轴分量和7次谐波q轴分量；
S02：利用高次坐标变换原理及定子电压公式计算得到5次谐波d轴谐波电压补偿量5次谐波q轴谐波电压补偿量7次谐波d轴谐波电压补偿量和7次谐波q轴谐波电压补偿量
S03：在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴 PI控制器，以电流在5次坐标系下d轴分量5次谐波矢量电流在5 次坐标系下q轴分量5次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机5次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴PI控制器，以电流在7次坐标系下 d轴分量7次谐波矢量电流在7次坐标系下d轴分量7次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机7次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量
S04：将得到的谐波电压分量及经过反高次坐标变换之后得到1次旋转坐标系下的5、7次d-q轴谐波电压，分别在1次d-q 轴坐标系下相加得到控制电压ud_fc和uq_fc，最后注入到电机控制系统中。
本文采用的控制方式是在谐波电压前馈控制的基础上并联5次、7次谐波电流环。5次谐波电流的提取，如图2所示。基于n次坐标系下n次谐波为直流量的基本原理，将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次d-q轴旋转坐标系下，再经过低通滤波得到5次电流谐波。7次谐波电流的提取同理。
根据Park变换原理结合高次旋转坐标系特性容易得出1次d-q轴同步坐标系变换到k次坐标系的变换公式：
其中式(1)中θ为当前转子角度。
式(1)需要注意的是5次电流谐波为负序即5次d-q轴同步坐标系与1次旋转坐标旋转方向相反，所以需令k＝-5并将该矩阵左乘1次旋转坐标下的 id、iq就能得到5次旋转坐标系下的id、iq。7次电流谐波为正序所以只需令 k＝7。从高次变换为1次只要将式(1)矩阵取逆即可。
其中滤波器采用二阶低通滤波算法，可以根据实时转速计算出不同的截止频率，更具灵活性，其递推差分方程为：
y(n)＝kx(n)+2kx(n-1)+kx(n-2)-k1y(n-1)-k2y(n-2)(2)
式(2)中，x(n)为n时刻的输入信号矢量，y(n)为n时刻的输出信号矢量， k、k1、k2可由截止频率fc得到，其计算公式为：
fc＝nP/(60m)(3)
式(3)中：n为电机转速；P为极对数；m为待定系数，可以通过尝试几次仿真得到，一般取m＝50。
k、k1、k2计算公式如下：
其中tg＝tan(πfc/10000)。
利用高次坐标变换原理以及定子电压公式可以推导出5、7次谐波电压计算公式：
式(7)、式(8)中R1为定子电阻，Ld、Lq分别为d、q轴电感，ω为电机转速，和分别表示a次旋转坐标下d轴k次谐波电压分量和谐波电流分量。
图3为5次谐波电压控制策略，谐波补偿电压计算模块中利用式(7)和式(8)得到5次、7次谐波电压d-q轴的补偿量，在此基础上并联一个d轴PI 控制器和一个q轴PI控制器，以为控制目标，将电流环控制的输出结合前馈电压补偿量得到和考虑到不同转速工况对控制系统的响应速度和鲁棒性影响不同，采用转速查表得到不同转速工况下的Kp， Ki参数以保证在系统稳定的前提下达到最佳的谐波抑制效果。而前馈控制则保证了谐波电压注入的准确性同时提高了系统响应速度。同理可以得到7次谐波电压和
如图4所示，将控制系统得到的5、7次谐波电压经过反高次坐标变换之后得到1次旋转坐标系下的5、7次d-q轴谐波电压，从高次变换为1次只要将式(1)矩阵取逆即可，分别在1次d-q轴坐标系下相加得到ud_fc和 uq_fc，最后注入到电机控制系统中。
实施例2：
如图5所示，为了提高抑制电流谐波的效果，基于陷波滤波器原理抑制电流谐波。根据当前转速实时计算陷波频率，将计算得到的陷波频率乘以6 得到指定频率，因为5、7次谐波的频率变换到d-q轴坐标系下体现为6倍频的基波频率，所以只需在指定频率下产生一个较大的反方向幅值，在Bode 图上体现为极窄极深向下的凹陷波形。因此，将d-q轴电流id、iq通过陷波滤波器得到抑制控制电流id-fc、iq-fc，将id-fc、iq-fc分别注入到电机d-q轴电流环中，系统的响应速度以及5、7次谐波电流之间的解耦仍然由前述的前馈控制环节保证，以实现对相电流的谐波抑制。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：提取5、7次谐波电流，将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到5次谐波d轴分量和5次谐波q轴分量；将含有7次谐波的d-q轴电流变换到7次d-q轴旋转坐标系下，通过二阶低通滤波得到7次谐波d轴分量和7次谐波q轴分量；
S02：利用高次坐标变换原理及定子电压公式计算得到5次谐波d轴谐波电压补偿量5次谐波q轴谐波电压补偿量7次谐波d轴谐波电压补偿量和7次谐波q轴谐波电压补偿量
S03：在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴PI控制器，以电流在5次坐标系下d轴分量5次谐波矢量电流在5次坐标系下q轴分量5次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机5次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量在谐波补偿电压计算模块上并联一个d轴PI控制器和一个q轴PI控制器，以电流在7次坐标系下d轴分量7次谐波矢量电流在7次坐标系下d轴分量7次谐波矢量为控制目标，将电流环控制的输出与前馈电压补偿量相加，计算得到抑制永磁同步电机7次谐波电流所需注入的d轴谐波电压分量和q轴谐波电压分量
S04：将得到的谐波电压分量及经过反高次坐标变换之后得到1次旋转坐标系下的5、7次d-q轴谐波电压，分别在1次d-q轴坐标系下相加得到控制电压ud_fc和uq_fc，最后注入到电机控制系统中。
2.根据权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S01中将含有5次谐波的d-q轴电流变换到5次d-q轴旋转坐标系下，包括步骤：
将1次d-q轴同步坐标系变换到5次d-q轴旋转坐标系，变换矩阵为：
其中，θ为当前转子角度；
将该变换矩阵左乘1次旋转坐标下的d-q轴电流id、iq，得到5次旋转坐标系下的d-q轴电流。
3.根据权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S01中二阶低通滤波的二阶低通滤波器的递推差分方程为：
y(n)＝kx(n)+2kx(n-1)+kx(n-2)-k1y(n-1)-k2y(n-2)
其中，tg＝tan(πfc/10000)，fc为截止频率。
4.根据权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤S02中利用高次坐标变换原理及定子电压公式的5、7次谐波电压补偿量的计算公式：
其中，R1为定子电阻，Ld、Lq分别为d-q轴电感，ω为电机转速。
5.根据权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，还包括：根据当前转速实时计算陷波频率，将计算得到的陷波频率乘以6得到指定频率，将d-q轴电流id、iq通过陷波滤波器得到抑制控制电流id-fc、iq-fc，将id-fc、iq-fc分别注入到电机d-q轴电流环中。
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