CN110880895A - 永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法及脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法及脉动抑制方法，电流补偿值确定方法包括：同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m，基于θ_m确定转子所在位置区间，将该区间次数累加1并对i_q做同步平均，重复采集直至各区间次数累加值大于阈值，所有区间无重叠构成转子一周；对依序排列的各区间对应的同步平均值快速傅里叶变换，得到频域特征信息，从频率特征信息中确定待补偿空间频率分量的幅值和相角，构建q轴电流补偿函数；基于电机转子实际补偿时刻的位置和电流补偿函数得到q轴电流补偿值。本发明将时域信息转换到空间域，避免时间滞后，整个过程不影响系统动态性能，不需额外装置，不需调整各控制环节结构、参数，操作简单。

Description

永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法及脉动抑制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法及脉动抑制方法。

背景技术

永磁同步电机凭借其高效、高可靠性、高转矩惯量比、快速响应等优点得到广泛应用，如数控机床、电动汽车等。但是同步电机转矩脉动会降低同步电机的性能，以数控机床的进给轴上使用的同步电机为例，转矩波动会导致加工精度的降低，无法满足高端应用场合，而且由此产生的速度变化可能在伺服控制过程引起位置轨迹波动，损坏零件，还可能在机械上引起噪声甚至系统共振，损害现场人员的听力，威胁机床整体的安全。

导致电机转矩脉动的原因包括但不局限于如下原因：①电机的设计制造缺陷，如三相电阻电感不平衡，磁场分布不对称；②电流传感器的测量误差，如电流传感器增益不匹配和测量的直流偏置；③电力电子设备的变化，如逆变器死区带来的影响；④电机负载连接不合适引起的转矩变化；⑤齿槽转矩。

当前的解决方案在整体上分为优化电机设计和优化控制算法。其中，设计新的电机结构存在设计周期长，应用周期长的问题，难以解决也尚未解决谐波频率分布广泛的问题；现有的优化算法主要集中在时域研究，通过设计时域滤波器完成对谐波信号的提取，再进行补偿，但是其反馈补偿的结构带来相位延迟，会降低系统的响应，而且预先不知道工作转速的情况下，滤波器的设计会变得更加复杂，另外，当前基于空间域的研究则多使用查表法，此方法受限于控制系统处理器芯片的内存和位置反馈编码器精度，在区间计算时存在舍入误差，精度会受到限制，补偿值与实际不匹配可能造成补偿效果恶化。

发明内容

本发明提供一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法及转矩脉动抑制方法，用以解决现有电流补偿方法因采用时域分析而存在时间滞后、采用空域分析存在内存受限进而导致转矩脉动抑制复杂度高的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，包括：

同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m，基于θ_m确定转子所在位置区间，将该区间次数累加1并对i_q做同步平均，重复所述同步采集，直至各区间次数累加值大于阈值，其中，所有区间无重叠构成转子一周；

对以正向或反向旋转方向排列的各区间对应的同步平均结果值进行快速傅里叶变换，得到电流信号关于位置的频域特征信息，从所述频率特征信息中确定待补偿空间频率分量的幅值和相角，以构建q轴电流补偿函数；

基于待补偿时刻的电机转速及转子位置信息，预估电机转子实际补偿时刻的位置并输入所述电流补偿函数，得到q轴电流补偿值。

本发明的有益效果是：本方法首先将转子一周分成多个区间，之后多次同步采集转子位置信息和q轴电流反馈信号，每次采集之后，根据位置信息确定转子所在区间，并对该区间分配次数累计加1，同时对该次q轴电流反馈信号进行同步平均；为了保证所有区间均能够采集到足够的数据，为所有区间数据设置采样数量阈值，当所有区间的分配次数大于阈值后，停止采样，其后进行后续快速傅里叶变换得到电流信号关于位置的频域特征信息；最后，基于傅立叶变换得到的频域特征信息，确定待补偿空间频率分量，用以构建q轴电流补偿函数进行电流补偿值计算。本发明将时域信息转换到空间域，得到电流补偿函数，这在电流补偿计算时，可以根据反馈的转速及位置信息，利用外推法，预测转子位置，基于预测的转子位置采用电流补偿函数计算电流补偿值，不会有相位延迟，避免了现有基于时域信息提取补偿电流值而存在时间滞后的问题，且电流补偿值计算较为精确、可靠，整个过程不影响系统的动态性能，只对电流环响应带宽有一定要求，适用于低、中、高转速工况或带载/空载工况，且本方法不需要额外的装置，不需要调整各控制环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源，有效解决了现有电流补偿方法因采用时域分析而存在时间滞后而采用空域分析存在内存受限进而导致转矩脉动抑制的复杂度高的技术问题。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所有所述区间的个数为2的正整数次幂，且每个区间的编码器编码长度大于等于1。

进一步，所有所述区间中，以磁场定向角度为0的位置所在的区间为第一个区间。

本发明的进一步有益效果是：以磁场定向角度为0的位置所在的区间为第一个区间，以方便确定每个区间的具体位置，降低计算复杂度。

进一步，所述磁场定向角度为0的位置位于第一个区间的中心；

则所述基于θ_m确定转子所在位置区间，具体为：

若转子旋转方向与区间排序方向相同，则转子所在位置区间编号

其中，N为区间总个数；

若转子旋转方向与区间排序方向相反，则转子所在位置区间编号

进一步，所述同步采集具体为：

在电机低速空载或带恒转矩负载运行下，同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m。

本发明的进一步有益效果是：由于驱动电机在低速下(如50rpm)空载或带恒转矩负载运行时，信号方便采集且采集精度高，因此，在低速工况下，同时采样q轴电流反馈信号i_q以及位置信号θ_m，以提高电流补偿函数的构建精度。

进一步，任一区间对应的第l次同步平均的同步平均结果值

i_q.l为第l次同步平均对应的q轴电流反馈信号。

本发明的进一步有益效果是：本发明采用同步平均，可以将计算任务分散到各个时间，减小采样完成后CPU的计算压力。

进一步，所述待补偿空间频率分量的个数r至少为三个，且包括p、2p和6p，其中，p为电机极对数。

本发明的进一步有益效果是：由于造成永磁同步电机转矩脉动的主要因素来自p、2p和6p，这三个的频率分量对应的幅值较大。因此，本发明将待补偿空间频率分量设置为至少上述三个，以进行有效脉动抑制。

进一步，所述q轴电流补偿函数表示为：

其中，r待补偿空间频率分量的总个数，A_i为第i个待补偿空间频率分量的幅值，ω_i为第i个待补偿空间频率分量的空间角频率，

为第i个待补偿频率的相位。

本发明的进一步有益效果是：采用上述补偿函数，可以灵活调相，加入预测角度信息，可以根据需要和实际情况调整各个频率的幅值。

本发明还提供一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括：

对电机的控制系统进行调试以使得电机稳定工作，调节优化转速环以匹配负载机电特性，调节电流环以保证电流响应；

采用如上所述的任一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，得到q轴电流补偿值；

将所述q轴电流补偿值与转速环实际输出的q轴电流指令叠加，作为给电流环输入，完成转矩脉动补偿抑制。

本发明的有益效果是：本方法在进行电流补偿函数确定之前，先对电机的控制系统进行调试，使得电机可以稳定工作，并且调节优化转速环以匹配负载机电特性，调节电流环保证电流环带宽较大，电流响应速度较快。该前提条件，在现有电机控制系统对电机进行正常控制的基础上，进行优化电机控制，锦上添花，有效降低转矩脉动，不需要额外的装置，不需要调整各控制环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源，抑制过程简单，实用性强。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一种永磁同步电机q轴电流补偿方法和/或如上所述任一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于空间域信号处理的永磁同步电机转矩脉动抑制方法的系统框架图。

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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

实施例一

一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法100，如图1所示，包括：

步骤110、同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m，基于θ_m确定转子所在位置区间，将该区间次数累加1并对i_q做同步平均，重复所述同步采集，直至各区间次数累加值大于阈值，其中，所有区间无重叠构成转子一周；

步骤120、对以正向或反向旋转方向排列的各区间对应的同步平均结果值进行快速傅里叶变换，得到电流信号关于位置的频域特征信息，从该频率特征信息中确定待补偿空间频率分量的幅值和相角，以构建q轴电流补偿函数；

步骤130、基于待补偿时刻的电机转速及转子位置信息，预估电机转子实际补偿时刻的位置并输入所述电流补偿函数，得到q轴电流补偿值。

需要说明的是，待补偿空间频率分量可以是幅值最大的多个频率分量，以有效进行电流补偿以及后续脉动抑制。另外，预估电机转子实际补偿时刻的位置，具体可以为：采集待补偿时刻的电机转速及位置信息，并基于转速给定值和转速环控制周期，采用外推法，确定补偿时刻电机转子的预估位置信息，以尽可能避免相位延迟带来的补偿精度低的问题。

本方法首先将转子一周分成多个区间，之后多次同步采集转子位置信息和q轴电流反馈信号，每次采集之后，根据位置信息确定转子所在区间，并对该区间分配次数累计加1，并对该次q轴电流反馈信号进行同步平均，为了保证所有区间均能够采集到足够的数据，为所有区间数据设置采样数量阈值，当所有区间的分配次数大于阈值后，停止采样，其后进行后续快速傅里叶变换得到电流信号关于位置的频域特征信息，最后，基于傅立叶变换得到的频域特征信息，确定待补偿空间频率分量，用以构建q轴电流补偿函数，以进行电流补偿值计算。本发明将时域信息转换到空间域，得到电流补偿函数，这在电流补偿计算时，可以根据反馈的转速及位置信息，利用外推法，预测转子位置，基于预测的转子位置采用电流补偿函数计算电流补偿值，不会有相位延迟，电流补偿值计算较为精确、可靠，整个过程不影响系统的动态性能，只对电流环响应带宽有一定要求，适用于低、中、高转速工况或带载/空载工况，且本方法不需要额外的装置，不需要调整各控制环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源，有效解决了现有电流补偿方法因采用时域分析而存在时间滞后而采用空域分析存在内存受限进而导致转矩脉动抑制的复杂度高的技术问题。

优选的，所有区间的个数为2的正整数次幂，且每个区间的编码器编码长度大于等于1。

为了完成快速快速傅里叶变换，区间的个数为2的正整数次幂。

另外，在区间划分时，可根据实际计算内存和频率分辨精度，对转子一周划分为多个区间；并基于位置编码器精度，确定每个区间的长度，其中，各区间的长度可以相等。

优选的，所有区间中，以磁场定向角度为0的位置所在的区间为第一个区间，以方便确定每个区间的具体位置。

优选的，上述磁场定向角度为0的位置位于第一个区间的中心。

则上述基于θ_m确定转子所在位置区间，具体为：

若转子旋转方向与区间排序方向相同，则转子所在位置区间编号

其中，N为区间总个数；

若转子旋转方向与区间排序方向相反，则转子所在位置区间编号

将磁场定向角度为0的位置位于第一个区间的中心，便于计算，降低计算复杂度。另外基于θ_m确定转子所在位置区间，需要考虑的是，转子旋转方向与区间排序方向的异同，若转子旋转方向与区间的编号排序方向相反，此时，需要基于2π-θ_m来确定转子区间的编号。因为正反转补偿值计算采用同一方法，计算时输入值仅有预测位置信息，且正反转补偿函数参数不同，为使得计算函数通用，应区分正反转采样。

优选的，上述同步采集具体为：

在电机低速空载或带恒转矩负载运行下，同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m。

由于驱动电机在低速下(如50rpm)空载或带恒转矩负载运行时，信号方便采集且采集精度高，因此，在低速工况下，同时采样q轴电流反馈信号i_q以及位置信号θ_m，以提高电流补偿函数的构建精度。

优选的，任一区间对应的第l次同步平均的同步平均结果值

i_q.l为第l次同步平均对应的q轴电流反馈信号。

优选的，上述待补偿空间频率分量的个数r至少为三个。

待补偿空间频率分量一般不包括第一个点，因为第一个点代表直流分量，物理上反映为产生克服负载转矩和粘滞阻尼转矩所需电流，而待补偿空间频率分量一般包括幅值最大的五个频率分量。

优选的，上述q轴电流补偿函数表示为：

其中，r待补偿空间频率分量的总个数，A_i为第i个待补偿空间频率分量的幅值，ω_i为第i个待补偿空间频率分量的空间角频率，

为第i个待补偿频率的相位。

实施例二

一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法200，包括：

步骤210、对电机的控制系统进行调试以使得电机稳定工作，调节优化转速环以匹配负载机电特性，调节电流环以保证电流响应；

步骤220、采用如上实施例一所述的任一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，得到q轴电流补偿值；

步骤230、将该q轴电流补偿值与转速环实际输出的q轴电流指令叠加，作为给电流环输入，完成转矩脉动补偿抑制。

需要说明的是，步骤210中，在进行电流补偿函数确定之前，先对电机的控制系统进行调试，使得电机可以稳定工作，并且调节优化转速环以匹配负载机电特性，调节电流环保证电流环带宽较大，电流响应速度较快。该前提条件，使得本方法在现有电机控制系统对电机进行正常控制的基础上，进行优化电机控制，锦上添花，有效降低转矩脉动，不需要额外的装置，不需要调整各控制环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源，抑制过程简单，实用性强。

为了更好的说明本发明，现给出具体的示例，如下：

如图2所示，基于空间域信号处理的永磁同步电机转矩脉动抑制方法的系统框架图，系统不包含波动模型模块1，则与经典的永磁同步电机双闭环矢量控制系统一致，其中速度调节器2、电流调节器3均为PI调节器，参数均可调节，且参数选取直接影响系统的稳定性和动静态性能，在调试时可以先根据工程整定方法计算得到参考值，再根据实际性能指标对参数进一步调整。其中，图2中，除去model模块为本方法，其余部分为经典伺服控制结构，这保证了该方法适用于多场合下的优化。

而采用实施例一的任一方法产生的补偿值与速度调节器产生的q轴电流给定叠加后直接作用在电流环4，本实施例效果体现建立在电流环的输出能够快速跟随电流环的输入基础之上，通过调节电流环响应带宽较大即可满足。其中采用实施例一的任一方法产生的补偿值过程中，由于电机反转时的控制结构和造成脉动的原因没有发生变化，只有各脉动频率幅值、相位可能存在差异，因此在进行电流和位置信息同时采样阶段，将位置反馈编码器的位置信息θ_m修改为(2Π-θ_m)，即可将反转等效为正转处理，重复正转时转矩脉动抑制操作即可。

对电流补偿后，电机在相同工况下SRF会得到50％级别的优化，其中，

其中，ω_max表示一个周期内转速的最大值，ω_min表示一个周期内转速的最小值，ω_ref表示一个周期内转速的给定值。

另外，比较补偿前后转速的时域或者频域结果，几个被补偿频率分量的幅值会得到大幅度的减小，其他频率分量的幅值不发生明显变化。

因此，本方法克服了基于时域信息提取补偿电流值存在时间滞后的缺点，解决了基于空间域查表法受限于控制系统处理器内存容量的问题，不会对系统的稳定性和动态性能造成影响，无需额外装置，不需要调整各环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源和存储资源。

综上，本方法提供一种基于空间域信号处理，可以对永磁同步电机周期性转矩脉动进行抑制的方法。本方法将转子一周，根据电机位置编码器精度和控制系统处理器内存情况，分成多个区间，再同时采样位置信息和q轴电流信息，并将二者通过上述区间对应，完成时空域转换。其间可使用均值滤波的方法滤除高频噪声、减小采样误差。对处理完成的数据，做空间域快速快速傅里叶变换获得描述转矩脉动的空间谐波信息。将此空间谐波信息结合位置预测计算，得到q轴电流前馈补偿值。本方法不同于传统的时域处理方法，可以根据反馈的转速及位置信息，利用外推法，预测转子位置并对转矩电流给定进行实时补偿，不会有相位延迟，不需要额外的装置，不需要调整各控制环节结构、参数，操作简单，只占用较少计算资源。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

实施例三

一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上实施例一所述任一种永磁同步电机q轴电流补偿方法和/或如上实施例二所述任一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

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)

1.一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，包括：

同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m，基于θ_m确定转子所在位置区间，将该区间次数累加1并对i_q做同步平均，重复所述同步采集，直至各区间次数累加值大于阈值，其中，所有区间无重叠构成转子一周；

对以正向或反向旋转方向排列的各区间对应的同步平均结果值进行快速傅里叶变换，得到电流信号关于位置的频域特征信息，从所述频率特征信息中确定待补偿空间频率分量的幅值和相角，以构建q轴电流补偿函数；

基于待补偿时刻的电机转速及转子位置信息，预估电机转子实际补偿时刻的位置并输入所述电流补偿函数，得到q轴电流补偿值。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所有所述区间的个数为2的正整数次幂，且每个区间的编码器编码长度大于等于1。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所有所述区间中，以磁场定向角度为0的位置所在的区间为第一个区间。

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所述磁场定向角度为0的位置位于第一个区间的中心；

则所述基于θ_m确定转子所在位置区间，具体为：

若转子旋转方向与区间排序方向相同，则转子所在位置区间编号

其中，N为区间总个数；

若转子旋转方向与区间排序方向相反，则转子所在位置区间编号

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所述同步采集具体为：

在电机低速空载或带恒转矩负载运行下，同步采集q轴电流反馈信号i_q及转子位置信号θ_m。

6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，任一区间对应的第l次同步平均的同步平均结果值

i_q.l为第l次同步平均对应的q轴电流反馈信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所述待补偿空间频率分量的个数r至少为三个，且包括p、2p和6p，其中，p为电机极对数。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，其特征在于，所述q轴电流补偿函数表示为：

其中，r为待补偿空间频率分量的总个数，A_i为第i个待补偿空间频率分量的幅值，ω_i为第i个待补偿空间频率分量的空间角频率，

为第i个待补偿频率的相位。

9.一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括：

对永磁同步电机的控制系统进行调试以使得电机稳定工作，调节优化转速环以匹配负载机电特性，调节电流环以保证电流响应；

采用如权利要求1至8任一项所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法，得到q轴电流补偿值；

将所述q轴电流补偿值与转速环实际输出的q轴电流指令叠加，作为给电流环输入，完成转矩脉动补偿抑制。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至8任一项所述的一种永磁同步电机q轴电流补偿值确定方法和/或如权利要求9所述的一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

Images