CN111193447A - 一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，通过对开绕组永磁同步电机转矩组成部分进行分析，采用q轴电流反向注入法，能在各种复杂工况下实现对零序转矩脉动的有效抑制，提高电机的工作效率和运转平稳性。方法基于ESO的零序回路无模型的思想，摆脱了计算过程中对零序回路参数的依赖性高的弊端，在电机零序参数，尤其是三次磁链Ψ_3f发生变化时，仍具有良好的控制效果。方法中采用的ESO控制原理简单，并且计算量少。

Description

一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及开绕组永磁同步电机控制中的转矩脉动抑制领域，尤其涉及针对零序回路产生的转矩脉动进行的抑制技术。

背景技术

采用单电源供电的开绕组永磁同步电机具有节省空间的优势，因此被较多的采用。但由于其具有内在的零序回路，其中的零序电流会产生零序转矩脉动，对电机的运行平稳性会产生不利影响，继而电机效率导致降低。因此，必须要对零序转矩脉动进行有效抑制。对零序电流产生的转矩脉动可以通过对抑制零序电流的方式实现，但是现阶段广泛使用的零电压矢量重新分配策略并不能保证零序电流在复杂工况下始终得到良好的抑制效果。Wei Hu等人在《Torque Ripple Suppression Method With Reduced SwitchingFrequency for Open-Winding PMSM Drives With Common DC Bus》一文中提出了利用q轴电流反向注入法来抑制零序转矩脉动的方案，但文章中并没有提及零序参数不准确的情况。Yuan Xin等人在《Torque Ripple Suppression for Open-end Winding Permanent-Magnet Synchronous Machine Drives with Predictive Current Control》中提出了一种采用滑膜变结构的方式计算反向注入q轴参考电流值，但其中所采用的滑膜结构较为复杂、计算量大，而且其采用的中心六边形调制技术，零序电流不能很有效的抑制。因此，本领域急需一种能有效抑制零序电流产生的零序转矩脉动，又不会给控制系统带来太多压力的控制策略。

发明内容

为解决现有转矩脉动抑制策略存在的不足，尤其是针对电机运行过程中零序参数发生变化时会产生的明显的零序转矩脉动，并导致电机运行平稳性变差这一问题，本发明提供了一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，方法具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集当前时刻开绕组永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；

步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的当前时刻参数，采用无差拍电流预测控制模型预测出下一时刻的交轴、直轴电流；并在所述模型的零序回路利用扩张观测器(ESO)进行无模型控制，预测出下一时刻的零序电流以及零序反电势；

步骤三、利用步骤二中所预测得到的零序电流和零序反电势，计算出所需的交轴电流反向注入值；

步骤四、基于步骤二、三中计算结果输出转矩脉动抑制后的所需电压，并进行SVPWM调制。

进一步地，所述步骤二中，在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型具体为：

式中U_d、U_q、U₀分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴及零序电压；i_d、i_q、i₀分别为直轴、交轴及零序电流；Ψ_f为电机转子永磁体磁链；R_s为定子电阻；L_d、L_q、L₀分别为d轴、q轴及零序电感；ω_r为转子的电气角速度，e₀为零序反电势，t为时间；在具体所采用的表贴式开绕组永磁同步电机中，L_d＝L_q＝L_s。对上述模型进行离散化处理。

进一步地，所述步骤二中采用无差拍电流预测控制模型预测出下一时刻的交轴、直轴电流，基于以下公式：

式中，k表示当前时刻，k+1为下一时刻，

分别为下一时刻的交轴、直轴电流预测值，T_k为一个控制周期。

在所述模型的零序回路利用扩张观测器(ESO)进行无模型控制，预测出下一时刻的零序电流以及零序反电势，具体包括：

由于开绕组永磁同步电机在正常运行时，零序电流i₀的目标电流为0，在电机转速不过高的情况下，采用零电压矢量重新分配的调制技术时，i₀将接近于0，同时，R_si₀相比于e₀数值很小，因此零序回路可视为具有以下的关系：

利用扩张观测器进行无模型控制具体基于以下关系式：

其中，α是根据电机控制器选择的参数，此处设为L₀，F是已知部分和未知部分的一个综合表述，F＝R_Si₀+e₀，采用零电压矢量重新分配的调制技术时，i₀将接近于0，同时，R_si₀相比于e₀数值很小,所以F≈e₀；e₀初始值通常设为0。因此，可基于以下公式预测下一时刻的零序电流以及零序反电势：

其中，er₀表示k时刻零序电流预测值

与零序电流实际值i₀(k)之间的误差，T_k为系统一个离散周期，

也即

为零序反电势估计值，β₁与β₂为扩张观测器参数。

进一步地，所述步骤三中计算交轴电流反向注入值具体包括：

由于表贴式开绕组永磁同步电机转矩T_e的表达如下：

其中，p为电机极对数。可以看到，开绕组永磁同步电机转矩由两部分组成：交轴电流产生的转矩和零序电流产生的转矩。为了使零序电流产生的转矩得到有效抑制，交轴所需反向注入参考电流值i'_q为：

将通过步骤二预测得到的零序电流与零序反电势代入，即可得到该交轴电流反向注入值。

进一步地，所述步骤四中输出转矩脉动抑制后的所需电压具体为：

其中，

分别为k时刻的各实际参考电流。

通过上述本发明所提供的方法，至少能够实现以下有益效果：

1.上述方法通过对开绕组永磁同步电机转矩组成部分进行分析，采用q轴电流反向注入法，能在各种复杂工况下实现对零序转矩脉动的有效抑制，提高电机的工作效率和运转平稳性；

2.上述方法采用基于ESO的零序回路无模型的思想，摆脱了计算过程中对零序回路参数的依赖性高的弊端，在电机零序参数(尤其是三次磁链Ψ_3f)发生变化时，仍具有良好的控制效果。

3.方法中采用的ESO控制原理简单，并且计算量少。

附图说明

图1为本发明所提供方法的流程图；

图2基于本发明所提供方法对开绕组永磁同步电机控制的原理图；

图3为未采用本发明所提供方法在三次磁链不发生变化下的转矩脉动图；

图4为采用了本发明所提供方法在三次磁链不发生变化下的转矩脉动图；

图5为未采用本发明所提供方法且电机三次磁链变为额定值3倍(Ψ’_3f＝3Ψ_3f)的转矩脉动图；

图6为采用了本发明所提供方法且电机三次磁链变为额定值3倍(Ψ’_3f＝3Ψ_3f)的转矩脉动图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，如图1-2所示，具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集当前时刻开绕组永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；

步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的当前时刻参数，采用无差拍电流预测控制模型预测出下一时刻的交轴、直轴电流；并在所述模型的零序回路利用扩张观测器进行无模型控制，预测出下一时刻的零序电流以及零序反电势；

步骤三、利用步骤二中所预测得到的零序电流和零序反电势，计算出所需的交轴电流反向注入值；

步骤四、基于步骤二、三中计算结果输出转矩脉动抑制后的所需电压，利用SVPWM进行调制。

在现有的使用零电压矢量重新分配策略进行转矩脉动抑制的方案中，都根据开绕组永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型，将其离散化，同时忽略除三次谐波以外的占有极小部分的高次谐波，可以根据测得的k时刻的电机信息预测(k+1)时刻的d、q轴及零序电流：

式中U_d、U_q、U₀分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴及零序电压；i_d、i_q、i₀分别为直轴、交轴及零序电流；Ψ_f，Ψ_3f分别为电机转子永磁体磁链、三次磁链；R_s为定子电阻；L_s、L₀分别为d轴、q轴电感及零序电感；ω_r为转子的电气角速度，T_k为一个控制周期。

同理，可以根据(k+1)时刻电流预测(k+2)时刻电流，并假设在(k+2)时刻达到了k时刻的电机参考电流，即

i_d(k+2)＝i_d ^ref

i_q(k+2)＝i_q ^ref

i₀(k+2)＝i₀ ^ref

从而可以求得(k+1)时刻电机所需电压：

在传统无差拍控制中，U_d、U_q、U₀可以由零矢量重新分配的SVPWM调制技术计算逆变器开关导通时间，控制开关通断而得到。

对于表贴式开绕组永磁同步电机来说，转矩由两部分组成：q轴电流产生的转矩和零序电流产生的转矩。为了使零序电流产生的转矩得到有效抑制，假设q轴所需反向注入参考电流值为i'_q，则

要使i'_q与零序电流产生的转矩脉动相抵消，即：

可得

其中，将三次谐波作为e0的主要组成部分，即

e₀＝-3w_rψ_3fsin(3θ)

可以看到，e₀的值受三次磁链Ψ_3f的影响。

而通过本发明所提供的方法，则能够明显克服三次磁链对抑制效果的不利影响。比如在本发明的一些实例中，分别比较未施加转矩脉动抑制方法，三次磁链不发生变化时的转矩图，如图3和图4所示。三次磁链不发生变化的情况下，转矩脉动都非常小，零序电流产生的转矩脉动均得到了有效抑制。但是，三次磁链发生变化时(三次磁链实际值变为额定值的三倍，即Ψ’_3f＝3Ψ_3f)，我们可以明显的看到，采用了本方案的方法(图6)之后，转矩脉动较未采用本方案的方法(图5)明显降低。这表明，本方案所提出的方法能够三次磁链发生变化时，仍然对零序电流产生的转矩脉动实现有效抑制。这对于提高电机的工作稳定性和提高电机的工作效率有着重要的意义。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集当前时刻开绕组永磁同步电机的三相定子电流、电机转速、转子位置角，并将各参数转换为交直轴d-q坐标系中的形式；

步骤二、在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型，结合基于步骤一所采集到的当前时刻参数，采用无差拍电流预测控制模型预测出下一时刻的交轴、直轴电流；并在所述模型的零序回路利用扩张观测器进行无模型控制，预测出下一时刻的零序电流以及零序反电势；

步骤三、利用步骤二中所预测得到的零序电流和零序反电势，计算出所需的交轴电流反向注入值；

步骤四、基于步骤二、三中计算结果输出转矩脉动抑制后的所需电压，并进行SVPWM调制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，在所述d-q坐标系下对永磁同步电机建立数学模型具体为：

式中U_d、U_q、U₀分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴及零序电压；i_d、i_q、i₀分别为直轴、交轴及零序电流；Ψ_f为电机转子永磁体磁链；R_s为定子电阻；L_d、L_q、L₀分别为d轴、q轴及零序电感；ω_r为转子的电气角速度，e₀为零序反电势，t为时间；模型基于表贴式开绕组永磁同步电机中，L_d＝L_q＝L_s的关系；对上述模型进行离散化处理。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二中采用无差拍电流预测控制模型预测出下一时刻的交轴、直轴电流，基于以下公式：

式中，k表示当前时刻，k+1为下一时刻，

分别为下一时刻的交轴、直轴电流预测值，T_k为一个控制周期；

在所述模型的零序回路利用扩张观测器进行无模型控制，预测出下一时刻的零序电流以及零序反电势，具体包括：

扩张观测器基于以下关系式：

其中，α是根据电机控制器选择的参数，F≈e₀；e₀初始值设为0；基于以下公式预测下一时刻的零序电流以及零序反电势：

其中，er₀表示k时刻零序电流预测值

与零序电流实际值i₀(k)之间的误差，

也即

为零序反电势预测值，β₁与β₂为扩张观测器参数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤三中计算的交轴电流反向注入值i'_q为：

将通过步骤二预测得到的零序电流与零序反电势代入，即可得到该交轴电流反向注入值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤四中输出转矩脉动抑制后的所需电压具体为：

其中，i_d ^ref(k)，i_q ^ref(k)，i₀ ^ref(k)分别为k时刻的各实际参考电流。

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