CN111239466A - 一种同步电机谐波电流检测方法及系统 - Google Patents

一种同步电机谐波电流检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同步电机谐波电流检测方法及系统，该方法包括如下步骤：(1)基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；(2)利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。与现有技术相比，首先本发明提取出总定子电流谐波，再利用多同步坐标变换从总谐波电流中提取待检测各次谐波，可抑制高幅值的基波分量对谐波电流检测的干扰，其次本发明根据基波电流采样反馈值和参考值，利用基波电流控制误差提取总定子电流谐波，该方法谐波电流提取精度高，响应速度快，实现简便。

Description

一种同步电机谐波电流检测方法及系统
技术领域
本发明涉及同步电机控制技术领域，尤其是涉及一种同步电机谐波电流检测方法及系统。
背景技术
永磁同步电动机以其高效率和高功率密度在电动汽车等领域中得到了广泛的应用，作为驱动电机。然而，由于逆变器的死区效应和电机的齿槽效应、饱和效应引起的反电动势谐波，使其定子产生倍基波频率的谐波电流。如果不加以控制，谐波电流会产生额外的损耗和转矩脉动，影响电机效率和转矩输出平稳性。
传统的永磁同步电动机采用矢量控制，在dq旋转坐标系下用PI控制定子电流。由于PI控制器带宽的限制，很难对谐波电流进行有效控制，特别是在永磁同步电动机高速运转状态下谐波电流控制更为困难。因此需要在基波电流控制的基础上并联谐波控制模块。
目前研究中，多参考坐标系法因其原理清晰、灵活性强而被应用于永磁同步电动机谐波电流检测与控制中。如：廖勇等.“用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动”.《中国电机工程学报》.2011,第31卷(第21期),第119-127页。YAN L,LIAO Y,LIN H,etal.2019.Torque ripple suppression of permanent magnet synchronous machines byminimal harmonic current injection.Iet Power Electronics[J],12:1368-1375.任意频率的谐波电流都可以通过相同转速旋转的参考坐标系进行独立检测和控制。传统的基于多参考坐标系谐波电流检测方法先对三相定子电流进行坐标变换，然后通过低通滤波器提取响应频率的定子电流谐波，从而对其进行相应控制。
然而，现有技术在电动汽车用永磁同步电动机和一些基波电流远大于谐波的大功率应用中，由于基波的干扰，使得检测性能下降，输出含有纹波，影响谐波电流的控制效果。降低低通滤波器的截止频率或引入额外的前级滤波器，可抑制直流的干扰，但会减慢谐波电流检测的响应速度，同样降低控制性能。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步电机谐波电流检测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种同步电机谐波电流检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
(2)利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
步骤(1)具体为：
(11)获取d,q坐标系定子基波电流参考值及对应的基波电流反馈值；
(12)根据d,q坐标系定子基波电流参考值和系统电流闭环传递函数估计d,q坐标系定子实际基波电流响应；
(13)将d,q坐标系定子基波电流反馈值与定子实际基波电流响应作差得到总定子电流谐波；
具体地：
Figure BDA0002375942850000021
其中，idqh为d,q坐标系总定子电流谐波，idq为d,q坐标系定子基波电流反馈值，idq由采集到的三相定子电流通过d,q旋转坐标变换变换得到，
Figure BDA0002375942850000022
为d,q坐标系定子实际基波电流响应，idqref为d,q坐标系定子基波电流参考值，H(s)为系统电流闭环传递函数，s为拉普拉斯算子。
步骤(2)具体为：
(21)对于待检测频次的谐波，分别进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
(22)将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
步骤(21)中对于6k±1次谐波，其同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure BDA0002375942850000023
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数。
一种同步电机谐波电流检测系统，该系统包括：
总定子电流谐波提取模块，该模块基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
各次谐波电流提取模块，该模块利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
所述的总定子电流谐波提取模块包括：
电流获取子模块，该子模块获取d,q坐标系定子基波电流参考值idqref及对应的基波电流反馈值idq；
基波电流估计子模块，该子模块根据d,q坐标系定子基波电流参考值idqref和系统电流闭环传递函数H(s)估计d,q坐标系定子实际基波电流响应
Figure BDA0002375942850000031
其中s为拉普拉斯算子；
减法器，将d,q坐标系定子基波电流反馈值idq与定子实际基波电流响应
Figure BDA0002375942850000032
作差得到总定子电流谐波idqh：
Figure BDA0002375942850000033
所述的各次谐波电流提取模块包括：
同步坐标变换子模块，设置多个，分别对待检测频次的谐波进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
低通滤波器，设置多个，分别级联于同步坐标变换子模块输出端，将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
同步坐标变换子模块的同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure BDA0002375942850000034
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明首先提取出总定子电流谐波，再进行多同步坐标变换提取各次谐波，可抑制高幅值的基波分量对谐波电流检测的干扰；
(2)本发明根据基波电流采样反馈值和参考值，利用基波电流控制误差提取总定子电流谐波，该方法谐波电流提取精度高，响应速度快，实现简便。
附图说明
图1为本发明同步电机谐波电流检测方法的原理框图；
图2为本发明总定子电流谐波提取的原理框图；
图3为本发明方法与现有技术方法谐波电流检测结果对比图，其中，图3的(a)为5次谐波电流d轴分量对比图，图3的(b)为5次谐波电流q轴分量对比图，图3的(c)为7次谐波电流d轴分量对比图，图3的(d)为7次谐波电流q轴分量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种同步电机谐波电流检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
(2)利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
如图2所示，步骤(1)具体为：
(11)获取d,q坐标系定子基波电流参考值及对应的基波电流反馈值；
(12)根据d,q坐标系定子基波电流参考值和系统电流闭环传递函数估计d,q坐标系定子实际基波电流响应；
(13)将d,q坐标系定子基波电流反馈值与定子实际基波电流响应作差得到总定子电流谐波；
具体地：
Figure BDA0002375942850000041
其中，idqh为d,q坐标系总定子电流谐波，idq为d,q坐标系定子基波电流反馈值，idq由采集到的三相定子电流通过d,q旋转坐标变换变换得到，
Figure BDA0002375942850000042
为d,q坐标系定子实际基波电流响应，idqref为d,q坐标系定子基波电流参考值，H(s)为系统电流闭环传递函数，s为拉普拉斯算子。
步骤(2)具体为：
(21)对于待检测频次的谐波，分别进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
(22)将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
步骤(21)中对于6k±1次谐波，其同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure BDA0002375942850000051
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数；
即，进行同步坐标变换获取谐波电流的直流量时，通过如下变换得到：
idq(6k-1)＝Tdq-dq(6k-1)idqh，idq(6k+1)＝Tdq-dq(6k+1)idqh，
其中，idq(6k-1)为6k-1次谐波的直流量，idq(6k+1)为6k+1次谐波的直流量。
一种同步电机谐波电流检测系统，该系统包括：
总定子电流谐波提取模块，该模块基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
各次谐波电流提取模块，该模块利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
所述的总定子电流谐波提取模块包括：
电流获取子模块，该子模块获取d,q坐标系定子基波电流参考值idqref及对应的基波电流反馈值idq；
基波电流估计子模块，该子模块根据d,q坐标系定子基波电流参考值idqref和系统电流闭环传递函数H(s)估计d,q坐标系定子实际基波电流响应
Figure BDA0002375942850000052
其中s为拉普拉斯算子；
减法器，将d,q坐标系定子基波电流反馈值idq与定子实际基波电流响应
Figure BDA0002375942850000053
作差得到总定子电流谐波idqh：
Figure BDA0002375942850000054
所述的各次谐波电流提取模块包括：
同步坐标变换子模块，设置多个，分别对待检测频次的谐波进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
低通滤波器，设置多个，分别级联于同步坐标变换子模块输出端，将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
同步坐标变换子模块的同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure BDA0002375942850000061
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数。
本实施例以某个额定电流230A、额定转速3000转的永磁同步电机驱动系统为基础，验证本发明所提谐波电流检测算法有效性，其逆变器开关频率为10KHz，死区时间为5微秒。
以5、7次谐波电流为例，现有基于多同步坐标变换的谐波电流检测技术直接对定子电流进行坐标变换，利用低通滤波器提取谐波，而本发明则首先提取总定子电流谐波，然后对总定子电流谐波进行坐标变换，利用低通滤波器提取相应频次的谐波。在低通滤波器参数相同的情况下，现有技术和本发明所提方法检测到的谐波电流对比如图3所示。其中实线为本发明实施后的谐波电流检测结果，虚线为现有技术的谐波电流检测结果。图中可以看到，额定电流下，由于基波电流的干扰，现有谐波电流检测技术检测到的5、7次谐波电流存在很大的波动。而本发明所提的谐波电流检测方法可克服基波的干扰，快速有效得提取出谐波电流幅值。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (8)

1.一种同步电机谐波电流检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
(2)利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
2.根据权利要求1所述的一种同步电机谐波电流检测方法，其特征在于，步骤(1)具体为：
(11)获取d,q坐标系定子基波电流参考值及对应的基波电流反馈值；
(12)根据d,q坐标系定子基波电流参考值和系统电流闭环传递函数估计d,q坐标系定子实际基波电流响应；
(13)将d,q坐标系定子基波电流反馈值与定子实际基波电流响应作差得到总定子电流谐波；
具体地：
Figure FDA0002375942840000011
其中，idqh为d,q坐标系总定子电流谐波，idq为d,q坐标系定子基波电流反馈值，idq由采集到的三相定子电流通过d,q旋转坐标变换变换得到，
Figure FDA0002375942840000012
为d,q坐标系定子实际基波电流响应，idqref为d,q坐标系定子基波电流参考值，H(s)为系统电流闭环传递函数，s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的一种同步电机谐波电流检测方法，其特征在于，步骤(2)具体为：
(21)对于待检测频次的谐波，分别进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
(22)将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
4.根据权利要求3所述的一种同步电机谐波电流检测方法，其特征在于，步骤(21)中对于6k±1次谐波，其同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure FDA0002375942840000013
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数。
5.一种同步电机谐波电流检测系统，其特征在于，该系统包括：
总定子电流谐波提取模块，该模块基于d,q坐标系定子基波电流参考和反馈之间的控制误差提取总定子电流谐波；
各次谐波电流提取模块，该模块利用多同步坐标变换和低通滤波从总谐波电流中提取待检测各次谐波。
6.根据权利要求5所述的一种同步电机谐波电流检测系统，其特征在于，所述的总定子电流谐波提取模块包括：
电流获取子模块，该子模块获取d,q坐标系定子基波电流参考值idqref及对应的基波电流反馈值idq；
基波电流估计子模块，该子模块根据d,q坐标系定子基波电流参考值idqref和系统电流闭环传递函数H(s)估计d,q坐标系定子实际基波电流响应
Figure FDA0002375942840000021
Figure FDA0002375942840000022
其中s为拉普拉斯算子；
减法器，将d,q坐标系定子基波电流反馈值idq与定子实际基波电流响应
Figure FDA0002375942840000023
作差得到总定子电流谐波idqh：
Figure FDA0002375942840000024
7.根据权利要求5所述的一种同步电机谐波电流检测系统，其特征在于，所述的各次谐波电流提取模块包括：
同步坐标变换子模块，设置多个，分别对待检测频次的谐波进行同步坐标变换将待检测频次的谐波电流变成直流量；
低通滤波器，设置多个，分别级联于同步坐标变换子模块输出端，将待检测频次的谐波电流直流量经过低通滤波器滤除基波分量得到待检测频次的谐波电流幅值。
8.根据权利要求7所述的一种同步电机谐波电流检测系统，其特征在于，同步坐标变换子模块的同步坐标变换的变换矩阵为：
Figure FDA0002375942840000025
其中，Tdq-dq(6k-1)为6k-1次谐波的同步坐标变换矩阵，Tdq-dq(6k+1)为6k+1次谐波的同步坐标变换矩阵，θe为电机电角度，k＝1,2,……,n，n为正常数。
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