CN111293946A - 一种电机谐波电流的抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机谐波电流的抑制方法，属于电机控制领域。该方法包括获取在考虑6n‑1次谐波电流和6n+1次谐波电流时的电机的三相电流；对电机的三相电流进行Park变换，得到在6n‑1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流；获取在谐波同步旋转轴下的直流分量；根据定子电阻、电角速度、dq轴电感、谐波电流的直流分量，获取补偿电压；对补偿电压进行IPark变换，得到在abc坐标轴下的补偿电压；将补偿电压之和作为控制电压，根据控制电压控制电机的6n‑1次和6n+1次谐波电流；解决了现有的电机控制方法无法完全消除高次谐波电流的问题，达到了消除电机的高次谐波电流，提升电机的运行性能的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电机控制领域，特别涉及一种电机谐波电流的抑制方法。
背景技术
电力电子技术、微电子技术、数字控制技术以及现代控制理论的发展在很大程度上提升了交流电机的力矩、调速、伺服性能，并使交流电机被广泛应用于工农业生产、航空航天、国防和日常生活等各个领域中。由于空间谐波和时间谐波的存在，实际电机运行时电流中存在高次电流谐波，电流波形发生畸变，导致电机电磁转矩脉动，降低电机出力的平滑程度，影响电机伺服性能。
通常情况下，从两个层面，即电机设计层面和电机控制层面，来抑制电机谐波。从电机设计的层面，一般通过优化电机槽极配合、改变磁极形状、斜槽等方式来抑制谐波，但是这些方法往往耗时较长、成本较高，而且由于制造工艺限制等非理想因素，所生产的电机运行时仍然会存在一定谐波。相比之下，对于一台已经制造完成的电机，从电机控制层面抑制谐波的成本较低，具有有效性和实用性。
矢量控制技术是交流电机的控制技术之一，传统的矢量控制中，通过电流传感器采集电机三相或两相电流，编码器采集电机转子位置，通过坐标变换将所采集的三相电流交换至同步旋转轴系下，并利用PI(proportional-integral，比例积分)控制器实现对电流的控制，从而达到控制转矩的目的。然而，PI控制器可以对直流指令进行无静差跟踪，但对交流指令的跟踪存在幅值衰减和相位延迟，由于三相电流总的基波分量和高次谐波分量在同步旋转轴系下分别为直流分量和交流分量，因此，基波轴系下的PI控制器只能实现对基波电流的无静差控制，并不能完全抑制谐波电流。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种电机谐波电流的抑制方法。该技术方案如下：
第一方面，提供了一种电机谐波电流的抑制方法，该方法包括：
获取在考虑6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流时的电机的三相电流；
对电机的三相电流进行Park变换，得到在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流；
根据在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流，得到6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量；
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n-1次谐波电流的直流分量，获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压；
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n+1次谐波电流的直流分量，获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压；
对在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压和在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压进行IPark变换，得到在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压；
将在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压之和作为控制电压，根据控制电压控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流；
其中，n为大于等于1的整数。
可选的，根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n-1次谐波电流的直流分量，获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压，包括：
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n-1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压：
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n+1次谐波电流的直流分量，获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压，包括：
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n+1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压：
其中，Ud(6n-1)和Uq(6n-1)表示在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压；Ud(6n+1)和Uq(6n+1)表示在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压；Id(6n-1)和Iq(6n-1)表示6n-1次谐波电流的直流分量；Id(6n+1)和Iq(6n+1)表示6n+1次谐波电流的直流分量；Rs表示定子电阻，ω表示电角速度，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，Kc表示带宽。
可选的，根据在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流，得到6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量，包括：
利用低通滤波器滤除在6n-1次谐波同步旋转轴下的电流中的交流分量，得到6n-1次谐波电流的直流分量；
利用低通滤波器滤除在6n+1次谐波同步旋转轴下的电流中的交流分量，得到6n+1次谐波电流的直流分量。
可选的，根据控制电压控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流，包括：
将控制电压叠加至矢量控制系统的三相输出电压；
利用逆变器将叠加后的三相输出电压转换为实际电压施加在电机端，控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
该电机谐波电流的抑制方法不需要增加任何传感器，在传统的矢量控制基础上，获取电机的三相电流，对三相电流进行Park变换得到在谐波同步旋转轴下的电流，并从在谐波同步旋转轴下的电流中提取出直流分量，利用谐波电流环获取用于消除相电流中相应的谐波分量的补偿电压，将补偿电压进行IPark变换，得到在abc轴下的补偿电压，利用逆变器将补偿电压转换为实际电压施加在电机端，解决了现有的电机控制方法无法完全消除高次谐波电流的问题，达到了降低电机动态、稳态过程中的转矩脉动，消除电机的高次谐波电流，提升电机的运行性能的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种电机谐波电流的抑制方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的同步旋转轴系与谐波同步旋转轴系惯例；
图3是根据一示例性实施例示出的5次谐波电流的直流分量和7次谐波电流的直流分量的提取原理框图；
图4是根据一示例性实施例示出的5次谐波电流的控制器框图；
图5是根据一示例性实施例示出的7次谐波电流的控制器框图；
图6是根据一示例性实施例示出的5次谐波电压和7次补偿电压的反变换原理框图；
图7是根据一示例性实施例示出的电机的谐波电流抑制方法的系统整体控制框图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在对电机的谐波电流进行抑制之前，先对谐波电流的产生原理进行分析，谐波电流的产生可以从逆变器端和电机端进行分析：
一、逆变器端
为了防止逆变器三相桥直流回路直通，一般在功率器件的驱动信号中插入死区。由于死区和功率器件的管压降的存在，实际逆变器施加在电机端的电压中存在相对于电机转子位置的电角度的6n-1次、6n+1次高次谐波电压；n＝1、2、3、…；n为整数。
若只考虑n＝1时，则5次谐波电压和7次谐波电压如下所示：
其中，θe表示电机转子位置的电角度，U5表示5次谐波电压的幅值，U7表示7次谐波电压的幅值，θu5表示5次谐波电压的相位角，θu7表示7次谐波电压的相位角。
二、电机端
由于电机设计缺陷、制造工艺的局限等原因，实际电机转子磁场空间并不完全呈现正弦分布，其空间磁场中存在3、5、7、9、11、…等空间谐波，这些空间谐波磁场切割电机绕组会在绕组总感应出谐波反电动势，由于工业中绝大多数电机绕组采用Y型连接，因此，感应出的谐波反电动势只存在6n-1次、6n+1次高次谐波；n＝1、2、3、…；n为整数。
若只考虑n＝1时，则5次谐波反电动势和7次谐波反电动势如下所示：
其中，θe表示电机转子位置的电角度，E5表示5次谐波反电动势的幅值，E7表示7次谐波反电动势的幅值，θe5表示5次谐波反电动势的相位角，θe7表示7次谐波反电动势的相位角。
谐波电压与谐波反电动势所产生的电压作用在电机绕组上，会产生6n-1次、6n+1次高次谐波电流，即：
其中，θe表示电机转子位置的电角度，I6n-1表示6n-1次谐波电流的幅值，I6n+1表示6n+1次谐波电流的幅值，θ6n-1表示6n-1次谐波电流的相位角，θ6n+1表示6n+1次谐波电流的相位角。
若只考虑n＝1时，则5次谐波电流和7次谐波电流如下所示：
iak、ibk、ick表示在abc坐标轴的k次谐波电流，k＝6n-1或k＝6n+1。
本发明实施例提供的电机谐波电流的抑制方法中，存在6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流，n＝1、2、3、…；针对每个n，即n＝1，n＝2，n＝3，…，6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流为一组谐波电流，每组谐波电流的控制通过对应的控制电压叠加在传统矢量控制的三相输出电压上来实现。在本发明实施例的一个例子中，以n＝1来进行示例性说明，即以抑制5次谐波电流和7次谐波电流为例阐述电机谐波电流的抑制方法；本领域技术人员可以毫无疑义地直接确定出其他高次谐波电流的抑制方法，这里不再赘述。
请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的电机谐波电流的抑制方法的流程图。如图1所示，该电机谐波电流的抑制方法可以包括以下步骤：
步骤101，获取在考虑6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流时的电机的三相电流。
以n＝1为例，获取在考虑5次谐波电流和7次谐波电流时的电机的三相电流，如下所示：
其中，ia、ib、ic表示电机的三相电流，I1表示基波电流的幅值，θ1表示基波电流的相位角。
步骤102，对电机的三相电流进行Park变换，得到在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流。
通过abc-dq坐标变换，可以将谐波电流变换至对应的谐波同步旋转轴系下，得到对应的直流分量。
以n＝1为例，坐标轴系惯例如图2所示，图2中dq表示基波同步旋转轴系，旋转速度为同步电角速度，用于传统的矢量控制；dq5表示5次谐波同步旋转轴系，旋转速度为5倍的同步电角速度，方向与同步电角速度相反；dq7为7次谐波同步旋转轴系，旋转速度为7倍的同步电角速度，方向与同步电角速度相同。
Park变换公式如下：
id5和iq5表示5次谐波同步旋转轴下的电流。
id7和iq7表示7次谐波同步旋转轴下的电流。
根据Park变换公式，得到在5次和7次谐波同步旋转轴下的电流为：
Id5表示在d5轴的谐波电流的幅值，Iq5表示在q5轴的谐波电流的幅值。
Id7表示在d7轴的谐波电流的幅值，Iq7表示在q7轴的谐波电流的幅值。
步骤103，根据在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流，得到6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量。
可选的，利用低通滤波器滤除在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次谐波电流中的交流分量，得到在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次谐波电流的直流分量；利用低通滤波器滤除在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次谐波电流中的交流分量，得到在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次谐波电流的直流分量。
需要说明的是，低通滤波器的截止频率根据实际的电机基本电流大小来选择，本发明实施例对此不作限定。
根据式(1)和式(2)可以看出：在5次谐波同步旋转轴系下，5次谐波电流为直流分量，基波电流与7次谐波电流为交流分量；在7次谐波同步旋转轴系下，7次谐波电流为直流分量，基波电流与5次谐波电流为交流分量。
利用低通滤波器滤除交流分量，得到在5次谐波同步旋转轴下的5次谐波电流的直流分量Id5和Iq5，在7次谐波同步旋转轴下的7次谐波电流的直流分量Id7和Iq7，如图3所示。
6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流的抑制可以通过抑制6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量来实现。故，通过6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量确定用于消除相电流中相应的谐波分量的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压，再根据6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压控制电机，就实现了对电机的谐波电流的抑制。
步骤104，根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n-1次谐波电流的直流分量，获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压。
利用PI控制器，根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n-1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压：
其中：
Ud(6n-1)和Uq(6n-1)表示在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压；Iq(6n-1)和Id(6n-1)表示在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次谐波电流的直流分量。
Kc表示谐波电流环的带宽，Kc的大小决定谐波电流的响应速度；Rs表示定子电阻，ω表示电角速度，Lq表示q轴电感，Ld表示d轴电感。
式(3)为含交叉项的PI控制器的模型，用于得到6n-1次补偿电压，实现对6n-1次谐波电流的控制。
式(3)中带“^”符号的参数表示电机的设计参数。
以n＝1为例，对5次谐波电流的抑制的控制框图如图4所示，图4中带“^”符号的参数表示电机的设计参数。
得到的5次补偿电压方程为：
步骤105，根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n+1次谐波电流的直流分量，获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压。
利用PI控制器，根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及6n+1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压：
其中：
Ud(6n+1)和Uq(6n+1)表示在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压；Id(6n+1)和Iq(6n+1)表示在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次谐波电流的直流分量。
Rs表示定子电阻，ω表示电角速度，Lq表示q轴电感，Ld表示d轴电感，Kc表示谐波电流环的带宽。
式(4)中带“^”符号的参数表示电机的设计参数。
Kc表示谐波电流环的带宽，Kc的大小决定谐波电流的响应速度。
式(4)为含交叉项的PI控制器的模型，用于得到6n+1次补偿电压，实现对6n+1次谐波电流的控制。
以n＝1为例，对7次谐波电流的抑制的控制框图如图5所示，图5中带“^”符号的参数表示电机的设计参数。
得到的7次补偿电压方程为：
需要说明的是，步骤104和步骤105可以同时执行，或者步骤104在步骤105之后执行，本发明实施例对此不作限定。
步骤106，对在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压和在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压进行IPark变换，得到在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压。
PI控制器的输出电压Ud(6n-1)和Uq(6n-1)、Ud(6n+1)和Uq(6n+1)需要经过逆变器施加在电机端，才能够达到抑制谐波电流的目的，因此，需要对6n-1次补偿电压Ud(6n-1)、Uq(6n-1)和6n+1次补偿电压Ud(6n+1)、Uq(6n+1)进行IPark变换，也即将得到的补偿电压经过坐标反变换至静止abc坐标轴系下。
以n＝1为例，对在5次谐波同步旋转轴下的5次补偿电压Ud5和Uq5进行IPark变换，得到在静止abc坐标系下的5次补偿电压ua5、ub5、uc5；对在7次谐波同步旋转轴下的7次补偿电压Ud7和Uq7进行IPark变换，得到在静止abc坐标系下的7次补偿压ua7、ub7、uc7，如图6所示。
步骤107，将在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压之和作为控制电压，根据控制电压控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流。
该步骤可由如下步骤实现：
步骤1071，将控制电压叠加至矢量控制系统的三相输出电压。
叠加在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和在abc坐标轴下的6n+1次补偿电压，得到控制电压。
在叠加时，a相6n-1次补偿电压与a相6n+1次补偿电压相加，b相6n-1次补偿电压与b相6n+1次补偿电压相加，c相6n-1次补偿电压与c相6n+1次补偿电压相加，得到对应a相、b相、c相的控制电压。
以n＝1为例，叠加在abc坐标轴下的5次补偿电压ua5、ub5、uc5和在abc坐标轴下的7次补偿电压ua7、ub7、uc7，即，将a相对应的ua5与ua7得到a相的输出电压ua57，将b相对应的ub5与ub7得到b相的输出电压ub57，将c相对应的uc5与uc7得到c相的输出电压uc57，如图6所示。
步骤1072，利用逆变器将叠加后的三相输出电压转换为实际电压施加在电机端，控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流。
以n＝1为例，利用逆变器将叠加后的三相输出电压ua57、ub57、uc57转换为实际电压施加在电机端，控制电机的5次谐波电流和7次谐波电流。
以n＝1为例，图7示出了在传统矢量控制基础上，加入本发明实施例提供的电机的谐波电流抑制方法后的电机系统整体控制框图，图7中的谐波电流环对应上述步骤101至106；谐波电流提取对应上述步骤101至103，谐波电流控制器对应上述步骤104至105，坐标反变换对应上述步骤106。
同样地，根据步骤101至107还可以得到针对11、13、17、19、…次谐波电流的控制电压，将对应的控制电压叠加至传统矢量控制系统的三相输出电压上，实现针对11、13、17、19、…次谐波电流的抑制。
综上所述，本发明实施例提供的电机谐波电流的抑制方法不需要增加任何传感器，在传统的矢量控制基础上，获取电机的三相电流，对三相电流进行Park变换得到在谐波同步旋转轴下的电流，并从在谐波同步旋转轴下的电流中提取出直流分量，利用谐波电流环获取用于消除相电流中相应的谐波分量的补偿电压，将补偿电压进行IPark变换，得到在abc轴下的补偿电压，利用逆变器将补偿电压转换为实际电压施加在电机端，解决了现有的电机控制方法无法完全消除高次谐波电流的问题，达到了降低电机动态、稳态过程中的转矩脉动，消除电机的高次谐波电流，提升电机的运行性能的效果。
此外，不仅在不同转速的稳态运行时能够有效消除定子谐波电流，在负载转矩突变时经过较短的时间，电机谐波的电流也能够快速被抑制为0，具有较好的适应负载变化的优良性能。
通过对谐波电流的控制，在不同的运行转速下，均能消除定子6n-1次和6n+1次谐波电流，改善定子电流波形；在电机转速变化和负载转矩突变时，具有较好的适应负载、转速变化的性能。
需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取在考虑6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流时的电机的三相电流；
对所述电机的三相电流进行Park变换，得到在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流；
根据所述在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流，得到6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量；
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n-1次谐波电流的直流分量，获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压；
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n+1次谐波电流的直流分量，获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压；
对所述在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压和所述在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压进行IPark变换，得到在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压；
将所述在abc坐标轴下的6n-1次补偿电压和6n+1次补偿电压之和作为控制电压，根据控制电压控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流；
其中，n为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n-1次谐波电流的直流分量，获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压，包括：
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n-1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压：
所述根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n+1次谐波电流的直流分量，获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压，包括：
根据定子电阻、电角速度、d轴电感、q轴电感以及所述6n+1次谐波电流的直流分量，按如下公式获取在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压：
其中，Ud(6n-1)和Uq(6n-1)表示在6n-1次谐波同步旋转轴下的6n-1次补偿电压；Ud(6n+1)和Uq(6n+1)表示在6n+1次谐波同步旋转轴下的6n+1次补偿电压；Id(6n-1)和Iq(6n-1)表示6n-1次谐波电流的直流分量；Id(6n+1)和Iq(6n+1)表示6n+1次谐波电流的直流分量；Rs表示定子电阻，ω表示电角速度，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，Kc表示带宽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述在6n-1次和6n+1次谐波同步旋转轴下的电流，得到6n-1次谐波电流的直流分量和6n+1次谐波电流的直流分量，包括：
利用低通滤波器滤除所述在6n-1次谐波同步旋转轴下的电流中的交流分量，得到6n-1次谐波电流的直流分量；
利用低通滤波器滤除所述在6n+1次谐波同步旋转轴下的电流中的交流分量，得到6n+1次谐波电流的直流分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据控制电压控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流，包括：
将所述控制电压叠加至矢量控制系统的三相输出电压；
利用逆变器将叠加后的三相输出电压转换为实际电压施加在电机端，控制电机的6n-1次谐波电流和6n+1次谐波电流。
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