CN111464085B - 一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：一、根据转子旋转角度，等角度间隔地采集电机转角、转速、直交轴电流信号；二、构造角域单点傅里叶变换算法；三、使用步骤二中的角域单点傅里叶变换算法，对步骤一中采集的转速和电流信号进行阶次提取；四、通过PI控制器得到要注入的直交轴电压谐波；五、构造阶次单点傅里叶反变换算法；六、使用步骤五中的阶次单点傅里叶反变换算法，对步骤四中得到的直交轴电压谐波进行角域重构得到注入电压信号；七、叠加注入电压信号到电机控制策略的驱动电压指令值中进行谐波抑制。

Description

一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法。
背景技术
电机在新能源汽车和机器人等领域有着广泛的应用，但电机气隙非正弦磁通密度分布引起的反电动势谐波和逆变器死区效应会导致电机电流出现多阶谐波分量，电流谐波会引起电机运行温度增加，损耗增大，还会引起电机的振动噪声。电流谐波、齿槽转矩和机械安装误差等会导致电机的转矩脉动，引起转速脉动和结构疲劳损伤等问题。因此抑制电机电流谐波和转矩脉动对于减小电机振动噪声，降低电机损耗和提高电机伺服系统性能有重要意义。
电流谐波抑制和转矩脉动抑制的方法主要分为两类，一类是通过修改电机本体结构如齿槽形状，绕组分布等进行抑制，另一类是通过设计电机控制系统算法进行抑制。通过修改控制算法进行转矩脉动抑制的方法成本较低，适应性强，不需要对硬件进行修改，主要有谐波注入法，迭代学习法和重复控制法等。其中谐波注入法算法实现原理明确，鲁棒性强，是一种理想的谐波抑制方法。技术文献(Liu G,Chen B,Wang K,et al.SelectiveCurrent Harmonic Suppression for High-Speed PMSM Based on High-PrecisionHarmonic Detection Method[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2018,15(6):3457-3468.)(Feng G,Lai C,Kar N C.Practical Testing Solutions toOptimal Stator Harmonic Current Design for PMSM Torque Ripple MinimizationUsing Speed Harmonics[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,33(6):5181-5191.)(Yan L,Liao Y,Lin H,et al.Torque ripple suppression of permanentmagnet synchronous machines by minimal harmonic current injection[J].IETPower Electronics,2019,12(6):1368-1375.)(Feng G,Lai C,Tian J,et al.MultipleReference Frame based Torque Ripple Minimization for PMSM Drive Under BothSteady-State and Transient Conditions[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2019,34(7):6685-6696.)中设计了不同的谐波注入算法对电流谐波或者转矩脉动进行抑制，但这些基于时域的谐波注入算法需要使用数字低通滤波器，计算量较大，而且由于缺乏准确提取转速和电流谐波分量的算法，对于转矩脉动的抑制效果有限。
发明内容
本发明的目的在于解决现有电机伺服控制系统电流谐波较大导致的电机损耗较高和振动噪声较大的问题，以及转矩脉动引起的转速脉动和结构疲劳损伤等问题。提出一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法，通过阶次提取快速且有效地提取电流谐波和转速谐波分量，能够抑制电流谐波减小电机损耗和抑制转速谐波降低转矩脉动。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法，包括如下步骤：
步骤一、在电机启动运行时，根据转子旋转角度，等角度间隔地采集电机转角θ、转速ωr、直轴电流信号id和交轴电流信号iq；
步骤二、利用电机转角θ，构造角域单点傅里叶变换算法；
步骤三、假设要消除的转速谐波或者电流谐波阶次为n，使用步骤二中的角域单点傅里叶变换算法，对步骤一中采集的转速和电流信号id和iq进行第n阶的阶次提取，得到转速第n阶谐波成分的实部ReΩr(n)和虚部ImΩr(n)、直轴电流第n阶谐波成分的实部ReId(n)和虚部ImId(n)以及交轴电流第n阶谐波成分的实部ReIq(n)和虚部ImIq(n)；
步骤四、使用PI控制器，以步骤三中所得ReΩr(n)、ImΩr(n)、ReId(n)、ImId(n)、ReIq(n)和ImIq(n)作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为第n阶直轴注入电压谐波成分的实部ReUd_inj(n)和虚部ImUd_inj(n)以及第n阶交轴注入电压谐波成分的实部ReUq_inj(n)和虚部ImUq_inj(n)；
步骤五、利用电机转角θ，构造阶次单点傅里叶反变换算法；
步骤六、使用步骤五中的阶次单点傅里叶反变换算法，对步骤四中得到的第n阶直交轴注入电压谐波成分进行角域重构，分别得到直轴注入电压信号ud_inj(θ)和交轴注入电压信号uq_inj(θ)；
步骤七、叠加直轴注入电压信号和交轴注入电压信号到电机控制策略的驱动电压指令值中，进行谐波抑制。
进一步地，步骤二构造的角域单点傅里叶变换算法如下：
获取等角度间隔采样信号x(θ)，x(θ)的第n阶角域单点傅里叶变换为：
Figure BDA0002474564170000021
其中ReX(n)为信号x(θ)的第n阶谐波成分的实部，ImX(n)为信号x(θ)的第n阶谐波成分的虚部，N为信号x(θ)参与傅里叶变换算法的点数，x(θi)为信号x(θ)的第i个采样值，θi为角度信号θ的第i个采样值。
进一步地，步骤四中，如果目标是消除电流谐波，使用四个PI控制器，以ReId(n)、ImId(n)、ReIq(n)和ImIq(n)分别作为四个PI控制器的输入，四个PI控制器的对应的输出分别为ReUd_inj(n)、ImUd_inj(n)、ReUq_inj(n)和ImUq_inj(n)；
如果目标是消除转速谐波以抑制转矩脉动，使用两个PI控制器，以ReΩr(n)、ImΩr(n)分别作为两个PI控制器的输入，两个PI控制器的输出分别为ImUq_inj(n)和ReUq_inj(n)。
进一步地，步骤五构造的阶次单点傅里叶反变换算法如下：
x(θ)的第n阶谐波成分的阶次单点傅里叶反变换为：
x(θ)＝cos(nθ)ReX(n)-sin(nθ)ImX(n) (2)。
进一步地，步骤七中，如果需要抑制多阶谐波，则确定抑制阶次后，重复步骤三、步骤四和步骤六，得到直交轴注入电压信号值后，叠加到电机控制策略的驱动电压指令值中即可。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明利用电机转角构造角域单点傅里叶变换算法，能够快速和准确地提取转速和电流谐波分量的复幅值，而且计算量较小；
(2)本发明提取转速或电流谐波分量后在阶次域中利用PI控制器得到注入电压信号进行谐波抑制，能够快速地将转速或电流谐波抑制消除；
(3)本发明提出的算法操作简单，计算量小，抑制谐波效果好，适用于不同的电机控制系统。
附图说明
图1为实施例一基于阶次提取的电机电流谐波抑制方法的结构框图；
图2a为不加电流谐波抑制算法时U相电流的时域波形图；
图2b为不加电流谐波抑制算法时U相电流的幅频图；
图2c为不加电流谐波抑制算法时直轴电流的时域波形图；
图2d为不加电流谐波抑制算法时直轴电流的幅频图；
图2e为不加电流谐波抑制算法时交轴电流的时域波形图；
图2f为不加电流谐波抑制算法时交轴电流的幅频图；
图3a为加入电流谐波抑制算法后U相电流的时域波形图；
图3b为加入电流谐波抑制算法后U相电流的幅频图；
图3c为加入电流谐波抑制算法后直轴电流的时域波形图；
图3d为加入电流谐波抑制算法后直轴电流的幅频图；
图3e为加入电流谐波抑制算法后交轴电流的时域波形图；
图3f为加入电流谐波抑制算法后交轴电流的幅频图；
图4为基于阶次提取的电机转矩脉动抑制方法结构框图；
图5a为不加转矩脉动抑制算法时转速的时域波形图；
图5b为不加转矩脉动抑制算法时转速的幅频图；
图5c为不加转矩脉动抑制算法时转矩的时域波形图；
图5d为不加转矩脉动抑制算法时转矩的幅频图；
图6a为加入转矩脉动抑制算法后转速的时域波形图；
图6b为加入转矩脉动抑制算法后转速的幅频图；
图6c为加入转矩脉动抑制算法后转矩的时域波形图；
图6d为加入转矩脉动抑制算法后转矩的幅频图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，实施例一是采用基于阶次提取的电机电流谐波抑制方法，具体应用于基于传统矢量控制策略的永磁同步电机控制系统中，对第24阶直交轴电流谐波进行抑制，包括如下步骤：
步骤一、在电机启动运行时，根据转子旋转角度，等角度间隔地采集电机转角θ、直轴电流信号id和交轴电流信号iq。
步骤二、利用电机转角θ，使用以下公式对id和iq进行第24阶角域单点傅里叶变换，得到第24阶直轴电流谐波成分的实部ReId(24)和虚部ImId(24)和第24阶交轴电流谐波成分的实部ReIq(24)和虚部ImIq(24)：
Figure BDA0002474564170000041
Figure BDA0002474564170000042
Figure BDA0002474564170000043
Figure BDA0002474564170000044
其中：θi为角度信号θ的第i个采样值，id(θi)为信号id的第i个采样值,iq(θi)为信号iq的第i个采样值，N为信号id和iq参与傅里叶变换算法的点数。
步骤三、使用四个PI控制器，以ReId(24)、ImId(24)、ReIq(24)和ImIq(24)作为PI控制器的输入，四个PI控制器的输出分别作为第24阶直轴注入电压谐波成分的实部ReUd_inj(24)、第24阶直轴注入电压谐波成分的虚部ImUd_inj(24)、第24阶交轴注入电压谐波成分的实部ReUq_inj(24)和第24阶交轴注入电压谐波成分的虚部ImUq_inj(24)。
步骤四、利用电机转角θ，使用以下公式对步骤三中得到的注入电压谐波成分进行角域重构，得到直轴注入电压信号ud_inj(θ)和交轴注入电压信号uq_inj(θ)：
ud_inj(θ)＝cos(24θ)ReUd_inj(24)-sin(24θ)ImUd_inj (24)
uq_inj(θ)＝cos(24θ)ReUq_inj(24)-sin(24θ)ImUq_inj (24)。
步骤五、分别叠加直轴注入电压信号ud_inj(θ)和交轴注入电压信号uq_inj(θ)到永磁同步电机传统矢量控制策略的直轴驱动电压指令值和交轴驱动电压指令值中，通过反派克变换和空间脉宽矢量调制得到逆变器的开关指令后，逆变器驱动永磁同步电机运行。
本实施对基于阶次提取的电机电流谐波抑制效果进行评估，图2a和图2b为不加电流谐波抑制算法时U相电流的时域波形图和幅频图；图2c和图2d为不加电流谐波抑制算法时直轴电流的时域波形图和幅频图；图2e和图2f为不加电流谐波抑制算法时交轴电流的时域波形图和幅频图；图3a和图3b为加入电流谐波抑制算法后U相电流的时域波形图和幅频图；图3c和图3d为加入电流谐波抑制算法后直轴电流的时域波形图和幅频图；图3e和图3f为加入电流谐波抑制算法抑制后交轴电流的时域波形图和幅频图，由以上各图的对比可以看出，在加入电流谐波抑制算法对第24阶直交轴电流谐波进行抑制后，目标电流谐波的幅值降低了98％以上。
实施例二
如图4所示，实施例二是采用基于阶次提取的转矩脉动抑制方法，具体应用于基于传统矢量控制策略的永磁同步电机控制系统中，对第24阶转速谐波进行抑制，从而抑制转矩脉动，包括如下步骤：
步骤1、在电机启动运行时，根据转子旋转角度，等角度间隔地采集电机转角θ、转速ωr；
步骤2、利用电机转角θ，使用以下公式对ωr进行第24阶角域单点傅里叶变换，得到第24阶转速谐波成分的实部ReΩr(24)和虚部ImΩr(24)：
Figure BDA0002474564170000051
Figure BDA0002474564170000052
其中：θi为角度信号θ的第i个采样值，ωr(θi)为信号ωr的第i个采样值，N为信号ωr参与傅里叶变换算法的点数。
步骤3、使用两个PI控制器，以ReΩr(24)和ImΩr(24)作为PI控制器的输入，两个PI控制器的输出分别作为第24阶交轴注入电压谐波成分的虚部ImUq_inj(24)和实部ReUq_inj(24)。
步骤4、利用电机转角θ，使用以下公式对步骤3中得到的注入电压谐波成分进行角域重构，得到交轴注入电压信号uq_inj(θ)：
uq_inj(θ)＝cos(24θ)ReUq_inj(24)-sin(24θ)ImUq_inj (24)；
步骤5、叠加交轴注入电压信号uq_inj(θ)到永磁同步电机传统矢量控制策略的交轴驱动电压指令值中，通过反派克变换和空间脉宽矢量调制得到逆变器的开关指令后，逆变器驱动永磁同步电机运行。
实施例二还基于阶次提取的转矩脉动抑制效果进行评估，图5a和图5b为不加转矩脉动抑制算法时电机转速的时域波形图和幅频图；图5c和图5d为不加转矩脉动抑制算法时电机转矩的时域波形图和幅频图；图6a和图6b为加入转矩脉动抑制算法后电机转速的时域波形图和幅频图；图6c和图6d为加入转矩脉动抑制算法后电机转矩的时域波形图和幅频图，由各图对比可知，在加入转矩脉动抑制算法后，第24阶转速和转矩谐波的幅值降低了99.5％，转矩脉动降低了48.7％。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，他人对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (2)

1.一种基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在电机启动运行时，根据转子旋转角度，等角度间隔地采集电机转角θ、转速ω r 、直轴电流信号i d 和交轴电流信号i q ；
步骤二、利用电机转角θ，构造角域单点傅里叶变换算法；
步骤三、假设要消除的转速谐波或者电流谐波阶次为n，使用步骤二中的角域单点傅里叶变换算法，对步骤一中采集的转速和电流信号i d 和i q 进行第n阶的阶次提取，得到转速第n阶谐波成分的实部ReΩ r (n)和虚部ImΩ r (n)、直轴电流第n阶谐波成分的实部ReI d (n)和虚部ImI d (n)以及交轴电流第n阶谐波成分的实部ReI q (n)和虚部ImI q (n)；
步骤四、针对转速谐波的抑制，使用PI控制器，以步骤三中所得ReΩ r (n)、ImΩ r (n)作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为第n阶交轴注入电压谐波成分的实部ReU q_inj (n)和虚部ImU q_inj (n)；针对电流谐波的抑制，则使用PI控制器，以步骤三中所得ReI d (n)、ImI d (n)、ReI q (n)和ImI q (n)作为PI控制器的输入，PI控制器的输出为第n阶直轴注入电压谐波成分的实部ReU d_inj (n)和虚部ImU d_inj (n)以及第n阶交轴注入电压谐波成分的实部ReU q_inj (n)和虚部ImU q_inj (n)；
步骤五、利用电机转角θ，构造阶次单点傅里叶反变换算法；
步骤六、使用步骤五中的阶次单点傅里叶反变换算法，对步骤四中得到的第n阶直交轴注入电压谐波成分进行角域重构，分别得到直轴注入电压信号u d_inj (θ)和交轴注入电压信号u q_inj (θ)；
步骤七、叠加直轴注入电压信号和交轴注入电压信号到电机控制策略的驱动电压指令值中，进行谐波抑制。
2.根据权利要求1所述的基于阶次提取的电机电流谐波及转矩脉动抑制方法，其特征在于，步骤四中，
通过抑制转速谐波以抑制转矩脉动的控制方法中，不需要对电流谐波进行采集和控制，使用两个PI控制器，以转速谐波ReΩ r (n)、ImΩ r (n)分别作为两个PI控制器的输入，两个PI控制器的输出分别为注入电压谐波ImU q_inj (n)和ReU q_inj (n)。
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