CN111769775A - 电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法及系统 - Google Patents

电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，包括：将采集的三相电流信息求取静止坐标系下电流分量，利用坐标变换求取其于两倍电角速度及负两倍电角速度旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id‑2r、iq‑2r；对电流分量值id2r，iq2r进行闭环调节，计算得到调节电压；计算得到2we坐标系下耦合电压；将调节电压与耦合电压进行求和，得到控制补偿电压，进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d‑q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，对矢量控制电压进行补偿。该方法有效减小了三相不平衡引起的转矩波动，提高电机运行效率及极限功率；可实现实时控制，通用性较强。

Description

电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法及系统
技术领域
本发明涉及驱动电机的控制技术领域，具体地涉及一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法及系统。
背景技术
随着现代工业对电机控制性能的要求越来越高，磁场定向控制被广泛应用于交流电机高性能控制场合。磁场定向控制通过转子磁场的方向来实现的，使得在同步旋转坐标系下能够将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，再经过比例积分调节器获取目标电压参考值，最后利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术来获得功率驱动模块的控制信号，从而实现交流电机的高性能控制。新能源汽车电驱动系统通过矢量控制利用SVPWM调制算法实现对汽车动力系统的转矩控制，在电机正常运行过程电机三相保持平衡，使得转矩平稳输出。
但是，现有的新能源汽车电驱动系统主要有以下缺点：
(1)由于制造工艺一致性差异易导致电机三相绕组出现不平衡；
(2)在旋转变压器或元器件出现故障易造成三相电流不平衡；
(3)电机在运行过程中若出现故障造成三相电流不平衡；
电机在控制过程中出现三相不平衡的现象，会造成电机转矩波动，极限状态下输出功率下降。
申请号为201110145038.4的专利《一种注入谐波电压抑制永磁同步电机谐波电流的控制方法》，所提出的方法主要用来改善电流中5次和7次电流谐波分量，但是对于凸极式永磁同步电机而言，5次、7次谐波电压之间存在耦合性，在现有技术中并没有考虑这一点，所以在凸极式电机中容易导致谐波电压注入不准确。此外，该方法计算量大结构复杂。
申请号为201811554968.3的专利公开了一种三相交流电机电流谐波抑制方法，将电机三相电流通过低通滤波器提取出谐波分量总和，然后经过谐波分量调节器获取所需注入的谐波电压分量值，再将谐波电压分量值叠加到d、q轴电流闭环控制器的输出电压控制信号中得到目标参考电压。通过空间矢量脉宽调制技术获取功率驱动模块的控制信号。实现对dq轴电流直流分量和电流全阶次谐波分量控制，减少各个阶次电流谐波含量。电机电流一系列的谐波分量所占的比重是不一样的，对各次谐波电流分量进行抑制是没有必要的，这会增加计算量。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，基于指定阶次旋转坐标系下进行坐标变换，提取指定阶次谐波电流，选择指定阶次谐波电流进行闭环控制及耦合电压计算，通过所指定阶次的反坐标变换求取补偿电压，对矢量控制电压进行补偿。
本发明的技术方案是：
一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，包括以下步骤：
S01：将采集的三相电流信息进行静止坐标系CLARKE变换，求取静止坐标系下电流分量，利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，所述旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系；
S02：对电流分量值id2r，iq2r经过闭环控制器进行闭环调节，计算得到调节电压Ud2r_PI、Uq2r_PI；
S03：计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc；
S04：将闭环调节的调节电压与计算得到的耦合电压进行求和，得到控制补偿电压Ud2r、Uq2r，分别对Ud2r、Uq2r进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d-q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，注入到电机控制系统中，对矢量控制电压进行补偿。
优选的技术方案中，所述步骤S01中利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，包括步骤：
S11：求取id、iq，利用坐标变换公式进行坐标变换，所述坐标变换公式为：
Figure BDA0002375302280000021
Figure BDA0002375302280000022
式中θ为电机电角度位置；
S12：利用二阶低通滤波求取旋转坐标系下谐波电流直流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r。
优选的技术方案中，所述步骤S03中通过以下耦合电压计算公式计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc，所述耦合电压计算公式为：
Figure BDA0002375302280000031
其中，w为电机电角速度，R为电机定子电阻，Ld、Lq分别及d-q轴电感感值。
本发明还公开了一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制系统，包括：
指定旋转坐标系下电流分量值计算模块，将采集的三相电流信息进行静止坐标系CLARKE变换，求取静止坐标系下电流分量，利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，所述旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系；
闭环控制模块，对电流分量值id2r，iq2r经过闭环控制器进行闭环调节，计算得到调节电压Ud2r_PI、Uq2r_PI；
耦合电压计算模块，计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc；
补偿电压计算模块，将闭环调节的调节电压与计算得到的耦合电压进行求和，得到控制补偿电压Ud2r、Uq2r，分别对Ud2r、Uq2r进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d-q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，注入到电机控制系统中，对矢量控制电压进行补偿。
优选的技术方案中，所述指定旋转坐标系下电流分量值计算模块中利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，包括步骤：
S11：求取id、iq，利用坐标变换公式进行坐标变换，所述坐标变换公式为：
Figure BDA0002375302280000032
Figure BDA0002375302280000033
式中θ为电机电角度位置；
S12：利用二阶低通滤波求取旋转坐标系下谐波电流直流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r。
优选的技术方案中，所述耦合电压计算模块中通过以下耦合电压计算公式计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc，所述耦合电压计算公式为：
Figure BDA0002375302280000041
其中，w为电机电角速度，R为电机定子电阻，Ld、Lq分别及d-q轴电感感值。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明基于指定阶次旋转坐标系下进行坐标变换，提取指定阶次谐波电流，选择指定阶次谐波电流进行闭环控制及耦合电压计算，通过所指定阶次的反坐标变换求取补偿电压，对矢量控制电压进行补偿。
2、本发明所使用旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系，并使用二阶滤波器滤除交流分量，以此提取电机三相不平衡电流分量id2r，iq2r以及id-2r，iq-2r，仅对对三相不平衡影响较大的正向2we坐标变换下id2r，iq2r进行抑制补偿处理，并以0为调节目标进行PI闭环调节，计算调节电压。
3、本发明能够有效减小了三相不平衡引起的转矩波动，提高电机运行效率及极限功率；可实现实时控制，无需对电机是否出现三相不平衡状态及对应工况进行判定，通用性较强。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为电机驱动系统原理框图；
图2为本发明控制器控制流程图；
图3为本发明电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法流程图；
图4为本发明电机电流环矢量控制框图；
图5为本发明补偿电压计算原理框图；
图6为本发明谐波电流提取原理框图；
图7为本发明补偿电压闭环控制原理框图；
图8为未加入本发明控制算法的三相电流输出示意图；
图9为未加入本发明控制算法的转矩输出示意图；
图10为本发明控制算法的电机谐波电流输出示意图；
图11为本发明控制算法的三相电流输出示意图；
图12为本发明控制算法的转矩输出示意图。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
如图1所示，电机驱动系统由直流电源、稳压电容、三相逆变器、永磁同步电机及控制器等部分组成。其中控制器通过控制三相逆变器桥臂导通开关实现对永磁同步电机电压控制。
控制器控制流程如图2所示，控制器接收到VCU发出的转矩指令后通过查找电流表计算指令电流值，随后利用矢量控制中坐标变换及电流控制得到控制永磁同步电机所需的转子坐标系下指令电压。此外，在检测到三相电流后通过对提取出的谐波电流进行控制，由此计算补偿电压，对三相电流控制所得指令电压进行补偿。随后对异常电压进行处理最终得到SVPWM所需的调制电压。
本发明所设计的消除三相不平衡的具体方法如图3所示，控制器在读取三相电流信息后进行CLAKE变换，求取静止坐标系下电流分量，随后基于指定阶次旋转坐标系下进行坐标变换，并通过低通滤波等方式提取谐波分量，利用所求取的谐波电流进行闭环控制及耦合电压计算，最终通过所指定阶次的反坐标变换求取补偿电压，对通过电流矢量控制所计算的指令电压进行补偿。
具体方法如图4所示，控制器采用三相电流传感器读取电机三相电流信息，无需安装其他电流传感器读取三相不平衡电流信息，在读取三相电流信息后进行静止坐标系CLARKE变换，求取静止坐标系下电流分量Ialfa、Ibeta。随后利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值，本方法所使用旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系，并使用二阶滤波器滤除交流分量，以此提取电机三相不平衡电流分量id2r，iq2r以及id-2r，iq-2r。本专利仅对对三相不平衡影响较大的正向2we坐标变换下id2r，iq2r进行抑制补偿处理，并以0为调节目标进行PI闭环调节，计算调节电压Ud2r_PI、Uq2r_PI。随后利用推导的耦合电压计算公式计算2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc，将PI闭环调节所得控制电压与计算所得耦合电压进行求和后最终求得三相不平衡控制补偿电压Ud2r、Uq2r，再分别对Ud2r、Uq2r进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d-q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，对矢量控制电压进行补偿。
三相不平衡补偿电压计算过程如图5，其主要分为谐波电流提取及补偿电压闭环控制两个过程。
谐波电流提取过程如图6，在正常矢量控制求取id、iq后利用坐标变换公式进行坐标变换，得到旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系下电流分量值，并利用二阶低通滤波求取谐波电流直流分量。
其中谐波电流提取所使用坐标变换公式为：
Figure BDA0002375302280000061
Figure BDA0002375302280000062
式中θ为电机电角度位置。
所使用补偿电压闭环控制过程如图7，其主要由闭环PI调节及谐波电流耦合电压计算两个过程组成。其中闭环PI调节目标电流值为0。
耦合电压计算公式根据高次坐标变换电压推导为：
Figure BDA0002375302280000071
其中w为电机电角速度，R、Ld、Lq分别为电机定子电阻及d-q轴电感感值。
在使用本发明所提出算法前，由于电机三相绕组不平衡造成控制过程中三相电流不平衡，如图8所示。其此状态下电机输出转矩波动较大，如图9所示。
加入本发明所提出的算法后，控制器对电机谐波电流进行控制，逐步消除至零，如图10所示。在完成对谐波电流控制后其电机三相电流及转矩输出如图11及图12所示，可以看出加入本发明所提出算法后电机三相不平衡度及转矩波动得到有效抑制。
因此，该算法通过闭环控制实现对三相不平衡电流的实时补偿，无需对电机是否处于三相不平衡状态进行判定，适用于解决各种不良工况下所引发的三相不平衡问题，有效减小转矩波动，提高电机运行效率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：将采集的三相电流信息进行静止坐标系CLARKE变换，求取静止坐标系下电流分量，利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，所述旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系；
S02：对电流分量值id2r，iq2r经过闭环控制器进行闭环调节，计算得到调节电压Ud2r_PI、Uq2r_PI；
S03：计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc；
S04：将闭环调节的调节电压与计算得到的耦合电压进行求和，得到控制补偿电压Ud2r、Uq2r，分别对Ud2r、Uq2r进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d-q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，注入到电机控制系统中，对矢量控制电压进行补偿。
2.根据权利要求1所述的电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，其特征在于，所述步骤S01中利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，包括步骤：
S11：求取id、iq，利用坐标变换公式进行坐标变换，所述坐标变换公式为：
Figure FDA0002375302270000011
Figure FDA0002375302270000012
式中θ为电机电角度位置；
S12：利用二阶低通滤波求取旋转坐标系下谐波电流直流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r。
3.根据权利要求1所述的电机三相电流不平衡的谐波电流控制方法，其特征在于，所述步骤S03中通过以下耦合电压计算公式计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc，所述耦合电压计算公式为：
Figure FDA0002375302270000021
其中，w为电机电角速度，R为电机定子电阻，Ld、Lq分别及d-q轴电感感值。
4.一种电机三相电流不平衡的谐波电流控制系统，其特征在于，包括：
指定旋转坐标系下电流分量值计算模块，将采集的三相电流信息进行静止坐标系CLARKE变换，求取静止坐标系下电流分量，利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，所述旋转坐标系为两倍电角速度2we及负两倍电角速度-2we旋转坐标系；
闭环控制模块，对电流分量值id2r，iq2r经过闭环控制器进行闭环调节，计算得到调节电压Ud2r_PI、Uq2r_PI；
耦合电压计算模块，计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc；
补偿电压计算模块，将闭环调节的调节电压与计算得到的耦合电压进行求和，得到控制补偿电压Ud2r、Uq2r，分别对Ud2r、Uq2r进行基于2we旋转坐标系反坐标变换，求取d-q坐标轴下补偿电压Udcom、Uqcom，注入到电机控制系统中，对矢量控制电压进行补偿。
5.根据权利要求4所述的电机三相电流不平衡的谐波电流控制系统，其特征在于，所述指定旋转坐标系下电流分量值计算模块中利用坐标变换求取其于旋转坐标系下电流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r，包括步骤：
S11：求取id、iq，利用坐标变换公式进行坐标变换，所述坐标变换公式为：
Figure FDA0002375302270000022
Figure FDA0002375302270000023
式中θ为电机电角度位置；
S12：利用二阶低通滤波求取旋转坐标系下谐波电流直流分量值id2r、iq2r及id-2r、iq-2r。
6.根据权利要求4所述的电机三相电流不平衡的谐波电流控制系统，其特征在于，所述耦合电压计算模块中通过以下耦合电压计算公式计算得到2we坐标系下耦合电压Ud2r_fc、Uq2r_fc，所述耦合电压计算公式为：
Figure FDA0002375302270000031
其中，w为电机电角速度，R为电机定子电阻，Ld、Lq分别及d-q轴电感感值。
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