CN111865182B - 基于lc滤波器与自适应陷波器的高速pmsm谐波抑制控制方法 - Google Patents

基于lc滤波器与自适应陷波器的高速pmsm谐波抑制控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，包括以下步骤：1)获取高速PMSM的特性参数；2)根据步骤1)获取的高速PMSM的特性参数，采用微分方程建立该高速PMSM的数学方程表达式，以建立高速PMSM的数学模型；3)建立带LC滤波器的高速PMSM的数学模型；4)根据步骤3)建立的带LC滤波器的高速PMSM的数学模型，得电机控制系统的传递函数，然后根据电机控制系统的传递函数进行幅频特性分析，得PMSM的谐振频率；5)根据步骤4)得到的PMSM的谐振频率，设置自适应陷波器，并通过自适应陷波器滤除谐振频率处的谐振尖峰，该方法能够有效的提高电机系统的工作效率、稳定性及抗干扰能力。

Description

基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法
技术领域
本发明涉及一种高速PMSM谐波抑制控制方法，具体涉及一种基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法。
背景技术
高速PMSM功率密度高、转子惯量较小、动态响应速度很快。可以与原动机和负载直接相连，省去的机械传动装置，可靠性高。近年来随着电力电子技术和高性能处理器的发展，高速PMSM的应用领域也越来越广泛。高速PMSM广泛应用于涡轮鼓风机、涡轮压缩机、机床、真空吸尘器、发电机等领域。
高速永磁同步电机的定子电感通常很小，一般小于0.5mH。当采用电压型逆变器进行驱动时，由于逆变器的开关频率很高，会在开关频率及其整数倍频率附近产生大量电流谐波，使得电机绕组中的电流发生畸变。大量的谐波电流会产生较大的噪声、铁心损耗和转矩脉动，从而影响电机系统的性能。现有的高速PMSM谐波抑制控制方法多采用纯硬件方法，这样伴随着电阻消耗热量，使电机系统的工作效率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，该方法能够有效的提高电机系统的工作效率、稳定性及抗干扰能力。
为达到上述目的，本发明所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法包括以下步骤：
1)获取高速PMSM的特性参数；
2)根据步骤1)获取的高速PMSM的特性参数，采用微分方程建立该高速PMSM的数学方程表达式，以建立高速PMSM的数学模型；
3)根据步骤2)得到的高速PMSM数学模型，通过LC滤波器对高速PMSM进行高次谐波抑制，并建立带LC滤波器的高速PMSM的数学模型；
4)根据步骤3)建立的带LC滤波器的高速PMSM的数学模型，得电机控制系统的传递函数，然后根据电机控制系统的传递函数进行幅频特性分析，得PMSM的谐振频率；
5)根据步骤4)得到的PMSM的谐振频率，设置自适应陷波器，并通过自适应陷波器滤除谐振频率处的谐振尖峰，完成基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制。
步骤1)中高速PMSM的特性参数包括高速PMSM的尺寸、极对数、定子转子部分参数、额定电压、额定转矩、额定转速及额定功率。
步骤2)中高速PMSM的数学模型的建立过程为：
采用等幅值坐标变换，得到下面的电流表达式为：
Figure BDA0002586047000000021
在两相旋转坐标系下，其磁链方程为：
Figure BDA0002586047000000022
得两相旋转坐标系下的电压方程为：
Figure BDA0002586047000000031
电磁转矩Te的方程为：
Te＝pnψs×is
Figure BDA0002586047000000032
其中，iA、iB、iC代表电机三相绕组的相电流；iα、iβ代表静止坐标系α-β下的定子电流；id、iq代表定子电流的d-q轴分量；ud、uq代表定子电压的d-q轴分量；ψd、ψq代表定子磁链的d-q轴分量；ψf代表永磁体磁链；Ld、Lq代表d-q轴电感分量；R为定子电阻；ωe代表电角速度；ψs为磁链综合矢量，is为电流综合矢量，pn为磁极对数。
步骤3)中建立带LC滤波器的高速PMSM的数学模型为：
Figure BDA0002586047000000033
Figure BDA0002586047000000034
Figure BDA0002586047000000035
其中，ua为电机的A相电压；ia为电机的A相电流；ea为电机的A相反电动势；ia1为逆变电路输出的A相电流；ua1为逆变器输出的A相电压；L为电机每相的电感；R为电机每相的电阻；C为LC滤波器的电容；L1为LC滤波器的电感。
步骤4)中电机控制系统的传递函数为：
Figure BDA0002586047000000036
得系统的谐振频率为：
Figure BDA0002586047000000041
步骤5)中自适应陷波器采用的自适应算法为LMS方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法在具体操作时，针对高速PMSM系统，利用带有LC滤波器并采用自适应陷波器的高速PMSM控制系统，以消除高速PMSM的定子绕组中产生的高次电流谐波，避免定子电流谐波产生较大的噪声、铁心损耗和转矩脉动，以提高电机系统的控制精度、工作效率、稳定性及抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为传统双闭环控制下高速PMSM三相电流波形图；
图3为带LC滤波器的高速PMSM结构图；
图4为带LC滤波器的高速PMSM系统幅频特性曲线图；
图5为带LC滤波器和自适应陷波器的高速PMSM控制框图；
图6为系统仿真的转速波形图；
图7为系统仿真的三相电流波形图；
图8为电机三相电流的THD分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法包括以下步骤：
1)获取高速PMSM的特性参数；
所述高速PMSM的特性参数包括高速PMSM(电机)的尺寸、极对数、定子转子部分参数、额定电压、额定转矩、额定转速及额定功率；
2)根据步骤1)获取的高速PMSM的特性参数，采用微分方程建立该高速PMSM的数学方程表达式，以建立高速PMSM的数学模型；
步骤2)中高速PMSM的数学模型的建立过程为：
采采用等幅值坐标变换，得到下面的电流表达式为：
Figure BDA0002586047000000051
在两相旋转坐标系下，其磁链方程为：
Figure BDA0002586047000000052
得两相旋转坐标系下的电压方程为：
Figure BDA0002586047000000053
电磁转矩Te的方程为：
Te＝pnψs×is
Figure BDA0002586047000000054
其中，iA、iB、iC代表电机三相绕组的相电流；iα、iβ代表静止坐标系α-β下的定子电流；id、iq代表定子电流的d-q轴分量；ud、uq代表定子电压的d-q轴分量；ψd、ψq代表定子磁链的d-q轴分量；ψf代表永磁体磁链；Ld、Lq代表d-q轴电感分量；R为定子电阻；ωe代表电角速度；ψs为磁链综合矢量，is为电流综合矢量，pn为磁极对数。
在Matlab软件Simulink中根据高速PMSM的微分方程数学表达式，建立每一个模块的Simulink模型，以转速和电流控制的双闭环控制为基础将电机的控制模块、驱动模块及电机本体连接成为电机控制系统。
3)分析高速PMSM系统的电流波形，可在Simulink中运行建立传统控制方式下高速PMSM双闭环模型，得到电机的三相电流图，参见图2，从图2中可以看出，电机电流的高频谐波成分很高，为了抑制高速电机的高频谐波部分，参见图3，根据步骤2)得到的高速PMSM数学模型，通过LC滤波器对高速PMSM进行高次谐波抑制，并建立关于带LC滤波器的高速PMSM的数学模型；
建立关于带LC滤波器的高速PMSM的数学模型为：
Figure BDA0002586047000000061
Figure BDA0002586047000000062
Figure BDA0002586047000000063
其中，ua为电机的A相电压；ia为电机的A相电流；ea为电机的A相反电动势；ia1为逆变电路输出的A相电流；ua1为逆变器输出的A相电压；L为电机每相的电感；R为电机每相的电阻；C为LC滤波器的电容；L1为LC滤波器的电感。
4)根据步骤3)建立的关于带LC滤波器的高速PMSM的数学模型，得电机控制系统的传递函数，然后根据电机控制系统的传递函数进行幅频特性分析，得PMSM的谐振频率；
其中，电机控制系统的传递函数为：
Figure BDA0002586047000000071
从传递函数的幅频特性曲线中得到，电机控制系统在高频段对谐波具有较强的抑制作用，从而抑制高速PMSM的高频谐波成分，在频率较高时，系统的幅频特性近似一个二阶震荡环节和一个积分环节的串联系统，在这种条件下，忽略掉传递函数中分母的常数项，得新的电机控制系统的传递函数为：
Figure BDA0002586047000000072
得系统的谐振频率为：
Figure BDA0002586047000000073
5)根据步骤4)得到的谐振频率，设置自适应陷波器，并通过自适应陷波器滤除谐振频率处的谐振尖峰，完成基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制。
步骤5)中的自适应陷波器采用的自适应算法为LMS方法。
采用的LMS算法为：
Figure BDA0002586047000000074
其中，ω代表自适应陷波器的权值矢量；i(n)代表参考信号；u表示迭代步长；X(n)代表输入信号；y(n)代表输入信号的加权值；e(n)代表自适应陷波器的输出信号。
自适应陷波器的设计为：首先计算出带LC滤波器的高速PMSM控制系统在谐振频率f，通过坐标变换转换为dq坐标系下的谐振频率fdq，生成与谐振频率fdq同频的正弦信号sin(2πfdqt)和余弦信号cos(2πfdqt)，然后通过迭代公式：
Figure BDA0002586047000000081
不断修正迭代系数ω1与ω2，直到正余弦信号的加权与所滤除的谐波足够接近，然后将自适应陷波器的输出信号ε(t)输入电流环的PI控制器，得参考电压Ud及Uq。
另外，本发明还包括：建立基于LC滤波器和自适应陷波器的高速PMSM的谐波抑制仿真模型，得到系统的仿真运行结果，具体过程为：基于LC滤波器和自适应陷波器的高速PMSM的谐波抑制仿真模型中直流电源输入额定电压，直流电源与功率变换器连接，功率变换器与LC滤波器连接，LC滤波器与高速PMSM连接，高速PMSM与电流检测器连接，高速PMSM与速度检测器连接，电流检测器及位置检测器与控制器连接，控制器与功率变换器连接；将速度检测器的速度信号与高速PMSM的电流信号输入到控制器，进行双闭环调速，输出开关逻辑控制信号，仿真结果包括转速、电流及其THD分析。
设置powergui configure parameters，点击Simulation—Configuration，设置simulation start time仿真开始时间，simulationstop time仿真结束时间，solveroptions仿真步长，将转速及电流设置为观测信号，引出观测接口，连接示波器，验证系统仿真模型搭建的正确性及其准确性。给定额定负载及额定转速，得到系统仿真图。其中，系统转速仿真波形图参见图6，电流仿真波形图参见图7，电流谐波分析图参见图8，从图中可以看出，采用采用LC滤波器和自适应陷波器可以有效地抑制高频谐波，并且不会产生谐振峰，抗干扰能力强。
本发明提出了一种基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制方法，引入LC滤波器可以抑制系统的高频谐波，但系统同时引入了谐振频率，在谐振频率处，系统产生了谐振峰，恶化了电机系统的性能。在电机d轴和q轴设置自适应陷波器，可以抑制引入LC滤波器后系统产生的谐振峰，达到抑制谐波电流的目的。在Matlab/Simulink中搭建基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制仿真模型，仿真得到的运行结果表示，电机系统的工作效率高，稳定性好，并且抗干扰能力强。

Claims (6)

1.一种基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取高速PMSM的特性参数；
2)根据步骤1)获取的高速PMSM的特性参数，采用微分方程建立该高速PMSM的数学方程表达式，以建立高速PMSM的数学模型；
3)根据步骤2)得到的高速PMSM数学模型，通过LC滤波器对高速PMSM进行高次谐波抑制，并建立带LC滤波器的高速PMSM的数学模型；
4)根据步骤3)建立的带LC滤波器的高速PMSM的数学模型，得电机控制系统的传递函数，然后根据电机控制系统的传递函数进行幅频特性分析，得到PMSM的谐振频率；
5)根据步骤4)得到的PMSM的谐振频率，设置自适应陷波器，并通过自适应陷波器滤除谐振频率处的谐振尖峰，完成基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制。
2.根据权利要求1所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，高速PMSM的特性参数包括高速PMSM的尺寸、极对数、定子转子部分参数、额定电压、额定转矩、额定转速及额定功率，所述定子转子部分参数包括静止坐标系α-β下的定子电流、定子电流的d-q轴分量、定子电压的d-q轴分量、定子磁链的d-q轴分量以及定子电阻。
3.根据权利要求1所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，步骤2)中高速PMSM的数学模型的建立过程为：
采用等幅值坐标变换，得到下面的电流表达式为：
Figure FDA0003352685450000021
在两相旋转坐标系下，其磁链方程为：
Figure FDA0003352685450000022
电磁转矩Te的方程为：
Te＝pnψs×is
Figure FDA0003352685450000023
其中，iA、iB、iC代表电机三相绕组的相电流；iα、iβ代表静止坐标系α-β下的定子电流；id、iq代表定子电流的d-q轴分量；ud、uq代表定子电压的d-q轴分量；ψd、ψq代表定子磁链的d-q轴分量；ψf代表永磁体磁链；Ld、Lq代表d-q轴电感分量；R为定子电阻；ωe代表电角速度；ψs为磁链综合矢量，is为电流综合矢量，pn为磁极对数。
4.根据权利要求3所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，建立带LC滤波器的高速PMSM的数学模型为：
Figure FDA0003352685450000024
Figure FDA0003352685450000025
Figure FDA0003352685450000026
其中，ua为电机的A相电压；ia为电机的A相电流；ea为电机的A相反电动势；ia1为逆变电路输出的A相电流；ua1为逆变器输出的A相电压；L为电机每相的电感；R为电机的电阻；C为LC滤波器的电容；L1为LC滤波器的电感。
5.根据权利要求4所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，电机控制系统的传递函数为：
Figure FDA0003352685450000031
得系统的谐振频率为：
Figure FDA0003352685450000032
6.根据权利要求1所述的基于LC滤波器与自适应陷波器的高速PMSM谐波抑制控制方法，其特征在于，步骤5)中自适应陷波器采用的算法为LMS算法。
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