CN112039395A - 一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置，永磁同步电机驱动柔性负载后，得到负载转速与电磁转矩之间的传递函数、轴上转矩与电磁转矩的传递函数，求取频率信号；然后，通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数得到电机转速增量；最后，由电机转速增量计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量，以转矩增量的形式对电磁转矩输出进行反馈调整，进而增大轴端阻尼系数，以此实现柔性负载谐振的抑制并同时能够保证系统动态响应性能。

Description

一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置

技术领域

本申请属于同步电机驱动技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置。

背景技术

永磁同步电机以其自身性能好、体积小、结构简单、调速范围广等优点，广泛应用于冶金、陶瓷、电动汽车等领域。而在实际电动汽车系统中，由于悬架、轮胎等弹性体的作用，电动汽车用永磁同步电机不可避免地会携带柔性负载，而柔性负载特征给运动控制系统带来许多问题，如电机在起步、急停等转矩变化迅速的工况下，转速发生抖动，从而影响机械寿命以及乘车舒适性。

为抑制永磁同步电机驱动柔性负载产生的振荡现象，现有技术中已有人提出在转速调节器的输出端与转矩给定之间串入陷波滤波器的方法，其本质为对高频分量进行衰减，虽然能够被动地抑制柔性负载的谐振，但需要准确提取系统的谐振特征，如谐振频率、反谐振频率等，如果谐振频率提取不准确则可能导致陷波的失败，同时在涉及高阶系统时算法复杂，不易于在实际系统中进行。而对于基于经典控制理论中PI控制的主动抑制策略，可实现速度的无静差跟踪和一定程度的机械谐振抑制效果，但是由于PI调节器仅有两个可调参数，难以实现极点的任意配置，因此，并不能够完全解决负载谐振问题。尽管又有相关现有技术进一步提出了构建状态观测器的方法，但观测到的负载信息中通常包含随机噪声，噪声与谐振信息混杂在一起，难以分离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种能够达到谐振抑制目的的同时能够保证系统动态响应性能的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，包括以下步骤：

永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩 T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁；

通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

通过频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

以转矩反馈增量对电磁转矩输出进行反馈调整。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁的计算公式为：

式中，J_m为电机转轴的转动惯量，J_L为负载机构的等效转动惯量， K为弹性轴的弹性系数，C为轴上阻尼系数，s为复变量。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进行移项变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，得到频率信号

高通滤波器为

T_q为滤波器的时间常数。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，电机转速增量Δω_m的表达式为：

ΔT_c为轴上转矩增量，j为虚部单元；

转矩反馈增量ΔT_e ^＊的表达式为：

式中， K_q为反馈系数。

本发明还提供一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，包括：

数据采集模块：用于在永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

传递函数计算模块：用于分别计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁；

频率信号计算模块：通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

转矩反馈增量计算模块：用于通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数 Q₂和频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

反馈调整模块：以转矩反馈增量对电磁转矩输出进行反馈调整。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，传递函数计算模块中，负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁的计算公式为：

式中，J_m为电机转轴的转动惯量，J_L为负载机构的等效转动惯量， K为弹性轴的弹性系数，C为轴上阻尼系数，s为复变量。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进行移项变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，得到频率信号

高通滤波器为

T_q为滤波器的时间常数。

优选地，本发明的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，

电机转速增量Δω_m的表达式为：

ΔT_c为轴上转矩增量，ΔT_e为电磁转矩增量，j为虚部单元；

转矩反馈增量ΔT_e ^＊的表达式为：

式中，K_q为反馈系数。

有益效果：本发明提供永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法和装置，永磁同步电机驱动柔性负载后，得到负载转速与电磁转矩之间的传递函数、轴上转矩与电磁转矩的传递函数，求取频率信号；然后，通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数得到电机转速增量；最后，由电机转速增量计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量，以转矩增量的形式对电磁转矩输出进行反馈调整，增大电磁转矩的垂直分量，进而增大轴端阻尼系数，以此实现柔性负载谐振的抑制并同时能够保证系统动态响应性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为永磁同步电机驱动柔性负载的二质量系统模型图；

图2为永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法控制框图；

图3a和图3b分别为永磁同步电机驱动柔性负载的三相电流波形及转速响应波形；

图4为应用谐振抑制策略后的系统转速波形；

图5为本申请中永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。永磁同步电机驱动柔性负载的二质量系统模型图如图1所示，将电动汽车中具有弹性作用的连接体，如悬架、轮胎等等效成一个理想的扭转弹簧并忽略弹簧惯量，将实际的多质量系统简化为一个电机-弹簧- 负载的二质量系统。图2中，ω^*为转速给定值，与电机转速ω_m一同输入转速环PI调节器G_PI(s)，经过低通滤波器G_f(s)减小测量噪声影响后得到电流给定值i_q ^*，然后经过电流控制环PI调节器G_i(s)，得到电流值i_q，再利用电磁转矩系数K_T计算得到电磁转矩T_e，将其经过扭转弹簧与负载转矩T_L连接，最后由拉式变换得到负载转速ω_L。

实施例1

本实施例提供一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，如图1所示，包括如下步骤：

--永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩 T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

--计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁、轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂，轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂仅在验算确定实现谐振抑制的效果时使用，能够证明电磁转矩的垂直分量系数b₂能够增加，不参与转矩反馈增量ΔT_e ^＊的确定：

永磁同步电机驱动柔性负载后，通过式(1)、(2)计算可得Q₁、Q₂。

式中，T_e为电磁转矩，ω_m为电机转速，T_c为轴上转矩，J_m为电机转轴的转动惯量，J_L为负载机构的等效转动惯量，K为弹性轴的弹性系数，C为轴上阻尼系数，s为复变量。

--通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，将电机转速ω_m通过式(3)所示的高通滤波器，获取理论值如式(4) 所示的可表征系统谐振的频率信号ω。

式中T_q为滤波器的时间常数。

--通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂和频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

将轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂通过式(5)得到对应的增量方程。令负载转矩增量ΔT_I＝0，则可得式(6)所示的电机转速增量Δω_m。

由电机转速增量Δω_m计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量ΔT_e ^＊，以转矩反馈增量ΔT_e ^＊对电磁转矩输出进行反馈调整，增大电磁转矩的垂直分量。

将电机转速增量Δω_m通过式(7)计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量ΔT_e ^＊，再将根据式(5)、(6)、(7)得到的电磁转矩增量ΔT_e、电机转速增量Δω_m与轴上转矩增量ΔT_c之间的分解关系式为式(8)，代入式(5)可得式(9)，并令其虚部为0，可得如式(10)所示的电磁转矩的垂直分量系数b₂表达式，可见通过转矩反馈增量ΔT_e ^＊的加入，b₂变大，达到增加系统阻尼的目的，从而实现谐振抑制的效果。

式中，K_q为反馈系数。

式中，b₁为水平方向上所设的分解系数

b₂为垂直方向上所设的分解系数，ΔT_e1为电磁转矩增量的水平分解量，ΔT_e2为电磁转矩增量的垂直分解量。

j为虚部单元。

本发明方法首先在永磁同步电机驱动柔性负载后，得到负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q1、轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂，并通过高通滤波器G_q(s)获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；然后，通过将Q₂改为增量方程形式，在负载转矩增量ΔT_L＝0的条件下，得到电机转速增量Δω_m；最后，由电机转速增量计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量ΔT_e ^＊，以转矩增量的形式对电磁转矩输出进行反馈调整，增大电磁转矩的垂直分量，进而增大轴端阻尼系数，以此实现柔性负载谐振抑制的目的。

永磁同步电机驱动柔性负载的三相电流波形及转速响应波形如图3所示，三相电流正弦度较好，而转速有明显的振荡现象，上升时间约为0.7s，超调σ％＝20.3％。图4为设置K_q＝5，T_q＝0.002时应用谐振抑制策略后的系统转速波形，可以看出此时系统的谐振现象基本消除，上升时间减小为0.03s，基本无超调现象，体现了该控制策略的良好的谐振抑制性能。

实施例2

本实施例提供一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，包括：

--数据采集模块：用于在永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

传递函数计算模块中，负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁、轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q2通过以下方式进行计算：

式中，J_L为负载机构的等效转动惯量，K为弹性轴的弹性系数， C为轴上阻尼系数，s为复变量。

--传递函数计算模块：用于分别计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁和轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂；

对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，得到频率信号

高通滤波器为

T_q为滤波器的时间常数。

--频率信号计算模块：通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

--转矩反馈增量计算模块：用于通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂和频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

频率信号计算模块中电机转速增量计算模块中电机转速增量Δω_m的计算方法如下：

通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂得到对应的增量方程：

令负载转矩增量ΔT_L＝0，得到：

ΔT_c为轴上转矩增量，ΔT_e为电磁转矩增量。

由电机转速增量Δω_m计算转速负反馈抑制环中转矩反馈增量ΔT_e ^＊，以转矩反馈增量ΔT_e ^＊对电磁转矩输出进行反馈调整，增大电磁转矩的垂直分量。

其中，K_q为反馈系数。

--反馈调整模块：以转矩反馈增量对电磁转矩输出进行反馈调整。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁；

通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

通过频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

以转矩反馈增量对电磁转矩输出进行反馈调整。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，其特征在于，负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁的计算公式为：

式中，J_m为电机转轴的转动惯量，J_L为负载机构的等效转动惯量，K为弹性轴的弹性系数，C为轴上阻尼系数，s为复变量。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，其特征在于，对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进行移项变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，得到频率信号

高通滤波器为

T_q为滤波器的时间常数。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制方法，其特征在于，电机转速增量Δωm的表达式为：

ΔT_c为轴上转矩增量，j为虚部单元；

转矩反馈增量

的表达式为：

式中，K_q为反馈系数。

5.一种永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，其特征在于，包括：

数据采集模块：用于在永磁同步电机驱动柔性负载后，采集永磁同步电机的电磁转矩T_e，电机转速ω_m和轴上转矩T_c；

传递函数计算模块：用于分别计算负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁；

频率信号计算模块：通过负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁计算获取电机转速中表征系统谐振的频率信号ω；

转矩反馈增量计算模块：用于通过轴上转矩与电磁转矩的传递函数Q₂和频率信号ω计算获取电机转速增量Δω_m并计算得到转矩反馈增量；

反馈调整模块：以转矩反馈增量对电磁转矩输出进行反馈调整。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，其特征在于，传递函数计算模块中，负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁的计算公式为：

式中，J_m为电机转轴的转动惯量，J_L为负载机构的等效转动惯量，K为弹性轴的弹性系数，C为轴上阻尼系数，s为复变量。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，其特征在于，对负载转速与电磁转矩之间的传递函数Q₁进行移项变换得到电机转速ω_m的函数曲线，将电机转速ω_m的函数曲线通过高通滤波器进行滤波，得到频率信号

高通滤波器为

T_q为滤波器的时间常数。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机驱动柔性负载谐振抑制装置，其特征在于，

电机转速增量Δω_m的表达式为：

ΔT_c为轴上转矩增量，ΔT_e为电磁转矩增量，j为虚部单元；

转矩反馈增量

的表达式为：

式中，K_q为反馈系数。

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