CN112271966B - 一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置 - Google Patents

一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明的公开一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置，方法包括：获取电机的转子角速度和电位角数据；查找第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，得到高次谐波相位角超前量；根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；查找第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，得到谐波补偿幅值；根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算交轴电压补偿值；将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号。本发明能够对因死区时间、气隙磁场畸变等产生的高次谐波进行综合补偿，运算难度小，控制效率高。

Description

一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置。
背景技术
同步电机具有功率密度高、结构简单、良好的调速性能等优点，随着铁磁性材料的性能日益增强，以及控制理论、大功率开关电子原器件的发展，永磁同步电机的使用越来越广泛。理想的同步电机驱动电流是正弦电流，但因电机气隙磁场畸变，永磁同步电机电流中含有部分高次谐波电流，谐波电流的存在增加了电机的发热损耗，现有抑制谐波的方法将高次谐波变换至直流坐标系进行补偿，补偿的计算量较大，较为复杂，实际使用难度较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能抑制谐波的同步电机控制方法和装置，能够对因死区时间、气隙磁场畸变等产生的高次谐波进行综合补偿，运算难度小，控制效率高。
本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种同步电机控制方法，包括：
获取电机的转子角速度和电位角数据；
按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；
根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号。
可选的，方法还包括，采集电机转子实时位置
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，根据转子实时位置计算电机实时转子角速度
Figure 974343DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure 146699DEST_PATH_IMAGE004
电子定子相电流位置角度，即实时电位角
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 362390DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 775573DEST_PATH_IMAGE008
为电机极对数。
此外，电机转子角速度还可通过采集电机实时转速为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
进一步计算得到，实时转子角速度为
Figure 154601DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 938887DEST_PATH_IMAGE010
。
可选的，利用线性差值返回一维函数，从第一映射关系表中查找得到电机实时转子角速度对应的高次谐波相位角超前量；
所述第一映射关系表中，包括10个转子角速度样本点及其对应的高次谐波相位角超前量数据。
可选的，所述10个转子角速度样本点为{0 100 200 300 400 500 600 700 800900}，单位rad/s，对应的高次谐波相位角超前量通过实际测试迭代得到；
若实时转子角速度在样本点集两端值覆盖的范围之外，则取相应的样本端点值作为当前转子角速度，查找该样本端点值对应的高次谐波相位角超前量。
可选的，定义电机实时电位角为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，高次谐波相位角超前量为
Figure 694353DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为谐波阶次，则高次谐波相位角
Figure 146063DEST_PATH_IMAGE014
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
可选的，利用线性差值返回一维函数，从第二映射关系表中查找得到电机实时转子角速度对应的谐波补偿幅值；
所述第二映射关系表中，包括10个转子角速度样本点及其对应的谐波补偿幅值数据。
可选的，所述10个转子角速度样本点为{0 100 200 300 400 500 600 700 800900}，单位rad/s，对应的谐波补偿幅值数据通过实际测试迭代得到。
本发明所述实际测试迭代即通过试验针对各转子角速度样本点多次选择不同的高次谐波相位角超前量/谐波补偿幅值，进行交轴电压补偿，取谐波抑制效果较佳的数据，确定为相应样本点对应的高次谐波相位角超前量/谐波补偿幅值。
可选的，交轴电压补偿值
Figure 761240DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure 642608DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为谐波补偿幅值。
第二方面，本发明提供一种同步电机控制装置，包括：
数据采集模块，被配置用于获取电机的实时转速和电位角数据；
电机转子角速度计算模块，被配置用于根据电机实时转速计算得到电机转子角速度；
高次谐波相位角超前量确定模块，被配置用于按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；
高次谐波相位角计算模块，被配置用于根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
谐波补偿幅值确定模块，被配置用于按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
交轴电压补偿值确定模块，被配置用于根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
交轴电压值确定模块，被配置用于将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
控制输出模块，被配置用于基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号。
有益效果
本发明的同步电机控制方法，提出了一种根据基波频率的一维查表方法，能够直接对谐波进行补偿，运算难度小，综合补偿因死区时间、气隙磁场畸变产生的高次谐波，且可以针对不同电机进行参数的匹配调整。一维表以理论计算为基础，以测试标定的方式优化查表数据，为控制过程抑制电流谐波奠定基础。
本发明简化了谐波抑制方案中较为复杂的计算方式，减少高次谐波的提取运算，综合了理论谐波的阶次以及实际电机运行时的电流情形，在节约了芯片运算量的情况下对电流谐波进行抑制。通过实际测试修改查表数据，本发明即可适配不同电机产生的不同类型的谐波，适用广泛。
附图说明
图1所示为本发明控制原理示意图；
图2所示为本发明谐波抑制原理示意图；
图3所示为应用本发明控制方法的一种控制架构示意图；
图4所示为本发明一种实施方式的控制方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
实施例1
本实施例介绍一种同步电机控制方法，参考图1所示，包括：
获取电机的转子角速度和电位角数据；
按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；
根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号。
以下具体介绍方法中所涉及的内容。
1）采集实时电机转子位置角度
Figure 60820DEST_PATH_IMAGE001
，进行低通滤波消除抖动，进而计算电机转子角速度和定子相电流位置角度；
根据转子实时位置计算电机实时转子角速度
Figure 976823DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 759971DEST_PATH_IMAGE004
电子定子相电流位置角度，即实时电位角
Figure 128636DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 491484DEST_PATH_IMAGE006
Figure 386628DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 481623DEST_PATH_IMAGE008
为电机极对数。
此外，电机转子角速度还可通过采集电机实时转速为
Figure 462217DEST_PATH_IMAGE009
进一步计算得到，实时转子角速度为
Figure 628756DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 988193DEST_PATH_IMAGE010
。
2）根据电机转子角速度
Figure 635514DEST_PATH_IMAGE002
利用线性差值返回一维函数进行一维查表得到高次谐波相位角超前量
Figure 41087DEST_PATH_IMAGE012
。查表输入为电机转子角速度
Figure 683421DEST_PATH_IMAGE002
，输出量为相位角超前量，随着电机角速度的变化，相位角超前量取不同值。
第一映射关系表预先通过实际测试迭代优化确定，其中电机角速度选取10个点{0100 200 300 400 500 600 700 800 900}，单位rad/s，映射出对应
Figure 287578DEST_PATH_IMAGE012
值，输入值在规定范围以外时取边界值，输出值采用线性插值计算方式。一维表中转子角速度对应的高次谐波相位角超前量通过实际测试迭代得到。
3）计算高次谐波相位角
Figure 989955DEST_PATH_IMAGE014
为：
Figure 679562DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 187904DEST_PATH_IMAGE012
为高次谐波相位角超前量，
Figure 521933DEST_PATH_IMAGE013
为谐波阶次。
4）根据电机转子角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE021
进行一维查表得到谐波补偿幅值
Figure 988686DEST_PATH_IMAGE022
，查表输入为电机转子角速度
Figure 165590DEST_PATH_IMAGE021
，输出量为谐波补偿幅值
Figure 212043DEST_PATH_IMAGE022
，随着电机角速度的变化，谐波补偿幅值
Figure 666158DEST_PATH_IMAGE022
取不同值。第二映射关系表预先通过实际测试迭代优化确定，其中电机角速度选取10个点{0 100 200300 400 500 600 700 800 900}，单位rad/s，映射出对应幅值
Figure 837901DEST_PATH_IMAGE022
，输入值在规定范围以外时取边界值，输出值采用线性插值计算方式。
本发明所述实际测试迭代即通过试验针对各转子角速度样本点多次选择不同的高次谐波相位角超前量/谐波补偿幅值，进行交轴电压补偿，取谐波抑制效果较佳的数据，确定为相应样本点对应的高次谐波相位角超前量/谐波补偿幅值。
5）计算交轴电压补偿值
Figure 705363DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
其中
Figure 821087DEST_PATH_IMAGE019
为谐波补偿幅值。
6）将交轴电压补偿
Figure 129708DEST_PATH_IMAGE016
直接叠加在电流环PI调节后得出的
Figure 469423DEST_PATH_IMAGE024
上,得到
Figure DEST_PATH_IMAGE025
值：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
7）将输出的
Figure 620918DEST_PATH_IMAGE025
进行调制，输出三相PWM波形驱动电机。
利用调制得到的三相PWM波形驱动同步电机，即可实现电流谐波的抑制。
实施例2
与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种同步电机控制装置，包括：
数据获取模块，被配置用于获取电机的实时转子角速度和定子相电流位置角度（电位角）数据；
高次谐波相位角超前量确定模块，被配置用于按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；
高次谐波相位角计算模块，被配置用于根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
谐波补偿幅值确定模块，被配置用于按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
交轴电压补偿值确定模块，被配置用于根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
交轴电压值确定模块，被配置用于将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
控制输出模块，被配置用于基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号。
上述数据获取模块基于对电机转子实时位置角度进行转子角速度和电位角的数据计算获取，即，首先采集电机转子实时位置角度，然后根据电机转子实时位置角度计算转子角速度和定子相电流位置角度。
参考图3所示，以上各功能模块为图3中控制驱动模块的功能模块组成。控制驱动模块通过三相电流传感器采集三相电流，通过位置传感器采集电位角、转速数据，进而实现对同步电机可抑制谐波的控制。
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。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种同步电机控制方法，其特征是，包括：
获取电机的转子角速度和电位角数据；
按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；其中，第一映射关系表中包括转子角速度样本点及其对应的高次谐波相位角超前量数据；若实时电机转子角速度在转子角速度样本点集两端值覆盖的范围之外，则取相应的样本端点值作为当前电机转子角速度，查找该样本端点值对应的高次谐波相位角超前量；
根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号；
其中，定义电机实时电位角为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，高次谐波相位角超前量为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为谐波阶次，则高次谐波相位角
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；交轴电压补偿值
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为谐波补偿幅值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，方法还包括，采集电机转子实时位置
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，根据转子实时位置计算电机实时转子角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
电子定子相电流位置角度，即实时电位角
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
Figure DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为电机极对数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，利用线性差值返回一维函数，从第一映射关系表中查找得到电机实时转子角速度对应的高次谐波相位角超前量；
所述第一映射关系表中，包括10个转子角速度样本点及其对应的高次谐波相位角超前量数据。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述10个转子角速度样本点为{0 100 200300 400 500 600 700 800 900}，单位rad/s，对应的高次谐波相位角超前量通过实际测试迭代得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，利用线性差值返回一维函数，从第二映射关系表中查找得到电机实时转子角速度对应的谐波补偿幅值；
所述第二映射关系表中，包括10个转子角速度样本点及其对应的谐波补偿幅值数据。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述10个转子角速度样本点为{0 100 200300 400 500 600 700 800 900}，单位rad/s，对应的谐波补偿幅值数据通过实际测试迭代得到。
7.一种同步电机控制装置，其特征是，包括：
数据获取模块，被配置用于获取电机的转子角速度和电位角数据；
高次谐波相位角超前量确定模块，被配置用于按照预设第一映射关系表中转子角速度与高次谐波相位角超前量的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的高次谐波相位角超前量；其中，第一映射关系表中包括转子角速度样本点及其对应的高次谐波相位角超前量数据；若实时电机转子角速度在转子角速度样本点集两端值覆盖的范围之外，则取相应的样本端点值作为当前电机转子角速度，查找该样本端点值对应的高次谐波相位角超前量；
高次谐波相位角计算模块，被配置用于根据电位角和高次谐波相位角超前量，计算得到高次谐波相位角；
谐波补偿幅值确定模块，被配置用于按照预设第二映射关系表中转子角速度与谐波补偿幅值的映射关系，根据电机转子角速度，得到相应的谐波补偿幅值；
交轴电压补偿值确定模块，被配置用于根据高次谐波相位角和谐波补偿幅值，计算得到交轴电压补偿值；
交轴电压值确定模块，被配置用于将交轴电压补偿值与电流环PI调节器输出的交轴电压值叠加，得到补偿后的交轴电压值；
控制输出模块，被配置用于基于补偿后的交轴电压值进行控制脉冲调制，得到同步电机驱动脉冲信号；
其中，定义电机实时电位角为
Figure 587353DEST_PATH_IMAGE002
，高次谐波相位角超前量为
Figure 176597DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 487493DEST_PATH_IMAGE006
为谐波阶次，则高次谐波相位角
Figure 538494DEST_PATH_IMAGE008
为：
Figure 884025DEST_PATH_IMAGE010
；交轴电压补偿值
Figure 113012DEST_PATH_IMAGE012
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
，
Figure 802882DEST_PATH_IMAGE016
为谐波补偿幅值。
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Denomination of invention: A synchronous motor control method and device capable of suppressing harmonics

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