CN112332716A - 永磁同步电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Abstract

一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过对谐波电流理想值进行相位前馈补偿校正后得到谐波电流参考值；根据电流信号的反馈值重构指令电压校正值，计算指令电压校正值与实际指令电压的差值并经低通滤波后获取指令电压补偿值；根据指令电压补偿值、电流信号的反馈值及基波电流与谐波电流叠加所得的电流参考值，计算得到更新的指令电压，经调制生成逆变器驱动信号，用于驱动电机运行并实现转矩脉动抑制。本发明采用预测控制方法控制电机相电流，通过单一环路即可实现基波和任意次谐波电流的控制，实现简单，动态响应特性好。

Description

永磁同步电机转矩脉动抑制方法
技术领域
本发明涉及的是一种电机控制领域的技术，具体是一种能够同时控制永磁同步电机基波和多个谐波分量的转矩脉动抑制方法。
背景技术
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)的转矩脉动和电机相电流的谐波分量密切相关，因此可以控制电机相电流中特定次谐波分量，通过抑制特定次谐波电流消除转矩脉动或注入特定次谐波电流生成对抗转矩，实现转矩脉动的抑制或消除。现有的永磁同步电机谐波控制方法主要包括多同步旋转坐标系控制和谐振控制，但多同步旋转坐标系控制方法需要在基波控制环路的基础上并联多个控制环路，增加了算法的复杂度，同时为了提取谐波分量，需进行滤波处理，从而造成了信号响应的延迟，影响系统快速响应特性；而谐振控制方法仅能对特定次谐波进行控制，此外理想谐振控制器离散化数字实现后存在特性畸变，在电机高速运行时难以保证高频信号的稳定控制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，采用预测控制方法控制电机相电流，通过单一环路即可实现基波和任意次谐波电流的控制，可通过注入特定谐波生成对抗转矩，从而抑制系统转矩脉动，实现简单，动态响应特性好。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过对谐波电流理想值进行相位前馈补偿校正后得到谐波电流参考值；根据电流信号的反馈值重构指令电压校正值，计算指令电压校正值与实际指令电压的差值并经低通滤波后获取指令电压补偿值；根据指令电压补偿值、电流信号的反馈值及基波电流与谐波电流叠加所得的电流参考值，计算得到更新的指令电压，经调制生成逆变器驱动信号，用于驱动电机运行并实现转矩脉动抑制。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：设定理想谐波电流在dq同步旋转坐标系下的参考值，具体为：
Figure BDA0002156023190000011
，其中：k表示dq同步旋转坐标系下的谐波次数，idk、iqk为k次谐波电流的d、q轴分量，Ik表示k次谐波的幅值，ω表示基波角频率，t表示当前时刻，Ts表示采样周期，δk表示初始相位。
步骤2：对谐波电流参考值进行相位前馈补偿校正，获得校正后的谐波电流参考值，具体为
Figure BDA0002156023190000021
其中：
Figure BDA0002156023190000022
为校正后的谐波电流参考值，θck为相位补偿角，当注入的谐波为正序分量时，其表达式为θck＝-arctan(kωTc)，当注入的谐波为负序分量时θck＝arctan(kωTc)，Tc为控制延时补偿量，其优选值为采样周期Ts；
步骤3：将各次谐波电流参考值与基波电流参考值叠加，获得t+Ts时刻d、q轴电流最终参考值：
Figure BDA0002156023190000023
其中：id0、iq0为基波电流参考值，可由速度环控制或转矩环控制输出得到，
Figure BDA0002156023190000024
为d、q轴电流最终参考值；
步骤4：采样电机的三相电流，再进行旋转坐标变换，获取当前时刻d、q轴电流的采样值id(t)、iq(t)；
步骤5：根据采样值计算当前时刻指令电压的校正值：
Figure BDA0002156023190000025
其中：
Figure BDA0002156023190000026
表示指令电压的校正值，R表示电机的相电阻，Ld、Lq分别表示d、q轴电感，
Figure BDA0002156023190000027
表示永磁体磁链。
步骤6：计算当前时刻指令电压的误差值
Figure BDA0002156023190000028
Figure BDA0002156023190000029
其中：Δud、Δuq为d、q轴指令电压的误差值，
Figure BDA00021560231900000210
为d、q轴为上一时刻计算所得的指令电压实际值；
步骤7：对指令电压的误差值进行低通滤波，获取指令电压的补偿值Δud_LPF、Δuq_LPF，优选地，此处选用自适应一阶惯性滤波，其截止频率随基波角频率ω在线调整，即：
Figure BDA00021560231900000211
其中：ωc＝mcω，mc为小于1的常数。
步骤8：根据步骤3得到的d、q轴电流最终参考值和步骤7得到指令电压的补偿值计算t+Ts时刻的指令电压，即调整指令：
Figure BDA00021560231900000212
其中：λ为误差补偿系数。
步骤9：根据调整指令调制生成逆变器驱动信号，驱动电机运行，完成当前时刻控制。
附图说明
图1为应用本实施例中控制方法的电机驱动系统框图；
图2为本实施例中电压指令计算模块的内部示意图；
图3为电机三相电流响应波形；
图4为谐波注入后电机三相电流FFT分析结果；
图5为相位前馈补偿校正使能前后d轴电流跟踪误差波形。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的永磁同步电机转矩脉动抑制系统，包括：谐波指令模块101、前馈校正模块102、电流指令模块103、坐标变换模块104、电压指令计算模块105、PWM逆变器模块106和电机模块107，其中：谐波指令模块101生成谐波电流参考值；前馈校正模块102对谐波电流指令模块生成的谐波电流参考值进行校正得到校正后的谐波电流参考值；电流指令模块103生成基波电流参考值，此处生成基波电流参考值的方式可以是转速环控制或转矩控制；坐标变换模块104将采样得到的电机三相电流变换得到dq坐标系下的电流采样值并将基波电流参考值转换为dq坐标系下的电流最终参考值；电压指令计算模块105根据dq坐标系下的电流最终参考值和采样值计算得到dq坐标系下的指令电压；PWM逆变器模块106根据dq坐标系下的指令电压进行信号调制，并生成驱动电压驱动电机运行；电机模块107为被控对象，接收驱动电压产生输出转矩带动负载运行。
如图2所示，所述的电压指令计算模块105包括：在线校正模块201和指令计算模块202，其中：在线校正模块201根据dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的指令电压计算得到指令电压的补偿值；指令计算模块202根据dq坐标系下的电流的最终参考值、采样值以及dq坐标系下的指令电压的补偿值计算得到dq坐标系下的指令电压。
本实施例包括以下步骤：
步骤1：获取下一时刻希望控制的特定次谐波电流在dq同步旋转坐标系下的参考值，本实施例中，采样时间Ts＝100us。
步骤2：对谐波电流参考值进行相位前馈补偿校正，获得校正后的谐波电流参考值。
步骤3：将各次谐波电流参考值与基波电流参考值叠加，获得下一时刻最终d、q轴电流参考值。
步骤4：采样电机的三相电流，再进行旋转坐标变换，获取当前时刻d、q轴电流的采样值id(t)、iq(t)；
步骤5：计算当前时刻指令电压的校正值。
步骤6：计算当前时刻指令电压的误差值。
步骤7：对指令电压的误差值进行低通滤波，获取指令电压的补偿值Δud_LPF、Δuq_LPF，优选地，此处选用自适应一阶惯性滤波，其截止频率随基波角频率ω在线调整。本实施例中，mc取0.1。
步骤8：计算下一时刻的指令电压。本实施例中，λ取1。
步骤9：根据指令电压调制生成逆变器驱动信号，驱动电机运行，完成当前时刻控制。
如图3所示，为采用本实施例中控制方法向一台永磁同步电机中同时注入幅值为0.1A的正序6次谐波和幅值为0.2A的负序6次谐波的三相电流响应波形，此处的谐波次数和幅值仅为说明本发明效果所选取的特定示例，但是本发明所述方法可控制的谐波次数和幅值并不局限于上述示例。
如图4所示，为注入谐波后的相电流FFT分析结果，dq同步旋转坐标系下的6次正、负序谐波分别对应三相电流中的7、5次谐波。
如图5所示，为应用本发明中前馈相位补偿方法前后的d轴电流跟踪误差波形。结合以上结果，表明本方法可以同时控制电机的基波和多个谐波分量，且动态响应特性良好，稳态精度高，可通过注入特定谐波生成对抗转矩，从而抑制系统转矩脉动。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，通过对谐波电流理想值进行相位前馈补偿校正后得到谐波电流参考值；根据电流信号的反馈值重构指令电压校正值，计算指令电压校正值与实际指令电压的差值并经低通滤波后获取指令电压补偿值；根据指令电压补偿值、电流信号的反馈值及基波电流与谐波电流叠加所得的电流参考值，计算得到更新的指令电压，经调制生成逆变器驱动信号，用于驱动电机运行并实现转矩脉动抑制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的谐波电流参考值，根据理想谐波电流在dq同步旋转坐标系下的参考值经相位前馈补偿校正得到，具体为：
校正后的谐波电流参考值
Figure FDA0002156023180000011
其中：
Figure FDA0002156023180000012
，
k为dq同步旋转坐标系下的谐波次数，idk、iqk为k次谐波电流的d、q轴分量，Ik为k次谐波的幅值，ω为基波角频率，t为当前时刻，Ts为采样周期，δk为初始相位，θck为相位补偿角，当注入的谐波为正序分量时，其表达式为θck＝-arctan(kωTc)，当注入的谐波为负序分量时θck＝arctan(kωTc)，Tc为控制延时补偿量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的重构指令电压校正值是指：将各次谐波电流参考值与基波电流参考值叠加，获得t+Ts时刻d、q轴电流最终参考值：
Figure FDA0002156023180000013
Figure FDA0002156023180000014
其中：id0、iq0为基波电流参考值，可由速度环控制或转矩环控制输出得到，
Figure FDA0002156023180000015
为d、q轴电流最终参考值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的指令电压补偿值，通过对指令电压的误差值进行低通滤波得到，具体为：
指令电压的补偿值
Figure FDA0002156023180000016
其中：
ωc＝mcω，mc为小于1的常数，ω为基波角频率，当前时刻指令电压的误差值
Figure FDA0002156023180000017
Δud、Δuq为d、q轴指令电压的误差值，
Figure FDA0002156023180000018
为d、q轴为指令电压实际值；当前时刻指令电压的校正值：
Figure FDA0002156023180000021
Figure FDA0002156023180000022
表示指令电压的校正值，R表示电机的相电阻，Ld、Lq分别表示d、q轴电感，
Figure FDA0002156023180000023
表示永磁体磁链，id(t)、iq(t)为当前时刻d、q轴电流的采样值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的更新的指令电压，根据电流最终参考值和指令电压的补偿值计算得到，具体为：
Figure FDA0002156023180000024
其中：λ为误差补偿系数。
6.一种实现上述任一权利要求所述方法的永磁同步电机转矩脉动抑制系统，其特征在于，包括：谐波指令模块、前馈校正模块、电流指令模块、坐标变换模块和电压指令计算模块，其中：谐波指令模块生成谐波电流参考值并输出至前馈校正模块，前馈校正模块对谐波电流参考值进行校正并输出至电流指令模块，电流指令模块采用转速环控制或转矩控制的方式生成基波电流参考值，坐标变换模块将采样得到的电机三相电流变换得到dq坐标系下的电流采样值并将基波电流参考值转换为dq坐标系下的电流最终参考值，电压指令计算模块根据dq坐标系下的电流最终参考值和电流采样值计算得到dq坐标系下的更新后的指令电压，用于信号调制生成驱动电压驱动电机运行。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的电压指令计算模块包括：在线校正模块和指令计算模块，其中：在线校正模块根据dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的指令电压计算得到指令电压的补偿值；指令计算模块根据dq坐标系下的电流的最终参考值、采样值以及dq坐标系下的指令电压的补偿值计算得到dq坐标系下的指令电压。
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