CN112953332A - 一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，属于电机控制领域。通过减少共母线开绕组永磁同步电机驱动系统中的电流谐波，抑制由径向电磁力引发的电机振动。该方法通过选取的零矢量产生共模电压，来抵消由非零电压矢量带来的共模电压，将零序电流闭环后动态抑制零序电流，有效地减少相电流三次谐波含量。同时，针对调制策略固有的相电流高频谐波分量，通过空间电压脉宽调制中的开关频率随机化，使得开关频率及其整数倍处高频谐波幅值大大减少。本发明能有效降低高低频段电流谐波幅值，实现开绕组永磁同步电机全频段的减振控制。

Description

一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法。该方法有利于提高开绕组电机的控制性能与优化其运行品质，适用于直流母线电压值有限制，对振动噪声有要求的开绕组电机应用场合。

背景技术

开绕组永磁同步电机在传统永磁同步电机的基础上将绕组中性点打开，由双逆变器组共同驱动。根据电源端供电情况，其驱动拓扑结构有共直流母线、隔离直流母线与隔离母线飞跨电容。其中，由单电源供电的共直流母线拓扑结构简单，硬件成本低，具有极大的应用前景。于此同时，衡量其高品质运行性能之一的振动噪声问题愈发被重视。

目前针对由电机径向电磁力引起的振动，主要是从本体设计与驱动控制两方面研究。而对于已经生产好的电机，更多的则是利用控制方法进行减振。同时定子绕组相电流谐波丰富了径向电磁力谐波，使得电机振动加剧，因此主流控制方法是通过谐波抑制来减弱电机振动。

共母线开绕组永磁同步电机系统存在零序回路，流过的零序电流使得相电流中含有大量三次谐波。针对零序电流的抑制主要有以下方法：1)通过选取不产生共模电压的空间电压矢量进行调制，从源头上消除零序电流，但此方法母线利用率低，最大调制系数仅为1；2)通过调整插入等效零矢量的作用时间，抵消基本矢量合成时的共模电压，但调制算法需要进行两次扇区判断且动态性能不足；3)通过闭环调节解耦角来抑制零序电流，但并没有很好地兼顾高调制系数和算法简洁性。

空间矢量脉宽调制常用于现代电机控制，但会导致开关频率整数倍处的电流谐波幅值较高，使得电机产生相应的高频振动。随机脉宽调制技术在不增加硬件条件下，能够有效降低此高频谐波幅值。目前，随机脉宽调制实现途径主要有零矢量作用时间随机化、脉冲位置随机化和开关频率随机化。其中随机零矢量和随机开关频率调制实现成本较低且效果较好。但目前的随机脉宽调制对象都是传统永磁同步电机，而关于开绕组永磁同步电机驱动系统电流谐波的分布，以及应用扩频调制后其振动抑制效果都还没有相应研究。

发明内容

本发明结合共母线开绕组永磁同步电机驱动系统的电流谐波特点，提出了一种基于谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法。该发明采用参与调制的电压矢量，使得最大调制系数达到了

计算量小且能有效抑制零序电流，有效地降低了电机的低频振动。同时，结合的随机开关频率调制技术，能在不影响低频谐波抑制性能的情况下，显著减小开关频率整数倍处的电流谐波幅值，最终实现了开绕组电机全频段的减振控制。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，包括如下步骤：

步骤1，通过控制器A/D采样获得开绕组永磁同步电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，同时通过编码器采集并计算获得电机的电角度θ_e，将三相电流与电角度通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q和零序电流i₀；

步骤2，通过编码器获得的电角度计算得到电机转速，作为转速环的负反馈值，n_ref为给定转速，得到的差通过PI控制器输出后作为q轴电流环的输入参考值i_qref；

步骤3，给定d轴电流环输入参考值为0，将坐标变换得到的i_d和i_q作为电流内环的反馈值，构成dq电流环，分别经过PI控制器输出旋转坐标系下的dq轴电压U_d和U_q，并通过坐标变换得到静止坐标系下的αβ轴电压U_α、U_β；

步骤4，给定零序电流参考值为0，将坐标变换得到的i₀作为零序电流环的反馈值，作差后经过PI控制器输出零序电压u₀，然后通过分配系数计算得到零矢量的分配系数k；

步骤5，由随机数发生器产生随机数R_n，与得到的U_α、U_β和k一起输入到随机开关频率调制模块，产生PWM1、PWM2信号分别控制逆变器INVT1、INVT2驱动三相开绕组电机。

进一步，将三相电流与电角度通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q和零序电流i₀为：

进一步，通过坐标变换得到静止坐标系下的αβ轴电压U_α、U_β：

进一步，步骤4中通过分配系数计算得到零矢量的分配系数k为：

通过重新分配零矢量的作用时间，来抵消非零电压矢量产生的共模电压；引入零矢量分配系数k，令：

式中，t₀₁和t₀₂分别为零矢量87’和78’的作用时间；

87’指代开关状态表示成的2进制数(000111)，逆变器INVT1全部下管导通、逆变器INVT2全部上管导通；

78’指代开关状态表示成的2进制数(111000)，逆变器INVT1全部上管导通、逆变器INVT2全部下管导通；

单个开关周期内双逆变器的共模电压u₀为：

式中，T_S为一个开关周期，U_dc为直流母线电压，t₁和t₂分别对应产生共模电压为-U_dc/3和U_dc/3的非零矢量的作用时间，u₀为单个周期内开绕组系统中的平均共模电压；

将分配系数k引入共模电压表达式后，得到下式：

进一步可得到分配系数k的表达式：

给定零序电流值i_0ref＝0，与零序电流i₀的负反馈形成闭环控制系统，得到的零序电流差值通过PI控制器输出零序电压，由上式求得分配系数k。

进一步，步骤5中，随机开关频率调制中，开关频率的变化规律如下：

f＝f_c+RΔf

式中，f_c为中心开关频率，R为[-1，1]之间的随机数，Δf为开关频率变化的范围；

随机数发生器生成随机数的方法为线性同余法，产生0到1之间的随机数R₀，其递推公式如下：

式中，x_n为第n次的随机数，x_n+1为第n+1次的随机数，R_n+1为第n+1次产生的R₀，λ为乘子取3571，c为增量取1，m为模量取32749，初值x₀取3。

本发明具有以下有益效果：

1)母线电压利用率高，最大调制系数(输出电压幅值/母线电压值)能达到

且矢量调制过程计算量少，只需一次扇区判断，同时本文所提的方法也适用于三相开绕组独立H桥驱动系统。

2)选用零电压矢量抵消非电压零矢量产生的共模电压，闭环后能动态地抑制零序电流，使得相电流三次谐波含量大大减小，进而减弱了电机低频振动。

3)能够同时抑制相电流三次谐波和开关频率整数倍处的谐波幅值，最终实现了开绕组永磁同步电机驱动系统全频段的振动抑制。

附图说明

图1为基于谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制的原理图；

图2为共母线开绕组永磁同步电机驱动系统拓扑结构图；

图3为双逆变器产生空间电压矢量的分布图；

图4为本发明所选择的电压矢量构成的扇区划分与矢量合成图；

图5为零序电流闭环控制框图；

图6为扇区Ⅰ中相邻开关周期的PWM信号示意图；

图7为相电流的对比图；其中，(a)为原始相电流波形，(b)为应用该方法后相电流波形；

图8为原始相电流的谐波分析图；

其中，(a)为原始相电流低频段谐波分析，(b)为原始相电流高频段谐波分析；

图9为应用该方法后相电流的谐波分析图；

图10为电机振动加速度的抑制效果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1：如图1所示，通过控制器A/D采样获得开绕组永磁同步电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，同时通过编码器采集并计算获得电机的电角度θ_e，将三相电流与电角度通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q和零序电流i₀。

步骤2：如图1所示，通过编码器获得的电角度计算得到电机转速，作为转速环的负反馈值，n_ref为给定转速，得到的差通过PI控制器输出后作为q轴电流环的输入参考值i_qref。

步骤3：如图1所示，给定d轴电流环输入参考值为0，将坐标变换得到的i_d和i_q作为电流内环的反馈值，构成dq电流环，分别经过PI控制器输出旋转坐标系下的dq轴电压U_d和U_q，并通过坐标变换得到静止坐标系下的αβ轴电压U_α、U_β。

步骤4：如图1所示，给定零序电流参考值为0，将坐标变换得到的i₀作为零序电流环的反馈值，两者作差后经过PI控制器输出零序电压u₀。然后通过分配系数计算得到零矢量的分配系数k。

共母线开绕组永磁同步电机驱动系统拓扑结构如图2所示，其中电机定子绕组两端分别接三相逆变器INV1与INV2。逆变器每个桥臂上下管对称导通，以Sa1为例，将上管导通记作“1”，下管导通时记作“0”。将开关状态表示成2进制数，例如87’对应(000 111)。

调制过程中零矢量选择87’(000111)和78’(111000)：

87’——逆变器INVT1全部下管导通、逆变器INVT2全部上管导通；

78’——逆变器INVT1全部上管导通、逆变器INVT2全部下管导通。

双逆变器结构产生的电压矢量如图3所示，同时每个开关状态对应的共模电压值如下表所示

本发明选择的电压矢量与扇区划分如图4所示。其中，u_ref为参考电压矢量，其与α轴的夹角为θ。类似传统三相SVPWM，参考电压矢量所在的扇区可通过u_α和u_β的值判断。同时每个扇区内相邻矢量的作用时间可由伏秒平衡原则求出，令：

式中，T_s为开关周期值。定义t₁和t₂分别为第一个和第二个有效矢量的作用时间，各个扇区相邻有效矢量的作用顺序与作用时间如下表所示。

因此，单个开关周期内双逆变器的共模电压表示为：

式中，t₀₁和t₀₂分别为零矢量87’和78’的作用时间，u₀为单个周期内开绕组系统中的平均共模电压。本发明将利用所选择的零矢量对应产生的共模电压，来抵消由有效矢量所产生的共模电压。通过重新分配零矢量的作用时间，来抵消非零电压矢量产生的共模电压。引入零矢量分配系数k，令：

式中，t₀为调制过程中零矢量总的作用时间。将分配系数k引入共模电压表达式，得到下式：

进一步可得到分配系数k的表达式：

因此，为了动态抑制零序电流，在原有的转速电流双闭环控制系统中引入零序电流环，如图5所示，给定零序电流值i_0ref＝0，与零序电流i₀的负反馈形成闭环控制系统。这样就能动态控制零序电压趋向零，抑制零序电流的大小。

步骤5：由随机数发生器产生随机数R_n，与得到的U_α、U_β和k一起输入到随机开关频率调制模块，产生PWM1、PWM2信号分别控制逆变器INVT1、INVT2驱动三相开绕组电机。

随机开关频率调制中，开关频率的变化规律如下：

f＝f_c+RΔf

式中，f_c为中心开关频率，R为[-1，1]之间的随机数，Δf为开关频率变化的范围。

本发明采用的随机数生成方法为线性同余法，产生0到1之间的随机数R₀，其递推公式如下：

式中，λ为乘子取3571，c为增量取1，m为模量取32749，初值x₀取3。

图6中为参考电压在扇区Ⅰ时，相邻开关周期双逆变器的PWM信号，开关周期由随机变化的开关频率决定。

图7是采用本发明前后，开绕组电机相电流对比，可以看出开绕组电机相电流波形正弦度明显提升，零序电流抑制效果明显。图8和图9是相电流的谐波分析，可以看出应用本发明后，电机相电流中3次谐波含量从28.48％降至4.30％，开关频率10kHz及20kHz处谐波含量幅值大大减小，分别减小至4.15％和0.33％，进一步说明谐波抑制效果优异。

图10为测量的电机振动减速度，电机在开关频率及其整数倍处的振动加速度幅值显著减少，10kHz附近从30.5m/s²降低到7.02m/s²，20kHz附近从7.5m/s²降低到0.84m/s²，高频减振效果显著。电机的振动加速度幅值在300Hz和550Hz等频率点处减小效果明显，整体减振效果良好。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过控制器A/D采样获得开绕组永磁同步电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，同时通过编码器采集并计算获得电机的电角度θ_e，将三相电流与电角度通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q和零序电流i₀；

步骤2，通过编码器获得的电角度计算得到电机转速，作为转速环的负反馈值，n_ref为给定转速，得到的差通过PI控制器输出后作为q轴电流环的输入参考值i_qref；

步骤3，给定d轴电流环输入参考值为0，将坐标变换得到的i_d和i_q作为电流内环的反馈值，构成dq电流环，分别经过PI控制器输出旋转坐标系下的dq轴电压U_d和U_q，并通过坐标变换得到静止坐标系下的αβ轴电压U_α、U_β；

步骤4，给定零序电流参考值为0，将坐标变换得到的i₀作为零序电流环的反馈值，作差后经过PI控制器输出零序电压u₀，然后通过分配系数计算得到零矢量的分配系数k；

步骤5，由随机数发生器产生随机数R_n，与得到的U_α、U_β和k一起输入到随机开关频率调制模块，产生PWM1、PWM2信号分别控制逆变器INVT1、INVT2驱动三相开绕组电机。

2.根据权利要求1所述的谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，其特征在于：将三相电流与电角度通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q和零序电流i₀为：

3.根据权利要求1所述的谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，其特征在于：通过坐标变换得到静止坐标系下的αβ轴电压U_α、U_β：

4.根据权利要求1所述的谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，其特征在于：步骤4中通过分配系数计算得到零矢量的分配系数k为：

通过重新分配零矢量的作用时间，来抵消非零电压矢量产生的共模电压；引入零矢量分配系数k，令：

式中，t₀₁和t₀₂分别为零矢量87’和78’的作用时间；

87’指代开关状态表示成的2进制数(000111)，逆变器INVT1全部下管导通、逆变器INVT2全部上管导通；

78’指代开关状态表示成的2进制数(111000)，逆变器INVT1全部上管导通、逆变器INVT2全部下管导通；

单个开关周期内双逆变器的共模电压u₀为：

式中，T_S为一个开关周期，U_dc为直流母线电压，t₁和t₂分别对应产生共模电压为-U_dc/3和U_dc/3的非零矢量的作用时间，u₀为单个周期内开绕组系统中的平均共模电压；

将分配系数k引入共模电压表达式后，得到下式：

进一步可得到分配系数k的表达式：

给定零序电流值i_0ref＝0，与零序电流i₀的负反馈形成闭环控制系统，得到的零序电流差值通过PI控制器输出零序电压，由上式求得分配系数k。

5.根据权利要求1所述的谐波抑制的共母线开绕组永磁同步电机减振控制方法，其特征在于：步骤5中，随机开关频率调制中，开关频率的变化规律如下：

f＝f_c+RΔf

式中，f_c为中心开关频率，R为[-1，1]之间的随机数，Δf为开关频率变化的范围；

随机数发生器生成随机数的方法为线性同余法，产生0到1之间的随机数R₀，其递推公式如下：

式中，x_n为第n次的随机数，x_n+1为第n+1次的随机数，R_n+1为第n+1次产生的R₀，λ为乘子取3571，c为增量取1，m为模量取32749，初值x₀取3。

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