CN112953333A - 一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。具体包括以二阶广义积分器为基础、依据电机速度解算谐波电流频率实现自适应率的自适应滤波器；以及将所实现的自适应滤波器以一种特定的方法引入电机矢量控制系统电流环中，实现电流环中谐波电流的提取与补偿，进而抑制了永磁同步电机的转矩脉动。该方法结构简洁，计算方便，易于实现，可以有效地抑制电机转矩脉动，且抑制效果在电机转速变化、负载突变的情况下依然有效。

Description

一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，涉及到永磁同步电机控制领域，尤其涉及到永磁同步电机转矩脉动抑制方法。

背景技术

永磁同步电机在机器人、数控机床和航空航天等领域有着广泛的应用，目前工业领域中对永磁同步电机的控制策略普遍采用磁场定向的矢量控制策略。在永磁同步电机的矢量控制中，空间矢量脉宽调制策略、逆变器上下桥功率器件之间的开关电压死区，以及永磁同步电机本体所存在的齿槽转矩等都会造成永磁同步电机运行时的转矩脉动，特别在低速超低速应用场景，转矩波动造成永磁同步电机性能下降严重，影响着永磁同步电机在高精度领域的应用。

针对永磁同步电机转矩脉动的抑制技术，目前已有的方法可分为两大类：一类是针对永磁同步电机本体进行优化设计，抑制齿槽转矩，此类方法周期长，成本高，且在电机给定情况下，无法实施；一类是通过在控制系统中加入转矩脉动抑制算法实现永磁同步电机的转矩脉动抑制，目前已有的转矩脉动抑制算法包括谐波电压补偿、比例谐振控制和重复控制等，但以上方法有着计算量大、实现复杂或通用性欠佳的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。具体包括以二阶广义积分器为基础、依据电机速度解算谐波电流频率实现自适应率的自适应滤波器；以及将所实现的自适应滤波器以一种特定的方法引入电机矢量控制系统电流环中，实现电流环中谐波电流的提取与补偿，进而抑制了永磁同步电机的转矩脉动。该方法结构简洁，计算方便，易于实现，可以有效地抑制电机转矩脉动，且抑制效果在电机转速变化、负载突变的情况下依然有效。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种引入自适应滤波器的永磁同步电机控制系统，在电流环中加入基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块；

所述谐波电流提取补偿模块提取电流环中电流误差的谐波电流，将该谐波电流正反馈到所述电流误差中，实现谐波电流的提取与补偿；将所述谐波电流提取补偿后的电流误差作为电流环的PI控制器输入信号，用于电机转矩脉动的抑制。

上述的永磁同步电机控制系统，优选的，自适应滤波器为基于二阶广义积分器的频率自适应带通滤波器。

上述的永磁同步电机控制系统，优选的，自适应滤波器的自适应率根据永磁同步电机的转速、极对数，以及谐波电流的次数、频率确定。

上述的永磁同步电机控制系统，优选的，提取电流环中电流误差的谐波电流时，最佳跟踪谐波次数为6次。

一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

基于自适应滤波器，确定自适应率；

将自适应滤波器添加到电机控制系统的电流环中，将电流环的电流误差作为自适应滤波器的输入信号，利用自适应率，自适应滤波器提取电流误差信号中的谐波电流；并正反馈到电流环的电流误差信号中，实现将谐波电流提取补偿模块引入到电流环前向通道中；

将所述谐波电流提取补偿后的电流误差作为电机控制系统电流环的PI控制器输入信号，用于电机转矩脉动的抑制。

上述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，优选的，自适应滤波器为基于二阶广义积分器的频率自适应带通滤波器。

上述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，优选的，自适应率根据永磁同步电机的转速、极对数，以及谐波电流的次数、频率确定。

上述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，优选的，提取电流环中电流误差的谐波电流时，最佳跟踪谐波次数为6次。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)在永磁同步电机矢量控制系统电流环中引入基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块，可在电流环中实现对谐波电流的准确提取与补偿，有效抑制永磁同步电机的转矩脉动；

(2)谐波电流提取补偿模块采用基于二阶广义积分器的自适应带通滤波器，滤波器结构简单，易于实现且具有广泛适用性；

(3)自适应滤波器的自适应率通过永磁同步电机的转子角速度、极对数和谐波电流次数进行线性运算获得，永磁同步电机控制系统的转子角速度、极对数和谐波电流次数、频率均为已知量，自适应率构造简单且具有广泛适用性，在电机变速、负载突变时依然可以实现电机转矩脉动的抑制；

(4)通过巧妙的方法将基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块引入到永磁同步电机矢量控制系统电流环中。引入方法简便，转矩脉动抑制效果显著。

附图说明

图1是本发明的永磁同步电机控制系统整体框图。

图2是本发明中采用的自适应滤波器(AF)原理框图。

图3是本发明在电流环引入自适应滤波器方式，实现谐波电流的提取与补偿。

图4是本发明的转矩脉动抑制效果图。其中，图4(a)为加入算法前的电机电磁转矩图；图4(b)为加入算法后的电机电磁转矩图。

图5为永磁同步电机电磁转矩的谐波频谱分析图。其中图5(a)为加入算法前的电机电磁转矩的谐波频谱分析图；图5(b)为加入算法后的电机电磁转矩的谐波频谱分析图。

图6是稳态运行时的三相电流谐波提取补偿效果图。其中图6(a)为加入算法前的三相电流图；图6(b)为加入算法后的三相电流图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的目的是提供一种抑制永磁同步电机转矩脉动的方法，该方法计算简单、易于实现、具有通用性，适用于实际电机控制工程应用。

实现本发明目的的技术方案是在永磁同步电机矢量控制系统的电流环中以一种特定的方式加入基于二阶广义积分器、以电机速度解算谐波电流频率实现自适应率的自适应滤波器(AF)，实现电流环中谐波电流的提取与补偿，从而抑制永磁同步电机转矩脉动。如图1所示。

技术方案的实施步骤如下：

构造具有速度环和电流环的基本矢量控制系统，包括电流环PI控制器，速度环PI控制器，空间矢量脉宽调制模块，位置信号获取模块，反馈速度计算模块，反馈电流计算模块，坐标变换模块。

提取控制系统电流环d、q轴的反馈误差值e_id、e_iq。

从反馈速度计算模块提取电机转子角速度ω，单位为rad/s。

根据提取的电机转子角速度求取n次谐波电流的频率，单位为rad/s。

n次谐波电流频率的求取公式(1)如下：

ω_n＝|ω|·Pn·n (1)

式中：Pn为永磁同步电机的极对数；n为谐波电流次数；ω为永磁同步电机转子角速度，单位为rad/s；ω_n为n次谐波电流频率，单位为rad/s。

n最佳取值为6。

k最佳选取值范围为0～1。

针对电流环d、q轴电流反馈误差值e_id、e_iq构造自适应滤波器1，自适应滤波器2。

自适应滤波器模块如图2所示；

图中：k为自适应滤波器灵敏系数，在模块内部设定；6|ω_e|为6次谐波电流频率，作为模块的输入信号2，由电机反馈速度根据公式(1)求取，对应式(1)中的ω_n，其中n取6。

电流环d轴电流误差值e_id作为自适应滤波器1的输入信号1，电流环q轴电流误差值e_iq作为自适应滤波器2的输入信号1。

公式(1)求取的6次谐波电流频率6|ω_e|作为自适应滤波器1和自适应滤波器2的输入信号2。

自适应滤波器1输出的d轴谐波电流信号作为电流环d轴电流误差值e_id的正反馈，自适应滤波器2输出的谐波电流信号作为电流环q轴电流误差值e_iq的正反馈，如图3所示。

经过正反馈后的电流环d轴电流误差值e_id’作为电流环d轴PI控制器的输入信号，经过正反馈后的电流环q轴电流误差值e_iq’作为电流环q轴PI控制器的输入信号。

实施例2：

基于实施例1，本发明的永磁同步电机控制系统，如图1所示，包括电流环PI控制器，速度环PI控制器，空间矢量脉宽调制模块，位置信号获取模块，反馈速度计算模块，反馈电流计算模块，坐标变换模块，以及在电流环中引入的基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块。

位置信号获取模块的功能为实时获取永磁同步电机的转子位置信息θ_e；反馈速度计算模块的功能为依据电机转子位置角度计算出电机转子的旋转角速度ω；反馈电流计算模块的功能为将外部电机驱动电流信号转换成可处理电信号i_A、i_B、i_C；坐标变换模块的功能为将永磁同步电机的电压、电流信号在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系中实现相应的转换,如图一所示将i_A、i_B、i_C转换成i_d、i_q，将u_d、u_q转换成u_α、u_β；速度环PI控制器的功能为实现电机速度闭环调节与控制；电流环PI控制器的功能为实现电机电流闭环调节与控制；空间矢量脉宽调制模块的功能为将两相静止坐标系下的驱动电压指令u_α、u_β转换为三相六路PWM波信号控制功率模块驱动永磁同步电机旋转。

如图1所示，永磁同步电机转子角速度给定指令为ω_ref，d轴电流给定指令为id^*＝0，q轴电流给定指令为速度环PI调节器输出信号iq^*。

如图1所示，基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块作用于矢量控制系统电流环的d、q轴上，d轴引入自适应滤波器1，q轴引入自适应滤波器2。

本发明采用的自适应滤波器本质为频率自适应的带通滤波器，作用为提取电流环d、q轴中的谐波电流，提取6次谐波电流为最佳。

自适应滤波器有2个输入信号，输入信号1为d、q轴的电流误差e_id、e_iq，输入信号2为需要补偿的谐波电流频率，由反馈速度信号依据公式(1)求取，从而实现了谐波电流频率的自适应。

如图2所示，为本发明采用的基于二阶广义积分器的自适应滤波器，自适应滤波器由两个积分器进行构造，有1个整定参数，为灵敏系数k，本实施例中k＝0.5，k最佳取值范围为0～1。

如图2所示，可以求出基于二阶广义积分器的自适应滤波器的传递函数为：

如图3所示，永磁同步电机控制系统电流环d/q轴引入的自适应滤波器的输出信号e_{i_ω6}正反馈到电流误差e_id/iq。

以电流环q轴进行说明，可以求取电流环谐波电流提取补偿算法部分的传递函数为：

由式(3)可知，在控制系统电流环中引入上述所构造的自适应滤波器，可实现谐波电流的准确跟踪，最佳跟踪谐波次数为6次。

如图4所示，为永磁同步电机转矩脉动抑制效果图，运行工况为给定速度为500r/min，给定负载转矩为电机额定转矩2.8N.m。图4(a)为引入转矩脉动抑制算法前永磁同步电机的电磁转矩。图4(b)为引入转矩脉动抑制算法后的永磁同步电机的电磁转矩。对比图4(a)与图4(b)可知，引入转矩脉动抑制算法前，永磁同步电机的转矩波动明显；引入转矩脉动抑制算法后，永磁同步电机的转矩波动得到了很好的抑制。

如图5所示，为永磁同步电机电磁转矩的谐波傅里叶分析图，运行工况为给定速度为500r/min，给定负载转矩为电机额定转矩2.8N.m，与图4相对应。图5(a)为引入转矩脉动抑制算法前永磁同步电机的电磁转矩傅里叶分析图，总谐波失真率为4.48％，电磁转矩中6次谐波含量最高，为3.92％，其次为12次谐波含量，为1.35％。图5(b)为引入转矩脉动抑制算法后的永磁同步电机的电磁转矩傅里叶分析图，总谐波失真率下降到2.11％，电磁转矩中6次谐波得到了明显的抑制，含量可忽略不计。

如图6所示，为永磁同步电机稳态运行时的三相电流谐波提取补偿效果图，运行工况为给定速度为500r/min，给定负载转矩为电机额定转矩2.8N.m。图6(a)为引入转矩脉动抑制算法前永磁同步电机的三相电流，正弦性欠佳。图6(b)为引入转矩脉动抑制算法后的永磁同步电机的三相电流，正弦性得到改善。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种引入自适应滤波器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，在电流环中加入基于自适应滤波器的谐波电流提取补偿模块；

所述谐波电流提取补偿模块提取电流环中电流误差的谐波电流，将该谐波电流正反馈到所述电流误差中，实现谐波电流的提取与补偿；将所述谐波电流提取补偿后的电流误差作为电流环的PI控制器输入信号，用于电机转矩脉动的抑制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，自适应滤波器为基于二阶广义积分器的频率自适应带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，自适应滤波器的自适应率根据永磁同步电机的转速、极对数，以及谐波电流的次数、频率确定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁同步电机控制系统，其特征在于，提取电流环中电流误差的谐波电流时，最佳跟踪谐波次数为6次。

5.一种基于自适应滤波器的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于自适应滤波器，确定自适应率；

将自适应滤波器添加到电机控制系统的电流环中，将电流环的电流误差作为自适应滤波器的输入信号，利用自适应率，自适应滤波器提取电流误差信号中的谐波电流；并正反馈到电流环的电流误差信号中，实现将谐波电流提取补偿模块引入到电流环前向通道中；

将所述谐波电流提取补偿后的电流误差作为电机控制系统电流环的PI控制器输入信号，用于电机转矩脉动的抑制。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，自适应滤波器为基于二阶广义积分器的频率自适应带通滤波器。

7.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，自适应率根据永磁同步电机的转速、极对数，以及谐波电流的次数、频率确定。

8.根据权利要求5所述的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，提取电流环中电流误差的谐波电流时，最佳跟踪谐波次数为6次。

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