CN113131819B - 一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置 - Google Patents

一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置 Download PDF

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CN113131819B CN202010030830.4A CN202010030830A CN113131819B CN 113131819 B CN113131819 B CN 113131819B CN 202010030830 A CN202010030830 A CN 202010030830A CN 113131819 B CN113131819 B CN 113131819B
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Abstract

本发明公开一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置，其中方法基于采用准谐振控制器的预设周期性误差补偿算法，可以补偿处理因旋转变压器的非理想因素导致的转子位置对应的永磁同步电机误差，即可以滤除正余弦角度信号中的谐波信号，并通过改进准谐振控制器的结构形式，控制准谐振控制器带宽达到随转速自适应变化的效果，达到改善永磁同步电机交流侧的稳态性能的目的，也可以减少硬件资源的占用量。同时，能够在线滤除位置信号中的周期性误差，且实现简单、也较为灵活、补偿处理精度较高。并且基于电机零速至中高速的线性过渡策略，在不影响电机动态性能的基础上，解决了由于位置信号采样周期性误差造成的交流电流畸变的问题。

Description

一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置。
背景技术
同步电机为了实现能量的转换，就需要设置一个直流磁场，通过该直流磁场产生直流电流，称为电机的励磁电流，根据该励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为永磁同步电机。
在永磁同步电机的磁场定向控制中，电机转子磁极位置的信号检测信息是电机控制系统的重要反馈信息，实时反映了电机的运动状态，直接影响电机控制系统性能。由于旋转变压器(Resolver)作为一种常见的位置传感器，鲁棒性好，可靠性高，可以抑制共模噪声，也适用于恶劣条件的工作环境，因此，旋转变压器被广泛应用于检测永磁同步电机的电机转子磁极位置信号。但是，旋转变压器自身存在非线性特性，以及旋转变压器在机械安装过程中存在转子偏心、旋转正余弦绕组非正交、调理电路非对称等非理想因素，导致电机转子磁极位置信号不可避免地会出现不同频次的周期性误差，该周期性误差影响永磁同步电机的控制性能，因此，对永磁同步电机的周期性误差进行补偿，有利于提高永磁同步电机的控制性能。
目前，现有技术中通常利用静态校准方法和在线校准方法对永磁同步电机的周期性误差进行补偿，其中，静态校准方法是通过预存电机转子磁极不同位置信号对应的周期性误差表，在后续永磁同步电机的周期性误差补偿的过程中，通过提高查表分辨率从而实现电机周期性误差的精度，显然该静态校准方式会占用较大的硬件资源，并且对于新的组件或安装，又需要重新预存电机转子磁极不同位置信号对应的周期性误差表，显然，该方式也不够灵活。其中，在线校准方法，是基于卡尔曼滤波器算法进行迭代计算永磁同步电机的周期性误差信号，基于该周期性误差信号进行补偿，由于卡尔曼滤波器的算法需要进行大量的矩阵运算，其在线占用的硬件资源也较大，操作也较为复杂，其采用的迭代优化算法一般是通过最速下降法等迭代搜索优化算法，虽然对电机转子磁极位置信号采样非理想因素导致的谐波进行高阶近似，但是目标函数类型和阶数的选取比较困难，导致对电机的周期性误差补偿也不够精确。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机周期性误差补偿方法，以解决现有技术中对同步电机的周期性误差进行补偿的方式，其硬件占用资源较大，同时使用不够灵活，操作复杂，周期性误差补偿也不够精确的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种永磁同步电机周期性误差补偿方法，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，包括如下步骤：
根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，所述预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大所述准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小所述准谐振控制器的带宽；
确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次；
根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数；
根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数；
根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数；
获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数；
根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差；
根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数的步骤包括：
获取所述准谐振控制器的中心频率和所述带宽对应的预设积分系数；
根据所述中心频率和预设积分系数，确定所述准谐振控制器对应的所述第一传递函数。
结合第一方面或第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述第一传递函数为如下公式：
Figure BDA0002364234410000041
其中，所述G(s)为所述第一传递函数，s为拉普拉斯参数，ωn为所述准谐振控制器的中心频率，其中kr＝2kirωn，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数,所述kr为准谐振控制器系数。
结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000042
其中，G(jωk)为所述第二传递函数，所述kir为所述准谐振控制器的积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000043
其中，所述|G(jωk)|为所述幅值函数，所述
Figure BDA0002364234410000051
为所述相移函数，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
结合第一方面，在第一方面第第五实施方式中，所述根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000052
Figure BDA0002364234410000053
其中，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述λk为所述预设谐波频次，xk为所述预设参数，所述|G(jωk)|为所述幅值函数,所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000054
其中，所述asinωnt为所述正弦输入信号，所述a为所述稳态幅值，所述
Figure BDA0002364234410000055
为所述正弦振荡函数，所述
Figure BDA0002364234410000056
为所述正弦振荡频率，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率。
结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，所述根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差的步骤包括：
设置所述第三预设转速为零速或接近零速；
在所述零速或接近零速的条件下，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
结合第一方面，在第一方面第八实施方式中，所述根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理的步骤包括:
Figure BDA0002364234410000061
当永磁同步单机电机的当前转速小于ωm1时，不处理所述永磁同步电机的当前角度信号；
当永磁同步电机的当前转速小于在ωm1<ωm<ωm2时，根据所述预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机的当前角度信号进行过渡处理；
当永磁同步电机的当前转速≧ωm2时，对所述永磁同步电机的当前角度信号进行滤波处理；
其中，所述ωm为所述永磁同步电机的当前转速，所述ωm1为所述永磁同步电机的第四预设转速，所述ωm2为所述永磁同步电机的第五预设转速，ε0为所述准谐振控制器的实际输出信号，ε为永磁同步电机的当前转速对应的所述永磁同步电机周期性误差。
根据第二方面，本发明实施例提供一种永磁同步电机周期性误差补偿装置，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，包括：
第一确定模块，用于根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，所述预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大所述准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小所述准谐振控制器的带宽；
第二确定模块，用于确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次；
第一计算模块，用于根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数；
第二计算模块，用于根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数；
第三计算模块，根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数；
获取模块，用于获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数；
控制模块，用于根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差；
补偿处理模块，用于根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。
根据第三方面，本发明实施例提供一种基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，包括：
第一轴向电流环PI调节器，用于接收第一轴向电流信号，并对第一轴向电流信号进行PI调节控制输出第一轴向电压信号；
第二轴向电流环PI调节器，用于接收第二轴向电流信号，并对第二轴向电流信号进行PI调节控制输出第二轴向电压信号；
第一坐标变换器，分别与所述第一轴向电流环PI调节器和所述第二轴向电流环PI调节器连接；
PWM调制器，与所述第一坐标变换器连接；
逆变器，与所述PWM调制器连接；
第二坐标变换器，分别与所述第一轴向电流环PI调节器、所述第二轴向电流环PI调节器和所述第一坐标变换器连接；
电流传感器，分别与所述第二坐标变换器和所述逆变器连接；
永磁同步电机，与所述电流传感器连接；
旋转变压器，与所述永磁同步电机连接；
角度正余弦变换器，与所述旋转变压器连接；
准谐振控制器，分别与所述角度正余弦变换器、所述第一坐标变换器和所述第二坐标变换器连接；
处理器，与所述准谐振控制器连接，所述处理器包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行第一方面或第一方面任一实施方式中所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法的步骤。
根据第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或第一方面任一实施方式所述的永磁同步电机周期性误差补偿的步骤。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明提供一种永磁同步电机周期性误差补偿方法及装置，其中方法基于采用准谐振控制器的预设周期性误差补偿算法，可以补偿处理因旋转变压器的非理想因素导致的转子位置对应的永磁同步电机误差，即可以滤除正余弦角度信号中的谐波信号，并通过改进准谐振控制器的结构形式，控制准谐振控制器带宽达到随转速自适应变化的效果，达到改善永磁同步电机交流侧的稳态性能的目的，也可以减少硬件资源的占用量。同时，能够在线滤除位置信号中的周期性误差，且实现简单、也较为灵活、补偿处理精度较高。并且基于电机零速至中高速的线性过渡策略，在不影响电机动态性能的基础上，解决了由于位置信号采样周期性误差造成的交流电流畸变的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中准谐振控制器的结构示意图；
图2为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法的流程图；
图3为本发明实施例中准谐振控制器的波特图；
图4A为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法前的A相电流波形图；
图4B为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法后的A相电流FFT分析频谱图；
图5A为发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法后的另一A相电流波形图；
图5B为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法后的另一A相电流FFT分析频谱图；
图6A为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法前q轴电流阶跃响应波形图；
图6B为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法后q轴电流阶跃响应波形图；
图7A为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法前加减速实验结果示意图；
图7B为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿方法利用控制算法后加减速实验结果示意图；
图8为本发明实施例中永磁同步电机周期性误差补偿装置的结构框图；
图9为本发明实施例中基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统的结构框图；
图10为本发明实施例中处理器的硬件连接结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供一种永磁同步电机周期性误差补偿方法，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，此处的准谐振控制器的结构形式如图1所示，其通过产生不同频次的准谐振控制器并联而成，分别为n1次谐波，n2次谐波，n3次谐波，nk次谐波等，在图1中，永磁同步电机的当前角度信号对应的正弦分量或余弦分量通过准谐振控制器会产生不同频次的谐波电流信号，本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿方法采用如下步骤S1-步骤S8以实现消除正余弦角度信号中的谐波，可以最终实现控制准谐振控制器带宽达到随转速自适应变化的效果，达到改善永磁同步电机交流侧的稳态性能的目的。
本发明实施例永磁同步电机周期性误差补偿方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤S1：根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小准谐振控制器的带宽。
具体地，如图3所示，根据准谐振控制器波特图，即在图3中，可以看出，kr越小，控制器的选频特性越好，但是其带宽越小，动态响应时间越长。由于永磁同步电机在不同转速和谐波频次下，谐波电流频率与基波电流频率的距离也不同。转速越大、谐波频次越高，谐波电流频率距基波电流频率越远，可以增大准谐振控制器带宽(增大系数kr)，或者，还可以加快永磁同步电机角度信号滤波的动态响应速度；反之，转速越小、谐波频次越低时，谐波电流频率距基波电流频率越近，应减小准谐振控制器带宽(减小系数kr)，避免对原始信号中基波电流频率信号造成影响。因此，永磁同步电机的转速和谐波频次直接决定了准谐振控制器的中心频率和带宽，可以基于准谐振控制器的上述中的控制特性，设计准谐振控制器的系数kr。
因此，在准谐振控制器上述中的控制特性下，可以设计永磁同步电机的预设控制规则，该预设控制规则为当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小准谐振控制器的带宽。上述中的第一预设转速可以为较高范围区域的高转速，例如：第一预设转速[500rpm，1000rpm]，上述中的第一预设电流谐波频率可以为较高范围区域的高谐波次数，可以用λk1表示，例如：λk1∈[6,10]且λk1∈N。上述中的第二预设转速可以为较低范围区域的低转速，例如：第二预设转速[0rpm，200rpm]，上述中的第二预设电流谐波频率可以为较低范围区域的低谐波次数，例如：λk1∈[0,3]且λk1∈N。通过该预设控制规则，可以调整准谐振控制器的带宽，进而可以确定准谐振控制器的第一传递函数。
具体地，将永磁同步电机的位置信号对应周期性误差直接耦合在坐标变换中，增加了交流侧电流谐波含量，需要针对角度谐波信号进行滤波。准谐振控制器的第一传递函数如下式(1)所示，其可以看作是一个单位反馈闭环形式的谐振控制器，输出信号可以无差地跟踪输入信号中角频率为ωn的正弦信号。
Figure BDA0002364234410000131
kr为准谐振控制器的带宽对应的原始积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率。
可以选取准谐振控制器幅值为0.707倍通带增益频率为截止频率，可以得出其截止角频率分别为
Figure BDA0002364234410000132
滤波器带宽为ωH0-ωL0。
在一具体实施例中，上述步骤S1在执行的过程中，可具体包括如下步骤：
首先：获取准谐振控制器的中心频率和带宽对应的预设积分系数。此处的预设积分系数可以用kir表示，可以设kr＝2kirωn，kr为准谐振控制器的带宽对应的原始积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率。
然后：根据中心频率和预设积分系数，确定准谐振控制器对应的第一传递函数。
具体地，上述中第一传递函数为如下公式：
Figure BDA0002364234410000141
其中，G(s)为第一传递函数，s为拉普拉斯参数，ωn为准谐振控制器的中心频率，其中kr＝2kirωn，kir为准谐振控制器的预设积分系数。
进一步地，准谐振控制器上截止角频率为
Figure BDA0002364234410000142
准谐振控制器下截止角频率为
Figure BDA0002364234410000143
滤波器带宽为ωH0-ωL0。
步骤S2：确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次。此处的目标谐波电流频率可以用ωk表示，预设基波频率可以用ωe表示，预设谐波频次可以用λk表示。
步骤S3：根据目标谐波电流频率，通过第一传递函数计算目标谐波电流频率对应的第二传递函数。
在一具体实施例中，上述步骤S3在执行的过程中，具体通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000144
其中，G(jωk)为第二传递函数，kir为准谐振控制器的预设积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
步骤S4：根据第二传递函数，计算目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数。
具体地，根据第二传递函数，计算目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000151
其中，|G(jωk)|为幅值函数，
Figure BDA0002364234410000152
为相移函数，kir为准谐振控制器的预设积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
进一步，可以采用后向欧拉法将上式(2)对应的第一传递函数离散化，得到准谐振控制器的离散化方程，并由此在数字系统中编程实现。
Figure BDA0002364234410000153
步骤S5：根据目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数。
具体地，由于引入准谐振控制器的设计目的是无差跟随待滤除特定的预设谐波频次λk频次谐波信号，且使得基波频率信号基本衰减至零。因此，可以令ωn＝λkωe，ωk＝ωe，代入上式(4)中的幅值函数，该幅值函数即下式(6)所示计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数，具体如下式(7)所示，
Figure BDA0002364234410000154
Figure BDA0002364234410000155
其中，kir为准谐振控制器的预设积分系数，λk为预设谐波频次，xk为预设参数，|G(jωk)|为幅值函数,ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
在通常情况下，一般以基频信号衰减量要大于20dB为衡量标准，可以计算得出kir的近似取值范围：
Figure BDA0002364234410000161
步骤S6：获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数。此处稳态状态下的正弦输入信号为x(t)＝asinωnt，其中a为稳态幅值，正弦振荡函数为
Figure BDA0002364234410000165
具体地，上述步骤S6在执行的过程中，具体通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000162
其中，asinωnt为正弦输入信号，a为稳态幅值，
Figure BDA0002364234410000163
为正弦振荡函数，
Figure BDA0002364234410000164
为正弦振荡频率，ωn为准谐振控制器的中心频率。输出稳态分量为幅值为a的正弦量，波动量为衰减正弦振荡函数，其调节时间是关于kir的单调递减函数，因此，在确定第一预设积分系数kir上限时，kir的取值越大越好。
步骤S7：根据永磁同步电机的第三预设转速、正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数，控制正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
在一具体实施例中，上述步骤S7在执行的过程中，可具体包括如下步骤：
首先：设置第三预设转速为零速或接近零速。此处的第三预设转速为较低转速或接近零速的转速，例如：第三预设转速为[0.005rpm，0rpm]
然后：在零速或接近零速的条件下，控制正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。在零速以及接近零速的条件下，为了实现控制正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
步骤S8：根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。为了切换的平滑性和实现的简易性，采用线性加权的补偿处理磁同步电机周期性误差。
虽然，在确定第一预设积分系数kir上限时，kir的取值越大越好，但是，由于在永磁同步电机零速和极低速条件下，位置信号谐波距离电基波电流频率太近，不适用下述的预设周期性误差补偿算法处理，在升速过程中，需利用下述的预设周期性误差补偿算法的过渡处理，否则可能造成低速条件下的失控或者电流冲击。
因此，在一具体实施例中，上述步骤S8在执行的过程中，该步骤S8包括:
Figure BDA0002364234410000171
当永磁同步单机电机的当前转速小于ωm1时，不处理永磁同步电机的当前角度信号；
当永磁同步电机的当前转速小于在ωm1<ωm<ωm2时，根据预设周期性误差补偿算法对永磁同步电机的当前角度信号进行过渡处理；
当永磁同步电机的当前转速≧ωm2时，对永磁同步电机的当前角度信号进行滤波处理；
其中，ωm为永磁同步电机的当前转速，ωm1为永磁同步电机的第四预设转速(为过渡阶段速度上限)，ωm2为永磁同步电机的第五预设转速(为过渡阶段速度下限)，ε0为准谐振控制器的实际输出信号，ε为永磁同步电机的当前转速对应的永磁同步电机周期性误差。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿方法，基于采用准谐振控制器的预设周期性误差补偿算法，可以补偿处理因旋转变压器的非理想因素导致的转子位置对应的永磁同步电机误差，即可以滤除正余弦角度信号中的谐波信号，并通过改进准谐振控制器的结构形式，控制准谐振控制器带宽达到随转速自适应变化的效果，达到改善永磁同步电机交流侧的稳态性能的目的，也可以减少硬件资源的占用量。同时，也能够在线滤除位置信号中的周期性误差，且实现简单、也较为灵活、补偿处理精度较高。并且基于电机零速至中高速的线性过渡策略，在不影响电机动态性能的基础上，解决了由于位置信号采样周期性误差造成的交流电流畸变的问题。
实施例2
本发明实施例提供一种永磁同步电机周期性误差补偿方法，在上述实施例1的基础上，给出一具体示例，如图4A、4B和图5A、5B所示，分别为永磁同步电机在给定转速2400rpm，电流基波频率为400Hz，负载电流给定iq＝100A，id＝0A时加入基于准谐振控制器的位置信号谐波抑制算法前、后，A相电流的时域波形及其FFT分析频谱。加入算法后，电机相电流波形的正弦度明显得到提高，波幅基本呈现一致性，主要频率的谐波均得到抑制。如图6A、6B所示，为永磁同步电机在给定转速2400rpm，电流基波频率为400Hz，q轴电流阶跃100A时的仿真结果。通过动态响应的局部放大图可以看出，加入算法前、后系统动态响应时间几乎不发生变化。系统达到稳态后，加入算法后电流稳态纹波减小。如图7A和7B所示，为永磁同步电机从零速升至2400rpm，再降至零速时的实验结果。在图7B中，为加入算法后的升降速仿真结果，线性过渡转速区间为60rpm～240rpm，可以看出，电机由零升速过程中，电机动态性能保持良好，同时在系统达到稳态后，电流纹波明显减小。
实施例3
本发明实施例提供一种永磁同步电机周期性误差补偿装置，如图8所示，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，包括：
第一确定模块81，用于根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小准谐振控制器的带宽。
第二确定模块82，用于确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次。
第一计算模块83，用于根据目标谐波电流频率，通过第一传递函数计算目标谐波电流频率对应的第二传递函数。
第二计算模块84，用于根据第二传递函数，计算目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数。
第三计算模块85，根据目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数。
获取模块86，用于获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数。
控制模块87，用于根据永磁同步电机的第三预设转速、正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数，控制正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
补偿处理模块88，用于据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，第一确定模块81包括：
获取子模块，用于获取准谐振控制器的中心频率和带宽对应的预设积分系数；
确定子模块，用于根据中心频率和预设积分系数，确定准谐振控制器对应的第一传递函数。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，第一传递函数为如下公式：
Figure BDA0002364234410000201
其中，G(s)为第一传递函数，s为拉普拉斯参数，ωn为准谐振控制器的中心频率，其中kr＝2kirωn，kir为准谐振控制器的预设积分系数。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，第一计算模块83通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000211
其中，G(jωk)为第二传递函数，kir为准谐振控制器的积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，第二计算模块84通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000212
其中，|G(jωk)|为幅值函数，
Figure BDA0002364234410000213
为相移函数，kir为准谐振控制器的预设积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，第三计算模块85通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000214
Figure BDA0002364234410000215
其中，kir为准谐振控制器的预设积分系数，λk为预设谐波频次，xk为预设参数，|G(jωk)|为幅值函数,ωn为准谐振控制器的中心频率，ωk为目标谐波电流频率。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，获取模块86通过如下公式计算：
Figure BDA0002364234410000221
其中，asinωnt为正弦输入信号，a为稳态幅值，
Figure BDA0002364234410000222
为正弦振荡函数，
Figure BDA0002364234410000223
为正弦振荡频率，kir为准谐振控制器的预设积分系数，ωn为准谐振控制器的中心频率。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，控制模块87包括：
设置子模块，用于设置第三预设转速为零速或接近零速；
控制子模块，用于在零速或接近零速的条件下，控制正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，补偿处理模块88包括:
Figure BDA0002364234410000224
当永磁同步单机电机的当前转速小于ωm1时，不处理永磁同步电机的当前角度信号；
当永磁同步电机的当前转速小于在ωm1<ωm<ωm2时，根据预设周期性误差补偿算法对永磁同步电机的当前角度信号进行过渡处理；
当永磁同步电机的当前转速≧ωm2时，对永磁同步电机的当前角度信号进行滤波处理；
其中，ωm为永磁同步电机的当前转速，ωm1为永磁同步电机的第四预设转速，ωm2为永磁同步电机的第五预设转速，ε0为准谐振控制器的实际输出信号，ε为永磁同步电机的当前转速对应的永磁同步电机周期性误差。
本发明实施例中的永磁同步电机周期性误差补偿装置，基于采用准谐振控制器的预设周期性误差补偿算法，可以补偿处理因旋转变压器的非理想因素导致的转子位置对应的永磁同步电机误差，即可以滤除正余弦角度信号中的谐波信号，并通过改进准谐振控制器的结构形式，控制准谐振控制器带宽达到随转速自适应变化的效果，达到改善永磁同步电机交流侧的稳态性能的目的，也可以减少硬件资源的占用量。同时，能够在线滤除位置信号中的周期性误差，且实现简单、也较为灵活、补偿处理精度较高。并且基于电机零速至中高速的线性过渡策略，在不影响电机动态性能的基础上，解决了由于位置信号采样周期性误差造成的交流电流畸变的问题。
实施例4
本发明实施例提供一种基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，如图9所示，包括：
第一轴向电流环PI调节器901，用于接收第一轴向电流信号，并对第一轴向电流信号进行PI调节控制输出第一轴向电压信号。此处第一轴向电流环PI调节器901为d轴电流环PI调节器，可以接收d轴电流指令，在图9中，d轴电流指令为i* d,该d轴电流指令通过第一轴向电流环PI调节器901进行PI调节控制输出d轴电压指令,在图9中，d轴电压指令为u* d。
第二轴向电流环PI调节器902，用于接收第二轴向电流信号，并对第二轴向电流信号进行PI调节控制输出第二轴向电压信号。此处的第二轴向电流环PI调节器902为q轴电流环PI调节器，可以接收q轴电流指令，在图9中，q轴电流指令为i* q,该q轴电流指令通过第二轴向电流环PI调节器902输出q轴电压指令,在图9中，d轴电压指令为u* q。
第一坐标变换器903，分别与第一轴向电流环PI调节器901和第二轴向电流环PI调节器902连接。第一坐标变换器903可以用Ipark坐标变换器表示。
PWM调制器904，与第一坐标变换器903连接。
逆变器905，与PWM调制器904连接。逆变器905，简称Inverter，逆变器905的输入端电压为Udc。
第二坐标变换器906，分别与第一轴向电流环PI调节器901、第二轴向电流环PI调节器902和第一坐标变换器903连接。第二坐标变换器906可以用Park变换器表示。
电流传感器907，分别与第二坐标变换器906和逆变器905连接。电流传感器907简称Sensor。在图9中，电流传感器907输出三相电流信号，分别为ia、ib、ic。
永磁同步电机908，与电流传感器907连接。永磁同步电机908简称PMSM。
旋转变压器909，与永磁同步电机908连接。旋转变压器909可以简称RDC。该旋转变压器909用于检测永磁同步电机908的位置信号，在图9中，旋转变压器909输出的角度为θ。
角度正余弦变换器910，分别与角度正余弦变换器910、第一坐标变换器903和第二坐标变换器906连接；以简称sinθ/cosθ。
准谐振控制器911，分别与角度正余弦变换器910、述第一坐标变换器903和第二坐标变换器906连接。通过准谐振控制器911可以滤除由于旋转变压器909非理想因素导致的电机转子位置解析误差，达到改善永磁同步电机908交流侧的稳态性能的目的。准谐振控制器911的结构示意图如图1所示。
如图10所示，基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，还包括：处理器912，与所述准谐振控制器911连接，处理器包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行实施例1中的永磁同步电机周期性误差补偿方法的步骤。在图10中，该基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统包括一个或多个处理器912以及存储器913，图10中以一个处理器912为例。
执行列表项操作的处理方法的服务器还可以包括：输入装置914和输出装置915。
准谐振控制器911、处理器912、存储器913、输入装置914和输出装置915可以通过总线或者其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。
处理器912可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器912还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
实施例5
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现实施例1中的永磁同步电机周期性误差补偿方法的步骤。该计算机可读存储介质上还存储有预设控制规则、目标谐波电流频率、第一传递函数、目标谐波电流频率、第二传递函数、预设基波电流频率、预设谐波频次、幅值函数、相移函数等。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种永磁同步电机周期性误差补偿方法，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括如下步骤：
根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，所述预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大所述准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小所述准谐振控制器的带宽；
确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次；
根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数；
根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数；
根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数；
获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数；
根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差；
根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数的步骤包括：
获取所述准谐振控制器的中心频率和所述带宽对应的预设积分系数；
根据所述中心频率和预设积分系数，确定所述准谐振控制器对应的所述第一传递函数。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述第一传递函数为如下公式：
Figure FDA0002364234400000021
其中，所述G(s)为所述第一传递函数，s为拉普拉斯参数，ωn为所述准谐振控制器的中心频率，其中kr＝2kirωn，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述kr为准谐振控制器系数。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数通过如下公式计算：
Figure FDA0002364234400000022
其中，G(jωk)为所述第二传递函数，所述kir为所述准谐振控制器的积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数通过如下公式计算：
Figure FDA0002364234400000031
其中，所述|G(jωk)|为所述幅值函数，所述
Figure FDA0002364234400000032
为所述相移函数，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数通过如下公式计算：
Figure FDA0002364234400000033
Figure FDA0002364234400000034
其中，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述λk为所述预设谐波频次，xk为所述预设参数，所述|G(jωk)|为所述幅值函数,所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率，所述ωk为所述目标谐波电流频率。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数通过如下公式计算：
Figure FDA0002364234400000041
其中，所述asinωnt为所述正弦输入信号，所述a为所述稳态幅值，所述
Figure FDA0002364234400000042
为所述正弦振荡函数，所述
Figure FDA0002364234400000043
为正弦振荡频率，所述kir为所述准谐振控制器的预设积分系数，所述ωn为所述准谐振控制器的中心频率。
8.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差的步骤包括：
设置所述第三预设转速为零速或接近零速；
在所述零速或接近零速的条件下，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差。
9.根据权利要求1所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理的步骤包括:
Figure FDA0002364234400000044
当永磁同步单机电机的当前转速小于ωm1时，不处理所述永磁同步电机的当前角度信号；
当永磁同步电机的当前转速小于在ωm1<ωm<ωm2时，根据所述预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机的当前角度信号进行过渡处理；
当永磁同步电机的当前转速≧ωm2时，对所述永磁同步电机的当前角度信号进行滤波处理；
其中，所述ωm为所述永磁同步电机的当前转速，所述ωm1为所述永磁同步电机的第四预设转速，所述ωm2为所述永磁同步电机的第五预设转速，ε0为所述准谐振控制器的实际输出信号，ε为永磁同步电机的当前转速对应的所述永磁同步电机周期性误差。
10.一种永磁同步电机周期性误差补偿装置，用于基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于根据永磁同步电机的预设控制规则，确定准谐振控制器对应的第一传递函数，所述预设控制规则是当永磁同步电机满足第一预设转速和第一预设电流谐波频率时，增大所述准谐振控制器的带宽，当永磁同步电机为第二预设转速和第二预设电流谐波频率时，减小所述准谐振控制器的带宽；
第二确定模块，用于确定目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次；
第一计算模块，用于根据所述目标谐波电流频率，通过所述第一传递函数计算所述目标谐波电流频率对应的第二传递函数；
第二计算模块，用于根据所述第二传递函数，计算所述目标谐波电流频率对应的幅值函数和相移函数；
第三计算模块，根据所述目标谐波电流频率、预设基波电流频率和预设谐波频次，通过所述幅值函数计算目标谐波电流频率对应的目标幅值小于或等于预设参数；
获取模块，用于获取永磁同步电机在稳定状态下对应的正弦输入信号、稳态幅值和正弦振荡函数；
控制模块，用于根据永磁同步电机的第三预设转速、所述正弦输入信号、稳态幅值和所述正弦振荡函数，控制所述正弦输入信号快速衰减得到永磁同步电机周期性误差；
补偿处理模块，用于根据永磁同步电机的当前转速、第四预设转速和第五预设转速，按照预设周期性误差补偿算法对所述永磁同步电机周期性误差进行补偿处理。
11.一种基于包含准谐振控制器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括：
第一轴向电流环PI调节器，用于接收第一轴向电流信号，并对第一轴向电流信号进行PI调节控制输出第一轴向电压信号；
第二轴向电流环PI调节器，用于接收第二轴向电流信号，并对第二轴向电流信号进行PI调节控制输出第二轴向电压信号；
第一坐标变换器，分别与所述第一轴向电流环PI调节器和所述第二轴向电流环PI调节器连接；
PWM调制器，与所述第一坐标变换器连接；
逆变器，与所述PWM调制器连接；
第二坐标变换器，分别与所述第一轴向电流环PI调节器、所述第二轴向电流环PI调节器和所述第一坐标变换器连接；
电流传感器，分别与所述第二坐标变换器和所述逆变器连接；
永磁同步电机，与所述电流传感器连接；
旋转变压器，与所述永磁同步电机连接；
角度正余弦变换器，与所述旋转变压器连接；
准谐振控制器，分别与所述角度正余弦变换器、所述第一坐标变换器和所述第二坐标变换器连接；
处理器，与所述准谐振控制器连接，所述处理器包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行权利要求1-9任一项所述的永磁同步电机周期性误差补偿方法的步骤。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-9任一项所述的永磁同步电机周期性误差补偿的步骤。
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基于比例积分-准谐振控制器的直驱式永磁同步电机转矩脉动抑制方法;张海洋 等;《电工技术学报》;20171010;第32卷(第19期);第41-50页 *
基于谐振数字滤波器的直驱式永磁同步电机转矩脉动抑制方法;张海洋 等;《中国电机工程学报》;20170329;第38卷(第4期);第1222-1231页 *

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