CN113507243B - 基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统。该方法包括：根据永磁无刷电机的转子位置，确定永磁无刷电机的实际转速；根据永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值；获取永磁无刷电机的性能选择参数；根据合成电流给定值和性能选择参数，确定基波电流峰值给定值；根据基波电流峰值给定值、合成电流给定值和性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值；将五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值注入永磁无刷电机的定子电流中。本发明可以降低谐波分量导致的转矩脉动对电机性能的影响，同时能够实现无直轴电枢反应、铜耗最小等高性能运行。

Description

基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统
技术领域
本发明涉及永磁无刷电机控制领域，特别是涉及一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统。
背景技术
永磁无刷电机因其结构简单、响应速度快、调速性能好等优点，在电力传动、工业控制、家用电器以及航空航天等各种场合得到广泛的研究与应用。永磁无刷电机分为永磁同步电机与无刷直流电机，对于理想状态下，永磁同步电机与无刷直流电机转子磁场在气隙中的分布分别为理想正弦波与理想梯形波。然而在实际生产制造过程中，电机本体设计并不能达到理想状态，转子永磁体磁链在气隙圆内的分布是由基波和一系列谐波叠加而成。
尽管理想正弦波形驱动方式相较于含谐波分量的非理想波形驱动方式简单，但是在含谐波分量的波形的驱动方式下产生的功率密度、输出转矩要比理想正弦波驱动的高。然而对于含谐波分量的非理想反电势而言，由于谐波分量存在会使得永磁无刷电机运行过程中产生相应的转矩脉动，从而影响电机的使用寿命和运行效率。此外许多高性能的驱动场合要求永磁无刷电机转矩具有较高的平滑度，在这种情况下，转矩脉动的存在就会严重影响整个系统的可靠性、稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统，以降低谐波分量导致的转矩脉动对电机性能的影响，提高永磁无刷电机的性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法，包括：
根据永磁无刷电机的转子位置，确定所述永磁无刷电机的实际转速；
根据所述永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值；
获取所述永磁无刷电机的性能选择参数；所述性能选择参数为不大于1的非负数，所述性能选择参数根据用户期望注入的谐波电流设定；
根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值；
根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值；
将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动及抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动。
可选的，所述性能选择参数为注入七次谐波的电流与注入总电流之间的比值；所述注入总电流为注入五次谐波的电流与注入七次谐波的电流之和；所述注入五次谐波的电流和所述注入七次谐波的电流均为用户期望注入的谐波电流。
可选的，所述根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值，具体包括：
获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数；
根据所述基波反电势常数、所述五次谐波反电势常数和所述七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数；
利用公式
Figure BDA0003171048520000021
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure BDA0003171048520000022
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数。
可选的，所述获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数，具体包括：
通过离线试验或有限元仿真，获得不同转子位置下的任一相反电势常数，所述反电势常数为反电势与永磁无刷电机转速的比值；
对由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，进行傅里叶分解，得到基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数。
可选的，所述根据所述基波反电势常数、所述五次谐波反电势常数和所述七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171048520000031
确定所述五次谐波反电势倍数；
利用公式
Figure BDA0003171048520000032
确定所述七次谐波反电势倍数；
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0；
根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure BDA0003171048520000033
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数。
可选的，所述根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171048520000041
确定五次谐波电流峰值给定值；
利用公式
Figure BDA0003171048520000042
确定七次谐波电流峰值给定值；
式中，
Figure BDA0003171048520000043
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000044
表示七次谐波电流峰值给定值。
可选的，其特征在于，所述将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，具体包括：
根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure BDA0003171048520000045
式中，
Figure BDA0003171048520000046
和
Figure BDA0003171048520000047
为所述三相电流瞬时值的给定值；θ为转子位置；
Figure BDA0003171048520000048
为基波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000049
为五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA00031710485200000410
为七次谐波电流峰值给定值；
将三相电流瞬时值的给定值分别与三相电流的实际值作差，经电流调节器确定三相电压瞬时值的给定值；
将所述三相电压瞬时值的给定值经过PWM生成单元输入到驱动所述永磁无刷电机运行的功率变换电路中。
本发明还提供一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统，包括：
转速确定模块，用于根据永磁无刷电机的转子位置，确定所述永磁无刷电机的实际转速；
合成电流确定模块，用于根据所述永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值；
性能选择参数获取模块，用于获取所述永磁无刷电机的性能选择参数；所述性能选择参数为不大于1的非负数，所述性能选择参数根据用户期望注入的谐波电流设定；
基波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值；
谐波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值；
谐波电流注入模块，用于将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动及抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动。
可选的，所述基波电流峰值给定值确定模块具体包括：
反电势常数获取单元，用于获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数；
谐波反电势倍数确定单元，用于根据所述基波反电势常数、所述五次谐波反电势常数和所述七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数；
基波电流峰值确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000051
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure BDA0003171048520000052
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数；
所述反电势常数获取单元，具体包括：
反电势常数获取子单元，用于通过离线试验或有限元仿真，获得不同转子位置下的任一相反电势常数，所述反电势常数为反电势与永磁无刷电机转速的比值；
傅里叶分解子单元，用于对由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，进行傅里叶分解，得到基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数；
所述谐波反电势倍数确定单元，具体包括：
五次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000061
确定所述五次谐波反电势倍数；
七次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000062
确定所述七次谐波反电势倍数；
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0；
三相反电势常数与转子位置关系数据库获取子单元，用于根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
q轴反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
超出七次的非零序q轴谐波反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure BDA0003171048520000063
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
最佳谐波电流倍数确定子单元，用于对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数。
可选的，所述谐波电流峰值给定值确定模块，具体包括：
五次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000071
确定五次谐波电流峰值给定值；
七次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000072
确定七次谐波电流峰值给定值；
式中，
Figure BDA0003171048520000073
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000074
表示七次谐波电流峰值给定值。
可选的，所述谐波电流注入模块，具体包括：
三相电流瞬时值确定单元，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure BDA0003171048520000075
式中，
Figure BDA0003171048520000076
和
Figure BDA0003171048520000077
为所述三相电流瞬时值的给定值；θ为转子位置；
Figure BDA0003171048520000078
为基波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000079
为五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA00031710485200000710
为七次谐波电流峰值给定值；
三相电压瞬时值确定单元，用于将三相电流瞬时值的给定值分别与三相电流的实际值作差，经电流调节器确定三相电压瞬时值的给定值；
永磁无刷电机驱动单元，用于将所述三相电压瞬时值的给定值经过PWM生成单元输入到驱动所述永磁无刷电机运行的功率变换电路中。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明针对非理想反电势作用下产生的转矩脉动进行抑制，研究了要使转矩脉动最小时反电势与相电流谐波分量间应满足的条件，并有效的利用谐波分量来抑制永磁无刷电机运行过程中产生的谐波转矩脉动，此外能够在抑制转矩脉动的同时根据性能选择参数α实现铜耗最小、无直轴电枢反应等高性能运行。本发明为非理想反电势情况下的电磁转矩特性提供了一种研究手段，为永磁无刷电机的转矩脉动抑制提供了一种新的方法，控制方法简单，谐波抑制效果良好，适用性强且无需增设外围电路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施案例中控制系统的结构框图；
图3为本发明具体实施案例中基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制的框图；
图4为本发明具体实施案例中三相反电势波形为理想梯形波时的反电势图；其中，(a)部分为A相反电势波形图，(b)部分为经傅里叶分解后的反电势频谱图，(c)部分为同步旋转d-q坐标系下的反电势空间矢量图；
图5为本发明具体实施案例中同步旋转d-q坐标系下反电势和电流的空间矢量图；其中，(a)部分为五次、七次谐波与基波反电势反向空间矢量图，(b)部分为五次谐波与基波反电势同向空间矢量图，(c)部分为七次谐波与基波反电势同向空间矢量图，(d)部分为五次、七次谐波与基波反电势同向空间矢量图；
图6为本发明具体实施案例中设定α＝0.5时的实验图；其中，(a)部分为A相电流及其基波、五次谐波、七次谐波分量波形，(b)部分为电磁转矩波形，(c)部分为转子永磁体产生的主磁通及其与定子电流产生的磁通进行合成后的气隙合成磁通轨迹。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法及系统，通过利用谐波分量，将含有特定谐波分量的电流注入到永磁无刷电机的定子电流中来抑制谐波分量产生的转矩脉动，与此同时用户可自行通过对性能选择参数α的选择来实现永磁无刷电机的无直轴电枢反应、铜耗最小等高性能运行。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法的流程示意图，如图1所示，本发明基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法包括以下步骤：
步骤100：根据永磁无刷电机的转子位置，确定永磁无刷电机的实际转速。
步骤200：根据永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值。将给定转速n*与转速实际值n作差，经过转速调节器ASR可以得到合成电流给定值I*。合成电流与给定电磁转矩之间的关系为：
Figure BDA0003171048520000091
式中，T*为电机给定电磁转矩；I*为合成电流；Ke1为基波反电势常数，即基波反电势峰值E1与转速n的比值。
步骤300：获取永磁无刷电机的性能选择参数。性能选择参数为不大于1的非负数，由用户根据对诸如效率、转矩电流比、铜耗及电枢反应等性能方面的需求而设定。具体的，性能选择参数为注入七次谐波的电流与注入总电流之间的比值，即
Figure BDA0003171048520000092
I7为注入七次谐波的电流，I5为注入五次谐波的电流，注入总电流I5、7为注入五次谐波的电流I5与注入七次谐波的电流I7之和。α等于0或1时，表示用户期望仅注入五次或七次谐波电流，实现永磁无刷电机的低转矩脉动运行；α等于0.5时，表示用户期望注入相等的五、七次谐波峰值电流，此时永磁无刷电机同时运行于无直轴电枢反应。
步骤400：根据合成电流给定值和性能选择参数，确定基波电流峰值给定值。具体公式为：
Figure BDA0003171048520000101
其中，
Figure BDA0003171048520000102
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，五次谐波反电势倍数k5和七次谐波反电势倍数k7与基波和五、七次谐波反电势常数Ke1、Ke5、Ke7有关，其中Ke5为五次谐波反电势峰值E5与转速n之比，Ke7为七次谐波反电势峰值E7与转速n之比；kc为最佳谐波电流倍数，是用于抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动而注入的五、七次谐波电流其峰值I51、I71之和与基波电流峰值I1之比。
步骤500：根据基波电流峰值给定值、合成电流给定值和性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值。公式为：
Figure BDA0003171048520000103
步骤600：将五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值注入永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动及最大限度地抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动。具体的注入过程为：
根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure BDA0003171048520000104
然后，将三相电流瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000105
分别与三相电流的实际值iA、iB、iC作差，经过各自的电流调节器ACAR、ACBR、ACCR，得到三相电压瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000111
最后，将三相电压瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000112
经过PWM生成单元输入到功率变换电路中，功率变换电路根据接收到的触发信号驱动永磁无刷电机运行，完成谐波电流的注入过程。
按照上述方式将谐波电流注入后，注入的五、七次谐波电流峰值之和I5、7与基波电流峰值I1的关系满足下式：
I5、7＝I5+I7＝(k5+k7+kc)·I1
式中，I1＞0时，表示基波电流与基波反电势同相；反之，I1＜0时，表示基波电流与基波反电势反相；
Figure BDA0003171048520000113
时，表示五次谐波电流与五次谐波反电势同相；反之，
Figure BDA0003171048520000114
时，表示五次谐波电流与五次谐波反电势反相；
Figure BDA0003171048520000115
时，表示七次谐波电流与七次谐波反电势同相；反之，
Figure BDA0003171048520000116
时，表示七次谐波电流与七次谐波反电势反相。
而且，注入的五次谐波电流峰值I5在注入过程中，分为I50与I51两个分量，七次谐波电流峰值I7在注入过程中，分为I70与I71两个分量。其中，I50与I70用于完全抵消五、七次谐波反电势与基波电流产生的6次转矩脉动，而I51和I71用于抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动，即：
Figure BDA0003171048520000117
此时，最佳谐波电流倍数kc等于I51+I71与基波电流峰值I1之比，具体推导过程在后续具体实施案例中进一步说明。
基于上述方案，本发明还提供一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统，包括：
转速确定模块，用于根据永磁无刷电机的转子位置，确定所述永磁无刷电机的实际转速。
合成电流确定模块，用于根据所述永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值。
性能选择参数获取模块，用于获取所述永磁无刷电机的性能选择参数；所述性能选择参数为不大于1的非负数。
基波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值。
谐波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值。
谐波电流注入模块，用于将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动。
作为具体实施例，本发明的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统中，所述基波电流峰值给定值确定模块具体包括：
反电势常数获取单元，用于获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数。
谐波反电势倍数确定单元，用于根据所述基波反电势常数、所述五次谐波反电势常数和所述七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数。
基波电流峰值确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000121
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure BDA0003171048520000122
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数。
所述反电势常数获取单元，具体包括：
反电势常数获取子单元，用于通过离线试验或有限元仿真，获得不同转子位置下的任一相反电势常数，所述反电势常数为反电势与永磁无刷电机转速的比值。
傅里叶分解子单元，用于对由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，进行傅里叶分解，得到基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数。
所述谐波反电势倍数确定单元，具体包括：
五次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000131
确定所述五次谐波反电势倍数。
七次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000132
确定所述七次谐波反电势倍数。
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0。
三相反电势常数与转子位置关系数据库获取子单元，用于根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
q轴反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
超出七次的非零序q轴谐波反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure BDA0003171048520000133
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
最佳谐波电流倍数确定子单元，用于对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数。
作为具体实施例，本发明的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统中，所述谐波电流峰值给定值确定模块，具体包括：
五次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000141
确定五次谐波电流峰值给定值。
七次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure BDA0003171048520000142
确定七次谐波电流峰值给定值。
式中，
Figure BDA0003171048520000143
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000144
表示七次谐波电流峰值给定值。
作为具体实施例，本发明的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统中，所述谐波电流注入模块，具体包括：
三相电流瞬时值确定单元，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure BDA0003171048520000145
式中，
Figure BDA0003171048520000146
和
Figure BDA0003171048520000147
为所述三相电流瞬时值的给定值；
Figure BDA0003171048520000148
为基波电流峰值给定值，
Figure BDA0003171048520000149
为五次谐波电流峰值给定值，
Figure BDA00031710485200001410
为七次谐波电流峰值给定值。
三相电压瞬时值确定单元，用于将三相电流瞬时值的给定值分别与三相电流的实际值作差，经电流调节器确定三相电压瞬时值的给定值。
永磁无刷电机驱动单元，用于将所述三相电压瞬时值的给定值经过PWM生成单元输入到驱动所述永磁无刷电机运行的功率变换电路中。
下面提供一个具体实施案例来进一步说明本发明的上述方案。图2为本发明具体实施案例中控制系统的结构框图，图3为本发明具体实施案例中基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制控制框图，结合图2-图3所示，本实施案例包括以下步骤：
(1)通过位置传感器获得永磁无刷电机的转子位置θ，转子位置θ经过转速计算单元得到永磁无刷电机的实际转速n；
(2)将转速给定值n*与转速实际值n作差，经过转速调节器ASR得到合成电流给定值I*。合成电流与给定电磁转矩之间的关系为：
Figure BDA0003171048520000151
由此可知合成电流可作为转速调节器的输出。
(3)根据合成电流给定值I*与性能选择参数α，计算出基波电流峰值给定值
Figure BDA0003171048520000152
以及五、七次谐波电流峰值给定值
Figure BDA0003171048520000153
此处公式与前述实施例中公式相同，不再赘述。
(4)将
Figure BDA0003171048520000154
和转子位置θ代入到三相电流计算公式中，得到三相电流瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000155
(5)将三相电流瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000156
分别与由电流传感器检测得到的三相电流的实际值iA、iB、iC作差，经过各自的电流调节器ACAR、ACBR、ACCR，得到三相电压瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000157
三相电压瞬时值的给定
Figure BDA0003171048520000158
Figure BDA0003171048520000159
经过PWM生成单元输入到功率变换电路中，功率变换电路根据接收到的触发信号驱动永磁无刷电机运行。
本实施例中涉及到的基波和五、七次谐波反电势常数Ke1、Ke5、Ke7的获取方法如下：
通过离线试验或有限元仿真，事先获得不同转子位置θ下的任一相反电势常数ke即任一相反电势e与转速n的比值，选取由0开始增加的一个电周期的反电势常数ke与转子位置θ数据，对其进行傅里叶分解得到基波和五、七次谐波反电势常数Ke1、Ke5、Ke7。
本实施例中涉及到的五、七次谐波反电势倍数k5、k7为带有符号的谐波反电势倍数，获取方法如下：
根据永磁无刷电机绕组结构的特点，由前述经傅里叶分解得到的五、七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差仅有0或π的可能，此时五次谐波反电势倍数k5的计算公式为
Figure BDA00031710485200001510
式中，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5代入1，初相位之差为π时s5代入0；
同理，七次谐波反电势倍数k7的计算公式为
Figure BDA0003171048520000161
式中，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7代入1，初相位之差为π时s7代入0；
最佳谐波电流倍数kc的获取方法如下：
根据前述得到的由0开始增加的一个电周期的反电势常数ke与转子位置θ数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，把该数据代入下式
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
计算得到q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，把该q轴反电势常数keq代入下式
Figure BDA0003171048520000162
计算得到超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的最佳谐波电流倍数kc。根据此处最佳谐波电流倍数kc的获取方法，可知最佳谐波电流倍数kc等于I51+I71与基波电流峰值I1之比。
结合图4所示，本实施案例中以理想梯形波反电势为例，图4中(a)部分为A相反电势波形图，对其进行傅里叶分解，得到图4中(b)部分所示的经傅里叶分解后的反电势频谱图，经分解后的反电势基波峰值要远大于其他谐波峰值，且谐波的中主要含量为五次、七次分量。因此，由基波与五次、七次谐波分量相互作用产生的转矩脉动，要远大于其他分量间引起的转矩脉动。此外考虑到相电流基波分量的含量较高，其与超出七次的非零序谐波反电势作用产生转矩脉动亦不可忽略。因此本发明在着重考虑消除由基波分量与五、七次谐波分量相互作用产生的六次转矩脉动的基础上，还考虑最大限度的抑制基波电流与超出七次的非零序谐波反电势作用产生的转矩脉动。
以图4中(c)部分所示的同步旋转d-q坐标系下反电势空间矢量图为例，转子位置处于零位置时，基波和五次、七次谐波的反电势空间矢量分别处于π/2、-π/2、-π/2；在该时刻以图5中(a)部分所示，基波和五次、七次谐波的电流空间矢量与基波反电势空间矢量同向，根据图示可以计算出基于谐波分解下的电磁转矩，其表达式如下：
Figure BDA0003171048520000171
式中，T为电磁转矩，E1、E5、E7分别为基波反电势与五次、七次谐波反电势峰值，I1、I5、I7分别为基波电流与五次、七次谐波电流峰值，Eh为超出七次的非零序谐波反电势，ω为电机电角速度。
由上式知，在非理想反电势情况下，电磁转矩除恒定分量外，还存在6次，12次以及Eh引起的转矩脉动，考虑到12次转矩脉动以及Eh与I5、I7相互作用产生转矩脉动对转矩平滑性的影响微乎其微，故可忽略；
结合图6所示，图6(b)部分为本发明加入抑制策略且设定α＝0.5后输出的电磁转矩波形图，转矩输出平稳，转矩脉动得到了有效抑制；如图6(c)部分所示的当α设定为0.5时，转子永磁体产生的主磁通及其与定子电流产生的磁通进行合成后的气隙合成磁通轨迹，通过对比两者之间关系可以确定在设定α＝0.5时永磁电机无直轴电枢反应。
因此，本发明针对非理想反电势作用下产生的转矩脉动进行抑制，有效的利用谐波分量来抑制永磁无刷电机运行过程中产生的谐波转矩脉动，此外能够在抑制转矩脉动的同时根据用户自行选择的性能选择参数α实现铜耗最小、无直轴电枢反应等高性能运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法，其特征在于，包括：
根据永磁无刷电机的转子位置，确定所述永磁无刷电机的实际转速；
根据所述永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值；
获取所述永磁无刷电机的性能选择参数；所述性能选择参数为不大于1的非负数，所述性能选择参数根据用户期望注入的谐波电流设定，所述性能选择参数为注入七次谐波的电流与注入总电流之间的比值；所述注入总电流为注入五次谐波的电流与注入七次谐波的电流之和；所述注入五次谐波的电流和所述注入七次谐波的电流均为用户期望注入的谐波电流；
根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值，具体包括：
获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000011
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure FDA0003739336830000012
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000013
确定所述五次谐波反电势倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000014
确定所述七次谐波反电势倍数；
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0；
根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure FDA0003739336830000021
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数；
根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003739336830000022
确定五次谐波电流峰值给定值；
利用公式
Figure FDA0003739336830000023
确定七次谐波电流峰值给定值；
式中，
Figure FDA0003739336830000024
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000025
表示七次谐波电流峰值给定值；
将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动及抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动。
2.根据权利要求1所述的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法，其特征在于，所述获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数，具体包括：
通过离线试验或有限元仿真，获得不同转子位置下的任一相反电势常数，所述反电势常数为反电势与永磁无刷电机转速的比值；
对由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，进行傅里叶分解，得到基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数。
3.根据权利要求1所述的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制方法，其特征在于，所述将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，具体包括：
根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure FDA0003739336830000031
式中，
Figure FDA0003739336830000032
和
Figure FDA0003739336830000033
为所述三相电流瞬时值的给定值；θ为转子位置；
Figure FDA0003739336830000034
为基波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000035
为五次谐波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000036
为七次谐波电流峰值给定值；
将三相电流瞬时值的给定值分别与三相电流的实际值作差，经电流调节器确定三相电压瞬时值的给定值；
将所述三相电压瞬时值的给定值经过PWM生成单元输入到驱动所述永磁无刷电机运行的功率变换电路中。
4.一种基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统，其特征在于，包括：
转速确定模块，用于根据永磁无刷电机的转子位置，确定所述永磁无刷电机的实际转速；
合成电流确定模块，用于根据所述永磁无刷电机的给定转速和实际转速，通过转速调节器确定合成电流给定值；
性能选择参数获取模块，用于获取所述永磁无刷电机的性能选择参数；所述性能选择参数为不大于1的非负数，所述性能选择参数根据用户期望注入的谐波电流设定，所述性能选择参数为注入七次谐波的电流与注入总电流之间的比值；所述注入总电流为注入五次谐波的电流与注入七次谐波的电流之和；所述注入五次谐波的电流和所述注入七次谐波的电流均为用户期望注入的谐波电流；
基波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定基波电流峰值给定值，具体包括：
获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000041
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure FDA0003739336830000042
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000043
确定所述五次谐波反电势倍数；
利用公式
Figure FDA0003739336830000044
确定所述七次谐波反电势倍数；
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0；
根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure FDA0003739336830000051
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数；
谐波电流峰值给定值确定模块，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述合成电流给定值和所述性能选择参数，确定五次谐波电流峰值给定值和七次谐波电流峰值给定值，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003739336830000052
确定五次谐波电流峰值给定值；
利用公式
Figure FDA0003739336830000053
确定七次谐波电流峰值给定值；
式中，
Figure FDA0003739336830000054
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000055
表示七次谐波电流峰值给定值；
谐波电流注入模块，用于将所述五次谐波电流峰值给定值和所述七次谐波电流峰值给定值注入所述永磁无刷电机的定子电流中，以抑制五次谐波和七次谐波产生的转矩脉动及抑制超出七次的非零序谐波反电势与基波电流产生的转矩脉动。
5.根据权利要求4所述的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统，其特征在于，所述基波电流峰值给定值确定模块具体包括：
反电势常数获取单元，用于获取基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数；
谐波反电势倍数确定单元，用于根据所述基波反电势常数、所述五次谐波反电势常数和所述七次谐波反电势常数，确定五次谐波反电势倍数、七次谐波反电势倍数和最佳谐波电流倍数；
基波电流峰值确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003739336830000061
确定所述基波电流峰值给定值；其中，
Figure FDA0003739336830000062
为基波电流峰值给定值，I*为合成电流给定值，α为性能选择参数，k5为五次谐波反电势倍数，k7为七次谐波反电势倍数，kc为最佳谐波电流倍数；
所述反电势常数获取单元，具体包括：
反电势常数获取子单元，用于通过离线试验或有限元仿真，获得不同转子位置下的任一相反电势常数，所述反电势常数为反电势与永磁无刷电机转速的比值；
傅里叶分解子单元，用于对由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，进行傅里叶分解，得到基波反电势常数、五次谐波反电势常数和七次谐波反电势常数；
所述谐波反电势倍数确定单元，具体包括：
五次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure FDA0003739336830000063
确定所述五次谐波反电势倍数；
七次谐波反电势倍数计算子单元，用于利用公式
Figure FDA0003739336830000064
确定所述七次谐波反电势倍数；
式中，Ke1为基波反电势常数，Ke5为五次谐波反电势常数，Ke7为七次谐波反电势常数；s5为与五次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s5＝1，当五次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为π时s5＝0；s7为与七次谐波反电势常数初始相位相关的系数，当七次谐波反电势常数与基波反电势常数的初相位之差为0时s7＝1，初相位之差为π时s7＝0；
三相反电势常数与转子位置关系数据库获取子单元，用于根据由0开始增加的一个电周期的反电势常数与转子位置之间的数据，获得三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库；
q轴反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于根据三相反电势常数keA、keB、keC与转子位置θ之间的关系数据库，确定q轴反电势常数keq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
keq(θ)＝-sinθ·keA(θ)-sin(θ-2π/3)·keB(θ)-sin(θ+2π/3)·keC(θ)
式中，keq(θ)表示转子位置为θ时的q轴反电势常数；
超出七次的非零序q轴谐波反电势常数与转子位置关系数据库确定子单元，用于确定超出七次的非零序q轴谐波反电势常数kehq与转子位置θ之间的关系数据库，公式为：
Figure FDA0003739336830000071
式中，kehq(θ)表示转子位置为θ时超出七次的非零序q轴谐波反电势常数；
最佳谐波电流倍数确定子单元，用于对于所有转子位置θ，通过仿真确定使|kehq(θ)+kcKe1cos(6θ)|达到最小值时的kc的取值为最佳谐波电流倍数。
6.根据权利要求5所述的基于谐波分解的永磁无刷电机高性能运行控制系统，其特征在于，所述谐波电流峰值给定值确定模块，具体包括：
五次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure FDA0003739336830000072
确定五次谐波电流峰值给定值；
七次谐波电流峰值给定值计算单元，用于利用公式
Figure FDA0003739336830000073
确定七次谐波电流峰值给定值；
式中，
Figure FDA0003739336830000074
表示五次谐波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000075
表示七次谐波电流峰值给定值；
所述谐波电流注入模块，具体包括：
三相电流瞬时值确定单元，用于根据所述基波电流峰值给定值、所述五次谐波电流峰值给定值、所述七次谐波电流峰值和所述转子位置，确定三相电流瞬时值的给定值；公式为：
Figure FDA0003739336830000081
式中，
Figure FDA0003739336830000082
和
Figure FDA0003739336830000083
为所述三相电流瞬时值的给定值；θ为转子位置；
Figure FDA0003739336830000084
为基波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000085
为五次谐波电流峰值给定值，
Figure FDA0003739336830000086
为七次谐波电流峰值给定值；
三相电压瞬时值确定单元，用于将三相电流瞬时值的给定值分别与三相电流的实际值作差，经电流调节器确定三相电压瞬时值的给定值；
永磁无刷电机驱动单元，用于将所述三相电压瞬时值的给定值经过PWM生成单元输入到驱动所述永磁无刷电机运行的功率变换电路中。
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