CN113507250B - 一种内置式永磁同步电机电流谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机电流谐波抑制方法。提取出电机的d、q电流中的6次电流谐波特征量；将6次电流谐波特征量分别通过PI控制器处理；对PI控制器输出结果添加上前馈解耦项获得6次电压谐波特征量；对6次电压谐波特征量进行电压修正；将修正后的6次电压谐波特征量转换为6次电压扰动的形式，注入到内置式永磁同步电机的控制中。本发明能够实现电流谐波的抑制，以消除内置式永磁同步电机中的电流谐波。

Description

一种内置式永磁同步电机电流谐波抑制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域的一种电机控制方法，更具体的说，是涉及一种内置式永磁同步电机电流谐波抑制方法。

背景技术

内置式永磁同步电机(IPMSM)具有结构紧凑、功率密度高等优点，被广泛应用于电动汽车驱动系统当中。理想情况下，电机的相电流应为标准的正弦波形。然而实际运行过程中，非理想因素会使电机的相电流中包含一定量的谐波，从而会引起额外的电机损耗。因此有效的抑制电流谐波，对保证IPMSM的稳态运行品质十分重要。

近年来有学者提出了基于多倍频同步旋转坐标变换(MSRFT)的电流谐波抑制策略，该策略以提取相电流中某一频次的电流谐波特征量为目标。该策略由电流谐波特征量的提取和谐波电压注入两个部分组成。

而电压谐波注入是电流谐波抑制方法的关键。目前的方法一般通常将提取得到的5、7次电流谐波特征量经过四个PI调节器来产生期望的6次电压谐波，然后将其注入到控制系统当中。然而由于提取的5、7次电流谐波特征量相互耦合，因此PI调节器之间会相互影响。其次，5、7次电流谐波特征量与控制系统中的6次电压扰动之间的数学关系尚不清晰。实际上除了电机本身永磁体磁链谐波和逆变器死区会带来电压扰动外，矢量控制系统中的电流调节器也会引入额外的电压扰动，从而进一步影响电机电流谐波。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种内置式永磁同步电机电压谐波注入方法，以实现电流谐波的抑制，以消除内置式永磁同步电机中的电流谐波。

如图2所示，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及内置式永磁同步电机、两电平逆变器和控制器，内置式永磁同步电机和两电平逆变器连接，内置式永磁同步电机和两电平逆变器均和控制器连接。

本发明通过对推导内置式永磁同步电机电流环中，6次电流谐波特征量和6次电压谐波特征量的关系，从而生成6次注入的6次电压谐波进行控制，以消除内置式永磁同步电机中的电流谐波。

方法包括以下步骤：

1)提取出内置式永磁同步电机的d、q电流中的6次电流谐波特征量I_d6cosμ_d6、I_d6sinμ_d6、I_q6cosμ_q6和I_q6sinμ_q6；其中，I_d6cosμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_d6sinμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波正弦分量，I_q6cosμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_q6sinμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波正弦分量；

2)将步骤1)得到的6次电流谐波特征量分别通过PI控制器处理；

3)对步骤2)的PI控制器输出结果添加上前馈解耦项获得6次电压谐波特征量；

4)对步骤3)得到的6次电压谐波特征量进行电压修正；

5)将修正后的6次电压谐波特征量转换为6次电压扰动的形式，注入到内置式永磁同步电机的控制当中。具体是将生成的电压谐波扰动加到内置式永磁同步电机的电流环中电流控制器的输出上，进而生成PWM调制信号对内置式永磁同步电机进行反馈控制。

本发明中建立以下6次电流谐波特征量和6次电压谐波特征量之间的关系，具体如下：

其中，

式中，V_d6cosγ_d6*为d轴电流中6次电流谐波余弦分量；V_d6sinγ_d6*为d轴电流中6次电流谐波正弦分量；V_q6cosγ_q6*为q轴电流中6次电流谐波余弦分量；V_q6sinγ_q6*为q轴电流中6次电流谐波正弦分量；I_d6、I_q6、μ_d6和μ_q6分别为6次电流谐波的幅值和初始相位角；χ_d和χ_q为d、q轴的6次电流谐波幅值与6次电压扰动幅值之间的比值；Δδ_d和Δδ_q为d、q轴的6次电流谐波的相位角与6次电压扰动的相位角之间的差值。R为内置式永磁同步电机的定子电阻；ω_e为内置式永磁同步电机的电角速度；L_d和L_q为内置式永磁体同步电机的d、q轴电感；k_id、k_pd、k_iq和k_pq分别为电流环PI控制器的PI参数。

所述的步骤3)具体为：

首先建立前馈解耦项为：

式中，ΔV_d1、ΔV_d2分别为d轴的第一、第二前馈解耦项；ΔV_q1、ΔV_q2分别为q轴的第一、第二前馈解耦项。

然后按照以下方式在PI控制器输出结果基础上添加前馈解耦项获得6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6*、V_d6sinγ_d6*、V_q6cosγ_q6*和V_q6sinγ_q6*：

式中，I_d6、I_q6分别为6次电流谐波的幅值；μ_d6*和μ_q6*分别为6次电流谐波的初始相位角；Δδ_d和Δδ_q为d、q轴的6次电流谐波的相位角与6次电压扰动的相位角之间的差值，χ_d和χ_q为d、q轴的6次电流谐波幅值与6次电压扰动幅值之间的比值；V_d6cosγ_d6*表示前馈解耦后的d轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_d6sinγ_d6*表示前馈解耦后的d轴电流中6次电压谐波正弦分量，V_q6cosγ_q6*表示前馈解耦后的q轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_q6sinγ_q6*表示前馈解耦后的q轴电流中6次电压谐波正弦分量。

分别为四个6次电流谐波特征量I_d6cosμ_d6、I_d6sinμ_d6、I_q6cosμ_q6和I_q6sinμ_q6分别输入到PI控制器后获得的PI控制器的输出结果。

所述的步骤4)中，按照以下方式对6次电压谐波特征量进行修正，获得修正后的6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6 ^IN、V_d6sinγ_d6 ^IN、V_q6cosγ_q6 ^IN、V_q6sinγ_q6 ^IN：

其中，V_d6cosγ_d6 ^IN表示修正后的d轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_d6sinγ_d6 ^IN表示修正后的d轴电流中6次电压谐波正弦分量，V_q6cosγ_q6 ^IN表示修正后的q轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_q6sinγ_q6 ^IN表示修正后的q轴电流中6次电压谐波正弦分量；φ_TD为数字控制延时和一个控制周期内转子位置变化造成的电压扰动相位角的误差值；

所述的误差值φ_TD计算为：

φ_TD＝2T_skω_e

式中，T_s为控制周期；ω_e为内置式永磁同步电机的电角速度；k表示d、q电流中谐波的阶次，具体实施中取为6。

所述的步骤5)中，6次电压谐波特征量转换到6次电压扰动，具体表示为：

式中，Δv_{d6_in}和Δv_{q6_in}分别为注入到内置式永磁同步电机的电压谐波扰动。

上述方法形成的控制系统如图1所示。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以有效的抑制内置式永磁同步电机矢量控制系统中的d、q轴电流中的6次电流谐波；

(2)本发明中的电流谐波抑制方法可以适用于内置式永磁同步电机控制的暂稳态过程，不需要暂稳态的切换过程。不会影响基波电流的控制性能；

(3)本发明将有效的减少内置式永磁同步电机的谐波层次的损耗。

附图说明

图1为内置式永磁同步电机矢量控制电流谐波抑制系统框图。

图2为本发明提出的电压谐波注入框图。

图3为未实施本发明提出的电流谐波抑制策略时的d、q轴电流波形图。

图4为实施本发明提出的电流谐波抑制策略后的d、q轴电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方案对本发明进一步详细说明。

如图2所示，本发明包括以下步骤：

1)提取出内置式永磁同步电机的d、q电流中的6次电流谐波特征量I_d6cosμ_d6、I_d6sinμ_d6、I_q6cosμ_q6和I_q6sinμ_q6；其中，I_d6cosμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_d6sinμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波正弦分量，I_q6cosμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_q6sinμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波正弦分量；

2)将步骤1)得到的6次电流谐波特征量分别通过PI控制器处理；

3)对步骤2)的PI控制器输出结果添加上前馈解耦项获得6次电压谐波特征量；

首先建立前馈解耦项为：

然后按照以下方式在PI控制器输出结果基础上添加前馈解耦项获得6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6*、V_d6sinγ_d6*、V_q6cosγ_q6*和V_q6sinγ_q6*：

4)对步骤3)得到的6次电压谐波特征量进行电压修正；

按照以下方式对6次电压谐波特征量进行修正，获得修正后的6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6 ^IN、V_d6sinγ_d6 ^IN、V_q6cosγ_q6 ^IN、V_q6sinγ_q6 ^IN：

所述的误差值φ_TD计算为：

φ_TD＝2T_skω_e

具体实施中k取为6。

5)将修正后的6次电压谐波特征量转换为6次电压扰动的形式，注入到内置式永磁同步电机的控制当中。具体是将电压谐波扰动加到内置式永磁同步电机的电流环中电流控制器的输出上，进而输入到逆变器生成PWM调制信号对内置式永磁同步电机进行反馈控制。

步骤5)中，6次电压谐波特征量转换到6次电压扰动，具体表示为：

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

为了验证所提出电流谐波特征量提取方法的可行性，在Matlab/Simulik平台上进行仿真验证，并在内置式永磁同步电机的实验平台上进行了实验验证。图3为图3为未实施本发明提出的电流谐波抑制策略时的d、q轴电流波形。图4为实施本发明提出的电流谐波抑制策略后的d、q轴电流波形。从结果中可以看出提出的方法可以有效的消除电流谐波，取得了突出显著的技术效果。

Claims (1)

1.一种内置式永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于：方法包括以下步骤：

1)提取出内置式永磁同步电机的d、q电流中的6次电流谐波特征量I_d6cosμ_d6、I_d6sinμ_d6、I_q6cosμ_q6和I_q6sinμ_q6；其中，I_d6cosμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_d6sinμ_d6表示d轴电流中6次电流谐波正弦分量，I_q6cosμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波余弦分量，I_q6sinμ_q6表示q轴电流中6次电流谐波正弦分量；

2)将步骤1)得到的6次电流谐波特征量分别通过PI控制器处理；

3)对步骤2)的PI控制器输出结果添加上前馈解耦项获得6次电压谐波特征量；

所述的步骤3)具体为：

首先建立前馈解耦项为：

式中，ΔV_d1、ΔV_d2分别为d轴的第一、第二前馈解耦项；ΔV_q1、ΔV_q2分别为q轴的第一、第二前馈解耦项；

然后按照以下方式在PI控制器输出结果基础上添加前馈解耦项获得6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6*、V_d6sinγ_d6*、V_q6cosγ_q6*和V_q6sinγ_q6*：

式中，I_d6、I_q6分别为6次电流谐波的幅值；μ_d6*和μ_q6*分别为6次电流谐波的初始相位角；Δδ_d和Δδ_q为d、q轴的6次电流谐波的相位角与6次电压扰动的相位角之间的差值，χ_d和χ_q为d、q轴的6次电流谐波幅值与6次电压扰动幅值之间的比值；V_d6cosγ_d6*表示前馈解耦后的d轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_d6sinγ_d6*表示前馈解耦后的d轴电流中6次电压谐波正弦分量，V_q6cosγ_q6*表示前馈解耦后的q轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_q6sinγ_q6*表示前馈解耦后的q轴电流中6次电压谐波正弦分量；

4)对步骤3)得到的6次电压谐波特征量进行电压修正；

所述的步骤4)中，按照以下方式对6次电压谐波特征量进行修正，获得修正后的6次电压谐波特征量V_d6cosγ_d6 ^IN、V_d6sinγ_d6 ^IN、V_q6cosγ_q6 ^IN、V_q6sinγ_q6 ^IN：

其中，V_d6cosγ_d6 ^IN表示修正后的d轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_d6sinγ_d6 ^IN表示修正后的d轴电流中6次电压谐波正弦分量，V_q6cosγ_q6 ^IN表示修正后的q轴电流中6次电压谐波余弦分量，V_q6sinγ_q6 ^IN表示修正后的q轴电流中6次电压谐波正弦分量；φ_TD为数字控制延时和一个控制周期内转子位置变化造成的电压扰动相位角的误差值；

所述的误差值φ_TD计算为：

φ_TD＝2T_skω_e

式中，T_s为控制周期；ω_e为内置式永磁同步电机的电角速度；k表示d、q电流中谐波的阶次；

5)将修正后的6次电压谐波特征量转换为6次电压扰动的形式，注入到内置式永磁同步电机的控制当中；

所述的步骤5)中，6次电压谐波特征量转换到6次电压扰动，具体表示为：

式中，Δv_{d6_in}和Δv_{q6_in}分别为注入到内置式永磁同步电机的电压谐波扰动。

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