CN113809959B - 抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、计算机可读存储介质和装置 - Google Patents

抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、计算机可读存储介质和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质，依据谐波电流与谐波转矩的数量关系，计算出抑制车辆高阶噪声所需的各次高阶谐波电流给定值，同时采用Park变换方法将静止坐标系下各次谐波电流分量采样值变换至各次谐波电流所对应谐波次数的直流坐标系上，并进一步对各次谐波电流的d、q轴分量分别进行闭环调节和控制，然后将谐波电流环输出的谐波电压分量分别变换至基波坐标系下，最终与基波电流环所输出的基波电压分量叠加输出。本发明所述的谐波电流注入方法在车辆高阶噪声抑制的场景下能够达到非常好的效果。

Description

抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、计算机可读存储介 质和装置
技术领域
本发明涉及一种车辆噪声抑制方法，尤其涉及一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质。
背景技术
永磁同步电机的本体设计中不可避免地会产生反电动势的谐波分量，并由此在电机定子绕组内产生谐波电流，在反电动势谐波分量、谐波电流、反电动势基波分量、基波电流的相互作用下会引起电机轴上高阶的转矩脉动，进而形成影响车辆NVH(噪声、振动与声振粗糙度)中的高阶噪声问题。为了降低车辆的噪声，需要采用软件控制的手段采用谐波电流注入的方法降低高阶转矩脉动进而抑制噪声。但是现有的谐波电流注入方法，由于采用谐波电流指令给定为0的原因，对于高阶噪声的抑制效果十分有限，特别是6阶和12阶高阶噪声，目前尚未有较好的抑制方案。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质，能够显著抑制车辆的高阶噪声。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，包括以下步骤：
(1)对三相采样电流进行坐标变换和滤波器处理后得到各次谐波的基波在直流坐标系上各个阶次的谐波电流d轴和q轴分量；所述步骤(1)包括以下过程：
永磁同步电机的U、V、W三相电流采样后经Clark变换和Park变换后至两相同步旋转坐标系得到含有谐波电流在内的总采样电流的d轴和q轴分量，将上述电流的d轴和q轴分量分别经过低通滤波器得到基波电流的d轴和q轴分量，由总采样电流的d轴和q轴分量分别与基波电流的d轴和q轴分量做差值得到总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量；再将总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量分别经反Clark变换和Park变换至各次谐波的同步旋转坐标系得到各次谐波d轴和q轴分量的直流形式。
(2)根据永磁同步电机谐波转矩和转速，计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
该步骤的计算式为：
Figure BDA0003286669110000021
式中，Imi代表i阶谐波电流幅值，Emi代表i阶谐波反电势幅值；T6代表6阶转矩，T12代表12阶转矩，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω代表电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感；
又6阶转矩T6和12阶转矩T12分别表达为：
Figure BDA0003286669110000022
Figure BDA0003286669110000023
其中，
id1＝Im1 sinθ
iq1＝Im1 cosθ
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5)
id11＝Im11 sin(12ωt+11θ+θ11)
iq11＝Im11 cos(12ωt+11θ+θ11)
式中θ5表示5次谐波初始相位，θ11表示11次谐波初始相位；
令id7＝0，iq7＝0，id13＝0，iq13＝0，用数值求解上述方程可得5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。即在设定7次和13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。于是获取了5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
(3)针对6阶和12阶高阶转矩脉动所引发的噪声，6阶谐波转矩通过5次和7次谐波电流控制来抑制噪声，12阶谐波转矩通过11次和13次谐波电流控制来抑制噪声。通过比例积分调节器控制各个阶次谐波电流d轴、q轴分量的输出，将步骤(2)中所得的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，各自差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节，各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出，从而实现针对6阶高阶转矩脉动所引发的噪声抑制。将上述过程中的5次、7次谐波电流替换为11次、13次谐波电流，可以针对12阶高阶转矩脉动所引发的噪声进行抑制。相同的方法同时控制5次、7次、11次、13次谐波电流，可以同时抑制6阶和12阶高阶转矩脉动所引发的噪声。
相应的，提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有用于抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入控制程序，所述谐波电流注入控制程序执行上述的谐波电流注入方法中的步骤。
本发明还提出一种永磁同步电机控制装置，包括信号采集模块、存储器、处理器、比例积分调节器、控制器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的谐波电流注入控制程序，所述信号采集模块用于采样三相电流信号并发送至处理器，所述处理器运行所述谐波电流注入控制程序输出电压控制信号，控制器接收处理器发送的电压控制信号并据此控制永磁同步电机的电压，所述谐波电流注入控制程序执行上述的谐波电流注入方法中的步骤。
有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：本发明给出了谐波电流与谐波转矩的关系，进而依据关系方程计算出抑制车辆高阶噪声所需的各次高阶谐波电流给定值，并进一步对各次谐波电流的d、q轴分量分别进行闭环调节和控制，然后将谐波电流环输出的谐波电压分量分别变换至基波坐标系下，最终与基波电流环所输出的基波电压分量叠加输出。本发明的谐波电流注入方法在车辆噪声抑制的场景下达到非常好的效果。
附图说明
图1是本发明所述的针对6阶转矩脉动噪声抑制的电机控制装置的控制框图；
图2是本发明所述的针对12阶转矩脉动噪声抑制的电机控制装置的控制框图；
图3是本发明所述的内嵌式永磁同步电机谐波电流注入方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，包括以下步骤：
(1)谐波电流变换与提取。
对三相采样电流先进行Clark变换，再通过Park变换分离出谐波电流含量，进而将谐波电流分量变换至各次谐波所需的直流坐标系上提取各个阶次的谐波电流d轴和q轴分量。
永磁同步电机的U、V、W三相电流采样后经Clark变换和Park变换后至两相同步旋转坐标系得到含有谐波电流在内的总采样电流的d轴和q轴分量，将上述电流的d轴和q轴分量分别经过低通滤波器得到基波电流的d轴和q轴分量，由总采样电流的d轴和q轴分量分别与基波电流的d轴和q轴分量做差值得到总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量；再将总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量分别经反Clark变换和反Park变换至5次、7次、11次、13次谐波的同步旋转坐标系得到各次谐波d轴和q轴分量的直流形式。
(2)计算5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值
给出谐波转矩与转速等参数的关系，即
Figure BDA0003286669110000041
式中，T6代表6阶转矩，T12代表12阶转矩，Em1代表基波反电势幅值，Em5代表5次谐波反电势幅值，Em7代表7次谐波反电势幅值，Em11代表11次谐波反电势幅值，Em13代表13次谐波反电势幅值，Im1为基波电流幅值，Im5为5次谐波电流幅值，Im11为11次谐波电流幅值，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感。
又T6和T12分别表达为：
Figure BDA0003286669110000042
/>
Figure BDA0003286669110000043
其中，
id1＝Im1 sinθ (4)
iq1＝Im1 cosθ (5)
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5) (6)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5) (7)
id11＝Im11 sin(12ωt+11θ+θ11) (8)
iq11＝Im11 cos(12ωt+11θ+θ11) (9)
式中θ5表示5次谐波电流初相位，θ11表示11次谐波电流初相位。
令id7＝0，iq7＝0，id13＝0，iq13＝0，联立上述方程，用MATLAB求解可得id5，iq5，id11，iq11。即在设定7次和13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。于是获取了5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
将上述8个值作为8个谐波电流环的给定值，即id5th_ref，iq5th_ref，id7th_ref，id7th_ref，id11th_ref，iq11th_ref，id13th_ref，iq13th_ref。
从而得到各个阶次的谐波电流d轴和q轴分量与各参数的数量关系，其中n为转速，Ω＝2πn：
id5th_ref＝f1(T6,Em5,Em7,Te,n)
iq5th_ref＝g1(T6,Em5,Em7,Te,n)
id7th_ref＝f2(T6,Em5,Em7,Te,n)
id7th_ref＝g2(T6,Em5,Em7,Te,n)
id11th_ref＝f3(T12,Em11,Em13,Te,n)
iq11th_ref＝g3(T12,Em11,Em13,Te,n)
id13th_ref＝f4(T12,Em11,Em13,Te,n)
iq13th_ref＝g4(T12,Em11,Em13,Te,n)
为简化实际注入时的计算，可依据谐波转矩方程计算出在不同转矩和不同转矩工况下的抑制车辆高阶噪声所需的各次高阶谐波电流给定值，并基于此做成以转矩和转速为横纵坐标的二维表。其中，6阶谐波转矩主要与5次和7次谐波电流成函数关系，12阶谐波转矩主要与11次和13次谐波电流成函数关系。基于各次谐波分解为d轴和q轴分量，故制成5次电流谐波d轴分量、5次电流谐波q轴分量、7次电流谐波d轴分量、7次电流谐波q轴分量、11次电流谐波d轴分量、11次电流谐波q轴分量、13次电流谐波d轴分量、13次电流谐波q轴分量共8个二维表。
(3)谐波电流环调节控制。如图1所示，采用比例积分调节器，将谐波电流给定值计算步骤中所得到的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，其分别之差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节。各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出。
如图2所示是本发明所述的针对12阶转矩脉动噪声抑制的电机控制装置的控制框图。采用比例积分调节器，将谐波电流给定值计算步骤中所得到的11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，其分别之差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节。各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出。
如图3是本发明所述的内嵌式永磁同步电机谐波电流注入方法的流程图，同时对5次、7次、11次、13次谐波电流进行闭环调节，实现对6阶和12阶高阶转矩脉动所引发的噪声的有效抑制。
相应的，本发明所述的永磁同步电机控制装置，包括信号采集模块、存储器、处理器、控制器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的谐波电流注入控制程序，所述信号采集模块用于采样三相电流信号并发送至处理器，控制器接收处理器发送的电压控制信号并据此控制永磁同步电机的电压，所述谐波电流注入控制程序执行上述谐波电流注入方法中的步骤。
以上实施例是以内嵌式永磁同步电机为示例进行说明的，本领域技术人员能够将上述谐波电流注入方法应用到表贴式交流电机或其他类型的交流电机中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (6)

1.一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对三相采样电流进行坐标变换和滤波器处理后得到基波和各次谐波在对应的同步旋转坐标系下的d轴和q轴分量；
(2)根据永磁同步电机谐波转矩和转速，计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值；
(3)通过比例积分调节器控制各个阶次谐波电流d轴、q轴分量的输出，将步骤(2)中所得的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，各自差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节，各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出，抑制6阶高阶转矩脉动所引发的噪声；
步骤(2)中所述的计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，计算式为：
Figure FDA0004185366470000011
式中，Imi代表i阶谐波电流幅值，Emi代表i阶谐波反电势幅值；T6代表6阶转矩，T12代表12阶转矩，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感；
又6阶转矩T6和12阶转矩T12分别表达为：
Figure FDA0004185366470000012
Figure FDA0004185366470000013
其中，
id1＝Im1 sinθ
iq1＝Im1 cosθ
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5)
id11＝Im11 sin(12ωt+11θ+θ11)
iq11＝Im11 cos(12ωt+11θ+θ11)
式中θ5表示5次谐波初始相位，θ11表示11次谐波初始相位；
在设定7次和13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，以此作为5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
2.一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对三相采样电流进行坐标变换和滤波器处理后得到基波和各次谐波在对应的同步旋转坐标系下的d轴和q轴分量；
(2)根据永磁同步电机谐波转矩和转速，计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值；
(3)通过比例积分调节器控制各个阶次谐波电流d轴、q轴分量的输出，将步骤(2)中所得的11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，各自差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节，各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出，抑制12阶高阶转矩脉动所引发的噪声；
步骤(2)中所述的计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，计算式为：
Figure FDA0004185366470000021
式中，Imi代表i阶谐波电流幅值，Emi代表i阶谐波反电势幅值；T6代表6阶转矩，T12代表12阶转矩，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感；
又6阶转矩T6和12阶转矩T12分别表达为：
Figure FDA0004185366470000022
Figure FDA0004185366470000023
其中，
id1＝Im1 sinθ
iq1＝Im1 cosθ
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5)
id11＝Im11 sin(12ωt+11θ+θ11)
iq11＝Im11 cos(12ωt+11θ+θ11)
式中θ5表示5次谐波初始相位，θ11表示11次谐波初始相位；
在设定7次和13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，以此作为5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
3.一种抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对三相采样电流进行坐标变换和滤波器处理后得到基波和各次谐波在对应的同步旋转坐标系下的d轴和q轴分量；
(2)根据永磁同步电机谐波转矩和转速，计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值；
(3)通过比例积分调节器控制各个阶次谐波电流d轴、q轴分量的输出，将步骤(2)中所得的5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别作为各阶次谐波电流环的给定参考值，将谐波电流变换与提取步骤中所得到的5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量真实值作为各阶次谐波电流环的真实反馈值，各自差值的净输入量作为各比例积分调节器的输入量进行闭环调节，各比例积分调节器的输出量作为各次谐波电压值，再经过反Park变换至基波坐标系后与基波电压叠加输出，抑制6阶和12阶高阶转矩脉动所引发的噪声；
步骤(2)中所述的计算各次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，计算式为：
Figure FDA0004185366470000031
式中，Imi代表i阶谐波电流幅值，Emi代表i阶谐波反电势幅值；T6代表6阶转矩，T12代表12阶转矩，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感；
又6阶转矩T6和12阶转矩T12分别表达为：
Figure FDA0004185366470000041
Figure FDA0004185366470000042
其中，
id1＝Im1 sinθ
iq1＝Im1 cosθ
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5)
id11＝Im11 sin(12ωt+11θ+θ11)
iq11＝Im11 cos(12ωt+11θ+θ11)
式中θ5表示5次谐波初始相位，θ11表示11次谐波初始相位；
在设定7次和13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次和11次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，以此作为5次、7次、11次、13次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
4.根据权利要求1～3任一项所述的抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下过程：永磁同步电机的U、V、W三相电流采样后经Clark变换和Park变换后至两相同步旋转坐标系得到含有谐波电流在内的总采样电流的d轴和q轴分量，将上述电流的d轴和q轴分量分别经过低通滤波器得到基波电流的d轴和q轴分量，由总采样电流的d轴和q轴分量分别与基波电流的d轴和q轴分量做差值得到总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量；再将总谐波电流在基波坐标系下的d轴和q轴分量分别经反Clark变换和Park变换至各个阶次谐波的同步旋转坐标系得到各次谐波d轴和q轴分量的直流形式。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有用于抑制车辆高阶噪声的谐波电流注入控制程序，所述谐波电流注入控制程序执行权利要求1～3任一项所述的谐波电流注入方法中的步骤。
6.一种永磁同步电机控制装置，其特征在于，包括信号采集模块、存储器、处理器、比例积分调节器、控制器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的谐波电流注入控制程序，所述信号采集模块用于采样三相电流信号并发送至处理器，所述处理器运行所述谐波电流注入控制程序输出电压控制信号，控制器接收电压控制信号并据此控制永磁同步电机的电压，所述谐波电流注入控制程序执行权利要求1～3任一项所述的谐波电流注入方法中的步骤。
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