CN114189180A - 一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，包括以下步骤：1)建立高精度瞬时转矩模型进行闭环全转矩计算获取电磁转矩；2)通过反馈控制获取反馈补偿谐波电流；3)通过前馈控制获取前馈补偿谐波电流；4)以电机原参考电流、反馈补偿谐波电流以及前馈补偿谐波电流共同构成总参考电流，并根据总参考电流进行永磁同步电机运行控制。与现有技术相比，本发明具有考虑磁场谐波和电流谐波、采用前馈加反馈的控制方法、控制精度高、适用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电机转矩脉动控制领域，尤其是涉及一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
背景技术
电动汽车的快速发展大大促进了电驱动系统的发展，永磁同步电机具有高功率密度、高效率、快响应、简单可靠、方便控制等优势广泛的应用在电动汽车驱动系统中。但是永磁同步电机也存在诸多问题，驱动电机的转矩脉动不仅会削弱驱传动系统的控制性能，当转矩脉动的频率接近传动系统固有频率时，驱传动系统会发生剧烈的共振现象，甚至会导致部件失效。所以车辆驱传动系统永磁同步电机转矩脉动抑制策略的研究具有重大的意义和实际应用价值。
永磁同步电机转矩脉动抑制的研究集中在改善电机结构和主动定子电流控制两个方面，电机结构设计的目标是改善永磁体磁场的分布，但是结构设计复杂，成本高昂，同时也降低了平均转矩的输出能力。
定子电流的主动控制技术包括两种方法，一种通过保证定子三相电流正弦化来抑制转矩脉动，可以消除逆变器死区效应、管压降引起的6n次谐波电流以及电流测量误差引起的1次，2次谐波电流，但是对于齿槽效应、永磁体磁链谐波等电机自身结构因素导致的转矩脉动没有抑制效果。另一种谐波电流注入法是根据电机转矩脉动计算相应的补偿谐波电流，再向电机注入该谐波电流可以最大限度消除电机各类因素导致的转矩脉动。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，包括以下步骤：
1)建立高精度瞬时转矩模型进行闭环全转矩计算获取电磁转矩；
2)通过反馈控制获取反馈补偿谐波电流；
3)通过前馈控制获取前馈补偿谐波电流；
4)以电机原参考电流、反馈补偿谐波电流以及前馈补偿谐波电流共同构成总参考电流，并根据总参考电流进行永磁同步电机运行控制。
所述的步骤1)具体为：
根据永磁同步电机转矩脉动的产生机理，以及定子齿槽效应、磁链谐波、定子电流测量误差、逆变器谐波电流导致的转矩脉动，基于磁能和磁共能建立包含磁链谐波、齿槽转矩、电感谐波、电流谐波的高精度瞬时转矩模型。
所述的步骤1)中，高精度瞬时转矩模型的表达式为：
其中，Te为永磁同步电机的电磁转矩，idq为定子的d-q轴电流，ψadq为电枢电流磁链，θe为转子角度，
为永磁体磁链参数，ψfdq为d-q坐标系下的全磁链的基波成分，Tcog为齿槽转矩。
所述的步骤2)具体为：
基于高精度瞬时转矩模型计算的实时电磁转矩和矢量控制模型转速环输出的参考转矩Te *之间的偏差ΔTe，采用闭环反馈PI控制获取反馈补偿谐波电流
所述的步骤3)中，对高精度瞬时转矩模型进行简化，并且不考虑平均转矩，构建离线转矩脉动模型，采用JMAG电机空载仿真获取离线参数，并采用前馈PI 控制的方法获取前馈补偿谐波电流
对高精度瞬时转矩模型进行简化包括以下假设：
(1)假设输入电流为三相正弦电流，并且假设与模型输出的参考电流相似；
(2)忽略磁阻转矩，假定电感值不随转子角度变化。
所述的步骤3)中，离线转矩脉动模型的表达式为：
其中，TFF为离线转矩脉动，pn为电机极对数，
为电机的d-q轴原参考电流，
为永磁体磁链参数，θe为转子角度，Tcog为齿槽转矩。
所述的步骤4)中，永磁同步电机的d轴原参考电流
直接作为d轴总参考电流
永磁同步电机的q轴原参考电流
与反馈补偿谐波电流
以及前馈补偿谐波电流
共同构成q轴总参考电流
最终由d轴总参考电流
与q轴总参考电流
共同合成总参考电流。
该方法还包括对转矩脉动抑制方法的仿真验证。
所述的仿真验证具体为：
在获取由电机原参考电流、反馈补偿谐波电流以及前馈补偿谐波电流共同构成的总参考电流后，并搭建JMAG-RT高精度电机模型联合MATLAB/Simulink矢量控制模型进行联合仿真验证转矩脉动的抑制效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出的转矩脉动抑制方法采用前馈加反馈控制计算补偿谐波电流，从而抑制转矩脉动，该方法构建的瞬时电磁转矩模型从电机结构的磁场谐波和电流谐波两方面考虑，综合考虑了造成电机转矩脉动的各种因素，采用前馈加反馈的控制策略，避免了单一开环前馈控制离线参数随工作点变化导致的误差；以及单一闭环反馈控制瞬时电磁转矩不准确的问题，另外，本发明提出前馈加反馈控制计算谐波补偿电流，抑制电机转矩脉动，具有更高的精确度和适用性，弥补了各自单一控制的缺陷和不足。
附图说明
图1为转矩脉动抑制策略的结构图。
图2为转矩脉动抑制控制器的Simulink框图。
图3为JMAG-RT电机模型和矢量控制模型联合仿真的结构框图。
图4为转矩脉动策略优化前后的电磁转矩对比图，其中图(4a)为优化前后转矩脉动对比，图(4b)为电机转速稳定后的优化前后电磁转矩优化对比放大图。
图5为电磁转矩谐波阶次分析图，其中图(5a)为未优化的电磁转矩阶次分析图，图(5b)为优化后的电磁转矩阶次图。
图6为三相电流谐波阶次分析图，其中图(6a)为未优化的电磁转矩阶次分析图，图(6b)为优化后的电磁转矩阶次图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，用以计算补偿的谐波电流然后降低电机转矩脉动，包括以下步骤：
A，建立高精度瞬时转矩模型：
分析永磁同步电机转矩脉动的产生机理，重点分析定子齿槽效应、磁链谐波、定子电流测量误差、逆变器谐波电流等导致的转矩脉动。基于磁能和磁共能建立包含磁链谐波、齿槽转矩、电感谐波、电流谐波的高精度瞬时转矩模型。
B，反馈控制获取补偿谐波电流
基于A所构建的高精度瞬时转矩模型计算的实时电磁转矩和矢量控制模型转速环输出的参考转矩之间的偏差，采用闭环反馈PI控制获取补偿谐波电流。
C，前馈控制获取补偿谐波电流
对于A所构建的高精度瞬时转矩模型进行两点简化，一是假设输入的电流是三相正弦电流，并且假设和模型输出的参考电流相似；二是忽略磁阻转矩，假定电感的值不随着转子位置角的变化。基于上面两点假设，并且不考虑平均转矩，构建离线转矩脉动模型，用JMAG电机空载仿真获取离线参数，采用前馈PI控制的方法获取补偿谐波电流；
D，转矩脉动抑制策略仿真验证
电机原参考电流和基于步骤B获取的反馈补偿谐波电流以及步骤C获取的前馈补偿谐波电流共同构成总参考电流，搭建JMAG-RT高精度电机模型联合 MATLAB/Simulink矢量控制模型开展联合仿真验证转矩脉动的抑制效果。
本例中的高精度瞬时电磁转矩模型的表达式为：
其中，Te为永磁同步电机的电磁转矩，idp为定子的d-q轴电流，ψadq为电枢电流磁链，θe为转子角度，
为永磁体磁链参数，ψfdq为d-q坐标系下的全磁链的基波成分，Tcog为齿槽转矩。
该表达式包括五个部分组成，分别是电枢磁链谐波引起的转矩脉动、电流谐波引起的转矩脉动、永磁体磁链引起的转矩脉动、平均电磁转矩以及齿槽转矩。该模型中的各个参数均可以通过常用的位置传感器，电流电压传感器测量，以及电机试验或者有限元仿真获取的离线参数。该高精度瞬时转矩模型计算出的电磁转矩和参考转矩的偏差作为反馈PI控制的输入。
该瞬时转矩模型进行简化假设之后，只考虑转矩脉动部分，获取离线转矩脉动模型的表达式为：
其中，TFF为离线转矩脉动，pn为电机极对数，
为的d-q轴原参考电流，
为永磁体磁链参数，θe为转子角度，Tcog为齿槽转矩。
该模型计算也就是图1中的前馈转矩计算，计算结果作为前馈PI控制的输入。
如图2所示，图2为图1的转矩脉动抑制策略框架的Simulink模型。
如图3所示，JMAG-RT高精度电机模型联合包含转矩脉动抑制策略的电机矢量控制模型的结构框架。
如图4所示，设定了仿真工况电机匀加速到600rpm后恒转速工作，负载设置 5N·m。所得出的转矩脉动抑制策略添加前后的电磁转矩对比。图(4b)的放大图很直观的显示电机稳态后的电磁转矩优化前后的对比。
如图5所示，对优化前后的电磁转矩开展频域阶次分析，图(5a)为优化前的电磁转矩阶次分析，转矩的谐波畸变率THD是15.48％，图(5b)为优化后的电磁转矩阶次图，转矩的谐波畸变率THD为5.11％。因此转矩脉动总谐波畸变率THD 大大降低。
如图6所示，对优化前后的三相电流开展频域阶次分析，图(6a)为优化前的三相电流阶次分析，电流的总谐波畸变率THD是14.92％，图(6b)为优化后的三相电流阶次图，转矩的谐波畸变率THD是17.41％。以上的转矩脉动都是通过补偿谐波电流实现，所以三相电流的THD指数是一直增大的，也就是电流谐波程度变高。
综上，本发明在电驱动系统永磁同步电机矢量控制的基础上采样前馈加反馈控制计算补偿谐波电流，将该电流注入到永磁同步电机中抑制转矩脉动。该方法从电机结构引起的磁场谐波和电流谐波两方面考虑，综合了造成电机转矩脉动的各种因素，最大限度的降低电机转矩脉动，对于电动汽车驱传动系统具有十分重要的研究意义和实际应用价值。
Claims (10)
1.一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立高精度瞬时转矩模型进行闭环全转矩计算获取电磁转矩；
2)通过反馈控制获取反馈补偿谐波电流；
3)通过前馈控制获取前馈补偿谐波电流；
4)以电机原参考电流、反馈补偿谐波电流以及前馈补偿谐波电流共同构成总参考电流，并根据总参考电流进行永磁同步电机运行控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：
根据永磁同步电机转矩脉动的产生机理，以及定子齿槽效应、磁链谐波、定子电流测量误差、逆变器谐波电流导致的转矩脉动，基于磁能和磁共能建立包含磁链谐波、齿槽转矩、电感谐波、电流谐波的高精度瞬时转矩模型。
3.根据权利要求2所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，高精度瞬时转矩模型的表达式为：
其中，Te为永磁同步电机的电磁转矩，idq为定子的d-q轴电流，ψadq为电枢电流磁链，θe为转子角度，
为永磁体磁链参数，ψfdq为d-q坐标系下的全磁链的基波成分，Tcog为齿槽转矩。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
基于高精度瞬时转矩模型计算的实时电磁转矩和矢量控制模型转速环输出的参考转矩
之间的偏差ΔTe，采用闭环反馈PI控制获取反馈补偿谐波电流
5.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，对高精度瞬时转矩模型进行简化，并且不考虑平均转矩，构建离线转矩脉动模型，采用JMAG电机空载仿真获取离线参数，并采用前馈PI控制的方法获取前馈补偿谐波电流
6.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，对高精度瞬时转矩模型进行简化包括以下假设：
(1)假设输入电流为三相正弦电流，并且假设与模型输出的参考电流相似；
(2)忽略磁阻转矩，假定电感值不随转子角度变化。
7.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，离线转矩脉动模型的表达式为：
其中，TFF为离线转矩脉动，pn为电机极对数，
为电机的d-q轴原参考电流，
为永磁体磁链参数，θe为转子角度，Tcog为齿槽转矩。
8.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，永磁同步电机的d轴原参考电流
直接作为d轴总参考电流
永磁同步电机的q轴原参考电流
与反馈补偿谐波电流
以及前馈补偿谐波电流
共同构成q轴总参考电流
最终由d轴总参考电流
与q轴总参考电流
共同合成总参考电流。
9.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，该方法还包括对转矩脉动抑制方法的仿真验证。
10.根据权利要求9所述的一种用于电动汽车永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述的仿真验证具体为：
在获取由电机原参考电流、反馈补偿谐波电流以及前馈补偿谐波电流共同构成的总参考电流后，并搭建JMAG-RT高精度电机模型联合MATLAB/Simulink矢量控制模型进行联合仿真验证转矩脉动的抑制效果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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