CN114244215A - 基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法 - Google Patents

基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法，本方法通过台架模型标定和示波器测量，得到电机谐波电磁转矩模型参数，构造基础谐波扭矩电流，获取基波磁链、谐波磁链及交叉耦合静态电感并存储静态电感的二维曲面关系，在考虑电流环调节带宽的前提下，计算谐波注入电流，进行不同速度下的注入谐波电流的相位和幅度自动调节，即根据电流环的调节能力自动适配注入谐波电流，具有精确的谐波转矩抑制能力。本方法克服传统电机谐波转矩抑制的缺陷，有效降低电机驱动系统的振动，提高电机的电控性能。

Description

基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法。
背景技术
通常，在建立永磁同步电机数学模型时，一般假设相绕组中感应电动势为正弦波；但事实上，由于电动机及其中永磁体制造工艺等的限制，永磁体产生的励磁磁场含有大量的谐波，转子磁场并不是理想的正弦波。通过分析，永磁体在三相定子绕组中产生的磁通为：
Figure BDA0003375651040000011
其中，
Figure BDA0003375651040000012
分别为A相、B相和C相磁通，ψ2i-1为各阶次磁链，θe为转子位置；
将三相定子绕组abc静止坐标系磁通变换到旋转dq坐标系，可以得到转子磁场谐波在旋转dq坐标系上的分量，由此可推得永磁同步电机在反电动势谐波作用下的电磁转矩：
Figure BDA0003375651040000013
其中，isd、isq分别为dq轴电流；Ld、Lq分别为dq轴交叉耦合静态电感，记为Ld(id,iq)、Lq(id,iq)；ψ1、
Figure BDA0003375651040000014
分别为基波磁链和谐波磁链；θe为转子位置；np为电机极对数。
可见，输出转矩中含有丰富的6倍频谐波脉动，其幅度大小是由转子谐波磁链赋值和dq轴电流同时决定的。6倍频阶次振动在电机驱动系统中较为常见，但在新能源汽车电机驱动系统中有可能产生显著振动，尤其是系统还存在其它谐波转矩，如6倍频的齿槽转矩，两者互相叠加后，使系统的振动更加明显。
目前，为了消除电磁转矩中的6倍频转矩脉动，相关文献中通过构造谐波电流，使构造的谐波电流和谐波磁链产生的转矩抵消式(2)中的谐波转矩，将构造的谐波电流叠加到电流指令中，则可以实现对应次谐波转矩脉动的抑制。但均未考虑电流环调节器对构造的谐波电流的幅度衰减和相位滞后作用，当速度指令发生变化时，往往达不到令人满意的补偿效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法，本方法克服传统电机谐波转矩抑制的缺陷，通过台架模型标定和示波器测量，得到电机谐波电磁转矩模型参数，构造基础谐波扭矩电流，在考虑电流环调节带宽的前提下，可进行不同速度下的注入谐波电流的相位和幅度自动调节，实现电机谐波转矩的精确抑制。
为解决上述技术问题，本发明基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法包括如下步骤：
步骤一、在对拖实验台架上，给定测功电机转速为被测电机额定转速ωn，对应频率为电机额定频率f，拖动被测电机运行，使用示波器同时测量被测电机的两路线电压uab、uca；
步骤二、根据线电压计算相电压usa，并保存数据系列，其中，相电压
Figure BDA0003375651040000021
步骤三、在电机额定频率f下对相电压usa进行离线FFT分析，得出反电势电压频谱，记录频谱系列电压峰值；
步骤四、利用记录的频谱系列电压峰值数据，计算电机转子磁链幅值频谱:
Figure BDA0003375651040000022
Figure BDA0003375651040000023
Figure BDA0003375651040000024
Figure BDA0003375651040000025
Figure BDA0003375651040000026
Λ
其中，ψ1为基波磁链幅值；ψ5、ψ7、ψ11、ψ13、Λ为谐波磁链幅值；ωe＝2πf为被测电机额定电角速度；V1、V5、V7、V11、V13、Λ分别为频谱系列电压峰值；
步骤五、获取交叉耦合静态电感Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，被测电机分别在电动和发电工况下获取dq轴磁通λd(id,iq)、λq(id,iq)，计算所有电流组合点对应的静态电感：
Figure BDA0003375651040000031
Figure BDA0003375651040000032
其中，idCmd和iqCmd分别为获取参数测试时给定电流指令，ψ1为基波磁链；
得到每个电流点对应静态电感后，根据设定的标定电流步长，利用Matlab工具拟合得到电流与静态电感的二维曲面关系Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，存储该二维曲面关系；
步骤六、谐波电流幅度补偿系数计算，设基波运行频率为f0，结合电流环运行带宽fc计算：
Figure BDA0003375651040000033
其中，A为谐波电流幅度补偿系数，fmax为谐波注入最大运行基波频率，其选择保证最小正弦周期内电流采样点数至少为7，A1为基波0Hz时的谐波转矩偏置补偿系数；
在基波0Hz时，给定isqCmd为峰值电流的0.707倍，isdCmd为负峰值电流0.707倍，通过调整谐波转矩偏置补偿系数A1的值，使电机输出转矩大小为：
Figure BDA0003375651040000034
步骤七、计算谐波注入电流：
Figure BDA0003375651040000035
其中，i为谐波转矩阶次；A为谐波电流幅度补偿系数，由电流环运行带宽对信号的衰减作用决定；isdCmd、isqCmd为矢量控制时给定电流指令；θe'＝θeCur+ωeCmdT，ωeCmd为电机速度指令电角速度，
Figure BDA0003375651040000036
fc为电流环运行带宽，θeCur＝θe-ωeCmdτf，τf为电流环硬件电路采样延迟时间，θe为电机反馈转子位置；
步骤八、q轴电流指令修正为：
iq＝isqCmd-iqc
从而实现电机谐波转矩的抑制。
进一步，所述步骤六中，fmax在不同谐波抑制次数时的值不同，谐波电流幅度补偿系数A的表达式计算结果也不同，据此，将步骤七中谐波注入电流iqc表达式的不同谐波次数分开表示，再与对应的谐波电流幅度补偿系数A相乘，得到较高次数谐波阶次的谐波转矩抑制。
由于本发明基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法采用了上述技术方案，即本方法通过台架模型标定和示波器测量，得到电机谐波电磁转矩模型参数，构造基础谐波扭矩电流，获取基波磁链、谐波磁链及交叉耦合静态电感并存储静态电感的二维曲面关系，在考虑电流环调节带宽的前提下，计算谐波注入电流，进行不同速度下的注入谐波电流的相位和幅度自动调节，即根据电流环的调节能力自动适配注入谐波电流，具有精确的谐波转矩抑制能力。本方法克服传统电机谐波转矩抑制的缺陷，有效降低电机驱动系统的振动，提高电机的电控性能。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本方法谐波电流注入结构框图；
图2为本方法谐波电流注入在矢量控制中的结构框图。
具体实施方式
实施例如图1和图2所示，本发明基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法包括如下步骤：
步骤一、在对拖实验台架上，给定测功电机转速为被测电机额定转速ωn，对应频率为电机额定频率f，拖动被测电机运行，使用示波器同时测量被测电机的两路线电压uab、uca；
步骤二、根据线电压计算相电压usa，并保存数据系列，其中，相电压
Figure BDA0003375651040000041
步骤三、在电机额定频率f下对相电压usa进行离线FFT分析，得出反电势电压频谱，记录频谱系列电压峰值；
步骤四、利用记录的频谱系列电压峰值数据，计算电机转子磁链幅值频谱:
Figure BDA0003375651040000042
Figure BDA0003375651040000043
Figure BDA0003375651040000044
Figure BDA0003375651040000045
Figure BDA0003375651040000046
Λ
其中，ψ1为基波磁链幅值；ψ5、ψ7、ψ11、ψ13、Λ为谐波磁链幅值；ωe＝2πf为被测电机额定电角速度；V1、V5、V7、V11、V13、Λ分别为频谱系列电压峰值；
步骤五、获取交叉耦合静态电感Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，被测电机分别在电动和发电工况下获取dq轴磁通λd(id,iq)、λq(id,iq)，计算所有电流组合点对应的静态电感：
Figure BDA0003375651040000051
Figure BDA0003375651040000052
其中，idCmd和iqCmd分别为获取参数测试时给定电流指令，ψ1为基波磁链；
得到每个电流点对应静态电感后，根据设定的标定电流步长，利用Matlab工具拟合得到电流与静态电感的二维曲面关系Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，存储该二维曲面关系；
步骤六、谐波电流幅度补偿系数计算，设基波运行频率为f0，结合电流环运行带宽fc计算：
Figure BDA0003375651040000053
其中，A为谐波电流幅度补偿系数，fmax为谐波注入最大运行基波频率，其选择保证最小正弦周期内电流采样点数至少为7，A1为基波0Hz时的谐波转矩偏置补偿系数；
在基波0Hz时，给定isqCmd为峰值电流的0.707倍，isdCmd为负峰值电流0.707倍，通过调整谐波转矩偏置补偿系数A1的值，使电机输出转矩大小为：
Figure BDA0003375651040000054
步骤七、计算谐波注入电流：
Figure BDA0003375651040000055
其中，i为谐波转矩阶次；A为谐波电流幅度补偿系数，由电流环运行带宽对信号的衰减作用决定；isdCmd、isqCmd为矢量控制时给定电流指令(见图2)；θe'＝θeCur+ωeCmdT，ωeCmd为电机速度指令电角速度，
Figure BDA0003375651040000061
fc为电流环运行带宽，θeCur＝θe-ωeCmdτf，τf为电流环硬件电路采样延迟时间，θe为电机反馈转子位置；
步骤八、q轴电流指令修正为：
iq＝isqCmd-iqc
从而实现电机谐波转矩的抑制。
优选的，所述步骤六中，fmax在不同谐波抑制次数时的值不同，谐波电流幅度补偿系数A的表达式计算结果也不同，据此，将步骤七中谐波注入电流iqc表达式的不同谐波次数分开表示，再与对应的谐波电流幅度补偿系数A相乘，得到较高次数谐波阶次的谐波转矩抑制。
本方法通过台架模型标定和示波器测量的方式，得到电机的谐波电磁转矩模型参数，即交叉耦合静态电感、基波磁链和谐波磁链，然后构造出基础谐波扭矩电流，对参考电流进行修正，在考虑电流环调节带宽的前提下，可进行不同速度下的注入谐波电流的相位和幅度自动调节，即根据电流环的调节能力自动适配注入谐波电流，具有精确的谐波转矩抑制能力。其最终修正电流具有如下的数学表达形式：
iq＝isqCmd-A×isqComp
其中，A为谐波电流幅度补偿系数；isqComp为构造的谐波扭矩电流，isqComp＝iqc/A。
本方法有效抑制电机谐波转矩，降低电机驱动系统的振动，提高电机的电控性能。

Claims (2)

1.一种基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、在对拖实验台架上，给定测功电机转速为被测电机额定转速ωn，对应频率为电机额定频率f，拖动被测电机运行，使用示波器同时测量被测电机的两路线电压uab、uca；
步骤二、根据线电压计算相电压usa，并保存数据系列，其中，相电压
Figure FDA0003375651030000011
步骤三、在电机额定频率f下对相电压usa进行离线FFT分析，得出反电势电压频谱，记录频谱系列电压峰值；
步骤四、利用记录的频谱系列电压峰值数据，计算电机转子磁链幅值频谱:
Figure FDA0003375651030000012
其中，ψ1为基波磁链幅值；ψ5、ψ7、ψ11、ψ13、Λ为谐波磁链幅值；ωe＝2πf为被测电机额定电角速度；V1、V5、V7、V11、V13、Λ分别为频谱系列电压峰值；
步骤五、获取交叉耦合静态电感Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，被测电机分别在电动和发电工况下获取dq轴磁通λd(id,iq)、λq(id,iq)，计算所有电流组合点对应的静态电感：
Figure FDA0003375651030000013
Figure FDA0003375651030000014
其中，idCmd和iqCmd分别为获取参数测试时的给定电流指令，ψ1为基波磁链；
得到每个电流点对应静态电感后，根据设定的标定电流步长，利用Matlab工具拟合得到电流与静态电感的二维曲面关系Ld(id,iq)、Lq(id,iq)，存储该二维曲面关系；
步骤六、谐波电流幅度补偿系数计算，设基波运行频率为f0，结合电流环运行带宽fc计算：
Figure FDA0003375651030000021
其中，A为谐波电流幅度补偿系数，fmax为谐波注入最大运行基波频率，其选择保证最小正弦周期内电流采样点数至少为7，A1为基波0Hz时的谐波转矩偏置补偿系数；
在基波0Hz时，给定isqCmd为峰值电流的0.707倍，isdCmd为负峰值电流0.707倍，通过调整谐波转矩偏置补偿系数A1的值，使电机输出转矩大小为：
Figure FDA0003375651030000022
步骤七、计算谐波注入电流：
Figure FDA0003375651030000023
其中，i为谐波转矩阶次；A为谐波电流幅度补偿系数，由电流环运行带宽对信号的衰减作用决定；isdCmd、isqCmd为矢量控制时给定电流指令；θe'＝θeCur+ωeCmdT，ωeCmd为电机速度指令电角速度，
Figure FDA0003375651030000024
fc为电流环运行带宽，θeCur＝θe-ωeCmdτf，τf为电流环硬件电路采样延迟时间，θe为电机反馈转子位置；
步骤八、q轴电流指令修正为：
iq＝isqCmd-iqc
从而实现电机谐波转矩的抑制。
2.根据权利要求1所述的基于电流注入的电机谐波转矩抑制方法，其特征在于：所述步骤六中，fmax在不同谐波抑制次数时的值不同，谐波电流幅度补偿系数A的表达式计算结果也不同，据此，将步骤七中谐波注入电流iqc表达式的不同谐波次数分开表示，再与对应的谐波电流幅度补偿系数A相乘，得到较高次数谐波阶次的谐波转矩抑制。
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