CN116404927A - 一种氢燃料电池汽车的pmsm电流谐波动态抑制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，包括：切换控制模块、直流母线电压调节模块、补偿电压调节模块、动力源模块、电机调速模块、dq轴电流获取模块、SVPWM控制器、三相逆变器和永磁同步电机；其中，切换控制模块用于根据氢燃料电池汽车当前的运行模式和电流谐波畸变率，生成第一类切换信号或第二类切换信号；直流母线电压调节模块用于根据第一类切换信号或第二类切换信号对系统运行工况数据进行解析，得到PWM修正信号并反馈至动力源模块；补偿电压调节模块用于根据第二类切换信号对电流传感器传输的三相电流进行解析，得到dq轴补偿电压并反馈至电机调速模块。本发明可实现在不同车辆运行模式下的电流谐波抑制。

Description

一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体是涉及一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统。
背景技术
PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor，永磁同步电机)具有功率密度高、体积小、运行速度范围广等优点，为大部分氢燃料电池汽车所选用。由于PMSM存在齿槽效应和转子磁极结构引起的气隙磁场畸变，同时逆变器存在死区时间、管压降等非线性特性以及SVPWM调制比，使得PMSM在运行时产生具有一定谐波分量的电流谐波，其中以5、7次谐波含量最高、影响最大。电流谐波会引起额外的损耗并产生转矩波动，使得PMSM产生振动和噪声，降低汽车的运行性能，甚至会使汽车转动不稳。
目前对PMSM电流谐波抑制的研究主要集中在永磁同步电机设计方法和控制算法两方面，并且对永磁同步电机的控制策略主要聚焦于如何让永磁同步电机获得更好的调速性能以及更加稳定的转矩输出。但是由于道路环境的影响，氢燃料电池汽车在运行过程中可能需要频繁地执行加速、减速、怠速等不同运行模式之间的切换，使得PMSM产生的电流谐波相应地不断变化，但是针对氢燃料电池汽车处于不同运行模式下的PMSM电流谐波抑制理论鲜有研究，即现有PMSM电流谐波抑制的相关研究工作并不能有效地解决氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波抑制问题。
发明内容
本发明提供一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
第一方面，提供一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，包括切换控制模块、直流母线电压调节模块、补偿电压调节模块、动力源模块、电机调速模块、dq轴电流获取模块、SVPWM控制器、三相逆变器和永磁同步电机，在所述永磁同步电机上设置电流传感器、转角传感器和转速传感器；
所述电机调速模块用于生成αβ轴电压；
所述SVPWM控制器用于根据αβ轴电压生成空间矢量控制信号；
所述三相逆变器用于根据空间矢量控制信号和所述动力源模块提供的直流母线电压，生成三相电流以驱动所述永磁同步电机运行；
所述dq轴电流获取模块用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成dq轴电流并反馈至所述电机调速模块；
所述切换控制模块用于根据氢燃料电池汽车当前的运行模式和电流谐波畸变率，生成第一类切换信号或者第二类切换信号；
所述直流母线电压调节模块用于根据第一类切换信号或者第二类切换信号对系统运行工况数据进行解析，得到PWM修正信号并反馈至所述动力源模块；
所述补偿电压调节模块用于根据第二类切换信号对所述电流传感器传输的三相电流进行解析，得到dq轴补偿电压并反馈至所述电机调速模块。
进一步地，所述切换控制模块包括：
第一生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于起步模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，或者在识别氢燃料电池汽车当前处于加速、制动、行驶和爬坡中的任一种运行模式且电流谐波畸变率未超过既定阈值时，生成第一切换信号；
第二生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于行驶模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，生成第二切换信号；
第三生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于加速、制动和爬坡中的任一种运行模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，生成第三切换信号；
信号输出单元，用于将第一切换信号作为第一类切换信号输出至所述直流母线电压调节模块；或者用于将第二切换信号或者第三切换信号作为第二类切换信号输出至所述直流母线电压调节模块和所述补偿电压调节模块。
进一步地，所述既定阈值为满足电流谐波标准条件下的电流谐波畸变率。
进一步地，所述动力源模块包括：
氢燃料电池，用于输出供电电压；
DC/DC变换器，用于根据给定的期望PWM信号将供电电压转换为直流母线电压，或者用于根据PWM修正信号将供电电压转换为直流母线电压。
进一步地，所述直流母线电压调节模块包括：
模型构建单元，用于通过系统实测方式构建调制系数与三相电流谐波含量之间的关系模型以及三相电流谐波含量与直流母线电压之间的关系模型，其中的调制系数为所述三相逆变器的输出电压与直流母线电压之比；
信号更新单元，用于根据构建的两个关系模型确定关于调制系数的适应度函数，通过遗传算法对获取的系统运行工况数据进行迭代分析，在迭代过程中将所述DC/DC变换器所需的PWM修正信号作为个体进行编码，直至选取出最优个体之后对其进行解码处理以得到最终的PWM修正信号输出；其中的系统运行工况数据包括在当前运行模式下的永磁同步电机期望转速、永磁同步电机实际转速、供电电压、直流母线电压和所述三相逆变器的输出电压。
进一步地，所述补偿电压调节模块包括：
谐波电流提取单元，用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成含谐波dq轴电流；
MSRF变换器，用于将所述含谐波dq轴电流分别转换到5次谐波旋转坐标系和7次谐波旋转坐标系下，得到5次谐波电流和7次谐波电流；
PI闭环调节器，用于从所述5次谐波电流中提取出第一直流分量，以及从所述7次谐波电流中提取出第二直流分量；
电压转换单元，用于根据第二类切换信号调用合适的转换策略，再利用所述转换策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压；
MSRF逆变换器，用于将所述5次谐波补偿电压和所述7次谐波补偿电压进行融合转换，得到dq轴补偿电压并反馈至所述电机调速模块。
进一步地，所述谐波电流提取单元包括：
电流解析器，用于对所述电流传感器传输的三相电流进行谐波展开，得到含谐波三相电流；
电流变换器，用于将所述含谐波三相电流依次进行Clark变换和Park变换，得到含谐波dq轴电流。
进一步地，所述电压转换单元包括：
第一电压转换器，用于在识别第二类切换信号为第二切换信号时，利用闭环反馈计算策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压；
第二电压转换器，用于在识别第二类切换信号为第三切换信号时，利用快速计算策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压。
进一步地，所述电机调速模块包括：
速度控制器，用于根据给定的永磁同步电机期望转速和所述转速传感器传输的永磁同步电机实际转速，生成期望q轴电流；
电流控制器，用于根据期望q轴电流、dq轴电流和给定的期望d轴电流，生成dq轴电压；
Park逆变换器，用于根据dq轴电压和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角生成αβ轴电压，或者用于根据dq轴电压、dq轴补偿电压和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角生成αβ轴电压。
进一步地，所述dq轴电流获取模块包括：
Clark变换器，用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成αβ轴电流；
Park变换器，用于根据αβ轴电流和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角，生成dq轴电流。
本发明至少具有以下有益效果：通过在现有的由速度环和电流环所构成的PMSM空间矢量控制系统中额外增加切换控制模块、补偿电压调节模块和直流母线电压调节模块，可以根据氢燃料电池汽车的当前运行模式以及当前电流谐波畸变率来选择合适的调节模块完成相应的系统调参任务，从而达到更为快速有效地滤除永磁同步电机所产生的电流谐波的目的，提高系统的实时性和鲁棒性，且适用场景更为广泛，加上系统无需增加额外的硬件设备，无需改变永磁同步电机本体结构，可以节约应用成本。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明实施例中的一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统的另一结构组成示意图；
图3是本发明实施例中的关于补偿电压调节模块的内部计算示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或装置不必限定于清楚列出的那些步骤或单元，而是可以包含没有清楚列出的对于这些过程、方法、产品或装置固有的其他步骤或单元。
首先，对本发明中涉及的部分名词进行解释如下：
遗传算法是一种模拟生物界自然选择和遗传机制的随机化搜索算法，生物是从原始的低级状态经过一代代的变异、交配、遗传和自然选择之后逐步达到更高级状态。遗传算法在可并行处理得到全局最优解方面具有很大的优势，其基本运算流程包括：步骤1，产生随机的初始群体；步骤2，对当前群体的个体进行编码；步骤3，对编码后的个体进行变异操作；步骤4，对编码后的个体进行交叉操作；步骤5，计算当前个体的适应度值，按照个体适应度值的大小进行选择，适应度值更大的个体以较大几率进入下一代群体；步骤6，检验是否满足迭代停止条件，如不满足，则跳转至步骤2以继续进行优化计算，如满足，则输出迭代结果。
请参考图1至图2，图1至图2是本发明实施例提供的一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统的组成示意图，所述系统包括电机调速模块、动力源模块、dq轴电流获取模块、切换控制模块、补偿电压调节模块、直流母线电压调节模块、三相逆变器、SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制器和永磁同步电机；并且，在所述永磁同步电机的定子三相绕组上预先设置A相电流传感器、B相电流传感器和C相电流传感器(以下统称为电流传感器)，以及在所述永磁同步电机的转子上设置转速传感器和转角传感器。
基本的，所述电机调速模块与氢燃料电池汽车所配置的整车控制器相连接，所述电机调速模块与所述SVPWM控制器相连接，所述SVPWM控制器与所述三相逆变器相连接，所述动力源模块与所述三相逆变器相连接，所述三相逆变器与所述永磁同步电机相连接；所述电流传感器与所述dq轴电流获取模块相连接，所述dq轴电流获取模块与所述电机调速模块相连接；所述切换控制模块与所述整车控制器相连接，所述切换控制模块与所述直流母线电压调节模块相连接，所述直流母线电压调节模块与所述动力源模块相连接，所述切换控制模块与所述补偿电压调节模块相连接，所述补偿电压调节模块与所述电机调速模块连接。
在本发明的具体实施过程中，一般情况下，通过所述电机调速模块来生成αβ轴电压，再通过所述SVPWM控制器将所述αβ轴电压转换为空间矢量控制信号，在所述动力源模块当前提供直流母线电压的基础上，最后通过所述三相逆变器来根据所述空间矢量控制信号将所述直流母线电压转换为三相电流输出，使得所述永磁同步电机在接收到所述三相电流时调整自身的当前运行状态。
为了实现对所述永磁同步电机的调速控制，可以通过所述dq轴电流获取模块将所述电流传感器当前输出的三相电流转换为dq轴电流，使得所述电机调速模块在接收到所述dq轴电流之后可以调整自身的当前运行状态。
为了有效抑制所述永磁同步电机中所产生的电流谐波，当所述氢燃料电池汽车处于不同的运行模式下时，本发明可以继续增加选用合适的电流谐波抑制方案，具体包括如下步骤：
(1)通过所述切换控制模块对所述氢燃料电池汽车当前的电流谐波畸变率和运行模式进行综合考量，以产生第一类切换信号或者第二类切换信号；当所述切换控制模块产生所述第一类切换信号时，仅执行以下步骤(2)；当所述切换控制模块产生所述第二类切换信号时，仅执行以下步骤(3)；
(2)通过所述直流母线电压调节模块在接收到所述切换控制模块所传输的所述第一类切换信号之后，对所述PMSM电流谐波动态抑制系统的当前运行工况数据进行解析以获取当前所需的PWM修正信号，使得所述动力源模块在接收到所述PWM修正信号之后可以调整自身的当前运行状态；
(3)通过所述直流母线电压调节模块在接收到所述切换控制模块所传输的所述第二类切换信号之后，对所述PMSM电流谐波动态抑制系统的当前运行工况数据进行解析以获取当前所需的PWM修正信号，使得所述动力源模块在接收到所述PWM修正信号之后可以调整自身的当前运行状态；且通过所述补偿电压调节模块在接收到所述切换控制模块所传输的所述第二类切换信号之后，对所述电流传感器当前输出的三相电流进行解析以获取当前所需的dq轴补偿电压，使得所述电机调速模块在接收到所述补偿电压之后可调整自身的当前运行状态。
更为具体的，所述dq轴电流获取模块包括Clark变换器和Park变换器，所述Clark变换分别与所述A相电流传感器、所述B相电流传感器和所述C相电流传感器相连接，所述Clark变换器与所述Park变换器相连接，所述转角传感器与所述Park变换器相连接，所述Park变换器与所述电机调速模块相连接。
在此基础上，所述dq轴电流获取模块的内部实施过程包括如下步骤：
(1)通过所述Clark变换器将所述电流传感器当前输出的三相电流转换为αβ轴电流，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000071
式中，ia为所述A相电流传感器当前输出的A相电流，ib为所述B相电流传感器当前输出的B相电流，ic为所述C相电流传感器当前输出的C相电流，将ia、ib和ic统称为三相静止坐标系下的三相电流，iα为α轴电流，iβ为β轴电流，将iα和iβ统称为两相静止坐标系下的αβ轴电流。
(2)通过所述Park变换器根据所述转角传感器当前输出的永磁同步电机实际转角，将所述αβ轴电流转换为dq轴电流，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000081
式中，θe为永磁同步电机实际转角，id为d轴电流，iq为q轴电流，将id和iq统称为同步旋转坐标系下的dq轴电流。
更为具体的，所述电机调速模块包括速度控制器、电流控制器和Park逆变换器，所述电流控制器是由d轴电流控制器和q轴电流控制器所组成的；所述速度控制器与所述整车控制器相连接，所述速度控制器与所述转速传感器相连接，所述速度控制器与所述q轴电流控制器相连接，所述Park变换器与所述q轴电流控制器相连接，所述Park变换器与所述d轴电流控制器相连接，所述补偿电压调节模块与所述Park逆变换器相连接，所述转角传感器与所述Park逆变换器相连接，所述Park逆变换器与所述SVPWM控制器相连接。
在此基础上，所述电机调速模块的内部实施过程包括如下步骤：
(1)通过所述速度控制器根据所述转速传感器当前输出的永磁同步电机实际转速和所述整车控制器提供的永磁同步电机期望转速，产生期望q轴电流，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000082
式中，
Figure BDA0004208202950000083
为期望q轴电流，ksqp为所述速度控制器的比例系数，/>
Figure BDA0004208202950000084
为永磁同步电机期望转速，ωr为永磁同步电机实际转速，ksqi为所述速度控制器的积分系数，s为拉氏变换。
(2)通过所述d轴电流控制器对所述d轴电流id和所述整车控制器提供的期望d轴电流进行解析，得到d轴电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000085
以及通过所述q轴电流控制器对所述q轴电流iq和所述期望q轴电流进行解析，得到q轴电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000086
式中，
Figure BDA0004208202950000091
为d轴电压，kdp为所述d轴电流控制器的比例系数，/>
Figure BDA0004208202950000092
为期望d轴电流，并且本发明设置/>
Figure BDA0004208202950000093
kdi为所述d轴电流控制器的积分系数，/>
Figure BDA0004208202950000094
为q轴电压，kqp为所述q轴电流控制器的比例系数，kqi为所述q轴电流控制器的积分系数，将/>
Figure BDA0004208202950000095
和/>
Figure BDA0004208202950000096
统称为同步旋转坐标系下的dq轴电压。
(3)通过所述Park逆变换器实时判断是否接收到所述补偿电压调节模块所输出的dq轴补偿电压；若未接收到，则执行以下步骤(4)；若接收到，则执行以下步骤(5)。
(4)通过所述Park逆变换器根据所述转角传感器当前输出的永磁同步电机实际转角，将dq轴电压转换为αβ轴电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000097
式中，
Figure BDA0004208202950000098
为α轴电压，/>
Figure BDA0004208202950000099
为β轴电压，将/>
Figure BDA00042082029500000910
和/>
Figure BDA00042082029500000911
统称两相静止坐标系下的αβ轴电压。
(5)通过所述Park逆变换器根据所述转角传感器当前输出的永磁同步电机实际转角，将dq轴电压和接收到的dq轴补偿电压进行融合之后转换为αβ轴电压，相应的计算公式为：
Figure BDA00042082029500000912
式中，ud为d轴补偿电压，uq为q轴补偿电压，将ud和uq统称为同步旋转坐标系下的dq轴补偿电压。
更为具体的，所述动力源模块包括氢燃料电池、动力电池和DC/DC变换器，所述氢燃料电池与所述DC/DC变换器相连接，所述DC/DC变换器与所述整车控制器相连接，所述DC/DC变换器与所述直流母线电压调节模块相连接，所述DC/DC变换器与所述三相逆变器相连接，所述动力电池与所述三相逆变器连接。
在此基础上，所述动力源模块的内部实施过程包括：首先通过所述氢燃料电池输出供电电压(即低压直流电)；其次通过所述DC/DC变换器实时判断是否接收到所述直流母线电压调节模块所输出的PWM修正信号；若未接收到，则通过所述DC/DC变换器按照所述整车控制器提供的期望PWM信号调整自身的运行状态，以将所述供电电压进行升压转换得到直流母线电压输出；若接收到，则通过所述DC/DC变换器按照接收到的PWM修正信号调整自身的运行状态，以将所述供电电压进行升压转换得到当前实际所需的直流母线电压输出；最后经由所述动力电池对所述DC/DC变换器输出的直流母线电压进行变换之后传输给所述三相逆变器。
更为具体的，所述切换控制模块包括第一生成单元、第二生成单元、第三生成单元、第四生成单元和信号输出单元；所述第一生成单元、所述第二生成单元、所述第三生成单元和所述第四生成单元分别与所述整车控制器相连接，所述第一生成单元、所述第二生成单元、所述第三生成单元和所述第四生成单元分别与所述信号输出单元相连接，所述信号输出单元分别与所述补偿电压调节模块和所述直流母线电压调节模块相连接。
在此基础上，所述切换控制模块在获取到所述整车控制器提供的符合电流谐波标准条件下的电流谐波畸变率并将其作为既定阈值之后，可以实现如下四种方案：
第一种方案：通过所述第一生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为起步模式、并且当前的电流谐波畸变率大于所述既定阈值时，生成第一切换信号；或者，通过所述第一生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为加速模式或者制动模式或者行驶模式或者爬坡模式、并且当前的电流谐波畸变率小于等于所述既定阈值时，生成第一切换信号；再通过所述信号输出单元将所述第一切换信号认定成第一类切换信号之后将其传输给所述直流母线电压调节模块。
第二种方案：通过所述第二生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为行驶模式、并且当前的电流谐波畸变率大于所述既定阈值时，生成第二切换信号；再通过所述信号输出单元将所述第二切换信号认定成第二类切换信号之后将其传输给所述补偿电压调节模块和所述直流母线电压调节模块。
第三种方案：通过所述第三生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为加速模式或者制动模式或者爬坡模式、并且当前的电流谐波畸变率大于所述既定阈值时，生成第三切换信号；再通过所述信号输出单元将所述第三切换信号认定成第二类切换信号之后将其传输给所述补偿电压调节模块和所述直流母线电压调节模块。
第四种方案：通过所述第四生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为起步模式、并且当前的电流谐波畸变率小于等于所述既定阈值时，生成第四切换信号；或者，通过所述第四生成单元在判断出所述氢燃料电池汽车当前的运行模式为启动模式或者静态充电模式或者直流充电模式或者熄火停车模式时，无论当前的电流谐波畸变率与所述既定阈值之间是大于或者小于等于的关系，直接生成第四切换信号；再通过所述信号输出单元将所述第四切换信号认定成第三类切换信号之后将其传输给所述补偿电压调节模块和所述直流母线电压调节模块，进而使得所述补偿电压调节模块可以停止向所述电机调速模块传输实时生成的dq轴补偿电压，以及使得所述直流母线电压调节模块可以停止向所述动力源模块传输实时生成的PWM修正信号。
需要说明的是，所述第一生成单元、所述第二生成单元、所述第三生成单元和所述第四生成单元可以接收到的任意一种当前运行模式均是由所述整车控制器提供的，所述第一生成单元、所述第二生成单元、所述第三生成单元和所述第四生成单元所接收到的当前电流谐波畸变率均是由所述整车控制器对所述电流传感器当前输出的三相电流进行计算得到的。
在本发明实施例中，所述整车控制器将根据所述氢燃料电池和所述动力电池的当前使用情况来确定所述氢燃料电池汽车当前的运行模式，分别如下：
启动模式(即无动力输出模式)：所述氢燃料电池处于由待机状态切换至启动状态的阶段并且无功率输出，所述动力电池处于放电状态并且有功率输出；
起步模式：所述氢燃料电池处于由启动状态切换至运行状态的阶段并且正在加载输出功率，所述动力电池处于放电状态并且有功率输出；
加速模式：所述氢燃料电池处于运行状态并且有功率输出，所述动力电池处于放电状态并且有较大功率输出；
制动模式(即减速模式)：所述氢燃料电池处于运行状态并且可能有功率输出，所述动力电池处于放电状态/充电状态并且可能有回馈充电现象出现；
行驶模式：所述氢燃料电池处于运行状态并且有功率输出，所述动力电池处于放电状态并且无功率输出/有较小功率输出；
爬坡模式：所述氢燃料电池处于运行状态并且有较大功率输出，所述动力电池处于放电状态并且有较大功率输出；
静态充电模式：所述氢燃料电池处于运行状态并且有功率输出，所述动力电池处于充电状态并且有功率输入；
直流充电模式：所述氢燃料电池处于关机状态切换至待机状态的阶段并且无功率输出，所述动力电池处于充电状态并且有功率输入；
熄火停车模式：所述氢燃料电池处于关机状态并且无功率输出，所述动力电池处于下电状态并且无功率输出。
在本发明实施例中，可以将所述直流母线电压调节模块的使能信号设置为SWEnable＝1，以及将所述补偿电压调节模块的两种使能信号分别设置为BChEnable＝1和BCkEnable＝1，此处对上述四个切换信号所关联的切换逻辑做出如下限定：
(1)将所述第一切换信号设置为xs＝4，以二进制形式表示其关联的切换逻辑为100，指代其所携带的使能信号为SWEnable＝1；
(2)将所述第二切换信号设置为xs＝5，以二进制形式表示其关联的切换逻辑为101，指代其所携带的使能信号为SWEnable＝1和BChEnable＝1；
(3)将所述第三切换信号设置为xs＝6，以二进制形式表示其关联的切换逻辑为110，指代其所携带的使能信号为SWEnable＝1和BCkEnable＝1；
(4)将所述第四切换信号设置为xs＝0，以二进制形式表示其关联的切换逻辑为000，指代其并未携带任何使能信号。
更为具体的，所述直流母线电压调节模块包括模型构建单元和信号更新单元，所述模型构建单元与所述信号更新单元相连接，所述信号更新单元与所述信号输出单元相连接，所述信号更新单元与所述DC/DC变换器相连接；针对上述两个单元的内部实施过程分别如下：
在所述模型构建单元中，当所述信号更新单元并未向所述DC/DC变换器传输PWM修正信号以及所述补偿电压调节模块并未向所述Park逆变换器传输dq轴补偿电压时，采用系统实测建模法，在设定好直流母线电压Udc_in的情况下，通过不断改变所述永磁同步电机的转速ωr和转矩ZL，实测所述三相逆变器的输出电压Udc_out以及利用所述电流传感器实测所述永磁同步电机的定子三相绕组上的三相电流ia、ib、ic，可求解所述SVPWM控制器的调制系数kPWM＝Udc_outUdc_in，同时对实测的三相电流ia、ib、ic进行分析得到5次谐波电流I5中的谐波含有量HR5以及7次谐波电流I7中的谐波含有量HR7，从而通过数据拟合方式确定HR5和HR7与kPWM之间的变化曲线，即可构建出调制系数kPWM与三相电流谐波含量HR5、HR7之间的关系模型，便于后续确定使得所述SVPWM控制器在所述永磁同步电机中产生的谐波最少时所对应的最佳调制系数。
在所述模型构建单元中，当所述信号更新单元并未向所述DC/DC变换器传输PWM修正信号以及所述补偿电压调节模块并未向所述Park逆变换器传输dq轴补偿电压时，继续采用系统实测建模法，在设定好所述永磁同步电机的转速ωr和转矩ZL的情况下，通过不断改变直流母线电压Udc_in，利用所述电流传感器实测所述永磁同步电机的定子三相绕组上的三相电流ia、ib、ic之后，对实测的三相电流ia、ib、ic进行分析得到5次谐波电流I5中的谐波含有量HR5以及7次谐波电流I7中的谐波含有量HR7，从而通过数据拟合方式确定HR5和HR7与Udc_in之间的变化曲线，即可构建出三相电流谐波含量HR5、HR7与直流母线电压Udc_in之间的关系模型，便于后续确定直流母线电压的动态调节规律。
在所述信号更新单元中，当判断出当前接收到的第一类切换信号实际为第一切换信号xs＝4时，或者当判断出当前接收到的第二类切换信号实际为第二切换信号xs＝5时，或者当判断出当前接收到的第二类切换信号实际为第三切换信号xs＝6时，即默认从所述第一类切换信号或者所述第二类切换信号中解析出其所携带的使能信号SWEnable＝1，根据所述模型构建单元所提供的两个关系模型来优先构建出以调制系数kPWM为主导的适应度函数，并以预先拟定的关于调制系数kPWM的取值范围作为算法约束条件，通过设计或者试验方式来获取所述氢燃料电池汽车处于当前运行模式下的系统运行工况数据，至少包括所述整车控制器所提供的永磁同步电机期望转速、所述转速传感器当前输出的永磁同步电机实际转速、所述氢燃料电池当前输出的供电电压、所述DC/DC变换器当前输出的直流母线电压以及所述三相逆变器当前的输出电压，采用现有的遗传算法对上述获取到的各类系统运行工况数据执行迭代分析操作，并且在整个迭代过程中将与直流母线电压最为相关的所述DC/DC变换器实际所需的PWM修正信号作为个体完成编码，直至达到预设迭代次数之后从当前群体中挑选出适应度值最大的个体作为最优个体，再将所述最优个体完成解码处理之后作为最终的PWM修正信号uDCW输出，当所述DC/DC变换器在接收到该PWM修正信号uDCW之后进行闭环控制以对直流母线电压进行调节，使得当前调制系数kPWM达到最佳状态，从而有效地降低所述SVPWM控制器在所述永磁同步电机中产生的电流谐波。
更为具体的，所述补偿电压调节模块包括谐波电流提取单元、MSRF变换器、PI闭环调节器、电压转换单元和MSRF逆变换器，所述谐波电流提取单元包括电流解析器和电流变换器，所述电压转换单元包括第一电压转换器和第二电压转换器；其中，所述电流解析器与所述电流传感器相连接，所述电流解析器与所述电流变换器相连接，所述电流变换器与所述MSRF变换器相连接，所述MSRF(Multi Synchronization Rotate frame，多同步旋转帧)变换器与所述PI(Proportional-Integral，比例-积分)闭环调节器相连接，所述PI闭环调节器与所述第一电压转换器相连接，所述第一电压转换器与所述信号输出单元相连接，所述第一电压转换器与所述MSRF逆变换器相连接，所述PI闭环调节器与所述第二电压转换器相连接，所述第二电压转换器与所述信号输出单元相连接，所述第二电压转换器与所述MSRF逆变换器相连接，所述MSRF逆变换器与所述Park逆变换器相连接。
在本发明实施例中，参见图3所示，所述补偿电压调节模块的内部实施过程包括如下步骤：
(1)通过所述谐波电流提取单元将所述电流传感器当前输出的三相电流进行解析以得到含谐波dq轴电流，具体如下：
首先，由于在理想条件下所述永磁同步电动机是三相平衡的，具有半波对称性，在所述永磁同步电动机的定子绕组中不存在3次谐波、9次谐波、15次谐波...和偶次谐波，通过所述电流解析器对所述电流传感器当前输出的三相电流进行展开描述，得到含谐波三相电流如下：
Figure BDA0004208202950000141
/>
其次，通过所述电流变换器对所述含谐波三相电流执行Clark变换之后，继续对当前变换结果执行Park变换，得到含谐波dq轴电流如下：
Figure BDA0004208202950000151
式中，I1为基波的幅值，θ1为基波的初始相位，I5为5次谐波的幅值，θ5为5次谐波的初始相位，I7为7次谐波的幅值，θ7为7次谐波的初始相位，ω为基本旋转频率，t为时间，id_h为含谐波d轴电流，iq_h为含谐波q轴电流，将id_h和iq_h统称为含谐波dq轴电流。
(2)通过所述MSRF变换器将所述含谐波dq轴电流转换到5次谐波旋转坐标系下进行表示，得到5次谐波电流如下：
Figure BDA0004208202950000152
以及通过所述MSRF变换器将所述含谐波dq轴电流转换到7次谐波旋转坐标系下进行表示，得到7次谐波电流如下：
Figure BDA0004208202950000153
式中，id5为5次谐波旋转坐标系上的d轴电流，iq5为5次谐波旋转坐标系上的q轴电流，将id5和iq5统称为5次谐波电流，id7为7次谐波旋转坐标系上的d轴电流，iq7为7次谐波旋转坐标系上的q轴电流，将id7和iq7统称为7次谐波电流。
(3)通过所述PI闭环调节器对所述5次谐波电流中所包含的直流分量进行提取，得到第一直流分量为：
Figure BDA0004208202950000154
以及通过所述PI闭环调节器对所述7次谐波电流中所包含的直流分量进行提取，得到第二直流分量为：
Figure BDA0004208202950000155
式中，id5h为5次谐波电流中的d轴直流分量，iq5h为5次谐波电流中的q轴直流分量，将id5h和iq5h统称为第一直流分量，id7h为7次谐波电流中的d轴直流分量，iq7h为7次谐波电流中的q轴直流分量，将id7h和iq7h统称为第二直流分量。
(4)通过所述电压转换单元为当前接收到的第二类切换信号匹配合适的转换策略，再启用所述转换策略对所述第一直流分量进行转换得到5次谐波补偿电压，以及对所述第二直流分量进行转换得到7次谐波补偿电压，具体如下：
通过所述第一电压转换器在判断出当前接收到的第二类切换信号实际为第二切换信号xs＝5时，默认通过所述第一调节单元从所述第二类切换信号中解析出其所携带的使能信号BChEnable＝1，启用内部预先制定好的闭环反馈计算策略对所述第一直流分量进行转换得到5次谐波补偿电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000161
以及启用闭环反馈计算策略所述对所述第二直流分量进行转换得到7次谐波补偿电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000162
式中，ud5c为5次谐波旋转坐标系上的d轴谐波补偿电压，其是由预先搭建的5次d轴PI控制器计算得到的，kd5p为所述5次d轴PI控制器的比例系数，id5h_ref为id5h的参考值，kd5i为所述5次d轴PI控制器的积分系数，uq5c为5次谐波旋转坐标系上的q轴谐波补偿电压，其是由预先搭建的5次q轴PI控制器计算得到的，将ud5c和uq5c统称为5次谐波补偿电压，kq5p为所述5次q轴PI控制器的比例系数，iq5h_ref为iq5h的参考值，kq5i为所述5次q轴PI控制器的积分系数，ud7c为7次谐波旋转坐标系上的d轴谐波补偿电压，其是由预先搭建的7次d轴PI控制器计算得到的，kd7p为所述7次d轴PI控制器的比例系数，id7h_ref为id7h的参考值，kd7i为所述7次d轴PI控制器的积分系数，uq7c为7次谐波旋转坐标系上的q轴谐波补偿电压，其是由预先搭建的7次q轴PI控制器计算得到的，将ud7c和uq7c统称为7次谐波补偿电压，kq7p为所述7次q轴PI控制器的比例系数，iq7h_ref为iq7h的参考值，kq7i为所述7次q轴PI控制器的积分系数，并且本发明设置id5h_ref＝0、iq5h_ref＝0、iq7h_ref＝0和iq7h_ref＝0。
或者，通过所述第二电压转换器在判断出当前接收到的第二类切换信号实际为第三切换信号xs＝6时，默认通过所述第二调节单元从所述第二类切换信号中解析出其所携带的使能信号BCkEnable＝1，启用内部预先制定好的快速计算策略对所述第一直流分量进行转换得到5次谐波补偿电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000171
以及启用所述快速计算策略对所述第二直流分量进行转换得到7次谐波补偿电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000172
式中，Rs为所述永磁同步电机的定子电阻，Ls为所述永磁同步电机的定子电感。
(5)通过所述MSRF逆变换器对所述5次谐波补偿电压和所述7次谐波补偿电压进行融合转换得到dq轴补偿电压，相应的计算公式为：
Figure BDA0004208202950000173
在本发明实施例中，通过在现有的由速度环和电流环所构成的PMSM空间矢量控制系统中额外增加切换控制模块、补偿电压调节模块和直流母线电压调节模块，可以根据氢燃料电池汽车的当前运行模式以及当前电流谐波畸变率来选择合适的调节模块完成相应的系统调参任务，从而达到更为快速有效地滤除永磁同步电机所产生的电流谐波的目的，提高系统的实时性和鲁棒性，且适用场景更为广泛，加上系统无需增加额外的硬件设备，无需改变永磁同步电机本体结构，可以节约应用成本。
尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，包括切换控制模块、直流母线电压调节模块、补偿电压调节模块、动力源模块、电机调速模块、dq轴电流获取模块、SVPWM控制器、三相逆变器和永磁同步电机，在所述永磁同步电机上设置电流传感器、转角传感器和转速传感器；
所述电机调速模块用于生成αβ轴电压；
所述SVPWM控制器用于根据αβ轴电压生成空间矢量控制信号；
所述三相逆变器用于根据空间矢量控制信号和所述动力源模块提供的直流母线电压，生成三相电流以驱动所述永磁同步电机运行；
所述dq轴电流获取模块用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成dq轴电流并反馈至所述电机调速模块；
所述切换控制模块用于根据氢燃料电池汽车当前的运行模式和电流谐波畸变率，生成第一类切换信号或者第二类切换信号；
所述直流母线电压调节模块用于根据第一类切换信号或者第二类切换信号对系统运行工况数据进行解析，得到PWM修正信号并反馈至所述动力源模块；
所述补偿电压调节模块用于根据第二类切换信号对所述电流传感器传输的三相电流进行解析，得到dq轴补偿电压并反馈至所述电机调速模块。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述切换控制模块包括：
第一生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于起步模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，或者在识别氢燃料电池汽车当前处于加速、制动、行驶和爬坡中的任一种运行模式且电流谐波畸变率未超过既定阈值时，生成第一切换信号；
第二生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于行驶模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，生成第二切换信号；
第三生成单元，用于在识别氢燃料电池汽车当前处于加速、制动和爬坡中的任一种运行模式且电流谐波畸变率超过既定阈值时，生成第三切换信号；
信号输出单元，用于将第一切换信号作为第一类切换信号输出至所述直流母线电压调节模块；或者用于将第二切换信号或者第三切换信号作为第二类切换信号输出至所述直流母线电压调节模块和所述补偿电压调节模块。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述既定阈值为满足电流谐波标准条件下的电流谐波畸变率。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述动力源模块包括：
氢燃料电池，用于输出供电电压；
DC/DC变换器，用于根据给定的期望PWM信号将供电电压转换为直流母线电压，或者用于根据PWM修正信号将供电电压转换为直流母线电压。
5.根据权利要求4所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述直流母线电压调节模块包括：
模型构建单元，用于通过系统实测方式构建调制系数与三相电流谐波含量之间的关系模型以及三相电流谐波含量与直流母线电压之间的关系模型，其中的调制系数为所述三相逆变器的输出电压与直流母线电压之比；
信号更新单元，用于根据构建的两个关系模型确定关于调制系数的适应度函数，通过遗传算法对获取的系统运行工况数据进行迭代分析，在迭代过程中将所述DC/DC变换器所需的PWM修正信号作为个体进行编码，直至选取出最优个体之后对其进行解码处理以得到最终的PWM修正信号输出；其中的系统运行工况数据包括在当前运行模式下的永磁同步电机期望转速、永磁同步电机实际转速、供电电压、直流母线电压和所述三相逆变器的输出电压。
6.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述补偿电压调节模块包括：
谐波电流提取单元，用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成含谐波dq轴电流；
MSRF变换器，用于将所述含谐波dq轴电流分别转换到5次谐波旋转坐标系和7次谐波旋转坐标系下，得到5次谐波电流和7次谐波电流；
PI闭环调节器，用于从所述5次谐波电流中提取出第一直流分量，以及从所述7次谐波电流中提取出第二直流分量；
电压转换单元，用于根据第二类切换信号调用合适的转换策略，再利用所述转换策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压；
MSRF逆变换器，用于将所述5次谐波补偿电压和所述7次谐波补偿电压进行融合转换，得到dq轴补偿电压并反馈至所述电机调速模块。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述谐波电流提取单元包括：
电流解析器，用于对所述电流传感器传输的三相电流进行谐波展开，得到含谐波三相电流；
电流变换器，用于将所述含谐波三相电流依次进行Clark变换和Park变换，得到含谐波dq轴电流。
8.根据权利要求6所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述电压转换单元包括：
第一电压转换器，用于在识别第二类切换信号为第二切换信号时，利用闭环反馈计算策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压；
第二电压转换器，用于在识别第二类切换信号为第三切换信号时，利用快速计算策略将所述第一直流分量转换为5次谐波补偿电压，以及将所述第二直流分量转换为7次谐波补偿电压。
9.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述电机调速模块包括：
速度控制器，用于根据给定的永磁同步电机期望转速和所述转速传感器传输的永磁同步电机实际转速，生成期望q轴电流；
电流控制器，用于根据期望q轴电流、dq轴电流和给定的期望d轴电流，生成dq轴电压；
Park逆变换器，用于根据dq轴电压和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角生成αβ轴电压，或者用于根据dq轴电压、dq轴补偿电压和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角生成αβ轴电压。
10.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车的PMSM电流谐波动态抑制系统，其特征在于，所述dq轴电流获取模块包括：
Clark变换器，用于根据所述电流传感器传输的三相电流生成αβ轴电流；
Park变换器，用于根据αβ轴电流和所述转角传感器传输的永磁同步电机实际转角，生成dq轴电流。
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