CN117081446A - 永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法 - Google Patents

永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制，它包括S1：通过母线电压采集电路采集逆变器上的母线电压数据Udc；S2:对采样到的母线电压数据Udc进行低通滤波处理，得到母线电压的直流分量Udc0；S3:使用采集到的母线电压数据Udc减去母线电压的直流分量Udc‑0，获取得到母线电压波动分量：S4:使用母线电压的直流分量Udc‑0减去母线电压波动分量，得到最终输出到SVPWM模块的母线电压参考电压数据：S5:SVPWM模块利用输入的母线电压参考电压数据u* dc作为参数进行SVPWM发波调制计算，它通用好，稳定性强，更有利电机的精确控制。

Description

永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法
技术领域：
本发明涉及永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法。
背景技术：
永磁同步电机简称PMSM电机，一般都采用FOC控制策略，FOC的英文表达：Field-Oriented Control，直译是磁场定向控制，也被称作矢量控制(VC，Vector Control)，是目前永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一。FOC控制策略旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。
PMSM电机具体结构，见图1、图2、图3所示，PMSM电机由电机单体1和电机控制器2组成,所述的电机单体1包括定子组件12、转子组件13和机壳组件11，包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，定子组件13安装在机壳组件11上，转子组件13套装在定子组件12的内侧，电机控制器2包括控制盒22和安装在控制盒22里面的控制线路板21，控制线路板21上都会安装几个电解电容作为直流母线电容23(即是图2中的直流母线电解电容。
传统电机控制器采用有电解电容作为直流侧母线电容，其容值在几百微法以上，能够稳定母线电压，以及在电机减速过程中吸收能量，但电解电容存在寿命短、体积大、成本高等问题。采用薄膜电容替代电解电容作为直流侧母线电容，解决电解电容所存在的固有缺陷。但薄膜电容由于容值非常小，大概几十微亨，容易出现过压故障，甚至烧坏功率器件，所以必须进行过压抑制，专利号是CN202210694048、专利名称是永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法有效解决以上问题。
但由于电路结构中还存在LC谐波电路，即直流滤波电路的电感L和直流母线薄膜电容B5形成LC谐波电路，见图4所示，LC谐波电路的存在势必在直流母线薄膜电容B5上形成电压的谐波振动，当然对电机的精确控制和效率控制产生实质性的影响。图4中永磁同步电机包括电机单体B7和电机控制器组成,所述的电机单体B7包括定子组件和永磁转子组件，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，电机控制器包括交流滤波电路B2、整流电路B3、直流滤波电路B4、直流母线薄膜电容B5、逆变电路B6、微处理器MCU和相电流检测电路，三相电源B1(是交流电源)依次经过交流滤波电路B2、整流电路B3、直流滤波电路B4对直流母线薄膜电容B5进行充电，直流母线薄膜电容B5为逆变电路B6提供高压直流电；相线电流检测电路检测流过线圈绕组的相电流并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制逆变电路工作，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组的通断电，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制方式；关于FOC磁场定向控制的方法，这些在教科书或者网络可以查找到，在此不再详细叙述。
有鉴于此，必须要对电路结构中存在LC谐波电路造成的电压波动进行压制，见图5所示，它是目前常用直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方案：即通过注入dq轴电压实现LC谐振抑制，具体实施过程是：采样母线电压得到逆变器母线电压数据Udc，然后对其进行低通滤波得到母线电压直流分量Udc0，接着使用Udc减去Udc0得到母线电压交流分量最后将母线电压的交流分量/>乘以两个系数kd和kq，分别叠加到dq轴电压上，实现改变系统稳定性，达到抑制LC谐振效果。
采用dq轴电压注入方案实现LC谐振抑制的技术方案存在如下不足：(1)该方案针对不同电机功率等级或电机在不同工况功率运行时，kd、kq参数需要重新调试匹配，所以该方案不具有通用性，参数调试困难的问题。(2)采用dq轴电压注入将会在电机控制中引入高频纹波电流，进而影响电机性能以及引入高频电磁噪音。
如图5和图6所示的现有技术方案：采用dq轴电压注入方案实现LC谐振抑制，无电解电容电机驱动系统，采用小容值的薄膜电容替代大容值的电解电容，电容容值可降为原来1/50左右。随着直流侧电容容值的降低，母线电压大幅波动。母线电压波动主要来源两方面，一方面由于母线电容容值小，基本丧失储能作用，所以三相电源通过整流桥整流后，母线电压上会产生六倍工频震荡。另一方面是母线电压上叠加了LC谐振震荡。为了防止高频谐波馈入电网，电机驱动系统通常需要适配一定量的直流电抗器。由直流电抗器与母线薄膜电容所产生的LC谐振将会在母线电压上叠加LC谐振频率的震荡，且该震荡幅值会随着电机运行功率的增加而增加。
图6是根据简化模型，驱动系统状态方程可表示为：
逆变器及电机系统呈恒功率负载特性，忽略开关损耗前提下，逆变器输出的平均功率和电机平均功率相等，逆变器平均功率输出电流可以表示为：
由于母线电压波动分量占比很小，所以逆变器输出电流可以线性化为：
将iinv带入驱动系统状态方程，并进行拉氏变换可得系统特征方程为：
根据劳斯稳定判据，特征方程各项系数为正，则系统稳定。该特征方程第三项系数一般为正，所以由第二项系数决定系统稳定性，则系统稳定条件是：
在无电解电容电机驱动系统中，由于电容容值极小，当电机运行功率较大时，根据系统稳定条件可以看出，系统将面临失稳问题。提升驱动系统稳定性是无电解电容电机驱动系统面临的核心问题之一。
发明内容：
本发明的目的是提供一种永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，主要解决现有技术中采用dq轴电压注入方案实现LC谐振抑制导致通用性差，参数调试困难和产生高频纹波电流的技术问题。
本发明的目的是通过以下的技术方案予以实现的：
永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制，其特征在于：它包括
S1：通过母线电压采集电路采集逆变器上的母线电压数据Udc；
S2:对采样到的母线电压数据Udc进行低通滤波处理，得到母线电压的直流分量Udc0；
S3:使用采集到的母线电压数据Udc减去母线电压的直流分量Udc0，获取得到母线电压波动分量：
S4:使用母线电压的直流分量Udc0减去母线电压波动分量，得到最终输出到SVPWM模块的母线电压参考电压数据：
S5:SVPWM模块利用输入的母线电压参考电压数据u* dc作为参数进行SVPWM发波调制计算。
所述的S2中的Udc0是这样获得的：
udc0(n)＝qudc(n)+(1-q)udc0(n-1)，
其中q是低通滤波器系数，n是采样到的母线电压数据Udc的次数；
上述采集逆变器上的母线电压数据Udc的采样频率与SVPWM模块的载频相同。
本发明与现有技术相比具有有益效果是：
效果1：可抑制LC谐振震荡，减小直流母线电压波动。由于采用几十微亨的薄膜电容替代几百微法的电解电容，导致母线电压出现震荡，其中包含整流桥过来的300Hz震荡以及由直流母线薄膜电容与差模电感组成的LC谐振震荡。整流分量的震荡不会随着电机功率的增大而增大，所以对电机控制影响程度有限，但LC谐振震荡会随着电机运行功率的增大而逐步增大，必须将LC谐振震荡进行抑制。
效果2：可降低电机相电流THD。由于采用LC谐振抑制算法后，母线电压波动范围减小，主要含有300Hz整流分量的母线电压波动。对于电机控制系统，实际母线电压波动越小，控制性能越稳定。
效果3：可降低电网侧进线电流THD。电网侧进线THD与电机控制性能相关联，电机控制性能越稳定，对网侧进线电流的影响越小。
本发明的其它优点在实施例部分再展开陈述。
附图说明：
图1是现有技术中的PMSM电机的立体图；
图2是现有技术中的PMSM电机的电机控制器的立体图；
图3是现有技术中的PMSM电机的结构剖视图；
图4是现有技术中的PMSM电机的电机控制器的实施电路方框图；
图5是现有技术中的PMSM电机采用dq轴电压注入方案进行LC谐振抑制的原理方框图；
图6是现有技术中的PMSM电机的等效电路图；
图7是本发明永磁同步电机的LC谐振抑制方案的原理方框图；
图8本发明永磁同步电机的LC谐振抑制方案的软件流程图；
图9是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统没有LC谐振抑制方案的仿真结果图；
图10是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统没有LC谐振抑制方案母线电压FFT分析图；
图11以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统带有LC谐振抑制方案的仿真结果图；
图12以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统带有LC谐振抑制方案母线电压FFT分析图；
图13是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统没有LC谐振抑制方案的实验结果图；
图14是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统没有LC谐振抑制方案对母线电压、电机相电流、网侧进线电流FFT分析图；
图15是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统带有LC谐振抑制方案的实验结果图；
图16是以薄膜电容作为直流侧的母线电容的电机驱动系统带有LC谐振抑制方案对母线电压、电机相电流、网侧进线电流FFT分析图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图7、图8所示，永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制，其特征在于：它包括
S1：微处理器MCU通过母线电压采集电路采集逆变器上的母线电压数据Udc；
S2:对采样到的母线电压数据Udc进行低通滤波处理，得到母线电压的直流分量Udc0；
S3:使用采集到的母线电压数据Udc减去母线电压的直流分量Udc0，获取得到母线电压波动分量：
S4:使用母线电压的直流分量Udc0减去母线电压波动分量，得到最终输出到SVPWM模块的母线电压参考电压数据：
S5:SVPWM模块利用输入的母线电压参考电压数据u* dc作为参数进行SVPWM发波调制计算。
上述所述的S2中的Udc0是这样获得的：
udc0(n)＝qudc(n)+(1-q)udc0(n-1)，
其中q是低通滤波器系数，n是采样到的母线电压数据Udc的次数；
上述的采集逆变器上的母线电压数据Udc的采样频率与SVPWM模块的载频相同。
本发明的技术方案主要思想是通过软件中修改SVPWM波模块母线参考电压u* dc，从而改变输出电压，进而增强系统稳定性。其具体表现为对母线电压震荡中的LC震荡分量进行抑制，避免由于PMSM电机运行功率的增大导致的失稳问题，其原理如下：
电机输出功率表达式为：
一般SVPWM模块算法使用实际采样得到的母线电压作为参考电压，即：
本文对采用的方案是，对采样到的母线电压进行重构之后，再作为参考电压输入到SVPWM模块。重构得到的母线参考电压为：
最终采用重构后的参考电压得到的输出电压矢量为
推导得到电机实际运行功率方程为：
进而可以计算得到在采用重构参考电压后的逆变器输出电流为：
将逆变器输出电流表达式带入系统状态方程，并作拉氏变换，得到新的系统特征方程为：
由此可见，系统特征方程各项系数均为恒正，则系统处于稳定状态。
以薄膜电容作为直流侧的母线电容，电机驱动系统未加入LC谐振抑制算法时仿真波形如图9所示，母线电压波动范围在200V-600V。对母线电压进行FFT分析，如图10所示，由FFT结果可知，母线电压谐波分量主要包含300Hz附近的整流分量，以及200Hz左右的LC谐振分量。
以薄膜电容作为直流侧的母线电容，电机驱动系统加入LC谐振抑制算法仿真波形如图11所示，母线电压波动范围在390V-430V。对母线电压进行FFT分析，如图12所示，由FFT结果可知，母线电压谐波分量主要包含300Hz附近的整流分量，200Hz左右的LC谐振分量得到明显抑制。由此证明了该算法对LC谐振抑制有效性，以及能有效降低母线电压波动。
对以薄膜电容作为直流侧的母线电容，电机驱动系统采用LC谐振抑制算法进行实验验证。图13以薄膜电容作为直流侧的母线电容，电机驱动系统未加入LC谐振抑制算法实验波形，母线电压波动范围为401V-618V。依次对母线电压、电机相电流、网侧进线电流进行FFT分析，如图14所示。FFT结果依次为12.21％、6.11％、42.92％。
图15为以薄膜电容作为直流侧的母线电容，电机驱动系统加入LC谐振抑制算法实验波形，母线电压波动范围为438V-549V。依次对母线电压、电机相电流、网侧进线电流进行FFT分析，如图16所示。FFT结果依次为10.37％、5.5％、37.15％。
对比加入LC谐振抑制算法前后数据表明：
(1)LC谐振抑制算法可实现母线电压的波动抑制，由401V-618V波动范围减小为438V-549V。
(2)LC谐振抑制算法能有效抑制母线电压中LC谐振分量。未加入算法时，母线电压FFT结果中主要含有300Hz整流分量以及400Hz附近的LC谐振分量。加入LC谐振抑制算法后，母线电压FFT结果中主要包含300Hz整流分量，LC谐振分量得到明显抑制。
(3)LC谐振抑制算法能降低电机相电流以及网侧进线电流THD，从而改善电机运行性能。
文中正体英文表示英文缩写，斜体表示软件中的可变变量
SVPWM：空间矢量脉宽调制，是一种在输入信号上叠加高频载频，然后输出高频脉冲信号控制逆变器功率管的方式
d轴：与电机N极同方向的轴
q轴：超前电机N极电角度90度的轴
PI：比例积分控制
clark变换：将三相ABC坐标系参数变换得到α轴β轴
park变换：将α轴β轴坐标系参数变换得到d轴q轴
Ud：d轴电流环PI调节输出的d轴方向的目标电压
Uq：q轴电流环PI调节输出的q轴方向的目标电压
Uα：α轴电压，通过dq轴电压通过ipark变换得到
Uβ：β轴电压，通过dq轴电压通过ipark变换得到
Ua：A相绕组电压，通过dq轴电压通过ipark变换得到
Ub：B相绕组电压
Uv：C相绕组电压
id：d轴电流反馈值
iq：q轴电流反馈值
Rdc：差模电感等效电阻
Ldc：差模电感
ig：差模电感电流
us：等效简化电路电源电压
udc：实际母线电压
Cdc：薄膜电容容值
iinv：逆变器平均输出电流
PL：逆变器平均输出功率
udc0：母线电压直流分量
u～dc：母线电压交流分量
s：拉普拉斯算子
uabc：电机电压矢量
iabc：电机电流矢量
u* dc：母线电压参考电压
q：低通滤波器系数
THD:电流总谐波畸变率,是指谐波电流方均根值与基波电流方均根值之比的百分数。THD是英文Total Harmonic Distortion的缩写，意为总谐波失真。
FFT:在信号分析与处理中，频谱分析是重要的工具,FFT(Fast FourierTransform，快速傅立叶变换)可以将时域信号转换至频域，以获得信号的频率结构、幅度、相位等信息.
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制，其特征在于：它包括
S1：通过母线电压采集电路采集逆变器上的母线电压数据Udc；
S2:对采样到的母线电压数据Udc进行低通滤波处理，得到母线电压的直流分量Udc0；
S3:使用采集到的母线电压数据Udc减去母线电压的直流分量Udc0，获取得到母线电压波动分量：
S4:使用母线电压的直流分量Udc0减去母线电压波动分量，得到最终输出到SVPWM模块的母线电压参考电压数据：
S5:SVPWM模块利用输入的母线电压参考电压数据u* dc作为参数进行SVPWM发波调制计算。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，其特征在于：所述的S2中的Udc0是这样获得的：
udc0(n)＝qudc(n)+(1-q)udc0(n-1)，
其中q是低通滤波器系数，n是采样到的母线电压数据Udc的次数。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的电压谐振抑制方法，其特征在于：采集逆变器上的母线电压数据Udc的采样频率与SVPWM模块的载频相同。
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