CN205123644U - 一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置，包括PI控制器、无差拍电流控制模块、永磁同步电机、转矩估计器和基于角度的重复性控制器，其中，所述PI控制器的输出端分别与所述无差拍电流控制模块、基于角度的重复性控制器连接，所述无差拍电流控制模块的输出端与所述永磁同步电机连接，所述永磁同步电机分别与所述基于角度的重复性控制器的输入端、转矩估计器的输入端、PI控制器的输入端连接。本实用新型的有益效果是：结合了无差拍电流控制与基于角度的重复性控制，不仅能使在恒转速下的转矩脉动抑制效果增强，收敛时间缩短，还能使转矩脉动即使在变速，变负载的暂态中也能持续被抑制。

Description

一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置

技术领域

本实用新型涉及电机控制，尤其涉及一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置。

背景技术

永磁同步电机以其高效率，可靠性高等特点，被广泛应用于对性能要求较高的驱动中。对于永磁同步电机的控制，又以矢量控制最常用。矢量控制将电流控制环、速度控制环、位置控制环由内而外放置，且此结构决定了带宽应由内至外逐层降低，因此，电流环的带宽即限制了速度环和位置环的带宽及响应速度。电流环的常用控制方法有：滞环控制，PI控制，无差拍控制。其中，滞环控制会导致换流器开环频率不固定，无差拍电流控制可以达到比PI控制更高的带宽。因此，无差拍电流控制是一种已被熟知的高带宽，快响应电流控制。

另外，重复性控制或迭代学习控制已被应用于周期性谐波的抑制中。它具有学习性，且不需要已知系统的准确参数。通过记忆上一个周期的波形，预测下一个周期的波形并进行补偿。可用于抑制已知周期的脉动或者帮助追踪已知周期的高频信号。在已有文献中，周期性多指关于时间的周期性，而针对永磁同步电机转矩脉动抑制，由于最主要的转矩脉动是关于电机转子位置呈周期性的，有文献提出了基于角度的重复性控制。基于角度的重复性控制不需要已知被补偿脉动的周期，通过记忆转子转动到不同位置的脉动幅值，根据编码器的位置反馈进行补偿。使得变速下(被补偿脉动周期不再已知)的转矩脉动抑制变成了可能。

虽然已有文献将基于角度的重复性控制运用在了永磁同步电机的转矩脉动中，但却存在诸多问题，使得该控制在变速下，暂态中仍能已知转矩脉动的优势无法得到发挥，还给整个系统的稳定性带来了挑战。

已有技术将重复性控制放在速度环中与速度环PI控制器并联，搭配同样采用PI控制器的电流环：

其一，并联的重复性控制器和PI控制器之间相互对抗。速度环的输出是电流环的参考，理想情况下是由低带宽的PI控制器提供所有电流参考低频分量，而重复性控制器提供所有的电流参考高频分量。但实际却很难做到。暂态下，两种控制器会互相争抢输出电路参考直流分量，反而产生脉动，甚至造成不稳定。所以重复性控制只能在稳态下才能激活，这就压抑了基于角度的重复性控制在暂态中仍能抑制转矩脉动的潜力。即使激活重复性控制时已达到稳态，PI控制器和重复性控制器也会互相影响，争抢输出电流参考交流分量，这会增加收敛时间。

其二，电流环与机械连接对速度脉动相位的位移，而造成的不稳定。已有技术是通过速度波动产生幅值与之相抵消带波动的电流参考，再通过电流环追踪电流参考，从而通过产生幅值相反的转矩波动来抵消原有的转矩波动，然后输出转矩作用于机械连接产生转速。在这个闭环系统中，机械连接相当于一个低通滤波器，所以速度波形相对于转矩波形会有相移。而电流环也有延迟，造成产生的转矩与电流参考之间的相移。从系统传递函数的波特图中很容易看出，基于PI的电流环和机械连接对不同频率信号的相移角度是不同的。所以在脉动频率有多个且未知的情况下，这两种相移很难被补偿。一旦，两个相移的总和达到180°，转矩脉动将反而被放大，系统将不稳定。因此，虽然基于角度的重复性控制不需要已知被补偿转矩的频率却由于无法保证稳定性而只允许速度在小范围内波动。

其三，PI控制器带宽低，限制了可补偿转矩脉动频率范围。虽然转矩脉动的问题一般来说在低速的时候更为严重，但不能排除可能会有频率较高的转矩脉动需要被补偿。电流环的带宽应尽量的高，才能保证尽可能多的转矩脉动能被补偿。

这些问题主要源于缺乏对重复性控制与矢量控制中其他控制相互作用的考虑，而造成的不稳定。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置和方法，结合了无差拍电流控制与基于角度的重复性控制。

本实用新型提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置，包括PI控制器、无差拍电流控制模块、永磁同步电机、转矩估计器和基于角度的重复性控制器，其中，所述PI控制器的输出端分别与所述无差拍电流控制模块、基于角度的重复性控制器连接，所述无差拍电流控制模块的输出端与所述永磁同步电机连接，所述永磁同步电机分别与所述基于角度的重复性控制器的输入端、转矩估计器的输入端、PI控制器的输入端连接，所述转矩估计器的输出端与所述基于角度的重复性控制器的输入端连接，所述基于角度的重复性控制器的输出端与所述无差拍电流控制模块的输入端连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述PI控制器的输出端、基于角度的重复性控制器之间连接有学习触发器。

作为本实用新型的进一步改进，所述无差拍电流控制模块包括无差拍控制器、Clark变换器、换流器和Park变换器，其中，所述PI控制器的输出端与所述无差拍控制器的输入端连接，所述无差拍控制器的输出端与所述Clark变换器的输入端连接，所述Clark变换器的输出端与所述换流器的输入端连接，所述换流器的输出端与所述永磁同步电机的输入端连接，所述永磁同步电机的输出端与所述Park变换器的输入端连接，所述Park变换器的输出端与所述无差拍控制器的输入端连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述永磁同步电机的输出端与Clark变换器的输入端连接。

本实用新型还提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

S1、将转子机械位置[0,2π]划分成N个区间，每个采样周期的开端会有新的位置采样θ_m和对应位置的转矩误差error到来，计算出转子机械位置对应的区间号K₁＝int(θ_m*N/2/π)；

S2、将转子机械位置对应的区间号K₁与前一个采样周期的转子机械位置对应的区间号K_prev进行比较，如果相同，则不更新内存数组mem，如果不相同，则利用前一时刻的转矩误差error_prev与当前时刻的转矩误差error，通过线性插值法，计算出K₁*2*π/N位置的转矩误差error_pred并根据式子(1)或(2)更新一个长为N的内存数组mem{N}的第K₁个或第(K₁+1)个值，其中G为重复性控制的增益，Q为重复性控制的遗忘因子，应小于并接近1；

正转时：mem[k₁]＝mem[K₁]*Q+error_pred*G(1)

反转时：mem[k₁+1]＝mem[K₁+1]*Q+error_pred*G(2)

S3、输出时，估计对应的转子位置θ_futu并折算到[0,2π]，计算K₂＝int(θ_futu*N/2/π)，线性插值得到对应的转子位置θ_futu的等效内存数组mem并输出。

作为本实用新型的进一步改进，步骤S3为：输出时，电流环跟踪电流信号的时延2*T_s，转矩估计器时延，共M*T_s，根据当前速度ω_m，估计重复性控制当前输出的电流参考生效时，对应的转子位置θ_futu＝θ_m+ω_m*M*T_s，得出K₂＝int(θ_futu*N/2/π),并根据内存数组mem(K₂)与mem(K₂+1),通过线性插值估计出对应的转子位置θ_futu位置的等效内存数组mem并输出，该等效内存数组mem则视为应补偿的电流参考。

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，结合了无差拍电流控制与基于角度的重复性控制，不仅能使在恒转速下的转矩脉动抑制效果增强，收敛时间缩短，还能使转矩脉动即使在变速，变负载的暂态中也能持续被抑制。

附图说明

图1是本实用新型一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置的控制拓扑图。

图2是本实用新型一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置，包括PI控制器1、无差拍电流控制模块10、永磁同步电机5、转矩估计器8和基于角度的重复性控制器7，其中，所述PI控制器1的输出端分别与所述无差拍电流控制模块10、基于角度的重复性控制器7连接，所述无差拍电流控制模块10的输出端与所述永磁同步电机5连接，所述永磁同步电机5分别与所述基于角度的重复性控制器7的输入端、转矩估计器8的输入端、PI控制器1的输入端连接，所述转矩估计器8的输出端与所述基于角度的重复性控制器7的输入端连接，所述基于角度的重复性控制器7的输出端与所述无差拍电流控制模块10的输入端连接。

如图1所示，PI调节器1是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

如图1所示，所述PI控制器1的输出端、基于角度的重复性控制器7之间连接有学习触发器9。

如图1所示，所述无差拍电流控制模块10包括无差拍控制器2、Clark变换器3、换流器4和Park变换器6，其中，所述PI控制器1的输出端与所述无差拍控制器2的输入端连接，所述无差拍控制器2的输出端与所述Clark变换器3的输入端连接，所述Clark变换器3的输出端与所述换流器4的输入端连接，所述换流器4的输出端与所述永磁同步电机5的输入端连接，所述永磁同步电机5的输出端与所述Park变换器6的输入端连接，所述Park变换器6的输出端与所述无差拍控制器2的输入端连接。

如图1所示，所述永磁同步电机5的输出端与Clark变换器3的输入端连接。

如图1所示，使用矢量控制来控制永磁同步电机5的好处之一有，把永磁同步电机5的控制分解成了分别对d轴和q轴电流的控制。对于常用的表贴式永磁同步电机5，d轴电流用于弱磁控制，一般在永磁同步电机5高于额定速度进入弱磁区后才需要，永磁同步电机5处于恒功率区运行时d轴电流应控制为0A。q轴电流用于产生输出转矩。电机的输出转矩可用式子(1)来描述。其中大部分是由q轴电流在定子线圈中产生的磁动势与转子磁铁产生的电动势之间相互作用生成的，也就是式子等号右边的第一项。不难看出，若气隙中的磁通非正弦分布，则在不同位置磁铁磁链Y_m不同，会造成转矩脉动。另外，电机还会由于定子齿槽的磁阻不同，与转子磁铁产生的电动势作用产生一个随转子位置周期波动的转矩分量T_cogging。

T_e＝k*Y_m*i_q+T_cogging(1)

除了上述两种，转矩脉动的产因还有多种。如，由于三相电流采样的偏置误差和缩放误差，进行Park变化后，会在反馈q轴电流中得到错误的一次和两次谐波分量，随之由于电流环的作用会错误产生一次和二次转矩脉动；换流器的非线性使得施加给电机的电压与电流控制器输出的电压参考有差异并包含谐波；电机轴承磨损造成电机气息不均。幸运的是这些脉动都随转子位置呈周期性。

因此，本实用新型将基于角度的重复性控制放置在了速度环中，弥补速度环带宽低的问题，用于产生带多个频率谐波的q轴电流参考，以抵消各个频率的转矩脉动。并使用无差拍电流控制实现对可能含高频成分的电流参考的跟踪。为了减轻重复性控制器与速度环PI控制器的相互作用，采用了插件结构。增加了基于机械系统惯量和摩擦系数的转矩估计器以补偿速度波形对转矩波形的相移。

同时，经研究发现，无差拍电流控制虽然对电机参数较PI控制敏感，但在电机正常由于温升，饱和等参数发生变化的范围内，始终能保持输出电流波形对参考电流的延迟为两倍采样周期。因此，在重复性控制中添加了时延补偿，补偿了电流环输出电流对电流参考的相移。

如图2所示，本实用新型还提供了一种永磁同步电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：

将转子机械位置[0,2π]划分成N个区间，每个采样周期的开端会有新的位置采样θ_m和对应位置的转矩误差error到来。

先计算出位置对应的区间号K₁＝int(θ_m*N/2/π)，与前一个采样周期的K_prev进行比较后若不同，则利用前一时刻的转矩误差error_prev与当前时刻的转矩误差error，通过线性插值法，计算出K₁*2*π/N位置的转矩误差error_pred并根据式子(2)或(3)更新一个长为N的数组mem{N}的第K₁个或第(K₁+1)个值，其中G为重复性控制的增益，Q为重复性控制的遗忘因子，应小于并接近1。

正转时：mem[k₁]＝mem[K₁]*Q+error_pred*G(2)

反转时：mem[k₁+1]＝mem[K₁+1]*Q+error_pred*G(3)

输出时，应充分考虑电流环跟踪电流信号的时延2*T_s，转矩估计器时延，共M*T_s，可根据当前速度ω_m，估计重复性控制当前输出的电流参考生效时，对应的转子位置θ_futu＝θ_m+ω_m*M*T_s，得出K₂＝int(θ_futu*N/2/π),并根据mem(K₂)与mem(K₂+1),通过线性插值估计出θ_futu位置的mem。该mem则视为应补偿的电流参考。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机转矩脉动抑制装置，其特征在于：包括PI控制器、无差拍电流控制模块、永磁同步电机、转矩估计器和基于角度的重复性控制器，其中，所述PI控制器的输出端分别与所述无差拍电流控制模块、基于角度的重复性控制器连接，所述无差拍电流控制模块的输出端与所述永磁同步电机连接，所述永磁同步电机分别与所述基于角度的重复性控制器的输入端、转矩估计器的输入端、PI控制器的输入端连接，所述转矩估计器的输出端与所述基于角度的重复性控制器的输入端连接，所述基于角度的重复性控制器的输出端与所述无差拍电流控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动抑制装置，其特征在于：所述PI控制器的输出端、基于角度的重复性控制器之间连接有学习触发器。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转矩脉动抑制装置，其特征在于：所述无差拍电流控制模块包括无差拍控制器、Clark变换器、换流器和Park变换器，其中，所述PI控制器的输出端与所述无差拍控制器的输入端连接，所述无差拍控制器的输出端与所述Clark变换器的输入端连接，所述Clark变换器的输出端与所述换流器的输入端连接，所述换流器的输出端与所述永磁同步电机的输入端连接，所述永磁同步电机的输出端与所述Park变换器的输入端连接，所述Park变换器的输出端与所述无差拍控制器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转矩脉动抑制装置，其特征在于：所述永磁同步电机的输出端与Clark变换器的输入端连接。