永磁同步电机转矩脉动抑制的控制方法及系统与流程

本发明涉及电机控制，尤其涉及永磁同步电机转矩脉动抑制控制方法、永磁同步电机转矩脉动抑制控制系统。

背景技术：

1、永磁同步电机（pmsm）由于具有体积小、功率密度高、效率高等优点，广泛应用于电动汽车、工业伺服、航空航天等领域。在永磁同步电机的控制过程中，输出转矩的平稳性对系统性能具有重要意义。若电机输出转矩波动过大，将直接引发转速脉动、系统振动和噪声，降低控制精度与运行平稳性；严重时会导致传动机构疲劳损伤、轴承磨损加剧，甚至引发电机过流或失控，严重影响电机使用寿命和系统可靠性。

2、目前，减小转矩波动的技术主要分为电机本体优化法和控制策略优化法。本体优化法（如磁极形状优化、斜槽等）虽能从源头削弱齿槽转矩，但增加了制造成本和工艺难度，且抑制能力固定，无法适应负载和温度变化。控制策略优化法中，谐波注入法（如专利cn112910336b）需大量离线标定注入参数，对电机参数变化极为敏感；模型预测控制法（如专利cn118677308a）动态响应快但稳态转矩脉动大，且高度依赖精确电机模型；自抗扰控制法（如专利cn116317720a）将所有扰动统称为“集中扰动”，难以精准分离特定频率的转矩脉动分量，当谐波频率超出观测器带宽时估计精度显著下降；扩展卡尔曼滤波法（如专利cn202210742080）计算量大，对噪声协方差矩阵选取敏感，工程实现门槛高；滑模观测器与自抗扰结合法（如专利cn107359837b）虽鲁棒性强，但参数整定复杂，且滑模抖振影响稳态精度。上述方法普遍存在依赖精确模型或离线标定、无法实时感知瞬时转矩波动、算法复杂、稳态与动态性能难以兼顾的痛点，限制了其在高端制造及电动汽车等对控制性能要求苛刻领域的应用。因此，有必要开发一种无需精确模型、无需离线标定、计算量小、能实时感知并直接补偿瞬时转矩波动的全工况鲁棒控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种永磁同步电机转矩脉动抑制控制方法、永磁同步电机转矩脉动抑制控制系统，至少解决多个技术问题中的一个技术问题。

2、核心技术问题：无法实时、直接地获取瞬时转矩波动信息并进行针对性补偿的问题。传统滑模观测器存在的固有抖振问题。

3、本发明提供了下述方案：根据本发明的第一个方面，提供一种永磁同步电机转矩脉动抑制的控制方法，包括：

4、步骤s1、信号采集与坐标变换；

5、采集永磁同步电机的三相电压、三相电流、转子电角度与电角速度，经clark变换与park变换得到两相旋转dq轴下的电压分量与电流分量；基于给定转速与实际电角速度的偏差获取名义电磁转矩；

6、步骤s2、在线估算瞬时转矩脉动；

7、步骤s3、获取q轴补偿电压；

8、将瞬时转矩脉动输入pi补偿控制器，结合永磁同步电机电磁转矩与q轴电流的对应关系，计算得到q轴补偿电压；

9、步骤s4、补偿电压与基波电压融合；

10、将q轴补偿电压叠加至传统磁场定向控制，输出的dq轴基波电压和，得到最终dq轴调制电压指令和；

11、步骤s5、调制驱动输出；

12、将最终dq轴调制电压指令经park逆变换和svpwm调制，生成逆变器驱动信号，驱动永磁同步电机运行，实时抵消瞬时转矩脉动。

13、进一步的，步骤s1中clark变换矩阵和park变换矩阵表达式为：

14、；

15、；

16、为三相静止坐标系至两相静止αβ坐标系的clark变换矩阵，为两相静止αβ至两相旋转dq坐标系park变换矩阵；

17、为转子电角度，包括转子d轴轴线与两相静止坐标系α轴轴线之间的电角度夹角，随转子旋转实时变化；

18、为转子电角度的余弦值，用于两坐标系间的同相投影系数，分别对应 d 轴与α轴分量、q 轴与β轴分量的幅值耦合计算；

19、为转子电角度的正弦值，用于两坐标系间的正交投影系数，对应 d 轴与β轴分量的幅值耦合计算；

20、为转子电角度正弦值的负值，用于q轴与α轴分量的正交投影系数，因q轴电角度超前d轴90°，其α轴投影对应正弦值的负值，保障dq两轴始终保持正交关系；

21、三相电压、三相电流变换公式为：

22、，；

23、；

24、式中，为三相电压，为三相电流，为两相静止坐标系电压，为两相静止坐标系电流，为dq轴电压分量，为dq轴电流分量。

25、进一步的，在线估算瞬时转矩脉动包括：

26、基于电机离散机械运动方程，采用连续饱和函数替代理想符号函数，通过滑模收敛得到转速观测值与负载转矩观测值，反推总电磁转矩估计值，将名义电磁转矩与总电磁转矩估计值作差，得到包括齿槽转矩、反电动势谐波和逆变器死区效应的瞬时转矩脉动。

27、进一步的，还包括：电机离散机械运动方程由电机机械动态连续方程经前向欧拉法和以采样周期离散化得到；

28、电机机械动态连续方程为：；

29、式中，为电机转动惯量，为电机机械角速度，为电磁转矩，为含摩擦的总负载转矩，为阻尼系数；

30、离散化得到的电机离散机械运动方程：

31、；

32、式中，为控制系统采样周期；k为第k个采样时刻，为k时刻的机械角速度，为k时刻的电磁转矩，为k时刻的负载转矩。

33、进一步的，以、为状态变量，观测方程为：

34、转速观测方程：；

35、负载转矩观测方程：；

36、其中，为k时刻转速观测值，为k时刻负载转矩观测值，为转速观测偏差，,为大于0的观测器增益，为连续饱和函数。

37、进一步的，步骤s2中定义滑模面，选取增益使滑模面有限步内收敛至边界层，其中为边界层厚度；

38、滑模稳定后，基于电机离散机械运动反推总电磁转矩估计值：

39、；

40、瞬时转矩脉动计算公式：；

41、式中，为k时刻的名义电磁转矩，为k时刻的总电磁转矩估计值，为瞬时转矩脉动。

42、进一步的，步骤s3中pi补偿控制器的连续域传递函数为：

43、；

44、式中，为比例补偿系数，取值范围0.01~0.5；为积分补偿系数，取值为0.05~0.2倍；

45、经双线性变换得到离散域传递函数；表贴式永磁同步电机q轴补偿电压计算公式：

46、；

47、其中，为电机极对数，为永磁体磁链，为k时刻的q轴补偿电压。

48、进一步的，当被控电机为内置式永磁同步电机时，步骤s3同步生成d轴补偿电压，用于补偿磁阻转矩带来的转矩脉动。

49、进一步的，步骤s4中最终dq轴调制电压指令的融合公式为：

50、

，

51、；

52、式中，为传统磁场定向控制输出的dq轴基波电压，为dq轴补偿电压；

53、表贴式永磁同步电机的d轴补偿电压取0。

54、根据本发明的第二个方面，提供一种永磁同步电机转矩脉动抑制的控制系统，包括：

55、信号采集与坐标变换模块，用于采集永磁同步电机的三相电压、三相电流、转子电角度与电角速度，经clark变换与park变换得到两相旋转dq轴下的电压分量与电流分量；基于给定转速与实际电角速度的偏差获取名义电磁转矩；

56、在线估算模块，用于在线估算瞬时转矩脉动；

57、q轴补偿电压获取模块，用于将瞬时转矩脉动输入pi补偿控制器，结合永磁同步电机电磁转矩与q轴电流的对应关系，计算得到q轴补偿电压；

58、补偿电压与基波电压融合模块，用于将q轴补偿电压叠加至传统磁场定向控制，输出的dq轴基波电压和，得到最终dq轴调制电压指令和；

59、调制驱动输出模块，用于将最终dq轴调制电压指令经park逆变换和svpwm调制，生成逆变器驱动信号，驱动永磁同步电机运行，实时抵消瞬时转矩脉动。

60、通过上述方案，获得如下有益的技术效果：

61、本发明以永磁同步电机为研究对象，针对转矩波动抑制技术的核心痛点，即无法实时、直接地获取瞬时转矩波动信息并进行针对性补偿的问题，提出基于离散滑模转矩观测器与直接脉动补偿的策略：

62、首先构建离散滑模转矩观测器，仅利用系统中易测量的转速和电流指令，在线实时估算出瞬时转矩波动分量；然后将该波动分量直接送入脉动补偿控制器，生成补偿电压并叠加至传统磁场定向控制的电压指令上，形成“感知波动→计算补偿量→实时抵消”的闭环负反馈系统。

63、其核心优势在于：离散滑模观测器对电机参数偏差和负载扰动具有极强的鲁棒性，无需精确的转动惯量或阻尼系数，也无需离线谐波标定，大大降低了工程实现难度；直接补偿机制响应速度快，能有效抑制包括齿槽转矩、反电动势谐波、逆变器死区效应等多种来源的复合转矩脉动。本发明有效解决了传统方法中抑制精度与工况适应性难以兼得的矛盾，显著提升了系统的稳态平稳性和动态响应性能。

64、本发明还针对传统滑模观测器存在的固有抖振问题，采用连续饱和函数替代理想符号函数，并设置了合理的边界层厚度，在保证鲁棒性的同时有效抑制了高频抖振，避免了高频噪声对电流环和转矩环稳态精度的不利影响，算法结构清晰，仅需少量乘加运算即可实现。