一种高速永磁电机电流谐波抑制方法与流程

：
1.本发明涉及高速电机控制技术领域，尤其是涉及一种高速永磁电机电流谐波抑制方法。


背景技术：

2.由于高功率密度，高效率，高可靠性等优良特性，高速永磁电机在电力传动、工控领域得到广泛的应用。然而，由于逆变器的非线性及电机本体结构产生的气隙磁场畸变等因素会产生谐波电流，从而导致电机损耗增加和转矩脉动，并使电机运行中产生振动和噪声，影响设备的运行性能。因此，对电流谐波的抑制策略研究是十分有必要的。
3.关于电流谐波抑制的研究主要分为两类：电机本体优化方面和驱动器方面。在优化电机结构设计，减小气隙磁场畸变方面，可以通过改变绕组排布方式、转子磁极分布、定子结构等来减少谐波分量。虽然上述方法可以减小因磁场畸变引起的谐波电流，但对逆变器非线性引起的谐波没有抑制效果。驱动器方面主要包括硬件和软件抑制两种方法。硬件抑制电流谐波的主要方式是对逆变器进行改造，通过串联电抗器或滤波器使电流谐波减小。串联电抗器使电机等效电感变大，可以提高电流波形的正弦性，但只在小范围内有效。引入滤波器可有效减少谐波电流，但往往会发生串联谐振损坏滤波器。
4.从系统控制的角度，运用最广泛的是基于谐波注入的谐波电流抑制策略。其原理是在旋转坐标系下，提取电流中谐波含量较多的谐波阶次，通过控制算法将提取后的谐波电流转化为电压补偿量并入电压控制信号中，以抵消电流谐波。目前常使用的方法有：陷波器方法、减少逆变死区时间方法、自抗扰控制方法等等。陷波器方法及其衍生的其他方法中，滤波系数计算较为复杂，最优效果通常不易达到；减少逆变器死区时间进行补偿，电流畸变得到改善，但该方法需要对电流极性进行准确判断，容易影响控制效果；采用自抗扰控制器代替常规pi电流控制，并使用扩张状态观测器对所有扰动进行观测，从而使电流谐波得到明显抑制，但该方法不足之处在于需要整定的参数较多。针对以上问题，本发明提出了一种高速永磁电机电流谐波抑制方法。


技术实现要素：

5.本发明针对高速永磁电机控制系统中含有大量电流谐波，引起电机转矩脉动和电磁损耗，使电机运行效率降低的问题，提出一种基于自适应比例多谐振控制器的电流谐波抑制方法。通过引入转速信号，实现谐振频率的在线辨识，采用比例多谐振控制算法对电流谐波进行提取并计算谐波电压补偿值注入到参考电压中，从而实现电流谐波的有效抑制。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种高速永磁电机电流谐波抑制方法，包括以下步骤：
8.高速永磁电机矢量控制系统一般包含以下部分：转速检测模块、转速环pi控制、电流环pi控制以及svpwm调制模块。高速永磁电机由于转速高，一般采用无位置传感器估计电机转速。电机实际转速与参考转速比较后，经过转速pi控制器生成同步旋转坐标下下的参
考电流信号，d轴和q轴参考电流信号与电机实际电流比较后经过电流环pi控制器生成电压信号，再经过svpwm调制传输到逆变器后，使电机旋转。在不断的双闭环动态调节中，电机稳定运转。在电机高速工作时，由于电流环控制器的不稳定性及逆变器的非线性产生大量电流谐波，电流谐波信号以奇次谐波为主。利用转速检测模块计算得到的转速信号，引入自适应谐振频率。在比例多谐振控制器中进行实时迭代和反馈，将自适应比例多谐振控制器并联到电流环pi控制器中，即可在不额外增加硬件的情况下实现电流谐波的有效抑制。
9.第一步，获取考虑谐波的旋转坐标系下的电流信号。电机工作时的三相电流中包含基波分量和谐波分量，在三相坐标系中的奇次谐波经park和clark变换后转换成偶数次谐波。旋转坐标系下的电流可以表示为：其中，i
i
表示电流幅值，θ
i
表示电流初始相位角，下角标i＝1，5，7，11
…
分别表示基波，5次，7次，11次谐波，i
d
、i
q
为同步旋转坐标系下的d轴和q轴电流。
10.第二步，计算谐振频率信号。电机工作时经转速检测模块提取角速度信号ω
e
，经过计算后得到谐振频率信号ω
i
(i＝0,1,
…
,m)。谐振频率信号与电机实际工作时的角速度信号之间的关系可表示为：
[0011][0012]
其中h
i
(i＝0,1,
…
,m)为同步旋转坐标系下的电流谐波阶次。
[0013]
第三步，提取电流谐波信号。为了有效抑制电流谐波，首先通过谐振控制器提取谐波分量，谐振控制器的传递函数为：
[0014][0015]
由于谐振控制器中含有正弦内模，因此可以对相同频率的正弦量实现无静差跟踪。
[0016]
第四步，计算谐波电压补偿值。通过谐振控制器获取电流谐波信号后，在其基础上加入比例积分环节构成比例多谐振控制器，生成谐波电压补偿值。比例多谐振控制器的传递函数为：
[0017][0018]
该控制器在谐振频率点具有无穷大增益，可以实现电流谐波的有效抑制。但由于其带宽过窄，对系统信号频率参数敏感，实际中当电机运转频率波动时，会削弱其谐波抑制能力。因此对该结构中的比例积分环节进行改进，用一阶低通滤波器代替。改进后的比例多谐振控制器传递函数为：
[0019][0020]
其中，ω
c
为滤波器的截止频率，且ω
c
<ω0；k
p
，k
i
分别为控制器的比例系数、谐振系
数。
[0021]
第五步，谐波电压补偿值注入到参考电压中。根据比例多谐振控制器生成的谐波电压补偿值，与系统中的电流环pi控制器计算得到电压值相加，然后经过clark反变换得到两相静止坐标下的电压值参与系统后续运算。
[0022]
在实际使用时，不断重复上述过程，可以由第二步实时得到需要控制的谐振频率，由第四步进行电流谐波抑制。
[0023]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0024]
1、本发明设计的一种高速永磁电机电流谐波抑制方法，不需要增加额外的硬件滤波设备及传感器，在传统矢量控制的基础上，获取带谐波的电流信号，并从同步旋转坐标系中提取基波分量和谐波分量单独控制，结构简单，能够有效降低设备成本。
[0025]
2、本发明设计的一种高速永磁电机电流谐波抑制方法，利用逆变器将电压补偿值转换为实际电压施加在电机端，解决了现有的电机控制方法中无法消除电流谐波的问题，能够有效提升电机的工作稳定性，降低能耗，减小振动和噪声。
[0026]
3、本发明设计的一种高速永磁电机电流谐波抑制方法，需要调节的参数少，且参数意义明确，减少了调试所用时间和成本，对于所有的电机控制系统均适用。同时，本发明设计的自适应比例多谐振控制器，简化了数字信号处理器的设计及编程难度，且工作时占用资源少，不会影响主程序的运行。
附图说明：
[0027]
图1为谐振控制器原理图。
[0028]
图2为比例多谐振控制器原理图。
[0029]
图3为谐振控制器的伯德图。
[0030]
图4为比例多谐振控制器的伯德图。
[0031]
图5为基于自适应比例多谐振控制器的电机矢量控制框图。
[0032]
图6为未加入比例多谐振控制算法的a相电流波形及其频谱分析结果图。
[0033]
图7为加入比例多谐振控制器后的a相电流波形及其频谱分析结果。
具体实施方式：
[0034]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0035]
本发明的一种高速永磁电机电流谐波抑制方法控制框图如图1所示。高速永磁电机矢量控制系统一般包含以下部分：转速检测模块、转速环pi控制、电流环pi控制以及svpwm调制模块。高速永磁电机由于转速高，一般采用无位置传感器估计电机转速。电机实际转速与参考转速比较后，经过转速pi控制器生成同步旋转坐标下下的参考电流信号，d轴和q轴参考电流信号与电机实际电流比较后经过电流环pi控制器生成电压信号，再经过svpwm调制传输到逆变器后，使电机旋转。在不断的双闭环动态调节中，电机稳定运转。在电机高速工作时，由于电流环控制器的不稳定性及逆变器的非线性产生大量电流谐波，电流谐波信号以奇次谐波为主。在图1中体现为系统中引入死区时间，在闭环系统中，死区时间会引起电机电流产生谐波，易引起转矩脉动，同时电流中的谐波含量会引起电机额外的电磁损耗，降低工作效率。
[0036]
电流谐波抑制的目的就是有效减少谐波含量，降低转矩脉动。利用转速检测模块计算得到的转速信号，引入自适应谐振频率。在比例多谐振控制器中进行实时迭代和反馈，将自适应比例多谐振控制器并联到电流环pi控制器中，即可在不额外增加硬件的情况下实现电流谐波的有效抑制。
[0037]
第一步，获取考虑谐波的旋转坐标系下的电流信号。电机工作时的三相电流中包含基波分量和谐波分量，在三相坐标系中的奇次谐波经park和clark变换后转换成偶数次谐波。旋转坐标系下的电流可以表示为：
[0038][0039]
其中，i
i
表示电流幅值，θ
i
表示电流初始相位角，下角标i＝1，5，7，11
…
分别表示基波，5次，7次，11次谐波，i
d
、i
q
为同步旋转坐标系下的d轴和q轴电流。
[0040]
第二步，计算谐振频率信号。电机工作时经转速检测模块提取角速度信号ω
e
，经过计算后得到谐振频率信号ω
i
(i＝0,1,
…
,m)。谐振频率信号与电机实际工作时的角速度信号之间的关系可表示为其中h
i
(i＝0,1,
…
,m)为同步旋转坐标系下的电流谐波阶次。
[0041]
第三步，提取电流谐波信号。为了有效抑制电流谐波，首先通过谐振控制器提取谐波分量，谐振控制器的传递函数为：
[0042][0043]
由于谐振控制器中含有正弦内模，因此可以对相同频率的正弦量实现无静差跟踪。
[0044]
第四步，计算谐波电压补偿值。通过谐振控制器获取电流谐波信号后，在其基础上加入比例积分环节构成比例多谐振控制器，生成谐波电压补偿值。比例多谐振控制器的传递函数为：
[0045][0046]
该控制器在谐振频率点具有无穷大增益，可以实现电流谐波的有效抑制。但由于其带宽过窄，对系统信号频率参数敏感，实际中当电机运转频率波动时，会削弱其谐波抑制能力。因此对该结构中的比例积分环节进行改进，用一阶低通滤波器代替。改进后的比例多谐振控制器传递函数为：
[0047][0048]
其中，ω
c
为滤波器的截止频率，且ω
c
<ω0；k
p
，k
i
分别为控制器的比例系数、谐振系数。
[0049]
第五步，谐波电压补偿值注入到参考电压中。根据比例多谐振控制器生成的谐波电压补偿值，与系统中的电流环pi控制器计算得到电压值相加，然后经过clark反变换得到
两相静止坐标下的电压值参与系统后续运算。
[0050]
在实际使用时，在实际使用时，不断重复上述过程，可以由第二步实时得到需要控制的谐振频率，由第四步进行电流谐波抑制。
[0051]
为了说明谐振控制器和比例多谐振控制器对电流谐波的抑制原理，绘制谐振控制器和比例多谐振控制器的原理框图和伯德图，如图2、3和图4、5所示。从图4中可以看出谐振控制器在谐振频率点具有无穷大增益，可以实现电流谐波抑制，但由于频带过窄，当被控信号出现频率波动时控制效果不佳，影响系统的稳定性。因此在比例积分控制环节引入一阶低通滤波器，幅频相频曲线如图5所示，可见针对电机定子电流中含有的多次谐波，在多个谐振频率点具有无穷大增益，且带宽较大，可以实现对多个谐振频率的抑制。
[0052]
为了说明本发明一种高速永磁电机电流谐波抑制方法的有效性，图6和图7分别是不使用和使用本发明方法，电机运行在1000转/分，负载转矩1.5牛米，死区时间5微秒，采用i
d
＝0双闭环矢量控制策略时定子a相电流的对比，a相电流时域曲线和频域曲线同样体现了电流谐波的大小。从图6可以看出，加入死区时间后，定子电流正弦性变差，发生明显畸变，出现过零点位置的零电流箝位现象和波峰位置塌陷现象。然后对a相电流进行傅里叶分解，受到驱动器非线性的影响，5、7、11、13次谐波较高，分别达到8.206％，5.297％，2.077％，1.224％。在pi控制器上并联比例多谐振控制器，结果如图7所示。加入比例多谐振控制器后，5、7、11、13次谐波降到0.214％，0.192％，0.115％，0.090％，电流总谐波畸变率(totalharmonic distortion,thd)从11.73％降到6.61％。电流波形得到明显改善，正弦度较高，且无明显箝位现象和波峰塌陷现象。说明了本方法对电机电流谐波有很好的抑制作用。
[0053]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0054]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。