基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过采集三相电流变为两相静止坐标系下的定子电流，将两相静止坐标系下的定子电流变换到五次、七次、十一次、十三次谐波旋转坐标系下，将五次、七次、十一次、十三次等高次谐波电流在相应坐标系下通过低通滤波器提取成直流量，通过设计基于转速自适应二阶低通数字滤波器完成对指定阶次谐波的提取，在此基础之上，设计具有交叉耦合的比例积分电流控制器，最终完成谐波电流的抑制，从而抑制转矩脉动。与现有技术相比，本发明专利技术在永磁同步电机矢量控制基础上，能够减少输出电流谐波含量，降低电动汽车用永磁同步电机的转矩脉动和振动噪声等负面影响。

【技术实现步骤摘要】
基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法
本专利技术涉及电动汽车用永磁同步电机矢量控制领域，尤其是涉及一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。
技术介绍
转矩脉动的存在影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精确度定位，会引起系统振动和噪声，严重时还会威胁系统运行安全，需要采取措施尽量减小系统的转矩脉动。降低转矩脉动的方法主要分为：斜槽法、重复控制、转矩反馈控制以及多同步坐标系谐波注入法。1)斜槽法定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一。该方法主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践证明，斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅值均有所减小。但该方法是在电机本体上进行结构改造，增加了制造成本。2)重复控制重复控制也被用到了永磁同步电机的控制中，用于抑制电机的电流谐波和电机转矩脉动。但是重复控制需要一定的存储空间，当谐波频率变化时控制器需要重新设计。3)转矩反馈控制反馈控制方法通过转矩和磁链观测器来产生反馈信号，从而削弱转矩脉动，但其控制精确度会受到电机参数变化的影响，并且对电机参数变化而带来的转矩脉动不能有效地消除，使得控制作用变差。4)多同步坐标谐波注入法多同步坐标系可以将谐波电流提取出来，同时进行补偿，该方法不需要依赖电机参数。多同步旋转坐标变换的基本思想是矢量控制中，三相基波电流在dq坐标系下则变为直流量，以此类比，谐波可以在该阶次的同步旋转坐标系下转换为响应的直流分量。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有永磁同步电机矢量控制中电流谐波较大而导致的转矩脉动较大、实时控制性能较差、输出谐波含量高的问题，而提供一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过在谐波坐标变换下对电流谐波进行分解与抑制，来改进电机控制效果，降低转矩波动。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法包括：步骤S1：在当前采样周期里检测获得三相输出电流以及转子旋转角度和转子电角速度，三相输出电流经坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量；步骤S2：由步骤S1的两相静止坐标系下的电流分量和转子旋转角度分别进行五次负序坐标变换、七次正序坐标变换、十一次负序坐标变换和十三次的正序坐标变换，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值；步骤S3：步骤S2的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值在转速自调节的二阶低通IIR数字滤波器下分别进行滤波，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量；步骤S4：由电机的直轴电感、交轴电感和步骤S1的转子电角速度分别对步骤S3获得的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量进行闭环控制，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量；步骤S5：由五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量得到两相静止坐标系下的电压补偿量，并将其补偿到输出的定子电压分量上。所述步骤S2中五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值I5、I7、I11、I13满足以下公式：其中，分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的变换矩阵，Iαβ表示两相静止坐标系下α、β轴的电流iα、iβ，θ表示通过旋转变压器输出的转子旋转角度。所述五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量id5、iq5、id7、iq7、id11、iq11、id13、iq13满足以下公式：其中，G(z)表示二阶低通IIR数字滤波器离散后的二阶传递函数，I5、I7、I11、I13分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值。所述二阶低通IIR数字滤波器的截止频率取值范围为10～20Hz，阻尼比取值范围为1.1～1.3。所述五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量ud5、uq5、ud7、uq7、ud11、uq11、ud13、uq13满足以下公式：其中，id5、iq5、id7、iq7、id11、iq11、id13、iq13分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量，kp5、kp7、kp11、kp13分别表示五次、七次、十一次、十三次坐标系下的比例系数，ki5、ki7、ki11、ki13分别表示五次、七次、十一次、十三次坐标系下的积分系数，ωe表示由旋转变压器输出的转子电角速度，Ld、Lq分别表示电机的直轴电感和交轴电感。所述两相静止坐标系下的电压补偿量uα_com、uβ_com满足以下公式：其中，θ表示通过旋转变压器输出的转子旋转角度，ud5、uq5、ud7、uq7、ud11、uq11、ud13、uq13分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量。所述两相静止坐标系下的电压补偿量补偿到输出的定子电压分量具体为：电机电磁转矩经MTPA弱磁控制输出dq轴电流指令，步骤S1的两相静止坐标系下的电流分量经dq变换后输出两相旋转坐标系下的电流分量，dq轴电流指令对应减去两相旋转坐标系下的电流分量后经电流PI调节输出αβ轴定子电压分量，αβ轴定子电压分量对应加上两相静止坐标系下的电压补偿量后通过SVPWM调制方法控制逆变器获得三相交流电，驱动永磁同步电机。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术通过采样电机的三相电流，并将其变换到两相静止坐标系下，通过将两相静止坐标系下含有谐波的电流，五次、七次、十一次、十三次同步旋转变换，经过二阶低通滤波器完成五次、七次、十一次、十三次谐波的提取，并在给定为零的条件下，设计八组谐波PI控制器，使谐波分量得以抑制，最终将反变换到两相静止坐标系下的电压补偿值合成后叠加到原电流环中，完成转矩脉动的抑制。2)本专利技术的控制方法可以方便的叠加在永磁同步电机矢量控制算法中，同时能够能抑制谐波电流，进而抑制转矩脉动。本专利技术采用的控制策略能够减少谐波含量，改善逆变器输出波形的质量，对永磁同步电机运行的安全性与可靠性提供了理论指导和实际意义。附图说明图1为本专利技术中永磁同步电机矢量控制系统图；图2为基于坐标变换谐波补偿的转矩脉动抑制方法流程图；图3为实现基于坐标变换谐波补偿的转矩脉动抑制方法的软件系统流程图；图4为稳态运行时B相电流谐波抑制效果图；其中，(4a)为加入算法前B相电流波形图，(4b)为加入算法后B相电流波形图；图5为稳态运行时B相电流谐波频谱分析图；其中，(5a)为加入算法前的B相电流频谱分析图，(5b)为加入算法后的B相电流频谱分析图；图6为稳态运行时转矩脉动抑制效果图；图7为稳态运行时转矩脉动频谱分析图；其中，(7a)为加入算法前的转矩脉动频谱分析图，(7b)为加入算法后的转矩脉动频谱分析图；图8为在动态条件0.1s给定下转矩从40N·m跳变到120N·m时转矩脉动抑制效果图；其中，(8a)为加入算法前的转矩波形图，(8b)为加入算法后的转矩波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。为了方便叙述，定义符号变量如下：符号定义：ia——A相永磁同步电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括：步骤S1：在当前采样周期里检测获得三相输出电流以及转子旋转角度和转子电角速度，三相输出电流经坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量；步骤S2：由步骤S1的两相静止坐标系下的电流分量和转子旋转角度分别进行五次负序坐标变换、七次正序坐标变换、十一次负序坐标变换和十三次的正序坐标变换，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值；步骤S3：步骤S2的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值在转速自调节的二阶低通IIR数字滤波器下分别进行滤波，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量；步骤S4：由电机的直轴电感、交轴电感和步骤S1的转子电角速度分别对步骤S3获得的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量进行闭环控制，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量；步骤S5：由五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量得到两相静止坐标系下的电压补偿量，并将其补偿到输出的定子电压分量上。

【技术特征摘要】
1.一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括：步骤S1：在当前采样周期里检测获得三相输出电流以及转子旋转角度和转子电角速度，三相输出电流经坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量；步骤S2：由步骤S1的两相静止坐标系下的电流分量和转子旋转角度分别进行五次负序坐标变换、七次正序坐标变换、十一次负序坐标变换和十三次的正序坐标变换，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值；步骤S3：步骤S2的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值在转速自调节的二阶低通IIR数字滤波器下分别进行滤波，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量，所述二阶低通IIR数字滤波器的截止频率取值范围为10～20Hz，阻尼比取值范围为1.1～1.3；步骤S4：由电机的直轴电感、交轴电感和步骤S1的转子电角速度分别对步骤S3获得的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量进行闭环控制，对应得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量；步骤S5：由五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量得到两相静止坐标系下的电压补偿量，并将其补偿到输出的定子电压分量上，具体为：电机电磁转矩经MTPA弱磁控制输出dq轴电流指令，步骤S1的两相静止坐标系下的电流分量经dq变换后输出两相旋转坐标系下的电流分量，dq轴电流指令对应减去两相旋转坐标系下的电流分量后经电流PI调节输出αβ轴定子电压分量，αβ轴定子电压分量对应加上两相静止坐标系下的电压补偿量后通过SVPWM调制方法控制逆变器获得三相交流电，驱动永磁同步电机。2.根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤S2中五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值I5、I7、I11、I13满足以下公式：其中，分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的变换矩阵，Iαβ表示两相静止坐标系下α、β轴的电流iα、iβ，θ表示通过旋转变压器输出的转子旋转角度。3.根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述五次、七次、十一次、十...

【专利技术属性】
技术研发人员：康劲松，王硕，崔宇航，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31