定子电流矢量定向下PMSM转矩脉动抑制方法技术

定子电流矢量定向下PMSM转矩脉动抑制方法，所述控制方法首先根据PMSM的实际运行参数，建立了定子电流矢量定向下PMSM的动态数学模型；然后基于PMSM磁共能模型下的电磁转矩方程，建立了保证转矩脉动最小化时的最优定子谐波电流约束条件，并运用反推控制原理建立了谐波控制器和定子电流矢量定向下的闭环I/f控制器(简称闭环I/f控制器)。为了准确获取速度信号，本发明专利技术同时设计了一种基于最小二乘算法的PMSM全范围速度辨识方法。试验结果表明：优化后的电机转矩脉动得到有效抑制，且控制下的各参数能快速收敛并达到稳定值；对于低、中、高情况下的转速，均能做到准确地跟踪辨识，实现PMSM的全速跟踪。

【技术实现步骤摘要】
定子电流矢量定向下PMSM转矩脉动抑制方法
本专利技术涉及永磁同步电机的控制方法，属于电机

技术介绍
随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机(permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有结构简单、功率密度高、效率高、损耗小等优点，被广泛应用于各种工业驱动领域，如电动汽车、数控机床和航天工程等。然而由于电机结构设计的非理想、气隙磁场的畸变和逆变器的非线性等原因，永磁同步电机的转矩存在较大的脉动，从而限制了永磁同步电机在高精度场合的应用。常规PI控制器无法对转子的转速做到无误差跟踪，且只能抑制因逆变器开关器件的固有特性和死区时间所引起的转矩脉动，对其他原因而产生的转矩脉动并无明显抑制作用。因此，在电机运行时，设计一种能够改善电机电流波形，抑制转矩脉动控制方法，对减小电机损耗，保证电机的稳定运行有着非常重要的意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于针对现有技术的弊端，做出两点创新：一是提出了一种基于电流矢量定向的闭环I/f控制框架下PMSM转矩脉动抑制方法，推导出了具体的最优定子电流解析表达式以便于控制实施。二是设计了一种基于最小二乘算法的PMSM全范围速度辨识方法。本专利技术所述的问题是由以下技术方案实现的：对于电流矢量定向的闭环I/f控制框架下PMSM转矩脉动抑制方法，所述控制方法为：首先根据PMSM的实际运行参数，在定子电流矢量定向下建立机组的动态数学模型：其中：和分别为d*轴和q*轴的定子电压；np为转子的极对数；ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；θL为q*轴与d轴间的夹角；θ为转子转过的角度；ωi为电流矢量is的旋转机械角速度；Rs为定子电阻；为q*轴的定子电感；is为定子电流；J为转动惯量；B为粘滞系数；TL为负载转矩，Te为电磁转矩；然后基于PMSM磁共能模型下的电磁转矩方程，建立了保证转矩脉动最小化时的最优定子谐波电流约束条件：其中：is0为基波电流幅值；λ0为d轴平均磁链；λdk和λqk为d、q轴第k次磁链谐波分量；k为谐波次数；Tck为齿槽转矩第k次谐波的幅值。最后基于反推控制原理，设计谐波抑制器：其中：为q*轴的定子6次谐波电压分量；Rs为定子电阻；is6定子电流6次谐波电流幅值；ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；为q*轴的定子电感；θL为q*轴与d轴间的夹角；np为转子的极对数；准确获取速度信号是实现PMSM控制算法的基础，对于基于最小二乘算法的PMSM全范围速度辨识方法，所述控制方法为：以传统的带遗忘因子的最小二乘算法结构为基础，对闭环I/f控制框架下的定子电压方程进行离散化处理，得到：其中：T为采样周期；k为采样点；为k时刻的信息向量；y(k)为系统的输出向量。在前次估计结果的基础上，就新的数据根据递推规则对前次估计的结果进行修正，得出新的参数估计值。本专利技术以谐波占比最大的6次谐波为例，设计控制器优化定子电流，从而抑制转矩脉动。同时对PMSM转速进行辨识，试验结果表明：优化后的电机转矩脉动得到有效抑制；且控制下的各参数能快速收敛并达到稳定值；对于低、中、高情况下的转速，均能做到准确地跟踪辨识，实现PMSM的全速跟踪。附图说明图1为PMSM空间矢量图；图2为PMSM转矩脉动抑制方法下的矢量夹角θL波形；图3为PMSM转矩脉动抑制方法下的转速ωr波形；图4为PMSM转矩脉动抑制方法下的电流矢量is0波形；图5为PMSM转矩脉动抑制前后电磁转矩波形；图6为PMSM转矩脉动抑制方法下负载转矩突变的矢量夹角θL波形；图7为PMSM转矩脉动抑制方法下负载转矩突变的转速ωr波形；图8为PMSM转矩脉动抑制方法下负载转矩突变的电流矢量is0波形；图9为PMSM转矩脉动抑制方法下负载转矩突变的电磁转矩波形；图10为从静止状态启动至额定转速的辨识波形；图11为PMSM机组全系统模型。文中各符号为：Rs为定子电阻；和分别为d*轴和q*轴的定子电感；ωr为转子角速度；ωi为电流矢量is的旋转机械角速度；np为转子的极对数；θ为转子转过的角度；ψr为永磁体励磁空间矢量；J为转动惯量；B为粘滞系数；TL为负载转矩，T0为有效转矩；Tcog为齿槽转矩；is0为基波电流幅值；Isk为第k次谐波电流；λ0为d轴平均磁链；k为谐波次数；Tck、φck为齿槽转矩第k次谐波的幅值和相角；eω、ei和eθ分别为电机速度、电流和转角的跟踪误差；和θ*分别为电机速度、定子电流幅值和转角的参考值；kθ、kω和ki为控制增益。具体实施方式本专利技术由以下技术方案实现：1.定子电流矢量定向下PMSM动态建模为了研究PMSM中电流矢量is的特性，引入同步旋转坐标系d*q*o如图1，其中d*和q*分别为实轴和虚轴，dq轴为转子的实际转轴。q*轴方向与电流矢量is的方向保持一致。q*轴与d轴间的夹角为θL，ψr为永磁体励磁空间矢量。在d*q*o坐标系下，定子电压方程可表示为：其中：Rs为定子电阻；和分别为d*轴和q*轴的定子电流；和分别为d*轴和q*轴的定子电压；和分别为d*轴和q*轴的定子磁链；和分别为d*轴和q*轴的转子磁链；和分别为d*轴和q*轴的定子电感；ωi为电流矢量is的旋转机械角速度；np为转子的极对数。由于q*轴方向与电流矢量is的方向保持一致，可以得到：因此定子电压方程表达式可简化为：其中：ψr为永磁体励磁空间矢量；Rs为定子电阻；is为定子电流；θL为q*轴与d轴间的夹角；ωr为转子角速度；ωi为电流矢量is的旋转机械角速度；为q*轴的定子电感；np为转子的极对数。另外，PMSM转子运动方程可写为：其中：θ为转子转过的角度，J为转动惯量；ωr为转子角速度；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；B为粘滞系数。又，θL、ωi和ωr间的关系可以表示为：2.PMSM转矩脉动建模基于磁共能模型的PMSM电磁转矩方程可写为：其中：Tcog为齿槽转矩；is为定子电流；id和iq为dq0坐标系下d、q轴定子电流分量；θL为q*轴与d轴间的夹角；θ为转子转过的角度；Ld和Lq为dq0坐标系下d、q轴电感；λd和λq为dq0坐标系下d、q轴磁链。又：其中：is0为基波电流幅值；θ为转子转过的角度；Isk为第k次谐波电流；φsk为第k次谐波电流的相角；λ0为d轴平均磁链；λdk和λqk为d、q轴第k次磁链谐波分量；k为谐波次数；φλk为第k次谐波磁链相角；Tck、φck为齿槽转矩第k次谐波的幅值和相角。由于λdk、λqk和Isk相对较小，忽略式(9)中两两乘积项，并适当化简可得：其中：T0为有效转矩，θL为q*轴与d轴间的夹角；θ为转子转过的角度；is0为基波电流幅值；Isk为第k次谐波电流；φsk为第k次谐波电流的相角；λ0为d轴平均磁链；λdk和λqk为d、q轴第k次磁链谐波分量；Ld和Lq为dq0坐标系下d、q轴电感；λd和λq为dq0坐标系下d、q轴磁链。k为谐波次数；φλk为第k次谐波磁链相角；Tck、φck为齿槽转矩第k次谐波的幅值和相角。令：Ck＝2Kpis0·(Ld-Lq)cosθLsinθLIsk；Dk＝KpIskλ0·sinθL引入转化角φk可得：其中：令：Ek＝Kpis0·sinθ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.对于定子电流矢量定向的闭环I/f控制框架下PMSM转矩脉动抑制方法，所述控制方法为：首先根据PMSM的实际运行参数，在定子电流矢量定向下建立机组的动态数学模型：

【技术特征摘要】
1.对于定子电流矢量定向的闭环I/f控制框架下PMSM转矩脉动抑制方法，所述控制方法为：首先根据PMSM的实际运行参数，在定子电流矢量定向下建立机组的动态数学模型：其中：usd*和usq*分别为d*轴和q*轴的定子电压；np为转子的极对数；ψr为永磁体励磁空间矢量；ωr为转子角速度；θL为q*轴与d轴间的夹角；θ为转子转过的角度；ωi为电流矢量is的旋转机械角速度；Rs为定子电阻；Lq*为q*轴的定子电感；is为定子电流；J为转动惯量；B为粘滞系数；TL为负载转矩，Te为电磁转矩；然后基于PMSM磁共能模型下的电磁转矩方程，建立了保证转矩脉动最小化时的最优定子谐波电流约束条件：其中：is0为基波电流幅值；λ0为d轴平均磁链；λdk和λqk为d、q轴第k次磁链谐波分量；k为...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，从乐瑶，谢仁杰，田夏，卢健斌，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13