一种永磁同步电机振动噪声主动抑制方法技术

本发明专利技术公开一种永磁同步电机振动噪声主动抑制方法，基于DSP+FPGA嵌入式控制系统架构，在DSP定时器中断完成采样处理与闭环控制并得到调制度和角度实时指令的基础上，提取相邻采样点间的角度跳变量，采用虚拟高频化方法计算角度步进值，通过高速数据总线将调制指令发送至FPGA，利用其运行速度快的优势，将一个控制周期内调制波幅值等效线性化步进至指令值，并利用时钟同步保证计数器和步进器缓存的可靠清零，进而生成平滑的调制波与三角载波比较后输出PWM脉冲，驱动逆变器将直流母线电压变换成三相交流电压驱动电机运行，从而实现关键变量的多重采样精细化控制，显著提高了变量更新频率和控制精度，避免了变量跳变，有效改善电机的转矩脉动和电磁振动噪声。善电机的转矩脉动和电磁振动噪声。善电机的转矩脉动和电磁振动噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机振动噪声主动抑制方法


[0001]本专利技术属于交流电机振动控制
，特别涉及一种船舶永磁同步电机数字控制器高频振动噪声抑制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机具有功率密度高、机械结构简单、全调速范围效率高以及转矩输出比高等优点，已经广泛应用于能源动力、交通运输、高端制造等重大装备。随着永磁电机广泛应用，其振动噪声特性越来越引起人们的关注。其中船舶推进、高精度伺服和电动汽车等高端应用领域对低振动噪声电机系统有着极为迫切的需求。
[0003]永磁同步电机振动噪声源主要由三部分组成：电磁振源、机械振源和流体(空气动力)振源。对于船舶推进用大功率中低速度永磁同步电机，电磁振源是其最主要的振动噪声源，其由电机定转子磁场相互作用产生的径向电磁力而引起。但目前国内外普遍把永磁同步电机电磁振动噪声的研究重点放在低频电磁振源的分析与抑制上，电磁激励下电机结构振动响应的研究相对较少，高频振动噪声还缺乏全面而系统的研究。高频电磁振源主要由变频器脉宽调制(PWM)供电产生的开关频带及其倍频带谐波引起，主要研究也集中在PWM调制策略层面，其思路是通过控制常规PWM策略中一般不使用的冗余自由度，如脉冲位置、载波间相位差、开关死区和载波频率等，来抑制电机的高频电压、电流谐波，比如变载波频率PWM调制技术、载波移相技术、死区补偿技术等。而高频电磁噪声产生的另一方面主要原因是，电机系统进行数字化离散闭环控制时，由于没有控制好电机的磁场，进而导致电机电磁转矩脉动的产生。
[0004]专利文献1(CN108258947A)公开了一种电动汽车电机控制器抑制高频噪声的方法，其采用电机控制器软件根据接收的扭矩命令和采集电机转速信号设定IGBT驱动模块开关频率。整个电机控制按照转速分为三个范围，低转速在500rpm的转速下IGBT开关频率固定，500～6000rpm转速下根据扭矩进行PWM频率是固定还是随机变频，在6000rpm转速以上，根据扭矩进行PWM频率是固定还是随机变频，针对性不强，并且IGBT开关频率方式只是随机变频，噪声凸起的问题难以有效针对解决。
[0005]专利文献2(CN105429540B)公开了一种基于模型跟踪控制的交流伺服电机振动抑制方法，采用模型跟踪控制算法(MFC)的理念，将系统的控制量输入至一个理想的控制模型，并认为理想模型的输出与实际输出相等，当外界对实际系统有干扰时，理想模型对干扰做出响应，将计算出的用来抵消干扰的控制量加至实际系统的控制量中，起到稳定系统、消除干扰的目的，但该方法定位于抑制转速波动引起的振动噪声，主要在低中频起到一定作用。
[0006]专利文献3(CN105577059B)公开了一种船用异步电机系统的噪声抑制方法，通过离线计算三相电机在不同负载、不同转速下的电磁转矩脉动，绘制出q条曲线，在进行电机在线闭环控制时，计算当前转速和负载下的电磁转矩脉动理论值，并与当前电机的电磁转矩脉动实际值进行比较，通过PI调节器进行比较输出电压补偿值，但这种方法存在曲线拟
合函数复杂以致数字实现困难以及低通滤波导致高频信息丢失等问题。
[0007]站在嵌入式数字控制器离散控制角度，变频电机驱动领域常用DSP、MCU或FPGA，以TIC2000系列DSP为例，由于需要处理采样、PID控制、保护等环节，控制器的主频与开关频率必须满足一定比例，而定时器中断需要一定的执行时间，随着开关频率的提高，做到几十kHz以上基本就不能采用逐周期调节了，因此高频下需要数个开关周期才能完成一次控制周期，多周期调节引起数字延时导致很难设计高带宽的控制器，虽然提高了开关频率但并未使动态性能达到相同水平，同时又带来了过零畸变、变量跳变等问题，而传统控制器并未考虑进行处理或补偿，从而导致在控制频率处出现转矩脉动。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的，在于以现有DSP+FPGA数字控制器架构为基础，提供一种船舶永磁同步电机控制频率处高频振动噪声抑制方法，采用虚拟高频化方法实现关键变量的多重采样精细化控制，突破多周期调节的固有缺陷，提高数据更新频率，避免变量跳变，改善电机的转矩脉动和电磁振动噪声。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0009]一种永磁同步电机振动噪声主动抑制方法，用于对三相永磁同步电机系统进行控制，所述三相永磁同步电机系统包括三相全桥逆变器、滤波回路、永磁同步电机、采样回路和控制系统，所述方法包括如下步骤：
[0010]所述采样回路对输入所述三相全桥逆变器的直流电压进行采样，对所述三相全桥逆变器输出的三相电流进行采样，对所述永磁同步电机的旋转变压器输出的正余弦信号进行采样；
[0011]所述控制系统对所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号进行处理和闭环控制，得到调制度、角度和角度步进值，并根据所述调制度、角度和角度步进值生成三相调制波，进而与三角载波比较后生成三相PWM波形，控制所述三相全桥逆变器将直流母线电压变换成三相交流电压驱动电机运行。
[0012]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0013]进一步，所述控制系统采用DSP+FPGA架构，对所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号进行处理和闭环控制，得到调制度、角度和角度步进值，具体包括：
[0014]所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号经过三环控制环路，即速度环、电压环和电流环，处理得到d、q轴控制输出电压，并根据所述d、q轴控制输出电压计算调制度m和角度angle；
[0015]采用虚拟高频化方法，提取DSP相邻采样点间的角度跳变量angle_jv，将所述角度跳变量angle_jv分为k等份，得到角度步进值angle_dlt。
[0016]进一步，经过三环控制环路，即速度环、电压环和电流环，得到d、q轴控制输出电压，具体包括：
[0017]对采样的正余弦信号进行解码处理，得到经过调制后的位置信号Pos，所述位置信号Pos是0到65535的数字信号；
[0018]所述位置信号Pos通过乘以比例系数P＝2π/65536，得到电机的电角度θ
e
，所述电角度θ
e
叠加旋转变压器电气零位位置与电机转子电气零位之间的零位偏差角θ0，得到电机真实转子角度位置θ
c
；
[0019]对所述电角度θ
e
进行微分处理，得到反馈转速信号ω
e
，对所述反馈转速信号ω
e
进行滤波处理得到反馈滤波转速信号ω
e-FLT
；
[0020]将所述反馈滤波转速信号ω
e-FLT
折算为电机转速N
motor
，将所述电机转速N
motor
与给定转速N
ref
进行比较，两者之差经过速度环PI调节，得到给定电流i
s*
；
[0021]d轴控制输出电压u
od
与q轴控制输出电压u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机振动噪声主动抑制方法，用于对三相永磁同步电机系统进行控制，所述三相永磁同步电机系统包括三相全桥逆变器、滤波回路、永磁同步电机、采样回路和控制系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：所述采样回路对输入所述三相全桥逆变器的直流电压进行采样，对所述三相全桥逆变器输出的三相电流进行采样，对所述永磁同步电机的旋转变压器输出的正余弦信号进行采样；所述控制系统对所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号进行处理和闭环控制，得到调制度、角度和角度步进值，并根据所述调制度、角度和角度步进值生成三相调制波，进而与三角载波比较后生成三相PWM波形，控制所述三相全桥逆变器将直流母线电压变换成三相交流电压驱动电机运行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统采用DSP+FPGA架构，对所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号进行处理和闭环控制，得到调制度、角度和角度步进值，具体包括：所述采样回路采样的直流电压、三相电流和正余弦信号经过三环控制环路，即速度环、电压环和电流环，处理得到d、q轴控制输出电压，并根据所述d、q轴控制输出电压计算调制度m和角度angle；采用虚拟高频化方法，提取DSP相邻采样点间的角度跳变量angle_jv，将所述角度跳变量angle_jv分为k等份，得到角度步进值angle_dlt。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经过三环控制环路，即速度环、电压环和电流环，得到d、q轴控制输出电压，具体包括：对采样的正余弦信号进行解码处理，得到经过调制后的位置信号Pos，所述位置信号Pos是0到65535的数字信号；所述位置信号Pos通过乘以比例系数P＝2π/65536，得到电机的电角度θ
e
，所述电角度θ
e
叠加旋转变压器电气零位位置与电机转子电气零位之间的零位偏差角θ0，得到电机真实转子角度位置θ
c
；对所述电角度θ
e
进行微分处理，得到反馈转速信号ω
e
，对所述反馈转速信号ω
e
进行滤波处理得到反馈滤波转速信号ω
e-FLT
；将所述反馈滤波转速信号ω
e-FLT
折算为电机转速N
motor
，将所述电机转速N
motor
与给定转速N
ref
进行比较，两者之差经过速度环PI调节，得到给定电流i
s*
；d轴控制输出电压u
od
与q轴控制输出电压u
oq
两者的平方和开根号即√(u
od2
+u
oq2
)，与系统允许输出的最大相电压峰值即直流电压V
dc
/√3进行比较，两者之差经过电压环PI调节，得到电压环控制输出电流i
dv*
，其中，V
dc
为采样的直流电压；i
d0*
＝0控制叠加所述电压环控制输出电流i
dv*
，得到d轴给定电流i
d*
；给定电流i
s*
与d轴给定电流i
d*
两者的平方差开根号即√(i
s*2-i
d*2
)，得到q轴给定电流i
q*
；通过Clark变换将采样的三相电流i
u
、i
v
、i
w
由三相静止坐标系abc坐标系变换到两相静止坐标系αβ坐标系，得到α轴电流分量i
α
，β轴电流分量i
β
；通过Park变换将α轴、β轴电流分量i
α
、i
β
变换到两相旋转坐标系dq坐标系下，得到d轴反馈电流i
d
和q轴反馈电流i
q
；
d轴反馈电流i
d
与d轴给定电流i

【专利技术属性】
技术研发人员：杜会卿，杨森，蔡宗举，刘玉明，蔡道萌，张智杰，苗春晖，
申请(专利权)人：中国船舶工业系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：