一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法
2023-09-21 05:15:40
專利名稱：一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法
技術領域：
本發明屬於永磁同步電機諧波電流控制領域，特別是涉及一種採用注入諧波電壓方式來抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法。
背景技術：
在永磁同步電機(PMSM)穩態運行中，逆變器開關器件的死區時間、管壓降等非線性特性，或齒槽效應、繞組分布形式、磁路磁飽和效應、轉子磁極結構等引起的氣隙磁場畸變均將造成電機電流波形畸變，使電機電流中含有5、7、11、13次等一系列諧波分量。這些諧波電流分量，尤其是所佔比重較大的5、7次諧波電流分量，除了會在永磁同步電機的定子繞組以及鐵芯中產生附加損耗，降低電機的運行效率外，還將造成電機電磁轉矩和轉速的脈動，增加電機運行時的噪聲和降低電機運行的可靠性。目前，國內外學者對如何抑制諧波電流，特別是5、7次諧波電流，已開展了相關研究工作。如已公開的下列文獻(1)基於極弧係數選擇的實心轉子永磁同步電動機齒槽轉矩削弱方法研究.中國電機工程學報，2005，25 (15) 146-149.(2) 一種低諧波永磁同步電機的轉子.中國發明專利申請號=200410053929. 7.(3)Dead-time elimination of PWM-controlled inverter converter without separate power sources for current polarity detection circuit. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56 (6) :2121_2127.(4)基於電壓等效的脈寬調製輸出的電壓補償方法.中國發明專利申請號 201010268341. 9.文獻(1)、文獻(2)主要以優化電機本體設計，改善氣隙磁場分布的正弦度來抑制由於電機氣隙磁場畸變引起的諧波電流分量，尤其是較大的5、7次諧波電流分量，但無法抑制由於逆變器開關器件的死區時間，管壓降等非線性特性引起的諧波電流。文獻(3)、文獻(4)主要採用電流反饋型電壓補償的方法來抑制逆變器開關器件的固有特性和死區時間引起的諧波電流分量，尤其是較大的5、7次諧波電流分量，但無法抑制由於電機氣隙磁場畸變引起的諧波電流，且該類方法的有效性較大程度上依賴於電流過零點的檢測，電流過零點檢測的不準確，將導致誤補償。因此，該方法存在需要增加新的硬體，算法過於複雜，適用性差等局限問題。在工程實際運用中，考慮到諧波電流產生的因素較多，並且諧波電流含量隨電機工作點不同而變化，傳統的依據諧波電流產生因素單個補償方式比較複雜，對諧波電流抑制效果不夠理想。因而迫切需要一種新的、簡單實用的抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法來有效抑制電機電流中的諧波分量，尤其是抑制所佔比重較大的5、7次諧波電流分量，降低永磁同步電機電磁轉矩和轉速脈動，提高電機的運行效率和運行可靠性。
發明內容
本發明的目的是針對現有永磁同步電機諧波電流抑制方法的不足，提供一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法，該方法不僅避免了傳統的抑制諧波電流方式中需準確檢測電流過零點的技術難點，而且還能有效抑制因逆變器非線性特性及電機氣隙磁場畸變造成的電機5、7次諧波電流，降低永磁同步電機電磁轉矩和轉速脈動，提高電機的運行效率和運行可靠性。該方法可以通過以下技術方案來加以實現，它包括以下步驟a)首先採集電機的定子電流信號利用電流霍爾傳感器採集永磁同步電機的三相定子電流信號ia，ib，i。；b)檢測電機的轉子位置信號，計算電機的電角速度和電角度利用轉子位置傳感器檢測得到永磁同步電機的轉子位置θ ^及轉速ω」並根據QrR 計算得到永磁同步電機轉子電角速度ω =PG^及永磁同步電機轉子電角度θ = ρ θ^其中ρ為電機的極對數；c)將採集得到的電機定子電流信號ia，ib，i。經5、7次諧波電流提取模塊，分別得到在5次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的5次諧波d軸分量id5th和5次諧波q軸分量iq5th 及在7次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的7次諧波d軸分量id7th和7次諧波q軸分量iq7th ；d)將id5th、iq5th, id7th、iq7th帶入5、7次諧波電流抑制算法模塊，計算並得到為抑制永磁同步電機5次諧波電流所需注入的d軸諧波電壓分量ud5th—。ut和q軸諧波電壓分量U(l5th— 。ut及為抑制永磁同步電機7次諧波電流所需注入的d軸諧波電壓分量ud7th—。ut和q軸諧波
電壓分量 uq7th_out，e)將計算得到的抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的d、q軸諧波電壓分量ud5th—。ut、Uq5th out及ud7th—。ut、Uq7th out帶入諧波電壓dq/abc變換模塊計算並得到在靜止三相abc坐標軸系下為抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的諧波電壓分量
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Uq 、ti\) 、 MQ 9f)將傳統永磁同步電機調速系統輸出控制電壓計算模塊計算後得到的控制電壓 U' a、u' b、u'。分別與wae°m、wbcom> Mewm做減法運算後，即可得到含有抑制5、7次諧波電流分量的調速系統的最終控制電壓ua、ub, u。。h)將最終控制電壓ua、ub, Uc經空間矢量脈寬調製模塊調製後獲得控制永磁同步電機運行的兩電平電壓型PWM逆變器的開關信號Sa、Sb、S。。所述的5、7次諧波電流提取模塊包括一個由靜止三相abc坐標繫到5次諧波dq 同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊、一個由靜止三相abc坐標繫到7次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊及兩個低通濾波器。將步驟a)中得到的定子三相電流信號ia，ib，i。分別經由靜止三相abc坐標繫到5次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊及由靜止三相abc坐標繫到7次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊後，再分別經低通濾波器後，得到在5次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的5次諧波d、 q軸分量id5th和iq5th及在7次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的7次諧波d、q軸分量id7th和
^qYth0所述的5、7次諧波電流抑制算法模塊的計算步驟為A)分別建立在5次諧波dq同步旋轉坐標系下的5次諧波穩態電壓方程(I)及在 7次諧波dq同步旋轉坐標系下的7次諧波穩態電壓方程(II)所述的在5次諧波dq同步旋轉坐標系下的5次諧波穩態電壓方程(I)為
權利要求
1.一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法，其特徵在於，該方法由以下步驟構成a)首先採集電機的定子電流信號利用電流霍爾傳感器採集永磁同步電機的三相定子電流信號ia，ib，ic;b)檢測電機的轉子位置信號，計算電機的電角速度和電角度利用轉子位置傳感器檢測得到永磁同步電機的轉子位置θ ^及轉速ω」並根據QrR 計算得到永磁同步電機轉子電角速度ω =p 及永磁同步電機轉子電角度θ = ρ θ^其中ρ為電機的極對數；c)將採集得到的電機定子電流信號ia，ib，i。經5、7次諧波電流提取模塊，分別得到在 5次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的5次諧波d軸分量id5th和5次諧波q軸分量iq5th及在 7次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的7次諧波d軸分量id7th和7次諧波q軸分量iq7th ；d)將id5th、iq5th>id7th、iq7th帶入5、7次諧波電流抑制算法模塊，計算並得到為抑制永磁同步電機5次諧波電流所需注入的d軸諧波電壓分量ud5th—。ut和q軸諧波電壓分量U(l5th—。ut 及為抑制永磁同步電機7次諧波電流所需注入的d軸諧波電壓分量ud7th—。ut和q軸諧波電壓分量Uq7th out ；e)將計算得到的抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的d、q軸諧波電壓分量ud5th—。ut、Uq5th out及ud7th—。ut、Uq7th out帶入諧波電壓dq/abc變換模塊計算並得到在靜止三相abc坐標軸系下為抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的諧波電壓分量com com comHq、ll\y、HQ9f)將傳統永磁同步電機調速系統輸出控制電壓計算模塊計算後得到的控制電壓U'a、 U' b、u'。分別與Mae°m、Mbe°m、Mee°m做減法運算後，即可得到含有抑制5、7次諧波電流分量的調速系統的最終控制電壓Ua、ub, u。。h)將最終控制電壓ua、ub, uc經空間矢量脈寬調製模塊調製後獲得控制永磁同步電機運行的兩電平電壓型PWM逆變器的開關信號Sa、Sb、S。。
2.根據權利要求1所述的一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法， 其特徵在於，所述的5、7次諧波電流提取模塊還包括一個由靜止三相abc坐標繫到5次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊、一個由靜止三相abc坐標繫到7次諧波 dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊及兩個低通濾波器。將步驟a)中得到的定子三相電流信號ia，ib，i。分別經由靜止三相abc坐標繫到5次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊及由靜止三相abc坐標繫到7次諧波dq同步旋轉坐標軸系的恆功率變換矩陣模塊後，再分別經低通濾波器後，得到在5次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的5次諧波d、q軸分量id5th和iq5th及在7次諧波dq同步旋轉坐標軸系下的7次諧波d、q軸分量 ld7th 禾口 iq7th。
3.根據權利要求1、2所述的一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法，其特徵在於，所述的5、7次諧波電流抑制算法模塊還包括以下計算步驟A)分別建立在5次諧波dq同步旋轉坐標系下的5次諧波穩態電壓方程(I)及在7次諧波dq同步旋轉坐標系下的7次諧波穩態電壓方程(II)所述的在5次諧波dq同步旋轉坐標系下的5次諧波穩態電壓方程(I)為
4.根據權利要求1、2、3所述的一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法，其特徵在於，所述的諧波電壓dq/abc變換模塊還包括一個由5次諧波dq同步旋轉坐標軸繫到靜止三相abc坐標系的恆功率變換矩陣模塊及一個由7次諧波dq同步旋轉坐標軸繫到靜止三相abc坐標系的恆功率變換矩陣模塊。將5、7次諧波電流抑制算法模塊計算後得到的抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的d、q軸諧波電壓分量ud5th—。ut、U(l5th— out及ud7th—。ut、Uq7th out分別經由5次諧波dq同步旋轉坐標軸繫到靜止三相abc坐標系的恆功率變換矩陣模塊及由7次諧波dq同步旋轉坐標軸繫到靜止三相abc坐標系的恆功率變換矩陣模塊後，得到靜止坐標軸系下的5、7次諧波電壓ua5th、ub5th、u。5th及Ua7th、Ub7th、Uc7th ；Ua5th、Ub5th、Uc5th Ua7th、Ub7th、Uc7th 對應依次相加，得到在靜止三相abc坐標軸系下為抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的諧波電壓分量Wae°m、Mbcom. Utom-,0
全文摘要
一種注入諧波電壓抑制永磁同步電機諧波電流的控制方法，其特徵在於該方法在實時提取永磁同步電機中的諧波電流分量的基礎上，通過加入諧波電流抑制環的方式，實現對諧波電流的閉環控制，進而計算得到為抑制永磁同步電機5、7次諧波電流所需注入的諧波電壓分量，並將得到的諧波電壓分量注入到永磁同步電機調速系統中的三相控制電壓中，抵消永磁同步電機運行時電機電流中的5、7次諧波分量，達到了抑制5、7次諧波電流的目的。該方法不僅可以避免傳統的抑制諧波電流方式中需準確檢測電流過零點的技術難點，而且能夠明顯地改善電機電流波形，同時有效抑制因逆變器非線性特性及電機氣隙磁場畸變造成的電機5、7次諧波電流，有效減少由5、7次諧波電流分量引起的附加損耗，降低永磁同步電機電磁轉矩和轉速脈動，提高永磁同步電機的運行效率及運行可靠性。
文檔編號H02J3/01GK102201770SQ201110145038
公開日2011年9月28日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者劉刃, 姚駿, 廖勇, 黃嵩 申請人:重慶大學