專利名稱：基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種通過電流諧波注入抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制技術(shù)，屬于電機驅(qū) 動與控制技術(shù)領(lǐng)域，為一種基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。
背景技術(shù)：
隨著永磁材料性能的不斷提高和永磁電機設(shè)計制造技術(shù)的不斷完善，永磁電機在 越來越多的工業(yè)驅(qū)動和伺服控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而永磁電機中，永磁體與有槽電樞 鐵心相互作用，產(chǎn)生定位力矩，進而產(chǎn)生電機運行過程中的振動和噪聲，影響電機在速度控 制系統(tǒng)中低速性能和在位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。關(guān)于減小和抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也進行了深入研究， 并取得了一系列的研究成果。總的來說，可以歸納為兩大類一類是從電機本體設(shè)計出發(fā)研究減小永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法，如包括定/轉(zhuǎn)子 斜槽或者斜極、磁極形狀優(yōu)化、分數(shù)槽結(jié)構(gòu)、極弧系數(shù)組合優(yōu)化、轉(zhuǎn)子分段、永磁體不對稱放 置、定/轉(zhuǎn)子開輔助槽、定子槽口寬度優(yōu)化設(shè)計、不同槽口寬配合以及鐵心形狀優(yōu)化設(shè)計等 等。但是由于各方面的許多限制，受不同類型電機結(jié)構(gòu)的制約，電機轉(zhuǎn)矩脈動的減小程度有 限。此外，該類針對電機本體的方法在減小電機轉(zhuǎn)矩脈動的同時，會對電機的空載反電動 勢、轉(zhuǎn)矩輸出能力、功率密度等性能產(chǎn)生影響，同時增加制造成本，在實際產(chǎn)業(yè)化過程中有 一定的局限性。第二類方法則是在電機已經(jīng)制造完畢后，無法對本體改進的條件下，通過控制策 略來抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動，從而提高其輸出性能。該方法無需增加電機驅(qū)動控制成本，只需修 改控制軟件，簡單易行。目前已有的控制策略又可細分為針對空載反電動勢和針對定位力 矩兩類。前者是對空載反電動勢進行諧波分析，得到主要高次電勢諧波分量的頻率和相位， 通過注入相對應(yīng)的高次諧波電流分量，使得耦合產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩基波分量和主要高次諧波 分量之和為平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，從而達到消除脈動的目的。而后者適用于采用電流滯環(huán)矢量控制的 永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)，針對其定位力矩較大的缺點，首先對定位力矩進行諧波分析，得到定位 力矩的基波和主要高次諧波分量的頻率和相位。通過注入相對應(yīng)的高次諧波電流分量，使 其與基波的永磁磁鏈耦合產(chǎn)生主要的高次電磁轉(zhuǎn)矩諧波分量，并與定位力矩的基波和主要 高次諧波分量大小相等，相位相反，從而達到消除脈動的目的。但該類方法是基于定子坐標(biāo) 系下，在各相電樞電流基波分量基礎(chǔ)之上，通過注入相應(yīng)的高次諧波電流分量產(chǎn)生高次諧 波電磁轉(zhuǎn)矩，對于目前廣泛應(yīng)用的基于電壓空間矢量調(diào)制的控制系統(tǒng)并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是目前減小和抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法，從電機設(shè)計 方面改進的方式成本較高，生產(chǎn)存在局限性；從電機控制系統(tǒng)的改進方式對于目前廣泛應(yīng) 用的基于電壓空間矢量調(diào)制的控制系統(tǒng)不適用；需要一種簡單、成本低、適用性好的永磁電 機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，對永磁 電機采用直軸電流為零的矢量控制策略，使電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流成線性關(guān)系，注入交 軸諧波電流，交軸注入諧波電流<與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分 量，以使所述附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量幅 值相等，相位相反為目標(biāo)，根據(jù)永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流的線性關(guān)系，求解交軸 注入諧波電流 在電機空間矢量控制基礎(chǔ)上，注入所求得的交軸注入諧波電流《使附加 電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量相互抵消，實現(xiàn)抑制 轉(zhuǎn)矩脈動。本發(fā)明具體包括以下步驟1)獲取永磁電機定位力矩通過有限元仿真對永磁電機的分析結(jié)果或者由轉(zhuǎn)矩 測試儀對永磁電機的實測數(shù)據(jù)，對永磁電機的定位力矩波形進行理論分析，用傅里葉級數(shù) 近似逼近永磁電機定位力矩，進行諧波分析，找出定位力矩中的基波和主要高次諧波分量， 所述主要高次諧波分量是指諧波分量幅值與基波幅值相比不能忽略的高次諧波分量，針對 不同的永磁電機，主要高次諧波分量不同；2)采用直軸電流為零的電壓空間矢量調(diào)制方式，推導(dǎo)電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流的關(guān)系 表達式，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下直接添加交軸諧波電流分量；3)注入的交軸諧波電流分量與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生高次附加電磁轉(zhuǎn)矩分量，使 得該附加電磁轉(zhuǎn)矩分量與定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等、相位相反，從而相 互抵消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。永磁電機采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)獨立調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中轉(zhuǎn)速PI調(diào) 節(jié)器的輸出與注入的交軸諧波電流求和得到交軸參考電流，所述交軸參考電流輸入電流環(huán) 進行閉環(huán)控制。本發(fā)明所述永磁電機為任意相結(jié)構(gòu)的包含有永磁體作為勵磁源的電機，包括純永 磁電機和混合勵磁電機。本發(fā)明基于空間電壓矢量控制的永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)，提出一種簡單有效的抑制永 磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法，尤其是針對電機已經(jīng)制造完畢或者購買的成品電機，無法在 電機本體上再采取措施，可以方便的采用本發(fā)明方法；本發(fā)明方法尤其適用于所有定位力 矩較大的永磁電機，無需增加電機驅(qū)動控制成本，只需修改控制軟件，簡單有效。本發(fā)明的實施對象為永磁電機，而該類型電機可以采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制 等先進的控制策略。因此，本發(fā)明抑制方法只需修改控制軟件，無需增加控制系統(tǒng)硬件成 本，簡單易行。具體具有如下優(yōu)點1.提出了注入交軸諧波電流抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制方法，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下 直接添加交軸諧波電流分量，使得注入的交軸諧波電流產(chǎn)生與定位力矩中的基波與主要高 次諧波分量幅值相等、相位相反的附加高次電磁轉(zhuǎn)矩分量，從而相互抵消，無須在定子坐標(biāo) 系下對每相繞組電流分別增加高次諧波電流分量，易于實現(xiàn)；2.傳統(tǒng)的從電機本體設(shè)計出發(fā)減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法，由于各方面的條件限制，受 不同類型電機結(jié)構(gòu)的制約，轉(zhuǎn)矩脈動的減小程度有限，此外，針對電機本體的方法在減小轉(zhuǎn) 矩脈動的同時，會對電機的空載反電動勢、功率密度和轉(zhuǎn)矩輸出能力等產(chǎn)生影響，同時增加 制造成本，在實際產(chǎn)業(yè)化過程中有一定的局限性；而本發(fā)明只需修改永磁電機的控制軟件，無需對電機進行重新設(shè)計，也無需增加控制系統(tǒng)硬件成本；3.通過實施本發(fā)明技術(shù)后，既可明顯抑制電機的轉(zhuǎn)矩脈動，降低電機運行中的振 動與噪聲，拓展電機的應(yīng)用范圍，同時又保留了電機空載磁勢、轉(zhuǎn)矩輸出能力等特性不變。 且無需增加系統(tǒng)成本，只需修改相應(yīng)的控制軟件，簡單易行。


圖1為實施例的永磁電機定位力矩波形。圖2為圖1的永磁電機定位力矩諧波分析。圖3是本發(fā)明實施例的基于電壓空間矢量調(diào)制的交軸電流諧波注入抑制永磁電 機轉(zhuǎn)矩脈動的控制系統(tǒng)框圖。圖4為諧波電流注入前的轉(zhuǎn)矩和電流波形。圖5為諧波電流注入后的轉(zhuǎn)矩和電流波形。
具體實施例方式為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于空間電壓矢量調(diào)制，直接 注入交軸高次諧波電流抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的方法，采用直軸電樞電流為零，即id = 0 的矢量控制策略，根據(jù)永磁電機電磁轉(zhuǎn)矩1 與交軸電樞電流、成線性關(guān)系，計算出附加的 交軸諧波電樞電流^，使得注入的諧波電流<與直軸永磁磁鏈相互耦合，產(chǎn)生附加的交軸 電磁轉(zhuǎn)矩諧波分量與定位力矩中的基波與主要高次諧波分量幅值相等，相位相反，可以相 互抵消，從而達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。其中id = 0的矢量控制策略為本領(lǐng)域的公知技術(shù)， 不再詳述。首先通過有限元仿真結(jié)果或者轉(zhuǎn)矩測試儀實測數(shù)據(jù)，對永磁電機的定位力矩波形 進行理論分析，用傅里葉級數(shù)近似逼近永磁電機定位力矩，并進行諧波分析，得到定位力矩 中幅值較大的基波和主要高次諧波分量；其次，采用直軸電流為零(id = 0)矢量控制策略， 根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩與交軸(q軸)電流的線性關(guān)系，求解附加的交軸注入諧波電流^，使得注入的 交軸諧波電流^與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量，與定位力矩中的 基波與高次諧波分量幅值相等，相位相反，可以相互抵消，從而達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的。本發(fā)明的實施對象為在空間矢量調(diào)制下，可以采用直軸電流為零矢量控制策略的 永磁電機，任意相結(jié)構(gòu)的包含有永磁體作為勵磁源的電機都可以，包括純永磁電機和混合 勵磁電機。原理是根據(jù)永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流的線性關(guān)系，求解附加的交軸 注入諧波電流<，使得交軸注入諧波電流//與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩高次 諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等，相位相反，從而相互抵 消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。下面以磁通切換永磁電機(flux-switching permanent magnet電機，以下簡稱 FSPM電機)為例，說明該方法的具體實施步驟和仿真應(yīng)用效果。圖1為采用虛功法有限元計算得到的定位力矩波形。由圖可以看出定位力矩波 形包含有高次諧波分量，為了對其建立數(shù)學(xué)表達式，需要對其進行諧波分析，分析結(jié)果如圖 2所示。表1給出了主要諧波分量的幅值、與基波分量的比值和相位角。
表1定位力矩諧波分析。
諧波次數(shù)諧波幅值(Nm)~~諧波與基波幅值比(％ )~~諧波分量相角(° ) 可見，定位力矩的總諧波失真THD達到了 53. 62%，諧波分量很大，而其中最主要 的高次諧波為2次諧波，與基波幅值比達到了 52. 95%，剩下的其余高次諧波可以忽略不 計，也就是2次諧波做為主要高次諧波分量，這里的主要高次諧波分量是指高次諧波分量 幅值與基波幅值相比不能忽略時的主要高次諧波分量，針對不同的永磁電機，主要高次諧 波分量也是不同的，這是本領(lǐng)域的公知常識，不再詳述。因此，F(xiàn)SPM電機的定位力矩可以近似表達為式中，Tcffll為定位力矩基波分量幅值，在這里等于1. 1 INm ；Tcffl2為定位力矩2次諧波 分量幅值，在這里等于0. 59Nm ；夠。gl為定位力矩基波分量相位角；極。g2為定位力矩2次諧波 分量相位角；已為轉(zhuǎn)子電磁極對數(shù)，θ r為轉(zhuǎn)子位置角。采用id = 0矢量控制策略，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流的線性關(guān)系，求解附加的q軸 注入諧波電流化使得注入的諧波電流/丨產(chǎn)生的附加電磁轉(zhuǎn)矩諧波分量，與定位力矩中的基 波T。。gl%二次諧波分量T。。jg值相等，相位相反，可以相互抵消，從而達到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的 目的。因此，注入的交軸諧波電流//需滿足 式中為直軸永磁磁鏈，&和&分別為待注入的一次和二次交軸諧波電流。把式 (2)和(3)分別代入到⑷和(5)得到注入的諧波電流為 在FSPM電機空間矢量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，結(jié)合上述的交軸諧波電流注入法，可得 到包括交軸諧波電流注入法抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制系統(tǒng)如圖3所示，永磁電機采用 轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)獨立調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出與注入的交 軸諧波電流求和得到交軸參考電流，所述交軸參考電流輸入電流環(huán)進行閉環(huán)控制，控制系 統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器1、求和模塊2、交軸(q軸)電流PI調(diào)節(jié)器3、直軸(d軸)電流PI調(diào) 節(jié)器4、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩相/定子靜止兩相2r/2s變換5、空間矢量調(diào)制SVM模塊6、逆變器7、永 磁電機8、定子靜止三相/定子靜止兩相3s/2s變換9、定子靜止兩相/轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩相2s/2r 變換10、光電編碼器11、速度位置檢測模塊12、注入交軸諧波電流求解模塊13。根據(jù)電機給定轉(zhuǎn)速 <與實時反饋轉(zhuǎn)速ωρ求出轉(zhuǎn)速差e(n)；轉(zhuǎn)速差e(n)通過轉(zhuǎn) 速PI調(diào)節(jié)器1，得到一個q軸給定電流；該電流與采用本發(fā)明計算出的諧波電流《經(jīng)過求和 模塊2，得到q軸參考電流根據(jù)q軸參考電流<與電機實時反饋的q軸電流，求出q軸 電流差，經(jīng)過交軸(q軸)電流PI調(diào)節(jié)器3，輸出q軸電壓Uq ；采用id = 0控制，求出d軸參 考電流^與電機實時反饋的d軸電流id的電流差，經(jīng)過直軸(d軸)電流PI調(diào)節(jié)器4，輸出 d軸電壓ud ;ud與Uq經(jīng)過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩相/定子靜止兩相2r/2s變換5，得出兩相靜止坐標(biāo)下 的電壓Ua和110 ；電壓Ua和1!0經(jīng)過空間矢量調(diào)制SVM模塊6，輸出逆變器中電力電子器件 所需的6路PWM信號；PWM信號驅(qū)動逆變器7中電力電子器件開通與關(guān)斷，輸出調(diào)節(jié)永磁電 機8繞組中的端電壓Ua、Ub、U。；然后，通過電流傳感器測得電機三相電流ia、ib、i。，三相電流 經(jīng)過定子靜止三相/定子靜止兩相3s/2s變換9，求得兩相靜止坐標(biāo)系下的電流ia和ie， 電流ia和ie經(jīng)過定子靜止兩相/轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)兩相2s/2r變換10，求得電流直軸id和交軸電 流，再分別與參考電流和《相比較；通過光電編碼器11測得電機的脈沖信號，經(jīng)過速度 位置檢測模塊12計算出電機的實時反饋轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置θ，用于轉(zhuǎn)速環(huán)的閉環(huán)控制。根據(jù)圖3所示的諧波電流注入抑制轉(zhuǎn)矩脈動方法建立Matlab/Simulink仿真模 型。圖4為諧波電流注入前的轉(zhuǎn)矩和電流波形，圖5為諧波電流注入后的轉(zhuǎn)矩和電流波形。 由圖可以看出交軸諧波電流注入前電磁轉(zhuǎn)矩脈動峰-峰值達到1.4Nm，每相電流呈現(xiàn)很好 的正弦性；交軸諧波電流注入后轉(zhuǎn)矩脈動峰_峰值只有0. 6Nm，轉(zhuǎn)矩脈動明顯降低，而每相 電流有很大的諧波成分，該諧波成分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩正好抵消FSPM電機的定位力矩。由本發(fā)明在FSPM電機上的實施例，本領(lǐng)域人員也可以很容易在其它永磁電機上 實施本發(fā)明，原理都一樣，都是在直軸電流為零的矢量控制策略下，通過注入交軸諧波電 流，產(chǎn)生與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等，相位相反的附加電磁轉(zhuǎn) 矩高次諧波分量，從而相互抵消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。
權(quán)利要求
基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，其特征是對永磁電機采用直軸電流為零的矢量控制策略，使電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流成線性關(guān)系，注入交軸諧波電流，交軸注入諧波電流與直軸永磁磁鏈ψm耦合產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量，以使所述附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等，相位相反為目標(biāo)，根據(jù)永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流的線性關(guān)系，求解交軸注入諧波電流在電機空間矢量控制基礎(chǔ)上，注入所求得的交軸注入諧波電流使附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量相互抵消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。FDA0000022181580000011.tif,FDA0000022181580000012.tif,FDA0000022181580000013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，其特征是 具體包括以下步驟1)獲取永磁電機定位力矩通過有限元仿真對永磁電機的分析結(jié)果或者由轉(zhuǎn)矩測試 儀對永磁電機的實測數(shù)據(jù)，對永磁電機的定位力矩波形進行理論分析，用傅里葉級數(shù)近似 逼近永磁電機定位力矩，進行諧波分析，找出定位力矩中的基波和主要高次諧波分量，所述 主要高次諧波分量是指諧波分量幅值與基波幅值相比不能忽略的高次諧波分量，針對不同 的永磁電機，主要高次諧波分量不同；2)采用直軸電流為零的電壓空間矢量調(diào)制方式，推導(dǎo)電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流的關(guān)系表達 式，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下直接添加交軸諧波電流分量；3)注入的交軸諧波電流分量與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生高次附加電磁轉(zhuǎn)矩分量，使得該 附加電磁轉(zhuǎn)矩分量與定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等、相位相反，從而相互抵 消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，其特 征是永磁電機采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)獨立調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，其中轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器 的輸出與注入的交軸諧波電流求和得到交軸參考電流，所述交軸參考電流輸入電流環(huán)進行 閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，其特 征是所述永磁電機為任意相結(jié)構(gòu)的包含有永磁體作為勵磁源的電機，包括純永磁電機和混 合勵磁電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，其特征是 所述永磁電機為任意相結(jié)構(gòu)的包含有永磁體作為勵磁源的電機，包括純永磁電機和混合勵 磁電機。
全文摘要
基于空間矢量調(diào)制的永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，對永磁電機采用直軸電流為零的矢量控制策略，使電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流成線性關(guān)系，根據(jù)永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流的線性關(guān)系，求解附加的交軸注入諧波電流，使得交軸注入諧波電流與直軸永磁磁鏈耦合產(chǎn)生附加電磁轉(zhuǎn)矩高次諧波分量與永磁電機定位力矩中的基波與高次諧波分量幅值相等，相位相反，從而相互抵消，實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。本發(fā)明的實施對象為永磁電機，而該類型電機可以采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等先進的控制策略，因此本發(fā)明抑制方法只需修改控制軟件，無需增加控制系統(tǒng)硬件成本，簡單易行；既可明顯抑制電機的轉(zhuǎn)矩脈動，同時又保留了電機空載磁勢、轉(zhuǎn)矩輸出能力等特性不變。
文檔編號H02P6/10GK101860300SQ20101019583
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者程明, 花為, 賈紅云 申請人:東南大學(xué)