CN108988725B - 一种采用改进复矢量pi控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***及方法 - Google Patents

一种采用改进复矢量pi控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***及方法，属于电机控制技术领域。所述永磁同步电机电流谐波抑制***和方法将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联，使改进复矢量PI控制器输出量
Figure DDA0001748511240000011
分别与PI控制器的输出
Figure DDA0001748511240000012
相叠加，得到新的q轴和d轴电压指令
Figure DDA0001748511240000013
以达到控制q轴和d轴电流中交流分量，抑制电流谐波的目的。

Description

一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制 ***及方法
技术领域
本发明涉及一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***及方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有功率密度高、效率高、可靠性高等特点，在电力传动、电动汽车、数控机床和航空航天等各种功率场合得到了广泛应用。但由于逆变器非线性及电机反电势波形非正弦等因素，导致绕组电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，引起电机转矩波动和损耗增加，使***的控制性能变差。为此，可以从电机优化设计、控制算法改进两个方面抑制电流谐波。从控制角度抑制电流谐波无需重新设计电机和增加额外硬件，仅需要修改控制算法，谐波抑制效果好。复矢量比例积分(Proportional integral，PI)控制器在中心频率处具有无穷大增益，被用于电网频率固定且波动范围小的并网逆变器中抑制电流谐波。但在调速控制的永磁同步电机***中，随着转速的变化与波动，电流频率发生变化，复矢量PI控制对于谐波抑制的效果变差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明对复矢量PI控制进行改进，并用于永磁同步电机***中进行电流谐波的抑制，目的在于解决转速变化和波动时传统复矢量PI控制器对电流谐波抑制效果差的问题，改善永磁同步电机***的控制性能。
一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***，所述永磁同步电机电流谐波抑制***包括永磁同步电机矢量控制***和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制***包括速度控制器1、q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、Park逆变换4、空间矢量PWM5、三相逆变器6、永磁同步电机7、Clarke变换8、Park变换9、位置传感器10以及位置和速度计算单元11；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器2和d轴电流控制器3上。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001748511220000011
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure BDA0001748511220000021
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω。其中ω为转子电角速度。
进一步地，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure BDA0001748511220000022
进一步可表示为：
Figure BDA0001748511220000023
其中，
Figure BDA0001748511220000024
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；Δid为d轴电流偏差。
一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，所述方法包括：
步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；
步骤二：将q轴电流偏差Δiq和d轴电流偏差Δid输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量
Figure BDA0001748511220000025
步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量
Figure BDA0001748511220000026
分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量
Figure BDA0001748511220000031
相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令
Figure BDA0001748511220000032
步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令
Figure BDA0001748511220000033
控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001748511220000034
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure BDA0001748511220000035
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
进一步地，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω。其中ω为转子电角速度。
进一步地，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure BDA0001748511220000036
进一步可表示为：
Figure BDA0001748511220000041
其中，
Figure BDA0001748511220000042
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；Δid为d轴电流偏差。
本发明有益效果：
本发明提出了一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***及方法，通过引入改进复矢量PI控制器，实现了对谐波电流的跟踪控制，从而抑制电流谐波，提高了永磁同步电机***的控制性能。与传统复矢量PI控制器相比，改进复矢量PI控制器增加了控制器带宽，适应于转速的调节和波动，改善了电流谐波抑制的效果。
附图说明
图1为永磁同步电机矢量控制***框图。
图2为本发明采用改进复矢量PI控制器的电流环结构图。
图3为复矢量PI控制器与PI控制器的频率特性。
图4为本发明改进复矢量PI控制器的频率特性。
图5为本发明改进复矢量PI控制器的结构图。
图6为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流波形。
图7为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流谐波成分。
图8为采用本发明电流抑制策略之前的电机d、q轴电流。
图9为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流波形。
图10为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流谐波成分。
图11为采用本发明电流抑制策略之后的电机d、q轴电流。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***，如图1所示，所述永磁同步电机电流谐波抑制***包括永磁同步电机矢量控制***和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制***包括速度控制器1、q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、Park逆变换4、空间矢量PWM5、三相逆变器6、永磁同步电机7、Clarke变换8、Park变换9、位置传感器10以及位置和速度计算单元11；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器2和d轴电流控制器3上，所述***为速度和电流双闭环结构，外环为转速环，内环为矢量解耦下的dq轴(d轴是电机中的直轴，q轴是交轴)电流环。
图2为本发明采用改进复矢量PI控制器的电流环结构图。本发明所述采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法及***，是在传统矢量控制***基础上，将改进复矢量PI控制器12与q轴电流PI控制器2、d轴电流PI控制器3相并联，输入量为q轴电流偏差Δiq和d轴电流偏差Δid，输出量
Figure BDA0001748511220000051
分别与PI控制器的输出
Figure BDA0001748511220000052
相叠加，得到新的q轴和d轴电压指令
Figure BDA0001748511220000053
以达到控制q轴和d轴电流中交流分量，抑制电流谐波的目的。
图3为复矢量PI控制器与PI控制器的频率特性。PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001748511220000054
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；s为拉普拉斯算子。PI控制器在0Hz处具有无穷大增益，因此可以实现直流量的无静差控制。复矢量PI控制器是在PI控制器的基础上，将中心频率由0移到ω0，得到传递函数为：
Figure BDA0001748511220000055
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率。s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
当ω0>0时，复矢量PI控制器对正序矢量中的交流量具有无穷大增益，从而实现其无静差控制；当ω0<0时，复矢量PI控制器对负序矢量中的交流量具有无穷大增益，从而实现其无静差控制。但复矢量PI控制器仅在中心频率ω0处具有无穷大增益，在中心频率外增益迅速下降，因此对于频率变化较大的信号控制效果不佳。
图4为本发明的改进复矢量PI控制器的频率特性。它是指传统复矢量PI控制器的基础上，加入截止频率ωc，从而增加了控制器带宽，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001748511220000056
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。参数kp、ki和ωc的选取应考虑电机的转速波动。
从改进复矢量PI控制器的频率特性可知，与传统复矢量PI控制器相比，改进复矢量PI控制器在中心频率ω0附近均具有较大的增益，从而可以对频率波动的交流信号进行跟踪控制。
永磁同步电机中的绕组电流谐波主要表现为6k±1(k为自然数)次，其中以5、7、11、13次含量较高。6k±1次电流谐波转换到dq坐标系下表现为±6k次，因此，为抑制这些谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure BDA0001748511220000061
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
其中，针对电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω。其中ω为转子电角速度。
图5为本发明的改进复矢量PI控制器的结构图。所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure BDA0001748511220000062
进一步可表示为：
Figure BDA0001748511220000063
其中，
Figure BDA0001748511220000064
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；Δid为d轴电流偏差。
图6为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流波形。受逆变器开关死区和管压降等非线性因素影响，电机相电流出现畸变，波形的正弦形变差。
图7为采用本发明电流抑制策略之前的电机相电流谐波成分。根据对电机相电流谐波成分的分析，相电流中含有较高的5、7次谐波。
图8为采用本发明电流抑制策略之前的电机d、q轴电流。由于相电流中含有5、7次谐波，在dq坐标系下的d轴电流id和q轴电流iq表现出6次波动。
图9为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流波形。采用改进复矢量PI控制器进行电流谐波抑制后，电机相电流的正弦度提高。
图10为采用本发明电流抑制策略之后的电机相电流谐波成分。采用改进复矢量PI控制后，相电流中的5、7次谐波含量大幅度降低。
图11为采用本发明电流抑制策略之后的电机d、q轴电流。与抑制之前相比，谐波抑制后d、q轴电流的波动幅值明显降低。
从图6至图11的波形对比来看，采用本发明的电流谐波抑制策略后，永磁同步电机的电流谐波得到了较好的抑制。
实施例2
一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，所述方法包括：
步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；
步骤二：将q轴电流偏差Δiq和d轴电流偏差Δid输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量
Figure BDA0001748511220000071
步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量
Figure BDA0001748511220000072
分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量
Figure BDA0001748511220000073
相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令
Figure BDA0001748511220000074
步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令
Figure BDA0001748511220000075
控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波。
所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001748511220000081
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure BDA0001748511220000082
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度。当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
其中，针对电流中含有5、7、11、13次等低频次谐波，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω。其中ω为转子电角速度。
所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure BDA0001748511220000083
进一步可表示为：
Figure BDA0001748511220000084
其中，
Figure BDA0001748511220000085
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；Δid为d轴电流偏差。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制***，其特征在于，所述永磁同步电机电流谐波抑制***包括永磁同步电机矢量控制***和若干个改进复矢量PI控制器；所述永磁同步电机矢量控制***包括速度控制器(1)、q轴电流控制器(2)、d轴电流控制器(3)、Park逆变换(4)、空间矢量PWM(5)、三相逆变器(6)、永磁同步电机(7)、Clarke变换(8)、Park变换(9)、位置传感器(10)以及位置和速度计算单元(11)；所述若干个改进复矢量PI控制器并联在所述q轴电流控制器(2)和d轴电流控制器(3)上，所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure FDA0002394208640000011
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
2.根据权利要求1所述永磁同步电机电流谐波抑制***，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure FDA0002394208640000012
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度；当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电机的电角速度ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
3.根据权利要求1或2所述永磁同步电机电流谐波抑制***，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω；其中ω为转子电角速度。
4.根据权利要求1所述永磁同步电机电流谐波抑制***，其特征在于，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure FDA0002394208640000021
进一步可表示为：
Figure FDA0002394208640000022
其中，
Figure FDA0002394208640000023
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；
Δid为d轴电流偏差。
5.一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：将改进复矢量PI控制器与q轴电流PI控制器、d轴电流PI控制器相并联；
步骤二：将q轴电流偏差Δiq和d轴电流偏差Δid输入到改进复矢量PI控制器中，经过改进复矢量PI控制器处理获得q轴和d轴电压输出量
Figure FDA0002394208640000024
步骤三：将所述改进复矢量PI控制器输出的q轴和d轴电压输出量
Figure FDA0002394208640000025
分别与q轴电流PI控制器和d轴电流PI控制器输出的电压量
Figure FDA0002394208640000026
相叠加，获得得到新的q轴和d轴电压指令
Figure FDA0002394208640000027
步骤四：通过所述q轴和d轴电压指令
Figure FDA0002394208640000028
控制q轴和d轴电流中交流分量以抑制电流谐波，
所述改进复矢量PI控制器的传递函数为：
Figure FDA0002394208640000029
其中，kp为比例系数；ki为积分系数；ω0为中心角频率；ωc为截止频率；s为拉普拉斯算子；j为虚数单位。
6.根据权利要求5所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置如下：
Figure FDA00023942086400000210
其中，ν为需要抑制的电流谐波的次数；k为自然数；ω为转子电角速度；当需要抑制6k-1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的-6k倍；当需要抑制6k+1次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率设置为电流角频率的6k倍，其中，电流角频率ω由永磁同步电机矢量控制***中的位置传感器经过差分运算得到。
7.根据权利要求5或6所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI控制器的中心角频率设置具体为：
当抑制5次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-6ω；当抑制7次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为6ω；当抑制11次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为-12ω；当抑制13次电流谐波时，改进复矢量PI控制器的中心角频率ω0设置为12ω；其中ω为转子电角速度。
8.根据权利要求5所述一种采用改进复矢量PI控制器的永磁同步电机电流谐波抑制方法，其特征在于，所述改进复矢量PI调节器的输出与输入之间的关系模型为：
Figure FDA0002394208640000031
进一步可表示为：
Figure FDA0002394208640000032
其中，
Figure FDA0002394208640000033
分别为改进复矢量PI调节器的q轴和d轴电压输出量；Δiq为q轴电流偏差；Δid为d轴电流偏差。
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