CN109905057B - 一种永磁同步电机低电流谐波控制*** - Google Patents
一种永磁同步电机低电流谐波控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机低电流谐波控制***，属于电机控制领域。相对于传统控制结构，本***通过增加了电压变换装置与母线电压计算单元，形成了一种新的控制结构。该***可以根据电机的运行状态估算或者精确的计算出母线电压，并控制逆变单元的母线电压达到该值，保证***在低电流谐波的状态下工作。该***兼容多种控制算法与多电平逆变单元，支持多种供电模式，并且在优化电流谐波的同时，提高了母线电压的利用率，增强了母线电压的稳定性，降低了电机的振动噪声。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机低电流谐波控制***，属于电机控制领域。
背景技术
近些年，永磁同步电机因其结构简单、功率密度高、转动惯量低、易于维护保养等特点在航空航天、数控机床、机器人等多种领域得到了广泛的应用。然而由于逆变器的非线性特性、气隙磁场畸变、控制方法等原因，导致永磁同步电机相电流中包含了丰富的电流谐波。电流谐波过高会引发电机效率变低、转矩脉动变大、***稳定变差、振动噪声增加等后果。因此抑制相电流谐波变成了现今亟待解决的问题。
现今的学者一般通过优化控制算法解决电流谐波过高的问题。近些年来，最常见的抑制方法是随机脉宽调制技术，该技术可以将能量平均分布于较宽的频带范围内，从而降低高频谐波幅值。“Performance Characterization of Random Pulse WidthModulation Algorithms in Industrial and Commercial Adjustable-Speed Drives”(见《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS》，2017)对于现今存在的随机脉宽调制技术进行了汇总，并分析了各个方法的优势与劣势。还有学者通过改变载波的形式、改变SVPWM算法中的开关顺序等方法抑制电流谐波。然而这些方法均是从算法的角度上解决问题，并且仅对于高频谐波幅值有很好的抑制作用，对于电流谐波畸变率并没有很好的降低。
发明内容
本发明提供一种永磁同步电机低电流谐波控制***结构，结合附图对该结构作进一步详细叙述。如图1所示，***主要包括电源、电压变换装置、逆变单元、永磁同步电机、母线电压计算单元、控制算法模块、反馈单元、转子位置检测单元。其中，以电机相电流ia、ib及转子位置θ作反馈信号输入到反馈单元，反馈单元可利用这些信号计算出控制算法所需要的电机实时转速ω、d、q轴电流id、iq。控制算法单元包括多种算法，譬如矢量控制算法、变压频比控制、三闭环位置控制算法、直接转矩算法。他们的输入可以是位置指令、频率指令、转速指令，位置指令与频率指令能够通过控制算法转换为转速指令。控制算法单元输出信号PWM1-PWM6与逆变单元连接，用于控制全控器件S1-S6的通断，输出信号id、iq、ω与设定转速ωref，作为母线电压计算单元的输入。母线电压计算单元的输出信号Udcref与电压变换装置连接作为其指令电压，用于控制电压变换装置的实际输出电压Udc。电压变换装置由电源进行供电，根据电源的形式可以选择多种电路结构。当电源是交流电源时，电压变换装置实现输出电压可控的AC-DC整流功能。当电源是直流电源时，电压变换装置实现输出电压可控的DC-DC直流变换功能。电压变换装置的输出连接逆变单元的母线为其提供直流电压Udc。逆变单元的输出与永磁同步电机的三相绕组相连，控制永磁同步电机的运行。
所述母线电压计算单元根据运行工况计算低电流谐波所对应母线电压指令Udcref，算法如下：
(1)电机详细参数未知时，算法如下：
其中，ωN为额定转速，UN为额定电压；δ为修正系数，取值范围(1,ωN/ωref)。系数δ在取值范围内取使电机稳定运行于ωref的最小值。
(2)电机详细参数已知的情况下，算法如下：
其中，Ld、Lq为d、q轴电感，R为相电阻，p为电机极对数，ψf为永磁体磁链；
本发明与现有优化相电流谐波技术相比，其优点在于：该***可以和大部分优化控制方法共用，对于电流谐波有更好的抑制效果；该***兼容多种控制算法，包括矢量控制算法、变压频比控制、三闭环位置控制算法、直接转矩控制算法；该***提供了估算与精确计算两种方式，适用于多种工作场合；该***可以支持多种供电模式；该***可兼容多电平逆变单元；该***在优化电流谐波的同时，提高了母线电压的利用率，增强了母线电压的稳定性，降低了电机的振动噪声；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
附图说明
图1为本发明所述永磁同步电机低电流谐波控制***结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种永磁同步电机低电流谐波控制***结构，结合附图对该结构作进一步详细叙述。如图1所示，***主要包括电源、电压变换装置、逆变单元、永磁同步电机、母线电压计算单元、控制算法模块、反馈单元、转子位置检测单元。其中，以电机相电流ia、ib及转子位置θ作反馈信号输入到反馈单元，反馈单元可利用这些信号计算出控制算法所需要的电机实时转速ω、d、q轴电流id、iq。控制算法单元包括多种算法，譬如矢量控制算法、变压频比控制、三闭环位置控制算法、直接转矩算法。他们的输入可以是位置指令、频率指令、转速指令，位置指令与频率指令能够通过控制算法转换为转速指令。控制算法单元输出信号PWM1-PWM6与逆变单元连接，用于控制全控器件S1-S6的通断，输出信号id、iq、ω与设定转速ωref，作为母线电压计算单元的输入。母线电压计算单元的输出信号Udcref与电压变换装置连接作为其指令电压，用于控制电压变换装置的实际输出电压Udc。电压变换装置由电源进行供电，根据电源的形式可以选择多种电路结构。当电源是交流电源时，电压变换装置实现输出电压可控的AC-DC整流功能。当电源是直流电源时，电压变换装置实现输出电压可控的DC-DC直流变换功能。电压变换装置的输出连接逆变单元的母线为其提供直流电压Udc。逆变单元的输出与永磁同步电机的三相绕组相连，控制永磁同步电机的运行。
所述母线电压计算单元根据运行工况计算低电流谐波所对应母线电压指令Udcref，算法如下：
(1)电机详细参数未知，在已知电机铭牌参数的情况下可以大致估算出最小相电流谐波对应母线电压，算法如下：
(2)电机详细参数已知的情况下，算法如下：
所述反馈单元可仅根据电机相电流ia、ib及转子位置θ计算反馈量，算法如下：
所以，本发明提出的一种永磁同步电机低电流谐波控制***，通过增加了电压变换装置与母线电压计算单元，形成了一种新的控制结构。该***可以根据电机的运行状态估算或者精确的计算出母线电压，并控制逆变单元的母线电压达到该值，保证***在低电流谐波的状态下工作，进而提高***的运行效率，降低***的振动噪声。
Claims (5)
1.一种永磁同步电机低电流谐波控制***，其特征在于，该***包含：电源(1)，电压变换装置(2)，逆变单元(3)，永磁同步电机(4)，母线电压计算单元(5)，控制算法单元(6)，反馈单元(7)，转子位置检测单元(8)；
电源(1)连接电压变换装置(2)为其供电；电压变换装置(2)的输出连接逆变单元(3)的母线为其提供直流电压；
逆变单元(3)的输出与永磁同步电机(4)的三相绕组相连；
永磁同步电机(4)的两相电流信号ia与ib，以及经转子位置检测单元(8)得到的转子位置信号θ，均输入到反馈单元(7)；
反馈单元(7)输出的信号包括d、q轴电流id、iq、电机实时位置θ、电机实时转速ω，并作为控制算法单元(6)的输入；
控制算法单元(6)输出的信号PWM1-PWM6与逆变单元(3)连接，用于控制全控器件S1-S6的通断；
控制算法单元(6)输出的信号包括id、iq、ω与设定转速ωref，并作为母线电压计算单元(5)的输入；
母线电压计算单元(5)的输出信号Udcref与电压变换装置(2)连接作为其指令电压，用于控制电压变换装置(2)的实际输出电压Udc；
所述母线电压计算单元(5)根据运行工况计算低电流谐波所对应母线电压指令Udcref，算法如下：
(1)电机详细参数未知时，算法如下：
其中，ωN为额定转速，UN为额定电压；δ为修正系数，取值范围(1,ωN/ωref)；系数δ在取值范围内取使电机稳定运行于ωref的最小值；
(2)电机详细参数已知的情况下，算法如下：
其中，Ld、Lq为d、q轴电感，R为相电阻，p为电机极对数，ψf为永磁体磁链。
2.根据权利要求1所述永磁同步电机低电流谐波控制***，其特征在于，控制算法单元(6)采用不同算法时给定指令有所不同；转速控制时给定指令为转速指令ωref；位置控制时给定指令为位置指令；开环控制时给定指令为频率指令；位置指令与频率指令能够通过控制算法转换为转速指令并作为母线电压计算单元(5)的输入。
3.根据权利要求1所述永磁同步电机低电流谐波控制***，其特征在于：当电源(1)是交流电源时，电压变换装置(2)实现输出电压可控的AC-DC整流功能；当电源(1)是直流电源时，电压变换装置(2)实现输出电压可控的DC-DC直流变换功能。
4.根据权利要求1所述永磁同步电机低电流谐波控制***，其特征在于，反馈单元(7)根据相电流与转子位置信号计算反馈量，算法如下：
5.根据权利要求1所述永磁同步电机低电流谐波控制***，其特征在于：通过改变逆变单元(3)结构，所述低电流谐波控制***也适用于多电平逆变器。
Priority Applications (1)
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