CN112910336A - 谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储介质 - Google Patents

谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储介质，方法包括：构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析；依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。本发明通过注入电流谐波来产生幅值和频率相同、相位相反的谐波转矩，转矩脉动抑制效果好且适用性强。

Description

谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储 介质
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，主要涉及一种考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储介质。
背景技术
永磁同步电机是电动汽车驱动***的重要组成部分。在电机实际运行中，输出转矩质量是衡量电机的重要指标之一。由于电机本体存在气隙磁场分布的非正弦特性、齿槽效应，逆变器存在死区时间和管压降，导致其输出转矩中存在较大的转矩脉动，使***的控制性能变差，同时产生振动和噪声。现有关于谐波注入的转矩脉动抑制方法主要是改善电机定子电流波形，抑制由于电流谐波引起的转矩脉动。然而抑制谐波电流仅能消除电流谐波所产生的转矩脉动，实际上电机输出的转矩脉动中还包含由于齿槽以及气隙磁场非正弦所引起的转矩脉动，即在理想正弦电流激励下依旧存在的转矩脉动。
因此，如何准确的预测电机的转矩脉动并计算最优电流谐波成为目前需要研究的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法、***、装置及存储介质，解决现有谐波注入抑制转矩脉动效果不佳的问题，通过控制***和电机电磁模型联合仿真，将气隙磁场分布的非正弦特性以及齿槽效应带来的转矩脉动考虑在内，采用参数扫描分析法获取注入的最优谐波电流，实现转矩脉动的抑制。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，包括以下步骤：
构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；
对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；
以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解，作为谐波电流注入的参考值；
依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
作为本发明的进一步改进，永磁同步电机的联合仿真具体为：
主电路中的电机模型考虑电机漏磁、磁场饱和、电枢反应及损耗对电机性能影响的电磁场有限元模型；控制***控制电机的输入，电机将三相电流、转速、位置、转矩等信息反馈到控制***中。
作为本发明的进一步改进，对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到各阶谐波转矩分量的幅值，针对幅值较大的k次谐波转矩阶次，注入k-1次谐波电流来将其抑制，注入的电流为：
Figure BDA0002901162570000021
Figure BDA0002901162570000022
Figure BDA0002901162570000023
其中，ω为电角速度，Iv为v次谐波电流的幅值，θv为v次谐波电流的相位。
作为本发明的进一步改进，采用参数扫描分析法的具体步骤：
固定谐波电流的幅值，以谐波电流的相位为变量，设置变量范围和扫描步长，对变量进行参数扫描分析，确定出能够抑制转矩脉动的最优谐波电流相位，在此基础上，以谐波电流的幅值为变量进行参数扫描分析，确定能刚好抵消目标谐波转矩的谐波电流幅值，将此时的最优谐波电流作为待注入的谐波电流参考值。
作为本发明的进一步改进，将优化后的三相谐波电流IAv、IBv、ICv经过Clarke变换和Park变换转换为两相同步旋转坐标系下的电流Idv、Iqv，通过电流控制器输出udv、uqv叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
作为本发明的进一步改进，坐标变换公式为：
Figure BDA0002901162570000031
其中，θ为电角度。
一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动***，包括：
构建模块，用于构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；
转矩变换模块，用于对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；
扫描分析模块，用于以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解，作为谐波电流注入的参考值；
脉动抑制模块，用于依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，采用电机控制***和电磁模型的联合仿真模型来预测输出转矩，能够将气隙磁场分布的非正弦特性以及齿槽效应带来的转矩脉动考虑在内，预测结果更加准确，更贴近电机实际的工作状态。同时，采用参数扫描分析法求取最优谐波电流，方法简单，计算速度快，考虑电机电磁结构设计后转矩脉动抑制效果更好。
本发明考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，包括：构建电机控制***和电磁有限元模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩，利用快速傅里叶变换获得电磁转矩频谱图，针对幅值较大的k次谐波转矩分量，将k-1次谐波电流注入到电机中，利用谐波电流和磁链之间的相互作用产生额外的谐波转矩来抵消原有的k次谐波转矩。以k次谐波转矩幅值最小为目标，先后对谐波电流的相位和幅值进行参数扫描，确定最优谐波电流，并在控制***中进行前馈注入来抑制谐波转矩分量。本发明综合考虑了电流谐波、齿槽转矩以及气隙磁场非正弦所引起的转矩脉动，在确定了主要谐波转矩阶次后，通过注入电流谐波来产生幅值和频率相同、相位相反的谐波转矩，转矩脉动抑制效果好且适用性强。
附图说明
此处附图为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术方案。以下对实施例中所需要使用的附图简明的介绍，并与说明书一起解释本发明的原理。同时为了更好的展示本发明以及验证本发明的有效性。
图1为本发明提供的考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法流程图；
图2为本发明提供的考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法原理框图；
图3为本发明提供的参数扫描法确定最优谐波电流的流程图；
图4为本发明实施例基于Maxwell2D、Ansys Simplorer、MATLAB/Simulink软件搭建仿真图；
图5为本发明实施例在5ms后注入谐波电流前后的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并未用于限定本发明。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，该方法包含以下步骤：
S01:构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩。电机电磁有限元模型考虑电机漏磁、磁场饱和、电枢反应及损耗等因素对电机性能影响的电磁场有限元模型，该模型能更加准确的反映出电机的工作特性。控制***控制电机的输入，电机将三相电流、转速、位置、转矩等信息反馈到控制***中，符合实际情况，所以联合仿真对电机工作性能的计算更加准确，能够贴近电机实际的工作状态。
S02:对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上可以观察到含量较大的谐波转矩分量，针对幅值较大的k次谐波转矩阶次，可以注入k-1次谐波电流来将其抑制，注入的电流为：
Figure BDA0002901162570000061
Figure BDA0002901162570000062
Figure BDA0002901162570000063
其中，ω为电角速度，Iv为v次谐波电流的幅值，θv为v次谐波电流的相位。
S03:以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，目的是求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解。采用参数扫描分析法的具体步骤如图2所示包括：固定谐波电流的幅值，以谐波电流的相位为变量，设置变量范围和扫描步长，对变量进行参数扫描分析，确定出能够抑制转矩脉动的最优谐波电流相位，在此基础上，以谐波电流的幅值为变量设置变量范围和扫描步长，并进行参数扫描分析，确定能刚好抵消目标谐波转矩的谐波电流幅值，将此时的最优谐波电流作为待注入的谐波电流参考值。
S04:如图3所示，依次采用Clark变换和Park变换将最优谐波电流IAv、IBv、ICv经过Clarke变换和Park变换转换为两相同步旋转坐标系下的电流Idv、Iqv，通过电流控制器输出udv、uqv叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。坐标变换公式为：
Figure BDA0002901162570000071
其中，θ为电角度。
下面对上述方法的效果进行仿真验证：
如图4所示，基于Maxwell2D、Ansys Simplorer、MATLAB/Simulink软件搭建电机有限元、控制电路、控制策略的联合仿真平台。图中所涉及的电机为8极48槽内置式永磁同步电机，在工作转速3000rpm时计算电机输出的电磁转矩，主要表现为6次转矩脉动。根据上述方法注入5次谐波电流后，转矩脉动抑制效果显著，如图5所示，在5ms后注入谐波电流，可以看到前后的对比，转矩脉动减少了43.7％。
自此，就实现了考虑电磁结构设计的谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
本发明还提供一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动***，包括：
构建模块，用于构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；
转矩变换模块，用于对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；
扫描分析模块，用于以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解，作为谐波电流注入的参考值；
脉动抑制模块，用于依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
本申请实施例提供的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动装置。该装置可以是智能手机、平板电脑等能够运行应用程序的电子设备，或是服务器。本申请中的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动装置，所述优先平衡装置包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核。处理器利用各种接口和线路连接整个电子设备内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行电子设备的各种功能和处理数据。可选地，处理器可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器可集成中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作***、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器中，单独通过一块通信芯片进行实现。
存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作***的指令、用于实现至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现下述各个方法实施例的指令等。存储数据区还可以存储电子设备在使用中所创建的数据(比如电话本、音视频数据、聊天记录数据)等。
本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的结构。其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现所述一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
计算机可读存储介质可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选地，计算机可读存储介质包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。计算机可读存储介质具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；
对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；
以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解，作为谐波电流注入的参考值；
依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
2.根据权利要求1所述的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，永磁同步电机的联合仿真具体为：
主电路中的电机模型考虑电机漏磁、磁场饱和、电枢反应及损耗对电机性能影响的电磁场有限元模型；控制***控制电机的输入，电机将三相电流、转速、位置、转矩等信息反馈到控制***中。
3.根据权利要求1所述的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到各阶谐波转矩分量的幅值，针对幅值较大的k次谐波转矩阶次，注入k-1次谐波电流来将其抑制，注入的电流为：
Figure FDA0002901162560000011
Figure FDA0002901162560000012
Figure FDA0002901162560000013
其中，ω为电角速度，Iv为v次谐波电流的幅值，θv为v次谐波电流的相位。
4.根据权利要求1所述的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，采用参数扫描分析法的具体步骤：
固定谐波电流的幅值，以谐波电流的相位为变量，设置变量范围和扫描步长，对变量进行参数扫描分析，确定出能够抑制转矩脉动的最优谐波电流相位，在此基础上，以谐波电流的幅值为变量进行参数扫描分析，确定能刚好抵消目标谐波转矩的谐波电流幅值，将此时的最优谐波电流作为待注入的谐波电流参考值。
5.根据权利要求1所述的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，将优化后的三相谐波电流IAv、IBv、ICv经过Clarke变换和Park变换转换为两相同步旋转坐标系下的电流Idv、Iqv，通过电流控制器输出udv、uqv叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
6.根据权利要求5所述的一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法，其特征在于，坐标变换公式为：
Figure FDA0002901162560000021
其中，θ为电角度。
7.一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动***，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建电机控制***和电磁模型的联合仿真模型，获得电机输出的电磁转矩；
转矩变换模块，用于对输出转矩进行快速傅里叶变换，得到谐波转矩频谱图，从频谱图上获取含量较大的谐波转矩分量，将其作为目标对象并确定所注入谐波电流的阶次；
扫描分析模块，用于以谐波电流的幅值和相位为变量进行参数扫描分析，求取含量较大的谐波转矩分量幅值最小时变量的最优解，作为谐波电流注入的参考值；
脉动抑制模块，用于依次采用Clark变换和Park变换将三相静止坐标系下的注入电流信号转换为两相旋转坐标系下的电流信号，通过电流控制器输出叠加到给定的电压信号上，从而实现电机转矩脉动的抑制。
8.一种谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
9.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如权利要求1-6任一项所述谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动方法。
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