CN113098335A - 基于模糊qpr控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法，包括以下步骤：首先，对当前电机电角速度与电流i_d、i_q进行模糊化处理；然后，将QPR控制器与电流环PI控制器并联，利用模糊控制对QPR控制器的系数k_p、k_i、w_c进行自适应调节；最后，通过坐标变化和低通滤波器提取两相静止坐标系下的动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′，计算得到目标控制电压u_α ^*、u_β ^*。本发明采用模糊QPR控制器和动态电压补偿方法对电机的谐波电流进行抑制，增强了控制***的稳定性与抗扰动能力，提高动态响应速度，以达到抑制电流谐波、减轻电机输出转矩脉动的目的。

Description

基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法。

背景技术

随着新能源汽车的发展，永磁同步电机凭借其高效率、高功率密度、较宽的调速范围等优点，在新能源汽车驱动电机领域受到广泛关注。永磁同步电机由于电机本体的设计偏差以及逆变器的非线性特性导致绕组电流中含有不同频次谐波，从而导致了电机转矩波动现象，过大的转矩波动将会引起车辆传动***的振动和噪声，影响行驶安全性与平顺性。

目前针对电机谐波电流抑制的研究工作，主要包括两个方面：一是优化电机本体结构；二是谐波电流抑制控制算法。其中，针对谐波电流抑制控制算法主要包括：谐波电压补偿、比例谐振控制、复矢量PI控制和重复控制等。如中国专利公布号CN109831143A，公布日2019-05-31，通过提取定子磁链的观测值计算谐波补偿电压；中国专利公布号CN112039386A，公布日2020-12-04，采用模糊准比例谐振控制器对电机的转矩脉动进行抑制；中国专利公布号CN108988725A，公布日2018-07-31，采用改进的复矢量PI控制器控制dq轴电流分量以抑制电流谐波。

谐波电流抑制控制算法中控制器参数的选取将影响到***的响应速度与稳定性，仅采用一种控制方法也难以保证控制***的稳定性与抗扰动能力，采用多种控制方法复合控制可以有效提升电机控制***性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法，提高了控制***抵抗电机参数扰动与外界干扰的能力，提升控制***稳定性；同时，采用动态电压补偿结合模糊QPR控制器的方式，可以有效提高控制***响应速度。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法，具体包括下述步骤：

步骤1、将检测到的三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换和Park变化得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，由当前电机目标转矩查表得到目标电流i_d ^*、i_q ^*，以目标电流和实际电流差值

与变化率

当前电机电角速度ω_e作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为QPR控制器的比例系数k_p、谐振系数k_i、带宽系数ω_c；

步骤2、将QPR控制器与电流环PI控制器并联，PI控制器的输出u_d′、u_q′与QPR控制器的输出Δu_d′、Δu_q′相加作为两相旋转坐标系下目标电压u_d ^*、u_q ^*，其中，QPR控制器的传递函数为：

其中，ω₀为谐振频率，

s为拉普拉斯算子；

步骤3、根据当前电机的三相电流、转子位置θ_e与电机电角速度ω_e提取两相静止坐标系下的动态电压补偿，具体步骤为：

(1)由三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换得到两相静止坐标系下电流分量i_α、i_β，通过5次旋转坐标变换矩阵T_2s/5thxy和7次旋转坐标变换矩阵T_2s/7thxy，如下式，得到5次、7次谐波平面下的电流分量：

(2)通过低通滤波器滤除5、7次谐波平面下的交流分量，得到5、7次谐波电流的直流分量i_5x、i_5y和i_7x、i_7y；

(3)根据谐波电流的直流分量计算5、7次谐波电压直流分量u_5x、u_5y和u_7x、u_7y：

其中，R为电阻，L_z为谐平面上的电感分量；

(4)利用5、7次旋转坐标反变换矩阵T_5thxy/2s和T_7thxy/2s得到两相静止坐标下的动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′：

步骤4、目标电压u_d ^*、u_q ^*经过Park反变换后得到两相静止坐标系下的初始目标电压u_α′、u_β′，与动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′相加即为两相静止坐标系下的控制目标电压u_α ^*、u_β ^*。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以有效抑制电流谐波子平面上的5次、7次电流谐波量，减少由谐波电流引起的电机损耗，抑制电机输出转矩脉动；

2、采用模糊QPR控制器与PI控制器并联的控制方法，以实现对特定谐波频率处交流分量的无静差跟踪，模糊QPR控制器的设计提高了控制***抵抗电机参数扰动与外界干扰的能力，提升控制***稳定性；

3、采用动态电压补偿的控制方法可以有效提升控制***的响应速度，模糊QPR控制器和动态电压补偿的复合控制方法进一步提升了控制***谐波抑制性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明提出的基于模糊QPR控制和电压补偿的控制***框图；

图2为本发明提出的模糊控制器***框图；

图3为本发明提出的d轴电流环QPR控制器***框图；

图4为本发明提出的动态补偿电压提取***框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了解决在永磁同步电机控制***中，谐波电流的存在而导致的输出转矩脉动、电机损耗增加问题，同时保证电机谐波抑制控制算法的稳定性、提高响应速度，本发明提出一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法，控制***框图如图1所示，具体步骤如下：

步骤1、将检测到的三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换和Park变化得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，由当前电机目标转矩查表得到目标电流i_d ^*、i_q ^*，以目标电流和实际电流差值

与变化率

当前电机电角速度ω_e作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为QPR控制器的比例系数k_p、谐振系数k_i、带宽系数ω_c，模糊控制器***框图如图2所示，其中，E、EC分别为模糊量误差及其导数，U为控制量模糊的模糊形式。

步骤2、将QPR控制器与电流环PI控制器并联，PI控制器的输出u_d′、u_q′与QPR控制器的输出Δu_d′、Δu_q′相加作为两相旋转坐标系下目标电压u_d ^*、u_q ^*，其中，QPR控制器的传递函数如下：

其中，ω₀为谐振频率，

s为拉普拉斯算子。

以d轴电流环的QPR控制器为例，其控制***框图如图3所示。

步骤3、根据当前电机的三相电流、转子位置θ_e与电机转子电角速度ω_e提取两相静止坐标系下的动态电压补偿，如图4所示，具体步骤为：

(1)由三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换得到两相静止坐标系下电流分量i_α、i_β，通过5次旋转坐标变换矩阵T_2s/5thxy和7次旋转坐标变换矩阵T_2s/7thxy，如式(2)(3)所示，得到5次、7次谐波平面下的电流分量：

(2)通过低通滤波器滤除5、7次谐波平面下的交流分量，得到5、7次谐波电流的直流分量i_5x、i_5y和i_7x、i_7y；

(3)根据谐波电流的直流分量计算5、7次谐波电压直流分量u_5x、u_5y和u_7x、u_7y，如下式：

其中，R为电阻，L_z为谐平面上的电感分量。

(4)利用5、7次旋转坐标反变换矩阵T_5thxy/2s和T_7thxy/2s得到两相静止坐标下的动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′：

步骤4、目标电压u_d ^*、u_q ^*经过Park反变换后得到两相静止坐标系下的初始目标电压u_α′、u_β′，与动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′相加即为两相静止坐标系下的控制目标电压u_α ^*、u_β ^*。

Claims (1)

1.一种基于模糊QPR控制和电压补偿的永磁同步电机谐波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将检测到的三相电流i_a、i_b、i_c经过Clark变换和Park变化得到两相旋转坐标系下的电流分量i_d、i_q，由当前电机目标转矩查表得到目标电流i_d ^*、i_q ^*，以目标电流和实际电流差值

与变化率

当前电机电角速度ω_e作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为QPR控制器的比例系数k_p、谐振系数k_i、带宽系数ω_c；

步骤2、将QPR控制器与电流环PI控制器并联，PI控制器的输出u_d′、u_q′与QPR控制器的输出Δu_d′、Δu_q′相加作为两相旋转坐标系下目标电压u_d ^*、u_q ^*，其中，QPR控制器的传递函数为：

其中，ω₀为谐振频率，

s为拉普拉斯算子；

步骤3、根据当前电机的三相电流、转子位置θ_e与电机电角速度ω_e提取两相静止坐标系下的动态电压补偿，具体步骤为：

(1)由三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换得到两相静止坐标系下电流分量i_α、i_β，通过5次旋转坐标变换矩阵T_2s/5thxy和7次旋转坐标变换矩阵T_2s/7thxy，如下式，得到5次、7次谐波平面下的电流分量：

(2)通过低通滤波器滤除5、7次谐波平面下的交流分量，得到5、7次谐波电流的直流分量i_5x、i_5y和i_7x、i_7y；

(3)根据谐波电流的直流分量计算5、7次谐波电压直流分量u_5x、u_5y和u_7x、u_7y：

其中，R为电阻，L_z为谐平面上的电感分量；

(4)利用5、7次旋转坐标反变换矩阵T_5thxy/2s和T_7thxy/2s得到两相静止坐标下的动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′：

步骤4、目标电压u_d ^*、u_q ^*经过Park反变换后得到两相静止坐标系下的初始目标电压u_α′、u_β′，与动态补偿电压Δu_α′、Δu_β′相加即为两相静止坐标系下的控制目标电压u_α ^*、u_β ^*。

Images