CN117013911A - 一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，包括以下步骤：步骤A、对三相永磁同步电机的电压、电流在三相静止坐标系进行傅里叶分解；步骤B、将电机的相电流变换到d‑q坐标系中，然后通过自适应低通滤波器得到精确的谐波电流，并计算总谐波电流；步骤C、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差调节为零，得到PI控制器的输出电流，然后通过谐波抑制模块得到谐波补偿电压；步骤D、将所上述得到的谐波补偿电压引入电流环得到d‑q旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压；步骤E、将所述的电机两相输入相电压经过SPWM调制，经过电压逆变器，输出至电机。本发明可使电机转矩脉动得到抑制，提高电机***的稳定性。

Description

一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制方法，具体涉及一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法。

背景技术

永磁同步电机因其结构相对简单、体积小、质量小、输出功率效率高等特点被广泛应用在电动车驱动***、风力火力发电***中。随着新能源汽车的迅速崛起与普及，由驱动电机导致的整车NVH问题越来越受到重视。与传统的燃油车不同，影响新能源汽车NVH性能的主要因素包括：驱动电机的阶次噪声、电机的开关频率噪声、减速器的齿轮噪声等。其次，电机变频装置中的逆变电路的非线性特性和电机的气隙在磁场中波形的畸变，导致电机中三相电流具有较多谐波成分，一方面会增加电机铜耗等各种损耗，降低电机运行效率；另一方面，也会增加电机稳态的转矩脉动，导致电机的振动与噪声，这都将严重影响电机的控制性能和精度。这些噪声通过结构、空气等传入到驾驶室内，从而影响驾驶员和乘客的主观感受。

目前，所使用的抑制电机谐波电流的方法主要有：

1、无死区开关控制模式：由于桥式逆变电路在上下桥臂的开关状态中需要加入死区时间，死区时间会导致额外的谐波，因此优化开关器件的开关状态减少死区引起的额外谐波。这种控制模式虽整体降低了死区时间，但存在的死区依然存在，仍会引入电流谐波。由于无死区的实时性要求更高，实际中也较难精准补偿死区开关时间。

2、误差电压补偿法:误差电压补偿法是使用与其幅值相等，方向相反的电压信号抵消由死区时间和管压降的影响导致的逆变器误差电压(理想电压和实际电压之差)。电压补偿法不但增加了软硬件成本和算法复杂度，而且也无法抑制气隙在磁场中非正弦的分布所引入的谐波分量。

3、重复控制法:重复控制法可以实现对定子电流实现高精度的控制。重复控制器不仅能够使当前周期运行的偏差信号补偿至被控制对象的输入端，而且还可对上一周期的偏差信号进一步补偿至被控制对象的输入端，从而达到将偏差控制在可完全抑制的范围内。重复控制在电机稳态运行时对谐波分量具有较好的抑制效果，但当负载发生变化时，电机进入动态调整过程，转速、扭矩、电流等的变化速度较快且具有随机性，这将导致重复控制器的性能变差；其次由于重复控制采用可变调节的采样频率，在实际中较难得到应用。

4、自适应线性神经网络法：通过建立谐波电流中主要谐波成分的稳态电压方程，在谐波注入方法的基础上，增加模型参数自适应参数辨识，可以将辨识参数如电感、电阻和磁链值导入神经网络中，通过不断的调整权值，将谐波减小至零；谐波电压分量为自适应神经网络中的权值系数，进而得到电压的补偿值。但由于模型自适应参数辨识数目较多，网络较复杂，在电机动态运行中，自适应神经网络在训练和执行过程中花费时间较长，对谐波电流和电压的提取和抑制效果不佳。

发明内容

本发明提供一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，本发明可使电机转矩脉动得到抑制，提高电机***的稳定性。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，包括以下步骤：

步骤A、对三相永磁同步电机的电压、电流在三相静止坐标系进行傅里叶分解；

步骤B、将电机的相电流变换到d-q坐标系中，然后通过自适应低通滤波器得到精确的谐波电流，并计算总谐波电流；

步骤C、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差调节为零，得到PI控制器的输出电流，然后通过谐波抑制模块得到谐波补偿电压；

步骤D、将所上述得到的谐波补偿电压引入电流环得到d-q旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压，然后在此d-q电压的基础上计算出控制电压，通过坐标变换得到静态坐标系下电机的两相输入相电压；

步骤E、将所述的电机两相输入相电压经过SPWM调制，经过电压逆变器，输出至电机，从而提供动力转速和扭矩。

本发明结合使用傅里叶分解和自适应低通滤波器法，可以实现准确提取谐波电流，相比针对性只提取5、7次谐波进行一一抑制，获取的谐波电流更保真，信号特征丢失较少，因而电机的性能将更加优良，算法也更具普适性。首先，通过傅里叶变换方法对三相电流进行分解，得到相电流的所有谐次电流分量，然后通过相电流所控制电机的截止频率范围、阶次大小自适应选择不同的低通滤波器算法(巴特沃斯、切比雪夫I、切比雪夫II、椭圆等)，得到响应比较快、检测准确度比较高的滤波器；通过自适应低通滤波器提取得到总谐波电流，然后通过PI控制器，使得电流控制的误差降至最低到0，从而得到电流谐波的电压补偿量U_{sumu_c}，U_{sumv_c}，U_{sumw_c}；然后通过坐标变换得到补偿电压d-q轴的补偿电压U_{sum_dc}、U_{sum_qc}；经过Clark/Park变换到旋转坐标系下进行PI控制。采用傅里叶分解和自适应低通滤波器法提取总谐波电流，保证了谐波补偿电压注入的准确性和覆盖性，从而提高了电流的动态响应特性，进而提升对电机控制速度的及时性和准确性。

与现有的技术相比，本发明的所具有的优势为：

1、本发明结合使用傅里叶分解法和自适应低通滤波器法提取总谐波电流，可以实现准确提取谐波电流；

2、无需将各个阶次的谐波电流分开进行单独抑制，因而方法减少了***的复杂度；

3、本发明在保证谐波补偿电压注入准确性的前提下，通过使用自适应的低通滤波器方法提高了电流的动态响应特性，提升了整个***控制的速度和准确性；

4、本发明所使用的电流信号特征提取方法，提取的电流信号特征丢失较少，计算所得的谐波补偿电压更加准确，因而电机的性能将更加优良，同时，自适应的低通滤波器算法也更具普适性。

附图说明

图1永磁同步电机三相电压/电流谐波分量提取原理框图。

图2谐波电压总谐波抑制模块原理框图。

图3谐波电流抑制方法控制***原理框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1至图3，本发明的实施例提供了一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，包括如下步骤：

步骤A、对三相永磁同步电机的电压、电流在三相静止坐标系进行傅里叶分解；

步骤B、将电机的相电流变换到d-q坐标系中，然后通过自适应低通滤波器得到精确的谐波电流，并计算总谐波电流；

步骤C、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差调节为零，得到PI控制器的输出电流，然后通过谐波抑制模块得到谐波补偿电压；

步骤D、将所上述得到的谐波补偿电压引入电流环得到d-q旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压，然后在此d-q电压的基础上计算出控制电压，通过坐标变换得到静态坐标系下电机的两相输入相电压；

步骤E、将所述的电机两相输入相电压经过SPWM调制，经过电压逆变器，输出至电机，从而提供动力转速和扭矩。

如上述所述永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其中，进一步的，实施步骤A具体包括：

步骤A1、由于电流对三相电压、电流进行傅里叶分解，其表达式如下所示：

其中，n取1,2,3......，T为输入信l号的基波周期2，t为时间，U(t)为t时刻电流的幅值，U_sum-i为第i相电流，I(t)为t时刻电流的幅值，I_sum-i为第i相的电流，f为输入信号的基波频率，a₀为直流分量。

如上述所述永磁同步电机谐波电流的抑制方法，图2是提取谐波电流的方法，其中，进一步的，实施步骤B具体包括：

步骤B1，将电机的相电流变换到d-q坐标系；建立各谐次谐波电流对应谐次谐波电流与对应谐次d-q坐标轴系之间的对应关系；例如对5阶、7阶的坐标转换关系为：

其中，和/>为第5阶、第7阶的坐标变换矩阵，θ为初始相位。

步骤B2、根据谐波电流提取算法的设计，需要对电流进行坐标变换，得到d-q轴坐标系下的谐波电流仿真模型。

d-q坐标系下电流方程为：

其中，i_d和i_q分别为d-q旋转坐标系下的电流，i_d1、i_q1为基波电流在d-q坐标系下的幅值，i₃、i₅、i₇为第3、5、7次的电流谐波分量，，，......为初始相位。

步骤B3、寻找最优的截止频率；通过自适应低通滤波器得到精确地谐波电流；首先使用分别使用巴特沃司型、切比雪夫I、切比雪夫II、椭圆等对截至频率进行预估，寻找最优的截至频率，截至频率的最优解应满足动态响应快、检测精度更高的要求；具体实施方法为：

其中，分别为巴特沃司型、切比雪夫I、切比雪夫II、椭圆滤波器所代表的动态响应时间、曲线光滑度等的综合权重；对于任意两个决策变量的权重，若满足/>则可认为/>弱支配于/>即选择/>代表的滤波器为最佳；其中，/>为任意两个决策变量。

步骤B4、寻找最优的阶次；选择最优的阶次、截止频率参数等得到的电流图形应满足检测精度高，波形没有明显的抖动的特征，且响应时间较快等特点；

步骤B5、计算总谐波电流量I_sum-u，I_sum-v,I_sum-w；对三相电流进行分解得到：

式中，I_sum-u，I_sum-v,I_sum-w分别为U，V，W三相的总谐波电流量，θ₁，θ₃，θ₅，θ₇分别为基波、3次、5次和7次的初始相位，I₁，I₃，I₅，I₇分别为基波、3次、5次和7次的电流幅值，ω为角频率。

步骤B6、利用低通滤波器滤除交流电流分量的方法来进行对直流电流分量谐波提取，转换到d-q旋转坐标系下：

其中式中：n取值1，2，3，4，5......，i_d*、i_q*为基波电流在d-q坐标系下经过低通滤波器滤除后的电流幅值；t为时间；ω为角频率。

如上述所述永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其中，进一步的，实施步骤C如图3，具体包括：

步骤C1、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差动态调节为零；

步骤C2、得到PI控制器的输出电流；

步骤C3、通过稳态电压方程计算后与PI控制器组成的谐波抑制模块得到谐波补偿电压U_{u_c}，U_{v_c}，U_{w_c}；其中U_{u_c}，U_{v_c}，U_{w_c}分别为U，V，W三相的补偿电压。

如上述所述永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其中，进一步的，实施步骤D具体包括：

步骤D1、将所上述得到的谐波补偿电压U_{u_c}，U_{v_c}，U_{w_c}引入电流环得到d-q旋转坐标系下的d轴电压和q轴的总谐波电压u^* _sum-d、u^* _sum-q：

其中，分别为d和q轴的总谐波电压；ω为角频率；L_d为d轴的电感，L_q为q轴的电感，R_s为定子电阻，ψ_f5，ψ_f11，ψ_f13......为第5、7、13的磁通链；θ₁，θ₃，θ₅，θ₇分别为基波、3次、5次和7次的初始相位；

步骤D2、然后在此d-q轴坐标系下计算出控制电压；

步骤D3、将提取的总谐波电流I_sum-u，I_sum-v，I_sum-w变换到d-q坐标系，得到d轴、q轴下的总谐波电流i_d和i_q，得到d轴和q轴下的总谐波电流：

其中，在d轴、q轴下的总谐波电流i_d和i_q，分别为d和q轴的总谐波电流；i_d1、i_q1为第1阶在d轴、q轴坐标上的电流；

步骤D4、最后将补偿量经Clark变换到两相静止α-β坐标系，将其补偿到以基频为参考的输入端电压，得到可以抑制电流谐波的三相调制参考电压u_{sum_αc}、u_{sum_βc}；其中，u_{sum_αc}、u_{sum_βc}为α、β轴上的电压补偿量。

步骤D5、总谐波电压补偿量计算；使用坐标转换原理、电压方程及控制目标I_d-inj＝0，I_q-inj＝0，其中，I_d-inj、I_d-inj为d轴、q轴电流注入值，通过控制目标，计算得到理想与实际的电压补偿差。

如上述所述永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其中，进一步的，实施步骤E具体包括：

步骤E1、在MATLAB/Simulink中建立谐波提取模块、谐波电压计算模块、谐波电压补偿模块，最后经过调制和叠加，得到电机的两相输入相电压，根据相电压计算d轴和q轴谐波电压的总补偿量，d轴和q轴谐波电压的总补偿量u_d-c、u_q-c：

其中，Rs为定子电阻，u_d-c、u_d-c分别为在d-q旋转坐标轴下电压的补偿量，L_d和L_q分别为在d-q旋转坐标轴下电感，i_dn、i_qn分别为第n阶下的电流，n取值1，2，3，4，5......，ω为角频率。

步骤E2、将得到的新参考信号通过SVPWM模块的调制，产生d-q旋转坐标轴系下电流谐波完全抑制所需要的总参考电压PMSM的驱动信号；

步骤E3、通过将驱动信号注入至控制逆变器并传递至电机的三相绕组中，起到抑制绕组中电流谐波的作用；

通过以上控制方法，可实现对电机相电流的谐波分量实现最优控制。

综上所述本发明先在MATLAB Simulink中搭建永磁同步电机的电控***模型，提取所有谐次的谐波电流；然后在Simulink下建立传统控制仿真***，使用自适应滤波器提取输入三相电流，并在d-q坐标系下进行变换得到总谐波电流i_d和i_q，接着在Simulink控制仿真***中计算总补偿电压。本发明通过使用自适应滤波器和提取谐波总电流的方法，可以根据不同电机类型、不同截止频率、不同谐波谐次进行适应性选择不同的滤波器优化电流波形的正弦度，从源头上可有效控制永磁同步电机由永磁体磁链的直流分量和定子电流谐波分量产生的转矩脉动，此方法具有快速、准确、简单控制振动和噪声的效果。

在此应当需要解释的是：以上方法仅为本发明的最佳实施方法，部分图例和理论原理仅仅是被用作特征说明和解释的作用；因此，在不偏离或背离本发明精神实质和理论下所作的修改、替换、简化等都包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、对三相永磁同步电机的电压、电流在三相静止坐标系进行傅里叶分解；

步骤B、将电机的相电流变换到d-q坐标系中，然后通过自适应低通滤波器得到精确的谐波电流，并计算总谐波电流；

步骤C、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差调节为零，得到PI控制器的输出电流，然后通过谐波抑制模块得到谐波补偿电压；

步骤D、将所上述得到的谐波补偿电压引入电流环得到d-q旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压，然后在此d-q电压的基础上计算出控制电压，通过坐标变换得到静态坐标系下电机的两相输入相电压；

步骤E、将所述的电机两相输入相电压经过SPWM调制，经过电压逆变器，输出至电机，从而提供动力转速和扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤A具体包括：

步骤A1、提取驱动电源中的三相电压、电流；

步骤A2、将提取驱动电源中的三相电压、电流进行傅里叶分解，其表达式如下所示：

其中，n取1，2，3......，T为输入信l号的基波周期2，t为时间，U(t)为t时刻电流的幅值，U_sum-i为第i相电压，I(t)为t时刻电流的幅值，I_sum-i为第i相的电流，f为输入信号的基波频率，a₀为直流分量，a_n、b_n为傅里叶系数。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤B包括：步骤B1、将电机的相电流变换到d-q坐标系，建立各谐次谐波电流对应谐次谐波电流与对应谐次d-q坐标轴系之间的对应关系；

步骤B2、根据谐波电流提取算法的设计，对电流进行坐标变换，得到d-q轴坐标系下的谐波电流仿真模型；

步骤B3、寻找最优的截止频率，通过自适应低通滤波器得到精确的谐波电流，首先分别使用巴特沃司型、切比雪夫I、切比雪夫II、椭圆等对截至频率进行预估，寻找最优的截至频率；

步骤B4、寻找最优的阶次；

步骤B5、计算U、V、W三相总谐波电流量I_sum-u，I_sum-v,I_sum-w。

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤B5中，对三相电流进行分解得到：

式中，I_sum-u，I_sum-v,I_sum-w分别为U，V，W三相的总谐波电流量，θ₁，θ₃，θ₅，θ₇分别为基波、3次、5次和7次的初始相位，I₁，I₃，I₅，I₇分别为基波、3次、5次和7次的电流幅值，ω为角频率。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤B还包括：步骤B6、利用低通滤波器滤除交流电流分量的方法来进行对直流电流分量谐波提取，转换到d-q旋转坐标系下：

上式中：n取值1，2，3，4，5......，i_d*、i_q*为基波电流在d-q坐标系下经过低通滤波器滤除后的电流幅值，t为时间；ω为角频率。

6.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤C包括：步骤C1、通过PI控制器将总谐波电流的控制误差动态调节为零；

步骤C2、得到PI控制器的输出电流；

步骤C3、通过稳态电压方程计算后与PI控制器组成的谐波抑制模块得到U、V、W三相谐波补偿电压U_{u_c}，U_{v_c}，U_{w_c}。

7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤D包括：步骤D1、将得到的U、V、W三相谐波补偿电压U_{u_c}，U_{v_c}，U_{w_c}引入电流环得到d-q旋转坐标系下的d轴电压和q轴的总谐波电压u^* _sum-d、u^* _sum-q；

步骤D2、然后在此d-q电压的基础上计算出控制电压；

步骤D3、将提取的总谐波电流I_sum-u，I_sum-v,I_sum-w变换到d-q坐标系，得到d轴、q轴下的总谐波电流i_d和i_q，

步骤D4、将补偿量经Clark变换到两相静止α-β坐标系，将其补偿到以基频为参考的输入端电压，得到可以抑制电流谐波的三相调制参考电压u_{sum_αc}、u_{sum_βc}，其中u_{sum_αc}、u_{sum_βc}为α、β轴上的电压补偿量。

8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤D1中，d轴电压和q轴的总谐波电压u^* _sum-d、u^* _sum-q的计算如下：

其中，分别为d和q轴的总谐波电压；ω为基础旋转频率；L_d为d轴的电感，L_q为q轴的电感，R_s为定子电阻，ψ_f5，ψ_f11，ψ_f13......为第5、7、13的磁通链；θ₁，θ₃，θ₅，θ₇分别为基波、3次、5次和7次的初始相位。

9.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，步骤E包括：步骤E1、在MATLAB/Simulink中建立谐波提取模块、谐波电压计算模块、谐波电压补偿模块，最后经过调制和叠加，得到电机的两相输入相电压；

步骤E2、将得到的新参考信号通过SVPWM模块的调制，产生d-q旋转坐标轴系下电流谐波完全抑制所需要的总参考电压PMSM的驱动信号；

步骤E3、通过将驱动信号注入至控制逆变器并传递至电机的三相绕组中，起到抑制绕组中电流谐波的作用。

10.根据权利要求9所述的一种永磁同步电机谐波电流的抑制方法，其特征在于，根据得到的两相电压计算谐波电压的总补偿量：

其中，Rs为定子电阻，u_d-c、u_d-c分别为在d-q旋转坐标轴下电压的补偿量，L_d和L_q分别为在d-q旋转坐标轴下电感，i_dn、i_qn分别为第n阶下的电流。