一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法

摘要

本发明提供了一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其通过对电机的扰动项进行估计补偿，结合无差拍控制实现对电机在参数失配情况下的转矩脉动有效抑制，无须进行实时参数辨识，克服了无差拍控制对于参数精确性要求高的弊端。本方法既能实现对于零序电机参数失配情况下产生的转矩脉动进行抑制，又能够很好的对d、q轴电机参数失配情况下产生的谐波转矩脉动进行抑制，从而保证电机能够在电机参数失配情况下有一个比较好的稳态运动状态，具有良好的鲁棒性，能够有效提高开绕组永磁同步电机工作效率。

权利要求

1.一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、实时采集当前k时刻开绕组永磁同步电机的三相电流、转速、转子位置角数据信息；

步骤二、建立开绕组永磁同步电机的无差拍控制模型，

包括对开绕组永磁同步电机建立基于dq0轴的等效数学模型：式中，RS为电机定子绕组阻值，Ld、Lq和L0分别为电机d、q轴电感和零序电感，wr为电气角速度， 分别为电机永磁体磁链和三次谐波磁链分量，θ为电机转子位置角，Vd、Vq和V0分别为d、q轴和零序电压，i0代表零序电流；

考虑到电机参数失配情况下存在估计电压不准确的问题，因而利用扩张观测器分别计算电机的d轴、q轴、0序电压补偿值fd，fq，f0；同时对k+1时刻的电机电流进行预测；

所述扩张观测器具体通过以下方式建立：

扩张观测器可以将N阶不确定非线性系统扩张成N+1阶系统，应用扩张观测器将由于电机参数失配导致的需要额外补偿的电压矢量扩张为一个单独的物理量，建立状态空间表达式如下：其中， x3＝i0，x4＝f0， 即

电流估计值与实际值之间的误差，Ls＝Ld＝Lq，γ1，γ2，γ3，γ4，α1，α2，ξ1，ξ2是扩张观测器参数，需要根据实际情况确定；sat(x)是饱和函数：步骤三、利用所述步骤二中的电流预测结果计算k+1时刻电机所需的电压，并基于所述步骤二中得到的各所述电压补偿值进行前馈补偿；

步骤四、基于由所述步骤三计算的电机所需的电压进行SVPWM调制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中对k+1时刻的电机电流进行预测具体包括：其中，Tk是采样时间间隔，wr是电机电气角速度，e1(k),e2(k),e3(k)分别是d轴、q轴、0序电流估计值与实际值之间的差值，即：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤三具体包括：基于电机将在第k+2个时刻达到k时刻的参考电流的假设，计算得k+1时刻所需电压为：其中，idref，iqref，i0ref为k时刻的参考电流。

说明书

一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及永磁同步电机的转矩控制技术领域，尤其是一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制技术。

背景技术

[0002] 开绕组永磁同步电机运行过程中的参数失配特别是电感失配会产生谐波转矩脉动，而转矩脉动的大小反应着电机稳态性能的优劣，因此对电机转矩脉动的抑制是电机控制领域一个很重要的方面。建立合适的状态观测器是现阶段针对电机转矩脉动抑制的常用方法，但是大多数状态观测器的建立需要精确的电机参数，例如隆贝格观测器、卡尔曼滤波状态观测器，这就对方案的具体实施造成了困难。Zhang Xiaoguang等人在《Deadbeat Predictive Current Control of Permanent-Magnet Synchronous Motors with Stator Current and Disturbance Observer》一文中通过构建合适的滑膜观测器实现了对电机参数变化导致的转矩脉动的抑制，但是这是针对于传统的永磁同步电机。开绕组永磁同步电机中由于零序电流回路的存在，零序电流对转矩脉动产生的影响不可以忽略。Yuan Xin等人在《Torque Ripple Suppression for Open-end Winding Permanent-Magnet Synchronous Machine Drives with Predictive Current Control》中提出了一种q轴电流反向注入法来抑制转矩脉动，但是其只考虑了零序参数失配的情况，在d、q轴参数失配的情况下转矩脉动得不到有效抑制，电机运行性能受到影响。

[0003] 无差拍控制作为现阶段被广泛应用的电机控制方法，其计算量小、跟随特性好，对于开绕组永磁同步电机也同样适用。但是，无差拍控制也需要精确的电机参数，否则就会导致估计电压不准确，电机运行性能变差。而电机在运行过程中电机参数不可避免地会发生变化，这就会恶化无差拍控制的效果，因此需要在无差拍控制的基础上，对其估计电压进行修正。因此，本领域中急需一种既能抑制由于电机d、q轴参数失配造成的谐波转矩脉动，又能抑制由于零序参数失配造成的谐波转矩脉动的方法。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，具体包括以下步骤：

[0005] 步骤一、实时采集当前k时刻开绕组永磁同步电机的三相电流、转速、转子位置角数据信息；

[0006] 步骤二、建立开绕组永磁同步电机的无差拍控制模型，考虑到电机参数失配情况下存在估计电压不准确的问题，因而利用所述扩张观测器分别计算电机的d轴、q轴、0序电压补偿值fd，fq，f0；同时对k+1时刻的电机电流进行预测；

[0007] 步骤三、利用所述步骤二中的电流预测结果计算k+1时刻电机所需的电压，并基于所述步骤二中得到的各所述电压补偿值进行前馈补偿；

[0008] 步骤四、基于由所述步骤三计算的电机所需的电压进行SVPWM调制。

[0009] 进一步地，所述步骤二中建立开绕组永磁同步电机的无差拍控制模型，包括对开绕组永磁同步电机建立基于dq0轴的等效数学模型：

[0010]

[0011]

[0012]

[0013] 式中，RS为电机定子绕组阻值，Ld、Lq和L0分别为电机d、q轴电感和零序电感，在比如表贴式的永磁同步电机中，Ls＝Ld＝Lq，wr为电气角速度，wr＝p*wm，wm是机械角速度，分别为电机永磁体磁链和三次谐波磁链分量，θ为电机转子位置角，Vd、Vq和V0分别为d、q轴和零序电压，i0代表零序电流。

[0014] 进一步地，所述扩张观测器具体通过以下方式建立：

[0015] 扩张器可以将N阶不确定非线性系统扩张成N+1阶系统，应用扩张观测器可以将由于电机参数失配导致的需要额外补偿的电压矢量扩张为一个单独的物理量，建立状态空间表达式如下：

[0016]

[0017]

[0018]

[0019]

[0020] 其中， x3＝i0，x4＝f0，即电流估计值与实际值之间的误差，γ1，γ2，γ3，γ4，α1，α2ξ1，ξ2是扩张观测器参数，需要根据实际情况确定。sat(x)是饱和函数,其值确定方法如下：

[0021]

[0022] 为了简便起见，可令sat(x)＝sign(x)。

[0023] 进一步地，步骤二中对k+1时刻的电机电流进行预测具体包括：

[0024]

[0025]

[0026]

[0027] 其中，Tk是采样时间间隔，wr是电机电气角速度，e1(k),e2(k),e3(k)分别是d轴、q轴、0序电流估计值与实际值之间的差值，即：

[0028]

[0029]

[0030]

[0031] 进一步地，所述步骤三具体包括：

[0032] 基于电机将在第k+2个时刻达到k时刻的参考电流的假设，计算得k+1时刻所需电压为：

[0033]

[0034]

[0035]

[0036] 其中，idref，iqref，i0ref为k时刻的参考电流。

[0037] 上述本发明所提供的方法至少包括以下有益效果：

[0038] 1.上述方法通过对电机的扰动项进行估计补偿，结合无差拍控制实现对电机在参数失配情况下的转矩脉动有效抑制，无须进行实时参数辨识，克服了无差拍控制对于参数精确性要求高的弊端；

[0039] 2.上述方法既能实现对于零序电机参数失配情况下产生的转矩脉动进行抑制，使电机在零序参数失配情况下转矩波动小；又能够很好的对d、q轴电机参数失配情况下产生的谐波转矩脉动进行抑制，从而保证电机能够在电机参数失配情况下有一个比较好的稳态运动状态，具有良好的鲁棒性，能够有效提高开绕组永磁同步电机工作效率。

[0040] 3.方法中采用的扩张观测器原理简单，算法简单，计算过程简单。

附图说明

[0041] 图1为本发明所提供方法的流程图

[0042] 图2基于本发明所提供方法对开绕组永磁同步电机控制的原理图

[0043] 图3为未采用本发明所提供方法在电机参数不失配情况下的转矩脉动图[0044] 图4为采用了本发明所提供方法在电机参数不失配情况下的转矩脉动图[0045] 图5为未采用本发明所提供方法且电机参数存在失配情况下的转矩脉动图[0046] 图6为采用了本发明所提供方法且电机参数存在失配情况下的转矩脉动图具体实施方式

[0047] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0048] 如图1-2所示，本发明所提供的开绕组永磁同步电机的转矩脉动抑制方法，具体包括以下步骤：

[0049] 步骤一、实时采集当前k时刻开绕组永磁同步电机的三相电流、转速、转子位置角数据信息；

[0050] 步骤二、建立开绕组永磁同步电机的无差拍控制模型，考虑到电机参数失配情况下存在估计电压不准确的问题，因而利用所述扩张观测器分别计算电机的d轴、q轴、0序电压补偿值fd，fq，f0；同时对k+1时刻的电机电流进行预测；

[0051] 步骤三、利用所述步骤二中的电流预测结果计算k+1时刻电机所需的电压，并基于所述步骤二中得到的各所述电压补偿值进行前馈补偿；

[0052] 步骤四、基于由所述步骤三计算的电机所需的电压进行SVPWM调制。

[0053] 所述步骤二中建立开绕组永磁同步电机的无差拍控制模型，包括对开绕组永磁同步电机建立基于dq0轴的等效数学模型：

[0054]

[0055]

[0056]

[0057] 式中，RS为电机定子绕组阻值，Ld、Lq和L0分别为电机d、q轴电感和零序电感，在本方案所采用的表贴式永磁同步电机中，Ls＝Ld＝Lq，wr为电气角速度，wr＝p*wm，wm是机械角速度， 分别为电机永磁体磁链和三次谐波磁链分量，θ为电机转子位置角，Vd、Vq和V0分别为d、q轴和零序电压，i0代表零序电流。

[0058] 考虑到电机参数失配情况下估计电压不准确，利用扩张观测器算法，对电机运行过程中的对估计电压进行额外补偿。

[0059]

[0060]

[0061]

[0062] 式中，fd，fq，f0分别为d轴、q轴、0序电压补偿值。其算术表达式如下：

[0063]

[0064]

[0065]

[0066] 其中，

[0067] ΔRs＝R'-R

[0068] ΔLd＝Ld'-Ld

[0069]

[0070] ΔLq＝Lq'-Lq

[0071] ΔL0＝L0'-L0

[0072]

[0073] 其中，R',Ld′， Lq'分别为电机运行过程中的实际的电阻、d轴电感、磁链、三次磁链和q轴电感额定值。R,Ld,Lq,L0, 分别为电机电阻、d轴电感、q轴电感、0序电感、磁链、3次磁链额定值。

[0074] 所述扩张观测器具体通过以下方式建立：

[0075] 扩张观测器可以将N阶不确定非线性系统扩张成N+1阶系统，应用扩张观测器可以将由于电机参数失配导致的需要额外补偿的电压矢量扩张为一个单独的物理量，建立状态空间表达式如下：

[0076]

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 其中， x3＝i0，x4＝f0，即电流估计值与实际值之间的误差，γ1，γ2，γ3，γ4，α1，α2ξ1，ξ2是扩张观测器参数，需要根据实际情况确定。sat(x)是饱和函数,其值确定方法如下：

[0081]

[0082] 为了简便起见，可令sat(x)＝sign(x)。

[0083] 进一步地，步骤二中对k+1时刻的电机电流进行预测具体包括：

[0084]

[0085]

[0086]

[0087] 其中，Tk是采样时间间隔，wr是电机电气角速度，e1(k),e2(k),e3(k)分别是d轴、q轴、0序电流估计值与实际值之间的差值，即：

[0088]

[0089]

[0090]

[0091] 同理，可以估计k+2时刻的电机电流：

[0092]

[0093]

[0094]

[0095] 假设电机在k+2时刻达到k时刻的参考电流，即

[0096]

[0097]

[0098]

[0099] 则可以计算出k+1时刻电机需要的电压：

[0100]

[0101]

[0102]

[0103] 然后，将所需的电压输送给SVPWM单元进行调制，使得电机获得所需电压。

[0104] 在本发明的一些实例中，分别比较未施加转矩脉动抑制方法，电机参数不失配情况下的转矩图。如图3-4所示，电机参数不失配情况下，转矩脉动都非常小。但是，通过比较在电机d、q和0序电感失配变为额定值2.5倍的情况下，未施加转矩脉动抑制方法的电机运行转矩图，如图5所示，和施加了本发明所阐述的转矩脉动抑制方法的转矩图，如图6所示，我们可以明显的看到，采用了本方案的方法之后，转矩脉动明显降低。这对于提高电机的工作稳定性和提高电机的工作效率有着重要的意义。

[0105] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。