抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质
阅读说明：本技术 抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质 (Harmonic current injection method, apparatus and computer-readable storage medium for suppressing vehicle low-speed jitter ) 是由 刘迪 王凯 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质,提出极端低速工况下谐波电流与谐波转矩的关系式,进而依据该方程计算出抑制车辆低速抖动所需的5次、7次谐波电流给定值,然后将5次、7次谐波电流给定值变换至基波坐标系下,并一起叠加到作为基波电流环的基波电流给定值上,叠加之和作为电流环的输入量。本发明的谐波电流注入方法在抑制车辆极低速抖动的场景下达到非常好的效果。(The invention discloses a harmonic current injection method, a harmonic current injection device and a computer readable storage medium for inhibiting vehicle low-speed jitter, wherein a relational expression of harmonic current and harmonic torque under an extreme low-speed working condition is provided, then 5-order and 7-order harmonic current set values required for inhibiting the vehicle low-speed jitter are calculated according to the equation, then the 5-order and 7-order harmonic current set values are converted to a fundamental wave coordinate system and are superposed to a fundamental wave current set value serving as a fundamental wave current loop, and the superposed sum is used as the input quantity of the current loop. The harmonic current injection method of the invention achieves a good effect in the scene of inhibiting the vehicle from shaking at an extremely low speed.)
技术领域
本发明涉及一种车辆低速抖动抑制方法，尤其涉及一种抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质。
背景技术
永磁同步电机的本体设计中不可避免地会产生反电动势的谐波分量，并由此在电机定子绕组内产生谐波电流，在反电动势谐波分量、谐波电流、反电动势基波分量、基波电流的相互作用下会引起电机轴上高阶的转矩脉动，在车辆低速运行的工况下体现为车辆的低速抖动问题。为了降低车辆的低速抖动给用户造成的不适感，需要采用软件控制的手段采用谐波电流注入的方法降低高阶转矩脉动进而抑制低速工况下的抖动情形。但是现有的谐波电流注入方法，由于受限于低速抖动频率处于基波电流环带宽控制范围的原因，无法有效抑制速工况下车辆抖动的状况。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法、装置和计算机可读存储介质，能够有效改善车辆低速抖动问题。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法，包括以下步骤：
(1)对三相采样电流进行坐标变换后得到总采样电流的d轴和q轴分量；包括以下过程：永磁同步电机的U、V、W三相电流采样后经Clark变换和Park变换后至两相同步旋转坐标系得到含有谐波电流在内的总采样电流的d轴和q轴分量。
(2)根据永磁同步电机谐波转矩和转速，计算得到5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，以及基波电流的d轴和q轴分量给定值；其计算式为：
式中，T6代表6阶转矩，Imi代表i阶谐波电流幅值，Emj代表j阶谐波反电势幅值；Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感；
又T6表达为：
其中，
id1＝Im1 sinθ
iq1＝Im1 cosθ
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5)
式中θ5表示5次谐波电流初相位；
在设定7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次谐波电流的d轴和q轴分量给定值，以此作为5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。
(3)对步骤(2)所得到的5次和7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值进行反Park变换，获取在基波同步旋转坐标系下的5次和7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值；
(4)将在基波同步旋转坐标系下的5次谐波电流的d轴分量给定值、7次谐波电流的d轴分量给定值都叠加至电流环基波电流的d轴分量给定值上，得到电流环的d轴分量给定值id_ref；将在基波同步旋转坐标系下的5次谐波电流的q轴分量给定值、7次谐波电流的q轴分量给定值都叠加至电流环基波电流的q轴分量给定值上，得到电流环的d轴分量给定值iq_ref；再将电流环的d轴分量给定值和q轴分量给定值分别作为d轴和q轴电流环的输入量对采样电流相应的d轴和q轴分量进行闭环控制，最终分别得到d轴和q轴电流环的输出量ud和uq。
步骤(4)中所述的将电流环的d轴分量给定值和q轴分量给定值分别作为d轴和q轴电流环的输入量对采样电流相应的d轴和q轴分量进行闭环控制，采用比例积分调节器控制。
相应的，提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有用于抑制车辆低速抖动的谐波电流注入控制程序，所述谐波电流注入控制程序执行上述谐波电流注入方法中的步骤。
本发明还提出一种永磁同步电机控制装置，包括信号采集模块、存储器、处理器、控制器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的谐波电流注入控制程序，所述信号采集模块用于采样电机状态信号并发送至处理器，处理器运行所述谐波电流注入控制程序输出电压控制信号并发送至控制器，用于控制永磁同步电机的电压，所述谐波电流注入控制程序执行上述的谐波电流注入方法中的步骤。
有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：本发明给出了极端低速工况下谐波电流与谐波转矩的关系式，进而依据该方程计算出抑制车辆低速抖动所需的5次、7次谐波电流给定值，然后将5次、7次谐波电流给定值变换至基波坐标系下，并一起叠加到作为基波电流环的基波电流给定值上，叠加之和作为电流环控制的输入量。本发明的谐波电流注入方法在抑制车辆极低速抖动的场景下能够达到非常好的效果。
附图说明
图1是本发明所述的车辆在低速运行工况下的抑制6阶转矩脉动的电机控制装置的控制框图；
图2是本发明所述的车辆在低速运行工况下的抑制6阶转矩脉动的谐波电流注入方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的抑制车辆低速抖动的谐波电流注入方法，包括以下步骤：
(1)电流变换。
首先，永磁同步电机的U、V、W三相电流采样后经Clark变换和Park变换后至两相同步旋转坐标系得到含有谐波电流在内的总采样电流的d轴和q轴分量，得到采样电流d轴和q轴分量的反馈值id_fdb、iq_fdb。
(2)谐波电流给定值计算。
提出在极低速运行工况下(一般为200RPM以下)的内嵌式永磁同步电机的谐波电流与谐波转矩等参数之间的关系：
在本发明中，针对车辆低速抖动的问题，可以认为6阶以上的更高阶谐波影响很小，故将11阶谐波电流、11阶和13阶谐波反电势、12阶转矩T12忽略不计，上式变化为：
式中，T6代表6阶转矩，Em1代表基波反电势幅值，Em5代表5次谐波反电势幅值，Em7代表7次谐波反电势幅值，Im1为基波电流幅值，Im5为5次谐波电流幅值，Te代表电磁转矩，ω代表电机电角速度，Ω表示电机机械角速度；θ表示基波的初相位，np表示电机的极对数，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感。
又T6表达为：
其中，
id1＝Im1 sinθ (4)
iq1＝Im1 cosθ (5)
id5＝Im5 sin(6ωt+5θ+θ5) (6)
iq5＝Im5 cos(6ωt+5θ+θ5) (7)
式中θ5表示5次谐波电流初相位。
令id7＝0，iq7＝0，联立上述方程，用MATLAB求解可得id5，iq5。即在设定7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值为0的前提下，解出5次谐波电流的d轴和q轴分量给定值。将上述4个值作为电流叠加的谐波电流给定值，即id5th_ref，iq5th_ref，id7th_ref，id7th_ref。
从而得到极低速运行工况下的谐波电流与各参数的数值关系，其中n为转速，Ω＝2πn：
id5th_ref＝f1(T6,Em5,Em7,Te,n)
iq5th_ref＝g1(T6,Em5,Em7,Te,n)
id7th_ref＝f2(T6,Em5,Em7,Te,n)
id7th_ref＝g2(T6,Em5,Em7,Te,n)
为简化实际注入时的计算，可计算出在不同转矩和不同转速工况下的抑制车辆低速抖动所需的各次高阶谐波电流给定值，并基于此做成以转矩和转速为横纵坐标的二维表。
基波电流的d轴和q轴分量给定值计算：
基波电流的d轴和q轴分量给定值采用最大转矩电流比(MTPA)算法所获得的，可通过以转矩Te和转速ω为横纵坐标的二维表格按照最大转矩电流比的原则搜索获取：
uq1st_ref＝(Rsiq1st_ref+Lqp)iq1st_ref+ω(ψf+Ldid1st_ref) (12)
其中，is为基波电流幅值，ismax为相电流幅值最大值，取决于IGBT和电机所能承受的最大电流能力。usmax为相电压幅值最大值，取决于直流母线所能提供的电压能力，p为微分算子。id1st_ref为d轴基波电流给定值，iq1st_ref为q轴基波电流给定值，ud1st_ref为d轴基波电流产生的端电压，uq1st_ref为q轴基波电流产生的端电压，Te为电磁转矩，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感。Rs为电机定子内阻，ψf为永磁体的磁链值，ω代表电机电角速度。
(3)谐波电流变换至基波坐标系。
对谐波电流给定值计算步骤所得到的谐波电流进行反Park变换，5次谐波和7次谐波所采用的变换角度分别为-6θ和+6θ，获取谐波电流变换至基波坐标系下的正弦小信号交流脉动量。其中，θ为基波同步旋转坐标系与静止坐标系的夹角。
5次电流谐波d轴分量、5次电流谐波q轴分量、7次电流谐波d轴分量、7次电流谐波q轴分量经过反Park变换至基波同步旋转坐标系下，分别得到在基波同步旋转坐标系下的5次谐波电流d轴分量的交流脉动形式给定值、5次谐波电流q轴分量的交流脉动形式给定值、7次谐波电流d轴分量的交流脉动形式给定值、7次谐波电流q轴分量的交流脉动形式给定值。
(4)电流环调节控制。
将谐波电流变换至基波坐标系步骤中所得到的变换至基波坐标系下的5次、7次谐波电流的d轴和q轴分量给定值分别叠加至基波电流的d轴和q轴分量给定值上，即将基波电流d轴分量与变换至基波坐标系的5次谐波电流d轴分量、7次谐波电流d轴分量求和，记为电流环d轴分量给定值id_ref；将基波电流q轴分量与变换至基波坐标系的5次谐波电流q轴分量、7次谐波电流q轴分量求和，记为iq_ref。再将电流环的d轴分量给定值和q轴分量给定值分别作为d轴和q轴电流环的输入量进行闭环控制，如图1所示，图中id_fdb、iq_fdb分别是采样电流d轴和q轴分量的反馈值，最终分别得到d轴和q轴电流环的输出量ud和uq。本实施例中优选为PID闭环控制，亦可采用其他的闭环控制器替换。
步骤(2)～(4)对应的流程如图2所示。相应的，本发明所述的永磁同步电机控制装置，包括信号采集模块、存储器、处理器、控制器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的谐波电流注入控制程序，所述信号采集模块用于采样三相电流信号并发送至处理器，处理器运行所述谐波电流注入控制程序输出电压控制信号，控制器接收处理器发送的电压控制信号并据此控制永磁同步电机的电压，所述谐波电流注入控制程序执行上述谐波电流注入方法中的步骤。
尽管以上实施例是以内嵌式永磁同步电机为示例进行说明的，本领域技术人员在上述详细示例的教导下，能够将上述谐波电流注入方法类推地应用到表贴式交流电机或其他类型的交流电机中。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。