电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质
阅读说明：本技术 电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质 (Motor beat frequency suppression method and system, electric transmission control system and storage medium ) 是由 梅文庆 胡亮 甘韦韦 文宇良 胡仙 贾岩 付翔宇 杜凯冰 吕永灿 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质,所述方法包括：实时采集电传动控制系统的中间电压和电机电流；提取中间电压的交流分量和直流分量；根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数；提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量；采用搜索算法,通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数；基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数获得拍频补偿系数,利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿。本发明实现在中间电压存在二倍电网频率的脉动分量的电传动控制系统中,抑制直流交流脉动对电机产生的拍频现象,有效降低电机损耗、发热及噪声问题。(The invention provides a motor beat frequency suppression method and system, an electric transmission control system and a storage medium, wherein the method comprises the following steps: collecting the intermediate voltage and the motor current of an electric transmission control system in real time; extracting an alternating current component and a direct current component of the intermediate voltage; calculating a static beat frequency compensation coefficient according to the alternating current component and the direct current component of the intermediate voltage; extracting a motor current beat frequency component representing a motor beat frequency current amplitude index; a search algorithm is adopted, and a dynamic beat frequency compensation coefficient which enables a beat frequency component of the motor current to be minimum is obtained through online iterative optimization; and obtaining a beat frequency compensation coefficient based on the dynamic beat frequency compensation coefficient and the static beat frequency compensation coefficient, and compensating the given torque or the given slip corresponding to the given torque by using the beat frequency compensation coefficient. The invention realizes that the beat frequency phenomenon of direct current and alternating current pulsation on the motor is inhibited in the electric transmission control system with the intermediate voltage having the pulsation component with the frequency of twice the power grid, and the problems of motor loss, heating and noise are effectively reduced.)
技术领域
本发明涉及变流控制技术领域，具体涉及一种电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质。
背景技术
单相整流器+三相逆变器-交流电机构成的电传动控制系统是交直交电压型变频器最常见的系统之一，主要由单相整流器、中间直流支撑电容、三相逆变器、交流电机四部分构成，其中的单相整流器为单相二极管不控整流器或单相PWM四象限整流器，中间直流回路主要为一个中间直流支撑电容，该中间直流支撑电容容值为Cd，如图1所示，传统的单相整流器+三相逆变器-交流电机构成的电传动控制系统的中间直流回路中带有LC硬件滤波回路，用来专门滤除直流电压2倍网压脉动分量，但LC硬件滤波回路受限于变流器空间体积和重量及成本考虑，因此往往也可以采用如图2所示的无LC硬件滤波回路的单相整流器+三相逆变器-交流电机构成的电传动控制系统，省略LC滤波硬件回路。区别于传统单相交-直-交系统(在有LC硬件滤波回路时候，中间电压是稳定的，不存在波动情况)，在无LC硬件滤波回路下，中间电压会存在2倍网压频率的脉动分量。
由于单相整流器的输出特性，中间电压Ud往往由两部分构成，一部分为直流分量Udc，一部分为脉动分量脉动分量的波动频率为二倍电网频率，也即2倍单相交流输入。此时，由于中间直流回路仍包含二倍电网频率的脉动分量，这种脉动的中间电压会直接通过三相电压型逆变器给交流电机供电，如果不进行有效控制的话，则会引起交流电机电流三相不平衡、转矩脉动增加等现象，即拍频现象；尤其是当三相逆变器输出频率ωs和中间电压的脉动分量的频率2·ωnet相接近时，此时拍频现象更严重，即便很小的电压脉动分量，也会导致较大的拍频电流和拍频转矩，这种现象会导致电机产生额外的损耗、发热、噪声并且会降低电机运行性能，影响系统的整体稳定性。
目前对拍频现象进行抑制和消除的方法可以分为两大类，硬件方法和软件方法：硬件方法是使用硬件LC滤波回路(如图1所示)来滤除直流母线电压的脉动分量，从根本上解决拍频现象；用来消除拍频现象的软件方法主要有：单周期控制法、前馈补偿法、反馈补偿法和频率补偿法等几种方法。由于控制精度以及数字化实现复杂等问题，前三种方法的应用范围都会有所限制，且抑制参数不可在线实时寻优。为此，研究在一种单相整流器+三相逆变器-交流电机的电传动控制系统中简单、实用的在线拍频抑制的技术方案具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质，解决电传动控制系统中波动的中间电压带来电机电流三相不平衡问题，实现拍频抑制。
第一方面，本发明提供一种电机拍频抑制方法，包括：
实时采集电传动控制系统的中间电压和电机电流；
提取中间电压的交流分量和直流分量；
根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数；
提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量；
采用搜索算法，通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数；
基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数，获得拍频补偿系数，利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿。
更进一步地，所述根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数，采用如下静态拍频补偿系数函数计算：
其中，χstat是静态拍频补偿系数，是中间电压Ud中的交流分量，Udc是中间电压Ud中的直流分量，kamp是修正系数，ωnet是单相交流电的旋转角频率。
更进一步地，所述提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量，包括：
在静止abc坐标系下，对a相电机电流或b相电机电流进行FFT分析；
提取特征频率|2ωnet-ωs|对应的幅值，所述幅值为电机电流拍频分量，其中，ωnet是单相交流电的旋转角频率，ωs为定子旋转角速度。
更进一步地，所述提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量，包括：
在同步dq轴旋转坐标系下，从d轴电机电流、q轴电机电流中提取频率为2ωnet的交流分量，包括d轴电流中的2倍网压频率的交流分量和q轴电流中的2倍网压频率的交流分量，其中的ωnet是单相交流电的旋转角频率；
计算d轴电流中的2倍网压频率的交流分量的有效值和q轴电流中的2倍网压频率的交流分量的有效值；
将两个有效值求取均方和根，得到电机电流拍频分量。
更进一步地，所述搜索算法为梯度下降法，采用梯度下降法，通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数，具体是：
基于电机电流拍频分量和动态拍频补偿系数具有的凹函数特性，采用梯度下降法不断调整凹函数中动态拍频补偿系数的值，搜索获取使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数。
更进一步地，所述凹函数以离散形式表示如下：
ΔIp[k-1]＝Ip[k-1]-Ip[k-2]；
式中，χdyn[k]为控制周期第k时刻的动态拍频补偿系数，χdyn[k-1]为控制周期第k-1时刻的动态拍频补偿系数，α为搜索步长，Ip[k]为控制周期第k时刻的电机电流拍频分量，Ip[k-1]为控制周期第k-1时刻电机电流拍频分量，ΔIp[k-1]为前第k-1时刻和第k-2时刻的拍频补偿系数所对应的电机电流拍频分量差值，ε为设定的限值，且为正数，K1、K2为梯度下降系数，且均为正。
更进一步地，将动态拍频补偿系数χdyn_optimal与静态拍频补偿系数χstat相加，获得拍频补偿系数χcomp＝χdyn_optimal+χstat，将拍频补偿系数χcomp补偿到给定转矩Te *或者给定转矩对应的给定转差ωsip *上，即Te *(ωsip *)otptimal＝Te *(ωsip *)+χcomp。
第二方面，本发明还提供一种电机拍频抑制系统，用于实现所述的电机拍频抑制方法，所述系统包括：
采集单元，用于实时采集电传动控制系统的中间电压和电机电流；
滤波单元，用于提取中间电压的交流分量和直流分量；
拍频电流提取单元，用于提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量；
静态补偿单元，用于根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数；
动态补偿单元，用于采用搜索算法，通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数；
补偿反馈单元，用于基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数，获得拍频补偿系数，利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿。
第三方面，本发明还提供一种电传动控制系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的电机拍频抑制方法。
第四方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现所述的电机拍频抑制方法。
本发明提供一种电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质，实现了在中间电压存在二倍电网频率的脉动分量的交直交型电传动控制系统中，抑制直流交流脉动对电机产生的拍频现象(将电机电流拍频分量降低到最小)，有效降低电机损耗、发热及噪声问题，提高电机运行性能和系统稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是传统的单相整流器+三相逆变器-交流电机构成的电传动控制系统示意图；
图2是无LC硬件滤波回路的单相整流器+三相逆变器-交流电机构成的电传动控制系统示意图；
图3是本发明实施例提供的电机拍频抑制方法应用原理图；
图4是本发明实施例一提供的电机拍频抑制方法流程图；
图5是本发明实施例一提供的步骤S4的一种流程图；
图6是本发明实施例一提供的静止abc坐标下提取电机电流拍频分量的原理示意图；
图7是本发明实施例一提供的步骤S4的另一种流程图；
图8是本发明实施例一提供的同步dq轴旋转坐标系下提取电机电流拍频分量的原理示意图；
图9是本发明实施例一提供的梯度下降法原理示意图；
图10是本发明实施例二提供的电机拍频抑制系统原理图；
图11是本发明实施例二提供的电机拍频抑制系统结构框图。
图中：
ψ*——电机磁通(定子或转子磁通)
Te *——给定转矩
ωsip *——给定转差
Te *(ωsip *)otptimal——叠加了拍频补偿系数后的给定转矩或给定转差
ia——a相电机电流
ib——b相电机电流
ic——c相电机电流
id——电机定子d轴电流
iq——电机定子q轴电流
ωs——定子旋转角速度
ωr——转子旋转角速度
ωnet——单相交流电的旋转角频率
θe——定子频率同步旋转角度
PWM——脉宽调制
Sa、Sb、Sc——开关状态。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
将本发明提供的电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质应用到现有的单相整流器+三相逆变器-交流电机的电传动控制系统中，如图3所示，单相交流网压流入单相整流器，单相整流器与三相逆变器之间产生中间电压Ud，单相整流器的输出流入三相逆变器，三相逆变器的输出流入交流电机IM，通过实时采集电传动控制系统的中间电压Ud和电机电流，提取中间电压的交流分量(含幅值和相位)和直流分量，计算静态拍频补偿系数和计算动态拍频补偿系数，在已有的电机控制单元和PWM调制单元的基础上，引入本发明的拍频补偿系数χcomp，叠加到给定转矩或者给定转矩对应的给定转差ωsip *，实现电机拍频抑制。
实施例一
本实施例提供了一种电机拍频抑制方法，如图4所示，包括：
步骤S1、实时采集电传动控制系统的中间电压Ud和电机电流(至少两相)；
步骤S2、提取中间电压的交流分量(含幅值和相位)和直流分量Udc；
步骤S3、根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数χstat；
具体地，采用如下静态拍频补偿系数函数计算静态拍频补偿系数：
其中，χstat是静态拍频补偿系数，是中间电压Ud中的交流分量，Udc是中间电压Ud中的直流分量，kamp是修正系数，ωnet是单相交流电的旋转角频率。
步骤S4、提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量Ip；
具体地，如图5和图6所示，上述步骤S4包括：
步骤41、在静止abc坐标系下，对a相电机电流ia和b相电机电流ib进行FFT分析；
步骤42、提取特征频率|2ωnet-ωs|对应的幅值，该幅值为电机电流拍频分量，其中，ωnet是单相交流电的旋转角频率，ωs为定子旋转角速度。
或者，如图7和图8所示，上述步骤S4包括：
步骤43、在同步dq轴旋转坐标系下，从d轴电机电流、q轴电机电流中提取频率为2ωnet的交流分量，包括d轴电流中的2倍网压频率2ωnet的交流分量id_ac和q轴电流中的2倍网压频率2ωnet的交流分量iq_ac，其中的ωnet是单相交流电的旋转角频率；
步骤44、计算d轴电流中的2倍网压频率2ωnet的交流分量id_ac的有效值Id_ac和q轴电流中的2倍网压频率2ωnet的交流分量iq_ac的有效值Iq_ac；
步骤45、将两个有效值求取均方和根，得到电机电流拍频分量Ip。
根据静止abc坐标系还是同步dq轴旋转坐标系，从上述两种步骤S4的实现方式中选择电机电流拍频分量提取方式。
步骤S5、采用搜索算法，通过在线迭代寻优动态拍频补偿系数χdyn获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数χdyn_optimal；
具体地，搜索算法优选为梯度下降法(但不限于此，其他适用于凹函数的数学搜索算法也可以适用)，通过在线迭代寻优动态拍频补偿系数χdyn获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数χdvn_optimal。
根据工程经验，基于电机电流拍频分量Ip和动态拍频补偿系数χdyn具有的凹函数特性，根据数学理论，可以根据采用梯度下降法，不断调整动态拍频补偿系数χdyn，最终搜索获取一个动态拍频补偿系数χdyn_optimal，使得电机电流拍频分量Ip最小，电机电流拍频分量Ip达到最小值Ip min即达到了对电机拍频电流的抑制目的。
梯度下降法含义是：针对凹函数，寻找其y极小值时候对应的x的方法。
梯度下降法原理如图9所示，梯度下降法的公式如下：
Δy[k-1]＝y[k-1]-y[k-2]；
x[0]＝0，(初始值)
上述凹函数以离散形式表示如下：
令y＝Ip[k]，x＝χdyn[k]，
ΔIp[k-1]＝Ip[k-1]-Ip[k-2]；
式中，χdyn[k]为控制周期第k时刻的动态拍频补偿系数，χdyn[k-1]为控制周期第k-1时刻的动态拍频补偿系数，α为搜索步长，Ip[k]为控制周期第k时刻的电机电流拍频分量，Ip[k-1]为控制周期第k-1时刻电机电流拍频分量，ΔIp[k-1]为前第k-1时刻和第k-2时刻的拍频补偿系数所对应的电机电流拍频分量差值，ε为设定的限值，且为正数，K1、K2为梯度下降系数，且均为正，根据工程调试依据设定。
采用梯度下降法不断调整凹函数中动态拍频补偿系数的值，搜索获取使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数。动态拍频补偿系数χdyn_optimal为根据离散形式的凹函数进行迭代计算后的最终稳态值，该稳态值为以实现|ΔIp[k-1]|＜ε为目标而不断迭代更新后收敛后的值。
步骤S6、基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数，获得拍频补偿系数，利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿。
具体地，将动态拍频补偿系数χdyn_optimal与静态拍频补偿系数χstat相加，获得拍频补偿系数χcomp＝χdyn_optimal+χstat，将拍频补偿系数χcomp补偿到给定转矩或者给定转矩对应的给定转差ωsip *上，即Te *(ωsip *)otptimal＝Te *(ωsip *)+χcomp。
实施例二
本实施例提供一种电机拍频抑制系统，用于实现电传动控制系统的电机拍频抑制方法，如图9和图10所示，该系统包括：
采集单元1，用于实时采集电传动控制系统的中间电压和电机电流；
滤波单元2，用于提取中间电压的交流分量和直流分量；
拍频电流提取单元3，用于提取表征电机拍频电流幅值指标的电机电流拍频分量；
静态补偿单元4，用于根据中间电压的交流分量和直流分量计算静态拍频补偿系数；
动态补偿单元5，用于采用搜索算法，通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数；
补偿反馈单元6，用于基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数，获得拍频补偿系数，利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿。
其中的滤波单元2，还包括用于提取直流分量的低通滤波器和用于提取交流分量的带通滤波器或限波器。
其中的拍频电流提取单元3，具体用于：
在静止abc坐标系下，对a相电机电流或b相电机电流进行FFT分析；
提取特征频率|2ωnet-ωs|对应的幅值，所述幅值为电机电流拍频分量，其中，ωnet是单相交流电的旋转角频率，ωs为定子旋转角速度。
或者拍频电流提取单元3，具体用于：
在同步dq轴旋转坐标系下，从d轴电机电流、q轴电机电流中提取频率为2ωnet的交流分量，包括d轴电流中的2倍网压频率的交流分量和q轴电流中的2倍网压频率的交流分量，其中的ωnet是单相交流电的旋转角频率；
计算d轴电流中的2倍网压频率的交流分量的有效值和q轴电流中的2倍网压频率的交流分量的有效值；
将两个有效值求取均方和根，得到电机电流拍频分量。
根据静止abc坐标系还是同步dq轴旋转坐标系，从上述两种实现方式中选择电机电流拍频分量提取方式。
其中的动态补偿单元5，用于采用梯度下降法，通过在线迭代寻优获得使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数，具体是：
基于电机电流拍频分量和动态拍频补偿系数具有的凹函数特性，采用梯度下降法不断调整凹函数中动态拍频补偿系数的值，搜索获取使得电机电流拍频分量最小的动态拍频补偿系数。
本实施例还提供一种电传动控制系统，包括存储器和处理器，该存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时实现上述的电机拍频抑制方法。
本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现上述的电机拍频抑制方法。
本发明实施例提供的电机拍频抑制方法及系统、电传动控制系统、存储介质，通过对中间电压的直流分量和交流分量提取，获得静态拍频补偿系数；通过提取电机电流拍频分量，采用搜索算法，迭代寻优动态拍频补偿系数；基于动态拍频补偿系数和静态拍频补偿系数获得拍频补偿系数，利用拍频补偿系数对给定转矩或者给定转矩对应的给定转差进行补偿，将拍频补偿系数叠加到传统电机控制的前端给定转矩或给定转差上，使电机电流拍频分量最小化，进而降低在无LC硬件滤波回路的电传动控制系统中波动的中间电压对电机损耗、发热及噪声的不良影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。