一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统及方法

文档序号：989822 发布日期：2020-10-20 浏览：6次 >En<

阅读说明：本技术 一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统及方法 (Harmonic current decoupling control system and method for convex synchronous motor ) 是由康劲松母思远马志勋姜后晓吴东华姜付杰高信迈于 2020-06-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统及方法,系统包括：谐波电流检测模块：获取6k±1次谐波电流反馈,k为正整数；线性变换模块：将谐波参考坐标系下的6k±1次谐波电流参考和6k±1谐波电流反馈分别进行线性变换得到新的谐波电流；谐波电流解耦控制模块：根据线性变换后的谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差调节,对各次谐波电流进行独立解耦控制；逆线性变换模块：对输出电压进行逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压；电机控制模块：将控制输出电压作为凸级式同步电机输出电压的参考值控制其工作。与现有技术相比,本发明实现了谐波电流的动态解耦控制,提高了谐波电流控制精度与响应速度,同时利用线性变换,简化了解耦控制器设计。(The invention relates to a harmonic current decoupling control system and method for a convex synchronous motor, wherein the system comprises the following steps: the harmonic current detection module: obtaining 6k +/-1 harmonic current feedback, wherein k is a positive integer; a linear transformation module: respectively carrying out linear transformation on 6k +/-1 harmonic current reference and 6k +/-1 harmonic current feedback under a harmonic reference coordinate system to obtain new harmonic current; the harmonic current decoupling control module: according to the error adjustment between the harmonic current reference and the harmonic current feedback after the linear transformation, independent decoupling control is carried out on each subharmonic current; an inverse linear transformation module: carrying out inverse linear transformation on the output voltage to obtain a control output voltage under a harmonic reference coordinate system; the motor control module: and controlling the work of the control output voltage as a reference value of the output voltage of the convex synchronous motor. Compared with the prior art, the invention realizes the dynamic decoupling control of the harmonic current, improves the control precision and the response speed of the harmonic current, and simplifies the design of the decoupling controller by utilizing linear transformation.)

技术领域

本发明涉及同步电机控制技术领域，尤其是涉及一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统及方法。

背景技术

内置式永磁同步电动机由于高效率、高功率密度、宽调速范围等优势，通常用作驱动电机，在电动汽车等领域中得到了广泛的应用。然而，由于电机的齿槽效应、永磁磁势谐波造成的反电动势畸变，以及逆变器的死区效应等影响，其定子绕组中存在6k±1倍基波频率的谐波电流。若不加以控制，谐波电流会造成额外的铜耗与铁耗，同时产生转矩脉动，影响电机效率，噪声和转矩输出平稳性。

永磁同步电动机普遍通过PI控制器控制定子电流，由于带宽限制，PI控制器难以对谐波电流进行有效控制。然而，任意频率的交流量在相同转速旋转的坐标系都可以转化为直流。基于此原理，多参考坐标系法被广泛用于永磁同步电动机谐波电流检测与控制中，如：廖勇等人发表的文章：“用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动”，《中国电机工程学报》.2011,第31卷(第21期),第119-127页。

传统基于多同步坐标变换的谐波电流控制方法，检测出谐波电流在其参考坐标系下的直流分量后，直接在谐波电流坐标系下对该直流分量进行PI控制。然而，文献(钟再敏、江尚、康劲松、陈雪平、周英坤，"永磁同步电机谐波电压与电流的耦合模型及前馈控制,"电工技术学报,vol.32,no.18,pp.131-142,2017.)中指出，对于凸级式永磁同步电机，同频的正负序谐波电流之间存在耦合，影响谐波电流的控制性能。上述传统谐波电流控制方法，没有基于谐波电流的动态方程设计控制器，忽略了凸级式同步电机谐波间的动态耦合，无法实现谐波电流间完全解耦，从而影响谐波电流控制精度与响应速度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能提高了谐波电流控制精度与响应速度的凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统，该系统包括：

谐波电流检测模块：用于检测获取6k±1次谐波电流并作为谐波电流反馈，k为正整数；

线性变换模块：用于将谐波参考坐标系下的6k±1次谐波电流参考和检测到的6k±1谐波电流反馈分别进行线性变换得到新的谐波电流；

谐波电流解耦控制模块：用于根据线性变换后的谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差调节输出电压，对各次谐波电流进行独立解耦控制；

逆线性变换模块：对谐波电流解耦控制模块的输出电压进行逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压；

电机控制模块：将控制输出电压作为凸级式同步电机输出电压的参考值控制凸级式同步电机工作。

优选地，线性变换模块进行线性变换的具体方式为：

其中，i_{d(6k-1)_ref} ^6k-1、i_{q(6k-1)_ref} ^6k-1为谐波参考坐标系下6k-1次谐波电流参考，i_{d(6k+1)_ref} ^6k+1、i_{q(6k+1)_ref} ^6k+1为谐波参考坐标系下6k+1次谐波电流参考，i_d6k1-ref、i_q6k1-ref、i_q6k2-ref、i_d6k2-ref为线性变换后的谐波电流参考，i_d(6k-1) ^6k-1、i_q(6k-1) ^6k-1为谐波参考坐标系下6k-1次谐波电流反馈，i_d(6k+1) ^6k+1、i_q(6k+1) ^6k+1为谐波参考坐标系下6k+1次谐波电流反馈，i_d6k1、i_q6k1、i_q6k2、i_d6k2为线性变换后的谐波电流反馈，下标d、q分别为所在坐标系的d、q轴，T为变换矩阵。

优选地，所述的谐波电流解耦控制模块包括多个分别对线性变换后的各次谐波电流进行独立解耦控制的解耦支路，所述的解耦支路包括依次连接的谐波控制器和解耦电压补偿单元，所述的谐波控制器用于对谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差进行调节输出第一电压，所述的解耦电压补偿单元用于对谐波控制器输出的第一电压进行补偿得到所述的输出电压。

优选地，所述的谐波控制器以谐波电流的开环传递函数满足下式进行设计：

其中，i_d6k1、i_q6k1、i_q6k2、i_d6k2为线性变换后的谐波电流反馈，u_c-d6k1、u_c-q6k1、u_c-q6k2、u_c-d6k2为第一电压，R_s为定子电阻，L_q为q轴电感，L_d为d轴电感，s为拉普拉斯算子；

所述的解耦电压补偿单元的补偿电压为：

进而，补偿得到的输出电压为：

其中，u_com-d6k1、u_com-q6k1、u_com-q6k2、u_com-d6k2为补偿电压，ω_r为电机电角速度，u_d6k1、u_q6k1、u_q6k2、u_d6k2为输出电压。

优选地，所述的逆线性变换模块进行逆线性变换的具体方式为：

其中，u_d(6k-1) ^6k-1、u_q(6k-1) ^6k-1为谐波参考坐标系下6k-1次控制输出电压，u_d(6k+1) ^6k+1、u_q(6k+1) ^6k+1为谐波参考坐标系下6k+1次控制输出电压，u_d6k1、u_q6k1、u_q6k2、u_d6k2为输出电压，下标d、q分别为所在坐标系的d、q轴，T为变换矩阵。

一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制方法，该方法包括如下步骤：

S1、检测获取6k±1次谐波电流并作为谐波电流反馈，k为正整数；

S2、将谐波参考坐标系下的6k±1次谐波电流参考和检测到的6k±1谐波电流反馈分别进行线性变换得到新的谐波电流；

S3、根据线性变换后的谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差调节输出电压，对各次谐波电流进行独立解耦控制；

S4、将输出电压进行逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压；

S5、将控制输出电压作为凸级式同步电机输出电压的参考值控制凸级式同步电机工作。

优选地，步骤S2线性变换得到新的谐波电流具体方式为：

优选地，步骤S3具体为：分别将线性变换后的各次谐波电流输入至一个独立的解耦支路中，所述的解耦支路包括依次连接的谐波控制器和解耦电压补偿单元，首先，所述的谐波控制器对谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差进行调节输出第一电压，然后解耦电压补偿单元对谐波控制器输出的第一电压进行补偿得到输出电压。

优选地，步骤S3中谐波控制器以谐波电流的开环传递函数满足下式进行设计：

所述的解耦电压补偿单元的补偿电压为：

进而，补偿得到的输出电压为：

其中，u_com-d6k1、u_com-q6k1、u_com-q6k2、u_com-d6k2为补偿电压，ω_r为电机电角速度，u_d6k1、u_q6k1、u_q6k2、u_d6k2为输出电压。

优选地，步骤S4逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压具体方式为：

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明谐波电流解耦控制模块设计谐波控制器和解耦电压补偿单元，实现了谐波电流的动态解耦控制，提高了谐波电流控制精度与响应速度；

(2)本发明利用了线性变换，而非在谐波电流参考系下直接对谐波电流进行解耦控制，更简便得实现了谐波电流解耦。

附图说明

图1为本发明凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统的结构框图；

图2为本发明谐波电流解耦控制模块的原理框图；

图3为本发明所采用的谐波电流参考坐标系示意图；

图4为本发明凸级式同步电机谐波电流解耦控制方法的流程框图。

图中，1为谐波电流检测模块，2为线性变换模块，3为谐波电流解耦控制模块，4为逆线性变换模块，5为坐标变换模块，6为电机控制模块，31为谐波控制器，32为解耦电压补偿单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制系统，该系统包括：

谐波电流检测模块1：用于检测获取6k±1次谐波电流并作为谐波电流反馈，k为正整数；

线性变换模块2：用于将谐波参考坐标系下的6k±1次谐波电流参考和检测到的6k±1谐波电流反馈分别进行线性变换得到新的谐波电流；

谐波电流解耦控制模块3：用于根据线性变换后的谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差调节输出电压，对各次谐波电流进行独立解耦控制；

逆线性变换模块4：对谐波电流解耦控制模块3的输出电压进行逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压；

电机控制模块6：将控制输出电压作为凸级式同步电机输出电压的参考值控制凸级式同步电机工作。

在电机控制模块6前还包括坐标变换模块5，坐标变换模块5可通过旋转坐标变换将控制输出电压变换到d,q旋转坐标系或两相静止坐标系从而输入至电机控制模块6对凸级式同步电机进行控制。

线性变换模块2进行线性变换的具体方式为：

线性变换模块2用于对6k±1次谐波电流坐标系下的电压，电流等进行线性变换。i_dq(6k±1) ^6k±1为多同步参考坐标系下的谐波电流，上标表示所在的参考坐标系，下标6k±1表示谐波在静止坐标系次数，d,q为所在坐标系的d,q轴。谐波参考坐标系如图3所示，6k±1次谐波电流坐标系与d,q旋转坐标系之间的坐标变换矩阵为：

其中，θ_e为转子位置电角度。

如图2所示，谐波电流解耦控制模块3包括多个分别对线性变换后的各次谐波电流进行独立解耦控制的解耦支路，解耦支路包括依次连接的谐波控制器31和解耦电压补偿单元32，谐波控制器31用于对谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差进行调节输出第一电压，解耦电压补偿单元32用于对谐波控制器31输出的第一电压进行补偿得到输出电压。图2中，对于每一个解耦支路，分别对d轴和q轴的谐波电流进行解耦控制。

谐波控制器31以谐波电流的开环传递函数满足下式进行设计：

解耦电压补偿单元32的补偿电压为：

进而，补偿得到的输出电压为：

其中，u_com-d6k1、u_com-q6k1、u_com-q6k2、u_com-d6k2为补偿电压，ω_r为电机电角速度，u_d6k1、u_q6k1、u_q6k2、u_d6k2为输出电压。

逆线性变换模块4进行逆线性变换的具体方式为：

谐波电流在各自谐波电流参考坐标系下的电流微分方程如下式所示。

对于凸级式同步电机，L_d≠L_q。可见，谐波参考坐标系下，各次谐波电流间存在复杂的耦合关系，传统谐波电流控制在此坐标下进行谐波电流控制，不易实现谐波电流的解耦与高性能控制。根据式(1)和(7)可得新的线性空间下的谐波电流动态方程为，

对比式(5)与电流微分方程(8)，可得上述谐波电流的开环传递函数，具体为式(3)所示。由此可见，解耦电压补偿后，谐波电流控制器的输出仅对该次谐波电流分量产生影响，与其他次谐波电流无关，实现了谐波电流的解耦控制；同时，解耦后谐波电流传函对应RL串联回路，可较为方便地设计电流控制器。谐波电流控制器可采用PI控制器等。

如图4所示，一种凸级式同步电机谐波电流解耦控制方法，该方法包括如下步骤：

S1、检测获取6k±1次谐波电流并作为谐波电流反馈，k为正整数；

S2、将谐波参考坐标系下的6k±1次谐波电流参考和检测到的6k±1谐波电流反馈分别进行线性变换得到新的谐波电流；

S3、根据线性变换后的谐波电流参考与谐波电流反馈间的误差调节输出电压，对各次谐波电流进行独立解耦控制；

S4、将输出电压进行逆线性变换得到谐波参考坐标系下的控制输出电压；

S5、将控制输出电压作为凸级式同步电机输出电压的参考值控制凸级式同步电机工作。

步骤S2线性变换得到新的谐波电流具体方式为：