永磁同步电机转矩补偿方法、永磁同步电机补偿装置与流程

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机转矩补偿方法、永磁同步电机补偿装置。

背景技术：

永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、运行可靠、调速范围宽、动静态特性好等优点，广泛应用于交流传动系统。而永磁同步电机工作时电磁转矩是否稳定是衡量电机性能的关键因素，转矩脉动会引起振动和噪声，加大电机的机械磨损，使其在高精度场合的应用受到限制，同时，转矩的脉动会引起转速的脉动，使得电机转速控制精度下降。

气隙磁通中谐波的存在是永磁同步电机转矩脉动产生的一个主要原因。在实际的永磁同步电机中，由于电机转子永磁体制造公差的限制，理想的正弦气隙磁通密度分布很难实现。当不理想的转子正弦磁通密度和定子旋转磁场相互作用时便会产生周期性的转矩脉动。

永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波，谐波会导致电流波形畸变，从而增加电机的振动和噪声，一般地，从控制策略入手，通过控制加在电机定子绕组上的电压或电流波形来抑制转矩脉动。然而，现有方案中控制策略对谐波电流抑制一般采用模型预测控制，对电机参数进行重构，使得结构复杂，参数调节变得很困难，并且还存在电流过零点检测不准确，导致误补偿的缺陷，抑制效果较差。

针对相关技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，目前尚未提出有效地解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种永磁同步电机转矩补偿方法、永磁同步电机补偿装置，以至少解决现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题。

为解决上述技术问题，根据本公开实施例的一个方面，本发明提供了一种永磁同步电机转矩补偿方法，该方法包括：

获取永磁同步电机u、v、w三相中vu线电压uvu以及wu线电压uwu；

根据线电压uvu、线电压uwu计算永磁同步电机u、v、w三相反电动势eu、ev、ew；

获取永磁同步电机的转速，根据计算的永磁同步电机三相反电动势eu、ev、ew以及获取的转速确定永磁同步电机的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq；

根据确定的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq提取对应谐波补偿值δud、δuq；

根据提取的谐波补偿值δud、δuq对永磁同步电机控制系统进行谐波补偿，以减少电机速度波动。

进一步地，根据计算的永磁同步电机三相反电动势eu、ev、ew以及获取的转速确定永磁同步电机的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq，包括：

在两相旋转坐标系下，确定d轴磁链ψd、q轴磁链ψq如下：

其中，ld、lq为永磁同步电机的d轴、q轴电感；id、iq为通过电流传感器测量后经过坐标变换得到的d、q轴电流值；ψf为永磁体产生的基波磁链，ψ5、ψ7、ψ11、ψ13表示5次、7次、11次、13次谐波磁链；θ为电机转子旋转的电角度；

根据确定的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq，确定6次谐波的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq：

进一步地，根据确定的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq提取对应谐波补偿值δud、δuq，包括：

在两相旋转坐标系下，确定电压方程如下：

其中，r是电机的定子内阻，ω为电机转子旋转的电角速度；

根据电压方程，在两相旋转坐标系下，确定6次谐波的电磁转矩：

其中，pn为电机极对数；

确定谐波补偿量为：

根据本公开实施例的另一方面，提供了一种磁同步电机补偿装置，该装置包括：

检测部，用于检测永磁同步电机的运行参数；

计算部，用于根据检测部检测的永磁同步电机的运行参数以及永磁同步电机的属性参数，计算谐波补偿量；

输出部，用于将计算部计算的谐波补偿量输出至永磁同步电机补偿系统，以便永磁同步电机补偿系统根据谐波补偿量进行补偿。

进一步地，检测部包括：

两个电压检测探头，分别用于测量永磁同步电机u、v、w三相中线电压uvu以及线电压uwu；

速度传感器，用于检测永磁同步电机的实时速度ω；

电流传感器，用于检测永磁同步电机的相电流iv、iw。

进一步地，计算部包括：

运算电路，与电压检测探头、速度传感器连接，用于根据电压检测探头检测的线电压和速度传感器检测的实时速度计算输出反电动势信号；

放大电路，与运算电路连接，用于通过内置负反馈放大器对计算电路输出的反电动势信号进行放大，并返回至运算电路，运算电路还用于将放大电路返回的信号去除磁链中的基波分量；

谐波函数发生器，与运算电路连接，用于将运算电路输出的去除磁链中的基波分量的信号中剩余谐波分量进行正弦量和余弦量的分离，确定谐波补偿值δud、δuq。

进一步地，其特征在于，输出部包括：

两个输出探头，用于分别输出谐波补偿值δud、δuq至永磁同步电机驱动电路，以便完成永磁同步电机的转矩补偿。

进一步地，该装置还包括：

存储器，用于存储永磁同步电机的属性参数，其中，属性参数包括：电感ld和lq、基波磁链ψf、定子电阻r。

进一步地，该装置还包括：

过流保护电路，与电流传感器连接，用于根据电流传感器检测的电流对永磁同步电机谐波补偿装置进行过流保护。

根据本公开实施例的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述永磁同步电机转矩补偿方法。

在本发明中，提供了一种应用于永磁同步电机的新的补偿方案，通过d轴磁链和q轴磁链提取对应谐波补偿值，这种补偿方案工程上简单，易于实现，有效地解决了现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，降低了对永磁同步电机补偿控制的复杂度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机转矩补偿方法的一种可选的流程图；

图2是根据本发明实施例的永磁同步电机转矩补偿方法中含谐波补偿的永磁同步电机系统控制框图；

图3是根据本发明实施例的永磁同步电机转矩补偿方法中一种速度波形图；

图4是根据本发明实施例的永磁同步电机转矩补偿方法中一种转速波动放大图；

图5是根据本发明实施例的永磁同步电机补偿装置的一种可选的结构框图；以及

图6是根据本发明实施例的永磁同步电机补偿装置的另一种可选的结构框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例1

下面结合附图对本发明提供的永磁同步电机转矩补偿方法进行说明。

本发明提供的永磁同步电机转矩补偿方法可以应用在永磁同步电机转矩补偿控制系统中，在进行实现时，可以通过可实现其功能的硬件装置实现，例如：本申请中提供的永磁同步电机补偿装置，同时，也可将上述方法写入一个或多个程序，存储至计算机可读存储介质上，该一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行。图1示出上述方法的一种可选的流程图，如图1所示，该永磁同步电机转矩补偿方法可以包括以下步骤：

s101，获取永磁同步电机u、v、w三相中vu线电压uvu以及wu线电压uwu；

s102，根据线电压uvu、线电压uwu计算永磁同步电机u、v、w三相反电动势eu、ev、ew；

s103，获取永磁同步电机的转速，根据计算的永磁同步电机三相反电动势eu、ev、ew以及获取的转速确定永磁同步电机的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq；

s104，根据确定的d轴磁链ψd、q轴磁链ψq提取对应谐波补偿值δud、δuq；

s105，根据提取的谐波补偿值δud、δuq对永磁同步电机控制系统进行谐波补偿，以减少电机速度波动。

在本发明的上述实施方式中，提供了一种应用于永磁同步电机的新的补偿方案，通过d轴磁链和q轴磁链提取对应谐波补偿值，这种补偿方案工程上简单，易于实现，有效地解决了现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，降低了对永磁同步电机补偿控制的复杂度。

在搭建永磁同步电机(pmsm)的理想模型时，通常认为转子磁场在气隙中为理想的正弦分布；但实际上由于电机永磁体制造及工艺上的限制，永磁体产生的转子磁场谐波含量很大，实际转子磁场不是理想正弦分布的。

测定永磁体磁场的气隙谐波的具体测量步骤参见图1，首先将电机置于试验台上，保持被测的永磁同步电机定子三相绕组处于断开状态，使u相绕组接地，分别用分压探头测量vu和wu的线电压，此时拖动被测的永磁同步电机运行，优选地，在1200r/min的匀速状态下运行，然后用示波器采集这两路电压测量值。此时示波器采集到的两路电压值分别为vu和wu的线电压。然后根据这两个线电压换算出三相反电动势，将反电动势除以速度后得到磁链的谐波值。

在两相旋转坐标系(d-q轴系)下，直、交轴磁链可以表示为

式中，ψd、ψq为pmsm的直轴(d轴)磁链和交轴(q轴)磁链；ld、lq为pmsm的d、q轴电感；id、iq为通过电流传感器测量后经过坐标变换得到的d、q轴电流值。ψf为永磁体产生的基波磁链，ψ5、ψ7表示5次、7次谐波磁链。θ为电机转子旋转的电角度。

对磁链谐波进行快速傅里叶算法(fft)分析，可知谐波含量主要是6次谐波，这是因为在三相静止坐标系上的5次、7次谐波变换到两相旋转坐标系上就成了6次谐波。由(1)式可知，包括6次谐波的d、q轴磁链为

式中，ψd6、ψq6为高阶磁链幅值。

在两相旋转坐标系下，电压方程为

式中，r是电机的定子内阻，ω为电机转子旋转的电角速度。

在两相旋转坐标系下，带有6次谐波的电磁转矩为

式中，pn为电机极对数。

根据式(3)，得出图1中的谐波补偿量为

图2中的坐标变换包括三相静止坐标(abc坐标)系到两相静止坐标(αβ坐标)系的变换和αβ坐标系到两相旋转坐标(dq坐标)系的变换。其中，由abc坐标系到αβ坐标系的变换为clarke变换，也称3s/2s变换，即

由αβ坐标系到dq坐标系的变换为park变换，也称2s/2r变换，即

式(6)对应的逆变换为

式(7)对应的逆变换为

图2示出一种含谐波补偿的pmsm控制框图，根据图2所示，用matlab搭建仿真框图，速度波形见图3和图4，其中，图3为在0.3秒加入谐波补偿的速度波形。而在图4可以看出，加入谐波补偿后，速度波动由原来的4.17％减少为0.75％，说明本发明的方法能抑制转矩脉动，减少转速波动，效果较好。

根据本实施例的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述永磁同步电机转矩补偿方法。

在本发明的上述实施例中，提供了一种应用于永磁同步电机的新的补偿方案，通过d轴磁链和q轴磁链提取对应谐波补偿值，这种补偿方案工程上简单，易于实现，有效地解决了现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，降低了对永磁同步电机补偿控制的复杂度。

实施例2

基于上述实施例1中提供的永磁同步电机转矩补偿方法，本发明可选的实施例2还提供了一种永磁同步电机补偿装置，具体来说，图5示出该装置的一种可选的结构框图，如图5所示，该装置包括：

检测部50，用于检测永磁同步电机的运行参数；

计算部51，用于根据检测部检测的永磁同步电机的运行参数以及永磁同步电机的属性参数，计算谐波补偿量；

输出部52，用于将计算部计算的谐波补偿量输出至永磁同步电机补偿系统，以便永磁同步电机补偿系统根据谐波补偿量进行补偿。

在本发明的上述实施方式中，提供了一种应用于永磁同步电机的新的补偿方案，通过d轴磁链和q轴磁链提取对应谐波补偿值，这种补偿方案工程上简单，易于实现，有效地解决了现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，降低了对永磁同步电机补偿控制的复杂度。

进一步地，如图6所示，检测部包括：

两个电压检测探头501，分别用于测量永磁同步电机u、v、w三相中线电压uvu以及线电压uwu；

速度传感器502，用于检测永磁同步电机的实时速度ω；

电流传感器503，用于检测永磁同步电机的相电流iv、iw。

进一步地，如图6所示，计算部51包括：

运算电路511，与电压检测探头、速度传感器连接，用于根据电压检测探头检测的线电压和速度传感器检测的实时速度计算输出反电动势信号；

放大电路512，与运算电路连接，用于通过内置负反馈放大器对计算电路输出的反电动势信号进行放大，并返回至运算电路，运算电路还用于将放大电路返回的信号去除磁链中的基波分量；

谐波函数发生器513，与运算电路连接，用于将运算电路输出的去除磁链中的基波分量的信号中剩余谐波分量进行正弦量和余弦量的分离，确定谐波补偿值δud、δuq。

进一步地，其特征在于，输出部52包括：

两个输出探头521，用于分别输出谐波补偿值δud、δuq至永磁同步电机驱动电路，以便完成永磁同步电机的转矩补偿。

进一步地，该装置还包括：

存储器(图中未示出)，用于存储永磁同步电机的属性参数，其中，属性参数包括：电感ld和lq、基波磁链ψf、定子电阻r。

进一步地，如图2所示，该装置还包括：

过流保护电路530，与电流传感器连接，用于根据电流传感器检测的电流对永磁同步电机谐波补偿装置进行过流保护。

下面对上述装置的具体实现原理进行如下说明：

在搭建永磁同步电机(pmsm)的理想模型时，通常认为转子磁场在气隙中为理想的正弦分布；但实际上由于电机永磁体制造及工艺上的限制，永磁体产生的转子磁场谐波含量很大，实际转子磁场不是理想正弦分布的。

测定永磁体磁场的气隙谐波的具体测量步骤参见图1，首先将电机置于试验台上，保持被测的永磁同步电机定子三相绕组处于断开状态，使u相绕组接地，分别用分压探头测量vu和wu的线电压，此时拖动被测的永磁同步电机运行，优选地，在1200r/min的匀速状态下运行，然后用示波器采集这两路电压测量值。此时示波器采集到的两路电压值分别为vu和wu的线电压。然后根据这两个线电压换算出三相反电动势，将反电动势除以速度后得到磁链的谐波值。

在两相旋转坐标系(d-q轴系)下，直、交轴磁链可以表示为

式中，ψd、ψq为pmsm的直轴(d轴)磁链和交轴(q轴)磁链；ld、lq为pmsm的d、q轴电感；id、iq为通过电流传感器测量后经过坐标变换得到的d、q轴电流值。ψf为永磁体产生的基波磁链，ψ5、ψ7表示5次、7次谐波磁链。θ为电机转子旋转的电角度。

对磁链谐波进行快速傅里叶算法(fft)分析，可知谐波含量主要是6次谐波，这是因为在三相静止坐标系上的5次、7次谐波变换到两相旋转坐标系上就成了6次谐波。由(1)式可知，包括6次谐波的d、q轴磁链为

式中，ψd6、ψq6为高阶磁链幅值。

在两相旋转坐标系下，电压方程为

式中，r是电机的定子内阻，ω为电机转子旋转的电角速度。

在两相旋转坐标系下，带有6次谐波的电磁转矩为

式中，pn为电机极对数。

根据式(3)，得出图1中的谐波补偿量为

图2中的坐标变换包括三相静止坐标(abc坐标)系到两相静止坐标(αβ坐标)系的变换和αβ坐标系到两相旋转坐标(dq坐标)系的变换。其中，由abc坐标系到αβ坐标系的变换为clarke变换，也称3s/2s变换，即

由αβ坐标系到dq坐标系的变换为park变换，也称2s/2r变换，即

式(6)对应的逆变换为

式(7)对应的逆变换为

图2示出一种含谐波补偿的pmsm控制框图，根据图2所示，用matlab搭建仿真框图，速度波形见图3和图4，其中，图3为在0.3秒加入谐波补偿的速度波形。而在图4可以看出，加入谐波补偿后，速度波动由原来的4.17％减少为0.75％，说明本发明的方法能抑制转矩脉动，减少转速波动，效果较好。

从以上描述中可以看出，在本发明的实施例中，提供了一种应用于永磁同步电机的新的补偿方案，通过d轴磁链和q轴磁链提取对应谐波补偿值，这种补偿方案工程上简单，易于实现，有效地解决了现有技术中抑制永磁同步电机的气隙磁场带有不同程度的谐波过程中，方案较为复杂的问题，降低了对永磁同步电机补偿控制的复杂度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。