基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电动汽车用永磁同步电机矢量控制领域，尤其是涉及一种基于坐标变 换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法。
【背景技术】
[0002] 转矩脉动的存在影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的 高精确度定位，会引起系统振动和噪声，严重时还会威胁系统运行安全，需要采取措施尽量 减小系统的转矩脉动。降低转矩脉动的方法主要分为：斜槽法、重复控制、转矩反馈控制以 及多同步坐标系谐波注入法。
[0003] 1)斜槽法
[0004] 定子斜槽或转子斜极是抑制齿槽转矩脉动最有效且应用广泛的方法之一。该方法 主要用于定子槽数较多且轴向较长的电机。实践证明，斜槽使电机电磁转矩各次谐波的幅 值均有所减小。但该方法是在电机本体上进行结构改造，增加了制造成本。
[0005] 2)重复控制
[0006] 重复控制也被用到了永磁同步电机的控制中，用于抑制电机的电流谐波和电机转 矩脉动。但是重复控制需要一定的存储空间，当谐波频率变化时控制器需要重新设计。
[0007] 3)转矩反馈控制
[0008] 反馈控制方法通过转矩和磁链观测器来产生反馈信号，从而削弱转矩脉动，但其 控制精确度会受到电机参数变化的影响，并且对电机参数变化而带来的转矩脉动不能有效 地消除，使得控制作用变差。
[0009] 4)多同步坐标谐波注入法
[0010] 多同步坐标系可以将谐波电流提取出来，同时进行补偿，该方法不需要依赖电机 参数。多同步旋转坐标变换的基本思想是矢量控制中，三相基波电流在dq坐标系下则变为 直流量，以此类比，谐波可以在该阶次的同步旋转坐标系下转换为响应的直流分量。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的就是为了解决现有永磁同步电机矢量控制中电流谐波较大而导致 的转矩脉动较大、实时控制性能较差、输出谐波含量高的问题，而提供一种基于坐标变换谐 波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过在谐波坐标变换下对电流谐波进行分解与 抑制，来改进电机控制效果，降低转矩波动。
[0012] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0013] 一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法包括：
[0014] 步骤Sl:在当前采样周期里检测获得三相输出电流以及转子旋转角度和转子电 角速度，三相输出电流经坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量；
[0015] 步骤S2 :由步骤Sl的两相静止坐标系下的电流分量和转子旋转角度分别进行五 次负序坐标变换、七次正序坐标变换、十一次负序坐标变换和十三次的正序坐标变换，对应 得到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值；
[0016] 步骤S3 :步骤S2的五次、七次、^^一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值 在转速自调节的二阶低通IIR数字滤波器下分别进行滤波，对应得到五次、七次、十一次、 十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量；
[0017] 步骤S4:由电机的直轴电感、交轴电感和步骤Sl的转子电角速度分别对步骤S3 获得的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量进行闭环控制，对应得 到五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量；
[0018] 步骤S5:由五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量得到 两相静止坐标系下的电压补偿量，并将其补偿到输出的定子电压分量上。
[0019] 所述步骤S2中五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值15、17、 In、I13满足以下公式：
【主权项】
1. 一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，包 括： 步骤Sl :在当前采样周期里检测获得三相输出电流以及转子旋转角度和转子电角速 度，三相输出电流经坐标变换后得到两相静止坐标系下的电流分量； 步骤S2 :由步骤Sl的两相静止坐标系下的电流分量和转子旋转角度分别进行五次负 序坐标变换、七次正序坐标变换、十一次负序坐标变换和十三次的正序坐标变换，对应得到 五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值； 步骤S3 :步骤S2的五次、七次、^^一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值在转速 自调节的二阶低通IIR数字滤波器下分别进行滤波，对应得到五次、七次、十一次、十三次 同步旋转坐标系下的dq直流分量； 步骤S4 :由电机的直轴电感、交轴电感和步骤Sl的转子电角速度分别对步骤S3获得 的五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量进行闭环控制，对应得到五 次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量； 步骤S5 :由五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量得到两相 静止坐标系下的电压补偿量，并将其补偿到输出的定子电压分量上。
2. 根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法， 其特征在于，所述步骤S2中五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值15、 17、In、I13满足以下公式：
(1) 其中，Hi7、7Imu、H913分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转 坐标系下的变换矩阵，Iafi表示两相静止坐标系下α、β轴的电流i a、ip，Θ表示通过旋 转变压器输出的转子旋转角度。
3. 根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法， 其特征在于，所述五次、七次、^^一次、十三次同步旋转坐标系下的dq直流分量id5、iq5、i d7、 iq7、idll、iqll、idl3、iql3彳两足以下公式：
(2) 其中，G(z)表示二阶低通IIR数字滤波器离散后的二阶传递函数，15、17、In、I 13分别 表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的电流计算值。
4. 根据权利要求1或3所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方 法，其特征在于，所述二阶低通IIR数字滤波器的截止频率取值范围为10~20Hz，阻尼比取 值范围为I. 1~1. 3。
5. 根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法， 其特征在于，所述五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量ud5、U(l5、 Ud7、Uq7、Udll、Uqll、Udl3、 Uql3彳两足以下公式：
其中，id5、iq5、id7、iq7、i dn、iqll、idl3、iql3分别表示五次、七次、^^一次、十三次同步旋转 坐标系下的dq直流分量，kp5、kp7、kpll、kpl3分别表示五次、七次、十一次、十三次坐标系下的 比例系数，!^!^!^、!^分别表示五次~七次冲一次冲三次坐标系下的积分系数^彦 不由旋转变压器输出的转子电角速度，Ld、Lq分别表不电机的直轴电感和交轴电感。
6. 根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法， 其特征在于，所述两相静止坐标系下的电压补偿量Ua。》、Ufi。》满足以下公式：
(4) 其中，Θ表示通过旋转变压器输出的转子旋转角度，Ud5、Uq5、Ud7、U q7、UdlPUqlPUd^Uql3分别表示五次、七次、十一次、十三次同步旋转坐标系下的dq电压补偿分量。
7.根据权利要求1所述的基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法， 其特征在于，所述两相静止坐标系下的电压补偿量补偿到输出的定子电压分量具体为：电 机电磁转矩经MTPA弱磁控制输出dq轴电流指令，步骤Sl的两相静止坐标系下的电流分量 经dq变换后输出两相旋转坐标系下的电流分量，dq轴电流指令对应减去两相旋转坐标系 下的电流分量后经电流PI调节输出α β轴定子电压分量，α β轴定子电压分量对应加上 两相静止坐标系下的电压补偿量后通过SVPWM调制方法控制逆变器获得三相交流电，驱动 永磁同步电机。
【专利摘要】本发明涉及一种基于坐标变换谐波补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法，通过采集三相电流变为两相静止坐标系下的定子电流，将两相静止坐标系下的定子电流变换到五次、七次、十一次、十三次谐波旋转坐标系下，将五次、七次、十一次、十三次等高次谐波电流在相应坐标系下通过低通滤波器提取成直流量，通过设计基于转速自适应二阶低通数字滤波器完成对指定阶次谐波的提取，在此基础之上，设计具有交叉耦合的比例积分电流控制器，最终完成谐波电流的抑制，从而抑制转矩脉动。与现有技术相比，本发明在永磁同步电机矢量控制基础上，能够减少输出电流谐波含量，降低电动汽车用永磁同步电机的转矩脉动和振动噪声等负面影响。
【IPC分类】H02P21-14, H02P25-02
【公开号】CN104852661
【申请号】CN201510215878
【发明人】康劲松, 王硕, 崔宇航
【申请人】同济大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月29日