一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，包括以下步骤：A、电流参考值坐标变换；B、电流多重比例谐振调节；C、耦合补偿；该控制方法是基于多相永磁同步电机矢量控制，将多同步旋转坐标系电流参考值，经过多相坐标变换至多相静止坐标系下各相电流参考值，与电机各相电流反馈值，分别进行改进的多重叠加比例谐振调节，并引入谐振分离方法，采用前馈补偿解耦，实现高动态性能基波及可用次谐波的无静差跟踪和有害次谐波抑制。该方法可抑制多相电机有害谐波电流造成的电机损耗，转矩脉动和振动噪声等负面影响，并使可用谐波电流的正面效应得以发掘，充分发挥多相电机的优势，提高了系统性能。
【专利说明】—种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于交流电动机及其控制【技术领域】，具体涉及一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，用于大功率交流电机传动场合，特别适用于船舶推进、矿山机械、轨道牵引、轧钢、风机泵类调速等大功率交流电机传动场合。
【背景技术】
[0002]交流电机，尤其是新型永磁电机采用稀土永磁材料产生机电能量转换所需要的磁场，具有结构简单，运行可靠，体积小，重量轻，高效节能等优点，具有更广阔的应用前景。
[0003]而能源问题的日益凸显使得采用调速传动减小在电力消耗中占很大比重的大功率交流电机的浪费和损耗以实现节能减排，具有重大的经济和社会意义，日益受到关注。
[0004]随着电力电子技术的发展，多相功率变换器使电机摆脱工业电网相数的限制。与传统三相电机系统相比，多相系统的显著优势在于:
随着功率等级的提高，多相电机通过增大电机相数和逆变器桥臂数，不仅易于通过低压器件来实现系统的大功率运行，有利于减低系统的成本，还避免了器件串联带来的静动态均压问题和多电平带来的拓扑及其控制复杂等问题。尤其在供电电压受限的场合(如船舶电力推进)，更具优势。
[0005]多相电机具有相冗余特性，当相故障时，仍能获得平稳的转矩，实现容错抗干扰运行。适合于舰船推进.核电站水冷系统，航空航天等高可靠性要求的场合。
[0006]多相电机具有更多的控制资源。从开关状态来看，具有更多的非零电压空间矢量，从坐标变换来看，具有多个相互正交的而平面，其中可分别控制相应的变量，有更多的潜倉泛。
[0007]多相电机中谐波磁场次数增大，影响减小，与电流作用产生的转矩脉动，也减小，使得振动与噪声减小，转子损耗减低。
[0008]然而，一般而言，多相电机每相串联匝数较小，定子漏感相对较小，对电流谐波的抑制作用在相同的情况下不及三相电机。
[0009]电流谐波主要源于:供电的电压源变换器非线性特性以及PWM调制的死区效应等会使输出电压含有大量的低次谐波，谐波电压作用在低阻抗空间上会产生很大的谐波电流，此外，电机铁心存在固有的非线性特性，永磁体修整设计制造的形状误差，非正弦气隙磁通导致的谐波反电势在电机运行中均产生谐波电流，而且，一些多相电机新型拓扑如H桥开绕组等，由于解开了绕组中性点，使某些次数谐波电流形成通路，促使了其形成。
[0010]多相永磁同步电机通过合理的绕组设计和永磁体修整，匹配其磁势空间波和电流时间波是可以利用某些低次谐波实现机电能量转换，优化气隙磁密波形，提高铁心利用率，并增大转矩密度，但其有害次谐波的影响仍不容小觑。主要反映在:增加绕组损耗；引起电机切向转矩脉动；产生电机径向电磁激振力，增加振动噪声；导致相电流峰值增大，而可能导致过流故障，降低电机系统性能。尽管采用用滤波器能一定程度上解决这一问题，但无疑导致了系统体积、重量、成本的增加。[0011]多相永磁同步电机的控制策略主要包括恒压频比控制、磁场定向矢量控制、直接转矩控制等。其中矢量控制通过坐标变换对磁链和电磁转矩分别采用闭环控制，实现磁场和电流的解耦，具有良好的动静态性能；直接转矩控制勿需复杂的坐标变换，通过磁链和转矩的直接跟踪，实现PWM和系统的高动态性能，具有鲁棒性。
[0012]掣肘于多相永磁同步电机有害次谐波电流的不利影响，其应用受到了限制。而目前，鲜有相应的技术文献报道关于解决多相永磁同步电机电流波形优化的控制策略。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提出一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，以实现电流波形优化控制，减少绕组损耗；消弱电机转矩脉动；减小电机径向电磁激振力，减小振动噪声；避免电流谐波引起的相电流峰值增大而导致的过流故障，提高电机系统性能。
[0014]本发明的技术方案是:
一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，包括以下步骤:
A、电流参考值坐标变换:根据基波及可用次谐波电流在多同步旋转坐标系的dq分量
参考值C C " C C,经过多相坐标变换，变换至多相静止坐标系，形成各相交流电流参考值f 广，其中含基波、并叠加了…7次可用谐波，...1为可用谐波次数，7为
Z ψ ψ * W
可用谐波最高次数；所述可用次谐波电流是指可实现机电能量转换的低次谐波电流，Ii/
B、电流多重比例谐振调节:将电机各相电流,其中含基波、并叠加了…7次可用谐波、-h次有害谐波，作为反馈值，与依据步骤A确定的各相电流参考值I*a…i*m:,在多相静止坐标系下进行多重比例谐振调节，各相电流调节结果产生各相交流电压参考初值…;所述有害次谐波电流是指不能实现机电能量转换的高次谐波电流，…h为有...h害谐波次数，I < /I,有害谐波的最低次数高于可用谐波最高次数；多重比例谐振调节是通过多重比例谐振调节器实现；
C、耦合补偿:依据步骤B确定的各相电压参考初值《二…，叠加耦合补偿量
Ila,…Hik ,确定各相交流电压参考值i{:…Ills。
[0015]进一步的技术方案是:
所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其步骤A电流参考值坐标变换是按矩阵r实现多同步旋转坐标系到多相静止坐标系的多相坐标变换:
【权利要求】
1.一种多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤: A、电流参考值坐标变换:根据基波及可用次谐波电流在多同步旋转坐标系的dq分量参考值ζ.ζ: …!j C ,经过多相坐标变换，变换至多相静止坐标系，形成各相交流电流参考值Z I*，其中含基波、并叠加了…7次可用谐波，...1为可用谐波次数，7为
可用谐波最高次数；所述可用次谐波电流是指可实现机电能量转换的低次谐波电流，Ii/ B、电流多重比例谐振调节:将电机各相电流ζ…^,其中含基波、并叠加了…7次可用谐波、…h次有害谐波，作为反馈值，与依据步骤A确定的各相电流参考值ζ…?:，在多相静止坐标系下进行多重比例谐振调节，各相电流调节结果产生各相交流电压参考初值么…i/\ ;所述有害次谐波电流是指不能实现机电能量转换的高次谐波电流，...h为有-.?..害谐波次数，I < /I,有害谐波的最低次数高于可用谐波最高次数；多重比例谐振调节是通过多重比例谐振调节器实现； C、耦合补偿:依据步骤B确定的各相电压参考初值…叠加耦合补偿量 U…U ，确定各相交流电压参考值Iil…iC。
2.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于，所述步骤A电流参考值坐标变换是按矩阵实现多同步旋转坐标系到多相静止坐标系的多相坐标变换:
3.根据权利要求1所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于:步骤B所述多重比例谐振调节器是在多相静止坐标系下的多重比例谐振调节器，为比例调节器和各次谐波谐振调节器的叠加，构成完整的复合电流控制器，具有如下传递函数:
4.根据权利要求1或3所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于:步骤B所述多重比例谐振调节器，当被控量与参考值偏差较大时，取消谐振作用，当被控量接近参考值时，引入谐振控制，其具体实现步骤如下:
5.根据权利要求4所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于:步骤B所述多重比例谐振调节器，其中，传递函数为GISI = K:的谐振调节器部
6.根据权利要求2所述的多相永磁同步电机电流波形优化控制方法，其特征在于:步骤C所述耦合补偿量tiat…Iimr按下式确定:
【文档编号】H02P21/05GK103490692SQ201310475363
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月13日 优先权日:2013年10月13日
【发明者】姬凯, 龙文枫, 高跃, 文兰平, 徐 明 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所