一种基于电流闭环和补偿的异步电机低频振荡抑制方法与流程

本发明涉及电机变频控制技术，尤其涉及一种基于电流闭环和补偿的异步电机低频振荡抑制方法。
背景技术：
：随着能源危机的不断加深，节能减排的电动汽车成为国内外各大汽车公司和科研院校的研究热点。驱动电机作为电动汽车驱动系统的关键部件，其相关特性关系到整车的使用寿命及其他诸多性能。目前使用的控制策略包括直接转矩控制(dtc)、矢量控制(vc)、恒压频比控制(v/f)等，目前，v/f在变频调速系统中仍然占据大部分的市场，因此，能对其进行某些工况及性能的研究是必要的，将使得该控制方法应用更加广泛。某些电机在低频轻载时会出现低频振荡的现象，这时电机转速和转矩的波动很大，长期在这种工况下工作极有可能导致联轴器和轴损害或断裂。引起低频振荡的原因主要是电机磁场、转子之间能量交换引起的，而逆变器的非线性因素也会对振荡造成很大影响，对其进行补偿不仅可以减小电流、转速、转矩等信号的谐波畸变，还能在一定程度上起到抑制非线性因素对低频振荡的影响。针对现有的低频振荡抑制方法只针对svpwm的调制方法，且大部分都是调整定子电压幅值。本方法应用一个简单的电流环反馈，对调制深度的值进行调整并对逆变器非线性因素补偿，使得抑制效果快速、明显且易于实现，可应用在多种调制方法上。技术实现要素：本发明的目的是针对先有技术的不足，提供一种基于电流闭环和逆变器非线性因素补偿的异步电机低频振荡抑制方法，可在不同调制策略下实现，使得这种方法能够更广泛地运用到工程上，提高电机平稳性。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于电流闭环和补偿的异步电机低频振荡抑制方法，包括步骤：步骤s1，根据实际工况初步计算在恒压频比控制策略(v/f)下电机频率f和定子线电压v，由调制深度m与定子线电压v的关系计算m的值；步骤s2，采集电机运行工况下的三相电流isa、isb和isc，并进行坐标转换到旋转坐标系得电流isd与isq；步骤s3，根据自适应滤波法提取旋转坐标系下的无功电流isq的稳态值isq*，并与没经过滤波的无功电流isq作差，将这个差值经过pi控制后调整相应调制方法下的调制深度m，计算调整后的调制深度m*的值；步骤s4，将采集的电机三相定子电流isa、isb和isc进行低通滤波，通过对电流极性的判断，确定对逆变器非线性因素的补偿时间t；步骤s5，将补偿时间t加入到控制算法里，改变控制信号的宽度进行实时补偿。进一步地，所述步骤s1中，在恒压频比控制策略下，电机频率f和定子线电压v成比例关系，在逆变器直流电源电压不变的情况下可通过改变调制深度m来改变电压。进一步地，所述步骤s1中，由工况决定电机定子频率f，根据恒压频比的关系曲线计算定子线电压v的幅值，根据调制深度m和定子线电压v的关系曲线计算调制深度m的值，通过下式确定相应调制方式对应调制深度m的值：其中h为相应调制方式的直流利用率，udc为逆变前直流电源的电压，各调制方式下的计算过程相类似，只是直流利用率h不一样。进一步地，所述调制方式包括spwm的调制方式、svpwm的调制方式和spwm注入三次谐波调制方式。进一步地，当调制方式为spwm的调制方式时，所述的直流利用率h的取值为0.866；当调制方式为svpwm的调制方式时，所述的直流利用率h的取值为1；当调制方式为spwm注入三次谐波调制方式时，所述的直流利用率h的取值为1。进一步地，所述步骤s2具体包括：采集电机三相定子电流isa、isb和isc，经过clark变换成iα和iβ，通过下式确定iα和iβ的值：通过下式将两相静止坐标转换为两相旋转坐标isd和isq：进一步地，所述步骤s3中，根据自适应滤波器提取无功电流的稳态值所述自适应滤波器以常数作为输入，isq作为期望，提取isq的直流分量，即提取无功电流的稳态值进一步地，所述步骤s3中，将isq和作差后的差值反映了电机低频振荡的波动量，将这个差值经过pi控制，然后用来调整在相应调制方法下的调制深度m；最后通过下式确定抑制低频振荡方法调整后的调制深度m*的值：进一步地，所述步骤s4中，对逆变器的非线性因素进行补偿时，所述非线性因素包括死区时间、压降、开关时间；所述补偿是基于脉冲的补偿，即在时间上补偿由逆变器非线性因素引起的误差，将三相电流进行低通滤波，通过对电流极性的判断，确定对逆变器非线性因素的补偿时间，加入到控制算法里进行实时补偿。进一步地，所述步骤s4中，具体通过下式来确定电机各相的补偿时间t：其中，td为死区时间；vd为igbt压降；vf为二极管压降；ton和toff为igbt开关时间；t为载波周期；i为定子相电流，i对应各相时的取值分别为isa、isb和isc；udc为直流电池的电压。相比现有技术，本发明的有益效果是：(1)该方法能较好的抑制异步电机低频振荡，让电流、转速及转矩都较稳定；(2)该方法能抑制逆变器非线性因素对低频振荡的影响，且补偿后能消除有这些因素引起的电流等信号的畸变；(3)该方法能针对多种调制方法，例如svpwm、spwm、spwm注入三次谐波等脉宽调制，应用面广泛，填补了现有的低频振荡抑制方法只针对svpwm调制策略的空白。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，附图构成本申请的一部分，但仅仅是用图示体现发明概念的一些发明的非限制性示例，而不是用于做出任何限制。图1是本发明具体实施方式中所述方法的流程图。图2是本发明基于电流闭环和逆变器非线性因素补偿的异步电机低频振荡抑制方法原理图。图3(a)是异步电机在20hz时无振荡抑制且无逆变器非线性因素补偿。图3(b)是异步电机在20hz时有振荡抑制且有逆变器非线性因素补偿的波形时域图。图3(c)是异步电机在20hz时有振荡抑制但无逆变器非线性因素补偿的波形时域图。图4(a)是异步电机在20hz时有振荡抑制且有逆变器非线性因素补偿的波形频域图。图4(b)是异步电机在20hz时有振荡抑制但无逆变器非线性因素补偿的波形频域图。图5是异步电机在20hz-27hz升速过程有振荡抑制且有逆变器非线性因素补偿的波形时域图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，为同时验证方法的可行性和准确性，具体实施方式在仿真上实现。如图1所示为本发明基于电流闭环和逆变器非线性因素补偿的异步电机低频振荡仿真抑制方法流程图，图2为原理图，参照图1和图2，本发明的具体实施方式包括以下步骤：首先在simulink中搭建电池逆变成三相电驱动电机模型，驱动逆变桥的控制策略为恒压频比，调制方式为spwm(此处以spwm为例，svpwm、spwm注入三次谐波等脉宽调制方法均能用同样的方法)，并在控制方法中加入死区时间td、igbt压降vd，二极管压降vf、开关时间ton和toff等非线性因素，让仿真更加接近实际；由工况决定电机定子频率f，根据恒压频比的关系曲线计算定子线电压幅值v；一种基于电流闭环和补偿的异步电机低频振荡抑制方法，包括步骤：步骤s1，根据实际工况初步计算在恒压频比控制策略(v/f)下电机频率f和定子线电压v，由调制深度m与定子线电压v的关系计算调制深度m的值，即根据调制深度m和定子线电压v的关系曲线计算调制深度m的值，不同调制方法的关系式不一样，此处只列出了spwm的调制方式，svpwm等调制方式与之类似，只是直流利用率不一样；通过式(1)确定spwm的调制深度m的值：其中0.866为spwm的直流利用率，udc为逆变前直流电源的电压。步骤s2，采集电机运行工况下的三相电流isa、isb和isc，经过clark变换成iα和iβ；通过式(2)确定iα和iβ的值：通过式(3)将两相静止坐标转换为两相旋转坐标isd和isq：步骤s3，根据自适应滤波器提取无功电流的稳态值所述自适应滤波器以常数作为输入，isq作为期望，提取isq的直流分量，即提取无功电流的稳态值将isq和作差，这个差值反映了电机低频振荡的波动量，将这个差值经过pi控制，然后用来调整在相应调制方法下的调制深度m；最后通过式(4)确定抑制低频振荡方法调整后的调制深度m*的值：步骤s4，对逆变器的非线性因素进行补偿时，所述非线性因素包括死区时间、压降、开关时间；所述补偿是基于脉冲的补偿，即在时间上补偿由逆变器非线性因素引起的误差，将三相电流进行低通滤波，通过对电流极性的判断，确定对逆变器非线性因素的补偿时间，加入到控制算法里进行实时补偿；具体通过式(5)来确定电机各相的补偿时间t：其中，td为死区时间；vd为igbt压降；vf为二极管压降；ton和toff为igbt开关时间；t为载波周期；i为定子相电流，对应各相时的取值分别为isa、isb和isc；udc为直流电池的电压；以a相电流为例，通过式(6)来确定补偿时间t：以b相电流为例，通过式(7)来确定补偿时间t：以c相电流为例，通过式(8)来确定补偿时间t：步骤s5，将补偿时间t加入到控制算法里，改变控制信号的宽度进行实时补偿，补偿期间，分析定子电流、转子转速、力矩的波动量及频谱图。为了验证本发明方法的正确性和准确度，在某一步电机上进行了仿真。图3(a)为某异步电机在20hz下无振荡抑制且无逆变器非线性因素补偿时时域图，电机及相关逆变器的参数详见表1。由图3(a)可知，电机在该工况下发生低频振荡，定子三相电流波动量大且发生严重畸变，转速和转矩波动很大，这将对硬件有很大损害。表1为异步电机和逆变器相关参数额定功率4kw互感0.1722h额定电压400v直流电源电压689v额定频率50hz载波频率4950hz极数2死区时间5μs定子阻值1.405ω开关时间0.3μs定子漏感0.005839higbt压降2v转子阻值1.395ω二极管压降3v转子漏感0.005839h图3(b)是电机采用本发明低频振荡和逆变器非线性因素补偿结合的抑制方法后的时域图，从图中可以看出电机定子电流稳定，且电流畸变率降低，转矩和转速波动量大大降低，验证了本发明所述控制方案的有效性，图4(a)为其工况下的电机定子a相电流和转矩频谱图。图3(c)是电机采用本发明的低频振荡方法，但是没有采用本发明的逆变器非线性因素补偿，从图中可以看出电机定子电流稳定，但是电流畸变率高，这正是由逆变器非线性因素引起的畸变。转矩和转速波动量大大降低，但是可以看到明显比图3(b)波动量大得多，说明对逆变器非线性因素的补偿是有必要的，验证了本发明所述控制对低频振荡和逆变器非线性因素结合是能较好的控制低频振荡且能降低谐波畸变率。图4(b)为其工况下的电机定子a相电流和转矩频谱图，对比频谱图4(a)和图4(b)，可以看到补偿效果明显，让由非线性因素引起的电机定子电流和转矩谐波减少了很多，特别是电流100、140、220hz和转矩的120、240、360hz处，可见补偿效果很好。图5表示异步电机从20hz到26hz过程中的时域波形图，采用本发明所述逆变器非线性因素补偿和电机低频振荡抑制结合的方法，从图中可以看到，电机在升速过程中，无低频振荡，稳定性较好，且谐波也得到较好的抑制，说明本发明所述方法不仅能在电机固定频率的稳态起到抑制的作用，还能在升降速的变工况下起到抑制作用，应用面广。综上，本发明所述的一种基于电流闭环和补偿的异步电机低频振荡抑制方法，能够在异步电机低频处获得如下的控制效果：1)该方法能较好的抑制异步电机低频振荡，让电流、转速及转矩都较稳定；2)该方法能抑制逆变器非线性因素对低频振荡的影响，且补偿后能消除由这些因素引起的电流等信号的畸变；3)该方法能针对多种调制方法，例如svpwm、spwm、spwm注入三次谐波等脉宽调制，应用面广泛。本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页12