一种三相电机谐波电流控制方法及系统

1.本发明属于电机伺服及控制技术领域，更具体地，涉及一种三相电机谐波电流控制方法及系统。


背景技术：

2.在电机控制领域常见的位置环-转速换-电流环三环控制中，电流环属于内环，处于最核心的位置。位置控制和转速控制的高精度都建立于电流高精度控制的基础之上。电机电流控制常涉及谐波电流的控制。电机的空载反电势谐波、电感谐波等因素将导致电机电流中的谐波成分，需要设计控制器以抑制谐波电流；在部分电机控制场合，有时要求在电机三相绕组中主动注入谐波，例如直线电机控制中为了降低推力波动而主动注入负序电流，这些都要求在电机控制中对谐波电流进行高精度的闭环控制。
3.在传统的电机电流控制领域，pi控制器得到广泛的应用。pi控制器通过将电流的跟踪误差经过比例和积分模块的处理，调节电压信号，实现对电机电流的闭环控制。由于传统的pi控制器对于直流信号有很好的跟踪效果，但是对谐波电流的控制带宽有限，导致pi控制器的动态性能较差，不能对谐波电流实现高精度跟踪。
4.目前在谐波控制领域广泛采用的是多同步旋转坐标系+滤波器提取谐波或者谐振控制器。多同步旋转坐标系+滤波器方法通过将采样的三相电流信号通过多个旋转坐标系进行坐标变换，并分别在各自坐标系下引入滤波器滤除其他谐波的干扰，保留本旋转坐标系对应的谐波成分，从而能够在稳态下提取不同谐波分量。但是由于其引入较多的滤波器，为了能够确保滤除其他成分的干扰而需要将滤波器的带宽降低，导致其动态性能得不到保障。谐振控制器不会因为引入滤波器而导致带宽降低，但是在设计谐振控制器的谐振部分时涉及多个谐振参数的选择，需要根据谐振控制器和电机组成的控制系统的开环传递函数bode图来设计开环增益、相位裕度等，增加了控制器设计的难度。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种三相电机谐波电流控制方法及系统，旨在解决多同步旋转坐标系+滤波器方法存在的带宽较低和谐振控制器存在的设计参数较多、控制器设计难度增加，导致控制器对三相电机谐波电流的控制性能下降的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种不引入多旋转坐标系和滤波器提取谐波电流、不引入谐振控制器的三相电机谐波电流控制方法。针对电机三相绕组中不同频率谐波电流的分离，引入和电机三相绕组相对应的多个虚拟三相绕组，在所有绕组中通入谐波电流，从而可以通过类似于傅里叶变换的坐标变换算法对多相电流反馈值进行处理，提取谐波电流幅值；针对虚拟多相绕组电流如何采样的问题，采用谐波电流指令值直接计算出虚拟绕组多相电流指令值，并将此指令值作为反馈值。
7.本发明提供的三相电机谐波电流控制方法，首先针对需要控制的电机谐波电流的数量，在电机三相绕组的基础上引入多个三相虚拟绕组，共同构成多相系统，且各相之间的
相位差相同。对采样得到的多相电流进行坐标变换，将不同的谐波电流变换到不同的谐波平面上，实现不同谐波电流的分离。不同谐波电流分别经过park变换得到不同谐波平面下的谐波d轴和q轴分量。对不同谐波平面下的谐波d轴和q轴电流分量分别采用电流pi控制器进行闭环控制，输出不同谐波平面下的谐波d轴和q轴电压，不同谐波平面下的谐波d轴和q轴电压经过逆park坐标变换以及新型坐标变换，得到多相电压指令，提取出多相电压指令中与三相电机对应的三相电压指令值，通过svpwm调制计算得到逆变器的开关逻辑信号，通过逆变器实现对永磁同步直线电机的控制。本发明提高三相电机电流控制器对谐波电流的控制精度。
8.通过在电机三相实际绕组的基础上加入多个三相虚拟绕组构建成为多相系统，对多相系统参数采用新型坐标变换得到在新的坐标系下不同谐波对应的幅值，即将原本混杂着多种频率的电机参数，通过引入多相系统和多相坐标系的方法，将不同频率的电机参数解耦变换到独立的谐波平面，从而实现在不同谐波平面下对某一特定频率的变量谐波进行独立的闭环控制，而不会对其他谐波平面的变量谐波控制产生任何影响。在不同的谐波平面上，不同频率的谐波电流相互解耦，不同的谐波平面之间互不干扰。
9.本发明还提供了一种三相电机的驱动系统，所述三相电机的三相实际绕组对应多个三相虚拟绕组，包括逆变器、直流电源和控制电路；直流电源为逆变器的直流输入侧供电，逆变器接收控制电路的驱动信号，驱动三相电机运行，通过传感器将三相电机的电流信号传输给控制电路用于驱动信号的计算；所述控制电路包括电流检测单元、驱动单元和主控制单元，所述主控制单元对三相电机的运行进行控制；所述电流检测单元包括电流传感器以及电流采样电路，所述电流检测单元输出的信号输出至所述主控制单元，所述主控制单元根据接收的电流信号、谐波电流指令经过计算处理后输出驱动三相电机的驱动信号，所述驱动信号通过驱动单元输出至所述逆变器，以控制逆变器中的开关器件，驱动三相电机运行；
10.所述主控制单元包括虚拟电流计算模块、控制电压计算模块、svpwm模块，所述虚拟电流计算模块用于获取虚拟多相绕组电流指令值，所述控制电压计算模块用于获取多相电压指令值，提取多相电压指令值中与三相电机对应的电机三相电压指令值；电机三相电压指令值通过svpwm模块计算得到逆变器的6个开关管的驱动信号，逆变器由直流电源供电驱动三相电机动子运行。
11.进一步地，所述虚拟电流计算模块包括电流指令park逆变换单元、电流指令傅里叶坐标逆变换，不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴指令值通过电流指令park逆变换单元计算得到不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴指令值，不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴指令值通过电流指令傅里叶坐标逆变换计算得到多相电流指令值，其中，所述多相电流指令值包括虚拟多相绕组电流指令值。
12.进一步地，所述控制电压计算模块包括电流采样傅里叶坐标正变换、电流采样park正变换单元、电压指令park逆变换单元、电压指令傅里叶坐标逆变换、电流pi控制器；
13.测量得到的三相电机三相电流反馈值和虚拟多相绕组电流指令值通过电流采样傅里叶坐标正变换计算得到不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴反馈值，不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴反馈值通过电流采样park正变换单元计算得到不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴反馈值，不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴反馈值和不同谐波平面上的
谐波电流d轴和q轴指令值通过电流pi控制器计算得到不同谐波平面上的谐波d轴和q轴电压指令值，不同谐波平面上的谐波d轴和q轴电压指令值通过电压指令park逆变换单元计算得到不同谐波平面上的谐波α轴和β轴电压指令值，不同谐波平面上的谐波α轴和β轴电压指令值通过电压指令傅里叶坐标逆变换计算得到多相电压指令值。
14.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
15.本发明首先建立与电机三相实际绕组对应的多个三相虚拟绕组；然后用电流指令计算得到的虚拟绕组电流指令值代替虚拟三相绕组电流的反馈值，和电机三相绕组电流采样值共同用于电机谐波电流反馈值的计算；最后在不同的谐波平面下对谐波电流进行闭环控制，实现在无滤波器、谐振控制器情况下对电机的各次谐波电流(包括零序电流谐波)进行提取，并分别进行闭环控制，实现三相电机各种谐波电流的精确控制。本发明方法提高了三相电机谐波电流的控制精度和动态响应速度。
附图说明
16.图1为本发明实施例三相电机驱动的结构框图；
17.图2为本发明实施例电机的控制系统的结构框图；
18.图3为本发明虚拟电流计算模块的结构框图；
19.图4为本发明控制电压计算模块的结构框图；
20.图5为本发明实施例九相系统构建的示意图；
21.图6为本发明实施例九相系统谐波平面映射关系的示意图；
22.附图标记：
23.1-三相电机，2-逆变器，3-直流电源，4-控制电路，5-电流检测单元，6-驱动单元，7-主控制单元，8-电流指令park逆变换单元，9-电流指令傅里叶坐标逆变换，10-电流采样傅里叶坐标正变换，11-电流采样park正变换单元，12-电压指令park逆变换单元，13-电压指令傅里叶坐标逆变换，14-电流pi控制器，15-虚拟电流计算模块，16-控制电压计算模块，17-svpwm模块。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。
26.需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
27.请参考图1，图1示出本发明实施例提供的三相电机1驱动系统的结构框图。所述三
相电机1的驱动系统主要包括逆变器2、直流电源3、控制电路4和三相电机1。其中，所述控制电路4包括电流检测单元5、驱动单元6和主控制单元7，所述主控制单元7对三相电机1的运行进行控制。所述电流检测单元5包括电流传感器以及电流采样电路。所述电流检测单元5输出的信号输出至所述主控制单元7。所述主控制单元7根据接收的电流信号、谐波电流指令经过计算处理后输出驱动三相电机1的驱动信号，所述驱动信号通过驱动单元6输出至所述逆变器2，以控制逆变器2中的开关器件，驱动三相电机1运行。下面对各个控制器的设计过程加以具体说明。
28.请参考图2，图2是本发明电机的控制系统的结构框图。所述电机控制系统包括虚拟电流计算模块15、控制电压计算模块16、svpwm模块17。虚拟电流计算模块15的内部结构请参考图3，包括电流指令park逆变换单元8、电流指令傅里叶坐标逆变换9。控制电压计算模块16的内部结构请参考图4，包括电流采样傅里叶坐标正变换10、电流采样park正变换单元11、电压指令park逆变换单元12、电压指令傅里叶坐标逆变换13、电流pi控制器14。
29.不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴指令值通过电流指令park逆变换单元8计算得到不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴指令值。不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴指令值通过电流指令傅里叶坐标逆变换9计算得到多相电流指令值。测量得到的三相电机三相电流反馈值和虚拟多相绕组电流指令值通过电流采样傅里叶坐标正变换10计算得到不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴反馈值。不同谐波平面上的谐波电流α轴和β轴反馈值通过电流采样park正变换单元11计算得到不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴反馈值。不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴反馈值和不同谐波平面上的谐波电流d轴和q轴指令值通过电流pi控制器14计算得到不同谐波平面上的谐波d轴和q轴电压指令值。不同谐波平面上的谐波d轴和q轴电压指令值通过电压指令park逆变换单元12计算得到不同谐波平面上的谐波α轴和β轴电压指令值。不同谐波平面上的谐波α轴和β轴电压指令值通过电压指令傅里叶坐标逆变换13计算得到多相电压指令值。提取多相电压指令值中与三相电机对应的三相电压得到三相电机三相电压指令值。电机三相电压指令值通过svpwm模块17计算得到逆变器2的6个开关管的驱动信号。逆变器2由直流电源3供电驱动三相电机1动子运行。
30.本领域技术人员可以理解，所述电流指令park逆变换单元8、电流指令傅里叶坐标逆变换9、电流采样傅里叶坐标正变换10、电流采样park正变换单元11、电压指令park逆变换单元12、电压指令傅里叶坐标逆变换13、电流pi控制器14、虚拟电流计算模块15、控制电压计算模块16、svpwm模块17可以是能够被主控制单元7所执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段。
31.以构建n相系统为例，n相之间的相位差相等，电流采样傅里叶坐标正变换10的数学模型为：
[0032][0033]
其中
[0034]
多相虚拟绕组参数经过t
αβ
变换后得到在新的坐标系下各个分量。其中，经过t
αβ
第1、2行变换后得到的参数对应1次平面，第3、4行变换后得到的参数对应3次平面，以此类推。多相虚拟绕组中的谐波被分配到1次平面、3次平面等不同的谐波平面，平面之间互不影响，实现不同频率谐波的解耦。
[0035]
电流指令傅里叶坐标逆变换9、电压指令傅里叶坐标逆变换13的数学模型为：
[0036][0037]
电流采样park正变换单元11的数学模型为：
[0038][0039]
电压指令park逆变换单元12的数学模型为：
[0040][0041]
以九相电机为例，在三相电机绕组的基础上，添加6相，组成9相系统，如图5所示。蓝色部分表示三相电机的绕组位置关系，黑色部分为后添加的6相，9相之间相位相等。电流采样傅里叶坐标正变换10的数学模型为：
[0042][0043]
其中
[0044]
电流指令傅里叶坐标逆变换9、电压指令傅里叶坐标逆变换13的数学模型为：
[0045][0046]
以在5次平面控制五倍频电流、7次平面控制7倍频电流为例，令
[0047][0048]
电流采样park正变换单元11的数学模型为：
[0049][0050]
电压指令park逆变换单元12的数学模型为：
[0051][0052]
需要注意的是，所谓的5次平面、7次平面只是一种命名方式，和具体在此平面上控制的是几倍频谐波没有关系，即可以在5次平面控制3倍频、负序1倍频等谐波。
[0053]
9相系统的谐波平面映射关系如图6所示。以x(4)为例表示4次平面。对于三相y型连接的三相电机，三次平面对应零序，因此可以忽略。剩下的1次平面和8次平面相互映射，2次平面和7次平面相互映射，4次平面和5次平面相互映射。在将谐波电流分配到各个谐波平面式需要注意，相互映射的两个平面不能同时分配需要控制的谐波电流。因此对于9相系统而言，能够分配的电流有三种频率，可以分别放在1次平面(或8次平面)、2次平面(或7次平面)、4次平面(或5次平面)进行闭环控制。对于三相开绕组电机，由于存在零序回路，因此3
次平面此时也存在意义，可以在3次平面控制零序回路上的谐波电流。
[0054]
根据谐波电流指令值计算得到的虚拟多相绕组电流指令值作为虚拟三相绕组电流反馈值，证明此控制器的收敛性。以1次平面控制基波电流、5次平面控制5次电流、7次平面控制7次电流为例，采用的pi控制器传递函数为
[0055][0056]
选取k
p
＝lswc和ki＝rswc，其中ls表示电机电感参数，rs表示电机电阻参数，wc表示控制器的带宽参数，各个谐波电流的闭环控制传递函数表示为：
[0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066]
对于各个谐波电流的指令到各自的实际电流的传递函数，均表现为低通滤波器形式，即能够很好的还原指令的低频部分，对于高频干扰实现抑制。对于各个谐波电流的指令到其他谐波平面的实际电流的传递函数，均表现为高通滤波器形式，即能够很好的抑制其他谐波平面的耦合干扰。
[0067]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。