一种基于虚拟偶次分数阶重复控制器的高速电机谐波抑制系统

本发明属于电机电流谐波抑制的，具体涉及一种基于虚拟偶次分数阶重复控制器的高速电机谐波抑制系统，用于抑制交流调速、伺服驱动等系统高速电机的多阶电流谐波。

背景技术：

1、高速永磁电机因其具有结构紧凑、能量密度高、运行效率高、可靠性高等优点而逐渐成为交流调速和伺服系统的主流驱动单元，广泛应用于分子泵、离心压缩机、电动汽车驱动系统、航空航天以及家电等领域。在电机高速运行过程中，定子电流中含有大量的谐波分量，电流波形发生严重畸变，会产生大量损耗，造成电机温升严重。此外，电机输出转矩波动、转速不平稳以及电流尖峰也与电流谐波有关。有效抑制谐波对于降低高速电机温度、增强其控制性能具有重要意义。

2、目前，关于电流谐波抑制的方法根据谐波产生的原因可以分为两类：电机设计与控制算法。就电机设计而言，该类方法通过改进设计，优化电磁参数，改善绕组分布形式以及齿槽结构等，减小气隙磁场的畸变，抑制空间谐波。就控制算法而言，主要通过优化电机驱动算法抑制开关管压降、死区时间等逆变器非线性特性产生的时间谐波。基于内模原理的重复控制器可以对包含多种频率成分的周期性扰动进行抑制，适合一次性地抑制多阶谐波。但在实际控制系统中，常规重复控制器存在较多问题，并且大多用于并网逆变器、逆变电源等场合，很少在高速电机中验证重复控制器结构的有效性。

3、因此，针对采用常规重复控制器进行谐波抑制的局限性，对于多参数、强耦合以及超高速的电机，在分析谐波数学模型的基础上，需要结合高转频的特点，弥补传统单一结构重复控制器的不足，合理地设计新型的复合重复控制器，增强系统鲁棒性，提高谐波抑制精度，加快收敛速度，更有效地抑制谐波、降低损耗。

4、常规重复控制器具有如下缺点：

5、首先，常规重复控制器对所有阶次谐波分量进行完全平等的抑制，增大了计算量，造成资源浪费；同时，内模中n个延时单元的存在也降低了常规重复控制器的动态性能，收敛速度慢，响应时间长。

6、其次，对于常规重复控制器，延时单元个数n为分数时，需要将n近似为距其最近的整数，会降低常规重复控制器在各谐波频率处的增益，严重影响谐波抑制精度。因此，常规重复控制器只能实现某些固定频率下的谐波抑制，不能实现任意频率下的谐波抑制。

7、此外，由于电机转速很高，相应的谐波频率也很高，而常规重复控制器受限于低通滤波器的带宽，在高频区域的幅值会出现衰减；同时低通滤波器还会引入相位滞后，滞后的相位会随频率升高而增大，且变化趋势无法准确获知。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于虚拟偶次分数阶重复控制器的高速电机谐波抑制系统，可以准确、快速地抑制谐波，改善电机电流波形，有效地降低电机损耗，提高控制性能，降低由电机驱动控制中逆变器非线性特性产生的多阶电流谐波含量。本发明在常规重复控制器基础上进行了改进，提出虚拟基频、引入分数部分拟合环节以及设计滤波器外置结构，构成了高速电机谐波抑制系统。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于虚拟偶次分数阶重复控制器的高速电机谐波抑制系统，包括：硬件部分和软件部分；

4、所述硬件部分包括直流母线、igbt逆变电路以及永磁电机；所述软件部分包括空间矢量pwm模块、坐标变换模块、坐标逆变换模块、转速调节模块、电流调节模块以及虚拟偶次分数阶重复控制模块；

5、所述直流母线由直流电源构成，母线电压udc为逆变电路供电；igbt逆变电路由集成功率模块构成，其内部包含igbt开关管，输出控制电流驱动永磁电机；永磁电机由电机本体构成，是被控对象；空间矢量pwm模块通过生成三相pwm信号控制逆变电路工作；坐标变换模块将电机电流由a-b-c三相坐标系变换至d-q坐标系用于电流控制；坐标逆变换模块将控制量由d-q坐标系变换至α-β坐标系用于生成三相pwm信号；转速调节模块与电流调节模块分别控制转速与电流；虚拟偶次分数阶重复控制模块对电流谐波进行跟踪以得到控制量；

6、所述高速电极谐波抑制系统采用转速-电流双闭环控制形式，利用转速调节单元与电流调节单元分别对转速和电流进行闭环控制；基于d轴电流id＝0的矢量控制，分别在d轴与q轴电流调节单元基础上，并联虚拟偶次分数阶重复控制器，输出控制量用于抑制电流谐波。

7、进一步地，包括偶次谐波重复控制增益、由整数延迟部分与分数延迟部分构成的延时环节、低通滤波器及相位补偿器；通过构造偶次谐波重复控制，降低延迟时间，加快系统响应；对分数阶延时环节进行多项式拟合，使重复控制的谐振频率与电流谐波频率保持一致，提高谐波抑制精度；低通滤波器采用线性相位滤波器，对相位延迟进行精确补偿，并且将低通滤波器移出重复控制内模，保证所述高速电机谐波抑制系统在高频区域具有良好的谐波抑制特性。

8、进一步地，所述虚拟偶次分数阶重复控制器引入虚拟基频，该虚拟基频为真正基频的3倍，以虚拟基频设置延迟时间构造偶次重复控制，仅在虚拟基频的偶次谐波频率点产生无穷增益，不抑制其他阶次谐波电流；所述虚拟偶次分数阶重复控制器的控制频率是虚拟基频的2倍，是真正基频的6倍，有效提高谐波抑制的收敛速度，缩短系统响应时间。

9、进一步地，所述虚拟偶次分数阶重复控制器中，分数阶延时环节采用拉格朗日插值多项式拟合，对系统采样频率与偶数倍虚拟基频的比值小数部分构成的延时环节进行准确地逼近；并且当电机基频改变时，通过改变分数阶延时环节的系数实现小数部分的精确补偿，使重复控制的谐振频率与谐波频率保持一致，提高谐波抑制精度。

10、进一步地，所述虚拟偶次分数阶重复控制器中，低通滤波器采用具有线性相位特性的fir滤波器，既实现低通滤波器的作用，并且其相位与频率成线性关系，便于分析与准确补偿；同时，将fir滤波器移出重复控制器的内模，有效地减小谐波抑制系统在高频区域对谐波的跟踪误差，提高系统在高频区域的谐波抑制能力，增大系统响应带宽。

11、本发明的原理是：基于内模控制的重复控制器可以将系统外部信号的数学模型嵌入到内部控制环节中，它通过在外部扰动即系统倍频处产生无穷增益，从而实现对外部扰动即谐波信号的零稳态误差跟踪，适合对包含多种频率成分的周期性扰动进行抑制。本发明基于重复控制器的原理，在分析电流谐波数学模型的基础上，结合电机高转频的特点，弥补常规重复控制器的不足，发明新型重复控制器，以提高抑制精度、加快动态性能，更有效地抑制多阶电流谐波。

12、本发明与现有技术相比优点在于：

13、(1)本发明仅在虚拟基频的偶次谐波频率点引入无穷增益，不针对虚拟基频的奇次谐波进行抑制，可增强系统的鲁棒性；同时提高了重复控制器的控制频率，可以有效加快谐波抑制的收敛速度，提高系统的动态响应能力；

14、(2)本发明提出的分数阶延时环节可对延时系数的小数部分进行精确拟合，提高谐波抑制精度，实现任意转速的谐波抑制；

15、(3)本发明设计了具有线性相位特性的低通滤波器，便于准确补偿低通滤波器产生的相位滞后，同时将其移出控制器内模，可增大系统带宽，增强对高频段电流谐波的抑制效果。

16、基于上述优点，本发明适合应用于高速及超高速电机的谐波抑制，有效地降低谐波产生的电机损耗。