一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法与流程

本发明属于电力电子设备及其控制，具体涉及一种永磁同步电机自动优化谐波电流的控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机凭借高转矩密度等优点而广泛应用于电动车、船舶推进等领域。通常永磁同步电机驱动系统由控制器、逆变器、电流传感器和位置传感器等构成，采集电流和位置信号经过全数字控制芯片构成的控制器产生脉冲调制信号，从而控制电机的电流和转矩。随着技术不断发展和需求不断提高，传统的基波控制已经无法满足低转矩脉动和低振动噪声的要求。

2、永磁同步电机的谐波电流会直接影响电磁转矩和振动，从而产生对应的转矩脉动和电磁振动的功率。目前，降低转矩脉动和电磁振动都是采用离线实验标定，试验标定相当繁琐，并且不同工作点都需要标定，工作量很大。离线标定的结果应用于实际中时，难免会受到电机初始位置、运行工况和不同电机差异的影响，导致结果不理想。

3、因此，实时对谐波电流进行主动优化控制降低转矩脉动和电磁振动具有非常重要的意义。

技术实现思路

1、为实现永磁同步电机谐波电流的主动优化控制，本发明提出永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，以直流功率作为输入，主动优化谐波电流，降低直流功率波动。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，用于逆变器供电的三相永磁同步电机，从直流母线的电流和电压中提取注入电机的谐波功率，基于主动优化谐波控制模块、基波控制器和速度控制器等控制模块连接构成的控制系统，其中主动优化谐波控制模块由谐波功率提取模块、谐波电流主动优化控制器和谐波控制器组成；步骤为：谐波功率提取模块对根据测量的直流电压和电流计算的直流功率进行坐标变换到谐波轴系，取实部后经过低通滤波器滤除高频波动获得谐波功率的幅值，作为谐波电流主动优化控制器的输入，其中主动优化谐波控制模块的谐波控制器产生谐波电压ucdq，加上基波控制器输出的电压udq，经过坐标变换和脉宽调制后输出给电机。

3、所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其谐波功率提取模块实现的步骤为：

4、第一步，测量的直流电压udc和直流电流idc，二者相乘获得直流功率；

5、第二步，对直流功率进行坐标变换，获得谐波轴系的功率波动幅值；

6、第三步，取功率波动幅值的实部，经过截止角频率为ah的低通滤波器滤除高频波动，获得h次谐波功率的幅值pdch。

7、所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其谐波电流主动优化控制器根据谐波功率趋于零的约束和最小谐波电流幅值的优化目标，由此将该优化问题转换为无约束优化问题：

8、

9、式中c为乘子，d为惩罚因子，||2为矢量的模长。

10、所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其谐波电流主动优化控制器以谐波电流给定r±hdq的幅值最小为优化目标，以降低幅值pdch到零作为约束，基于拉格朗日乘子方程搜索谐波电流给定r±hdq，对于该问题采用梯度下降法搜索可获得最优解，具体的搜索迭代步骤为：

11、第一步，给参数赋初始值：谐波电流给定r±hdqk-1和乘子ck-1；

12、第二步，计算优化问题的梯度dlk-1，迭代r±hdqk＝r±hdqk-1+n*dlk-1，更新r±hdqk-1＝r±hdqk，其中n为迭代步长；

13、第三步，若是梯度dlk-1小于误差要求，则跳到第四步，否则跳回第二步；

14、第四步，计算dpdchk-1与乘子ck＝ck-1+m*dpdchk-1，更新ck-1＝ck，其中m为乘子迭代步长；

15、第五步，若梯度dlk-1小于误差要求且dpdchk-1满足误差要求，则结束迭代，否则跳回第二步。

16、所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其谐波控制器根据谐波电流给定r±hdq和基波控制的误差edq进行谐波电流的控制。

17、本发明的有益效果是：本发明控制方法基于逆变器供电的三相永磁同步电机及其控制系统，在矢量控制框架的基波控制器基础上，增加了主动优化谐波控制模块，实现了基于直流功率的主动谐波电流优化，降低了直流功率波动，达到低转矩脉动和低电磁振动的目的，适用于以永磁同步电机作为驱动装置的不同应用场合，尤其是电动车和电力推进船舶的交通运输设备。

技术特征：

1.一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，用于逆变器供电的三相永磁同步电机，其特征在于：基于主动优化谐波控制模块、基波控制器和速度控制器构成的控制系统，其中主动优化谐波控制模块由谐波功率提取模块、谐波电流主动优化控制器和谐波控制器组成；步骤为：谐波功率提取模块对根据测量的直流电压和电流计算的直流功率进行坐标变换到谐波轴系，取实部后经过低通滤波器滤除高频波动，谐波控制器产生谐波电压ucdq，加上基波控制器输出的电压udq，经过坐标变换和脉宽调制后输出给电机。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其特征在于，所述的谐波功率提取模块测量的直流电压udc和直流电流idc，相乘获得直流功率，对直流功率进行坐标变换，获得谐波轴系的功率波动幅值，取功率波动幅值的实部，经过截止角频率为ah的低通滤波器滤除高频波动，获得h次谐波功率的幅值pdch。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其特征在于，所述的谐波电流主动优化控制器根据谐波功率趋于零的约束和最小谐波电流幅值的优化目标，将优化问题转换为无约束优化问题：

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其特征在于，所述的谐波电流主动优化控制器以谐波电流给定r±hdq的幅值最小为优化目标，以降低幅值pdch到零作为约束，基于拉格朗日乘子方程搜索谐波电流给定r±hdq，采用梯度下降法搜索获得最优解：

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，其特征在于，所述的谐波控制器根据谐波电流给定r±hdq和基波控制的误差edq进行谐波电流的控制。

技术总结
本发明公开的一种永磁同步电机主动优化谐波的控制方法，从直流母线的电流和电压中提取注入电机的谐波功率，首先根据测量的直流电压和电流计算直流功率，然后坐标变换到谐波轴系取实部，经过低通滤波器获得谐波功率的幅值，然后以最小谐波电流幅值为优化目标和谐波功率趋于零为约束，采用拉格朗日乘子方程将约束优化问题转换为无约束问题，采用梯度下降法搜索最优的谐波电流给定，通过谐波控制器施加到电机上，从而获得最小的谐波电流注入和最小的直流功率波动。本发明方法能够自动获得最小的谐波电流给定以减小直流功率波动，从而降低永磁同步电机的脉动转矩和电磁振动，适用于以永磁同步电机作为驱动装置并且要求低转矩脉动的交通运输设备。

技术研发人员：林豪,朱磊,张越,吴庆泽,解锦辉
受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4