永磁同步电机转矩波动抑制方法及系统与流程

本发明属于永磁同步电机，更具体地，涉及一种永磁同步电机转矩波动抑制方法及系统。

背景技术：

1、永磁同步电机具有高气隙磁密、高效率、紧凑结构和宽调速范围等特点，在航空航天、电梯曳引、电动汽车驱动、数控机床等领域广泛应用。随着高性能、高精度应用场景的增加，对其控制性能要求也不断提升。

2、目前，在高性能永磁同步电机控制系统中，常采用矢量控制方法，并使用传统的比例积分(pi)控制器来实现内外环控制。系统中的电流环作为最内环，其性能直接影响整个系统的控制性能。然而，由于永磁同步电机是一个多变量强耦合的非线性系统，实际运行中的内外部扰动因素会对电流环产生影响，尤其是由永磁同步电机控制引起的周期性扰动。如果不采取适当的措施来抑制谐波干扰，无论是哪种形式的谐波扰动，最终都会作用于电机的电压方程，导致电流谐波扰动的产生。这些电流谐波进一步引起转矩波动、增加能量损耗，并降低电机的稳定运行能力。因此，为了确保控制精度和稳定性，高性能伺服系统需要针对谐波扰动进行抑制。

3、在传统矢量控制系统中，通常使用比例积分(pi)控制方法来实现电流环控制。尽管这种方法在一定程度上能够满足控制系统的要求，但不能有效地抑制扰动。由于控制器带宽的限制，传统控制器(如pi)难以有效抑制高次谐波。为了实现对永磁同步电机的高性能控制，需要采取相应的措施来抑制扰动对系统性能的影响，从而提高电流环的控制性能。虽然可以通过优化电机的关键尺寸来减小转矩脉动，但这涉及复杂的操作和成本。另一方面，电机具有快速响应的特性，使得减振不再局限于电机结构优化方法，可以借助转矩波动抑制算法来控制电机输出补偿转矩，以减少传动系统的扭矩振动。因此，可以通过设计与电机速度和电流环相关的控制器来抑制转矩脉动。一种典型的方法是采用基于观测器的前馈补偿。通过设计标准luenberger观测器或扩张状态观测器，将扰动估计值以前馈的形式传递到电流环输出电压中。然而，观测器的带宽是有限的，只能跟踪恒定扰动或低频扰动。

4、比例谐振控制器(pr)是一种常用的控制策略，用于抑制转矩脉动。通常在电流环或速度环中将几个谐振控制器与主控制器并联，以减小转矩脉动的程度。理想的pr控制器可以无静差地跟踪交流信号中特定谐振频率的信号。然而，由于pr控制器的带宽较窄，容易受到系统信号参量变化的影响。因此，通常采用准比例谐振(qpr)控制器作为替代方案。

5、公开号为cn116094382a的发明专利公开了基于谐振控制器的特性，对电流环采用的传统pi控制器进行改进，构建了比例积分准谐振控制器。该控制器的目的是降低由转子永磁体磁场谐波和逆变器非线性特性等周期性扰动引起的转矩脉动，以提高系统的稳态性能。公开号为cn114785220a公开了采用qpr控制器和前馈电压补偿算法来抑制永磁同步电机的转矩波动。通过并联6阶qpr控制器和电机转矩闭环控制系统中的pi控制器，实现对交流和直流信号的跟踪。为了避免使用多个qpr控制器带来的参数整定的复杂性，在6阶qpr控制器的基础上，利用滑动傅里叶算法计算前馈补偿电压，进一步抑制6阶和12阶谐波电流。公开号为cn109617484a的发明专利提出了一种对永磁同步电机进行扰动抑制的预测控制方法。在电流环的主预测控制器中构造成本函数，并通过最小化求解获得最优的定子给定控制电压。此外，设计了电流环额外嵌入的扰动抑制环路和qpr控制器，以抑制逆变器死区引起的6次谐波，这种方法实现了给定跟踪和扰动抑制的解耦，提高了永磁同步电机的扰动抑制性能。然而，qpr控制器不含有完全对应周期性扰动信号的内模，因此现有基于qpr的转矩波动抑制技术中所使用的qpr控制器均不可避免地会在使用时存在稳态误差，不能完全抑制扰动。此外，现有扰动抑制方法中关于相电流直流偏置的来源只分析了电流采样误差，但是却忽略了高速下由于低载波比所带来的谐波扰动，实际调制的相电压除了高次谐波外，也会存在直流偏置，相电流经过坐标变换后导致了在dq电流平面的一次和二次谐波，从而引起对应频次的转矩波动。

6、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种永磁同步电机转矩波动抑制方法及系统，实现无静差抑制转矩波动，有效抑制由高速下直流偏置引起的永磁同步电机转矩波动，改善三相电流不平衡度。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种永磁同步电机转矩波动抑制方法及系统。

3、根据本发明的第一方面，提出了一种永磁同步电机转矩波动抑制方法，包括：

4、基于永磁同步电机系统状态方程建立永磁同步电机谐波数学模型；

5、基于所述永磁同步电机系统状态方程和查找表法构建车载高速永磁同步电机闭环控制模型；

6、基于所述永磁同步电机谐波数学模型计算所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流；

7、基于所述αβ轴偏置电流建立αβ轴直流偏置抑制pi控制模型；

8、基于所述αβ轴直流偏置抑制pi控制模型无静差抑制所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的相电流直流偏置，进而抑制因所述相电流直流偏置导致的周期性转矩波动。

9、可选地，在所述基于所述永磁同步电机谐波数学模型获取所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流之前，还包括：

10、对αβ轴实际电流进行平均值滤波，获取αβ轴实际电流平均值；

11、基于所述αβ轴实际电流平均值和所述永磁同步电机谐波数学模型计算所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流。

12、可选地，还包括：

13、当永磁同步电机处于高速低载波比时，将所述直流偏置抑制pi控制模型连接于所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型无静差抑制所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的相电流直流偏置；

14、当永磁同步电机处于高速低载波比时，将所述直流偏置抑制pi控制模型与所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型断开连接。

15、可选地，所述永磁同步电机系统状态方程的表达式为：

16、

17、其中，ωe为电机的电角速度，rs为电机定子电阻，ψf为转子永磁体磁链幅值，ld为电机的直轴电感，lq为电机的交轴电感，te为电机的输出电磁转矩，np为电机的极对数，j为电机自身的转动惯量，tl为电机带有的负载转矩，id为同步旋转坐标系下的d轴定子电流分量，iq为同步旋转坐标系下的q轴定子电流分量。

18、可选地，所述永磁同步电机谐波数学模型包括：

19、

20、

21、

22、其中，δte为相电流直流偏置，δid为dq坐标系下的d轴电流畸变量，δiq为dq坐标系下的q轴电流畸变量，δia为a相的直流偏置误差，δib为b相的直流偏置误差，β为dq轴电流畸变量的初始相角参量，θe为电机的电角度。

23、可选地，所述平均值滤波的表达式为：

24、

25、其中，为α轴实际电流平均值，为β轴实际电流平均值，ts为控制系统的采样周期，为第k个采样点的α轴实际电流，为第k个采样点的β轴实际电流，m为大于10的正整数，表示对m个周期内的α轴/β轴实际电流进行平均值滤波，n为m个周期内的采样点数。

26、可选地，所述αβ轴直流偏置抑制pi控制模型的表达式为：

27、

28、其中，kcp是αβ轴直流偏置抑制pi控制模型的比例增益，kci是αβ轴直流偏置抑制pi控制模型的积分增益，z为离散拉普拉斯变换对应的复变量。

29、根据本发明的第二方面，提出了一种永磁同步电机转矩波动抑制系统，包括：

30、第一建立模块，用于永磁同步电机系统状态方程建立永磁同步电机谐波数学模型；

31、构建模块，用于基于所述永磁同步电机系统状态方程和查找表法构建车载高速永磁同步电机闭环控制模型；

32、计算模块，用于基于所述永磁同步电机谐波数学模型计算所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流；

33、第二建立模块，用于基于所述αβ轴偏置电流建立αβ轴直流偏置抑制pi控制模型；

34、抑制模块，用于基于所述αβ轴直流偏置抑制pi控制模型无静差抑制所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的相电流直流偏置，进而抑制因所述相电流直流偏置导致的周期性转矩波动。

35、可选地，还包括：

36、平均值滤波模块，用于对αβ轴实际电流进行平均值滤波，获取αβ轴实际电流平均值；

37、所述计算模块基于所述αβ轴实际电流平均值和所述永磁同步电机谐波数学模型计算所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流。

38、可选地，还包括：

39、速度选择滞环模块，用于当永磁同步电机处于高速低载波比时，将所述直流偏置抑制pi控制模型连接于所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型无静差抑制所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型的相电流直流偏置；当永磁同步电机处于高速低载波比时，将所述直流偏置抑制pi控制模型与所述车载高速永磁同步电机闭环控制模型断开连接。

40、本发明的有益效果在于：本发明考虑高速下低载波比引起的直流偏置，通过永磁同步电机系统状态方程建立相应的永磁同步电机谐波数学模型；通过磁同步电机系统状态方程和查找表法构建车载高速永磁同步电机闭环控制模型，能够加快计算速度，减少计算量，避免实时计算给控制器造成较大负担；通过永磁同步电机谐波数学模型计算车载高速永磁同步电机闭环控制模型的αβ轴偏置电流，进而建立αβ轴直流偏置抑制pi控制模型，实现无静差抑制直流偏置；通过直流偏置抑制pi控制模型得到可有效抑制直流偏置的αβ轴修正电压，实现抑制高速下的相电流直流偏置引起的转矩波动，同时改善三相电流平衡度。

41、本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。