一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法，对永磁电机采用直接转矩控制策略：在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波转矩，使得附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反，相互抵消，实现抑制转矩脉动。本发明是针对电机已经制造完毕或者购买的成品电机，尤其是定位力矩较大的永磁电机，本发明无需增加电机的驱动控制成本，只需修改控制软件，简单有效、成本低、通用性好。

说明书

技术领域

本发明是通过直接注入附加谐波转矩抑制永磁电机转矩脉动的控制技术，属于电机驱动与控制技术领域，为一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法。

背景技术

随着科学技术的日益发展，特别是微处理器技术、电力电子技术、高性能永磁材料制造技术，自动控制技术所取得的巨大进步，使得以永磁电机为主要执行机构的各种高性能驱动装置和伺服控制系统得到了迅猛发展。然而，在永磁电机中，即使当电机绕组开路，电机也呈现一种周期性脉动转矩，该转矩是由定转子齿槽所形成的变化磁阻与永磁体所形成的永磁磁场交互作用引起的，并且总是试图将转子定位在某一位置，该力矩就是通常所说的定位转矩。定位力矩在一个周期内的平均值为零，对电机输出的平均力矩没有影响。但是，定位力矩的存在会引起电机输出转矩的波动，造成周期性转矩脉动，产生振动和噪声，将直接影响电机运行的平稳性，降低电机的性能。尤其当定位力矩频率与定子谐振频率相同时，该力矩产生的振动和噪声将被放大。因此，在速度控制系统中和高精度定位的位置控制系统中，定位力矩将成为系统的主要干扰源。

定位力矩作为永磁电机中必然存在的一个现象，随着永磁电机的发展引起了众多国内外学者的兴趣，并已有大量研究成果。关于减小和抑制永磁电机定位力矩的方法，国内外相关学者也进行了深入研究。总的来说，可以归纳为两大类：

第一类是从电机本体设计出发研究减小永磁电机转矩脉动的方法，如包括定/转子斜槽或者斜极、磁极形状优化、分数槽结构、极弧系数组合优化、转子分段、永磁体不对称放置、定/转子开辅助槽、定子槽口宽度优化设计、不同槽口宽配合以及铁心形状优化设计等等。但是由于受不同类型电机结构的制约，电机转矩脉动的减小程度有限。此外，该类针对电机本体的优化设计方法在减小电机转矩脉动的同时，会对电机的空载反电动势、转矩输出能力、功率密度等性能产生影响，同时增加制造成本，在实际产业化过程中有一定的局限性。

第二类方法则是在电机已经制造完毕后，无法对本体改进的条件下，通过控制策略来抑制电机转矩脉动，从而提高其输出性能。该方法无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单易行。目前已有的控制策略又可细分为针对空载反电动势和针对定位力矩两类。

前者是对电机的空载反电动势进行谐波分析，得到主要高次电势谐波分量的频率和相位，通过注入相对应的高次谐波电流分量，使得耦合产生的电磁转矩基波分量和主要高次谐波分量之和为平稳转矩，从而达到消除脉动的目的。

后者适用于采用电流滞环矢量控制的永磁电机驱动系统。针对电机定位力矩较大的缺点，首先对定位力矩进行谐波分析，得到定位力矩的基波分量和主要高次谐波分量的频率和相位。通过注入相对应的高次谐波电流分量，使其与基波永磁磁链耦合产生主要的高次电磁转矩谐波分量，并与定位力矩的基波分量和主要高次谐波分量大小相等，相位相反，从而达到消除脉动的目的。但该类方法是基于定子坐标系下，在各相电枢电流基波分量基础之上，通过注入相应的高次谐波电流分量产生高次谐波电磁转矩，该类方法较适合于永磁电机反电势为正弦的情况；对于基于电压空间矢量调制的i_d＝0矢量控制策略(因此特别适合于交直轴电感相等的表面贴装式永磁电机)，根据电机电磁转矩与q轴电流成线性关系，计算出附加的q轴谐波电流使得注入的谐波电流与直轴永磁磁链相互耦合，产生附加的q轴高次电磁转矩谐波分量，与定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反，可以相互抵消，从而达到抑制转矩脉动的目的，该类方法也需要计算注入的谐波电流大小。而目前广泛采用的基于直接转矩控制的电机驱动系统并不需要计算注入的谐波电流。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种简单、成本低、通用性好的基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明对永磁电机采用直接转矩控制策略：在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波转矩，使得附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反，相互抵消，实现抑制转矩脉动。

本发明具体包括以下步骤：

(1)通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测数据，对永磁电机的定位力矩波形进行理论分析，用傅里叶级数(函数不至于太复杂且尽可能的近似永磁电机定位力矩)近似逼近永磁电机定位力矩，进行谐波分析，找出定位力矩中的基波分量和主要高次谐波分量，高次谐波分量是指谐波分量幅值与基波幅值相比不能忽略的高次谐波分量；

(2)采用直接转矩控制策略对永磁电机进行控制，求解附加谐波转矩，附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反；

(3)在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波转矩。

上述永磁电机采用转速环和转矩环独立调节的双闭环控制。

本发明基于直接转矩控制的永磁电机驱动系统，提出一种简单有效的抑制永磁电机转矩脉动的控制方法，尤其是针对电机已经制造完毕或者购买的成品电机，无法在电机本体上再采取措施。该方法尤其适用于定位力矩较大的永磁电机，无需增加电机驱动控制成本，只需修改控制软件，简单有效。

本发明的实施对象为永磁电机，而该类型电机可以采用矢量控制、直接转矩控制等先进的控制策略。因此，该抑制方法只需修改控制软件，无需增加控制系统硬件成本，简单易行。具体具有如下优点：

(a)采用所提出了附加谐波转矩注入抑制永磁电机转矩脉动的控制方法，可以直接在PI调节器输出的给定电磁转矩上直接注入附加谐波转矩，使得注入的附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及主要高次谐波分量幅值相等、相位相反，从而相互抵消，无需在定子或者转子坐标系下计算增加高次谐波电流分量，易于实现；

(b)现有的从电机本体设计出发减小转矩脉动的方法，由于各方面的条件限制，受不同类型电机结构的制约，转矩脉动的减小程度有限，此外，针对电机本体的方法在减小转矩脉动的同时，会对电机的空载反电动势、功率密度和转矩输出能力等产生影响，同时增加制造成本，在实际产业化过程中有一定的局限性；而本发明只需修改永磁电机的控制软件，无需对电机进行重新设计，也无需增加控制系统硬件成本；

(c)通过实施本发明技术后，既可明显抑制电机的转矩脉动，降低电机运行中的振动与噪声，拓展电机的应用范围，同时又保留了电机空载磁势、转矩输出能力等特性不变。且无需增加系统成本，只需修改相应的控制软件，简单易行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为实施例的永磁电机定位力矩波形；

图2为图1的永磁电机定位力矩谐波分析；

图3是本发明实施例的基于直接转矩控制的转矩注入抑制永磁电机转矩脉动的控制系统框图；

图4为转矩脉动抑制前后的转速波形；

图5为转矩脉动抑制前后转矩波形；

图6为转矩脉动抑制前的电流波形图；

图7为转矩脉动抑制后的电流波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明对永磁电机采用直接转矩控制策略：通过PI调节器1输出给定电磁转矩，在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波转矩，使得附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反，相互抵消，实现抑制转矩脉动。其中，直接转矩控制策略为本领域的公知技术，不再详述。

本发明无需任何电流的调节与定转子坐标系之间的变换，而是基于转矩和定子磁链给定值与实际值间的误差和定子磁链位置信号，并通过选取合适的电压空间矢量实现。

本发明的控制方法具体包括以下步骤：

(1)通过有限元仿真结果或者转矩测试仪实测数据，对永磁电机的定位力矩波形进行理论分析，用傅里叶级数(函数不至于太复杂且尽可能的近似永磁电机定位力矩)近似逼近永磁电机定位力矩，进行谐波分析，找出定位力矩中的基波分量和主要高次谐波分量，高次谐波分量是指谐波分量幅值与基波幅值相比不能忽略的高次谐波分量；针对不同的永磁电机，主要高次谐波分量不同；

(2)采用直接转矩控制策略对永磁电机进行控制，求解附加谐波转矩，附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等、相位相反；

(3)在给定电磁转矩基础之上直接注入附加谐波转矩。

本发明的永磁电机为任意相结构的包含有永磁体作为励磁源的电机，包括纯永磁电机和混合励磁电机。

本发明的实施对象为可以采用直接转矩控制策略的永磁电机，原理是根据在给定电磁转矩上直接注入附加谐波转矩，使得该附加谐波转矩与永磁电机定位力矩中的基波分量及高次谐波分量幅值相等，相位相反，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

下面以磁通切换永磁电机(flux-switching permanent magnet电机，以下简称FSPM电机)为例，说明该方法的具体实施步骤和仿真应用效果。

图1为采用虚功法有限元计算得到的定位力矩波形，由图可以看出：定位力矩波形包含有高次谐波分量，为了对其建立数学表达式，需要对其进行谐波分析，分析结果如图2所示。表1给出了主要谐波分量的幅值、与基波分量的比值和相位角。

表1定位力矩谐波分析

可见，定位力矩的总谐波失真THD达到了53.62％，谐波分量很大，而其中最主要的高次谐波为2次谐波，与基波幅值比达到了52.95％，剩下的其余高次谐波可以忽略不计。因此，FSPM电机的定位力矩可以近似表达为：

T_cog＝T_cog1+T_cog2                                        (1)

其中，基波分量为：

二次谐波分量为：

式中，T_cm1为定位力矩基波分量幅值，在这里等于1.11Nm；T_cm2为定位力矩2次谐波分量幅值，在这里等于0.59Nm；为定位力矩基波分量相位角；为定位力矩2次谐波分量相位角；P_r为电机电磁极对数，θ_r为转子位置角。

采用直接转矩控制策略，求解注入的附加谐波转矩使得该注入的附加谐波转矩与定位力矩中的基波分量T_cog1及二次谐波分量T_cog2幅值相等，相位相反，可以相互抵消，从而达到抑制转矩脉动的目的。

因此，需注入的附加谐波转矩为：

$T_{\mathrm{em}1}^c=-T_{\mathrm{cog}1}---\left(4\right)$

$T_{\mathrm{em}2}^c=-T_{\mathrm{cog}2}---\left(5\right)$

式中：和分别为待抵消一次和二次定位力矩的附加谐波转矩。

在FSPM电机直接转矩控制系统基础之上，结合上述的转矩注入法，可得到包括转矩注入法抑制永磁电机转矩脉动的控制系统如图3所示。

根据电机的给定转速与实时反馈转速ω_r，求出转速差e(n)；转速差e(n)通过PI调节器1得到给定电磁转矩；给定电磁转矩与采用本发明计算出的附加谐波转矩经过求和模块2，得到参考转矩参考转矩与转矩实际值相比较，误差信号通过转矩滞环控制器3获得0、1控制信号τ；磁链给定值与通过磁链幅值与角位置计算模块11得到的磁链反馈值ψ_s相比较，误差信号通过磁链滞环控制器4获得0、1控制信号φ，然后综合当前磁链所在区域θ，按开关状态选择表5选择适当的电压空间矢量，驱动逆变器6中电力电子器件开通与关断，输出调节永磁电机8绕组中的端电压U_a、U_b、U_c，然后，通过电流传感器测得电机三相电流i_a、i_b、i_c，三相电流经过定子静止三相/定子静止两相3s/2s变换9，求得两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，由开关状态及直流母线电压计算模块7计算出两相静止坐标系下的电压u_α和u_β，由两相静止坐标系下电压与电流经磁链观测器10计算出定子磁链，进而经转矩观测器12得到转矩观测值与PI调节器1输出的给定电磁转矩进行比较，其误差信号经转矩调节器3后获得0或1控制信号，按开关状态选择表5选择适当的电压空间矢量，控制定子磁链的旋转速度及方向；通过光电编码器13测得永磁电机8的脉冲信号，经过速度检测模块14计算出电机的实时反馈转速ω_r。

永磁电机采用转速环和转矩环独立调节的双闭环控制。转速环是为了控制转速，转矩环是为了控制转矩。

根据图3所示的直接转矩控制策略下抑制转矩脉动方法建立Matlab/Simulink仿真模型。

图4为转矩脉动抑制前后的转速波形，可以看出，转矩脉动抑制后，转速脉动得到了很大的改善。

图5给出了转矩脉动抑制前后转矩仿真波形，由图可以看出，抑制前转矩脉动峰峰值达到3Nm，抑制后转矩脉动峰峰值只有1.8Nm，转矩脉动得到明显降低且转矩平滑性比较好。

图6为转矩脉动抑制前的电流波形图，图7为转矩脉动抑制后的电流波形图。抑制前电流接近正弦性，抑制后电流有谐波成份，且正弦性变差，该谐波成份是由所加的附加谐波转矩产生的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。