一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于控制高速永磁 電機(jī)運(yùn)行過程中電流諧波的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速電機(jī)是指轉(zhuǎn)速超過10000r/min的電機(jī)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，高速永磁同步電機(jī) 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高、功率密度大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在微型燃?xì)廨啓C(jī)、高速機(jī) 床、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、分子泵等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，正成為國(guó)際電工領(lǐng)域的一個(gè)研宄 熱點(diǎn)。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行中，由于PWM變頻器開關(guān)器件死區(qū)時(shí)間、管壓降等特性以及氣隙 磁場(chǎng)畸變將造成電機(jī)定子相電流畸變，使定子相電流中不僅含有基波分量，同時(shí)含有5次、 7次、11次、13次等高次諧波分量，尤其以5次和7次諧波分量幅值較大。對(duì)于高速電機(jī)，由 于轉(zhuǎn)速高，一個(gè)周期內(nèi)PWM調(diào)制次數(shù)少，諧波電流含量豐富，相電流畸變嚴(yán)重。高次諧波電 流增加了高速電機(jī)的損耗，引起高速電機(jī)過熱，由諧波電流引起的不同方向、不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)會(huì)引起高速電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，降低了高速電機(jī)運(yùn)行效率和運(yùn)行可靠性。
[0003] 對(duì)此，現(xiàn)有技術(shù)中提出了很多關(guān)于抑制永磁同步電機(jī)運(yùn)行中的相電流諧波的方 法。例如，優(yōu)化電機(jī)本體設(shè)計(jì)，改善氣隙磁場(chǎng)分布正弦度，但此類方法只能抑制由于氣隙磁 場(chǎng)畸變引起的電流諧波；針對(duì)PWM變頻器的非線性特性，采用電流反饋型電壓補(bǔ)償法進(jìn)行 電壓補(bǔ)償，但此類方法只能補(bǔ)償由于PWM變頻器非線性特性引起的5次、7次電流諧波；根 據(jù)永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出電壓補(bǔ)償量進(jìn)行電壓補(bǔ)償，此類方法可以抑制因逆變器非線 性特性以及氣隙磁場(chǎng)畸變引起的5次、7次電流諧波，但建立數(shù)學(xué)模型時(shí)已經(jīng)忽略了部分諧 波分量，且沒有加入諧波電流反饋環(huán)，對(duì)于低速電機(jī)的電流諧波抑制取得了良好的效果，對(duì) 于高速電機(jī)，則會(huì)引起較大的控制誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：針對(duì)現(xiàn)有高速永磁電機(jī)諧波電流抑制控制系統(tǒng)的不 足，提供一種實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電壓抑制高速永磁電機(jī)諧波電流的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于高速 永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算諧波電壓補(bǔ)償量，有效抑制高速永磁電機(jī)運(yùn)行中的5次、7次 諧波電流，降低高速永磁電機(jī)運(yùn)行損耗以及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，提高高速永磁電機(jī)運(yùn)行效率和 運(yùn)行可靠性。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁 電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：
[0006] 轉(zhuǎn)子位置速度觀測(cè)模塊（1)，與電機(jī)本體連接，用于觀測(cè)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位 置9J?和角速度?，根據(jù)9J?和?以及極對(duì)數(shù)P計(jì)算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電角度0 = P吣以及轉(zhuǎn)子電角速度W=P? ^
[0007] 定子相電流諧波補(bǔ)償模塊（2)，與電機(jī)本體連接，用于獲取電機(jī)三相相電流諧波信 號(hào)，通過諧波電流提取模塊（8)中自適應(yīng)帶通濾波器分別提取5次電流諧波d軸分量id5h、q 軸分量iujP7次電流諧波d軸分量id_7h、q軸分量i^。將提取出的5次電流諧波id5h、 、511和7次電流諧波id7h、iq7h分別變換到dq坐標(biāo)系下，通過比例調(diào)節(jié)器（9)得到電流諧 波反饋量id_h。、Vh。，反饋回永磁同步電機(jī)電流環(huán)的d軸和q軸，將其作為諧波作用的反饋信 息。將提取出的5次電流諧波7次電流諧波i 入諧波電壓補(bǔ)償量計(jì) 算模塊（10)，計(jì)算出電壓補(bǔ)償量，經(jīng)過諧波電壓調(diào)節(jié)器，并變換到dq坐標(biāo)系下，得到實(shí)際電 壓補(bǔ)償量udf。與uu。，分別與參考電壓Utof、UvJtW法運(yùn)算，得到實(shí)際控制電壓ud、Uq;
[0008]相電流反饋模塊（3)，與電機(jī)本體連接，用于對(duì)永磁同步電機(jī)的靜止ABC坐標(biāo)系下 相電流ia，ib，i。做Clarke變換和Park變換，得到dq坐標(biāo)系下電流id_f、iqj;
[0009]轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊（4)，用于對(duì)給定的轉(zhuǎn)子電角速度參考值與所述轉(zhuǎn)子位置速 度觀測(cè)模塊（1)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)子電角速度《做差后的信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到q軸參考電 流iqref，
[0010] 電流PI調(diào)節(jié)模塊（5)，用于分別對(duì)d軸參考電流idMf與反饋電流idff做差后的信 號(hào)、q軸參考電流i_f與反饋電流i5_"做差后的信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到d軸參考電壓udMf 與q軸參考電壓Uqraf;
[0011] SVPWM變換輸出模塊（6)，與電機(jī)本體連接，用于根據(jù)d軸輸入電壓叫和q軸輸入 電壓!!,生成空間矢量調(diào)制信號(hào)，控制三相逆變器以驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。
[0012] 其中，永磁同步電機(jī)的控制方式選用id= 0的無位置傳感器矢量控制，基于永磁 同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過基于反電動(dòng)勢(shì)積分的位置速度估測(cè)器得到轉(zhuǎn)子的角位置吣和 角速度《y表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)由 W下模塊構(gòu)成；轉(zhuǎn)子位置速度觀測(cè)模塊（1)，定子相電流諧波補(bǔ)償模塊（2)，相電流反饋模 塊（3)，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊（4)，電流PI調(diào)節(jié)模塊（5)，SVPWM變換輸出模塊化）；其中； 所述轉(zhuǎn)子位置速度觀測(cè)模塊（1)，與電機(jī)本體連接，用于觀測(cè)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位 置e,和角速度《 t，根據(jù)e,和《 及極對(duì)數(shù)P計(jì)算永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子電角度0 = pe,化及轉(zhuǎn)子電角速度《 =P? t; 所述定子相電流諧波補(bǔ)償模塊（2)，與電機(jī)本體連接，包括諧波電流提取模塊巧）、比 例調(diào)節(jié)器巧）、諧波電流調(diào)節(jié)模塊（10)和諧波電壓補(bǔ)償量計(jì)算模塊（11)，用于獲取電機(jī)= 相相電流諧波信號(hào)，通過諧波電流提取模塊巧）中自適應(yīng)帶通濾波器分別提取5次電流諧 波d軸分量idjh、q軸分量iqj5h和7次電流諧波d軸分量i t,h、q軸分量iqjzh。將提取出的 5次電流諧波idjh、igjh和7次電流諧波i t7h、分別變換到dq坐標(biāo)系下，通過比例調(diào)節(jié) 器（9)得到電流諧波反饋量ith。、iq h。，反饋回永磁同步電機(jī)電流環(huán)的d軸和q軸，將其作為 諧波作用的反饋信息；將提取出的5次電流諧波id 5h、igjh和7次電流諧波i t7h、it7h經(jīng)過 諧波電流調(diào)節(jié)模塊（10)調(diào)節(jié)后帶入諧波電壓補(bǔ)償量計(jì)算模塊（11)，計(jì)算出電壓補(bǔ)償量，并 變換到dq坐標(biāo)系下，得到實(shí)際電壓補(bǔ)償量Ud f。與U tf。，分別與參考電壓1^。,、11。,。,做加法運(yùn) 算，得到實(shí)際控制電壓Ud、U。； 所述相電流反饋模塊（3)，與電機(jī)本體連接，用于對(duì)永磁同步電機(jī)的靜止ABC坐標(biāo)系下 相電流i。，ib，U故Clarke變換和Park變換，得到dq坐標(biāo)系下電流i d_f、 所述轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊（4)，用于對(duì)給定的轉(zhuǎn)子電角速度參考值與所述轉(zhuǎn)子位置速 度觀測(cè)模塊（1)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)子電角速度《做差后的信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到q軸參考電 流 iqref; 所述電流PI調(diào)節(jié)模塊巧），用于分別對(duì)d軸參考電流iduf與反饋電流i tff做差后的信 號(hào)、q軸參考電流iquf與反饋電流i tff做差后的信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后得到d軸參考電壓U duf 與q軸參考電壓Uquf; 所述SVPWM變換輸出模塊化），與電機(jī)本體連接，用于根據(jù)d軸輸入電壓Ud和q軸輸入 電壓U。生成空間矢量調(diào)制信號(hào)，控制S相逆變器W驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)， 其特征在于；所述的永磁同步電機(jī)的控制方式選用id= 0的無位置傳感器矢量控制，基于 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過基于反電動(dòng)勢(shì)積分的位置速度估測(cè)器得到轉(zhuǎn)子的角位置 e t和角速度《 t，根據(jù)轉(zhuǎn)子角位置e t和角速度《 及永磁電機(jī)極對(duì)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子電角度0 和轉(zhuǎn)子電角速度《。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系 統(tǒng)，其特征在于：所述諧波電流提取模塊巧），利用霍爾電流傳感器采集永磁同步電機(jī)=相 相電流信號(hào)i。、ib、i。，此時(shí)的相電流信號(hào)中含有基波與諧波，利用自適應(yīng)帶通濾波器，分別 提取dq坐標(biāo)系下5次、7次諧波電流分量，并將5次、7次諧波電流分量分別變換到5次、7 次諧波同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分別得到5次電流諧波idjh、iqjh和7次電流諧波i it,h。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償 系統(tǒng)，其特征在于：所述諧波電壓補(bǔ)償量計(jì)算模塊（11)將提取出的5次電流諧波idjh、iqjh 和7次電流諧波id 7h、it7h經(jīng)諧波電流調(diào)節(jié)模塊（10)調(diào)節(jié)后帶入由永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 推導(dǎo)出的諧波電壓補(bǔ)償量計(jì)算模塊，計(jì)算出電壓補(bǔ)償量，經(jīng)過諧波電壓調(diào)節(jié)器，并變換到dq 坐標(biāo)系下，得到實(shí)際電壓補(bǔ)償量Ud f。與U tf。，分別與控制電壓11&。,、11。,。,作加法運(yùn)算，得到實(shí) 際控制電壓Ud、U。。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空間矢量調(diào)制的高速永磁電機(jī)諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：轉(zhuǎn)子位置速度觀測(cè)模塊，定子相電流諧波補(bǔ)償模塊，相電流反饋模塊，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊，電流PI調(diào)節(jié)模塊，SVPWM變換輸出模塊；其中，定子相電流諧波補(bǔ)償模塊包括：諧波電流提取模塊，通過自適應(yīng)帶通濾波器實(shí)時(shí)提取永磁同步電機(jī)相電流諧波；比例調(diào)節(jié)器，將諧波電流調(diào)節(jié)后反饋至電流環(huán)；諧波電流調(diào)節(jié)模塊和諧波電壓補(bǔ)償量計(jì)算模塊，基于高速永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算諧波電壓補(bǔ)償量，并反饋至電壓環(huán)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算電壓補(bǔ)償量并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，有效改善永磁同步電機(jī)運(yùn)行中的相電流波形，降低轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，進(jìn)而提高電機(jī)運(yùn)行效率、平穩(wěn)性以及可靠性。
【IPC分類】H02P21-14
【公開號(hào)】CN104601077
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510066926
【發(fā)明人】劉剛, 張強(qiáng), 鄭世強(qiáng), 韓邦成, 毛琨, 陳寶棟
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年2月9日