[发明专利]基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法

说明书

技术领域

本发明是一种通过电流谐波注入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，为一种基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法。

背景技术

随着永磁材料性能的不断提高和永磁电机设计制造技术的不断完善，永磁电机在越来越多的工业驱动和伺服控制领域得到广泛应用。然而永磁电机中，永磁体与有槽电枢铁心相互作用，产生定位力矩，进而产生电机运行过程中的振动和噪声，影响电机在速度控制系统中低速性能和在位置控制系统中的高精度定位。

关于减小和抑制永磁电机转矩脉动的方法，国内外相关学者也进行了深入研究，并取得了一系列的研究成果。总的来说，可以归纳为两大类：

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。但是由于各方面的许多限制，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。而后者适用于采用电流滞环矢量控制的永磁电机驱动系统，针对其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，使其与基波的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，对于目前广泛应用的基于电压空间矢量调制的控制系统并不适用。

发明内容

本发明要解决的问题是：目前减小和抑制永磁电机转矩脉动的方法，从电机设计方面改进的方式成本较高，生产存在局限性；从电机控制系统的改进方式对于目前广泛应用的基于电压空间矢量调制的控制系统不适用；需要一种简单、成本低、适用性好的永磁电机转矩脉动抑制方法。

本发明的技术方案为：基于空间矢量调制的永磁电机转矩脉动抑制方法，对永磁电机采用直轴电流为零的矢量控制策略，使电磁转矩与交轴电枢电流成线性关系，注入交轴谐波电流，交轴注入谐波电流与直轴永磁磁链ψ_m耦合产生附加电磁转矩高次谐波分量，以使所述附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量幅值相等，相位相反为目标，根据永磁电机的电磁转矩与交轴电枢电流的线性关系，求解交轴注入谐波电流，在电机空间矢量控制基础上，注入所求得的交轴注入谐波电流，使附加电磁转矩高次谐波分量与永磁电机定位力矩中的基波与高次谐波分量相互抵消，实现抑制转矩脉动。

本发明具体包括以下步骤：

1)获取永磁电机定位力矩：通过有限元仿真对永磁电机的分析结果或者由转矩测试仪对永磁电机的实测数据，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和主要高次谐波分量，所述主要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)采用直轴电流为零的电压空间矢量调制方式，推导电磁转矩与交轴电流的关系表达式，在转子坐标系下直接添加交轴谐波电流分量；

3)注入的交轴谐波电流分量与直轴永磁磁链耦合产生高次附加电磁转矩分量，使得该附加电磁转矩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，从而相互抵消，实现抑制转矩脉动。

永磁电机采用转速环和电流环独立调节的转速电流双闭环控制，其中转速PI调节器的输出与注入的交轴谐波电流求和得到交轴参考电流，所述交轴参考电流输入电流环进行闭环控制。

本发明所述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。