基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法、系统与流程

1.本发明涉及转矩脉动抑制技术领域，特别涉及一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法、系统。


背景技术：

2.永磁同步电机具有高效率、高转矩密度、高功率因数、调速范围宽等优点，近年来得到了广泛的关注，并且已逐步应用于风力发电、电动汽车、工业伺服等领域。然而，电机本体设计与电机控制两方面的非理想因素均会导致永磁电机的转矩脉动，进而造成机械振动和噪声，影响电机系统的运行性能与寿命。
3.影响永磁同步电机中转速脉动的原因概括为两类：
①
电机电磁设计层面：如齿槽效应和永磁磁链谐波等。
②
电机控制层面：如逆变器非线性特性、电流传感器采样存在偏置、误差等非理想因素。这两类原因均会导致永磁电机的转矩脉动，进而造成机械振动和噪声，影响电机系统的运行性能与寿命。
4.已有策略提出对电流谐波进行抑制，实现正弦电流激励以抑制转矩脉动，具体地，对定子磁链观测器和谐波磁链进行提取，并计算高次谐波磁链产生的谐波电压，目的是实现谐波电流的抑制。但由于永磁电机在设计时的优化取舍以及制造误差，实际电机中永磁磁链和反电动势的谐波均难以避免，特别是在考虑制造成本的场合中更为明显，因此纯正弦电流控制并不能保证转矩脉动的最小化。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的永磁同步电机转矩脉动的抑制方式存在抑制转矩脉动的同时不能抑制电压波动的缺陷，提供一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法、系统。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明第一方面提供了一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，所述抑制方法包括：
8.获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；
9.基于所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值，向所述永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；
10.所述q轴谐波电流与所述q轴谐波电流参考值对应，用于抑制所述永磁同步电机的转矩脉动；
11.所述d轴谐波电流与所述d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向所述永磁同步电机的电流中注入所述q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。
12.较佳地，所述抑制方法还包括：
13.控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。
14.较佳地，所述获取q轴谐波电流参考值的步骤包括：
15.获取永磁同步电机的转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种；
16.根据所述转矩信息、所述转速信息、所述磁链信息中的至少一种，获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号，并分别获取所述目标信号的各次谐波分量幅值以及各次谐波分量相位；
17.基于所述各次谐波分量幅值中的主导谐波分量幅值确定因所述主导谐波分量幅值导致的转矩脉动；
18.根据所述转矩脉动获取所述q轴谐波电流参考值。
19.较佳地，获取所述d轴谐波电流参考值的步骤包括：
20.获取定子电压的α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量；
21.根据所述α轴对应的电压分量以及所述β轴对应的电压分量计算得到电压矢量幅值；
22.通过带通滤波器从所述电压矢量幅值中提取得到目标倍频电压分量；
23.对所述目标倍频电压分量进行90
°
相移处理，得到90
°
相移处理后的目标倍频电压分量；
24.以所述目标倍频电压分量以及所述90
°
相移处理后的目标倍频电压分量组合后，以角度值为目标倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量；
25.通过比例积分调节器对所述两个直流分量进行调节，得到所述比例积分调节器的输出值，所述比例积分调节器进行调节的参考值为0；
26.对所述比例积分调节器的输出值以角度值为所述目标倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量；
27.从所述两个交流分量中获取α轴对应的交流分量作为所述d轴谐波电流参考值。
28.较佳地，所述控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值的步骤包括：
29.获取向所述永磁同步电机的相电流中注入的q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值；
30.比较所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值与所述q轴谐波电流的实际值和所述d轴谐波电流的实际值，以获取电流误差；
31.获取所述电流误差的基波分量和各次谐波分量；
32.将所述电流误差的基波分量和各次谐波分量在多同步旋转坐标系下分别使用比例积分调节器进行调节，并根据所述比例积分调节器的输出值获取对应的电压；
33.将所述获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制，以获取控制信号；
34.将所述控制信号传输至逆变器，由所述逆变器根据所述控制信号输出调整三相交流电压至所述永磁同步电机，以控制所述q轴谐波电流的实际值以及所述d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。
35.较佳地，所述以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制的步骤包括：
36.以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行svpwm(空间矢量脉宽)调制。
37.较佳地，所述获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号的步骤包括：
38.获取所述永磁同步电机在至少一个电周期内的磁链信息，所述磁链信息包括反电动势数据或永磁磁链数据中的至少一种；
39.对一个电周期内的所述磁链信息做傅立叶变换，并根据傅立叶变换的结果获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号。
40.较佳地，所述带通滤波器的通带范围至少覆盖所述目标倍频电压分量的频带范围，并隔绝所述直流分量以及其他频率的交流分量。
41.本发明第二方面提供了一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，所述抑制系统包括计算模块和注入模块；
42.所述计算模块用于获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；
43.所述注入模块用于基于所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值，向所述永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；
44.所述q轴谐波电流与所述q轴谐波电流参考值对应，用于抑制所述永磁同步电机的转矩脉动；
45.所述d轴谐波电流与所述d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向所述永磁同步电机的电流中注入所述q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。
46.较佳地，所述抑制系统还包括控制模块；
47.所述控制模块用于控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。
48.较佳地，所述计算模块包括第一获取单元、第二获取单元、确定单元以及第三获取单元；
49.所述第一获取单元用于获取永磁同步电机的转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种；
50.所述第二获取单元用于根据所述转矩信息、所述转速信息、所述磁链信息中的至少一种，获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号，并分别获取所述目标信号的各次谐波分量幅值以及各次谐波分量相位；
51.所述确定单元用于基于所述各次谐波分量幅值中的主导谐波分量幅值确定因所述主导谐波分量幅值导致的转矩脉动；
52.所述第三获取单元用于根据所述转矩脉动获取所述q轴谐波电流参考值。
53.较佳地，所述计算模块还包括第四获取单元、计算单元、提取单元、处理单元、第一变换单元、第一调节单元、第二变换单元以及第五获取单元；
54.所述第四获取单元用于获取定子电压的α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量；
55.所述计算单元用于根据所述α轴对应的电压分量以及所述β轴对应的电压分量计算得到电压矢量幅值；
56.所述提取单元用于通过带通滤波器从所述电压矢量幅值中提取得到目标倍频电压分量；
57.所述处理单元用于对所述目标倍频电压分量进行90
°
相移处理，得到90
°
相移处理后的目标倍频电压分量；
58.所述第一变换单元用于以所述目标倍频电压分量以及所述90
°
相移处理后的目标
倍频电压分量组合后，以角度值为目标倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量；
59.所述第一调节单元用于通过比例积分调节器对所述两个直流分量进行调节，得到所述比例积分调节器的输出值，所述比例积分调节器进行调节的参考值为0；
60.所述第二变换单元用于对所述比例积分调节器的输出值以角度值为所述目标倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量；
61.所述第五获取单元用于从所述两个交流分量中获取α轴对应的交流分量作为所述d轴谐波电流参考值。
62.较佳地，所述控制模块包括第六获取单元、比较单元、第七获取单元、第二调节单元、调制单元以及控制单元；
63.所述第六获取单元用于获取向所述永磁同步电机的相电流中注入的q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值；
64.所述比较单元用于比较所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值与所述q轴谐波电流的实际值和所述d轴谐波电流的实际值，以获取电流误差；
65.所述第七获取单元用于获取所述电流误差的基波分量和各次谐波分量；
66.所述第二调节单元用于将所述电流误差的基波分量和各次谐波分量在多同步旋转坐标系下分别使用比例积分调节器进行调节，并根据所述比例积分调节器的输出值获取对应的电压；
67.所述调制单元用于将所述获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制，以获取控制信号；
68.所述控制单元用于将所述控制信号传输至逆变器，由所述逆变器根据所述控制信号输出调整三相交流电压至所述永磁同步电机，以控制所述q轴谐波电流的实际值以及所述d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。
69.较佳地，所述调制单元用于以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行svpwm调制。
70.较佳地，所述第二获取单元包括第一获取子单元和第二获取子单元；
71.所述第一获取子单元用于获取所述永磁同步电机在至少一个电周期内的磁链信息，所述磁链信息包括反电动势数据或永磁磁链数据中的至少一种；
72.所述第二获取子单元用于对一个电周期内的所述磁链信息做傅立叶变换，并根据傅立叶变换的结果获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号。
73.较佳地，所述带通滤波器的通带范围至少覆盖所述目标倍频电压分量的频带范围，并隔绝所述直流分量以及其他频率的交流分量。
74.本发明第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
75.本发明第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
76.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实
例。
77.本发明的积极进步效果在于：
78.本发明通过在电流中注入q轴谐波电流抑制转矩脉动，并通过在电流中注入d轴谐波电流抑制q轴谐波电流注入所产生的压矢量幅值波动，实现了对永磁同步电机的转矩脉动抑制的同时，也抑制了逆变器输出电压矢量幅值的波动，相较于传统策略提高了电压利用率。
附图说明
79.图1为本发明实施例1的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法的流程图。
80.图2为本发明实施例1和2的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制的结构示意图。
81.图3为本发明实施例1和2的计算d轴谐波电流参考值的示意图。
82.图4为本发明实施例1和2的基于多同步参考坐标系的谐波电流分离的示意图。
83.图5为本发明实施例1和2的永磁同步电机的三相反电动势波形图及a相反电动势频谱的示意图。
84.图6为本发明实施例1和2的不同策略下的永磁同步电机参数的实验结果的示意图。
85.图7为本发明实施例2的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统的模块示意图。
86.图8为本发明实施例3的实现基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
87.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
88.实施例1
89.经过研究发现，通过注入适当的q轴谐波电流来抵消基波分量与谐波磁链所产生的谐波转矩，实现进一步的转矩脉动抑制。需要注意的是，无论是电流谐波的抑制还是电流谐波的注入，都需要产生一定量的谐波电压来实现。同时，永磁电机驱动控制系统的电压幅值受到直流侧电压的约束，特别是在高转速工况，会出现没有充足的电压来实现的谐波电流调控。此外，对于大容量的风力发电机来说，由于电压等级较高，且过载工况较少，通常母线电压的裕量较小，同样会出现没有充足的电压来实现的谐波电流调控的情况。在逆变器交流侧电压幅值受到母线电压限制时，需要在降低基波分量幅值和降低转矩脉动抑制效果之间做出取舍，无法实现最优的控制性能。因此，在仅通过注入适当的q轴谐波电流实现永磁同步电机的转矩脉动抑制的基础上，本发明提出了一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，即在电流中注入q轴谐波电流抑制转矩脉动，并通过在电流中注入d轴谐波电流抑制引入q轴谐波电流时引用的q轴谐波电压，从而抑制电压矢量幅值的波动。具体地，如图1所示，该抑制方法包括：
90.步骤101、获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；
91.步骤102、基于q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值，向永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；
92.q轴谐波电流与q轴谐波电流参考值对应，用于抑制永磁同步电机的转矩脉动；
93.d轴谐波电流与d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。
94.在具体实施过程中，永磁同步电机转矩脉动的抑制的整体框图如图2所示，包含计算q轴谐波电流给定转矩脉动抑制环、计算d轴谐波电流给定的谐波电压控制环和基于多同步旋转坐标系(multiple synchronous reference frame,msrf)的谐波电流控制环。
95.本实施例采用考虑电压利用率的谐波电流注入式转矩脉动抑制方法，对d轴谐波电流和q轴谐波电流均进行优化，实现了输出转矩脉动抑制的同时，保证逆变器电压矢量幅值不变，实现了高电压利用率下的转矩脉动抑制。
96.作为可选的一种实施方式，该抑制方法还包括：
97.步骤103、控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值。
98.作为可选的一种实施方式，步骤101中获取q轴谐波电流参考值的步骤包括：
99.步骤101-1、获取永磁同步电机的转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种；
100.步骤101-2、根据转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种，获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号，并分别获取目标信号的各次谐波分量幅值以及各次谐波分量相位；
101.步骤101-3、基于各次谐波分量幅值中的主导谐波分量幅值确定因主导谐波分量幅值导致的转矩脉动；
102.步骤101-4、根据转矩脉动获取q轴谐波电流参考值。
103.在具体实施过程中，通常对于y型接法三相永磁同步电机，反电动势或永磁磁链中5、7次谐波为主导谐波，5、7次谐波的反电动势的表达式如公式(1)所示：
[0104][0105]
其中，ωe为转子角速度,ψ1,ψ5,及ψ7分别为基波分量幅值、5次、7次谐波分量幅值，θ5和θ7分别为5次、7次谐波分量相位；ea、eb、ec为5次、7次谐波的反电动势；t为时间；
[0106]
dq坐标系下的反电动势的表达式如公式(2)所示：
[0107][0108]
其中，ed、eq为dq坐标系下的反电动势；
[0109]
以表贴式永磁同步电机为例，永磁同步电机转矩表达式如公式(3)所示：
[0110][0111]
其中，n
p
为表贴式永磁同步电机的极对数，例如，仅考虑基波分量，当采用id＝0的矢量控制时，上述永磁同步电机转矩表达式公式(3)可以改写为公式(4)：
[0112][0113]
其中，te为永磁同步电机转矩；i1为永磁同步电机的基波分量幅值，可见，此时输出永磁同步电机转矩为直流平均转矩分量与6倍频转矩脉动的组合。为了消除该永磁同步电机转矩脉动，在相电流中注入一定的5次、7次谐波分量，即可得q轴谐波电流参考值表达式如公式(5)所示：
[0114][0115]
其中，为q轴谐波电流参考值；i5和i7为5次、7次谐波分量幅值，θ
h5
和θ
h7
为5次、7次谐波分量的相位(即θ
h5
和θ
h7
为5次、7次谐波分量的初始相位)。
[0116]
作为可选的一种实施方式，步骤101中获取d轴谐波电流参考值的步骤包括：
[0117]
步骤10121、获取定子电压的α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量；
[0118]
步骤10122、根据α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量计算得到电压矢量幅值；
[0119]
本实施例中，计算得到电压矢量幅值的表达式如公式(6)所示：
[0120][0121]
其中，为电压矢量幅值；u
α
为α轴对应的交流电压分量；u
β
为β轴对应的交流电压分量。
[0122]
步骤10123、通过带通滤波器从电压矢量幅值中提取得到目标倍频电压分量；
[0123]
本实施例中，目标倍频电压分量可以为6倍频电压分量，也可以为其他数值倍频电压分量，此处不做具体限定。
[0124]
作为可选的一种实施方式，带通滤波器的通带范围至少覆盖目标倍频电压分量的频带范围，并隔绝直流分量以及其他频率的交流分量。
[0125]
步骤10124、对目标倍频电压分量进行90
°
相移处理，得到90
°
相移处理后的目标倍频电压分量；
[0126]
步骤10125、以目标倍频电压分量以及90
°
相移处理后的目标倍频电压分量组合后，以角度值为目标倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量；
[0127]
本实施例中，目标倍电角度可以为6倍电角度，也可以为其他数值倍电角度，此处不做具体限定。
[0128]
需要说明的是，通常情况下，目标倍频电压分量中的目标倍与目标倍电角度的目标倍相同。例如，当目标倍频电压分量的目标倍为6倍时，目标倍电角度的目标倍也为6倍。
[0129]
步骤10126、通过比例积分调节器对两个直流分量进行调节，得到比例积分调节器的输出值，比例积分调节器进行调节的参考值为0；
[0130]
步骤10127、对比例积分调节器的输出值以角度值为目标倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量；
[0131]
步骤10128、从两个交流分量中获取α轴对应的交流分量作为d轴谐波电流参考值。
[0132]
在具体实施过程中，实现q轴注入的谐波电流需要注入一定量的谐波电压，为保证不产生额外的电压波动，同时采用优化的d轴注入谐波电流来进行调节，而d轴谐波电流是
通过闭环控制得到的，闭环控制的流程如图3所示，具体地，例如，通过带通滤波器(bandpass filter(bpf))从电压矢量幅值中提取得到6倍频电压分量；为实现对该6倍频电压分量的控制，首先构造一个相位滞后其90
°
的信号，并同其组合为相位相差90
°
的两个正弦分量(例如两个正弦分量为6倍频电压分量以及90
°
相移处理后的6倍频电压分量)，再分别对6倍频电压分量以及相移处理后的6倍频电压分量经过6倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量，再通过常规比例积分(proportional-integral,pi)调节器对两个直流分量进行调节，调节的目标值均为0，经过pi调节器得到的两个调节后的直流分量再由6倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量，两个交流分量中的α轴对应的交流分量即为所需的d轴谐波电流参考值。
[0133]
作为可选的一种实施方式，步骤103包括：
[0134]
步骤1031、获取向永磁同步电机的相电流中注入的q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值；
[0135]
步骤1032、比较q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值与q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值，以获取电流误差；
[0136]
步骤1033、获取电流误差的基波分量和各次谐波分量；
[0137]
步骤1034、将电流误差的基波分量和各次谐波分量在多同步旋转坐标系下分别使用比例积分调节器进行调节，并根据比例积分调节器的输出值获取对应的电压；
[0138]
本实施例中，由于d轴和q轴的谐波电流参考值均带有交流谐波分量，传统的比例积分调节器难以准确跟踪，因此采用如图4所示的基于多同步旋转坐标系的谐波电流提取方法对基波分量和各次谐波分量进行分离。具体地，在多同步旋转坐标系中，各谐波分量表现为直流量，可由低通滤波器(lowpass filter(lpf))来进行分离。例如，在以7倍频率旋转的同步坐标系中，三相坐标系下的7次谐波分量表现为直流量，而基波分量表现为-6次谐波分量，经过lpf后可将表现为直流量的7次谐波分量提取。
[0139]
步骤1035、将获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制，以获取控制信号；
[0140]
作为可选的一种实施方式，步骤1035中的以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制的步骤包括：
[0141]
以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行svpwm调制。
[0142]
步骤1036、将控制信号传输至逆变器，由逆变器根据控制信号输出调整三相交流电压至永磁同步电机，以控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值。
[0143]
作为可选的一种实施方式，步骤101-2包括：
[0144]
步骤102-11、获取永磁同步电机在至少一个电周期内的磁链信息，磁链信息包括反电动势数据或永磁磁链数据中的至少一种；
[0145]
步骤102-12、对一个电周期内的磁链信息做傅立叶变换，并根据傅立叶变换的结果获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号。
[0146]
在具体实施过程中，例如，以一台10极12槽表贴式永磁同步电机为例，其三相反电动势波形图及a相反电动势频谱如图5所示，由图5可以看出有较多的3、5、7次谐波含量较多，对于y型接法三相永磁同步电机，3次谐波由于是零序分量在常规情况下不会影响输出
转矩，因此如前述分析5、7次谐波为转矩脉动的主要来源；图6为电机转速300r/min时，不同策略下的三相电流、d轴、q轴谐波电流、转矩、电压矢量幅值的实验结果，图6中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应为常规矢量控制策略、正弦电流控制策略、q轴谐波注入转矩脉动抑制策略、转矩脉动抑制策略。需要说明的是，对于后三种策略，均采用图4所示的谐波分离策略对电流谐波进行离并通过pi调节器进行调控。
[0147]
如图6中的(a)所示，采用常规矢量控制策略时，由于无法有效调控5、7次谐波电流，相电流中有较明显的5、7次谐波分量，d轴和q轴谐波电流参考值中有较明显的6次谐波分量，转矩脉动中同样存在较明显的6次谐波分量；
[0148]
如图6中的(b)所示，采用正弦电流控制策略时，5、7次谐波电流得到较好的抑制，相电流正弦度较高，d轴和q轴谐波电流呈现为直流量，由于被控电机的永磁磁链存在谐波，此时转矩脉动虽有减小但仍旧存在；
[0149]
如图6中的(c)所示，采用q轴谐波注入转矩脉动抑制策略时，仅q轴存在优化得到的谐波分量，可以看到转矩脉动得到了较为明显的抑制；
[0150]
需要说明的是，上述常规矢量控制策略、正弦电流控制策略以及q轴谐波注入转矩脉动抑制策略这三种策略均会产生较大的电压矢量幅值波动，即需要额外的谐波电压来完成，这在电压裕量较低的工况难以有效实现。
[0151]
如图6中的(d)所示，采用本发明所提出的转矩脉动抑制策略时，不仅转矩脉动得到了较好的抑制，电压矢量幅值也没有明显的波动，即实现了高电压利用率下的转矩脉动抑制。
[0152]
本实施例通过在电流中注入q轴谐波电流抑制转矩脉动，并通过在电流中注入d轴谐波电流抑制q轴谐波电流注入所产生的压矢量幅值波动，实现了对永磁同步电机的转矩脉动抑制的同时，也抑制了逆变器输出电压矢量幅值的波动，相较于传统策略提高了电压利用率。
[0153]
实施例2
[0154]
本实施例提供的一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，如图7所示，该抑制系统包括计算模块21和注入模块22；
[0155]
计算模块21用于获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；
[0156]
注入模块22用于基于q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值，向永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；
[0157]
q轴谐波电流与q轴谐波电流参考值对应，用于抑制永磁同步电机的转矩脉动；
[0158]
d轴谐波电流与d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。
[0159]
在具体实施过程中，永磁同步电机转矩脉动的抑制的整体框图如图2所示，包含计算q轴谐波电流给定转矩脉动抑制环、计算d轴谐波电流给定的谐波电压控制环和基于多同步旋转坐标系的谐波电流控制环。
[0160]
本实施例采用考虑电压利用率的谐波电流注入式转矩脉动抑制方法，对d轴谐波电流和q轴谐波电流均进行优化，实现了输出转矩脉动抑制的同时，保证逆变器电压矢量幅值不变，实现了高电压利用率下的转矩脉动抑制。
[0161]
作为可选的一种实施方式，如图7所示，该抑制系统还包括控制模块23；
[0162]
控制模块23用于控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值。
[0163]
作为可选的一种实施方式，如图7所示，计算模块21包括第一获取单元211、第二获取单元212、确定单元213以及第三获取单元214；
[0164]
第一获取单元211用于获取永磁同步电机的转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种；
[0165]
第二获取单元212用于根据转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种，获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号，并分别获取目标信号的各次谐波分量幅值以及各次谐波分量相位；
[0166]
确定单元213用于基于各次谐波分量幅值中的主导谐波分量幅值确定因主导谐波分量幅值导致的转矩脉动；
[0167]
第三获取单元214用于根据转矩脉动获取q轴谐波电流参考值。
[0168]
在具体实施过程中，通常对于y型接法三相永磁同步电机，反电动势或永磁磁链中5、7次谐波为主导谐波，5、7次谐波的反电动势的表达式如实施例1中的公式(1)所示；dq坐标系下的反电动势的表达式如实施例1中的公式(2)所示；
[0169]
以表贴式永磁同步电机为例，永磁同步电机转矩表达式如实施例1中的公式(3)所示；上述永磁同步电机转矩表达式公式(3)可以改写为实施例1中的公式(4)；
[0170]
为了消除该永磁同步电机转矩脉动，在相电流中注入一定的5次、7次谐波分量，即可得q轴谐波电流参考值表达式如实施例1中的公式(5)所示；
[0171]
作为可选的一种实施方式，如图7所示，计算模块21还包括第四获取单元215、计算单元216、提取单元217、处理单元218、第一变换单元219、第一调节单元220、第二变换单元221以及第五获取单元222；
[0172]
第四获取单元215用于获取定子电压的α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量；
[0173]
计算单元216用于根据α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量计算得到电压矢量幅值；
[0174]
本实施例中，计算得到电压矢量幅值的表达式如实施例1中的公式(6)所示。
[0175]
提取单元217用于通过带通滤波器从电压矢量幅值中提取得到目标倍频电压分量；
[0176]
本实施例中，目标倍频电压分量可以为6倍频电压分量，也可以为其他数值倍频电压分量，此处不做具体限定。
[0177]
作为可选的一种实施方式，带通滤波器的通带范围至少覆盖目标倍频电压分量的频带范围，并隔绝直流分量以及其他频率的交流分量。
[0178]
处理单元218用于对目标倍频电压分量进行90
°
相移处理，得到90
°
相移处理后的目标倍频电压分量；
[0179]
第一变换单元219用于以目标倍频电压分量以及90
°
相移处理后的目标倍频电压分量组合后，以角度值为目标倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量；
[0180]
本实施例中，目标倍电角度可以为6倍电角度，也可以为其他数值倍电角度，此处
不做具体限定。
[0181]
需要说明的是，通常情况下，目标倍频电压分量中的目标倍与目标倍电角度的目标倍相同。例如，当目标倍频电压分量的目标倍为6倍时，目标倍电角度的目标倍也为6倍。
[0182]
第一调节单元220用于通过比例积分调节器对两个直流分量进行调节，得到比例积分调节器的输出值，比例积分调节器进行调节的参考值为0；
[0183]
第二变换单元221用于对比例积分调节器的输出值以角度值为目标倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量；
[0184]
第五获取单元222用于从两个交流分量中获取α轴对应的交流分量作为d轴谐波电流参考值。
[0185]
在具体实施过程中，实现q轴注入的谐波电流需要注入一定量的谐波电压，为保证不产生额外的电压波动，同时采用优化的d轴注入谐波电流来进行调节，而d轴谐波电流是通过闭环控制得到的，闭环控制的流程如图3所示，具体地，例如，通过带通滤波器从电压矢量幅值中提取得到6倍频电压分量；为实现对该6倍频电压分量的控制，首先构造一个相位滞后其90
°
的信号，并同其组合为相位相差90
°
的两个正弦分量(例如两个正弦分量为6倍频电压分量以及90
°
相移处理后的6倍频电压分量)，再分别对6倍频电压分量以及相移处理后的6倍频电压分量经过6倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量，再通过常规比例积分pi调节器对两个直流分量进行调节，调节的目标值均为0，经过pi调节器得到的两个调节后的直流分量再由6倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量，两个交流分量中的α轴对应的交流分量即为所需的d轴谐波电流参考值。
[0186]
作为可选的一种实施方式，如图7所示，控制模块23包括第六获取单元231、比较单元232、第七获取单元233、第二调节单元234、调制单元235以及控制单元236；
[0187]
第六获取单元231用于获取向永磁同步电机的相电流中注入的q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值；
[0188]
比较单元232用于比较q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值与q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值，以获取电流误差；
[0189]
第七获取单元233用于获取电流误差的基波分量和各次谐波分量；
[0190]
第二调节单元234用于将电流误差的基波分量和各次谐波分量在多同步旋转坐标系下分别使用比例积分调节器进行调节，并根据比例积分调节器的输出值获取对应的电压；
[0191]
本实施例中，由于d轴和q轴的谐波电流参考值均带有交流谐波分量，传统的比例积分调节器难以准确跟踪，因此采用如图4所示的基于多同步旋转坐标系的谐波电流提取方法对基波分量和各次谐波分量进行分离。具体地，在多同步旋转坐标系中，各谐波分量表现为直流量，可由低通滤波器来进行分离。例如，在以7倍频率旋转的同步坐标系中，三相坐标系下的7次谐波分量表现为直流量，而基波分量表现为-6次谐波分量，经过lpf后可将表现为直流量的7次谐波分量提取。
[0192]
调制单元235用于将获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制，以获取控制信号；
[0193]
作为可选的一种实施方式，调制单元235用于将获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行svpwm
调制，以获取控制信号；
[0194]
控制单元236用于将控制信号传输至逆变器，由逆变器根据控制信号输出调整三相交流电压至永磁同步电机，以控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值。
[0195]
作为可选的一种实施方式，如图7所示，第二获取单元212包括第一获取子单元2121和第二获取子单元2122；
[0196]
第一获取子单元2121用于获取永磁同步电机在至少一个电周期内的磁链信息，磁链信息包括反电动势数据或永磁磁链数据中的至少一种；
[0197]
第二获取子单元2122用于对一个电周期内的磁链信息做傅立叶变换，并根据傅立叶变换的结果获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号。
[0198]
在具体实施过程中，例如，以一台10极12槽表贴式永磁同步电机为例，其三相反电动势波形图及a相反电动势频谱如图5所示，由图5可以看出有较多的3、5、7次谐波含量较多，对于y型接法三相永磁同步电机，3次谐波由于是零序分量在常规情况下不会影响输出转矩，因此如前述分析5、7次谐波为转矩脉动的主要来源；图6为电机转速300r/min时，不同策略下的三相电流、d轴、q轴谐波电流、转矩、电压矢量幅值的实验结果，图6中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应为常规矢量控制策略、正弦电流控制策略、q轴谐波注入转矩脉动抑制策略、转矩脉动抑制策略。需要说明的是，对于后三种策略，均采用图4所示的谐波分离策略对电流谐波进行离并通过pi调节器进行调控。
[0199]
如图6中的(a)所示，采用常规矢量控制策略时，由于无法有效调控5、7次谐波电流，相电流中有较明显的5、7次谐波分量，d轴和q轴谐波电流参考值中有较明显的6次谐波分量，转矩脉动中同样存在较明显的6次谐波分量；
[0200]
如图6中的(b)所示，采用正弦电流控制策略时，5、7次谐波电流得到较好的抑制，相电流正弦度较高，d轴和q轴谐波电流呈现为直流量，由于被控电机的永磁磁链存在谐波，此时转矩脉动虽有减小但仍旧存在；
[0201]
如图6中的(c)所示，采用q轴谐波注入转矩脉动抑制策略时，仅q轴存在优化得到的谐波分量，可以看到转矩脉动得到了较为明显的抑制；
[0202]
需要说明的是，上述常规矢量控制策略、正弦电流控制策略以及q轴谐波注入转矩脉动抑制策略这三种策略均会产生较大的电压矢量幅值波动，即需要额外的谐波电压来完成，这在电压裕量较低的工况难以有效实现。
[0203]
如图6中的(d)所示，采用本发明所提出的转矩脉动抑制策略时，不仅转矩脉动得到了较好的抑制，电压矢量幅值也没有明显的波动，即实现了高电压利用率下的转矩脉动抑制。
[0204]
本实施例通过在电流中注入q轴谐波电流抑制转矩脉动，并通过在电流中注入d轴谐波电流抑制q轴谐波电流注入所产生的压矢量幅值波动，实现了对永磁同步电机的转矩脉动抑制的同时，也抑制了逆变器输出电压矢量幅值的波动，相较于传统策略提高了电压利用率。
[0205]
实施例3
[0206]
图8为本发明实施例3提供的一种电子设备的结构示意图。电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现实
施例1的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。图8显示的电子设备30仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0207]
如图8所示，电子设备30可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备30的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器31、上述至少一个存储器32、连接不同系统组件(包括存储器32和处理器31)的总线33。
[0208]
总线33包括数据总线、地址总线和控制总线。
[0209]
存储器32可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(ram)321和/或高速缓存存储器322，还可以进一步包括只读存储器(rom)323。
[0210]
存储器32还可以包括具有一组(至少一个)程序模块324的程序/实用工具325，这样的程序模块324包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0211]
处理器31通过运行存储在存储器32中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本发明实施例1的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
[0212]
电子设备30也可以与一个或多个外部设备34(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口35进行。并且，模型生成的设备30还可以通过网络适配器36与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图8所示，网络适配器36通过总线33与模型生成的设备30的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备30使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、raid(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0213]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
[0214]
实施例4
[0215]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现实施例1所提供的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
[0216]
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
[0217]
在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行实现实施例1所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。
[0218]
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
[0219]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和
修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述抑制方法包括：获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；基于所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值，向所述永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；所述q轴谐波电流与所述q轴谐波电流参考值对应，用于抑制所述永磁同步电机的转矩脉动；所述d轴谐波电流与所述d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向所述永磁同步电机的电流中注入所述q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。2.如权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述抑制方法还包括：控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。3.如权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述获取q轴谐波电流参考值的步骤包括：获取永磁同步电机的转矩信息、转速信息、磁链信息中的至少一种；根据所述转矩信息、所述转速信息、所述磁链信息中的至少一种，获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号，并分别获取所述目标信号的各次谐波分量幅值以及各次谐波分量相位；基于所述各次谐波分量幅值中的主导谐波分量幅值确定因所述主导谐波分量幅值导致的转矩脉动；根据所述转矩脉动获取所述q轴谐波电流参考值。4.如权利要求1所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，获取所述d轴谐波电流参考值的步骤包括：获取定子电压的α轴对应的电压分量以及β轴对应的电压分量；根据所述α轴对应的电压分量以及所述β轴对应的电压分量计算得到电压矢量幅值；通过带通滤波器从所述电压矢量幅值中提取得到目标倍频电压分量；对所述目标倍频电压分量进行90
°
相移处理，得到90
°
相移处理后的目标倍频电压分量；以所述目标倍频电压分量以及所述90
°
相移处理后的目标倍频电压分量组合后，以角度值为目标倍电角度的αβ坐标系至dq坐标系的坐标变换得到两个直流分量；通过比例积分调节器对所述两个直流分量进行调节，得到所述比例积分调节器的输出值，所述比例积分调节器进行调节的参考值为0；对所述比例积分调节器的输出值以角度值为所述目标倍电角度的dq坐标系至αβ坐标系的坐标变换得到两个交流分量；从所述两个交流分量中获取α轴对应的交流分量作为所述d轴谐波电流参考值。5.如权利要求2所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述控制q轴谐波电流的实际值以及d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值的步骤包括：
获取向所述永磁同步电机的相电流中注入的q轴谐波电流的实际值和d轴谐波电流的实际值；比较所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值与所述q轴谐波电流的实际值和所述d轴谐波电流的实际值，以获取电流误差；获取所述电流误差的基波分量和各次谐波分量；将所述电流误差的基波分量和各次谐波分量在多同步旋转坐标系下分别使用比例积分调节器进行调节，并根据所述比例积分调节器的输出值获取对应的电压；将所述获取对应的电压从多个同步旋转dq坐标系下变换至αβ坐标系后相加，以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制，以获取控制信号；将所述控制信号传输至逆变器，由所述逆变器根据所述控制信号输出调整三相交流电压至所述永磁同步电机，以控制所述q轴谐波电流的实际值以及所述d轴谐波电流的实际值分别趋向所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值。6.如权利要求5所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行调制的步骤包括：以得到的αβ坐标系对应的电压为参考电压进行svpwm调制。7.如权利要求3所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号的步骤包括：获取所述永磁同步电机在至少一个电周期内的磁链信息，所述磁链信息包括反电动势数据或永磁磁链数据中的至少一种；对一个电周期内的所述磁链信息做傅立叶变换，并根据傅立叶变换的结果获取包含q轴谐波电流的频域信息的目标信号。8.如权利要求4所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述带通滤波器的通带范围至少覆盖所述目标倍频电压分量的频带范围，并隔绝所述直流分量以及其他频率的交流分量。9.一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制系统，其特征在于，所述抑制系统包括计算模块和注入模块；所述计算模块用于获取q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值；所述注入模块用于基于所述q轴谐波电流参考值以及所述d轴谐波电流参考值，向所述永磁同步电机的电流中注入q轴谐波电流以及d轴谐波电流；所述q轴谐波电流与所述q轴谐波电流参考值对应，用于抑制所述永磁同步电机的转矩脉动；所述d轴谐波电流与所述d轴谐波电流参考值对应，用于抑制向所述永磁同步电机的电流中注入所述q轴谐波电流时所产生的电压矢量幅值的波动。10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述的基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法。

技术总结
本发明公开了一种基于谐波注入的永磁同步电机转矩脉动的抑制方法、系统，该方法包括：向永磁同步电机的电流中注入与q轴谐波电流参考值以及d轴谐波电流参考值对应的q轴谐波电流以及d轴谐波电流；q轴谐波电流与q轴谐波电流参考值对应，用于抑制永磁同步电机的转矩脉动；d轴谐波电流与d轴谐波电流参考值对应，用于抑制逆变器输出电压矢量幅值的波动。本发明通过在电流中注入q轴谐波电流抑制转矩脉动，并通过在电流中注入d轴谐波电流以抑制q轴谐波电流注入所产生的电压矢量幅值波动。实现了对永磁同步电机的转矩脉动抑制的同时，也抑制了逆变器输出电压矢量幅值的波动，相较于传统策略提高了电压利用率。策略提高了电压利用率。策略提高了电压利用率。


技术研发人员：吴立建 吕泽楷 易佳力 刘嘉明 王思奇 李开旭 朱志权 赵大文
受保护的技术使用者：上海电气风电集团股份有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/26