一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。

Torque ripple suppression method of permanent magnet motor based on direct torque control

The invention discloses a method for suppressing the torque ripple of permanent magnet motor based on direct torque control of permanent magnet motor, direct torque control strategy is used: direct injection of additional harmonic torque on the basis of the given electromagnetic torque, the additional harmonic torque and cogging torque in the fundamental component and harmonic components of equal amplitude and opposite phase, offset each other. The suppression of torque ripple. The present invention is directed to the finished motor has completion of the manufacture or purchase, especially the permanent magnet motor torque is large, the invention does not need to increase the cost of the motor drive control, only need to modify the control software, simple and efficient, low cost, good versatility.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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
，为。
技术介绍
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id = 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。
技术实现思路
针对现有技术上存在的不足，本专利技术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，本专利技术是通过如下的技术方案来实现本专利技术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。本专利技术具体包括以下步骤(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。本专利技术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。本专利技术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；而本专利技术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)通过实施本专利技术技术后，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专利技术；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是本专利技术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。具体实施例方式为使本专利技术实现的技术手段、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，进一步阐述本专利技术。本专利技术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。本专利技术无需任何电流的调节与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于直接转矩控制的永磁电机转矩脉动抑制方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：花为，贾红云，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84