基于电压补偿法的PMSM谐波电流抑制策略研究

发布时间：2020-08-14 17:16

【摘要】：永磁同步电机交流伺服系统非常适用于对精度要求较高的驱动场合,这些场合要求电机的定子电流波形平滑度高、转矩脉动小。但由于逆变器具有很强的非线性并且PMSM运行时气隙磁场会产生畸变,导致PMSM的定子电流中含有大量的高次谐波并且引发较大的转矩脉动。因此,研究抑制谐波电流的控制策略,对于提高控制系统的性能十分重要。首先,分析了PMSM谐波电流产生的原因;建立了考虑谐波电流的PMSM数学模型;研究了抑制谐波电流的控制方法。针对传统电压补偿法采用低通滤波器来提取直流量,动态响应时间较长、稳态误差较大的问题,提出采用闭环电流平均值法来提取直流分量,提高了系统的快速性和稳定性。但是基于闭环电流平均值法的电压补偿法需要进行四次坐标变换及六个PI控制器来调节参数,计算过程及参数调节较为复杂。为了降低算法复杂度,采用基于级联型二阶广义积分器的电压补偿法,将级联型二阶广义积分器与电流环PI控制器并联,利用级联型二阶广义积分器提取出d、q轴电流中的6次谐波,该方法不需要进行坐标变换并且PI调节器减少为两个,降低了系统的运算量,节省了存储空间。其次,对两种电压补偿算法进行仿真研究,对电流与转矩频谱进行分析,采用基于闭环电流平均值法的电压补偿法,A相电流总THD由9.05%下降到5.28%,6次转矩脉动由0.094Nm下降到0.044Nm;采用基于级联型二阶广义积分器的电压补偿法,A相电流总THD由9.05%下降到2.85%,6次转矩脉动由0.094Nm下降到0.017Nm。仿真结果验证了两种电压补偿算法的有效性。最后,将两种电压补偿算法分别在PMSM伺服驱动实验平台上进行验证,对相电流波形及频谱进行分析,得到了以下结论:采用基于闭环电流平均值法的电压补偿法,5次谐波幅值占基波的百分比由45%下降到30%,7次谐波幅值占基波的百分比由42%下降到26%;采用基于级联型二阶广义积分器的电压补偿法,5次谐波幅值占基波的百分比由45%下降到24%,7次谐波幅值占基波的百分比由42%下降到22%。实验结果证明这两种电压补偿算法都可以对有效地抑制电流谐波。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：

坐标系,数学模型,abc坐标系

型的建立大、调速性能好，得到了日益广泛的应用，导致 PMSM 在运行时相电流中会产生大量绍了 PMSM 在不同坐标系下的数学模型，立了考虑 PMSM 电流谐波的数学模型，为模型的建立建立建立常用到三种坐标系，分别是abc坐标系系统进行分析时，需要进行不同坐标系之间幅值恒定或功率恒定的Clarke和Park 变换坐标系间的变换(Clarke变换)：

坐标系,abc坐标系,数学模型,磁路

6（2）坐标系与dq坐标系间的变换(Park 变换)如图 2-2 所示：图2-2 坐标系与dq 坐标系间的变换Fig.2-2 Transformation between Coordinate System anddq Coordinate System两相旋转坐标系中的分量设为dx 、qx ，根据图 2-2 得到两坐标系之间变换公式如式（2-3）和（2-4）所示：cos sinsin cose ee edqxxxx （2-3）cos sinsin cose ee edqxxxx （2-4）式中：e —— 电机的电角速度/rad/s；e —— 电机的电角度/rad，且e=e t。由公式（2-1）和（2-3）可以得到abc坐标系到dq坐标系的恒幅值变换矩阵如式（2-5）所示： cbaeeeeeeqdxxxxx)32)sin(32sinsin()32)cos(32coscos( （2-5）2.1.2 PMSM 数学模型的建立PMSM 的数学模型就是电压、电流、磁链等各个物理量之间的数学关系，为了得到简化的数学模型需对 PMSM 进行假设使其成为理想电机，一般假设如下：（1）永磁体的磁路不发生饱和，假设为线性磁路；（2）定子绕组成 Y 形连接，三相绕组各差 120 ；（3）忽略磁滞损耗和涡流效应。在abc坐标系下，PMSM 电压方程如式（2-6）所示：

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图 2-5 三相全桥逆变电路Fig.2-5 Three-phase Full Bridge Inverter Circuit~V6—— 功率器件 IGBT；D1~VD2—— 反并联二极管；、B、C —— 等效三相绕组。况下，驱同一个桥臂上下两个功率器件的动信号是互补信号，但实际的的导通关断时间，通常导通时间小于关断时间，若同一桥臂一个功功率管导通，此时两个功率管都导通，此时直流母线电压过大、功为了避免两个功率器件同时导通，必须加入一定的死区时间，使一件先关断后导通。死区时间的不断累积会导致输出电压中产生很大的路中还要考虑开关管管压降和并联续流二极管的导通压降，由于死区的存在使得逆变器输出电压与输入电压存在一定的偏差，导致输出的从而造成相电流畸变及较大的转矩脉动。

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