考虑铁损的永磁同步电机谐波抑制策略_林巨广.pdf
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1、第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报(自 然 科 学 版)()收稿日期:;修回日期:基金项目:安徽省科技重大专项资助项目()作者简介:林巨广(),男,安徽六安人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师:考虑铁损的永磁同步电机谐波抑制策略林巨广,陈聪,王登峰(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 )摘要:针对永磁同步电机(,)中谐波电流引起的转矩脉动问题,文章提出一种考虑铁损的谐波抑制算法。首先建立考虑铁损电阻的凸极式 等效电路模型,得到状态空间方程以及电压方程表达式;然后引入模型参考自适应系统(,)来辨识铁损电阻,并在此基础上加入反馈校正环节;最后将辨识得到的铁损电阻引入到谐波抑制算
2、法中,以抑制铁损对控制系统的影响,增强谐波抑制效果。仿真和实验结果表明,加入反馈校正环节的 可以快速准确地辨识铁损阻值,所提算法可以有效地减少谐波含量。关键词:永磁同步电机();铁损电阻;模型参考自适应系统();转矩脉动;电流谐波抑制中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):(),(),:();();引言永磁同步电机(,)因具有较强的过载能力、高效率、结构紧凑等优势在新能源汽车行业中得到广泛应用。电机在工作过程中会受齿槽效应、磁路饱和效应、转子磁极结构、死区时间、管压降等因素的影响而产生高次谐波,导致输出电压畸变。这些因素会造成电机输出转矩脉动,进而影响电机的性能、应用精度和准确性。目前
3、,国内外学者对谐波抑制方法的研究可分为类:优化电机的本体结构和逆变器,以降低反电动势中的谐波分量;优化控制策略,通过谐波补偿来抑制电机电流谐波。文献 基于电压注入的方式来抑制高速永磁电机运行时相电流中的谐波分量,但主要针对隐极电动机,对于凸极电动机并不适用;文献 基于谐波电压补偿的方式,将次、次谐波电压作为前馈并联电流环,提高闭环系统的灵敏性,但使用传统的低通滤波器提取次、次谐波电流,动态响应时间长,稳态误差大;文献 根据测试信号和测量的速度谐波实现最佳谐波电流设计,以实现转矩脉动最小化;文献 设计了谐波电流调节器,通过与电流内环的基波电流调节器的并联,实现对电流的基波分量和谐波分量的解耦控制
4、;文献 使用自抗扰控制器取代传统 控制器在电机电流环中的作用,通过补偿系统扰动的方式抑制谐波的产生。但上述谐波抑制策略的研究均是基于简化的 等效电路模型,该模型以定子铜损作为电机运行中的唯一损耗而忽略铁芯损耗。铁损不仅影响到矢量控制定向的准确性,降低系统的动态性能,而且还会影响到转矩和磁链的控制精度,降低系统的稳态性能。因此,建立包含铁损的电机数学模型并基于此设计相应的控制算法,以抑制铁 损 对 控 制 系 统 的 影 响,对 进 一 步 提 高 电驱动系统的性能具有重要的意义。文献 建立了考虑铁损的电机数学模型,并利用 模 型 参 考 自 适 应 系 统(,)方法对铁损电阻进行实时辨识,但动
5、态响应时间长,稳态误差大;文献 设计卡尔曼观测器对定子电流铁耗分量进行观测,并将定子电流铁耗分量的观测结果引入最小损耗电流预测过程中;文献 利用自适应神经模糊推理系统,通过大量的训练,得到期望的训练样本来辨识铁损电阻,并将辨识得到的铁损电阻引入最小损耗反推控制中。针对三相电流畸变所引起的转矩脉动问题,本文根据考虑铁损的 等效电路模型,得到状态空间方程以及电压方程表达式;考虑到电机在运行过程中铁损电阻不断变化的问题,采用引入误差校正环节的 在线辨识铁损电阻,避免参数整定误差对谐波抑制效果的影响,以完善 系统的数学模型;根据辨识得到的铁损电阻,提出一种考虑铁损电阻的谐波抑制策略;最后,通过仿真和实
6、验验证该算法的有效性,该算法能有效抑制电机相电流中的谐波。铁损模型将铁芯损耗等效成在一铁芯内阻上产生的损耗,这个等效内阻即为铁损电阻,得到考虑铁损电阻的 在轴、轴上的等效电路模型,如图所示。图同时考虑铁损和铜损的电机等效电路图中:、为轴、轴上定子电压的分量;、为轴、轴上定子电流的分量;、为轴、轴上电子电感的分量;为每项绕组的等效电阻;为铁损等效电阻;为转子电角速度;、为轴、轴上等效铁损电流的分量;、为轴、轴上扭矩电流的分量。根据图分别写出轴、轴下的电压方程和电流方程为:,()(),()轴、轴下的磁链方程为:,()其中,、分别为轴、轴磁链。由()()式得到的考虑铁损的扭矩电流的微分方程及电压方程
7、为:,()合肥工业大学学报(自然科学版)第 卷(),()()其中,为()。基于 的铁损电阻辨识铁耗的大小主要取决于电机运行频率的大小以及磁感应强度的幅值。在 运行过程中,系统的运行状态不同,铁损电阻也会发生变化。因此,如 何 准 确 地 辨 识 铁 损 电 阻,对 于 完 善 数学模型以及避免参数整定误差对谐波抑制策略效果的影响具有重要意义。为了实现快速准确地辨识铁损电阻,提出用引入了反馈校正环节的 来辨识铁损电阻的方法。在控制系统的参数辨识方面应用广泛,本文将铁损电阻看作电机的状态空间方程系数矩阵中的未知参数,根据 超稳定理论,设计自适应控制律,使可调模型快速逼近真实的电机模型,从而实时获取
8、值。传统 结构框图如图所示。图传统 结构框图为了进一步提高传统 中个模型之间误差的收敛速度,本文在传统 的基础上引入了误差校正环节,以反馈的方式连续校正可调模型的输出,进一步加快个模型之间误差的收敛 速 度,改 进 后 的 结 构 框 图 如 图 所示。在()式的基础上构建可调模型,并改写为状态方程的形式,即 (),()图改进后的 结构框图此时,对铁损电阻的辨识转换为对系数矩阵中未知参数的辨识。之后,将()式中相应的变量用估计值代替,加入反馈校正环节,可以得到以状态观测器形式表示的可调模型为:(),()其中:为可调模型估计的状态变量;、为待辨识的系数矩阵;()为加入的反馈校正环节;为反馈校正增
9、益矩阵,的选择要满足 的稳定性要求。将()式与()式相减得到:?(),()其中,、表示待辨识矩阵的估计误差。根据 超稳定理论,结合极点配置原则并满足 的稳定性要求,可以设置反馈校正增益矩阵为:()()()()()其中,为大于等于的常数。此时可得:()第期林巨广,等:考虑铁损的永磁同步电机谐波抑制策略由()式可知,矩阵的主对角线元素皆为负值,满足 的稳定性要求。由于改进后的 加入了反馈校正项,形成了闭环状态估计,故而加快了个模型之间误差的收敛速度。根据 超 稳 定 理 论,的 自 适 应 律 可 表示为:()()()()考虑铁损的谐波电压补偿策略考虑铁阻的谐波抑制数学模型 控制系统中,各变量之间
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