[发明专利]基于非线性空间矢量脉宽调制的电机负载脉动的补偿方法

摘要

本发明涉及一种基于非线性空间矢量脉宽调制的电机负载脉动的补偿方法，属于电机控制技术领域。本方法实时检测电机运行速度及电机三相电流的变化，判断电机负载脉动是否超过预定值，如果是则进行非线性反馈补偿负载脉动，对空间矢量PWM中的相邻矢量作用时间进行调整，补偿由于负载脉动引起的电机转速波动。如果负载脉动在允许范围内，则无需补偿，按传统空间矢量脉宽调制方式进行电机控制。本发明方法可有效控制电机带负载情况下产生的脉动，使电机平稳运行。本方法可有效抑制永磁同步电机高速运行时的电磁噪声，减小电机运行时对环境的噪声污染；并提高永磁同步电机低速运行时的工作效率，扩展了电机的应用范围。

主权项

1.一种基于非线性空间矢量脉宽调制的电机负载脉动的补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（1）将永磁同步电机的电流矢量按磁场定向坐标分解成产生磁通的励磁电流分量i_d和产生转矩的转矩电流分量i_q，并使励磁电流分量i_d和转矩电流分量i_q互相垂直；（2）设永磁同步电机为角度互差120°的A、B、C三相定子绕组，并设三相定子绕组的相电压分别为U_a，U_b，U_c，则有：U_s＝U_a+aU_b+α²U_c＝U_msinωt-jU_mcosωt＝U_me^-jωt其中U_s为永磁同步电机三相定子电压的合成矢量，该合成矢量的轨迹为圆，U_m为三相定子绕组相电压幅值，ω是永磁同步电机的转子角频率；（3）实时检测永磁同步电机的任意两相定子的相电流i_a和i_b，并分别对i_a和i_b进行矢量变换，得到矢量变换后的产生磁通的励磁电流分量i_d和产生转矩的转矩电流分量i_q，对i_d和i_q分别通过比例积分调节，得到永磁同步电机三相定子的交直流轴电压值U_d和U_q，对交直流轴电压值U_d和U_q进行坐标变换，得到永磁同步电机三相定子的电压值U_α和U_β；（4）在两相静止（α，β）坐标系中的任意一参考电压矢量U_ref都可以由八个基本电压空间矢量中的与这一个矢量相邻的两个基本电压空间矢量来合成；将永磁同步电机的电压矢量空间划分为第Ⅰ扇区、第Ⅱ扇区、第Ⅲ扇区、第Ⅳ扇区、第Ⅴ扇区和第Ⅵ扇区，每个扇区为60°，根据步骤（3）的永磁同步电机三相定子的电压值U_α和U_β，判断上述参考电压矢量U_ref所在扇区，若U_α＞0，U_β＞0，且则参考电压矢量U_ref处于第Ⅰ扇区；若U_α＞0，U_β＞0，且则U_ref处于第Ⅱ扇区；当U_α＜0，U_β＞0，且则U_ref处于第Ⅲ扇区；若U_α＜0，U_β＜0，且则U_ref处于第Ⅳ扇区；若U_α＜0，U_β＜0，且则U_ref处于第Ⅴ扇区；若U_α＞0，U_β＜0，且则U_ref处于第Ⅵ扇区；（5）根据上述参考电压矢量U_ref所在扇区，通过下式计算组成该扇区的两个相邻基本电压空间矢量的作用时间T₁和T₂：UiT1+Ui+1T2+U0T0=UrefTsTs=T1+T2+T0]]>其中T_s为设定的计算参考电压矢量的采样周期，T₀是零矢量作用时间，U_i和U_i+1是相邻基本电压空间矢量，i取值为1～6之间的整数；各扇区矢量作用时间如下：第Ⅰ扇区：T1=(32Uβ-32Uα)Ts/Ud,]]>T2=3UβTs/Ud]]>第Ⅱ扇区：T1=(32Uβ-32Uα)Ts/Ud,]]>T2=(32Uα+32Uβ)Ts/Ud]]>第Ⅲ扇区：T1=3UβTs/Ud,]]>T2=-(32Uα+32Uβ)Ts/Ud]]>第Ⅳ扇区：T1=-3UβTs/Ud,]]>T2=(32Uβ-32Uα)Ts/Ud]]>第Ⅴ扇区：T1=-(32Uα+32Uβ)Ts/Ud,]]>T2=-(32Uβ-32Uα)Ts/Ud]]>第Ⅵ扇区：T1=(32Uα+32Uβ)Ts/Ud,]]>T2=-3UβTs/Ud]]>T₀＝T_s-T₁-T₂；其中U_d是逆变器直流母线电压；（6）实时检测永磁同步电机的转子角速度ω_r，并设定一个电机转速阈值ω，将ω_r与ω比较，若ω_r≤ω，则继续检测电机的转子角速度，若ω_r＞ω，则计算ω_r与ω的差值ε，根据差值ε，得到非线性误差补偿函数f(ε，α，δ)的函数值，根据该函数值，得到调整后的基本电压空间矢量作用时间T₁和T₂：T1*=T1-f(ϵ,α,δ)n1]]>T2*=T2-f(ϵ,α,δ)n2]]>其中T_i^*，T_i+1^*是调整后的相邻电压矢量的作用时间，n₁的取值范围是100~256，n₂的取值范围是80~240；其中f(ε，α，δ)为非线性误差补偿函数，表式为：f(ϵ,α,δ)=|ϵ|αsgn(ϵ),|ϵ|>δ,ϵδ1-α,|ϵ|≤δ,δ>0]]>ε为转子角速度差值，α和δ为函数f(ε，α，δ)的设定系数，α的取值范围为0～1，δ的取值范围为0～10，sgn(ε)是符号函数，当ε＞0，则sgn(ε)＝1，当ε≤0，则sgn(ε)＝-1；（7）根据上述设定的计算参考电压矢量的采样周期T_s，对步骤（5）得到的基本电压空间矢量作用时间T₁和T₂和步骤（6）得到的调整后的基本电压空间矢量作用时间T₁^*和T₂^*进行过调制处理：若T₁+T₂≤T_s，则重复步骤（5）~（6）；若T₁^*+T₂^*≤T_s，则重复步骤（5）~（6）；若T₁+T₂＞T_s，则T1′=T1T1+T2*TsT2′=T2T1+T2T0′=0*Ts]]>若T₁^*+T₂^*＞T_s，则T1′=T1*T1*+T2**TsT2′=T2*T1*+T2*T0′=0*Ts]]>其中T′₁，T′₂，T′₀分别为过调制处理后的矢量作用时间；（8）根据上述步骤（5）-（7）得到的基本电压空间矢量的作用时间，向与永磁同步电机相连的逆变器输出六路互补脉宽调制波，并根据逆变器实际情况配置死区时间，实现对永磁同步电机的负载脉动补偿。