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技术领域

本发明属于电机驱动控制技术领域，涉及一种基于谐波电流注入的永磁同步电机 转矩波动控制装置及系统。

背景技术

典型的电机驱动控制系统由逆变器、电机控制和电动机三部分组成。逆变器通过 保险丝和继电器与动力电池或与其他类型电源相连，通过脉宽调制技术(PWM)将直流电转 换为交流电用于驱动负载。在电动机上装有检测电机位置的传感器。在逆变器设备和电动 机之间设有电流传感器用于检测三相电流。通过空间矢量变换将三相静止坐标系相电流转 换为转子坐标系的直交轴电流，从而达到类似直流电机磁链和转矩相解耦的控制。为产生 恒定电磁转矩，要求永磁同步电机的电动势和相电流均为正弦波，而永磁励磁磁场在空间 的分布不可能是完全正弦的，存在畸变。另一方面，由于空间位置调制(SVPWM)和死区的影 响定子电流也不可能完全正弦，电流中存在高次谐波。对于星形接法的三相永磁同步电机， 电机转矩是由磁链和电流相互作用产生的，不同次数谐波电动势和电流作用将产生脉动频 率为基波频率6倍次的谐波转矩，其幅值与感应电动势和电流波形的畸变率有关。虽然谐波 转矩的平均值为零，但是瞬时转矩却是周期性波动的，在车辆起步或者低速爬行等工况下， 电机转矩波动将影响驾驶平顺性，因此，减低低速段的电机转矩脉动至关重要。

专利文献“旋转电机控制装置”(申请号：201080005927.4)提出根据旋转电机的旋 转状态确切地抑制转矩波动的旋转电机控制装置，首先判断旋转电机的输出转矩指令的正 负，根据上述输出转矩的正负将注入谐波转矩修正波，其基准相位的相位差设定为修正参 数，该修正波用于降低上述旋转电机的转矩波动。该发明是在转矩指令基础上叠加谐波转 矩补偿量，由于无谐波电流幅值和相位的检测与闭环控制，因此属于间接的电流开环控制， 其控制精度受限。

专利文献“电动车辆驱动控制装置及电动车辆驱动控制方法”(申请号： 200510078048.5)具有计算发电机目标转矩的计算机构，基于发电机惯性转矩计算惯性修 正转矩的处理机构，基于惯性修正转矩产生驱动马达目标转矩的处理机构，对输出转矩波 动修正的阻尼修正处理机构。由于对惯性修正转矩、修正输出转矩的计算能够补充输出转 矩与整车需求的不足，从而抑制车辆振动。该专利从动力总成构型和整车控制角度提出了 抑制车辆扭振的方法，但是车辆产生扭振的根本原因是电机转矩波动过大造成，因此抑制 电机转矩波动可以更直接有效的解决车辆扭振问题。

专利文献“混合动力车的控制装置和控制方法”(申请号：201110037648.2)公开了 一种混合动力车的控制装置和控制方法。当具有起动或停止发动机的请求时，判定前部驱 动转矩是否在齿轮噪声产生转矩区域内。当判定前部驱动转矩在齿轮噪声产生转矩区域 时，在前、后车轮之间的转矩分配被改变，以便前部驱动转矩不再在齿轮噪声产生转矩区域 内。此外，当电动-发电机的转矩增大时，前部驱动转矩增大。因此，由于前部驱动转矩变为 等于或小于零，故防止在齿轮机构中产生齿轮噪声，而不考虑发动机起动或停止时的相对 较大的转矩波动。该专利适用于具有行星齿轮机构的双电机系统而不是从电机自身角度进 行转矩波动的抑制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机转矩波动控制装置及系统，该 装置及系统通过独立的电流传感器和逆变器对基波电流和谐波电流进行闭环解耦控制，从 而解决三相永磁同步电机因谐波电动势和电流波形畸变引起的转矩波动(谐波转矩)问题， 达到抑制转矩波动的作用。

为了解决上述技术问题，本发明的永磁同步电机转矩波动控制装置包括永磁同步 电机、电机位置传感器、电机控制单元，其特征在于还包括基波电流控制逆变器、谐波电流 控制逆变器、基波相电流传感器和谐波相电流传感器；电机位置传感器采集永磁同步电机 转子绝对位置信息并将其输出到电机控制单元；电机控制单元的基波电压控制信号和谐波 电压控制信号输出分别连接到基波电流控制逆变器、谐波电流控制逆变器；基波电流控制 逆变器和谐波电流控制逆变器的输出连接到永磁同步电机；基波相电流传感器设置于基波 电流控制逆变器与永磁同步电机之间的线路上，且其输出连接到电机控制单元；谐波相电 流传感器设置于谐波电流控制逆变器与永磁同步电机之间的线路上，且其输出连接到电机 控制单元。

所述永磁同步电机为每相具有两个独立引出线的三相永磁同步电机，六个接线端 子中三相接基波电流控制逆变器，另外三相接谐波电流控制逆变器。

所述谐波相电流传感器采用磁感应式传感器、非接触式传感器或者电阻型式的电 流传感器。

电机控制单元根据基波转矩指令、基波相电流传感器输出的电机静止三相坐标系 基波电流、电机位置传感器输出的电机转子位置进行计算处理得到基波电压控制信号；根 据基波转矩指令、谐波相电流传感器输出的电机静止三相坐标系谐波电流、电机位置传感 器输出的电机转子位置进行计算处理得到谐波电压控制信号。基波电流控制逆变器根据电 机控制单元输出的基波电压控制信号控制注入永磁同步电机的基波电流，谐波电流控制逆 变器根据电机控制单元输出的谐波电压控制信号控制注入永磁同步电机的谐波电流，实现 对永磁同步电机基波电流和谐波电流的闭环解耦控制，从而解决三相永磁同步电机因谐波 电动势和电流波形畸变引起的转矩波动(谐波转矩)问题，达到抑制转矩波动的作用。

本发明的永磁同步电机转矩波动控制系统包括基波电流控制单元和谐波电流控 制单元；基波电流控制单元包括基波相电流CLARK&PARK变换单元、基波dq轴电流指令查表 单元、基波转速计算单元、基波电流PI和电压解耦控制单元、基波位置补偿单元和基波 CLARK&PARK逆变换单元；谐波电流控制单元包括谐波相电流CLARK&PARK变换单元、谐波dq 轴电流指令查表单元、谐波转速计算单元、谐波电流PI和电压解耦控制单元、谐波位置补偿 单元和谐波CLARK&PARK逆变换单元；

基波相电流CLARK&PARK变换单元：接收基波相电流传感器输出的永磁同步电机静 止三相坐标系电流并将其转换为两相旋转坐标系的直交轴基波电流I_ds和I_qs；

基波dq轴电流指令查表单元：根据输入的基波转矩指令T*查表获得基波dq轴电流 指令参考I_ds^*和I_qs^*；

基波转速计算单元：接收电机位置传感器输出的电机转子位置θ，根据电机转子位 置θ计算基波转速ω；

基波电流PI和电压解耦控制单元：根据基波dq轴电流指令参考与基波相电流 CLARK&PARK变换单元输出的直交轴基波电流之差I_{ds_err}、I_{qs_err}做PI控制；接收基波相电流 CLARK&PARK变换单元输出的直交轴基波电流和基波转速计算单元输出的基波转速ω，根据 电压解耦计算公式(1)和公式(2)进行解耦控制，输出基波dq轴电压解耦量V_ds*、V_qs*；

V_ds*＝R×I_ds–ω×L_q×I_qs(1)

V_qs*＝R×I_qs+ω×(Ψ_m+L_d×I_ds)(2)

式中，R为永磁同步电机定子电阻，I_ds、I_qs为直交轴基波电流，L_d、L_q分别为d轴和q 轴电感；

基波位置补偿单元：根据基波转速计算单元输出的基波转速ω和常数1计算基波 位置补偿量，其中常数1为K1于T₁的乘积，并将基波位置补偿量输入到基波CLARK&PARK逆变 换单元，基波位置补偿量根据公式(5)计算；

θ₁＝θ+ω×K1×T₁(5)

θ为当前永磁同步电机转子位置；θ₁为基波位置补偿量；K1为位置补偿系数，1＜K1 ＜2；T₁为基波电流控制逆变器的载波周期；

基波CLARK&PARK逆变换单元：根据基波电流PI和电压解耦控制单元输出的基波d_q轴电压参考指令V_ds*和V_qs*和基波位置补偿单元输出的基波位置补偿量计算基波电压控制 量，并将其进行CLARK&PARK逆变换，最终输出基波电压控制信号V_a1*，V_b1*和V_c1*；

谐波相电流CLARK&PARK变换单元：接收谐波相电流传感器输出的永磁同步电机静 止三相坐标系电流及电机转子位置θ乘以极对数后得到的结果，并将永磁同步电机静止三 相坐标系电流转换为两相旋转坐标系的直交轴谐波电流I_ds6和I_qs6；

谐波dq轴电流指令查表单元：根据基波转速ω、基波转矩指令T*和电机位置传感 器输出的转子位置θ查表获得谐波dq轴电流指令参考I_ds6*和I_qs6*；

谐波转速计算单元：接收电机位置传感器输出的电机转子位置θ，根据电机转子位 置θ和永磁同步电机的极对数计算谐波转速ω*；

谐波电流PI控制单元：根据dq轴谐波电流指令参考与谐波相电流CLARK&PARK变换 单元输出的直交轴谐波电流之差I_{ds6_err}和I_{qs6_err}做PI控制，根据电压解耦计算公式(3)和公 式(4)进行解耦，输出谐波dq轴电压解耦量V_ds6^*、V_qs6^*；

U_sd6＝R×I_sd6–P×ω*×Ψ_q63)

U_sq6＝R×I_sq6+P*ω*×Ψ_d64)

I_sd6，I_sq6为谐波dq轴电流反馈；ω*为谐波转速；P为极对数；Ψ_d6，Ψ_q6为谐波dq轴 磁链；

谐波位置补偿单元：根据谐波转速计算单元输出的谐波转速ω^*和常数2计算谐波 位置补偿量，其中常数2为K2与T₆的乘积，并将谐波位置补偿量输入到谐波CLARK&PARK逆变 换单元，谐波位置补偿量根据公式(6)计算；

θ₆＝θ+P×ω^*×K2×T₆(6)

其中，θ为当前永磁同步电机转子位置；θ₆为谐波位置补偿量；K2为位置补偿系数， 1＜K2＜2；T₆为谐波电流控制逆变器的载波周期；

谐波CLARK&PARK逆变换单元：根据谐波电流PI控制单元输出的谐波dq轴电压解耦 量V_ds6^*、V_qs6^*和谐波位置补偿单元输出的谐波位置补偿量计算谐波电压控制量，并将其进行 CLARK&PARK逆变换，最终输出谐波电压控制信号V_a2^*，V_b2^*和V_c2^*给谐波电流控制逆变器。

由于上述技术方案的运用，本发明的优点在于：

1.基波电流和谐波电流通过独立的电流传感器和逆变器进行解耦控制，因此，无 论是基波还是谐波电流均可进行闭环控制；由于电流控制环是转矩控制环的内环，也就是 说转矩控制是通过电流控制达到的，因此，通过对谐波电流的直接控制可以有效抑制转矩 波动，提高转矩输出的稳定性。

2.电机被分成两个独立的三相永磁通过电机，电机每相输出线有两个输出端，每 相可以接一定匝数定子绕组，匝数可以根据基波电流和谐波电流的幅值进行灵活分配，一 般情况下，谐波电流幅值较小，谐波电流控制逆变器可以选择连接少数匝相线；另外，可以 选用小电流范围的磁感应式、非接触式传感器或者电阻型式的电流传感器测量谐波电流以 降低成本；虽然本发明涉及的电机相当于两个三相电机的机械(结构)集成，但是可以共用 一个位置传感器测量，减少部件数量，提高性价比以及车辆平顺性。

3.转矩波动(转矩脉动)主要是由电流和磁链相互作用产生的，其主要部分是电流 谐波与磁链基波成分相互作用产生的，因此，通过独立的电机绕组、逆变器和电流传感器对 谐波电流进行闭环控制，可以有效减小低转速区的转矩脉动，对整车的平顺性有非常大的 改善。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1a是永磁同步电机转矩波动控制装置结构框图；图1b是永磁同步电机转矩波动 控制系统结构框图。

图2是永磁同步电机输出相线原理图；

图3是永磁同步电机转矩波动控制流程图；

图4是谐波电流注入前的转矩输出波形图；

图5是谐波电流注入后转矩输出波形图。

具体实施方式

如图1所示，永磁同步电机转矩波动控制装置包括永磁同步电机1，电机位置传感 器2，基波相电流传感器3，谐波相电流传感4，基波电流控制逆变器5，谐波电流控制逆变器 6，电机控制单元7。

如图2所示，永磁同步电机1具有六个出线端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2；其中U1和U2 为U相的两个出线端，V1和V2为V相的两个出线端，W1和W2为W相的两个出线端；U1、V1和W1接 基波电流控制逆变器；U2、V2和W2接谐波电流控制逆变器。

电机位置传感器2安装在永磁同步电机1的转轴上，用于检测电机转子绝对位置， 其为绝对式位置传感器，例如旋转变压器或者绝对位置光电编码器。

基波相电流传感器3设置于基波电流控制逆变器5与永磁同步电机1之间，谐波相 电流传感器4设置于谐波电流控制逆变器6与永磁同步电机1之间。3个基波相电流传感器3 分别用于检测基波的U、V、W相电流，并将检测的相电流值输出到电机控制单元，3个谐波相 电流传感器4分别用于检测谐波的U、V、W相电流，并将检测的相电流值输出到电机控制单 元。基波相电流传感器3和谐波相电流传感器4可以是基于霍尔效应的非接触式电流传感 器，也可以是基于电流流经电阻产生电压的接触式电流传感器。其中谐波相电流传感器4可 以选用小电流范围的磁感应式、非接触式传感器或者电阻型式的电流传感器。

基波电流控制逆变器5将电机控制单元7输出的基波电压控制信号V_a1^*，V_b1^*和V_c1^*转换为与基波电流相关的电机驱动电压信号；谐波电流控制逆变器6将电机控制单元7输出 的谐波电压控制信号V_a2^*，V_b2^*和V_c2^*转换为与谐波电流相关的电机驱动电压信号，实现基波 电流、谐波电流的独立调节与控制。通过对谐波电流的直接控制可以有效抑制转矩波动，提 高转矩输出的稳定性。

如图1b所示，电机控制单元7包括基波电流控制单元8和谐波电流控制单元9。基波 电流控制单元8包括基波相电流CLARK和PARK变换单元81、基波dq轴电流指令查表单元82、 基波转速计算单元83、基波电流PI和电压解耦控制单元84、基波位置补偿单元85和基波 CLARK&PARK逆变换单元86；谐波电流控制单元9包括谐波相电流CLARK&PARK变换单元91、谐 波dq轴电流指令查表单元92、谐波转速计算单元93、谐波电流PI和电压解耦控制单元94、谐 波位置补偿单元95和谐波CLARK&PARK逆变换单元96。

如图3所示，电机控制单元7工作原理如下：

第一步：基波相电流CLARK&PARK变换单元接收基波相电流传感器输出的永磁同步 电机静止三相坐标系电流并将其转换为两相旋转坐标系的直交轴基波电流I_ds和I_qs；基波 转速计算单元接收电机位置传感器输出的电机转子位置θ，根据电机转子位置θ计算基波转 速ω。谐波相电流CLARK&PARK变换单元接收谐波相电流传感器输出的永磁同步电机静止三 相坐标系谐波电流及电机转子位置θ乘以极对数后得到的结果，并将永磁同步电机静止三 相坐标系电流转换为两相旋转坐标系的直交轴谐波电流I_ds6和I_qs6；谐波转速计算单元接收 电机位置传感器输出的电机转子位置θ，根据电机转子位置θ和永磁同步电机的极对数计算 谐波转速ω*。

第二步：接收基波转矩指令T*，基波转矩指令T*可以来自电机控制单元7内部以转 矩控制环为内环的控制系统(如转速控制环输出的转矩指令)，也可以来自整车控制器输出 的以转矩为控制目标指令(如根据油门踏板位置决定电机输出转矩指令)；

第三步：电机控制单元7将基波转矩指令T*分别输入到基波dq轴电流指令查表单 元82和谐波dq轴电流查表单元92。基波dq轴电流指令查表单元82根据基波转矩指令T^*查表 获得dq轴电流指令参考I_ds^*和I_qs^*；基波转矩指令T^*与dq轴电流指令参考I_ds^*、I_qs^*的对应关 系根据电机相电流扭矩特性曲线得到。谐波dq轴电流指令查表单元92根据基波转矩指令 T^*、基波转速计算单元输出的基波转速ω和电机位置传感器2输出的转子位置θ查表获得dq 轴谐波电流指令参考I_ds6^*和I_qs6^*；基波转矩指令T^*、基波转速ω、转子位置θ与dq轴谐波电流 指令参考I_ds6^*、I_qs6^*之间的对应关系与永磁同步电机本体设计参数和电流谐波关系紧密，可 以通过试验测试或者有限元计算获得。

第四步：基波电流PI和电压解耦控制单元84根据基波d轴电流指令参考I_ds^*与基波 d轴电流反馈I_ds(即直轴基波电流)之差I_{ds_err}和基波q轴电流指令参考I_qs^*与基波dq轴电流 反馈I_qs(即交轴基波电流)之差I_{qs_err}做PI控制，同时根据电压解耦计算公式(1)和公式(2) 进行解耦控制，输出基波dq轴电压解耦量V_ds^*、V_qs^*；谐波电流PI控制单元94根据谐波d轴电 流指令参考I_ds6^*与谐波d轴电流反馈I_ds6之差I_{ds6_err}和谐波q轴电流指令参考I_qs6^*与谐波q轴 电流反馈I_qs6之差I_{qs6_err}做PI控制，同时根据电压解耦计算公式(3)和公式(4)进行解耦控 制，输出谐波dq轴电压解耦量V_ds6^*、V_qs6^*；

基波电压解耦计算公式：V_ds*＝R×I_ds–ω×L_q×I_qs(1)

V_qs*＝R×I_qs+ω×(Ψ_m+L_d×I_ds)(2)

式中，R为永磁同步电机定子电阻，I_ds、I_qs为基波dq轴电流反馈，L_d、L_q分别为d轴和 q轴电感；

U_sd6＝R×I_sd6–P×ω*×Ψ_q63)

U_sq6＝R×I_sq6+P*ω*×Ψ_d64)

R为永磁同步电机定子电阻，I_sd6，I_sq6为谐波dq轴电流反馈；ω*为谐波转速；P为极 对数；Ψ_d6，Ψ_q6为谐波dq轴磁链；

第四步：基波位置补偿单元85根据基波转速计算单元83输出的基波转速ω和常数 1(K1与T₁的乘积)计算基波位置补偿量θ₁，并将其输入到基波CLARK&PARK逆变换单元86；基 波位置补偿量计算如公式(5)；

θ₁＝θ+ω×K1×T₁(5)

θ为当前永磁同步电机转子位置；θ₁为基波位置补偿量；K1为位置补偿系数，是基 波电流控制逆变器载波周期的K倍，系数K在1-2之间选择；T₁为基波电流控制逆变器的载波 周期；

谐波位置补偿单元95谐波转速计算单元93输出的谐波转速ω^*和常数2(K2与T₆的 乘积)计算谐波位置补偿量，并将其输入到谐波CLARK&PARK逆变换单元95，谐波位置补偿量 θ₆如公式(6)；

θ₆＝θ+P×ω^*×K2×T₆(6)

其中，θ为当前永磁同步电机转子位置；θ₆为谐波位置补偿量；K2为位置补偿系数， 是谐波电流控制逆变器载波周期的K倍，系数K在1-2之间选择；T₆为谐波电流控制逆变器的 载波周期；

第五步：基波CLARK&PARK逆变换单元86根据基波dq轴电压指令参考V_ds^*和V_qs^*和基 波位置补偿单元85计算的基波位置补偿量θ₁计算基波电压控制量，并将其进行CLARK&PARK 逆变换，最终输出基波电压控制信号V_a1^*，V_b1^*和V_c1^*给基波电流控制逆变器；谐波CLARK& PARK逆变换单元96根据谐波电流PI控制单元输出的谐波dq轴电压解耦量V_ds6^*、V_qs6^*和谐波 位置补偿单元95计算的谐波位置补偿量θ₆输出谐波电压控制量，并将其进行CLARK&PARK逆 变换，最终输出谐波电压控制信号V_a2^*，V_b2^*和V_c2^*给谐波电流控制逆变器；返回第一步。

图4所示为谐波电流注入前的转矩输出波形图，横坐标是转子转角位置，纵坐标是 基波转矩指令和实际输出转矩，其中，曲线1基波转矩指令T^*，曲线2合成转矩输出T_total；永 磁同步电机转矩输出是转子永磁励磁磁场与定子电流相互作用生成的，永磁体励磁磁场中 存在5次谐波磁场，定子电流中存在5次谐波电流，分别与基波磁场和基波电流相互作用，其 中，曲线3为谐波磁场与基波电流产生谐波转矩T_6-1、曲线4为谐波电流与基波磁场产生转矩 T_1-6，基波磁场与基波电流产生平均转矩，因此，基波转矩与各谐波转矩叠加后的合成转矩 输出将呈现周期性的波动。

图5所示为谐波电流注入后的转矩输出波形图，横坐标是转子转角位置，纵坐标是 基波转矩指令和实际输出转矩，其中，曲线1基波转矩指令，曲线2实际输出转矩；曲线3为谐 波磁场与基波电流产生谐波转矩T_6-1、曲线4为谐波电流与基波磁场产生转矩T_1-6，谐波电流 注入后，其输出为零，通过谐波电流注入后减小了转矩输出的波动。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。