五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法及控制系统

1.本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法及系统。


背景技术：

2.目前，得益于五相感应电机的低转矩脉动、高可靠性、低压大功率等优势，其在电动船舶推进、机车牵引、电动和混合动力电动汽车等领域收到越来越多关注。但当前对于五相电机控制算法的研究主要聚焦于缺相运行和谐波分析领域。在效率优化领域仍存在较大空缺。
3.常见的间接磁场定向控制拓扑给定恒磁链幅值，轻载工况下仍维持较高励磁分量，在获得较好的动态响应的同时导致电机损耗严重，因此各种效率优化控制策略本质上是弱磁控制(尽管某些特殊过载情况下效率最优磁链会超过额定值)。对于三相感应电机，效率优化或最小损耗控制(lmc)国内外已存在广泛研究。通常将效率优化控制技术分为模型法和搜索法，后者由于搜索耗时较长(数百毫秒至数秒)、搜索过程推力震荡大等问题，工程应用较少。基于矢量控制的模型法效率优化控制技术是当下研究的热点，这类方法依赖准确的损耗模型，因而对电机参数较为敏感。但同时，模型复杂度也需要进行限制。
4.《minimization of system
‑
level losses in vsi
‑
based induction motor drives:offline strategies》以三相感应电机为对象，考虑了铁损、铜损、逆变器、滤波电路、直流母线等损耗。问题在于：模型过于复杂，无法统一控制变量，只能进行离线查表。
5.《感应电机基于最大转矩输入功率比的能效优化》以三相感应电机为对象，采用并联铁损电阻支路的模型。提出的控制策略考虑了铁损、铜损。问题在于：(1)三相感应电机不存在谐波空间损耗，难以直接应用于五相感应电机。(2)并联铁损支路使得损耗模型计算较为复杂。
6.《五相感应电机缺相容错运行的全转矩范围效率优化控制策略》建立五相感应电机缺一相和两相的效率优化控制策略。但是该方法存在问题为：(1)模型只能应用于缺相情况。(2)系数矩阵针对特定电机离线测得，难于推广。(3)忽略了铁损和谐波空间损耗，仅计算了铜损。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：当前，未有正常运行工况下、考虑谐波空间损耗的五相感应电机效率优化控制策略。而现存效率优化控制方法存在以下问题：其一，三相感应电机使用3
‑
2旋转变换，将三相自然坐标系变量变换为基波、谐波子空间进行控制。而五相感应电机存在谐波子平面，变换矩阵不同、控制选取的子空间具有多自由度，这是前者未考虑的。其二，现有的感应电机损耗控制模型未能很好的平衡模型复杂度与准确性，有些过于复杂只能离线查表、有些则过于简化忽略了铁芯损耗等；其三，传统三相电机控制方法无法消除多相电机特有的谐波空间损耗。这些原因最终导致电机控制效率不佳。
8.解决以上问题及缺陷的难度为：其一，需要选取合适的变换矩阵，将自然坐标系下
的五相电压、电流、磁链等变量变换为基波、谐波、零序子平面。其二，为了兼顾模型准确度与简洁性，必须适当的处理铁损电阻在电路中的位置，如激磁电感并联支路会使得电机的电压方程组多出两个等式，而激磁电感串联铁损电阻会带来转子磁链定向下转子d轴电流i
dr
不为零的矛盾。其三，五相感应电机的基波子平面、谐波子平面相互垂直，损耗变量无法统一建模，必须适当的设计控制拓扑分别控制或消除谐波影响。
9.解决以上问题及缺陷的意义为：其一，为实现类似于直流电机的调速性能，类比三相感应电机矢量控制，需要对五相感应电机旋转变换得到的基波子平面电流分量i
sd
、i
sq
进行励磁和转矩的解耦控制。其二，五相感应电机效率优化矢量控制需要在较高的采样周期内进行五相采样和旋转变换、磁链观测器、多组闭环调节器、pwm脉冲生成等运算，为了满足当前实际工程应用中量产arm、dsp微控制器实时控制的算力限制，需要对模型的复杂度进行权衡。其三，五相感应电机谐波子空间仅存在定子电阻和定子漏感，较小的谐波电压将带来较大的谐波电流，因而损耗也较大，因而存在较大的优化空间。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法及控制系统。
11.本发明是这样实现的，一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法，所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法包括：
12.以五相电机转子磁场定向下的等效电路为基础，通过引入独立铁损回路，建立简洁d
‑
q基波空间损耗模型，采用谐波空间电流闭环消除x
‑
y谐波空间对损耗模型的影响，得到五相感应电机的效率优化控制策略拓扑，进行五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制。
13.进一步，所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法包括以下步骤：
14.步骤一，基于转子磁场定向等效电路得到稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型；
15.步骤二，采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制谐波空间损耗模型；
16.步骤三，利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算，得到相应控制策略进行五相感应电机控制。
17.进一步，所述稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型如下：
[0018][0019]
其中，r、l、ψ分别表示电阻、电感和磁链；下标中的s、r分别表示各物理量的定子、转子分量；d表示各物理量旋转变换至d
‑
q后各坐标轴上的分量；ω
s
表示定子电角频率；t
em
表示电磁转矩，n
p
表示极对数；r
c
表示等效铁损电阻；ψ
rd
表示转子磁链。
[0020]
进一步，所述利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算包括：
[0021][0022]
利用计算损耗最小时的给定磁链得到下式：
[0023][0024]
基于i
sd
＝ψ
rd
/l
m
，得到稳态下电流环d轴参考量计算式：
[0025][0026]
所述控制策略包括：
[0027]
将采样的五相电流进行旋转变换得到控制所需的i
d
、i
q
、i
x
、i
y
，其中d
‑
q子空间分量给定值来自磁链、转速外环的输出，而x
‑
y子空间谐波电流抑制闭环给定值为零；将pi控制器输出的参考电压经过旋转反变换得到五相参考电压输入后续的pwm调制模块进行计算，控制逆变器输出；
[0028]
自然坐标系五相电流、电压等变量到基波、谐波、零序子空间的5
‑
4变换矩阵如下：
[0029][0030]
其中α＝2/5π，θ为转子位置角。
[0031]
本发明的另一目的在于提供一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制系统，所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制系统包括：
[0032]
稳态五相感应电机损耗模型获取模块，用于基于转子磁场定向等效电路得到稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型；
[0033]
损耗模型简化及抑制模块，用于采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制谐波空间损耗模型；
[0034]
五相感应电机控制模块，用于利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算，得到相应控制策略进行五相感应电机控制。
[0035]
本发明的另一目的在于提供一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制终端，所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法。
[0036]
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程
序使电子设备执行所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法包括下列步骤：
[0037]
步骤一，基于转子磁场定向等效电路得到稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型；
[0038]
步骤二，采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制谐波空间损耗模型；
[0039]
步骤三，利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算，得到相应控制策略进行五相感应电机控制。
[0040]
本发明的另一目的在于提供一种五相感应电机，所述五相感应电机执行如所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法。
[0041]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种抑制谐波空间损耗影响的五相感应电机的效率优化控制策略。基于转子磁场定向等效电路推导了稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型。采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制了谐波空间损耗模型，使总体可控损耗模型仅余定转子铜损、铁损分量。最优磁链计算式仅需两参数，满足在线计算要求。仿真结果验证了该稳态控制策略可以在速度、负载确定的工况下提升电机效率。
[0042]
本发明以谐波电流闭环消除谐波损耗影响，使用独立铁损支路简化损耗模型，得出计算负担较低的五相感应电机损耗模型，并提出相应控制策略。仿真结果表明，该策略在稳态下提高了电机效率，并极大程度上消除了多相电机特有的谐波空间损耗的影响。
附图说明
[0043]
图1是本发明实施例提供的五相感应电机效率优化控制策略拓扑示意图。
[0044]
图2是本发明实施例提供的五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法流程图。
[0045]
图3是本发明实施例提供的d
‑
q/x
‑
y子空间五相感应电机等效电路示意图。
[0046]
图4是本发明实施例提供的谐波电流抑制闭环控制拓扑示意图。
[0047]
图5是本发明实施例提供的效率优化控制切换前后相电流对比示意图。
[0048]
图6(a)是本发明实施例提供的5n
·
m轻载下效率优化控制切换前后转速对比示意图。
[0049]
图6(b)是本发明实施例提供的5n
·
m轻载下效率优化控制切换前后转矩、对比示意图。
[0050]
图6(c)是本发明实施例提供的5n
·
m轻载下效率优化控制切换前后磁链对比示意图。
[0051]
图6(d)是本发明实施例提供的5n
·
m轻载下效率优化控制切换前后总损耗对比示意图。
[0052]
图7(a)是本发明实施例提供的各种转速、负载转矩下总损耗对比示意图。
[0053]
图7(b)是本发明实施例提供的各种负载转矩下总损耗对比示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法及控制系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0056]
五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法包括：
[0057]
以五相电机转子磁场定向下的等效电路为基础，通过引入独立铁损回路，建立简洁d
‑
q基波空间损耗模型，采用谐波空间电流闭环消除x
‑
y谐波空间对损耗模型的影响，得到五相感应电机的效率优化控制策略拓扑，进行五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制。
[0058]
如图1所示，本发明实施例提供的效率优化控制策略包括：
[0059]
将采样的五相电流进行旋转变换得到控制所需的i
d
、i
q
、i
x
、i
y
，其中d
‑
q子空间分量给定值来自磁链、转速外环的输出，而x
‑
y子空间谐波电流抑制闭环给定值为零；将pi控制器输出的参考电压经过旋转反变换得到五相参考电压输入后续的pwm调制模块进行计算，控制逆变器输出。
[0060]
如图2所示，本发明实施例提供的五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制方法包括以下步骤：
[0061]
s101，基于转子磁场定向等效电路得到稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型；
[0062]
s102，采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制谐波空间损耗模型；
[0063]
s103，利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算，得到相应控制策略进行五相感应电机控制。
[0064]
本发明实施例提供的稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型如下：
[0065][0066]
其中，r、l、ψ分别表示电阻、电感和磁链；下标中的s、r分别表示各物理量的定子、转子分量；d表示各物理量旋转变换至d
‑
q后各坐标轴上的分量；ω
s
表示定子电角频率；t
em
表示电磁转矩，n
p
表示极对数；r
c
表示等效铁损电阻；ψ
rd
表示转子磁链。
[0067]
本发明实施例提供的利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算包括：
[0068][0069]
利用计算损耗最小时的给定磁链得到下式：
[0070][0071]
基于i
sd
＝ψ
rd
/l
m
，得到稳态下电流环d轴参考量计算式：
[0072][0073]
步骤s103中，所述控制策略包括：
[0074]
将采样的五相电流进行旋转变换得到控制所需的i
d
、i
q
、i
x
、i
y
，其中d
‑
q子空间分量给定值来自磁链、转速外环的输出，而x
‑
y子空间谐波电流抑制闭环给定值为零；将pi控制器输出的参考电压经过旋转反变换得到五相参考电压输入后续的pwm调制模块进行计算，控制逆变器输出；
[0075]
自然坐标系五相电流、电压等变量到基波、谐波、零序子空间的5
‑
4变换矩阵如下：
[0076][0077]
其中α＝2/5π，θ为转子位置角。
[0078]
本发明提供一种五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制系统，所述五相感应电机谐波损耗抑制效率优化控制系统包括：
[0079]
稳态五相感应电机损耗模型获取模块，用于基于转子磁场定向等效电路得到稳态下的五相感应电机包含铁损、铜损、谐波空间损耗的模型；
[0080]
损耗模型简化及抑制模块，用于采用独立铁损回路假设和谐波空间电流闭环，对损耗模型进行简化并抑制谐波空间损耗模型；
[0081]
五相感应电机控制模块，用于利用基波空间铁损、铜损参数进行最优磁链计算，得到相应控制策略进行五相感应电机控制。
[0082]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0083]
实施例1：
[0084]
1五相感应电机数学模型
[0085]
类似于三相感应电机，为实现磁链与转矩的解耦控制，通常对五相感应电机自然坐标系模型进行旋转解耦至相互正交的d
‑
q基波空间与x
‑
y谐波空间，如图1所示。得到电压、磁链、转矩方程如下：
[0086][0087][0088]
t
em
＝n
p
l
m
(i
sq
i
rd
‑
i
sd
i
rq
)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0089]
其中u、i、r、l、ψ分别表示电压、电流、电阻、电感和磁链。下标中的s、r分别表示各物理量的定子、转子分量。d、q、x、y、0分别表示各物理量旋转变换至d
‑
q、x
‑
y、零序空间后各坐标轴上的分量。ω
sl
、ω
s
分别表示转差电角频率和定子电角频率。t
em
为电磁转矩，n
p
为极对数。
[0090]
为了对于电机损耗进行准确建模，需要将铁芯损耗纳入考虑，一般形式为直接并联于激磁电感支路。等效铁损电阻r
c
支路电流远小于励磁支路，因而将其单独提出对模型精度影响可以忽略。定转子铁损可分别表示如下：
[0091][0092]
可观察到定转子铁损之比为转差率的平方，因而模型中通常仅考虑定子铁损分量。
[0093]
2五相感应电机稳态损耗模型
[0094]
基于推导的等效电路，可以将五相感应电机的总损耗分为铁损、定子铜损、转子铜损、谐波空间损耗：
[0095][0096]
当采取转子磁场定向，稳态时可以认定转子q轴磁链ψ
rq
、定子d轴电流i
sd
为零，且各电感压降为零。即
[0097]
[0098]
将式代入式
‑
4、
‑
3、，可将各电流分量表达为转子磁链ψ
rd
的函数：
[0099][0100]
结合式、可以发现，除谐波电流损耗外，其余各项可统一表示为转子磁链的函数。谐波空间损耗的抑制将在下一节进行讨论。
[0101][0102]
3效率优化控制策略
[0103]
3.1谐波空间损耗抑制
[0104]
五相感应电机经过解耦变换后，三次谐波空间内存在不参与机电能量转换的谐波分量。由于三次谐波空间阻抗仅有定子漏感，较小的谐波电压将产生较大的谐波电流，造成损耗显著上升。但基波、谐波空间相互正交，无法统一为同一控制变量进行抑制，因而此处引入谐波电流闭环，可使谐波电流得到抑制。
[0105]
对于采样的五相电流进行旋转变换得到控制所需的i
d
、i
q
、i
x
、i
y
，其中d
‑
q子空间分量给定值来自磁链、转速外环的输出，而x
‑
y子空间谐波电流抑制闭环给定值为零。经过pi控制器输出的参考电压经过旋转反变换得到五相参考电压输入后续的pwm调制模块进行计算，进而控制逆变器输出。拓扑如图4所示。
[0106]
3.2效率最优磁链计算
[0107]
经由3.1节的控制策略消去谐波损耗项，总损耗表达式仅余可控损耗项(基波空间铁损、铜损)。总可控损耗
‑
磁链函数为恒正的凹函数，因此在对磁链一阶导的零点处可以取得损耗最小值。计算损耗最小时的给定磁链ψd*
r
即求解式，得到。
[0108][0109][0110]
至此，将式代入式
‑
1，可得到稳态下电流环d轴参考量计算式：
[0111][0112]
整体控制策略拓扑如图1所示。
[0113]
4仿真验证及分析
[0114]
后续仿真所用电机参数如表1所示。
[0115]
表1五相感应电机主要参数
[0116][0117][0118]
由于本效率优化控制控制策略基于稳态工况推导，因此首先以恒磁链启动至稳态，0.5s时切换为效率优化控制计算。首先在5n
·
m轻载工况下得到关键物理量对比结果如图5、图6所示。可以看到，本策略切换前后定子电流幅值降低，轻载下效率提升显著，损耗降低约48％(850w)。由于给定磁链变化较为迅速，推力会出现短暂的下降，但经过速度闭环很快可以调整至给定值。此外如图6所示，由于加入了谐波电流闭环，谐波空间损耗相对总损耗可以忽略不计，验证了损耗模型中略去该项不会影响计算准确性。
[0119]
图7展现了不同速度、负载转矩稳态下恒磁链控制与效率优化控制控制的损耗。可以发现，采样高磁链在接近额定负载时效率较高但轻载时效率急剧下降；相反当所选恒磁链较低可以减少轻载损耗，但负载加重时效率降低将不可避免，甚至会导致转矩跟踪困难等问题。相较之下，此处提出的效率优化控制控制策略通过实时计算最优磁链进行调整，始终保持稳态下的高效率。
[0120]
4基于模型法的五相感应电机效率优化问题需要兼顾模型准确度与简洁性，同时存在谐波空间损耗难以纳入模型的问题。本发明以谐波电流闭环消除谐波损耗影响，使用独立铁损支路简化损耗模型，推导得出计算负担较低的五相感应电机损耗模型，并提出相应控制策略。仿真结果表明，该策略在稳态下提高了电机效率，并极大程度上消除了多相电机特有的谐波空间损耗的影响。
[0121]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0122]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd
‑
rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0123]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。