一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法

1.本发明属于电机领域，涉及一种电机控制算法，具体涉及一种永磁同步电机的转矩波动抑制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其体积小、功率密度高、结构简单等优点而在生产生活领域得到了广泛的应用。然而，永磁同步电机在运行中会因谐波磁场、饱和等原因产生转矩波动，从而影响电机的平稳运行。传统的转矩波动抑制方法多为在空载工况下优化反电势谐波，从而减少磁场波形谐波含量，以达到抑制转矩波动的目的。然而这一方法仅适用于轻载状态，不适用于较大负载导致的磁饱和运行状态，且优化反电势谐波含量的同时也会降低基波有效值，导致电机的输出能力有所下降。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，该方法基于电磁场有限元计算结果，建立dq轴电流、转子位置θ与转矩波形之间的关系，再结合控制方法进行求反，从而获得理想转矩所对应的电流波形，以此电流波形作为电流参考量，即可实现转矩波动的抑制。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，包括如下步骤：
6.步骤一、对目标永磁同步电机进行电磁场有限元建模，并给定多组d轴电流id和q轴电流iq，进行多个工况下的电磁场有限元计算，每个工况计算一个电周期，获取多个工况的电磁转矩相对于电流和转子位置的计算结果；
7.步骤二、将id、iq以及转子电角度位置θ作为自变量，将计算得到的多个工况下的转矩t
em
作为因变量，构建转矩与电流和转子位置的关系t
em
(id,iq,θ)；
8.步骤三、对t
em
(id,iq,θ)进行求反，得到表征q轴电流iq与d轴电流id、转矩t
em
以及转子位置θ的关系iq(id,t
em
,θ)；
9.步骤四、对转速环计算出的q轴电流，采用低通滤波器提取直流参考量i
qref_d
，使用电机的负载转矩t
l
作为目标，结合iq(id,t
em
,θ)求解目标q轴电流i
q1
，再使用高通滤波器提取理想q轴电流波形i
q1
的交流量，作为q轴电流的交流参考量i
qref_q
；
10.步骤五、将q轴电流的直流参考量i
qref_d
和交流参考量i
qref_q
之和作为总的q轴电流参考量，进行电机的矢量控制计算，即可实现电机转矩波动的抑制。
11.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
12.本发明能够全面地考虑磁饱和、谐波磁场以及转子位置导致的转矩波动，在此基础上能够通过所建立的插值模型实时计算出无波动转矩对应的电流波形，将电流波形施加至电机中，即可实现全方位、多工况的实时转矩波动抑制。相比于原有方法，该方法无需考虑工况和磁饱和带来的参数变化，对于任意工均适用，具备优秀的泛用性。
附图说明
13.图1是永磁同步电机电磁场有限元模型结构示意图，其中：1-1为永磁体，1-2为转子铁心，1-3为电机定子铁心，1-4为电机绕组；
14.图2是有限元计算得到的当转子位置电角度θ＝0
°
时，转矩与电流和转子位置的关系t
em
(id,iq,θ)；
15.图3是在id＝0控制方式下，求反得到的q轴电流iq与转矩t
em
和转子位置θ的关系iq(t
em
,θ)；
16.图4是采用本发明的方法所使用的矢量控制系统结构框图；
17.图5是采用本发明所提出的转矩波动抑制方法所导致的电机电磁性能变化，其中：a)是在0.045s施加了该方法以后的dq轴电流波形，b)是对应的转矩波形，由图中可以看到通过该方法能够有效减小电机的转矩波动。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
19.本发明提供了一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，包括如下步骤：
20.1)对目标永磁同步电机进行电磁场有限元建模，并给定多组d轴电流id和q轴电流iq，进行多个工况下的电磁场有限元计算，每个工况计算一个电周期，获取多个工况的电磁转矩相对于电流和转子位置的计算结果；
21.2)将id、iq以及转子电角度位置θ作为自变量，将计算得到的多个工况下的转矩t
em
作为因变量，即可构建转矩与电流和转子位置的关系t
em
(id,iq,θ)；
22.3)对t
em
(id,iq,θ)进行求反，即可得到表征q轴电流iq与d轴电流id、转矩t
em
以及转子位置θ的关系iq(id,t
em
,θ)；
23.4)对于id＝0控制方法，则上述关系可以进一步简化为iq(t
em
,θ)，此时给定恒定的、不随转子位置θ波动的理想转矩t
em1
，即可获得理想的q轴电流波形i
q1
；
24.5)为了抑制转矩波动，对转速环计算出的q轴电流，可以采用低通滤波器进行直流参考量i
qref_d
的提取，再使用电机的负载转矩t
l
作为目标，结合iq(id,t
em
,θ)进行目标q轴电流i
q1
的求解，再使用高通滤波器对理想q轴电流波形i
q1
的交流量进行提取，作为q轴电流的交流参考量i
qref_q
；
25.6)将q轴电流的直流参考量i
qref_d
和交流参考量i
qref_q
之和作为总的q轴电流参考量，进行电机的矢量控制计算，即可实现电机转矩波动的抑制。


技术特征：
1.一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、对目标永磁同步电机进行电磁场有限元建模，并给定多组d轴电流i
d
和q轴电流i
q
，进行多个工况下的电磁场有限元计算，每个工况计算一个电周期，获取多个工况的电磁转矩相对于电流和转子位置的计算结果；步骤二、将i
d
、i
q
以及转子电角度位置θ作为自变量，将计算得到的多个工况下的转矩t
em
作为因变量，构建转矩与电流和转子位置的关系t
em
(i
d
,i
q
,θ)；步骤三、对t
em
(i
d
,i
q
,θ)进行求反，得到表征q轴电流i
q
与d轴电流i
d
、转矩t
em
以及转子位置θ的关系i
q
(i
d
,t
em
,θ)；步骤四、对转速环计算出的q轴电流，采用低通滤波器提取直流参考量i
qref_d
，使用电机的负载转矩t
l
作为目标，结合i
q
(i
d
,t
em
,θ)求解目标q轴电流i
q1
，再使用高通滤波器提取理想q轴电流波形i
q1
的交流量，作为q轴电流的交流参考量i
qref_q
；步骤五、将q轴电流的直流参考量i
qref_d
和交流参考量i
qref_q
之和作为总的q轴电流参考量，进行电机的矢量控制计算，即可实现电机转矩波动的抑制。2.根据权利要求1所述的基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，其特征在于所述步骤三中，对于i
d
＝0控制方法，i
q
(i
d
,t
em
,θ)简化为i
q
(t
em
,θ)，此时给定恒定的、不随转子位置θ波动的理想转矩t
em1
，即可获得理想的q轴电流波形i
q1
。

技术总结
本发明公开了一种基于有限元计算结果的转矩波动抑制方法，该方法基于电磁场有限元计算结果，建立dq轴电流、转子位置θ与转矩波形之间的关系，再结合控制方法进行求反，从而获得理想转矩所对应的电流波形，以此电流波形作为电流参考量，即可实现转矩波动的抑制。本发明能够全面地考虑磁饱和、谐波磁场以及转子位置导致的转矩波动，在此基础上能够通过所建立的插值模型实时计算出无波动转矩对应的电流波形，将电流波形施加至电机中，即可实现全方位、多工况的实时转矩波动抑制。相比于原有方法，该方法无需考虑工况和磁饱和带来的参数变化，对于任意工均适用，具备优秀的泛用性。具备优秀的泛用性。具备优秀的泛用性。


技术研发人员：邹继斌 徐永向 刘成思
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.07.29
技术公布日：2022/9/30