一种基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法

摘要

本发明涉及一种基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法。包括以下步骤：一、测量电机的转速值，并通过低通滤波和旋转坐标变换提取转速谐波的幅值；二、向系统注入一个电压谐波，注入电压谐波在角域重构为注入电压信号，加入到电压指令中；三、改变注入电压谐波的相位，观察转速谐波幅值的变化，用梯度下降法找出使转速谐波幅值最小的注入电压谐波最优相位；四、使用找到的最优电压谐波相位，改变注入电压谐波的幅值，观察转速谐波幅值的变化，用梯度下降法找出使转速谐波幅值最小的注入电压谐波最优幅值；五、将注入电压谐波的幅值和相位分别设置为步骤三和四中找到的最优值，即可有效抑制转速谐波。

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及用于永磁同步电机控制、基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法。

背景技术

永磁同步电机（以下简称PMSM）具有运行稳定、高效节能、外形多样、结构简单、轻型化等突出优点，目前已经广泛应用于日常生活、现代化工业生产和国防中，如家用电器、汽车电子、转台系统和航空航天等系统。然而，磁场的空间谐波、电枢电流的时间谐波、齿槽转矩、相位不平衡等因素使永磁同步电机产生的转矩脉动较明显。为了满足这些系统对伺服精度和低速平稳性的要求，低转矩脉动成为高精度伺服电机一项重要的设计要求。所以，研究永磁同步电机转矩脉动的抑制方法具有重大的实际意义。

目前电机转矩脉动的抑制手段主要分为两种，一种是对电机的机械设计进行改进，另一种是应用控制算法对定子电流进行主动控制。技术文献(Wu Z, Yang Z, Ding K,et al. Order-Domain-Based harmonic injection method for multiple speedharmonics suppression of PMSM[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2020, 36(4): 4478-4487.) (Feng G, Lai C, Tian J, et al. Multiple referenceframe based torque ripple minimization for PMSM drive under both steady-stateand transient conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 34(7): 6685-6696.) 中设计了谐波注入算法通过抑制转速谐波的方式抑制转矩脉动，但是没有考虑到注入电压谐波和转速谐波的关系的变化的影响。(Yan L, Liao Y, Lin H, etal. Torque ripple suppression of permanent magnet synchronous machines byminimal harmonic current injection[J]. IET Power Electronics, 2019, 12(6):1368-1375.) 采用梯度下降法寻找使转速谐波最小化的最优注入电流谐波，但是需要增加对注入电流谐波的控制，较为复杂，计算量大。

发明内容

本发明的目的在于解决转矩脉动引起的转速脉动和结构疲劳损伤等问题；提出了一种基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法；能够降低控制难度，不需要控制电流谐波，而且不需要推导注入电压谐波和转速谐波复杂的关联公式。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法，其包括如下步骤：

步骤一、在永磁同步电机稳定运行时，测量电机的转速值ω

步骤二、向系统注入一个q轴电压谐波，注入电压谐波在角域重构为注入电压信号，加入到电压指令中；

步骤三、保持注入电压谐波幅值不变，改变它的相位，转速谐波幅值发生变化，用梯度下降法找出使转速谐波的幅值A

步骤四、保持注入电压谐波相位为步骤三找出的最优相位θ

步骤五、将注入电压谐波的幅值和相位分别设置为步骤三和四中找到的最优值A

上述方案进一步是，步骤一中计算第k阶转速谐波的幅值A

永磁同步电机的转速测量值ω

其中ω

上述方案进一步是，步骤二得到第k阶q轴注入电压谐波的角域重构信号的公式为：

其中，A

上述方案进一步是，步骤三中为寻找出使转速谐波的幅值达到最小值的注入电压谐波最优相位所使用梯度下降算法如下：

1)、目标函数为：

2)、根据第i时刻和第i-1时刻的转速谐波的幅值和电压谐波的相位，计算第i时刻函数的梯度，从而调整第i+1时刻的注入电压谐波使转速谐波的幅值减小；通过函数的迭代过程，最终会找到注入电压谐波最优相位，使转速谐波的幅值变化到最小；函数

3)、注入电压谐波相位的更新函数为：

其中α

上述方案进一步是，步骤四中为寻找出使转速谐波的幅值达到最小值的注入电压谐波最优幅值所使用梯度下降算法如下：

1)目标函数为：

2)根据第i时刻和第i-1时刻的转速谐波的幅值和电压谐波的幅值，计算第i时刻函数的梯度，从而调整第i+1时刻的注入电压谐波使转速谐波的幅值减小；通过函数的迭代过程，最终会找到注入电压谐波最优幅值，使转速谐波的幅值达到最小；函数

3)注入电压谐波幅值的更新函数为：

其中α

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）、采用梯度下降优化法 (GDO) 来寻找使转速谐波幅值最小化的最优注入电压谐波，不需要提前获知注入电压谐波与转速谐波之间的关系；避免了注入电压谐波与转速谐波之间的关系会随不同工况发生变化而给谐波控制带来的困难；

（2）、用注入电压谐波直接对转速谐波进行抑制，不需要增加电流谐波控制器，且不需要推导注入电压谐波和转速谐波复杂的关联公式，能够降低控制难度，减小计算量。

附图说明：

图1为本发明的方框原理图；

图2为MATLAB Simulink软件中构建 PMSM-VC 驱动系统仿真模型；

图3为第24阶转速谐波幅值；

图4为第24阶电机转速的时域曲线。

具体实施方式：

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。

参阅图1、2所示，本发明提供的一种基于梯度下降法的稳态工况下的转速谐波抑制方法，包括以下步骤：一、测量电机的转速值，并通过低通滤波和旋转坐标变换提取转速谐波的幅值；二、向系统注入一个q轴电压谐波，注入电压谐波在角域重构为注入电压信号，加入到电压指令中；三、改变注入电压谐波的相位，观察转速谐波幅值的变化，用梯度下降法找出使转速谐波幅值最小的注入电压谐波最优相位；四、使用找到的最优电压谐波相位，改变注入电压谐波的幅值，观察转速谐波幅值的变化，用梯度下降法找出使转速谐波幅值最小的注入电压谐波最优幅值；五、将注入电压谐波的幅值和相位分别设置为步骤三和四中找到的最优值，即可有效抑制转速谐波，当电机运行工况发生变化时，则重复步骤三和步骤四找到新工况下的最优注入电压谐波。

具体地：

在永磁同步电机稳定运行时，测量电机的转速值ω

永磁同步电机的转速测量值ω

其中ω

向系统注入一个q轴电压谐波，注入电压谐波在角域重构为注入电压信号，加入到电压指令中；得到第k阶q轴注入电压谐波的角域重构信号的公式为：

其中，A

保持注入电压谐波幅值不变，改变它的相位，转速谐波幅值发生变化，用梯度下降法找出使转速谐波的幅值A

目标函数为：

根据第i时刻和第i-1时刻的转速谐波的幅值和电压谐波的相位，计算第i时刻函数的梯度，从而调整第i+1时刻的注入电压谐波使转速谐波的幅值减小；通过函数的迭代过程，最终会找到注入电压谐波最优相位，使转速谐波的幅值变化到最小；函数

注入电压谐波相位的更新函数为：

其中α

保持注入电压谐波相位为步骤三找出的最优相位θ

目标函数为：

根据第i时刻和第i-1时刻的转速谐波的幅值和电压谐波的幅值，计算第i时刻函数的梯度，从而调整第i+1时刻的注入电压谐波使转速谐波的幅值减小；通过函数的迭代过程，最终会找到注入电压谐波最优幅值，使转速谐波的幅值达到最小；函数

注入电压谐波幅值的更新函数为：

其中α

最后将注入电压谐波的幅值和相位分别设置为找到的最优值A

实施例：

应用于基于传统矢量控制策略的永磁同步电机控制系统中，对第24阶转速谐波进行抑制，仿真模型如图2所示。在转速1500rpm和转矩1.3Nm工况下采用所提方法对第24阶转速谐波进行抑制，当永磁同步电机达到目标转速并稳定运行后，再启动此控制算法。包括如下步骤：

步骤一、在永磁同步电机稳定运行时，测量电机的转速值ω

步骤二、向系统注入一个q轴电压谐波，幅值A

步骤三、保持注入电压谐波幅值不变，改变它的相位，转速谐波幅值发生变化，用梯度下降法找出使转速谐波的幅值A

注入电压谐波相位的更新函数为：

其中α

步骤四、保持注入电压谐波相位为步骤三找出的最优相位θ

注入电压谐波幅值的更新函数为：

其中α

步骤五、将注入电压谐波的幅值和相位分别设置为步骤三和四中找到的最优值A

第24阶转速谐波的幅值从2.3rpm被抑制到0.13rpm以下只用了1.3s，转速谐波幅值降低了94%，同时转速波动的区间从5.0rpm减小到0.6rpm，减少了87%。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，他人对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。