毕业论文-交流永磁电机转矩脉动抑制方法研究

交流永磁电机转矩脉动抑制方法研究摘要交流永磁电机因其效率高体积小功率密度大的特点已被控制性能要求高的场合广泛采用，然而由于电机结构设计存在偏差和逆变器的非线性特性，电机转矩存在较强的脉动问题在精度要求非常高的场合，交流永磁电机的应用受到了制约。抑制转矩脉动有两个大方向，一是从电机本体设计出发，通过优化电机的结构，达到减小转矩脉动的目的；二是从控制的角度出发，采用合理的控制策略，抑制转矩脉动。本文将从控制的角度，针对表贴式交流永磁电机，研究以谐波电流注入法为基础的转矩脉动抑制方法。并且分析了交流永磁电机的基本工作原理，建立起同步电机数学模型。针对因逆变器输出波形畸变产生的谐波转矩，对逆变器输出电压的误差进行研究，推导出了电压误差的傅里叶公式。对于电机结构问题导致的气隙磁场畸变，在dq坐标下对交流永磁电机进行研究，并得出计算谐波转矩的公式。通过对齿槽转矩产生机理的分析，研究了齿槽转矩与电机参数之间的关系，并建立了模型。关键词：交流永磁电机转矩脉动电流注入模糊PID

AbstractAcpermanentmagnetmotorsbecauseofitshighefficiencycharacteristicsofsmallvolumepowerdensityhasbeenwidelyusedintheoccasionofhighcontrolperformancerequirements,however,thereisadeviationduetothemotorstructuredesignandthenonlinearcharacteristicsoftheinverterandmotortorquestrongpulsationproblemsinprecisionisveryhigh,theapplicationofacpermanentmagnetmotorhasbeenrestricted.

Torqueripplehavetwodirection,anontologyfromthemotordesign,byoptimizingthestructureofthemotor,thetorquerippleisreduced;Fromthecontrolpointofview,theuseofreasonablecontrolstrategy,suppressthetorqueripple.Thisarticlefromtheperspectiveofcontrol,inviewofthetabletypeacpermanentmagnetmotor,researchbasedontheharmoniccurrentinjectionmethodoftorqueripplesuppressionmethod.Andanalysesthebasicworkingprincipleofacpermanentmagnetmotor,establishedamathematicalmodelofthesynchronousmotor.Forbecauseoftheinverteroutputwaveformdistortionharmonictorque,thestudyoftheinverteroutputvoltageerror,deducedtheFourierformulaofvoltageerror.Formotorstructuredistortioncausedbytheairgapmagneticfield,thestudyofacpermanentmagnetmotorinthedqcoordinates,andtheformulaforcomputingtheharmonictorque.Throughtheanalysisofthemechanismthecoggingtorqueandthecoggingtorqueisstudiedandtherelationshipbetweenthemotorparameter,andestablishedthemodel.

Keywords:ACpermanentmagnetmotorTorquerippleCurrentinjectionThefuzzyPID

目录交流永磁电机转矩脉动抑制方法研究 1摘要 1目录 2第1章 绪论 41.1课题研究的背景和意义 41.2转矩脉动的产生机理 41.3交流永磁电机转矩脉动抑制方法研究现状 41.3.1抑制转矩脉动的电机本体设计研究 51.3.2抑制转矩脉动的控制方法研究 51.4本文的主要工作内容 5第2章交流永磁电机dq坐标模型 72.1交流永磁电机结构和工作原理 72.2交流永磁电机dq坐标模型 72.2.2同步电机abc坐标方程 72.3永磁电机齿槽转矩方程 8本章小结 9第3章交流永磁电机控制方法 103.1同步电机控制方法 103.1.1Id=0控制 103.1.2直接转矩控制法 123.2永磁电机谐波转矩分析 123.2.1开关器件死区效应 133.2.2器件管压降 143.2.3电流谐波与电磁转矩关系 143.3本章小结 14第4章基于模糊PID控制的转矩脉动抑制 144.1注入谐波电流抑制脉动转矩 144.1.1提取电流谐波 154.1.2注入电压谐波 164.2模糊PID控制抑制脉动转矩 164.2.1基于模糊PID控制器的转速环 164.2.2转矩控制系统整体结构框图 184.3转矩脉动抑制系统仿真 184.3.1系统仿真模型总体结构 194.3.2SVPWM模块 194.3.3电流谐波补偿模块 194.3.4模糊PID控制器 204.4仿真结果与对比分析 214.5本章小结 22结论 23致谢 24

绪论1.1课题研究的背景和意义随着稀土永磁材料的发展，交流永磁电机技术也得到了巨大的发展。交流永磁电机以其高效、体积小和功率密度高的特点日益受到各种性能要求高的驱动场合的亲睐，在国防、航天以及社会生产等各个领域被广泛应用。这些高性能的应用场合往往要求电机具有非常高的转矩平滑度。然而在工程实际当中，交流永磁电机存在着较强的转矩脉动，原因主要是两大方面：一方面，电机本体在结构设计上并非理想化的，气隙磁场发生畸变；另一方面，逆变器工作时是非线性的，导致输出电压中不可避免的含有较强的高次谐波成分。电机转矩脉动的危害是不容小觑的，转矩的脉动将会使系统发生振动，产生较大的工作噪声，电机系统很可能发生共振从而损坏重要的传动结构。因此，研究同步电机转矩脉动的抑制方法从而提高电机转矩平滑度具有重大的工程意义，这将拓展交流永磁电机的应用范围。

交流永磁电机脉动转矩的产生原因是十分复杂的，通常涉及电机系统的多个方面，不仅与电机本体紧密相关，也与驱动器有很大的关联。对于高精度的驱动场合，转矩的脉动将很大程度上降低系统的工作性能，抑制电机的转矩脉动是对于提升我国在伺服传动领域的发展水平是极其重要的，这是国家的战略需求，将助力国家航天国防以及制造业的发展。目前，学界对抑制交流永磁电机转矩脉动的研究主要从两个方向入手，一是优化电机设计，尽量减小由于电机结构缺陷导致的脉动转矩；二是从控制的角度，采用合理的控制策略，通过补偿的方法达到抑制转矩脉动的目的。1.2转矩脉动的产生机理同步电机的电磁转矩是定子三相绕组电流与气隙磁场作用产生的。当定子电流和由气隙磁场产生的反电动势均为正弦波时，电磁转矩将是恒定的。然而在工程实际当中，由于以下两大原因，电机转矩不可避免的发生脉动：一方面，电机定子由于结构设计的原因，磁阻不是恒定的，而是与转子的空间角度有关，采用永磁体励磁的转子磁链与变化的气隙磁导相互作用下，即使向定子侧通入标准正弦三相电流，反电动势中也会含有较强的高次谐波分量，直接导致电机输出转矩产生脉动现象，由此产生的脉动转矩称为齿槽转矩；另一方面，向定子供电的逆变器由于所使用的器件非理想化等等原因，在工作时具有非线性的特性，这一问题的直接后果就是定子电流不是标准正弦而是存在着大量谐波成分，当不同频率谐波电流与电动势相互作用就使电磁转矩发生脉动，这就是纹波转矩。1.3交流永磁电机转矩脉动抑制方法研究现状电机转矩脉动的抑制方法主要有电机本体设计和控制策略两大类。1.3.1抑制转矩脉动的电机本体设计研究从电机设计方面抑制转矩脉动的方法主要有以下几种：（1）采用合适的极槽配合当采用斜槽或斜极和分数槽时，能够有效地削弱或者消除特定次数的反电动势中高次谐波分量，从而使其更为接近标准正弦波，这也是目前电机设计中广泛采用的方法。（2）改善定子磁路设计虚槽和假齿的应用，使得齿槽转矩频率提高，齿槽转矩幅值也因此减小；槽口宽度是影响齿槽转矩的重要因素，较小的槽口宽度产生的齿槽转矩也小，但是受到制造工艺的限制。（3）优化永磁体充磁方式交流永磁电机的转子采用永磁体励磁，永磁体的充磁方式是气隙磁场分布的重要影响因素，合适的永磁体充磁方式与永磁体宽度配合能够产生较为理想的气隙磁场，使反电动势更为接近正弦，减小谐波分量，达到抑制齿槽转矩的目的。1.3.2抑制转矩脉动的控制方法研究从控制方法上对电机转矩脉动的抑制的方法可以划分为两个方面。对于逆变器的非线性特性导致的谐波转矩，主要通过补偿的方式以削弱逆变器非线性的特性造成的影响，包括电压补偿、脉宽补偿和无死区PWM等。针对电机本体在设计上的缺陷引起的转矩脉动，目前学界也提出了很多解决办法，主要原理是针对齿槽转矩进行电流补偿，削弱齿槽转矩幅值，达到抑制转矩脉动的目标。这一方法有开环和闭环控制两类：开环法通过在dq坐标下根据转矩公式得到转矩脉动与转子角度的关系，从而推算补偿电流的波形，将其制成表格预置与控制装置存储器之中，工作时系统通过查表，根据转子角度进行补偿。学者将其称为编程电流法或者查表法，由于电机参数具有一定的实时性，这种方法的在实时性上的缺陷，补偿效果并不理想。闭环法因开环法具有实时性差的缺陷，对闭环控制法的研究成为主流。针对开环方法的缺点，闭环法通过根据电机系统运行过程中的实时变化而对表格数据进行及时的修正。因此，如何对转矩的脉动进行实时在线的计算成为通过控制方法抑制转矩脉动的研究重点。交流永磁电机是变量繁多、耦合性强并且具有非线性特性的复杂系统，如何准确估算脉动转矩是此类方法的难点也是关键点。针对这一问题，国内外学者提出了许多转矩脉动相关参数的辨识方法和各式控制类算法，比神经网络参数辨识[1]、扩展卡尔曼滤波辨识[2]和模糊逻辑控制算法[3]等等。1.4本文的主要工作内容由于稀土永磁材料、电力电子器件等基础硬件的发展，永磁电机也得到很大的发展，被生产制造国防科研等多个领域广泛采用。本文针对限制永磁电机更广泛应用的转矩脉动问题进行了深入研究，并对脉动转矩的来源进行了分析，从控制的角度入手，提出了谐波电流注入为基础的抑制转矩脉动的方法，并设计了改进型同步电机调速装置。具体内容有以下几个方面：查阅有关的文献资料，简述了本文课题的研究目的及其重要的现实意义，总结了当下对于永磁电机转矩脉动抑制的研究状况，从电机设计和伺服控制两方面介绍了各种抑制方法的优缺点以及面临的难点。分析同步电机的结构和工作原理，建立起dq坐标下的同步电机基本模型。以此为基础，结合永磁电机齿槽转矩生成机制，推导出反映齿槽转矩和电机参数关系的方程式。针对逆变器的非线性，构建电压误差的估算模型，结合电机模型与齿槽转矩特点，得到谐波转矩的数学模型。在以上工作的基础上，提出采取用模糊型PID自整定参数控制器加入谐波抑制电流的转矩控制策略。在MATLAB下建立模型进行仿真，与传统的控制方式进行结果比对，对仿真实验的数据结果的细致分析表明，本文的改进型控制方法是有效可行的。第2章交流永磁电机dq坐标模型2.1交流永磁电机结构和工作原理交流永磁电机属于正弦波永磁电动机，相对于需要电流换向的方波永磁电动机，交流永磁电机不存在由换向导致转矩出现较大脉动的问题，在伺服驱动方面表现出更优异的性能，但是在齿槽效应、逆变器非线性的缺陷等因素的影响下，交流永磁电机依旧存在不容忽视的转矩脉动。同传统电机一样，定子和转子是组成交流永磁电机两大部分。其定子采用的是传统电机中广泛应用的分布绕组和短距绕组，从而削弱或消除相电动势的部分高次分量，使其尽量接近标准正弦，斜极或斜槽也被采用以削弱齿槽效应以及由此引起的电机振动和运行噪声。永磁电机通常采用的转子结构有三种形式：内置式、表贴式、插入式。永磁体采用稀土材料制成，磁导接近真空磁导，因此表贴式的转子交直轴的磁阻大小是相等的，电机表现为交直轴电抗相同的隐极机特性。其他的结构表现得大不相同，呈现出明显的交直轴差异直轴电抗显著高于交轴电抗，电机特点与凸极机相似，改变其永磁体充磁方向的尺寸、极弧系数等便可以改变交直轴电抗比值，进而可提高电机输出转矩的平均值。2.2交流永磁电机dq坐标模型2.2.1理想化假设与传统电励磁电机一样，为了使分析过程简单，对交流永磁电机建立模型时将作如下几个假设：（1）定转子磁化特性为线性，忽略铁芯饱和效应和磁滞损耗；（2）转子永磁体产生的磁场在气隙的空间分布呈正弦波形；（3）三相定子绕组完全对称，在空间上依次滞后120电角度；（4）定子侧绕组的感应电动势是标准正弦波形，绕组中电流所产生的磁动势在气隙空间呈完全正弦波形；（5）不计电机磁路中的涡流损耗。2.2.2同步电机abc坐标方程电机的三相电压方程如下式2.1所示：[U]=[R][I]+P[ψ]（2.1）其中[U]是三相电压矩阵，[R]是定子绕组电阻矩阵，[I]是定子电流矩阵，P是微分算子，[ψ]为三相磁链矩阵。电机的磁链方程如下式2.2所示：[ψ]=[L][I]+[ψf](2.2)其中[ψ]是三相磁链矩阵，[L]是三相绕组电感矩阵，[I]是三相定子电流矩阵，[ψf]是永磁体磁场与三相定子绕组的交链磁链。电机绕组电感矩阵[L]={}其中Lx为x相绕组自感，Lxy为xy两相互感2.2.3坐标变换在abc轴坐标下，同步电机基本方程是参数变化的一组偏微分方程，不论求解还是分析都是非常困难的，为了克服这一难点，采用坐标变换的方式，使原本处于abc静止坐标系中的电机模型转换至dq旋转坐标之下。从abc坐标变换到dq坐标需要遵循磁链守恒以及总功率平衡的原则，记坐标变换矩阵为[C]，则可推算出[C]={}经过坐标变换，就可以得到同步电机在dq坐标下的基本方程。dq坐标下，同步电机三相电压方程如下式2.3和2.4所示Ud=Rid-LqIq(2.3)Uq=RIq+LdId+（2.4）在abc坐标下通过定子电流与反电动势可以求解交流永磁电机的电磁转矩Tem，同步旋转dq坐标下，可根据下式2.5求得电磁转矩Tem=P[IdIq(Ld-Lq)+Iqψf]（2.5）其中P为微分算子。从方程式2.5不难发现，如果Id=0，同步电机的输出电磁转矩仅仅和电流Iq有关。2.3永磁电机齿槽转矩方程齿槽转矩是电机脉动转矩中的固定分量，在低速重载时，齿槽转矩对电机的影响表现的尤其明显。无疑，对齿槽转矩进行分析是实现电机高性能控制的必要前提。从齿槽转矩产生机理易知，定子电流与齿槽转矩无关。通常办法是根据特定电机的参数利用有限元法计算其齿槽转矩，此方法的最大缺点在于不能直接反映电机参数和齿槽转矩二者之间的函数关系，仅仅得到一个数值结果。以定子铁芯的齿的对称轴线竖轴建立坐标系，记永磁体磁极对称轴线与竖轴夹角为θ，则转子磁动势的傅里叶级数形式如2.6所示F(α，θ)=nFncosn其中α为永磁体转子磁动势中心线空间角，Fn是n次谐波磁动势幅值。电机气隙磁导的空间分布可由以下公式2.7表示：在此处键入公式。dG(α)=[G0+i=1∞Gicosiα]根据磁动势和磁导率方程便能推算出齿槽转矩的方程表达式2.8如下：Tcog=π2GiFnicos（iθ本章小结本章依据同步电机结构和原理，在理想化假设条件下经过坐标变换得出同步电机的dq坐标下基本方程，建立了同步电机的基本模型。以此为基础，结合电机齿槽转矩生成机理，通过分析永磁体转子磁势和电机气隙磁导率变化规律，得出齿槽转矩方程表达式。为进一步研究电机的控制策略做好了准备。第3章交流永磁电机控制方法3.1同步电机控制方法目前对于同步电机调速控制采用最多的是矢量技术，调速的重点和难点是如何提高对电机瞬时转矩以及转速的控制精准度，并且尽量减小调整过程中转矩的脉动。根据已建立的同步电机的模型易知，要想实现对永磁电机的转矩以及转速的实时控制，有针对性地调整电机定子绕组的注入电流是一条切实可行的途径。如此一来，对电机转矩转速的控制转化成对定子绕组电流的控制。在不同的应用场合电机，永磁电机需要采取不同的控制方法。Id=0法是一种常用的控制策略，目前主流的控制策略还有以下几种：最大转矩法、弱磁法及最大功率法等，这些方案各有不同的特点和针对性。Id=0法的的明显优点在于其具有很强的可靠性并且容易实现；最大转矩法的控制目标是实现最大的转矩电流比；弱磁法能够使电机调速范围大大提高；最大功率法针对的是电机的弱磁运行状态，使电机在此状态下有更大的转矩输出。3.1.1Id=0控制Id=0控制法是一种简单易行的控制方法，从电机模型矢量图容易看出，当Id=0时，交流永磁电机可以看成直流电机，定子电流仅含有功分量，在调节特性上的表现和直流电机一样，能够实现平滑简单的调速。此方法属于定向磁场型控制法，由于Id为0，电机转矩仅是电流Iq的一个函数，通过调节Iq的变化，能实现对同步电机转矩的实时调节。3.1空间矢量图3.2相量图3.3时间矢量图从时间矢量图上可以看出，定子电流和反电动势之间夹角为0，即此时的定子电流中不含无功分量，结合电机工作原理可以判断，电机此时功率因素最大，产生相同转矩绕组所通过的电流最小，从而定子的发热损耗就相对较小，对于电机安全运行是十分有利的，同时也提高了电机的效率。这一方法具有很高的转矩电流比，利用小电流便可以得到大转矩，在表贴式交流永磁电机中多采用此种方法。3.1.2直接转矩控制法直接转矩控制是主流的异步电机控制策略，交流永磁电机的直接转矩控制从上世纪九十年代开始应用。结合已经建立的同步电机简单模型和dq坐标下同步电机方程，本文将讨论直接控制转矩的交流永磁电机控制策略。改变定子磁链，可以实现定子绕组磁场的定向控制，这是直接控制同步电机转矩的关键，以此为基础便可以对电机转矩进行控制。此方法运用于电机与电机形式有很大关系，以下将分类讨论：（1）隐极机隐极机的特点在于其无交直轴的电感差异，即Ld=Lq=L定子绕组磁链与转子交链时无空间上差异，根据之前所得出的同步电机dq坐标方程，可得出定子磁链表达式如下3.1、3.2所示：ψd=LId+ψfcosδ（3.1）ψq=LIq-ψfsinδ（3.2）结合同步电机转矩方程，可推导出如下3.3公式：（3.3）由公式3.3可以看出，电机的输出转矩与电机定子绕组磁链幅值，励磁磁链，电机负载角三个量有关。基于此做如下推论，如果定子磁链保持幅值一定，通过调节电机定子磁链与励磁磁链之间夹角，就可以实现对电机转矩的调节。以此为根据，同步电机的转矩控制问题就转换成为电机磁链旋转角变化率控制问题。但是电机的磁链旋转角必须保持在稳定范围内，在九十度时，能够达到最大电磁转矩值，在稳定范围内，电机转矩正向跟随磁链旋转角的变化率的变化。（2）凸极机由于结构上的原因，凸极机的显著特点是存在明显的交直轴差异，Ld和Lq不想等，具体表现为Ld大于Lq。同样参照电机dq坐标模型可推导出电机输出转矩的一个表达方式3.4：（3.4）公式3.4表明，凸极机的转矩要相对复杂的多，主要分为两部分，一部分为主体电磁转矩，与磁链旋转角速度成正弦关系，另一部分是凸极转矩，由凸极机交直轴差异产生，是两倍磁链旋转角的正弦函数。电机转矩的影响因素中增加了永磁体转子形状一项，但是仍然可以通过保持定子磁链而改变磁链旋转角变化率的方式来实现对同步电机转矩的控制，只是二者关系不再像隐极机那么简单。综合以上分析不难发现，直接转矩控制的基本原理可总结如下：控制定子磁链幅值恒定通过对电机定转子磁链之间的差角来实现对电机转矩的控制，而对磁链差角控制则是通过控制定子磁链来实现的。3.2永磁电机谐波转矩分析工程应用中，由功率逆变器向交流永磁电机定子绕组供电，结合配套的控制装置能够实现对定子注入电流的控制，这是实现同步电机输出控制的硬件系统。无论功率逆变器还是控制装置的误差或者固有缺陷都可能使电机绕组电流发生畸变，产生高次谐波成分，谐波定子电流和不同次数的反电动势谐波作用形成电机转矩脉动中的纹波转矩。控制装置中的检测器的误差将使控制系统数字核心发出错误的电流指令，造成转矩输出的偏差，编码器的精度控制芯片的字长等是有限的，这是控制装置的固有缺陷，也是电机输出平滑转矩不得不面对的问题。功率变换器一方面由于使用的电力电子器件非理想化，主要表现为开关管存在死区效应和管压降，这将造成逆变器输出电压中不可避免的含有高次谐波分量，并且逆变器的控制算法上的偏差也将导致输出波形失真，引起转矩的脉动。本文将对逆变器输出失真进行谐波分析，进而分析其引发的脉动转矩，并建立其模型。3.2.1开关器件死区效应理想的开关器件是即通即断的，在互补的驱动信号作用下，同一桥臂的两个器件必定是一通一断的，在此种情况下，采用pwm调制能够复原得到调制电压的精确波形。然而实际应用中的开关器件并非即通即断，而是存在一定的开通和关断时间，且关断时间更长。如果采用互补的驱动信号，就会出现同一桥臂开关同时导通的现象，这样逆变器就无法正常工作。为了避免这一情况的出现，同一桥臂的开关器件的驱动信号之间引入了死区时间。同时为了确保死区时间内逆变器正常工作，每个开关器件都并联了一个二极管用来延续死区时间内的电流输出。尽管如此，由于开关器件的非理想化，仍然存在驱动信号无法完全吻合逆变器输出的问题，也就是说逆变器的输出还是会有高次谐波分量的存在，从而引起电机转矩输出的脉动。死区时间需要在每个载波周期都设置，对于频率较高的载波，死区时间的累积使得输出波形的偏差更为明显。记IGBT的开关时间分别为Ton和Toff，已设置的驱动信号死区时间为Td，则逆变器输出中的死区效应时间T=Ton+Td-Toff分析死区效应之前，为了简化分析，假设所有电力电子器件不存在管压降的问题。以下仅以三相中的a相为例对死区效应进行分析。3.4逆变器工作原理图开关器件是理想器件时，开关时间都是0，输入上下器件的驱动信号完全互补。实际情况是，为了保证不出现上下同时导通的情况，需要根据器件的导通时间Ton和关断时间Toff设施必要的驱动信号死区时间，必须要在上下桥臂两开关管驱动信号之间设置死区时间。当输出电流为正向时，下开关处于导通状态，当需要输出负向电流时，需要向下开关发出关断信号，若此时同时向上开关发出导通信号，由于下开关关断时间比上开关导通时间要长，当上开关导通时，下开关并未完全关断，就出现了上下导通的情况，逆变器无法正常工作。此时如果在下开关给出关断信号后，在驱动信号中设置合理的死区时间，延迟上开关导通信号的发出时间，使上开关在下开关完全关断之后立即导通，就比避免了上下同时导通的情况。但是死区时间的引入虽然避免了同时导通的恶劣情况，但是输出的电压波形缺由此产生可偏差。3.2.2器件管压降开关器件管压降的存在使得逆变器的输出电压额外出现一个电压脉冲。根据冲量等效原理，可以简化对误差脉冲的分析。等效原理简述如下：冲量相等的窄脉冲加在惯性环节上时，不论其形状如何，输出结果基本相同，输出波形的傅里叶形式在低频段尤其接近。开关器件的管压降以及驱动信号死区时间的引入导致逆变器向定子绕组输出的电压中含有大量高次谐波成分。谐波对电磁转矩的影响是显著的，不同频率的谐波和反电动势形成扰动输出转矩的纹波转矩。3.2.3电流谐波与电磁转矩关系逆变器非线性原因导致的高次谐波定子电流，是电机转矩平滑度无法提高的主要障碍，导致电机转矩发生脉动的主要原因，极大的影响了电机的工作性能。而这些高次谐波中偶次以及三的倍数次谐波影响不大，主要对转矩产生脉动作用的是其他的奇次谐波分量。3.3本章小结本章基于电机控制的基本原理，介绍了Id=0电机控制法和直接转矩控制技术，对逆变器输出电压畸变进行了讨论，总结了逆变器波形及变的两大主导因素，即死区效应和管压降。分析了逆变器引入的定子谐波电流对转矩的影响，为提出转矩脉动的抑制方法提供基础。第4章基于模糊PID控制的转矩脉动抑制前两章中根据同步电机运行原理建立了永磁电机的数学模型，并对其进行了仔细分析，推导出了dq坐标中的齿槽转矩方程。详尽分析了同步电机有关控制方法的原理及其优缺点，并分析了向定子供电的逆变器谐波对电机转矩的影响及其与转矩脉动的关系。以此为基础，本章将提出关于同步电机脉动转矩抑制的方法，并且利用MATLAB/Simulink进行了仿真实验，对仿真结果详细分析，对比了采用抑制方法前后的仿真结果的变化。4.1注入谐波电流抑制脉动转矩之前对同步电机所做的分析表明，逆变器的死区效应和管压降、数字控制核心硬件的缺陷以及电机本身在结构上的缺陷导致的气隙磁场畸变是定子电流中高次谐波产生的主要原因，而谐波定子电流在电机输出转矩的脉动现象起主要作用。削弱乃至消除定子电流中的谐波能够达到抑制电机脉动转矩的目的，以提高电机的伺服工作性能。这也是伺服领域专家学者研究的重点方向。、电流补偿法是经实践证明比较有效的一种方法，此方法原理是针对定子电流中的谐波分量向定子绕组注入电流指令进行相应的补偿，以达到抑制乃至消除谐波定子电流的目的。近年来，国内外的学者对此进行了大量研究，也提出了一系列的基于谐波电流注入的转矩脉动抑制方法和相应的算法，但这些方法存在的通病是在提取相应频率的谐波分量进行补偿时需要繁琐的计算，这无疑增加了电机控制装置数字核心的负担。针对目前电流谐波补偿算法中存在的这一缺点，本文提出对谐波进行总体补偿的方法，避免了对不同频率谐波进行一一提取计算的繁重任务，不仅如此，总体补偿法能够更加充分的对定子电流谐波进行补偿，更加有效的抑制了转矩的脉动，使电机转矩更为平滑稳定。此方法的实现需要对电机采取磁场定向控制的措施，以模糊PID控制为基础，利用傅里叶级数对定子电流谐波进行提取，以此为根据向定子册注入相应的谐波抑制电流。谐波电流环是本文增加在电机转矩控制系统中的装置，用以抑制乃至消除定子谐波电流，从而削弱电机的脉动转矩。谐波电流环的工作原理大致如下，首先，基于傅里叶级数对定子电流谐波进行准确实时计算并提取电流的谐波分量；然后，根据提取的谐波电流，由PI调节器将其转化成相应的电压；最后，将计算所得谐波电压加入电机控制装置的PWM参考电压中从而达到抑制定子电流中的谐波分量的目的。4.1.1提取电流谐波抑制定子谐波电流需要对定子电流谐波进行提取以便针对性地进行补偿，因此，提取电流谐波是谐波电流环的第一个环节。此环节主要的工作是利用反馈的手段提取出电机绕组电流中的高次谐波。传统的利用滤波器估算电流误差的方法在存在实时响应差的缺点，尽管在一定程度上能够有效抑制谐波，采用这一方法的谐波电流环结构上也相对简单，但是在电机运行转速较高的状态，滤波法误差较大，对谐波电流没有明显的抑制效果。在电机转矩控制中通常采用的办法是把从定子绕组电流中提取出来谐波加载到PWM的参考电压中，从而向定子绕组中注入相应的补偿谐波，达到抑制乃至消除定子绕组电流中高次谐波分量的目的。此方法称为注入谐波法，在工程实际中被证明是非常有效的抑制脉动转矩的办法，但是此方法对检测器的精确度和可靠度依赖较高，检测器的精确度和可靠度直接影响到电流谐波补偿的效果，进而影响转矩脉动的抑制效果。本文采用傅里叶算法对谐波电流进行总体估算，从而更加精确的提取电流谐波，为定子电流的精确补偿提供依据。以下是谐波电流提取的欧拉傅里叶公式4.1：（4.1）式中从电机定子绕组电流中提取谐波电流之后，需要构建抑制谐波电流的控制算法框图。通过PI调节器将提取的电流谐波转换成相应的电压谐波，以其中单相为例，PI调节器的输入为电流谐波给定值与反馈值的差值，此时调节器的输出即是对应的谐波电压。同理可得到其他两相的对应谐波电压。4.1.2注入电压谐波4.1注入电压谐波抑制转矩脉动框图经过定子电流谐波提取环节得到abc坐标系下相应的谐波补偿电压后，通过坐标变换的到dq坐标系下的定子谐波补偿电压，将此补偿电压加载到定子三相电压PMW调制的参考电压中，以此实现补偿电压注入定子绕组，从而实现对定子绕组电流谐波的抑制，获得理想的定子绕组电流以及磁动势，从而实现对电机脉动转矩的抑制。图4.1是转矩控制系统中谐波电流环的基本结构简图，注入电压的计算公式如下列公式4.2所示：（4.2）4.2模糊PID控制抑制脉动转矩传统的PI调节器的计算量虽然小，但是因为不便对其参数进行修正的缺点，应用于参数实时性强同时具有非线性特性的交流永磁电机时，性能表现欠佳。为进一步抑制电机的脉动转矩，提高电机控制平滑度以及工作性能，本文将以模糊PID控制器取代PI调节器，从而使系统能够实时地对参数进行必要的修正，进一步提高系统的动态性能，使电机输出转矩的脉动更加有效的得到抑制。4.2.1基于模糊PID控制器的转速环交流永磁电机是一个变量繁多同时又具有非线性特性的复杂系统，加上各变量之间同时具有很强的耦合性，因此普通的PI调节器在交流永磁电机转矩控制中的应用并不能达到较为理想的效果，系统的鲁棒性比较低。针对这一问题，本文中采用了基于模糊神经网络理论的模糊PID控制器取代传统的PI调节器，提高控制系统的鲁棒特性。此控制器在结构上与普通PID控制器并无明显差别，只是对其中的部分调节参数作了相应的修正。（1）系统变量的确定通常情况下，模糊PID控制器输入变量有两个，一个是反馈值与给定值的误差值e，另一个是误差的变化率ec。控制器的输出有多个，传统PID控制器P，I，D三个参数的修正值k1，k2，k3将作为模糊PID控制器的输出。输入输出量在语言中被定义为：E1，E2，ΔB0，ΔB1，ΔB2。（2）模糊控制算法模糊控制法是以工程实践中总结的专业技术知识和实际工程经验为基础，结合人类的推理过程中的思维模式而得到相应的控制系统算法规则。模糊控制器会根据E和EC的不同组合，遵循相应的模糊控制规则输出PID控制器的修正参数，以达到最为理想的控制效果。本文设计的模糊控制系统所遵循的模糊控制规则可归纳如下：（一）当e的绝对值明显偏大时，需要系统的响应速度相对提高，以使控制系统实现快速跟踪，此时需要适当地增大k1，同时考虑到由此引起的超调作用需要将k2置零从而去掉系统的积分作用，并且需要减小k3的值，以避免出现微分饱和乃至过调作用。（二）当e的值相对较小时，如果ec相对较小时需要适当地提高k3以获得较强的抗振和抗干扰能力，反之，如果ec偏大，则需要减小k3的值。同时需要在一定程度上增加k1、k2的值。转速环控制器的结构框图如下：4.4模糊PID转速环结构4.2.2转矩控制系统整体结构框图电流谐波抑制环与基于模糊PID控制的转速环相结合，能够实现对定子绕组电流觉得畸变进行谐波补偿，及时跟踪转矩的变化，对转矩脉动进行抑制，系统的实时性较强。加入模糊控制律的转速环能够根据电机参数以及系统工作状态的实时变化，自行修正控制器中的相应参数，以求更好地控制电机的输出转矩，抑制其脉动，是电机的输出性能更加优异可靠，系统的整体结构框图如下图4.5所示：4.5交流永磁电机转矩控制系统4.3转矩脉动抑制系统仿真前两节论述了模糊PID控制应用于电机转矩脉动抑制的工作原理和可行性，已经给出了电流环和转速环的结构框图以及脉动转矩抑制系统的总体结构框图，本节将利用MATLAB的框图仿真平台SIMULINK对转矩脉动抑制系统进行仿真实验。4.3.1系统仿真模型总体结构为验证以定子谐波补偿和模糊PID控制为核心的转矩脉动抑制系统是否有效及其工作性能如何，本文将在MATLAB的SIMULIK平台下对其模型进行数字仿真实验，并对标采用该系统前后电机电磁转矩的脉动情况变化。仿真模型的总体结构如下图4.6所示：4.6仿真模型结构图4.3.2SVPWM模块SVPWM模块的功能是根据参考波形，通过特定的算法对PWM调制进行控制，从而获得相应的输出波形。但是SVPWM由于算法的原因导致无法直接使用abc三相坐标下的参考波形作为其输入，因此需要对参考波形进行坐标变换，将其转换成dq坐标下的两相参考电压，才能得到用于PWM调制所需的六路驱动信号。SVPWM模块结构如下图4.7所示：4.7SVPWM仿真模块4.3.3电流谐波补偿模块本模块由两大主要环节组成：（1）定子电流谐波提取环节：此环节利用谐波电流的欧拉傅里叶公式，提取出定子电流中的总体谐波而非特定频次的谐波分量，再利用PI调节器将其转化成电压形式的谐波。（2）补偿谐波注入环节：由于SVPWM模块的输入量必须是两相坐标下的变量，因此需要将谐波提取环节得到的电压谐波经坐标变换转换成dq坐标系下的谐波电压，然后将此谐波电压加载到SVPWM模块的输入参考波形之中，如此一来，PWM调制的输出电压中就含有补偿谐波成分，实现了对定子电流谐波的补偿，从而达到谐波抑制脉动转矩的目的。结构图如下4.8：4.8电流谐波补偿仿真模块4.3.4模糊PID控制器模糊PID控制器是在传统PID控制器的基础上引入了模糊逻辑控制算法，与传统PID控制器的最大区别在于，模糊PID控制器能够根据系统运行状态的不同而相应的对控制参数进行必要