利用示波器采集某款电机的线反电势,如图1-13所示。其中,实线emf_ab为ab两相反电势波形、虚线emf_bc为bc两相反电势波形。可以看到,反电势波形有些“尖顶”,谐波含量较大。
图1-13 ab、bc两相反电势波形
由于对称的三相线反电势分别为 e ab 、 e bc 、 e ca ,因此后续先将 e cb 取反得到 e bc 。由线电压方程组可以求得三相相反电势 e a 、 e b 、 e c 分别为
根据式(1-42)对采集的数据进行处理,得三相反电势波形,如图1-14所示。
图1-14 三相反电势波形
对三相反电势做Clark变换,结果如图1-15所示。 α 轴的反电势波形与 abc 坐标系中的a相反电势波形一样,为梯形波;而 β 轴的反电势则为尖顶波,两者都有相当程度的畸变。
图1-15 αβ 坐标系反电势波形
以转子磁场轴线为 d 轴建立 dq 坐标系后,电机反电势将全部落在 q 轴上。为使用Park变换将上述反电势变换到 dq 坐标系,需要确定每个数据对应的角度。因为测试时电机是匀速转动的且运行频率已知,所以只需先确定电机0角度,再计算其他角度即可。
电机正转(规定逆时针为正)时,在 d 轴接近并越过 a 轴的过程中,反电势矢量在 a 轴的投影由正变为负。此时,a相反电势emf_a由正到负穿越零点(反转则正好相反,即反电势由负到正穿越零点)。a相反电势过零点对应线反电势 e bc 取得峰值,并且由正到负过零点对应正向峰值,由负到正过零点对应负向峰值。于是,正转时 e bc 正向峰值对应电机0角度,反转时 e bc 负向峰值对应电机0角度。将反电势由 αβ 坐标系变换到 dq 坐标系,如图1-16所示。可以看到,反电势几乎全部落在 q 轴上, d 轴上为谐波分量。
图1-16 dq 坐标系反电势波形
对 q 轴反电势进行频谱分析,如图1-17所示,比较显著的谐波分量频率为1200Hz和2400Hz,分别对应7次谐波和11次谐波(因为旋转变换变为6次和12次,基波频率为200Hz)。
图1-17 q 轴反电势频谱
6次谐波幅值为DC分量的5.39%,初始相位为99.5°;12次谐波幅值为DC分量的1.915%,初始相位为115.5°,以此合成谐波补偿量,如图1-18所示。可以看到,合成谐波补偿量和原始扰动信号基本相符,仅有一些细节有细微的差别。合成谐波补偿量的公式如式(1-43)所示,其中, θ 为当前转子角度, φ 为初始相位。
很明显, q 轴反电势的波动会对电流控制造成不利的影响,尤其在转速较高的情况下,当电流环控制器对高频扰动无法形成有效抑制时,影响会更大。而对 q 轴反电势谐波进行补偿则不受带宽的限制,可以在全转速范围内有效降低扰动。如图1-19所示,补偿之后, q 轴反电势波动由10V降低到2V左右,补偿效果非常显著。
图1-18 合成谐波补偿量与原始扰动信号
图1-19 补偿前后 q 轴反电势对比
分析 αβ 坐标系反电势频谱,如图1-20 和图1-21所示,注意到主要的谐波阶次为5次、7次和11次。经过Park变换之后,5次和7次谐波变为6次谐波,11次谐波变为12次谐波,与 dq 坐标系中的分析结果吻合。
图1-20 α 轴反电势频谱
图1-21 β 轴反电势频谱
将电机转矩公式稍做变形可得
式中, n p 为极对数; ψ r 为转子永磁链; w e 为电角速度。由主磁通引起的电磁转矩和由转子 dq 轴磁阻不同引起的磁阻转矩组成电机转矩。注意到,电磁转矩与反电势和转矩电流的乘积有关。当 abc 坐标系中反电势的正弦度较差时, dq 坐标系中的反电势不再是常值。在这种情况下,为了消除转矩谐波,转矩电流反而不能是恒定的直流量,而必须带有特定形式的谐波。同样,当 q 轴电流包含谐波时,为保证磁阻转矩平稳,需要在 d 轴电流中注入指定形式的谐波。
由1.3.1节可知,在 dq 坐标系内,反电势主要含有6次和12次谐波,如果在转矩电流中也注入6次和12次谐波,那么两者相乘可得
式中, a 、 b 分别为6次、12次谐波幅值系数; α 、 β 和 γ 、 λ 分别为反电势谐波与电流谐波的初始相位; E m 、 I m 分别为反电势基波幅值、电流基波幅值; θ 为电机转子角度。因为系数 a 、 b 较小(一般小于5%),所以它们的平方项和乘积项相对而言很小,可以忽略不计。于是有
式中,6次和12次项是影响比较显著的谐波分量,需要处理掉。由式(1-46)可知,当注入的电流谐波幅值和反电势谐波幅值一致时,令它们的初始相位相差180°就可以实现对消。
式(1-45)中被忽略的二次项的频率分量是比较复杂的,由三角函数积化和差公式可知其包含直流分量和6次、12次、18次、24次谐波分量。总之,注入谐波电流之后,那些幅值较大、频率较低的转矩谐波会消失,但是会引入频率更高的谐波。但后者幅值很小、频率高,其实际影响可以忽略不计。
图1-22所示为 q 轴反电势 e q 及带补偿的 q 轴转矩电流 i q 的波形,其中, q 轴反电势是原始信号,而带补偿的 q 轴转矩电流 i q 则是根据反电势的主要谐波分量构建得来的。图1-22中的电流波形与反电势波形的变化趋势相反,两者波动量幅值不相等,但是与各自直流分量的比值相等。如图1-23所示,注入谐波后,转矩相对于原始转矩脉动减小了很多。
图1-22 q 轴反电势及带补偿的 q 轴转矩电流
图1-23 注入谐波前后转矩脉动对比
谐波注入受采样频率的影响比较大,以10kHz的采样频率为例,此时可精确采样的最高信号频率大约为2.5kHz,考虑5次、7次和11次谐波的采样,可处理的基波频率分别为500Hz、360Hz、220Hz。超过这些频率以后,相应的谐波分量会出现采样失真,自然无法准确地进行谐波注入。一台四对极的电机,大约在3000r/min以上就不能采样11次谐波,5400r/min以上不能采样7次谐波,7500r/min以上不能采样5次谐波。注入谐波电流依托电流环实现,考虑到电流环的带宽,实际能正确注入谐波的频率只会更低。
谐波注入只适合在低频段使用,尽管如此,在实际应用中,它仍然有用武之地。因为机械系统本身具有低通特性,中高频段对应的转矩谐波大概率会被充分衰减,从而不需要进行额外处理。于是,消除低频谐波转矩往往就能解决相关问题。