车用电机控制器谐波电流检测系统及方法

技术领域

本发明涉及车用电机技术领域，特别涉及一种车用电机控制器谐波电流检测系统及方法。

背景技术

由于齿槽、气隙磁场非正弦、谐波电流等原因，转矩脉动普遍存在于车用电机中，其在低速时会引起车辆传统系统扭振，且中、高速时会造成车内啸叫，如图1(a)及图1(b)所示，从而降低了整车的乘坐舒适性。通过主动谐波电流注入可以有效抑制电机转矩脉动，从图2中可以看出通过少量谐波电流的注入即可实现转矩脉动的大幅度削减，该方法完全基于软件的优化，可在原有电驱动系统硬件平台上实现，不需要增加额外的成本；且针对不同的永磁同步电机，该方法仅需要通过参数的适配来完成转矩脉动的抑制；另外，与电机结构优化相比，该方法对电机转矩密度影响较小。

为实现谐波电流的精确注入，需要控制系统能够对谐波电流进行准确、快速地提取，以便对谐波电流进行有效地闭环反馈控制。传统的谐波电流提取方法是基于同步轴滤波器而设计的，其由坐标变换与低通滤波器两部分组成，如图3所示，以5次谐波电流为例，利用Park变换得到5次同步坐标系下d-q轴电流，在该同步坐标系下5次谐波电流变为直流量，而其余阶次的电流则均为交流量，利用低通滤波器即可将5次谐波电流提取出来，同理可以分别提取出7、11、13次谐波电流。

然而，由于在谐波电流提取的过程中使用了低通滤波器，其会在滤波过程中引入相位滞后，且滤波器类型以及参数的选取对于谐波电流提取的动态响应影响巨大。图4为采用传统谐波电流提取方法所得的5次谐波电流采集结果，可以看出谐波电流提取的动态过程中出现了0.4s的相位延迟，且最终提取的谐波电流值存在1.6A的波动，尽管通过降低滤波器截止频率可以减小5次谐波电流的波动值，但是会进一步增加相位延迟时间。因此，采用传统谐波电流提取方法，尽管在稳态时可以保证谐波电流的准确跟踪，但是其瞬态响应过程中的相位滞后严重，大大降低了谐波电流注入的动态响应性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车用电机控制器谐波电流检测系统及方法，以解决现有的谐波电流提取造成的动态响应性能差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种车用电机控制器谐波电流检测系统，所述车用电机控制器谐波电流检测系统包括前端坐标变换单元、电流谐波剩余单元和滤波单元，其中：

所述前端坐标变换单元用于对车用电机输入的三相电流进行坐标变换，以得到d-q轴基波电流与各次谐波电流之和；

所述电流谐波剩余单元在所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，用于去除d-q轴各次谐波电流，剩余d-q轴基波电流，或去除d-q轴基波电流及除d-q轴某次谐波电流的d-q轴其他谐波电流，剩余所述d-q轴某次谐波电流，得到第1、2、…、N剩余电流，其中，N为正整数；

所述滤波单元用于对所述第1、2、…、N剩余电流进行滤波，得到第1、2、…、N谐波电流采样值。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，车用电机控制器根据所述d-q轴基波电流采样值和所述d-q轴某次谐波电流采样值，对所述车用电机输入的三相电流注入谐波电流，以调节所述车用电机的转矩。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述滤波单元包括多个同步轴滤波器，每个所述同步轴滤波器包括一低通滤波器，所述低通滤波器对坐标变换后的第1剩余电流进行滤波，得到所述第1谐波电流采样值；

对所述第2、3、…、N剩余电流进行滤波的同步轴滤波器还包括一同步坐标系模块，所述同步坐标系模块对第2、3、…、N剩余电流进行坐标变换，所述低通滤波器对坐标变换后的第2、3、…、N剩余电流进行滤波，得到所述第2、3、…、N谐波电流采样值。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述低通滤波器的传递函数为：

其中，α为滤波器的截止频率；

α＝Kω

其中，ω

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述车用电机控制器谐波电流检测系统还包括多个反向坐标系模块，多个所述反向坐标系模块分别输入所述第2谐波电流采样值、第3谐波电流采样值、…、第N谐波电流采样值，以分别得到第2谐波反向变换电流、第3谐波反向变换电流、…、第N谐波反向变换电流。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述同步坐标系模块和所述反向坐标系模块均输入所述车用电机的转子位置信息。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述电流谐波剩余单元包括第一求和模块，所述第一求和模块输入所述第1谐波电流采样值和所述第2、3、…、N谐波反向变换电流，所述第一求和模块输出剩余电流和，所述剩余电流和为所述第1谐波电流采样值与所述第2、3、…、N谐波反向变换电流之和。

可选的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述电流谐波剩余单元包括第2求和模块、第3求和模块、…、第N求和模块，

所述第2求和模块输入所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和、所述第1谐波电流采样值与所述剩余电流和的负值，以得到第1剩余电流；

所述第N求和模块输入所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和、所述第N-1谐波反向变换电流与所述剩余电流和的负值，以得到第2、3、…、N剩余电流。

本发明还提供一种车用电机控制器谐波电流检测方法，车用电机控制器谐波电流检测方法包括：

前端坐标变换单元对车用电机输入的三相电流进行坐标变换，以得到d-q轴基波电流与各次谐波电流之和；

电流谐波剩余单元在所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除d-q轴各次谐波电流，剩余d-q轴基波电流，或去除d-q轴基波电流及除d-q轴某次谐波电流的d-q轴其他谐波电流，剩余所述d-q轴某次谐波电流，得到第1、2、…、N次剩余电流，其中，N为正整数；

滤波单元对所述第1、2、…、N次剩余电流进行滤波，得到第1、2、…、N次谐波电流采样值。

在本发明提供的车用电机控制器谐波电流检测系统及方法中，通过电流谐波剩余单元在d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除除d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)的d-q轴其他谐波电流，只剩余所述d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)，然后滤波单元再对其进行滤波，得到各次谐波电流采样值，其充分利用已提取出来的各次谐波电流信息，例如在通过低通滤波器提取5次谐波电流之前，先去除总电流中已经提取出的1次、7次等其他谐波电流，一方面减小了低通滤波器对其他谐波成分滤波过程中引入的相位滞后，提高了谐波电流提取的响应速度；另一方面相当于增大了低通滤波器对其他谐波成分的衰减系数，减小了所提取谐波电流的波动量。

附图说明

图1(a)是现有的车用电机主动谐波电流注入的转矩脉动抑制效果电磁转矩示意图；

图1(b)是现有的车用电机主动谐波电流注入的转矩脉动抑制效果A相电流示意图；

图2是现有的车用电机控制器谐波电流提取系统示意图；

图3是现有的车用电机控制器谐波电流提取结果示意图；

图4是本发明一实施例的车用电机控制器谐波电流检测系统示意图；

图5是本发明一实施例车用电机控制器谐波电流检测方法与传统方法提取的5次q轴电流对比示意图；

图6是本发明一实施例车用电机控制器谐波电流检测方法与传统方法提取的7次d轴电流对比示意图；

图7是本发明一实施例车用电机控制器谐波电流检测方法瞬态响应试验结果；

图8是本发明一实施例车用电机控制器谐波电流检测方法不同转速下试验结果；

图中所示：10-同步轴滤波器；11-同步坐标系模块；12-低通滤波器；20-反向坐标系模块；31-第一求和模块；32-第2求和模块；33-第3求和模块；34-第4求和模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的车用电机控制器谐波电流检测系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种车用电机控制器谐波电流检测方法，以解决现有的谐波电流提取造成的动态响应性能差的问题。为实现上述思想，本发明提供了一种车用电机控制器谐波电流检测系统及方法，所述车用电机控制器谐波电流检测系统包括前端坐标变换单元、电流谐波剩余单元和滤波单元，其中：前端坐标变换单元用于对车用电机输入的三相电流进行坐标变换，以得到d-q轴基波电流与各次谐波电流之和；电流谐波剩余单元在所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，用于去除d-q轴各次谐波电流，剩余d-q轴基波电流，或去除d-q轴基波电流及除d-q轴某次谐波电流的d-q轴其他谐波电流，剩余所述d-q轴某次谐波电流，得到第1、2、…、N剩余电流，其中，N为正整数；滤波单元用于对所述第1、2、…、N剩余电流进行滤波，得到第1、2、…、N谐波电流采样值。本发明通过电流谐波剩余单元在d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除除d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)的d-q轴其他谐波电流，只剩余所述d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)，然后滤波单元再对其进行滤波，得到各次谐波电流采样值，其充分利用已提取出来的各次谐波电流信息，例如在通过低通滤波器提取5次谐波电流之前，先去除总电流中已经提取出的1次、7次等其他谐波电流，一方面减小了低通滤波器对其他谐波成分滤波过程中引入的相位滞后，提高了谐波电流提取的响应速度；另一方面相当于增大了低通滤波器对其他谐波成分的衰减系数，减小了所提取谐波电流的波动量。

<实施例一>

本发明提供一种车用电机控制器谐波电流检测系统，所述车用电机控制器谐波电流检测系统包括前端坐标变换单元、电流谐波剩余单元和滤波单元，其中：所述前端坐标变换单元用于对车用电机输入的三相电流进行坐标变换，以得到d-q轴基波电流与各次谐波电流之和；所述电流谐波剩余单元在所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，用于去除d-q轴各次谐波电流，剩余d-q轴基波电流，或去除d-q轴基波电流及除d-q轴某次谐波电流的d-q轴其他谐波电流，剩余所述d-q轴某次谐波电流，得到第1、2、…、N剩余电流，其中，N为正整数；所述滤波单元用于对所述第1、2、…、N剩余电流进行滤波，得到第1、2、…、N谐波电流采样值。

具体的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，车用电机控制器根据所述d-q轴基波电流采样值和所述d-q轴某次谐波电流采样值，对所述车用电机输入的三相电流注入谐波电流，以调节所述车用电机的转矩。例如，d-q轴基波电流与各次谐波电流之和i

如图4所示，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述滤波单元包括多个同步轴滤波器10，每个所述同步轴滤波器10包括一低通滤波器12，所述低通滤波器12对坐标变换后的第1剩余电流i

进一步的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述低通滤波器12的传递函数为：

其中，α为滤波器的截止频率；

α＝Kω

其中，ω

另外，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述车用电机控制器谐波电流检测系统还包括多个反向坐标系模块20，多个所述反向坐标系模块分别输入所述第2谐波电流采样值、第3谐波电流采样值、…、第N谐波电流采样值(例如第2谐波电流采样值i

如图4所示，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述电流谐波剩余单元包括第一求和模块31，所述第一求和模块31输入所述第1谐波电流采样值和所述第2、3、…、N谐波反向变换电流(例如第1谐波电流采样值i

具体的，在所述的车用电机控制器谐波电流检测系统中，所述电流谐波剩余单元包括第2求和模块、第3求和模块、…、第N求和模块，本实施例中所举的例子为第2求和模块32、第3求和模块33和第4求和模块34，所述第2求和模块32输入所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和i

在本发明实施例提供的车用电机控制器谐波电流检测系统及方法中，通过电流谐波剩余单元在d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除除d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)的d-q轴其他谐波电流，只剩余所述d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)，然后滤波单元再对其进行滤波，得到各次谐波电流采样值，提出了一种改进的谐波电流实时提取算法，其关键技术在于充分利用已提取出来的各次谐波电流信息，例如在通过低通滤波器12提取5次谐波电流之前，先去除总电流中已经提取出的1次、7次等其他谐波电流，一方面减小了低通滤波器12对其他谐波成分滤波过程中引入的相位滞后，提高了谐波电流提取的响应速度；另一方面相当于增大了低通滤波器12对其他谐波成分的衰减系数，减小了所提取谐波电流的波动量。

综上，上述实施例对车用电机控制器谐波电流检测方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

<实施例二>

本发明还提供一种车用电机控制器谐波电流检测方法，车用电机控制器谐波电流检测方法包括：前端坐标变换单元对车用电机输入的三相电流进行坐标变换，以得到d-q轴基波电流与各次谐波电流之和；电流谐波剩余单元在所述d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除d-q轴各次谐波电流，剩余d-q轴基波电流，或去除d-q轴基波电流及除d-q轴某次谐波电流的d-q轴其他谐波电流，剩余所述d-q轴某次谐波电流，得到第1、2、…、N次剩余电流，其中，N为正整数；滤波单元对所述第1、2、…、N次剩余电流进行滤波，得到第1、2、…、N次谐波电流采样值。

在本发明提供的车用电机控制器谐波电流检测系统及方法中，通过电流谐波剩余单元在d-q轴基波电流与各次谐波电流之和中，去除除d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)的d-q轴其他谐波电流，只剩余所述d-q轴某次谐波电流(或d-q轴基波电流)，然后滤波单元再对其进行滤波，得到各次谐波电流采样值，提出了一种改进的谐波电流实时提取算法，其关键技术在于充分利用已提取出来的各次谐波电流信息，例如在通过低通滤波器12提取5次谐波电流之前，先去除总电流中已经提取出的1次、7次等其他谐波电流，一方面减小了低通滤波器12对其他谐波成分滤波过程中引入的相位滞后，提高了谐波电流提取的响应速度；另一方面相当于增大了低通滤波器12对其他谐波成分的衰减系数，减小了所提取谐波电流的波动量。

如图4所示，i

i

i

其中，T

同理，可以得出i

i

i

另外，考虑到车用电机转速变化范围较宽，谐波电流频率范围波动举动，单一性能的滤波器必然无法满足不同转速下的谐波电流提取需求，因此本发明对于上述框图中低通滤波器LPF的参数进行了与转速相关的设计，以保证在谐波电流控制的有效范围内能对不同转速下的谐波电流进行准确、快速地提取。接下来以一阶惯性环节构建的LPF为例进行说明，其传递函数可表示为：

式中，参数α即为滤波器的截止频率。

因此，将参数α设计为随电机转速变化的函数：

α＝Kω

式中，ω

本实施例分别从仿真及试验对本发明所述的改进谐波电流提取方法的效果进行了验证。

1、仿真验证：

在Simulink中分别搭建本发明提出的改进谐波电流提取以及传统谐波电流提取方案，对相同工况下两种谐波电流提取结果进行对比，如图5及图6所示。可以看出，改进谐波电流提取方案相比于传统方案具有明显的优势，其瞬态响应速度更快、稳态时波动量更小，其响应速度约为传统方法的10倍，而稳态波动量仅为传统方法的1/3。

2、试验验证：

图7为采用改进谐波电流提取方案的各次谐波电流瞬态响应结果，可以看出试验中各次谐波电流均能快速跟踪上设定值，超调量十分微小，这表明本发明提出的改进谐波电流提取方法可以快速提取出真实的谐波电流值，相位延迟较小。其中：图7中各个信号的名称及采集值如表1所示。

表1

图8为采用改进谐波电流提取方案各次谐波电流在不同转速下的响应情况，可以看出在1000rpm～6000rpm范围内，谐波电流的结果均能被正确地提取出来，且其提取结果受转速影响较小，充分证明了本发明中将滤波参数与转速关联设计的有效性。其中：其中：图8中各个信号的名称及采集值如表2所示。

表2

通过上述分析可知，本发明提出的谐波电流提取方案，相比于传统提取谐波电流提取方法具有明显的优势，且该方案针对电机宽转速范围进行了滤波器参数设计，在各个不同转速下均有良好的谐波电流提取效果，适合于车用电机的谐波电流控制。

本发明所述的针对车用电机的谐波电流提取方法，该方法不仅适用于5、7次谐波电流的提取，其适用于任意次谐波电流的提取，如11、13、17、19…等高次谐波电流以及零序电流等；该方法所用低通滤波器不限于一阶惯性环节滤波器，其参数随转速关联的设计方法应适用于所有低通滤波器；以上所述应在本专利的保护范围之内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。