本文主要是介绍电机控制系列模块解析（29）—— 逆变器带输出LC滤波器，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
一般长线驱动（港口和油矿）和超高速电机（高频）等驱动系统可能会要求加装输出LC滤波器。
此图片来源于会议PPT
一、逆变器带输出LC滤波器
逆变器输出端配置LC滤波器（电感L与电容C组成的无源滤波电路）旨在改善输出电压波形质量、抑制谐波、降低电磁干扰（EMI）以及提高与负载的兼容性。以下是逆变器输出带LC滤波器所带来的优缺点：
优点：
谐波抑制：
LC滤波器通过电感对高频谐波成分的感抗增加和电容对低频成分的容抗减小，能有效地滤除逆变器输出中的高次谐波，使电压波形更接近正弦波，降低谐波对电网和负载的影响。
改善电源质量：
减少谐波污染有助于提升电源的总谐波失真（THD），满足电力系统对电源质量的要求，避免因谐波超标引起供电系统的故障或设备损坏。
增强电磁兼容性：
降低谐波和改善电压波形有助于减少逆变器对外部环境的电磁干扰（EMI），符合电磁兼容性（EMC）法规要求，有利于与其他电子设备共存，避免相互干扰。
保护负载：
对于敏感负载（如精密仪器、某些类型的电机等），高质量的电压波形可以减少对负载的不利影响，如减少电机的振动、噪声和发热，延长设备寿命。
简化EMI滤波设计：
在系统设计中，LC滤波器可以作为前端滤波器的一部分，减少后续EMI滤波器的设计复杂度和成本。
结构简单、成本较低：
与有源滤波器相比，LC滤波器无需复杂的控制电路和电源，结构简单，成本较低，维护方便。
缺点：
滤波效果受参数选择影响：
LC滤波器的滤波效果依赖于电感L和电容C的参数选择，若设计不当，可能无法有效滤除特定频率范围的谐波，甚至引入新的谐振点，加剧谐波问题。
增加体积与重量：
特别是对于大容量逆变器，所需的电感和电容可能体积较大、重量较重，影响系统的小型化和轻量化设计。
功率损耗：
电感和电容在工作时会分别产生磁滞损耗和介质损耗，尤其是在高功率、高频应用中，这些损耗可能导致滤波器温升，影响效率和可靠性。
对系统动态响应的影响：
LC滤波器的存在增加了系统阻尼，可能降低逆变器对负载变化的动态响应速度，尤其是在瞬态过程中，可能需要更复杂的控制策略来保持系统的稳定性和快速响应能力。
谐振风险：
若LC滤波器的谐振频率与逆变器工作频率或某个谐波频率接近，可能会发生谐振现象，导致电压或电流峰值过高，严重时可能损坏滤波器或逆变器本身。
电容选型与寿命问题：
电容需选用适合高压、高频应用的类型，且其寿命受工作温度、纹波电流等因素影响，可能成为系统可靠性的瓶颈。
综上所述，逆变器输出带LC滤波器可以显著改善输出电压质量、抑制谐波、增强电磁兼容性，但同时也带来了滤波效果依赖参数选择、增加体积与重量、功率损耗、影响动态响应以及潜在谐振风险等问题。在实际应用中，应根据具体需求权衡利弊，合理设计和选择LC滤波器的参数与类型。
二、似曾相识的问题：整体建模 OR 串级建模
记得在FOC（磁场定向控制策略）中，有人问为什么FOC采用串级控制，即将多个控制器进行串联依次从内到外形成电流环、速度环、位置环这个多速率多限制的控制系统。同样对于逆变器带LC滤波器的电机控制系统，也面临同样的建模问题：整体建模 OR 串级建模？是追求极致性能的优化而选择整体建模，进而设计高阶非线性的控制器，还是串级建模，继续采用降阶线性的控制器呢？（线性控制器+前馈反馈项用来抑制振荡即可）
此图片来源于会议PPT
整体建模
将逆变器的输出LC滤波器与电机进行整体建模，意味着将滤波器与电机视为一个统一的动力学系统来进行分析和控制设计。这种方法旨在全面考虑滤波器对电机电流和电压的影响，实现对整个系统的精确控制。
1.系统建模：
电机模型：首先建立电机的数学模型，这通常包括基本的电磁方程（如电压平衡方程、磁链方程）以及转矩方程，可以是基于磁链的矢量控制模型（如FOC）或直接转矩控制（DTC）模型。
LC滤波器模型：根据滤波器的电感L、电容C及其寄生参数（如电阻R），以及逆变器的工作频率，建立滤波器的传递函数模型，反映其对电流和电压的滤波特性。
2.系统级联：
将电机模型与滤波器模型级联起来，形成一个整体的动力学模型。这需要明确滤波器输出（即电机输入）与电机输出之间的关系，以及逆变器输出（即滤波器输入）与电机控制信号（如参考电压、参考电流）之间的关系。
3.控制器设计：
整体控制策略：基于整体模型设计控制器，如PID、滑模控制、自适应控制、预测控制等，直接针对电机与滤波器系统的综合动态特性进行控制。控制器设计应兼顾电机的稳态性能和滤波器对电流、电压的影响。
状态观测器：如果需要（无传感器），可以设计状态观测器（如龙伯格观测器、卡尔曼滤波器）来估计电机内部状态（如磁链、转速）或LC滤波器内部状态，用于闭环控制。
4.挑战：
（1）模型复杂性：整体建模将增加系统的阶数和非线性特性，使得控制器设计和分析更为复杂。特别是对于高阶滤波器和复杂电机拓扑（如永磁同步电机、感应电机），模型可能包含多个状态变量和非线性环节。
（2）参数辨识与模型不确定性：实际系统中，电机和滤波器的参数可能随温度、老化、负载条件等因素发生变化，需要定期进行参数辨识或采用自适应控制策略来应对模型不确定性。
（3）实时计算要求：整体建模和控制算法可能需要更高的计算资源和更快的处理速度。在嵌入式系统中，需要确保处理器性能、内存容量和通信带宽满足实时控制要求。
（4）系统稳定性与鲁棒性：整体建模可能导致系统稳定性边界更为复杂，控制器设计需要确保在各种工况下系统的稳定性。同时，需要考虑外部扰动（如负载突变、电网电压波动）对系统的影响，设计具有足够鲁棒性的控制策略。
（5）控制性能优化：在整体建模框架下，需要权衡电机控制性能（如快速响应、低转矩脉动）与滤波器特性（如谐波抑制、EMC合规性）。可能需要进行详细的系统仿真和实验验证，以优化控制器参数和结构。
总结来说，将逆变器输出LC滤波器与电机进行整体建模是一种深入考虑系统交互影响的控制策略，虽然面临模型复杂性、参数辨识、实时计算、稳定性与鲁棒性等方面的挑战，但通过合理建模、控制器设计与系统优化，可以实现对电机驱动系统的精细控制，提升系统整体性能。
串级建模
在电机控制系统中，逆变器带输出LC滤波器会增加控制系统的阶数，导致控制策略变得复杂，此时可以通过逆变器端输出电流来重构电机端电流，从而将LC滤波器视为一个与电机串联的子系统，由于LC滤波不是控制对象，而电机才是控制对象，这样就可以通过重构计算得到电机电流来实现对电机的直接控制，从而简化电机控制器的设计。电流传感器成本较高。
（1、降本角度）（2、定子磁链定向角度，继续简化控制，比如V/F控制的改进，均使用此系统）
原理概述： 当逆变器输出端连接LC滤波器后，逆变器输出电流（即滤波器输入电流）与电机端电流（即滤波器输出电流）之间存在动态关系。这种关系可以通过建立滤波器的数学模型（通常是传递函数形式）来描述。通过实时监测逆变器输出电流，并结合滤波器模型，可以实时计算出电机端电流，即所谓的“电流重构”。
电流重构步骤：
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建立滤波器模型：根据滤波器的电感L、电容C及其寄生参数（如电阻R），以及逆变器的工作频率，建立滤波器的传递函数模型。该模型通常是一个二阶或更高阶的系统，反映滤波器对电流的滤波特性。
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实时监测逆变器输出电流：通过电流传感器实时采集逆变器输出端的电流信号，作为输入到滤波器模型中。
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应用滤波器模型计算电机端电流：将逆变器输出电流作为滤波器模型的输入，通过数字信号处理技术（如离散化、数值积分等）计算出电机端电流。
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电机控制策略：将重构得到的电机端电流作为电机控制算法的反馈信号，直接对电机进行控制，如PI调节、滑模控制、磁场定向控制（FOC）等。此时控制器设计仅关注电机本身的动态特性，而不必考虑滤波器的复杂性。此处较为理想，可能还需要附加谐振抑制前馈控制。
优点：
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简化控制器设计：将LC滤波器视为一个已知的、固定的子系统，通过电流重构将控制器设计的关注点集中在电机本身，避免了控制系统直接处理滤波器带来的阶数增加和复杂性。
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提高控制精度：通过实时计算电机端电流，可以更准确地反映电机的实际运行状态，有助于提高控制系统的动态响应和稳态精度。
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易于实现：电流重构算法一般基于成熟的数字信号处理技术，易于在现有微处理器或DSP或FPGA等平台上实现，无需额外硬件。
挑战与注意事项：
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滤波器模型准确性：滤波器模型的精度直接影响电流重构的效果。实际滤波器可能存在参数漂移、寄生参数影响、非线性效应等，需要定期校准模型参数或采用自适应建模技术。
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噪声抑制与抗干扰：逆变器输出电流传感器的测量信号可能存在噪声和干扰，需要适当的数据预处理（如低通滤波、去噪、数字过采样等）以提高重构电流的准确性。
综上所述，通过逆变器端输出电流来重构电机端电流，将LC滤波器视为一个与电机串联的子系统，确实可以简化电机控制器的设计，但也需要注意滤波器模型的准确性、实时计算资源的分配以及噪声抑制与抗干扰等问题。实际应用中，应结合具体系统特点，合理选择和实施电流重构策略。
当然也不能一开始就抛给自己最困难的事情，比如对于逆变器带LC滤波器的电机控制器来说，其无位置传感器中的观测器如何设计？其离线参数辨识和在线参数辨识如何设计？其常规的电流环路如何改进？可以先明确问题，然后一步一步来解决，常规电机控制器仅对逆变器输出电流进行采样，在不增加硬件成本的基础上，（1）先确定LC滤波器的参数选型；（2）再通过较为简单的主动阻尼控制策略来改进常规的电流环路以抑制谐振带来的不稳定振荡现象；在电机和滤波器参数已知的条件下，以上两步可以保证大多数工况可正常工作。（3）考虑LC滤波器对位置观测器的影响（零低速是否需要硬件支持），对系统效率的影响，对参数辨识的影响，对故障保护的影响，先不着急推翻常规方案，先分析清楚问题所在，然后再进行常规方案的逐步改进和兼容。
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