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CN107994816B - 一种电机系统及其优化控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电机系统及其优化控制方法。本发明涉及一种电机系统，包括三相电机、与三相电机连接的控制器、与三相电机连接的转速传感器以及电流传感器，三相电机包括n个电机模块，每个电机模块均由三组轴线互差120°机械角度的定子线圈组成，控制器包括分别与n个电机模块的正极连接的n个控制模块以及与n个控制模块连接的总控制器，每个电机模块中的定子线圈的负极均连接在一起，每个控制模块的调制波相等，载波幅值相等，相位互差360°/n，将电机模块化以及控制器模块化，可以使电机和控制器在功率分配的同时，还可以利用不同控制模块之间的载波相移控制策略来改变不同电机模块的输入谐波电流相位，从而在电机本体内通过转矩叠加消除主要低次谐波转矩，降低电机的转矩脉动，提高系统的可靠性。

Description

一种电机系统及其优化控制方法
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其是涉及一种电机系统及其优化控制方法。
背景技术
现有的大功率、高频永磁同步电机驱动系统，受限于控制器开关器件的功率和开关频率，通常采用控制器多模块并联的方式对电机供电。然而，这种方式仅仅在电机外进行简单的功率分配，并不能解决高频电机载波比(开关频率/电机基频)低、输入电流低次谐波含量高的问题，使电机在高频运行时产生较大的转矩脉动，进而产生振动噪声等不良影响，对电机的稳定性和可靠性造成一定的危害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低电机转矩脉动，并且提高系统可靠性的电机系统。
本发明所采用的技术方案是，一种电机系统，包括三相电机、与三相电机连接的控制器、与三相电机连接的转速传感器以及电流传感器，三相电机包括n个电机模块，每个电机模块均由三组轴线互差120°机械角度的定子线圈组成，控制器包括分别与n个电机模块的正极连接的n个控制模块以及与n个控制模块连接的总控制器，每个电机模块中的定子线圈的负极均连接在一起，每个控制模块的调制波相等，载波幅值相等，相位互差360°/n。
本发明的有益效果是：上述电机系统将电机模块化以及控制器模块化，可以使电机和控制器在功率分配的同时，还可以利用不同控制模块之间的载波相移控制策略来改变不同电机模块的输入谐波电流相位，从而在电机本体内通过转矩叠加消除主要低次谐波转矩，降低电机的转矩脉动，提高了系统的可靠性。
一种电机系统的优化控制方法，该方法包括下列步骤：
(1)、设三相电机的极对数为n，其中n不能被3整除，定子槽数为2Q，取缠绕在Q/n个定子齿上的线圈为定子线圈,则定子线圈的数量为Q；
(2)、在三个互差120°机械角度的绕组极下，分别取Q/3n个不同相的定子线圈，将获取的定子线圈组成一个电机模块；
(3)、依次顺时针或者逆时针进入下一对绕组极中执行步骤(2)，直到组成n个电机模块为止；
(4)、将控制器划分出n个与总控制器连接的控制模块，将组成的n个电机模块分别对应与控制器(2)的n个控制模块连接，n个控制模块与电源连接，总控制器采集转速传感器和电流传感器的信号，分别通过n个控制模块来对n个电机模块的输入电流进行控制。
作为优先，n个控制模块均采用三相PWM逆变器，其开关管的门极控制信号由总控制器给出。
作为优先，总控制器采用PWM控制技术。
附图说明
图1为本发明一种电机系统的示意图；
图2为本发明实施例中的永磁同步电机结构及绕组接线示意图；
图3为图2具体的绕组排列及引出线接线示意图；
图4为图2电机模块一到电机模块四的归一化输入电流波形；
图5为图2的电机系统与传统电机系统的归一化输出转矩波形对比结果图；
如图所示：1、三相电机；2、控制器；3、转速传感器；4、电流传感器；5、电源；6、电机模块；7、控制模块；8、总控制器；9、定子轭；10、定子齿10；11、定子线圈；12、转轴；13、转子轭；14、转子永磁体。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及一种电机系统，包括三相电机1、与三相电机1连接的控制器2、与三相电机1连接的转速传感器3以及电流传感器4，三相电机1包括n个电机模块6，每个电机模块6均由三组轴线互差120°机械角度的定子线圈11组成，控制器2包括分别与n个电机模块6的正极连接的n个控制模块7以及与n个控制模块7连接的总控制器8，每个电机模块6中的定子线圈11的负极均连接在一起，每个控制模块的调制波相等，载波幅值相等，相位互差360°/n。
一种电机系统的优化控制方法，该方法包括下列步骤：
(1)、设三相电机(1)的极对数为n，其中n不能被3整除，定子槽数为2Q，取缠绕在Q/n个定子齿(10),上的线圈为定子线圈(11),则定子线圈(11)的数量为Q；
(2)、在三个互差120°机械角度的绕组极下，分别取Q/3n个不同相的定子线圈11，将获取的定子线圈11组成一个电机模块6；
(3)、依次顺时针或者逆时针进入下一对绕组极中执行步骤(2)，直到组成n个电机模块6为止；
(4)、将控制器2划分出n个与总控制器8连接的控制模块7，将组成的n个电机模块6分别对应与控制器2的n个控制模块7连接，n个控制模块7与电源5连接，总控制器8采集转速传感器3和电流传感器4的信号，分别通过n个控制模块7来对n个电机模块6的输入电流进行控制。
作为优先，n个控制模块7均采用三相PWM逆变器，其开关管的门极控制信号由总控制器给出。
实施例：
如图2所示为一台24槽4对极(Q＝12,n＝4)永磁同步电动机，图3为这台电机的绕组接线图。
为了获得最大的基波绕组系数，线圈节距为3(2Q/2n)，图2中，包括了24个定子齿10，图中已经标出，即标号为NO.1、NO.2、NO.3、NO.4、NO.5、NO.6、NO.7、NO.8、NO.9、NO.10、NO.11、NO.12、NO.13、NO.14、NO.15、NO.16、NO.17、NO.18、NO.19、NO.20、NO.21、NO.22、NO.23、NO.24的24个定子齿10，根据上述一种电机系统的优化控制方法，取缠绕在NO.1、NO.2、NO.3定子齿10上的线圈为A1定子线圈11，为了保证三相绕组对称，取与A1顺时针相距120°机械角度，缠绕在NO.9、NO.10、NO.11定子齿10上的线圈为B1定子线圈11，与A1顺时针相距240°机械角度，缠绕在NO.17、NO.18、NO.19定子齿10上的线圈为C1定子线圈11，将获取的三个定子线圈A1、B1、C1构成电机模块一。
取与A1顺时针相距一对极(360/n＝90°机械角度)并缠绕在NO.7、NO.8、NO.9定子齿10上的线圈为A2线圈，取与A2顺时针相距120°机械角度，缠绕在NO.15、NO.16、NO.17定子齿10上的线圈为B2定子线圈11，取与A1顺时针相距240°机械角度，缠绕在NO.23、NO.24、NO.1号定子齿10上的线圈为C2定子线圈11，将获取的三个定子线圈A2、B2、C2构成电机模块二。
取与A2顺时针相距一对极(360/n＝90°机械角度)并缠绕在NO.13、NO.14、NO.15号定子齿10上的线圈为A3线圈，取与A3顺时针相距120°机械角度，缠绕在NO.21、NO.22、NO.23定子齿10上的线圈为B3定子线圈11，取与A3顺时针相距240°机械角度，缠绕在NO.5、NO.6、NO.7定子齿10上的线圈为C3定子线圈11，将获取的三个定子线圈A3、B3、C3构成电机模块三。
取与A3顺时针相距一对极(360/n＝90°机械角度)并缠绕在NO.19、NO.20、NO.21号定子齿10上的线圈为A4线圈，取与A4顺时针相距120°机械角度，缠绕在NO.3、NO.4、NO.5定子齿10上的线圈为B4定子线圈11，取与A4顺时针相距240°机械角度，缠绕在NO.11、NO.12、NO.13定子齿10上的线圈为C4定子线圈11，将获取的三个定子线圈11A4、B4、C4构成电机模块四。
最终得到12个定子线圈11，4组电机模块6，将三个定子线圈A1、B1、C1的正极均与控制模块一连接，三个定子线圈A2、B2、C2的正极均与控制模块二连接，三个定子线圈A3、B3、C3的正极均与控制模块三连接，三个定子线圈A4、B4、C4的正极均与控制模块四连接，每个定子线圈11中的负极连接到一起。
总控制器向4个控制模块7的开关管输出门极控制信号时，各模块的调制波信号完全相同，控制模块一、控制模块二、控制模块三、控制模块四的载波信号幅值相同，但相位互差90°，这样电机模块一、电机模块二、电机模块三、电机模块四的输入电流各次谐波幅值就相等，但相位不同，如图4所示。
以载波比为20倍为例，电机模块一、二、三、四的主要输入谐波电流的相位关系具有以下规律：
1倍载波比附近的18次和22次谐波，电机模块一、二、三、四相位互差1*360/4＝90°；
2倍载波比附近的39次和41次谐波，电机模块一、二、三、四相位互差2*360/4＝180°；
3倍载波比附近的58次和62次谐波，电机模块一、二、三、四相位互差3*360/4＝270°；
4倍载波比附近的79次和81次谐波，电机模块一、二、三、四相位互差4*360/4＝360°。
不同的电机模块在1～3倍载波比附近的输入电流谐波具有相位差，且同次谐波电流的向量和为零(谐波电流幅值相同)，即谐波电流产生的谐波转矩，可以在电机模块之间叠加消除。
4倍载波比附近输入电流谐波没有相位差，不能叠加消除转矩谐波。
通过这种载波相移的优化控制方法，可以看出，载波比由20倍提高到80倍，由80倍以下电流谐波引起的电机转矩谐波完全消除，电机仅剩齿槽转矩引起的低次谐波转矩，电机的转矩脉动得到显著的改善，其改善效果可以从图5的对比图中看出，传统的电机系统的输出转矩脉动大，而发明的电机系统的输出转矩脉动小，波形稳定，这种载波相移的优化控制方法具备两方面的优势：
1、在载波比不变的情况下，可以有效的降低电机的转矩脉动，减小电机的振动噪声，提高电机驱动系统的稳定性和可靠性；
2、由于本发明中使控制器的等效开关频率提高，电机的实际运行载波比可以相应降低，从而在现有开关器件的开关频率制约条件下，电机的基频可以设计得更高，为高速和多极对数电机的设计提供了可行性，进而提高电机的功率密度。
本发明中的电机可以是单层绕组，也可以是双层绕组；可以是永磁同步电机，也可以是感应电机。

Claims (4)

1.一种电机系统，包括三相电机(1)、与三相电机(1)连接的控制器(2)、与三相电机(1)连接的转速传感器(3)以及电流传感器(4)，其特征在于：三相电机(1)包括n个电机模块(6)，每个电机模块(6)均由三组轴线互差120°机械角度的定子线圈(11)组成，控制器(2)包括分别与n个电机模块(6)的正极连接的n个控制模块(7)以及与n个控制模块(7)连接的总控制器(8)，每个电机模块(6)中的定子线圈(11)的负极均连接在一起，每个控制模块的调制波相等，载波幅值相等，相位互差360°/n；其中三相电机(1)的极对数同样为n，其中n不能被3整除，定子槽数为2Q，取缠绕在Q/n个定子齿(10)上的线圈为定子线圈(11),则定子线圈(11)的数量为Q；在三个互差120°机械角度的绕组极下，分别取Q/3n个不同相的定子线圈(11)，将获取的定子线圈(11)组成一个电机模块(6)。
2.根据权利要求1所述的一种电机系统，其特征在于：n个控制模块(7)均采用三相PWM逆变器，其开关管的门极控制信号由总控制器(8)给出。
3.根据权利要求1所述的一种电机系统，其特征在于：总控制器(8)采用PWM控制技术。
4.一种电机系统的优化控制方法，该方法包括下列步骤：
(1)、设三相电机(1)的极对数为n，其中n不能被3整除，定子槽数为2Q，取缠绕在Q/n个定子齿(10)上的线圈为定子线圈(11),则定子线圈(11)的数量为Q；
(2)、在三个互差120°机械角度的绕组极下，分别取Q/3n个不同相的定子线圈(11)，将获取的定子线圈(11)组成一个电机模块(6)；
(3)、依次顺时针或者逆时针进入下一对绕组极中执行步骤(2)，直到组成n个电机模块(6)为止；
(4)、将控制器划分出n个与总控制器(8)连接的控制模块(7)，将组成的n个电机模块(6)分别对应与控制器(2)的n个控制模块(7)连接，n个控制模块(7)与电源(5)连接，总控制器(8)采集转速传感器(3)和电流传感器(4)的信号，分别通过n个控制模块(7)来对n个电机模块(6)的输入电流进行控制。
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