CN114050748B - 一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，实现了五相双励磁同步电机在的快速稳定运行。通过电流矢量控制方法，结合旋转坐标系下的数学模型计算d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值；基于电压预测模型、参考电流及实际电流反馈值，最终实现五相混合励磁同步电机分区协调控制方法。本发明提出的控制方法通过定子电枢电流交直轴解耦与励磁电流的协调控制，能够实现电机在全速度范围内的高效运行，包括低速区到高速区的平滑切换，充分发挥电机与逆变器的输出能力。相同负载条件下，调速范围更宽。在整个运行区域，驱动系统都具有更强的鲁棒性、较快的动态响应、较高的效率；且控制方法简单，容易实现，有利于实时环境应用。

Description

一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法

技术领域

本发明属于永磁励磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法。

背景技术

双励磁同步电机内部有永磁和电励磁两种励磁源，永磁源产生主磁通，电励磁用于调节主磁通。因此，该类电机结合了永磁同步电机与电励磁电机的特点，克服了永磁同步电机气隙磁场调节困难，恒功率运行范围窄的问题，具有起动转矩大、过载能力强、调速范围宽、功率/转矩密度高等优点，非常适合用作电动汽车驱动电机。电动汽车运行环境恶劣，对电驱动系统的可靠性稳定性、快速性及效率等均有极高的要求。相对于双励磁同步电机的三相结构，五相结构的输出转矩脉动更小，容错运行能力更强，转矩响应更快。因此，五相双励磁同步电机能够进一步满足电动汽车电驱动系统功率/转矩密度高、起动转矩大、过载能力强、可靠性高、效率高等要求。为实现五相双励磁同步电机的有效运行，提出一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，提高双励磁同步电机驱动系统的稳定性、鲁棒性、可靠性、快速响应能力及效率，推进该类电机系统在电动汽车领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提出涉及一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，实现了五相双励磁同步电机在低速区与高速区的稳定、可靠、快速、高效运行。

本发明所采用的技术方案是，一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从电机主电路采集相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E和励磁电流i_f，母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后进行处理，对电机位置进行初始位置检测，得到电机转子位置角θ和转速n；

步骤2：将步骤1采集得到的相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E经A/D转换后，然后进行Park变换得到两相旋转坐标系下关于基波平面与三次谐波平面对应的定子d轴电流i_d1与i_d3、q轴电流i_q1与i_q3；

步骤3：当电机运行于低速区时，采用i_d1＝i_d3＝0的控制策略，若负载转矩小于额定转矩T_L，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0；

若电枢电流和永磁体作用产生的电磁转矩小于负载转矩，需要利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态；

当电机运行于高速区时，采用d轴电流和励磁电流共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流弱磁；第二个弱磁状态为，当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁；

采用分区协调控制策略计算低速区与高速区的d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值；

步骤4：通过步骤3，将分区协调控制策略产生的d轴参考电流，q轴参考电流分别输入电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压与q轴电压，然后将d轴电压与q轴电压进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压和β轴电压，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出10路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤1得到的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值一起送入直流励磁脉宽调制模块，然后输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

本发明的特点还在于，

五相双励磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，脚标“1”和“3”分别代表基波平面和三次谐波平面成分，ψ_d1、ψ_d3为定子d轴磁链，ψ_q1、ψ_q3为定子q轴磁链，ψ_m1、ψ_m3为永磁磁链幅值，ψ_mf1、ψ_mf3为励磁绕组磁链；L_d1、L_d3为d轴电感，L_q1、L_q3为q轴电感，L_f1、L_f3为励磁绕组电感，M_f1、M_f3为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d1、i_d3为d轴电流，i_q1、i_q3为q轴电流，i_f1、i_f3为励磁绕组电流，ω_e为电角速度；u_d1、u_d3为d轴电压，u_q1、u_q3为q轴电压，u_f1、u_f3为励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e1、T_e3为电磁转矩，p为电机极对数。

步骤3计算低速区d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值的方法如下：

当五相双励磁电机运行在低速区时，采用始终保持d轴电流为0的控制策略，根据负载大小判断电机的运行状态，利用i_f进行调磁控制；当d轴电流i_d1＝i_d3＝0时，将电磁转矩方程(3)简化为：

当电机输出的电磁转矩大于等于负载转矩时，能满足负载运行要求，即有：

式中，i_qN1与i_qN3分别为基波平面与三次谐波平面q轴的额定电流；

此情况下电机在永磁励磁状态运行，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0，可得如下的参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流。

当电机输出的电磁转矩小于等于负载转矩时，不能满足负载运行要求，即

该情况下定子q轴电流已到额定电流，利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态，可得到如下参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流。

步骤3计算高速区d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值的方法如下：

电机运行转速达到基速时，受电机输入电压和电流的限制，通过弱磁控制削弱电机的气隙磁场，电机的电压极限与电流极限方程如下所示：

式中，u_sN1、u_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，i_sN1、i_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，U_dc为直流母线电压；u_d1、u_d3分别为基波平面与三次谐波平面的d轴电压，u_q1、u_q3分别为基波平面与三次谐波平面的q轴电压，

高速稳态运行时，忽略电枢绕组上的压降，式(2)重写为：

由式(9)和(10)，可得电压极限方程为：

电机运行于高速区时，采用协调d轴电流和励磁电流共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流i_f弱磁；当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁，运行于第二个弱磁状态。

电机运行在第一个弱磁状态时，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

电机运行在第二个弱磁状态时，励磁电流i_f＝-i_fN，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

本发明的有益效果是，一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，通过定子电枢电流交直轴解耦与励磁电流的协调控制，能够实现电机在全速度范围内的高效运行，包括低速区到高速区的平滑切换，充分发挥电机与逆变器的输出能力。在全速度运行范围，相同转速条件下，注入三次谐波电流可以提高输出转矩，提高了电机带负载能力；多相系统具有更高的自由度，易实现低压大功率驱动，转矩脉动小、功率密度高；相同负载条件下，调速范围更宽。在整个运行区域，驱动系统都具有更强的鲁棒性、较快的动态响应、较高的效率。具体优点如下：

(1)转矩与转速脉动小，驱动系统运行稳定可靠；

(2)提高了全速度运行范围内的带负载能力，拓宽了恒功率运行区域，驱动系统效率得到了有效提升；

(3)系统动态响应快，抗扰动能力与鲁棒性强。

(4)充分发挥了电机与逆变器的输出能力，实现了低速区到高速区的平滑切换运行；

(5)在全速度运行范围，相同转速条件下，注入三次谐波电流可以提高输出转矩，提高了电机带负载能力；

(6)控制方法简单，容易实现，有利于实时环境应用；

该发明提出的控制方法使五相双励磁同步电机更适合工作在低速大转矩、高效宽调速、操作灵活的变速驱动系统领域。

附图说明

图1是本发明一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法的流程图；

图2是本发明分区协调控制策略框图；

图3是本发明一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法所用模型的系统框图；

图4是本发明一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法的系统框图如图3所示，该控制系统由交流电源、整流器、稳压电容、主功率变换器、励磁功率变换器、电流和电压传感器、五相双励磁同步电机、光电编码器、DSP控制器等组成。

交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、励磁功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、励磁功率变换器的输出端接五相双励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器；编码器采集转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与角速度。控制器输出10路开关信号驱动主功率变换器，经过励磁脉宽调制模块输出4路脉冲宽度信号驱动励磁功率变换器。

一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，如图1、4所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从电机主电路采集相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E和励磁电流i_f，母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后进行处理，对电机位置进行初始位置检测，得到电机转子位置角θ和转速n；

步骤2：将步骤1采集得到的相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E经A/D转换后，然后进行Park变换得到两相旋转坐标系下关于基波平面与三次谐波平面对应的定子d轴电流i_d1与i_d3、q轴电流i_q1与i_q3；

步骤3：如图2所示，当电机运行于低速区时，采用i_d1＝i_d3＝0的控制策略，若负载转矩小于额定转矩T_L，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0；

若电枢电流和永磁体作用产生的电磁转矩小于负载转矩，需要利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态；

当电机运行于高速区时，采用d轴电流和励磁电流共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流弱磁；第二个弱磁状态为，当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁；

计算低速区与高速区的d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值；

五相双励磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，脚标“1”和“3”分别代表基波平面和三次谐波平面成分，ψ_d1、ψ_d3为定子d轴磁链，ψ_q1、ψ_q3为定子q轴磁链，ψ_m1、ψ_m3为永磁磁链幅值，ψ_mf1、ψ_mf3为励磁绕组磁链；L_d1、L_d3为d轴电感，L_q1、L_q3为q轴电感，L_f1、L_f3为励磁绕组电感，M_f1、M_f3为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d1、i_d3为d轴电流，i_q1、i_q3为q轴电流，i_f1、i_f3为励磁绕组电流，ω_e为电角速度；u_d1、u_d3为d轴电压，u_q1、u_q3为q轴电压，u_f1、u_f3为励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e1、T_e3为电磁转矩，p为电机极对数。

当五相双励磁电机运行在低速区时，采用始终保持d轴电流为0的控制策略，根据负载大小判断电机的运行状态，利用i_f进行调磁控制。当d轴电流i_d1＝i_d3＝0时，可以将电磁转矩方程(3)简化为：

当电机输出的电磁转矩大于等于负载转矩时，能满足负载运行要求，即有：

式中，i_qN1与i_qN3分别为基波平面与三次谐波平面q轴的额定电流。

此情况下电机在永磁励磁状态运行，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0，可得如下的参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流。

当电机输出的电磁转矩小于等于负载转矩时，不能满足负载运行要求，即

该情况下定子q轴电流已到额定电流，利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态。可以得到如下参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流。

电机运行转速达到基速时，受电机输入电压和电流的限制，通过弱磁控制削弱电机的气隙磁场，电机的电压极限与电流极限方程如下所示：

式中，u_sN1、u_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，i_sN1、i_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，U_dc为直流母线电压。

高速稳态运行时，忽略电枢绕组上的压降，式(2)重写为：

由式(9)和(10)，可得电压极限方程为：

电机运行于高速区时，采用协调d轴电流和励磁电流i_f共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流i_f弱磁；当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁，运行于第二个弱磁状态。

电机运行在第一个弱磁状态时，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

电机运行在第二个弱磁状态时，励磁电流i_f＝-i_fN，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

步骤4：通过步骤3，将分区协调控制策略产生的d轴参考电流，q轴参考电流分别输入电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压与q轴电压，然后将d轴电压与q轴电压进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压和β轴电压，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出10路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤1得到的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值一起送入直流励磁脉宽调制模块，然后输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

现有混合励磁同步电机矢量控制与直接转矩控制方法中，存在低速区电机与逆变器输出能力低、高速区损耗大，控制系统鲁棒性差、动态响应慢、效率低、PI参数整定复杂等问题，且在直接转矩控制方法中转矩与磁链脉动较大。本发明的五相双励磁同步电机分区协调控制方法，通过定子电枢电流交直轴解耦与励磁电流的协调控制，能够实现电机在全速度范围内的高效运行，包括低速区到高速区的平滑切换，充分发挥电机与逆变器的输出能力。在全速度运行范围，相同转速条件下，注入三次谐波电流可以提高输出转矩，提高了电机带负载能力；多相系统具有更高的自由度，易实现低压大功率驱动，转矩脉动小、功率密度高；相同负载条件下，调速范围更宽。在整个运行区域，驱动系统都具有更强的鲁棒性、较快的动态响应、较高的效率。

该发明提出的控制方法使五相双励磁同步电机更适合工作在低速大转矩、高效宽调速、操作灵活的变速驱动系统领域。

Claims (4)

1.一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从电机主电路采集相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E和励磁电流i_f，母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护调理后进行处理，对电机位置进行初始位置检测，得到电机转子位置角θ和转速n；

步骤2：将步骤1采集得到的相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E经A/D转换后，然后进行Park变换得到两相旋转坐标系下关于基波平面与三次谐波平面对应的定子d轴电流i_d1与i_d3、q轴电流i_q1与i_q3；

步骤3：当电机运行于低速区时，采用i_d1＝i_d3＝0的控制策略，若负载转矩小于额定转矩T_L，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0；

若电枢电流和永磁体作用产生的电磁转矩小于负载转矩，需要利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态；

当电机运行于高速区时，采用d轴电流和励磁电流共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流弱磁；第二个弱磁状态为，当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁；

采用分区协调控制策略计算低速区与高速区的d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值；

步骤4：通过步骤3，将分区协调控制策略产生的d轴参考电流，q轴参考电流分别输入电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压与q轴电压，然后将d轴电压与q轴电压进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压和β轴电压，经过空间矢量脉冲宽度调制模块后输出10路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时步骤1得到的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值一起送入直流励磁脉宽调制模块，然后输出4路脉冲宽度信号来驱动励磁功率变换器。

2.根据权利要求1所述的一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，其特征在于，五相双励磁同步电机在两相旋转坐标系下的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，脚标“1”和“3”分别代表基波平面和三次谐波平面成分，ψ_d1、ψ_d3为定子d轴磁链，ψ_q1、ψ_q3为定子q轴磁链，ψ_m1、ψ_m3为永磁磁链幅值，ψ_mf1、ψ_mf3为励磁绕组磁链；L_d1、L_d3为d轴电感，L_q1、L_q3为q轴电感，L_f1、L_f3为励磁绕组电感，M_f1、M_f3为电枢与励磁绕组之间的互感；i_d1、i_d3为d轴电流，i_q1、i_q3为q轴电流，i_f1、i_f3为励磁绕组电流，ω_e为电角速度；u_d1、u_d3为d轴电压，u_q1、u_q3为q轴电压，u_f1、u_f3为励磁绕组电压，R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；T_e1、T_e3为电磁转矩，p为电机极对数。

3.根据权利要求2所述的一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，其特征在于，步骤3计算低速区d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值的方法如下：

当五相双励磁电机运行在低速区时，采用始终保持d轴电流为0的控制策略，根据负载大小判断电机的运行状态，利用i_f进行调磁控制；当d轴电流i_d1＝i_d3＝0时，将电磁转矩方程(3)简化为：

当电机输出的电磁转矩大于等于负载转矩时，能满足负载运行要求，即有：

式中，i_qN1与i_qN3分别为基波平面与三次谐波平面q轴的额定电流；

此情况下电机在永磁励磁状态运行，不需要增磁控制，即励磁电流i_f＝0，可得如下的参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流；

当电机输出的电磁转矩小于等于负载转矩时，不能满足负载运行要求，即

该情况下定子q轴电流已到额定电流，利用励磁电流i_f进行增磁控制，电机运行在增磁状态，可得到如下参考电流：

其中，i_dref1、i_dref3为d轴参考电流，i_qref1、i_qref3为q轴参考电流，i_fref1、i_fref3为励磁参考电流。

4.根据权利要求3所述的一种五相双励磁同步电机分区协调控制方法，其特征在于，步骤3计算高速区d轴参考电流、q轴参考电流和励磁电流参考值的方法如下：

电机运行转速达到基速时，受电机输入电压和电流的限制，通过弱磁控制削弱电机的气隙磁场，电机的电压极限与电流极限方程如下所示：

式中，u_sN1、u_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，i_sN1、i_sN3分别为基波平面与三次谐波平面的电机额定电压，U_dc为直流母线电压；u_d1、u_d3分别为基波平面与三次谐波平面的d轴电压，u_q1、u_q3分别为基波平面与三次谐波平面的q轴电压，

高速稳态运行时，忽略电枢绕组上的压降，式(2)重写为：

由式(9)和(10)，可得电压极限方程为：

电机运行于高速区时，采用协调d轴电流和励磁电流i_f共同弱磁，有两个弱磁运行状态，第一个弱磁状态保持i_d1＝i_d3＝0，利用励磁电流i_f弱磁；当励磁电流i_f达到负的额定值-i_fN后，再利用d轴电流弱磁，运行于第二个弱磁状态；

电机运行在第一个弱磁状态时，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

电机运行在第二个弱磁状态时，励磁电流i_f＝-i_fN，根据式(4)、(10)和(11)，通过计算得到如下的参考电流：

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