CN100413207C - 一种异频供电永磁同步电动机矢量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用异频供电控制两台转子同轴的永磁同步电动机的矢量控制系统，属于电力设备技术领域。其特征在于，包括：用于分别产生两台电机转矩分量电流参考值的一个速度控制单元；用于产生控制电压参考值的两个电流控制单元；用于产生逆变器驱动信号的两个PWM发生单元，用于驱动永磁同步电动机的两个逆变器单元，用于电流反馈的两个电流检测单元，用于速度位置反馈的一个位置检测单元。本发明提出的异频供电永磁同步电动机矢量控制系统，是一种有效的对两台转子同轴的永磁同步电动机的协调控制方法，可以用于高功率密度的双定子，双转子特种电机的控制。

Description

一种异频供电永磁同步电动机矢量控制系统

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电动机控制系统，具体的说是一种对转子同轴的两台永磁同步电动机的矢量控制系统。

背景技术

推进电动机是船舶综合电力推进系统的核心设备。随着船舶额定载重量的增长，配套推进电动机的功率也在增长(10～40MW)，并要求低转速(约为100～180r/min)、高转矩、体积小、重量轻、多工况运行、调速性能好、调速范围宽、抗冲击性好、振动小、噪音低、效率高、维护少、可靠性高、持久耐用等，并且电动机的外形尺寸要受到船舶结构的制约。目前，船舶电力推进电动机的主要型式是感应电动机、电励磁同步电动机、无刷直流电动机和永磁同步电动机等。无刷直流电动机和永磁同步电动机，由于采用了永磁材料，其功率密度(电机输出功率/电机总体积)高于普通的感应电动机和电励磁同步电动机，也就是说在输出相同功率的情况下，电动机的体积要小些；对于军舰(特别是潜艇)用的电力推进电动机，还要求比商用船舶更高的功率密度。为此，世界各国相继开展了各种高功率高转矩密度推进电动机的研究。双定子，双转子永磁同步电动机就是其中的一种，它是通过两套定转子模块组合成的一种特殊结构永磁同步推进电动机，它可以达到比传统的径向磁场永磁同步电动机更高的功率密度。

图1是一种双定子，双转子永磁同步电动机的结构示意图，它在传统大容量电机转子铁心磁轭内径与电机转轴之间的空间，再安放一套(或多套)定子和转子，以产生同轴的电磁转矩，从而提高电动机的功率密度，以满足舰船电力推进电动机大容量、高转矩、低转速的要求。同时，两套(或多套)定转子模块的结构，还提高了紧急状态下系统的可靠性，当其中一套模块发生故障时，其他模块可以继续工作。

这种双转子，双定子永磁同步电动机由于其设计的需要，可能两套转子具有不同的极对数，如图2所示，这就要求两套不同频率的变频器为其供电，本发明就解决了相应的问题，由于一般双定子，双转子永磁同步电动机多采用表贴式结构，所以本发明只涉及对表贴式永磁同步电动机的控制。

永磁同步电动机的控制方法一般有矢量控制和直接转矩控制两种，其中矢量控制应用较广且性能也要优于直接转矩控制。

传统的矢量控制一般通过检测电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，使得电机的转矩只和磁通、电流有关，从而得到与直流电机相似的控制性能。

对于永磁同步电动机，转子磁通由永磁体产生，与转子机械位置相同，这样可以直接通过检测转子实际位置得到转子磁通位置。由永磁同步电动机的数学模型可知，电机转矩电流即为定子交轴电流i_q，励磁电流即为定子直轴电流i_d，从而就可以根据实际控制需要分别设定i_a，i_d以得到所需的控制要求。

关于励磁电流i_d的控制，一般应用中有三种情况：

(1)i_d＝0控制，在表贴式永磁同步电动机(SPMSM)中，L_d＝L_q，推导可以得到，保持i_d＝0可以保证以最小的定子电流获得最大的输出转矩，此时电磁转矩和i_q成正比，其表达式为：

T_em＝pΨ_fi_q    (1)

(2)转矩/电流最大控制，在内埋式永磁同步电动机(IPMSM)中，L_d≠L_q，可以通过推导得到i_q，i_d的比例关系，按照得到的比例关系控制可以实现转矩/电流最大控制。

(3)弱磁控制，i_d为负时可以产生弱磁作用，当电机达到电压极限时，要进一步提高转速，就要进一步增加d轴去磁电流分量(负值的d轴电流)，同时减小i_q，保持电压平衡关系，达到弱磁升速的目的。

图3传统永磁同步电动机矢量控制的系统框图。i_drefl可根据不同的控制策略确定。

发明内容

本发明的目的是设计一种异频供电永磁同步电动机矢量控制系统，由不同频率电源供电以驱动转子同轴且极对数不同的两台永磁同步电动机。

现在详细描述本发明实施原理，图4是表示依照本发明的异频供电永磁同步电动机的矢量控制系统结构示意框图。

设初始状态电机转子1(极对数p₁)d₁轴在空间上落后电机转子2(极对数p₂)d₂轴α₀电角度，对于转子同轴的两台永磁同步电动机可以列写dq坐标系下的数学模型如下：

1)dq变换方程

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_1-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_1-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_1+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a1}\\ i_{b1}\\ i_{c1}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)& \cos ({\mathrm{\θ}}_2-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_2+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_2-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_2+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a2}\\ i_{b2}\\ i_{c2}\end{array}\right]---\left(2\right)$

θ₁＝θ₁₀+p₁∫Ωdt

其中θ₂＝θ₂₀+p₂∫Ωdt＝θ₁₀+α₀+p₂∫Ωdt    (3)

2)定子电压方程

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d1}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{d1}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{q1}+R_{s1}{i}_{d1}\\ u_{q1}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{q1}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{d1}+R_{s1}{i}_{q1}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{d2}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{d2}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{q2}+R_{s2}{i}_{d2}\\ u_{q2}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{q2}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{d2}+R_{s2}{i}_{q2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

3)定子磁链方程

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{d1}=L_{d1}{i}_{d1}+{\mathrm{\ψ}}_{f1}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q1}=L_{q1}{i}_{q1}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{d2}=L_{d2}{i}_{d2}+{\mathrm{\ψ}}_{f2}\\ {\mathrm{\ψ}}_{q2}=L_{q2}{i}_{q2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

3)电磁转矩方程

T_em1＝p₁[Ψ_f1i_p1+(L_d1-L_q1)i_q1i_d1]

T_em2＝p₂[Ψ_f2i_q2+(L_d2-L_q2)i_q2i_d2]

由于本文中L_d1＝L_q1L_d2＝L_q2，上式可化简为

T_em1＝p₁Ψ_f1i_q1

T_em2＝p₂Ψ_f2i_q2    (6)

4)机械运动方程

$J_{\mathrm{\Σ}}\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{em}1}+T_{\mathrm{em}2}-T_L-K_{\mathrm{\ω}}\mathrm{\ω}---\left(7\right)$

式中，1、2下标表示外、内层定转子模块参量(i＝1，2)；θ_i表示转子位置角；θ_i0表示转子初始位置角；

Ω表示转子机械角速度；ω_i表示转子电角速度；R_si表示定子绕组每相电阻；L_di、L_qi表示定子绕组d_i、q_i轴电感；Ψ_fi表示永磁体产生的励磁磁链；J_∑表示系统总转动惯量(包括负载的机械折算)；K_ω表示系统阻力系数；T_L表示负载转矩。

在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q，可以推导出保持i_d＝0就可以保证每台电机转矩/电流最大控制，因此，对于表贴式异频供电的永磁电动机，只要令定子各自的三相合成定子电流矢量与相应转子q轴重合时，就可以通过调整直流量i_q1，i_q2(外、内层转子q轴电流)来控制转矩，实现内外层定转子都以最大转矩/电流输出功率。

本发明的特征在于，含有：

a，一个带轴接位置传感器的异频供电永磁同步电动机，由用不同频率供电的两台同轴但极对数不同的永磁同步电动机构成；

b，第1逆变器和第2逆变器，各由集成化智能功率模块IPM构成，IPM内部集成有6个IGBT单元及其驱动、保护电路，两个逆变器各自经2个霍尔电流传感器与一个异频供电永磁同步电动机相连；

c，第1信号调理电路和第2信号调理电路，各由电流-电压转换电路和滤波限幅电路相串联而成，两个信号调理电路的输入端各自与一台所述永磁同步电动机的两个霍尔电流传感器的输出端相连；

d，一块数字集成电路含有：

d1，第1PWM脉冲发生单元和第2PWM脉冲发生单元，各由DSP芯片构成，两个PWM脉冲发生单元各自的六路开关触发脉冲输出端分别通过一个隔离光耦电路与对应编号逆变器输入端相连，

d2，位置检测单元，用于检测所述异频供电永磁同步电动机的转子位置角并计算转子速度，包括：

d3，一个正交编码单元(QEP)，用于把位置传感器输出的正交编码脉冲信号转换为转子位置信号θ_m，该位置传感器是一个用于把所述异频供电永磁同步电动机的电机转速信号转换为正交编码脉冲的光电编码器；

d4，第1乘法器，执行θ_m×p₁＝θ₁运算，用于把转子位置信号θ_m转换为极对数为p₁的第1永磁同步电动机的电角度θ₁；

d5，第2乘法器，执行θ_m×p₂+α₀＝θ₂运算，用于把转子位置信号θ_m转换为极对数为p₂的第2永磁同步电动机的电角度θ₂，其中，α₀是所述第1永磁同步电动机d轴落后于第2永磁同步电动机d轴的电角度；

d6，转子转速计算器，执行dθ_m/dt运算，用于输出异频供电永磁同步电动机的实际转速(Ω_r)；

d7，第1电流检测单元和第2电流检测单元，各为一个由abc坐标到dq坐标的坐标转换器：

d71，所述第1电流检测单元执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a1}\\ i_{b1}\end{array}\right],$

i_a1，i_b1是信号调理电路输出的abc坐标下的第1永磁同步电动机的两相电流，

i_d1，i_q1是第1电流检测单元输出的dq坐标下相应的dq轴电流，

d72，所述第2电流检测单元执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a2}\\ i_{b2}\end{array}\right],$

i_a2，i_b2是信号调理电路输出的abc坐标下的第2永磁同步电动机的两相电流，

i_d2，i_q2是第2电流检测单元输出的dq坐标下相应的dq轴电流，

d8，第1电流控制单元和第2电流控制单元，各包括两个比较器、两个电流PI调节器和一个从dq坐标到αβ坐标的坐标转换器，其中：

d81，第1电流控制单元包括：

d811，第1比较器，执行i_q1 ^*-i_q1运算，i_q1 ^*是第1台永磁同步电动机q轴参考电流，

d812，第2比较器，执行i_d1 ^*-i_d1运算，i_d1 ^*是第1台永磁同步电动机d轴参考电流，设 $i_{d1}^{*}=0,$

d813，第1电流PI调节器，是一个第1永磁同步电动机的q轴电流PI调节器，其输入端与所述第1比较器的输出端相连，输出控制电压参考值u_q1 ^*，

d814，第2电流PI调节器，是一个第1永磁同步电动机的d轴电流PI调节器，其输入端与所述第2比较器的输出端相连，输出控制电压参考值u_d1 ^*，

d815，一个dq/αβ坐标转换器，其输入信号是d，q轴控制电压参考值u_q1 ^*、u_d1 ^*，转子位置角θ₁，输出是α、β轴控制电压参考值u_α1 ^*、u_β1 ^*，执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}\\ u_{q1}^{*}\end{array}\right],$

u_α1 ^*、u_β1 ^*同时输往所述第1PWM脉冲发生单元输入端；

d82，第2电流控制单元包括：

d821，第3比较器，执行i_q2 ^*-i_q2运算，i_q2 ^*是第2永磁同步电动机的q轴参考电流，

d822，第4比较器，执行i_d2 ^*-i_d2运算，i_d2 ^*是第2永磁同步电动机的d轴参考电流，i_d2 ^*设为0，

d823，第3电流PI调节器，是一个第2永磁同步电动机的q轴电流PI调节器，其输入端与所述第3比较器的输出端相连，而输出控制电压参考值u_q2 ^*，

d824，第4电流PI调节器是一个第2永磁同步电动机的d轴电流PI调节器，其输入端与所述第4比较器的输出端相连，而输出控制电压参考值u_d2 ^*，

d825，第2个dq/αβ坐标转换器，其输入信号是d、q轴控制电压参考值u_q2 ^*、u_d2 ^*和转子位置角θ₂，输出是α、β轴控制电压参考值u_α2 ^*、u_β2 ^*，执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}2}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d2}^{*}\\ u_{q2}^{*}\end{array}\right],$

u_α2 ^*、u_β2 ^*同时输往所述第2PWM脉冲发生单元的输入端；

d9，一个速度控制单元，用于输出第1永磁同步电动机的q轴参考电流i_q1 ^*和d轴参考电流i_d1 ^*，其中， $i_{d1}^{*}=0,$ 又输出第2永磁同步电动机的q轴的参考电流i_q2 ^*和d轴参考电流i_d2 ^*，该速度单元包括：

d91，第5比较器，执行Ω_r ^*-Ω_r，其中，Ω_r ^*是参考转速值，Ω_r是所述位置检测单元输出的实际转速值，

d92，第5转速PI调节器，其输入端与所述第5比较器的输出端相连，而输出第1永磁同步电动机的q轴的参考电流i_q1 ^*，

d93，一个转矩分配器，是一个乘法器，输入端与所述第5转速PI调节器的输出端相连，执行以下运算：

$i_{q2}^{*}=i_{q1}^{*}\×K_{\mathrm{iq}2},$ 比例系数K_iq2为：

$K_{\mathrm{iq}2}=\frac{p_1{\mathrm{\ψ}}_{f1}{T}_{N2}}{p_2{\mathrm{\ψ}}_{f2}{T}_{N1}},$ ψ_f1、ψ_f2分别为永磁体产生的励磁磁链，是一个定值，T_N1、T_N2分别是异频供电永磁同步电动机中两台永磁电机的不同额定转矩。

本发明提出的异频供电的永磁同步电动机矢量控制系统，具有以下效果和优点：

1、可以充分发挥两个转子同轴的永磁同步电动机的转矩输出能力，达到最大转矩输出。

2、两台永磁同步电动机通过一个转矩分配器分配两台电机输出的转矩，使两台电机协调出力，同时由于两个电机对应的控制方法只通过转矩分配器联系在一起，所以各自又是相对独立，可以在一台电机故障的情况下，另一台电机单独工作

3、提高永磁同步电动机的效率，减小损耗和发热。

4、实现高功率密度的推进电机控制。

附图说明

图1是异频供电永磁推进电动机结构(圆筒型转子)，a)电机结构图，b)电机整体装配图，1-永磁体，2-定子端部绕组，3-定子支架，4-转子支架，5-转轴。

图2是表面式永磁转子结构，a)一种极对数，b)两种极对数，1-永磁体，2-转子铁心，3-转轴。

图3是传统永磁同步电动机矢量控制系统框图。

图4是异频供电永磁同步电动机矢量控制系统框图。

图5是异频供电永磁同步电动机矢量控制硬件实验系统框图。

图6是异频供电永磁同步电动机矢量控制仿真结果，a)为定子线电流波形，b)为定子线电压波形，c)为电磁转矩波形，上下分别对应上下层定子，d)为电机转速波形。

具体实施方式

一个用于接受转速参考值和实际电机转速并产生电流参考值的速度控制单元，包括一个用于接收参考速度(Ω_r ^*)和实际速度(Ω_r)的比较器，一个用于接收比较器输出并输出转矩电流分量参考值(i_q ^*)的PI速度控制器，一个用于分配两台永磁同步电动机对应转矩电流分量参考值(i_q1 ^*，i_q2 ^*)的转矩分配器；

两个用于接收电流参考值和实际电流值并产生电压参考值的电流控制单元，每个电流控制单元(i＝1，2)包括2个用于分别接收d，q轴参考电流( $i_{\mathrm{di}}^{*}=0,i_{\mathrm{qi}}^{*}$ )和实际电动机电流(i_qi，i_di)的比较器，2个用于分别接收d，q轴比较器输出并输出d，q轴控制电压参考值(u_qi ^*，u_di ^*)的电流控制器，1个用于接收d，q轴控制电压参考值和转子位置角并输出αβ轴控制电压参考值(u_αi ^*，u_βi ^*)的坐标转换器；

两个用于接收αβ轴控制电压参考值(u_αi ^*，u_βi ^*)并产生PWM驱动信号的PWM发生单元；

两个用于接收PWM驱动信号并驱动永磁同步电动机的逆变器单元；

两个用于检测并输出流过逆变器与永磁同步电动机之间的交流电流的电流检测单元，每个电流检测单元(i＝1，2)包括2个用于检测a，b相电流信号的霍尔电流传感器；2个分别用于接收霍尔传感器输出的a，b相电流信号将其转换为电压信号并进行滤波调幅的信号调理电路，2个用于将调理电路输出的a，b相电流信号转换为旋转坐标系下d，q轴电流信号(i_qi，i_di)的坐标转换器。

一个用于检测转子位置角并计算转子速度的位置检测单元，包括1个将电机转速信号转换为正交编码脉冲的光电编码器，1个用于将正交编码脉冲信号转换为转速信号的正交编码单元(QEP)，2个用于分别计算两个转子位置电角度的乘法器，一个用于计算转子转速的计算器。

图5是本发明的硬件实验系统框图，本发明硬件系统核心处理器采用美国德州仪器公司(TI)的新一代高性能DSP芯片TMS320F2812，该芯片为电机控制提供了丰富的外设资源，可以方便的实现本发明中各单元的功能，下面加以详细介绍。

速度控制单元和电流控制单元完全由c语言编程软件实现，

其中涉及到5个PI控制器的离散表达式如下：

u(k)＝u_p(k)+u_i(k)

u_p(k)＝K_pe(k)

$u_i\left(k\right)=u_i(k-1)+K_p\frac{T_s}{T_i}e\left(k\right)$

令 $K_i=\frac{T_s}{T_i}$ 则

u(k)＝K_pe(k)+u_i(k-1)+K_iK_pe(k)    (8)

式中，e(k)，u(k)分别为PI调节器的输入输出，T_s为采样间隔，需要确定的参数比例系数K_p和积分系数K_i一般通过试验得到。

设转矩分配器输入输出有如下关系，

$\left\{\begin{array}{c}{I_{q1}}^{*}={I_q}^{*}\\ {I_{q2}}^{*}={I_q}^{*}\×K_{\mathrm{Iq}2}\end{array}\right.$

则转矩分配器即为一比例参数为(1，K_lq2)的乘法器，由于永磁体产生的励磁磁链Ψ_f1、Ψ_f2是常量，如果设两台电动机转子模块输出的额定转矩分别为T_N1、T_N2，则

$\frac{T_{N1}}{T_{N2}}=\frac{p_1{\mathrm{\ψ}}_{f1}{i}_{q1}}{p_2{\mathrm{\ψ}}_{f2}{i}_{q2}}.$

从而可设

$K_{\mathrm{Iq}2}=\frac{p_1{\mathrm{\ψ}}_{f1}{T}_{N2}}{p_2{\mathrm{\ψ}}_{f2}{T}_{N1}}.---\left(9\right)$

按(9)式分配控制转矩参考值，实现了两套定转子的转矩输出能力按比例分配转矩，也就确定了转矩分配器的参数。

电流控制单元坐标变换器的变换公式如下

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}\\ u_{\mathrm{\β}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}\\ u_{q1}\end{array}\right],$

(10)

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}2}\\ u_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d2}\\ u_{q2}\end{array}\right],$

PWM发生单元采用SVPWM算法，DSP提供的2个事件管理器单元各有专门用于SVPWM发生的6路通道，只需给定u_αi ^*，u_βi ^*并根据芯片手册设置进行编程，就可以产生PWM波形。

逆变器单元采用集成化智能功率模块IPM，IPM内部集成了6个IGBT单元及其驱动、保护电路，能够在过流或欠压故障发生时，关闭IGBT驱动电路，使模块停止工作，同时在相应引脚输出故障信号。IPM的六路开关触发信号由DSP芯片产生的PWM脉冲通过隔离光耦提供。

电流检测单元利用霍尔传感器及运放组成的比例加法器电路将电机两相电流信号转换为幅值为0-3v的电压信号输入DSP的AD转换单元转换为数字量，通过式(11)把a，b相电流信号转换到旋转坐标系的d，q轴电流(i_di，i_qi)。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a1}\\ i_{b1}\end{array}\right],$

(11)

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a2}\\ i_{b2}\end{array}\right].$

转速检测单元接收光电编码器输出的正交编码脉冲信号，DSP的事件管理器(EV)提供的QEP正交编码电路可直接将正交编码信号转换为代表转子位置的数字量，这里得到的是转子位置的机械角度，通过软件编程利用(3)式可计算得到两个转子模块的电角度，对机械位置角进行微分计算得到转子实际转速Ω_r。

本发明提出的控制系统在仿真软件matlabR2006a/simulinkV6.4通过验证，仿真结果如图6所示。

Claims (1)

1. 一种异频供电的永磁同步电动机矢量控制系统，其特征在于，含有：

a，一个带轴接位置传感器的异频供电永磁同步电动机，由用不同频率供电的两台同轴但极对数不同的永磁同步电动机构成；

b，第1逆变器和第2逆变器，各由集成化智能功率模块IPM构成，IPM内部集成有6个IGBT单元及其驱动、保护电路，两个逆变器各自经2个霍尔电流传感器与一个异频供电永磁同步电动机相连；

c，第1信号调理电路和第2信号调理电路，各由电流-电压转换电路和滤波限幅电路相串联而成，两个信号调理电路的输入端各自与一台所述永磁同步电动机的两个霍尔电流传感器的输出端相连；

d，一块数字集成电路含有：

d1，第1PWM脉冲发生单元和第2PWM脉冲发生单元，各由DSP芯片构成，两个PWM脉冲发生单元各自的六路开关触发脉冲输出端分别通过一个隔离光耦电路与对应编号逆变器输入端相连，

d2，位置检测单元，用于检测所述异频供电永磁同步电动机的转子位置角并计算转子速度，包括：

d3，一个正交编码单元(QEP)，用于把位置传感器输出的正交编码脉冲信号转换为转子位置信号θ_m，该位置传感器是一个用于把所述异频供电永磁同步电动机的电机转速信号转换为正交编码脉冲的光电编码器；

d4，第1乘法器，执行θ_m×p₁＝θ₁运算，用于把转子位置信号θ_m转换为极对数为p₁的第1永磁同步电动机的电角度θ₁；

d5，第2乘法器，执行θ_m×p₂+α₀＝θ₂运算，用于把转子位置信号θ_m转换为极对数为p₂的第2永磁同步电动机的电角度θ₂，其中，α₀是所述第1永磁同步电动机d轴落后于第2永磁同步电动机d轴的电角度；

d6，转子转速计算器，执行dθ_m/dt运算，用于输出异频供电永磁同步电动机的实际转速(Ω_r)；

d7，第1电流检测单元和第2电流检测单元，各为一个由abc坐标到dq坐标的坐标转换器：

d71，所述第1电流检测单元执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a1}\\ i_{b1}\end{array}\right],$

i_a1，i_b1是信号调理电路输出的abc坐标下的第1永磁同步电动机的两相电流，

i_d1，i_q1是第1电流检测单元输出的dq坐标下相应的dq轴电流，

d72，所述第2电流检测单元执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a2}\\ i_{b2}\end{array}\right],$

i_a2，i_b2是信号调理电路输出的abc坐标下的第2永磁同步电动机的两相电流，

i_d2，i_q2是第2电流检测单元输出的dq坐标下相应的dq轴电流，

d8，第1电流控制单元和第2电流控制单元，各包括两个比较器、两个电流PI调节器和一个从dq坐标到αβ坐标的坐标转换器，其中：

d81，第1电流控制单元包括：

d811，第1比较器，执行i_q1 ^*-i_q1运算，i_q1 ^*是第1台永磁同步电动机q轴参考电流，

d812，第2比较器，执行i_d1 ^*-i_d1运算，i_d1 ^*是第1台永磁同步电动机d轴参考电流，设i_d1 ^*＝0，

d813，第1电流PI调节器，是一个第1永磁同步电动机的q轴电流PI调节器，其输入端与所述第1比较器的输出端相连，输出控制电压参考值u_q1 ^*，

d814，第2电流PI调节器，是一个第1永磁同步电动机的d轴电流PI调节器，其输入端与所述第2比较器的输出端相连，输出控制电压参考值u_d1 ^*，

d815，一个dq/αβ坐标转换器，其输入信号是d，q轴控制电压参考值u_q1 ^*、u_d1 ^*，转子位置角θ₁，输出是α、β轴控制电压参考值u_α1 ^*、u_β1 ^*，执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d1}^{*}\\ u_{q1}^{*}\end{array}\right],$

u_α1 ^*、u_β1 ^*同时输往所述第1PWM脉冲发生单元输入端；

d82，第2电流控制单元包括：

d821，第3比较器，执行i_q2 ^*-i_q2运算，i_q2 ^*是第2永磁同步电动机的q轴参考电流，

d822，第4比较器，执行i_d2 ^*-i_d2运算，i_d2 ^*是第2永磁同步电动机的d轴参考电流，i_d2 ^*设为0，

d823，第3电流PI调节器，是一个第2永磁同步电动机的q轴电流PI调节器，其输入端与所述第3比较器的输出端相连，而输出控制电压参考值u_q2 ^*，

d824，第4电流PI调节器是一个第2永磁同步电动机的d轴电流PI调节器，其输入端与所述第4比较器的输出端相连，而输出控制电压参考值u_d2 ^*，

d825，第2个dq/αβ坐标转换器，其输入信号是d、q轴控制电压参考值u_q2 ^*、u_d2 ^*和转子位置角θ₂，输出是α、β轴控制电压参考值u_α2 ^*、u_β2 ^*，执行以下运算：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}2}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d2}^{*}\\ u_{q2}^{*}\end{array}\right],$

u_α2 ^*、u_β2 ^*同时输往所述第2PWM脉冲发生单元的输入端；

d9，一个速度控制单元，用于输出第1永磁同步电动机的q轴参考电流i_q1 ^*和d轴参考电流i_d1 ^*，其中， $i_{d1}^{*}=0$ ，又输出第2永磁同步电动机的q轴的参考电流i_q2 ^*和d轴参考电流i_d2 ^*，该速度单元包括：

d91，第5比较器，执行Ω_r ^*-Ω_r，其中，Ω_r ^*是参考转速值，Ω_r是所述位置检测单元输出的实际转速值，

d92，第5转速PI调节器，其输入端与所述第5比较器的输出端相连，而输出第1永磁同步电动机的q轴的参考电流i_q1 ^*，

d93，一个转矩分配器，是一个乘法器，输入端与所述第5转速PI调节器的输出端相连，执行以下运算：

$i_{q2}^{*}=i_{q1}^{*}\×K_{\mathrm{iq}2},$ 比例系数K_iq2为：

$K_{\mathrm{iq}2}=\frac{p_1{\mathrm{\ψ}}_{f1}{T}_{N2}}{p_2{\mathrm{\ψ}}_{f2}{T}_{N1}},$ ψ_f1、ψ_f2分别为永磁体产生的励磁磁链，是一个定值，T_N1、T_N2分别是异频供电永磁同步电动机中两台永磁电机的不同额定转矩。

Images