CN103401499B - 基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法，包括有控制电路和用于驱动盘式无铁心电机的三相逆变电路，所述三相逆变电路的信号输入端连接控制电路的信号输出端，还设置有降压斩波电路，所述降压斩波电路的控制信号输入端连接控制电路的信号输出端，降压斩波电路的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路的电流输入端，所述的盘式无铁心电机的输出轴通过一个角度传感器连接控制电路的信号输入端，所述三相逆变电路的三相电流输出分别通过电流传感器连接控制电路的信号输入端。本发明实现了对盘式无铁心永磁同步电机的调速控制，提高电机的最高转速。本发明具有电流脉动小、正弦性好和便于能量回馈等特点。

Description

基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机的控制系统。特别是涉及一种基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法。

背景技术

电能作为一种新型清洁能源，将成为未来能源发展的必然趋势，电动汽车也将必然取代传统的燃油汽车成为新时代的交通方式。目前电动汽车领域的相关技术是研究和开发的热门，而汽车轮毂电机也是近期研究的重点。电机驱动控制系统作为整车动力总成系统的一个核心组成部分，必须保证其高效性、快速响应性。目前普通电动汽车的驱动系统多采用集中驱动，电机产生的旋转动力经过齿轮组等传动系统驱动车轮旋转，在这个过程中必然会有一部分的能量损耗，采用轮毂电机可以直接驱动车轮旋转，从而使能量损耗降到最低。

盘式无铁心永磁同步电机，没有齿槽转矩、过载能力极强、轴向尺寸短、重量轻、结构紧凑，特别适合用于电动汽车的轮毂电机。但是由于电机本身没有铁心，定子绕组电感很小，使得基于电压型的控制器驱动此类电机时，定子绕组电流不能连续，导致电机会产生转矩波动，所以传统的电机控制方法不能满足盘式无铁心永磁同步电机的控制要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种将盘式无铁心电机应用于电动汽车轮毂驱动系统，适用于盘式无铁心永磁同步电机的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，包括有控制电路和用于驱动盘式无铁心电机的三相逆变电路，所述三相逆变电路的信号输入端连接控制电路的信号输出端，还设置有降压斩波电路，所述降压斩波电路的控制信号输入端连接控制电路的信号输出端，降压斩波电路的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路的电流输入端，所述的盘式无铁心电机的输出轴通过一个角度传感器连接控制电路的信号输入端，所述三相逆变电路的三相电流输出分别通过电流传感器连接控制电路的信号输入端。

所述的降压斩波电路包括有直流电源U，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源U的正极，栅极连接控制电路的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源U的负极，栅极连接控制电路的信号输出端，第二开关管VS2的集电极和第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的电流输入端，电感L的电流输出端连接三相逆变电路。

所述的三相逆变电路U相输出端还连接一电容C1的一端，V相输出端还连接一电容C2的一端，W相输出端还连接一电容C3的一端，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端和电容C3的另一端相互连接。

所述的角度传感器采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。

一种基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，控制电路采用双闭环控制方法，外环为速度环，给定转速与实际转速之差输入到速度调节器，速度调节器的输出为转矩的给定值；内环为转矩环，转矩的给定值和所测得的实际转矩之差作为转矩调节器的输入，转矩调节器的输出为电流参考矢量i_ref，具体包括：

（1）控制器通过角度传感器来检测转子位置信号，所测得的转子位置角度参与控制算法中的坐标变换，并且用于电机转速的计算；

（2）根据电流传感器测得电机定子三相电流i_a、i_b、i_c，对三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换后得出两相平面直角坐标系下的电流分量i_α、i_β，和旋转坐标系下的d、q轴电流分量i_d、i_q；

（3）根据两相坐标系下的电流分量i_α、i_β来判断参考电流矢量i_ref所在的扇区，根据参考电流矢量所在的扇区，参考电流矢量可以通过相邻的两个非零矢量合成得出。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_{\mathrm{\β}}\\ i_2=\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{i_{\mathrm{\β}}}{2}\\ i_3=-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\α}}-\frac{i_{\mathrm{\β}}}{2}\end{array}\right.$

（4）定义变量A、B、C，若i₁>0，则A=1，否则A=0；若i₂>0，则B=1，否则B=0；若i₃>0，则C=1，否则C=0；令N=4×C+2×B+A，则可以计算参考电流矢量i_ref所在的扇区；

（5）根据电机的转子磁链、极对数，估算出电机的实际转矩，作为转矩调节器的转矩反馈值；

（6）定义电流调制比M为：

i_inp=M·i_dc

式中i_inp—定子电流峰值

i_dc—直流母线电流。

所述的估算出电机的实际转矩是采用如下盘式无铁心永磁同步电动机的转矩方程进行估算：

T_d=p_m(ψ_di_q-ψ_qi_d)=p_m[ψ_ri_q+(L_d-L_q)i_di_q]

又L_d=L_q，上式可写成：

T_d=p_mψ_ri_q

式中T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ_r—电机转子磁链

i_q—交轴电流分量。

当电流调制比M<1时，第一开关管VS1的PWM占空比小于1，母线电压小于直流电源的电压；

当电流调制比M>1时，第一开关管VS1的PWM占空比为1，母线电压高于直流电源电压，使得定子绕组端电压高于额定电压，从而提高电机转速。

本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法，实现了对盘式无铁心永磁同步电机的调速控制。当电机需要工作在大于额定转速的高速状态时，可以通过升压斩波电路来提高母线电压，从而提高电机的最高转速。此控制系统具有电流脉动小、正弦性好和便于能量回馈等特点。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，包括有控制电路1和用于驱动盘式无铁心电机M的三相逆变电路2，所述三相逆变电路2的信号输入端连接控制电路1的信号输出端，还设置有降压斩波电路3，所述降压斩波电路3的控制信号输入端连接控制电路1的信号输出端，降压斩波电路3的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路2的电流输入端，所述的盘式无铁心电机M的输出轴通过一个角度传感器4连接控制电路1的信号输入端，所述三相逆变电路2的三相电流输出分别通过电流传感器5连接控制电路1的信号输入端。所述的角度传感器4采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。

所述的降压斩波电路3包括有直流电源U，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源U的正极，栅极连接控制电路1的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源U的负极，栅极连接控制电路1的信号输出端，第二开关管VS2的集电极和第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的电流输入端，电感L的电流输出端连接三相逆变电路2。

所述的三相逆变电路2的U相输出端还连接一电容C1的一端，V相输出端还连接一电容C2的一端，W相输出端还连接一电容C3的一端，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端和电容C3的另一端相互连接。

本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，输入直流电压源，母线上电感使得流入逆变器的电流为以恒定值，从逆变器的输入端来看，前级电路可近似看成为恒流源。第一开关管VS1和第一续流二极管VSD1构成降压斩波电路，由电源向盘式电机供电，在该模式下，第二开关管VS2关断，第一开关管VS1在恒定开关频率的PWM方式下工作，通过调节第一开关管VS1的占空比，来调节母线电压。

当电机转速达到额定值后，由于电机反电势接近于母线电压，电源无法为电机供电，电机转速无法再提高。这时，第二开关管VS2和第二续流二极管VSD2构成升压斩波电路，可以将母线电压提高，从而能提高电机的转速。

所述逆变桥电路，通过PWM调制，将直流电转换为交流电，给盘式无铁心电机供电。

逆变电路的每个开关管均串联一个二极管，保证电流的正向流动，同时也保护了开关管的反向耐压能力。

电机的三相输入断并联里三个滤波电容，用于吸收电流换相时定子绕组电感中的能量，使定子电流连续。

本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器的控制方法，控制电路采用双闭环控制方法，外环为速度环，给定转速与实际转速之差输入到速度调节器，速度调节器的输出为转矩的给定值；内环为转矩环，转矩的给定值和所测得的实际转矩之差作为转矩调节器的输入，转矩调节器的输出为电流参考矢量i_ref，具体包括：

（1）控制电路通过角度传感器来检测转子位置信号，所测得的转子位置角度参与控制算法中的坐标变换，并且用于电机转速的计算；

（2）根据电流传感器测得电机定子三相电流i_a、i_b、i_c，对三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换后得出两相平面直角坐标系下的电流分量i_α、i_β，和旋转坐标系下的d、q轴电流分量i_d、i_q；

（3）根据两相坐标系下的电流分量i_α、i_β来判断参考电流矢量i_ref所在的扇区：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_{\mathrm{\&beta;}}\\ i_2=\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-\frac{i_{\mathrm{\&beta;}}}{2}\\ i_3=-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-\frac{i_{\mathrm{\&beta;}}}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

（4）定义变量A、B、C，若i₁>0，则A=1，否则A=0；若i₂>0，则B=1，否则B=0；若i₃>0，则C=1，否则C=0；

令N=4×C+2×B+A，则可以通过下表计算参考电流矢量i_ref所在的扇区。

N	3	1	5	4	6	2
							扇区号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ

根据参考电流矢量所在的扇区，参考电流矢量可以通过相邻的两个非零矢量合成得出。通过以上分析，通过控制参考电流矢量的输出，即可达到控制电机转矩的目的。

（5）根据电机的转子磁链、极对数，估算出电机的实际转矩，作为转矩调节器的转矩反馈值；

所述的估算出电机的实际转矩是采用如下盘式无铁心永磁同步电动机的转矩方程进行估算：

T_d=p_m(ψ_di_q-ψ_qi_d)=p_m[ψ_ri_q+(L_d-L_q)i_di_q] （2）

又L_d=L_q，上式可写成：

T_d=p_mψ_ri_q （3）

式中T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ_r—电机转子磁链

i_q—交轴电流分量。

（6）定义电流调制比M为：

i_inp=M·i_dc （4）

式中i_inp—定子电流峰值

i_dc—直流母线电流。

当电流调制比M<1时，第一开关管VS1的PWM占空比小于1，母线电压小于直流电源的电压；

当电流调制比M>1时，第一开关管VS1的PWM占空比为1，母线电压高于直流电源电压。且三相逆变电路2的桥臂的上下两个开关管在某些时刻处于同时导通的状态，直流电源、第一开关管VS1、母线上的电感L、三相逆变电路2的某一个桥臂构成一个升压斩波电路，提高母线电压。

由以上分析可以得出，当电机转速达到额定转速之后，可以通过改变控制系统的调制比M来提高母线电压，从而提高电机的转速。由于电机的扩速策略是提高了母线电压使得转速得以提高，而不是进行弱磁扩速，所以电机在提高转速的同时，电磁转矩并不会下降，这也是与传统的弱磁扩速方法的区别所在。

本发明的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器及方法：

1.采用电流型逆变器来取代电压型逆变器给盘式无铁心电机供电，直流侧串联有大电感，相当于电流源，使逆变器输出的电流波形更加平滑，从而减小电机的转矩脉动。

2.逆变器由可控器件IGBT与二极管串联组成，保证了电流的单向流动，并提高器件的反向耐压能力。

3.交流侧电容的作用是吸收电机定子换流时绕组电感中存储的能量。

4.相对于传统的电流型逆变器，本发明提出的硬件拓扑结构在电感的前端加入了斩波电路，此电路具有双向升压的功能，可以通过PWM来调节母线电压。由于盘式无铁心电机电枢反应很小，所以弱磁控制比较困难。结合本发明提出的控制策略，在宽调速的应用场合下，当电机转速达到额定转速后，可以通过前级升压斩波电路来提高母线电压，从而提高电机的转速。

5.采用旋转变压器作为电机控制系统的转子位置传感器，使控制电路能得到准确的转子位置。

6.电机作再生制动运行时，电流型逆变器将再生制动的能量反馈到电源上。

7.控制算法采用空间电流矢量控制策略，根据电机转子的当前位置，来选择需要施加的电流矢量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，包括有控制电路(1)和用于驱动盘式无铁心电机(M)的三相逆变电路(2)，所述三相逆变电路(2)的信号输入端连接控制电路(1)的信号输出端，其特征在于，还设置有降压斩波电路(3)，所述降压斩波电路(3)的控制信号输入端连接控制电路(1)的信号输出端，降压斩波电路(3)的电流输出端通过电感L连接三相逆变电路(2)的电流输入端，所述的盘式无铁心电机(M)的输出轴通过一个角度传感器(4)连接控制电路(1)的信号输入端，所述三相逆变电路(2)的三相电流输出分别通过电流传感器(5)连接控制电路(1)的信号输入端；

所述的降压斩波电路(3)包括有直流电源U，第一开关管VS1和连接在第一开关管VS1的集电极和发射极之间的第一续流二极管VSD1，以及第二开关管VS2和连接在第二开关管VS2的集电极和发射极之间的第二续流二极管VSD2，其中，所述的第一开关管VS1的集电极连接直流电源U的正极，栅极连接控制电路(1)的信号输出端，所述第二开关管VS2的发射极连接直流电源U的负极，栅极连接控制电路(1)的信号输出端，第二开关管VS2的集电极和第一开关管VS1的发射极作为输出端共同连接电感L的电流输入端，电感L的电流输出端连接三相逆变电路(2)；

控制电路采用双闭环控制方法，外环为速度环，给定转速与实际转速之差输入到速度调节器，速度调节器的输出为转矩的给定值；内环为转矩环，转矩的给定值和所测得的实际转矩之差作为转矩调节器的输入，转矩调节器的输出为电流参考矢量i_ref，具体包括：

(1)控制器通过角度传感器来检测转子位置信号，所测得的转子位置角度参与控制算法中的坐标变换，并且用于电机转速的计算；

(2)根据电流传感器测得电机定子三相电流i_a、i_b、i_c，对三相电流i_a、i_b、i_c进行坐标变换后得出两相平面直角坐标系下的电流分量i_α、i_β，和旋转坐标系下的d、q轴电流分量i_d、i_q；

(3)根据两相坐标系下的电流分量i_α、i_β来判断参考电流矢量i_ref所在的扇区，根据参考电流矢量所在的扇区，参考电流矢量可以通过相邻的两个非零矢量合成得出

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_{\mathrm{\&beta;}}\\ i_2=\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-\frac{i_{\mathrm{\&beta;}}}{2}\\ i_3=-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}-\frac{i_{\mathrm{\&beta;}}}{2}\end{array}\right.;$

(4)定义变量A、B、C，若i₁>0，则A＝1，否则A＝0；若i₂>0，则B＝1，否则B＝0；若i₃>0，则C＝1，否则C＝0；令N＝4×C+2×B+A，则可以计算参考电流矢量i_ref所在的扇区；

(5)根据电机的转子磁链、极对数，估算出电机的实际转矩，作为转矩调节器的转矩反馈值；

(6)定义电流调制比M为：

i_inp＝M·i_dc

式中i_inp—定子电流峰值

i_dc—直流母线电流；

当电流调制比M<1时，第一开关管VS1的PWM占空比小于1，母线电压小于直流电源的电压；

当电流调制比M>1时，第一开关管VS1的PWM占空比为1，母线电压高于直流电源电压，使得定子绕组端电压高于额定电压，从而提高电机转速。

2.根据权利要求1所述的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，其特征在于，所述的三相逆变电路(2)U相输出端还连接一电容C1的一端，V相输出端还连接一电容C2的一端，W相输出端还连接一电容C3的一端，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端和电容C3的另一端相互连接。

3.根据权利要求1所述的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，其特征在于，所述的角度传感器(4)采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。

4.根据权利要求1所述的基于电流型逆变器盘式无铁心永磁同步电机控制器，其特征在于，所述的估算出电机的实际转矩是采用如下盘式无铁心永磁同步电动机的转矩方程进行估算：

T_d＝p_m(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝p_m[ψ_ri_q+(L_d-L_q)i_di_q]

又L_d＝L_q，上式可写成：

T_d＝p_mψ_ri_q

式中T_d—转矩值

p_m—电机极对数

ψ_r—电机转子磁链

i_q—交轴电流分量。