CN109194218B - 直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统，包括：速度传感器、电流传感器、第二旋转坐标变换模块、速度调节器、MTPA模块、电流调节器、第一旋转坐标变换模块、脉宽调节模块以及双三相变流器；MTPA模块用于根据电枢电流给定值计算d、q、0轴电流给定值；电流调节器用于将各电流给定值转换为对应的电压给定值；第一旋转坐标变换模块用于将d、q轴电压给定值转换为α、β轴电压给定值；脉宽调节模块用于根据α、β、0轴电压给定值产生PWM信号，以驱动双三相变流器，由其各桥臂电流控制六相直流偏置型混合励磁电机的各相绕组。本发明能够解决现有的混合励磁电机带载能力不足且MPTA控制参数计算复杂的问题。

Description

直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统

技术领域

本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统。

背景技术

混合励磁电机结合了永磁电机和电励磁电机的优点，具有高功率密度、高效率、磁通调节能力强等优点。但传统的混合励磁电机具有励磁绕组和电枢绕组两套绕组，增大了定子电阻，进而增大了定子压降和铜耗，影响低速运行下的带载能力和电机效率。直流偏置型混合励磁电机将励磁绕组和电枢绕组并联连接，使得定子电阻减小为原来的一半，因此能够减小定子电阻压降，提升电机的转矩输出。

由于变流器容量和电机的限制以及电机磁路饱和的影响，对于混合励磁电机而言，励磁电流如果数值不当，将造成电机转矩的减小和效率的降低。因此，为了提高电机在低速下的带负载能力，应采用最大转矩电流比(MTPA)控制策略。对于混合励磁电机，永磁体产生的永磁磁链是保持不变的，因此对于此类电机的MTPA控制，转化为完成如下所示的非线性规划问题：

式中，min表示取最小值，i_d、i_q和i₀分别表示d轴电流、q轴电流和0轴电流，T_e表示直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩，CONST表示常数；通过对上式的求解，可以获得满足MTPA控制的q轴电流i_q、0轴电流i₀和电机电磁转矩T_e之间的关系如下：

在上式的求解过程当中，需要构建拉格朗日函数，并对多个系数进行偏导运算，联立求解多个方程，计算量庞大。此外，由于电机电磁转矩表达式中的绕组等效电感同时受q轴电流i_q和0轴电流i₀和的影响，因此f₁、f₂和f₃的精确表达式难以确定。

总的来说，为了提高直流偏置型混合励磁电机在低速下的带负载能力，应采用最大转矩电流比(MTPA)控制策略，而现有的控制方法中求解励磁电流的过程计算量庞大，且难以确定精确的结果表达式。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种直流偏置型混合励磁电机的控制装置、控制方法及系统，旨在解决现有的混合励磁电机带载能力不足且MPTA控制参数计算复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种直流偏置型混合励磁电机的控制装置，用于对六相直流偏置型混合励磁电机进行MTPA控制，包括：

速度传感器，其输入端与电机相连，用于检测电机的转子位置，并根据转子位置得到电机的转速反馈值；

电流传感器，其输入端与电机相连，用于采集电机各绕组组的三相电流；

第二旋转坐标变换模块，其第一输入端连接至速度传感器的第一输出端，其第二输入端连接至电流传感器的输出端，用于根据转子位置分别将电机各绕组组的三相电流转换为各绕组组在dq旋转坐标系下的电流，并得到0轴电流；

速度调节器，其第一输入端用于接收电机的转速给定值，其第二输入端连接至速度传感器的第二输出端，用于对转速给定值和转速反馈值进行PI控制，以得到电枢电流给定值；

MTPA模块，其输入端连接至速度调节器的输出端，用于根据电枢电流给定值计算各绕组组在dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

电流调节器，其第一输入端连接至MTPA模块的第一输出端，其第二输入端连接至MTPA模块的第二输出端，其第三输入端连接至第二旋转坐标变换模块的第一输出端，其第四输入端连接至第二旋转坐标模块的第二输出端，用于对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对0轴电流给定值和0轴电流进行PI控制，以得到0轴电压给定值；

第一旋转坐标变换模块，其第一输入端连接至电流调节器的第一输出端，其第二输入端连接至速度传感器的第一输出端，用于根据转子位置将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值；

脉宽调节模块，其第一输入端连接至电流调节器的第二输出端，其第二输入端连接至第一旋转坐标变换模块的输出端，用于根据0轴电压给定值计算直流电压占空比，并利用空间矢量脉宽调制原理根据一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和直流电压占空比产生第一PWM信号，以及利用空间矢量脉宽调制原理根据另一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和直流电压占空比产生第二PWM信号；

双三相变流器，其第一输入端连接至脉宽调模块的第一输出端，其第二输入端连接至脉宽调节模块的第二输出端，用于在第一PWM信号的驱动下，由其中一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中一个绕组组的三相绕组，并在第二PWM信号的驱动下，由其中另一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中另一个绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行。

经过本发明所提供的控制装置的控制，当直流偏置型混合励磁电机进入稳态后，其各绕组组的d轴电流与d轴电流给定值相等、q轴电流与q轴电流给定值相等，并且0轴电流与0轴电流给定值相等，电机转速反馈值与转速给定值相等，即实现了无差控制。

进一步地，MTPA模块所计算的dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，还使得在实现无差控制后，电机各绕组组的相电流有效值为用于维持当前负载转矩的最小相电流有效值。

进一步地，MTPA模块所计算的d轴电流给定值为：

直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩方程如下：

其中，T_e为直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩，n_p为电机的极对数，L_t为电机绕组等效电感，Ψ_PM为永磁体磁链，i_q为q轴电流，i₀为0轴电流；根据电磁转矩方程可知，直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩，由电机极对数、电机绕组等效电感、永磁体磁链、q轴电流和0轴电流决定，而其中，电机绕组电感又与绕组的电流有一定的关系；由电机电磁转矩方程可知，d轴电流i_d对电磁转矩并无贡献，将d轴电流给定值设定为0，既不影响电机的电磁转矩，又可以简化MTPA控制的参数求解过程。

更进一步地，MTPA模块(2)根据电枢电流给定值计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，包括：

设定d轴电流给定值为：

根据满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式，获得当电机相电流有效值等于电枢电流给定值时电流比的取值；

根据q轴电流、0轴电流与相电流有效值的关系，以及电流比的取值，计算满足MTPA的q轴电流i_q'和0轴电流i₀'；

相应设置q轴电流给定值为：

0轴电流给定值为：

其中，电流比为任意一个绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值。

更进一步地，满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式的确定方式为：

(S1)设定电机转速为额定转速并维持不变；

(S2)设定电机的负载转矩；

(S3)保持当前负载转矩不变，并由MTPA模块设定d轴电流给定值为：

(S4)由MTPA模块分别设置不同的q轴电流给定值和0轴电流给定值，从而得到不同的电流比，并分别记录不同电流比所对应的电机相电流有效值，由此得到当前负载转矩下，相电流有效值最小时满足MTPA控制的电流比，将该电流比和对应的相电流最小值记为一组目标映射；

(S5)重复执行(S2)～(S4)，以得到多组不同的目标映射；

(S6)对多组不同的目标映射进行多项式拟合，从而得到满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式。

作为进一步优选地，(S6)中对多组不同的目标映射所进行的多项式拟合为三阶多项式拟合，以保证拟合具有较高的精度且拟合所需的时间开销不会过大。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面所提供的直流偏置型混合励磁电机的控制装置的控制方法，包括如下步骤：

(1)速度传感器检测电机的转子位置，并根据转子位置得到电机的转速反馈值；

(2)电流传感器采集电机各绕组组的三相电流；

(3)第二旋转坐标变换模块根据转子位置将电机各绕组组的三相电流转换为各绕组组在dq旋转坐标系下的电流，并得到0轴电流；

(4)速度调节器对转速给定值和转速反馈值进行PI控制，以得到电枢电流给定值；

(5)MTPA模块根据电枢电流给定值计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

(6)电流调节器对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对0轴电流给定值和0轴电流进行PI控制，以得到0轴电压给定值；

(7)第一旋转坐标变换模块根据转子位置将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值；

(8)脉宽调节模块根据0轴电压给定值计算直流电压占空比，并根据一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和直流电压占空比产生第一PWM信号，并根据另一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和直流电压占空比产生第二PWM信号；

(9)在第一PWM信号的驱动下，双三相变流器的其中一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中一个绕组组的三相绕组，并且在第二PWM信号的驱动下，双三相变流器的另一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中另一个绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行。

按照本发明的第三方面，提供了一种直流偏置型混合励磁电机系统，包括：控制装置和六相直流偏置型混合励磁电机；

控制装置为本发明第一方面所提供的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，用于对六相直流偏置型混合励磁电机进行MTPA控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，采用最大转矩电流比(MTPA)控制方法，通过设定d轴电流给定值为0，并通过拟合的方式确定满足MTPA控制的0轴电流和q轴电流的电流比随相电流最小有效值变化的拟合多项式，再利用该拟合多项式根据电枢电流给定值确定0轴电流给定值和q轴电流给定值，这个过程可以精确地确定直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩与dq旋转坐标系下各绕组组电流以及0邹电流的关系，并且无需借助复杂的模型或函数计算各控制参数，因此能够在提高直流偏置型混合励磁电机的带负载能力的同时，显著提高MTPA控制的准确性并降低MTPA控制参数求解的复杂度。

(2)本发明所提供的直流偏置型混合励磁电机系统，其中的六相直流偏置型混合励磁电机的直流电流分量和交流电流分量共用一套定子绕组，减小了电机重量和定子铜耗，因此能够提高直流偏置型混合励磁电机的运行效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的六相直流偏置型混合励磁电机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的直流偏置型混合励磁电机相电流波形图；(a)、(b)分别为两套绕组组中的相电流波形图；

图3为本发明实施例提供的直流偏置型混合励磁电机系统示意图；

图4为本发明实施例提供的MTPA控制策略下电流比随相电流有效值变化的三阶多项式拟合曲线；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为速度调节器，2为MTPA模块，3为电流调节器，4为第一旋转坐标变换模块，5为脉宽调节模块，6为双三相变流器，7为六相直流偏置型混合励磁电机，8为速度传感器，9为电流传感器，10为第二旋转坐标变换模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，直流偏置型混合励磁电机具体为六相直流偏置型混合励磁电机，根据论文《A Stator-PM Consequent-Pole Vernier Machine With Hybrid Excitation andDC-Biased Sinusoidal Current》中的记载，其结构如图1所示，包括定子、转子、直流偏置绕组组、永磁体N极、永磁体S极，以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等其他通用结构件；其中，直流偏置绕组组共包含两个绕组组，且每一个绕组组均为三相绕组组，将两个绕组组分别记为第一绕组组和第二绕组组，第一绕组组的三相分别记为A1相、B1相和C1相，第二绕组组的三相分别记为A2相、B2相和C2相。这种电机的相电流除了交变分量外，还含有直流分量，其每相绕组电流波形如图2所示。其中，A1、B1、C1相通入正向直流偏置分量，如图2(a)所示；A2、B2、C2相通入负向直流偏置分量，如图2(b)所示；第一绕组组中各相通入的直流偏置分量与第二绕组组中各相通入的直流偏置分量的绝对值相等。直流偏置部分与永磁体共同构建励磁磁场回路，交流部分用于产生电磁转矩。通过调节直流偏置电流可以灵活地调节气隙磁场，在低速运行时可有效提高电机转矩输出能力。

为了实现对图1所示六相直流偏置型混合励磁电机的MTPA控制，提高其带负载能力，本发明提供的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，如图3所示，包括：

速度传感器8，其输入端与电机相连，用于检测电机的转子位置θ_r，并根据转子位置θ_r计算得到电机的转速反馈值ω_r；

电流传感器9，其输入端与电机相连，用于采集电机各绕组组的三相电流，包括A1相电流i_A1、B1相电流i_B1、C1相电流i_C1、A2相电流i_A2、B2相电流i_B2和C2相电流i_C2；

第二旋转坐标变换模块10，其第一输入端连接至速度传感器8的第一输出端，其第二输入端连接至电流传感器9的输出端，用于根据转子位置θ_r将第一绕组组的A1相电流i_A1、B1相电流i_B1和C1相电流i_C1转换为第一绕组组的d轴电流i_d1和q轴电流i_q1，以及将第二绕组组A2相电流i_A2、B2相电流i_B2和C2相电流i_C2转换为第二绕组组的d轴电流i_d2和q轴电流i_q2，并得到0轴电流i₀；

速度调节器1，其第一输入端用于接收电机的转速给定值

其第二输入端连接至速度传感器8的第二输出端，用于对转速给定值

和转速反馈值ω_r进行PI控制，以得到电枢电流给定值

MTPA模块2，其输入端连接至速度调节器1的输出端，用于根据电枢电流给定值

计算d轴电流给定值

q轴电流给定值

以及0轴电流给定值

以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

电流调节器3，其第一输入端连接至MTPA模块2的第一输出端，其第二输入端连接至MTPA模块2的第二输出端，其第三输入端连接至第二旋转坐标变换模块10的第一输出端，其第四输入端连接至第二旋转坐标变换模块10的第二输出端，用于对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对0轴电压给定值

和0轴电流i₀进行PI控制，以得到0轴电压给定值

对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，具体包括：对d轴电流给定值

和d轴电流i_d1进行PI控制，得到第一绕组组的d轴电压给定值

对q轴电流给定值

和q轴电流i_q1进行PI控制，得到第一绕组组的q轴电压给定值

对d轴电流给定值

和d轴电流i_d2进行PI控制，得到第二绕组组的d轴电压给定值

对q轴电流给定值

和q轴电流i_q2进行PI控制，得到第二绕组组的q轴电压给定值

第一旋转坐标变换模块4，其第一输入端连接至电流调节器3的第一输出端，其第二输入端连接至速度传感器8的第一输出端，用于根据转子位置θ_r将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值，具体包括：将第一绕组组的d轴电压给定值

和q轴电压给定值

转换为第一绕组组的α轴电压给定值

和β轴电压给定值

将第二绕组组的d轴电压给定值和q轴电压给定值

转换为第二绕组组的α轴电压给定值

和β轴电压给定值

脉宽调节模块5，其第一输入端连接至电流调节器3的第二输出端，其第二输入端连接至第一旋转坐标变换模块4的第一输出端，用于根据0轴电压给定值计算直流电压占空比T₀，并利用空间矢量脉宽调制原理根据α轴电压给定值

β轴电压给定值

和直流电压占空比T₀产生第一PWM信号，以及利用空间矢量脉宽调制原理根据α轴电压给定值

β轴电压给定值

和直流电压占空比产生第二PWM信号；直流电压占空比T₀的计算公式为：

U_dc变流器直流母线电源电压；；

双三相变流器6，包括直流电源和12个IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)，其中，6个IGBT组成第一逆变器，其三相桥臂电流分别输出至电机A1相、B1相和C1相的输入端，另外6个IGBT组成第二逆变器，其三相桥臂电流分别输出至电机A2相、B2相和C2相的输入端；双三相变流器6的第一输入端连接至脉宽调模块5的第一输出端，双三相变流器6的第二输入端连接至脉宽调节模块5的第二输出端，用于在第一PWM信号的驱动下，由第一逆变器的三相桥臂电流分别控制第一绕组组的三相绕组，并在第二PWM信号的驱动下，由第二逆变器的三相桥臂电流分别控制第二绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行。

经过图3所示控制装置的控制，当直流偏置型混合励磁电机进入稳态后，其各绕组组的d轴电流与d轴电流给定值相等、q轴电流与q轴电流给定值相等，并且0轴电流与0轴电流给定值相等，电机转速反馈值与转速给定值相等，即

且

实现了无差控制。

在一个可选的实施方式中，MTPA模块2所计算的d轴电流给定值

q轴电流给定值

和0轴电流给定值

还使得在实现无差控制后，电机各绕组组的相电流有效值为用于维持当前负载转矩的最小相电流有效值。

在一个可选的实施方式中，MTPA模块2所计算的d轴电流给定值为：

直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩方程如下：

其中，T_e为直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩，n_p为电机的极对数，L_t为电机绕组等效电感，Ψ_PM为永磁体磁链，i_q为q轴电流，i₀为0轴电流；根据电磁转矩方程可知，直流偏置型混合励磁电机的电磁转矩，由电机极对数、电机绕组等效电感、永磁体磁链、q轴电流和0轴电流决定，而其中，电机绕组电感又与绕组电流由一定的关系；由电机电磁转矩方程可知，d轴电流i_d对电磁转矩并无贡献，将d轴电流给定值设定为0，既不影响电机的电磁转矩，又可以简化MTPA控制的参数求解过程。

在一个可选的实施方式中，MTPA模块2根据电枢电流给定值

计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，包括：

设定d轴电流给定值为：

根据满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式，获得当电机相电流有效值等于电枢电流给定值时电流比的取值；

当d轴电流i_d＝0时，由恒幅值变换的原理可知，电机相电流有效值可以由下式表示：

根据上述q轴电流、0轴电流与相电流有效值的关系式，以及电流比的取值，计算满足MTPA的q轴电流i_q'和0轴电流i₀'；

相应设置q轴电流给定值为：

0轴电流给定值为：

其中，电流比为任意一个绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值；满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式的确定方式为：

(S1)设定电机转速为额定转速并维持不变；

(S2)设定电机的负载转矩；

(S3)保持当前负载转矩不变，并由MTPA模块2设定d轴电流给定值为：

(S4)由MTPA模块2分别设置不同的q轴电流给定值

和0轴电流给定值

从而得到不同的电流比，并分别记录不同电流比所对应的电机相电流有效值，由此得到当前负载转矩下，相电流有效值最小时满足MTPA控制的电流比，将该电流比和对应的相电流最小值记为一组目标映射；

(S5)重复执行(S2)～(S4)，以得到多组不同的目标映射；

(S6)利用matlab对多组不同的目标映射进行三阶多项式拟合，从而得到满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式；在本实施例中，拟合得到的三阶多项式拟合曲线如图4所示，横坐标为最小相电流有效值，纵坐标为0轴电流i₀和q轴电流i_q的比值i₀/i_q。

基于图1所示的控制装置，本发明还提供了一种控制方法，包括如下步骤：

(1)速度传感器检8测电机的转子位置θ_r，并根据转子位置θ_r得到电机的转速反馈值ω_r；

(2)电流传感器9采集电机各绕组组的三相电流，包括A1相电流i_A1、B1相电流i_B1、C1相电流i_C1、A2相电流i_A2、B2相电流i_B2和C2相电流i_C2；

(3)第二旋转坐标变换模块10根据转子位置θ_r将第一绕组组的A1相电流i_A1、B1相电流i_B1和C1相电流i_C1转换为第一绕组组的d轴电流i_d1和q轴电流i_q1，以及将第二绕组组A2相电流i_A2、B2相电流i_B2和C2相电流i_C2转换为第二绕组组的d轴电流i_d2和q轴电流i_q2，并得到0轴电流i₀；

(4)速度调节器1对转速给定值

和转速反馈值ω_r进行PI控制，以得到电枢电流给定值

(5)MTPA模块2根据电枢电流给定值

计算d轴电流给定值

q轴电流给定值

和0轴电流给定值

以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

(6)电流调节器3对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对0轴电流给定值

和0轴电流i₀进行PI控制，以得到0轴电压给定值

对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，具体包括：对d轴电流给定值

和d轴电流i_d1进行PI控制，得到第一绕组组的d轴电压给定值

对q轴电流给定值

和q轴电流i_q1进行PI控制，得到第一绕组组的q轴电压给定值

对d轴电流给定值

和d轴电流i_d2进行PI控制，得到第二绕组组的d轴电压给定值

对q轴电流给定值

和q轴电流i_q2进行PI控制，得到第二绕组组的q轴电压给定值

(7)第一旋转坐标变换模块4根据转子位置θ_r将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值，具体包括：将第一绕组组的d轴电压给定值

和q轴电压给定值

转换为第一绕组组的α轴电压给定值

和β轴电压给定值

将第二绕组组的d轴电压给定值

和q轴电压给定值转换为第二绕组组的α轴电压给定值和β轴电压给定值

(8)脉宽调节模块5根据0轴电压给定值

计算直流电压占空比T₀，并利用空间矢量脉宽调制原理根据α轴电压给定值

β轴电压给定值

和直流电压占空比T₀产生第一PWM信号，以及利用空间矢量脉宽调制原理根据α轴电压给定值

β轴电压给定值

和直流电压占空比T₀产生第二PWM信号；直流电压占空比T₀的计算公式为：

U_dc变流器直流母线电源电压；

(9)在第一PWM信号的驱动下，双三相变流器6的第一逆变器的三相桥臂电流分别控制第一绕组组的三相绕组，并且在第二PWM信号的驱动下，双三相变流器6的第二逆变器的三相桥臂电流分别控制第二绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行。

本发明还提供了一种直流偏置型混合励磁电机系统，如图3所示，包括控制装置和六相直流偏置型混合励磁电机7，控制装置即为以上所描述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，用于对六相直流偏置型混合励磁电机7进行MTPA控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流偏置型混合励磁电机的控制装置，其特征在于，用于对六相直流偏置型混合励磁电机进行MTPA控制，包括：

速度传感器(8)，其输入端与电机相连，用于检测电机的转子位置，并根据所述转子位置得到电机的转速反馈值；

电流传感器(9)，其输入端与电机相连，用于采集电机各绕组组的三相电流；

第二旋转坐标变换模块(10)，其第一输入端连接至所述速度传感器(8)的第一输出端，其第二输入端连接至所述电流传感器(9)的输出端，用于根据所述转子位置分别将电机各绕组组的三相电流转换为各绕组组在dq旋转坐标系下的电流，并得到0轴电流；

速度调节器(1)，其第一输入端用于接收电机的转速给定值，其第二输入端连接至所述速度传感器(8)的第二输出端，用于对所述转速给定值和所述转速反馈值进行PI控制，以得到电枢电流给定值；

MTPA模块(2)，其输入端连接至所述速度调节器(1)的输出端，用于根据所述电枢电流给定值计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

电流调节器(3)，其第一输入端连接至所述MTPA模块(2)的第一输出端，其第二输入端连接至所述MTPA模块(2)的第二输出端，其第三输入端连接至所述第二旋转坐标变换模块(10)的第一输出端，其第四输入端连接至所述第二旋转坐标变换模块(10)的第二输出端，用于对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对所述0轴电流给定值和所述0轴电流进行PI控制，以得到0轴电压给定值；

第一旋转坐标变换模块(4)，其第一输入端连接至所述电流调节器(3)的第一输出端，其第二输入端连接至所述速度传感器(8)的第一输出端，用于根据所述转子位置将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值；

脉宽调节模块(5)，其第一输入端连接至所述电流调节器(3)的第二输出端，其第二输入端连接至所述第一旋转坐标变换模块(4)的输出端，用于根据所述0轴电压给定值计算直流电压占空比，并利用空间矢量脉宽调制原理根据一个绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值和所述直流电压占空比产生第一PWM信号，并利用空间矢量脉宽调制原理根据另一个绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值和所述直流电压占空比产生第二PWM信号；

双三相变流器(6)，其第一输入端连接至所述脉宽调模块(5)的第一输出端，其第二输入端连接至所述脉宽调节模块(5)的第二输出端，用于在所述第一PWM信号的驱动下，由其中一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中一个绕组组的三相绕组，并在所述第二PWM信号的驱动下，由其中另一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中另一个绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行；

其中，满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式的确定方式为：

(S1)设定电机转速为额定转速并维持不变；

(S2)设定电机的负载转矩；

(S3)保持当前负载转矩不变，并由所述MTPA模块(2)设定d轴电流给定值为：

(S4)由所述MTPA模块(2)分别设置不同的q轴电流给定值和0轴电流给定值，从而得到不同的电流比，并分别记录不同电流比所对应的电机相电流有效值，由此得到当前负载转矩下，相电流有效值最小时满足MTPA控制的电流比，将该电流比和对应的相电流最小值记为一组目标映射；

(S5)重复执行(S2)～(S4)，以得到多组不同的目标映射；

(S6)对所述多组不同的目标映射进行多项式拟合，从而得到满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式。

2.如权利要求1所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，其特征在于，所述MTPA模块(2)所计算的dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，还使得在实现无差控制后，电机各绕组组的相电流有效值为用于维持当前负载转矩的最小相电流有效值。

3.如权利要求1所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，其特征在于，所述MTPA模块(2)所计算的d轴电流给定值为：

4.如权利要求3所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，其特征在于，所述MTPA模块(2)根据所述电枢电流给定值计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，包括：

设定d轴电流给定值为：

根据满足MTPA控制的电流比随电机相电流有效值变化的拟合多项式，获得当电机相电流有效值等于所述电枢电流给定值时电流比的取值；

根据q轴电流、0轴电流与相电流有效值的关系，以及电流比的取值，得到满足MTPA的q轴电流i_q'和0轴电流i₀'；

相应设置q轴电流给定值为：

0轴电流给定值为：

其中，所述电流比为任意一个绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值。

5.如权利要求1所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，其特征在于，(S6)中对所述多组不同的目标映射所进行的多项式拟合为三阶多项式拟合。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述速度传感器(8)检测电机的转子位置，并根据所述转子位置得到电机的转速反馈值；

(2)所述电流传感器(9)采集电机各绕组组的三相电流；

(3)所述第二旋转坐标变换模块(10)根据所述转子位置将电机各绕组组的三相电流转换为各绕组组在dq旋转坐标系下的电流，并得到0轴电流；

(4)所述速度调节器(1)对转速给定值和所述转速反馈值进行PI控制，以得到电枢电流给定值；

(5)所述MTPA模块(2)根据所述电枢电流给定值计算dq旋转坐标系下的电流给定值以及0轴电流给定值，以使得实现无差控制后，电机各绕组组的0轴电流绝对值与q轴电流的比值满足MTPA控制；

(6)所述电流调节器(3)对dq旋转坐标系下的电流给定值和各绕组组的电流值进行PI控制，以得到各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值，以及对所述0轴电流给定值和所述0轴电流进行PI控制，以得到0轴电压给定值；

(7)所述第一旋转坐标变换模块(4)根据所述转子位置将各绕组组在dq旋转坐标系下的电压给定值转换为各绕组组在两相静止坐标系下的电压给定值；

(8)所述脉宽调节模块(5)根据所述0轴电压给定值计算直流电压占空比，并根据一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和所述直流电压占空比产生第一PWM信号，以及根据另一个绕组组在静止坐标系下的电压给定值和所述直流电压占空比产生第二PWM信号；

(9)在所述第一PWM信号的驱动下，所述双三相变流器(6)的其中一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中一个绕组组的三相绕组，并且在所述第二PWM信号的驱动下，所述双三相变流器(6)的另一个逆变器的三相桥臂电流分别控制电机中另一个绕组组的三相绕组，由此使得电机产生对应于输入PWM信号的带直流偏置的正弦电流信号，从而控制直流偏置型混合励磁电机运行。

7.一种直流偏置型混合励磁电机系统，其特征在于，包括：控制装置和六相直流偏置型混合励磁电机(7)；

所述控制装置为权利要求1-5任一项所述的直流偏置型混合励磁电机的控制装置，用于对所述六相直流偏置型混合励磁电机(7)进行MTPA控制。

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