CN110739896B - 一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法 - Google Patents

一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，包括如下步骤：对定子电流注入的三、五、七次谐波电流的幅值进行优比，在相电流幅值一定的情况下，实现输出双三相电机的转矩最大化；对双三相电机的三次谐波电流的流通回路进行构建；对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制。本发明采用转速外环电流内环的控制结构，
Figure DDA0002207231260000011
由速度环给出，按照不同的比例折算到α‑β、o1‑o2和z1‑z2三个正交子空间中，通过电流调节器对不同阶次的谐波电流d、q轴分量进行闭环控制；在相电流幅值不变的情况下，改善了双三相电机的转矩密度。

Description

一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法
技术领域
本发明涉及多相永磁同步电机驱动控制领域，尤其是一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法。
背景技术
目前，利用谐波电流提升多相电机输出转矩已经引起了国内外学者的广泛关注。现有的研究成果已经分析了双三相永磁电机的绕组结构、极槽配合对三次谐波电流提升转矩密度的影响，从理论上揭示了双三相永磁电机中的三次谐波随电机输出转矩的变化规律，得出了对于整数槽分布绕组的双三相永磁同步电机电机，通过在定子电流中注入特定比例的三次谐波，削平相电流的峰值，使其呈平顶波分布，能够在有效地提升系统的转矩密度的同时还不会引起额外的转矩脉动。但是双三相永磁同步电机由两套偏移30°电角度的三相基础绕组构成，三次谐波电流是无法在三相绕组中流通的，因此三次谐波电流注入技术还没有在双三相电机系统中得到应用。
双三相永磁同步电机从内部看是对称的十二相电机，最低的谐波磁动势为十一次和十三次，最低的转矩脉动是十二次，因此除了三次谐波磁动势外，还可以利用五次和七次谐波磁动势来提升电机的输出转矩。相比于三次谐波电流注入技术，五、七次谐波电流注入具有控制简单、易于实现的优点，但其对双三相电机转矩改善的效果并不理想。
现有的各种双三相永磁同步电机谐波电流注入策略都有其自身的优缺点。三次谐波电流注入虽然能使电机的基波电流产生的输出转矩提升15.4％，但是为了构建三次谐波电流的流通回路，需要将两套绕组的中性点连接至母线电容中点，并分别检测两套绕组的中性点电流，就行闭环控制。目前仅有一篇文献利用电流源逆变器实现了双三相电机三次谐波电流的注入控制，该控制策略对电压源逆变器并不适用，实现较为复杂。此外，三次谐波电流注入提升转矩的策略忽略了双三相系统中的五、七次谐波，存在对电机的自由度利用不足的缺点。
五、七次谐波电流注入提升转矩控制策略虽然易于实现，但是其仅能使基波电流产生的输出转矩提升7.7％，而且还会引起十二次的转矩脉动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，在相电流幅值不变的情况下，可以使电机的输出转矩至少提升23％，极大程度的改善了双三相电机的转矩密度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，包括如下步骤：
(1)对定子电流注入的三、五、七次谐波电流的幅值进行优比，在相电流幅值一定的情况下，实现输出双三相电机的转矩最大化；
(2)对双三相电机的三次谐波电流的流通回路进行构建；
(3)对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制。
优选的，步骤(1)中，对定子电流注入的三、五、七次谐波电流的幅值得出最优比，在相电流幅值一定的情况下，实现输出双三相电机的转矩最大化具体为：
对于含有三、五、七次谐波磁场的双三相永磁同步电机，其电磁转矩可由磁场储能对机械角度的偏导数得出：
Figure BDA0002207231240000021
对于表贴式永磁同步电机，电感可近似为常数，对角度的导数为零，式(1)可简化为：
Figure BDA0002207231240000022
其中，θm为机械角位置；θ为转子电角度；pn为转子极对数；Is为电流矩阵；
Figure BDA0002207231240000027
为k次谐波永磁磁链，k＝1,3,5,7；
各次谐波产生的转矩为：
Te＝Te1+Te3+Te5+Te7 (3)
Figure BDA0002207231240000023
Figure BDA0002207231240000024
Figure BDA0002207231240000025
Figure BDA0002207231240000026
其中，iqk为k次谐波交轴电流，k＝1,3,5,7；
由(4)到(7)可以看出，在双三相系统中注入谐波电流，除了谐波电流与对应反电势会产生谐波电流外，还会对基波电流的幅值造成影响；为了最大化输出转矩，需要对注入的谐波电流的幅值进行优化；在相电流幅值一定的情况下，为了提高增加基波电流提升输出转矩，按照比例注入三、五、七次谐波电流。
优选的，步骤(2)中，对双三相电机的三次谐波电流进行构建具体为：在双三相驱动系统中将两套绕组的中性点相互隔离，分别连接至不同的母线电容中点，从硬件上隔离两套绕组间电流的相互干扰。
优选的，步骤(3)中，对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制具体为：
零序子空间o1-o2：
在o1-o2子空间中，两套绕组中的三次谐波电流io1和io2幅值相等，相位相差90°，采用三次旋转坐标变换，将io1和io2转化成直流分量，再通过PI调节实现三次谐波电流的无静差调节；
Figure BDA0002207231240000031
Figure BDA0002207231240000032
广义零序子空间z1-z2：
在z1-z2子空间中，五、七次谐波电流相互耦合，通过单一的坐标变换无法将五、七次谐波电流转化成直流量，利用PI控制器进行控制；然而，五次谐波为负序分量，七次谐波为正序分量，通过坐标变换Tdqz将其转化为两个正交的六次交流分量：
Figure BDA0002207231240000033
Figure BDA0002207231240000034
再利用PR调节器能够对交流量进行无静差调节的特点，实现在静止dqz坐标系下对五、七次谐波电流的调节控制。
本发明的有益效果为：本发明提出一种多谐波电流协同注入的双三相永磁同步电机矢量控制方案，采用转速外环电流内环的控制结构，
Figure BDA0002207231240000044
由速度环给出，再按照不同的比例折算到α-β、o1-o2和z1-z2三个正交子空间中，通过电流调节器对不同阶次的谐波电流d、q轴分量进行闭环控制；按照最优的比例在相电流中注入三、五、七次谐波电流，在相电流幅值不变的情况下，可以使电机的输出转矩至少提升23％，极大程度的改善了双三相电机的转矩密度。
附图说明
图1为三、五、七次谐波电流最优注入比示意图。
图2为传统的六相逆变器系统框图。
图3为改进的六相逆变器系统框图。
图4为双三相永磁同步电机传统两空间矢量控制框图。
图5为本发明的系统框图。
图6为本发明三次谐波电流控制框图。
图7为本发明五、七次谐波电流控制框图。
具体实施方式
如图1所示，一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，包括如下步骤：
(1)对定子电流注入的三、五、七次谐波电流的幅值进行优比，在相电流幅值一定的情况下，实现输出双三相电机的转矩最大化；
(2)对双三相电机的三次谐波电流的流通回路进行构建；
(3)对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制。
对于含有三、五、七次谐波磁场的双三相永磁同步电机，其电磁转矩可由磁场储能对机械角度的偏导数得出：
Figure BDA0002207231240000041
对于表贴式永磁同步电机，电感可近似为常数，对角度的导数为零，式(1)可简化为：
Figure BDA0002207231240000042
其中，
Figure BDA0002207231240000043
为k次谐波永磁磁链，k＝1,3,5,7。
各次谐波产生的转矩为：
Te＝Te1+Te3+Te5+Te7 (3)
Figure BDA0002207231240000051
Figure BDA0002207231240000052
Figure BDA0002207231240000053
Figure BDA0002207231240000054
由(4)到(7)可以看出，在双三相系统中注入谐波电流，除了谐波电流与对应反电势会产生谐波电流外，还会对基波电流的幅值造成影响。为了最大化输出转矩，需要对注入的谐波电流的幅值进行优化。在相电流幅值一定的情况下，为了提高增加基波电流提升输出转矩，相电流的幅值为1，按照图1中标注的比例注入三、五、七次谐波电流，可以使基波电流增加23％，图中标注的数字为各次谐波电流幅值占相电流幅值的百分比。
为了在双三相驱动系统中构建三次谐波电流的流通回路，目前普遍采用的方法是将两套绕组的中性点连接至母线电容中点，如图2所示。两套绕组中的三次谐波电流有着共同的流通路径，从中性点N到母线重点O。但是两套绕组中的三次谐波电流相位相差90°，在共中性点的情况下，两套绕组之间的电流会相互干扰，造成两套绕组功率分配的不均。因此，需要将两套绕组的中性点相互隔离，分别连接至不同的母线电容中点，从硬件上隔离两套绕组间电流的相互干扰，如图3所示。
传统的双三相永磁同步电机的矢量控制框图如图4所示，采用的是两空间矢量(基波子空间和广义零序分量子空间)控算法，只能对基波和五、七次谐波进行闭环反馈控制。为了协同控制基波、三次和五、七次谐波电流，需要将传统控制算法扩展到零序子空间，如图5所示。三空间矢量控制算法的基波电流与三相电机电流控制无异，都可在d-q坐标系下采用PI控制器实现无静差调节。
零序子空间o1-o2：
在o1-o2子空间中，两套绕组中的三次谐波电流io1和io2幅值相等，相位相差90°。采用三次旋转坐标变换，将io1和io2转化成直流分量，再通过PI调节实现三次谐波电流的无静差调节，如图6所示。
Figure BDA0002207231240000061
Figure BDA0002207231240000062
广义零序子空间z1-z2：
在z1-z2子空间中，五、七次谐波电流相互耦合，通过单一的坐标变换无法将五、七次谐波电流转化成直流量，利用PI控制器进行控制。然而，五次谐波为负序分量，七次谐波为正序分量，通过坐标变换Tdqz将其转化为两个正交的六次交流分量：
Figure BDA0002207231240000063
Figure BDA0002207231240000064
再利用PR调节器能够对交流量进行无静差调节的特点，实现在静止dqz坐标系下对五、七次谐波电流的调节控制，控制框图如图7所示。
本发明综合考虑了三、五、七次谐波电流注入对电机输出转矩的影响，对各次谐波电流的幅值进行优化，得到了在相电流恒幅值情况下的最优谐波电流注入比例，使得基波电流的幅值增加23％，其输出转矩也得到相应的提高。对多次谐波磁动势进行分析，得出三、五、七次谐波电流也能产生恒定的输出转矩，改善双三相电机的输出转矩。针对两套绕组中三次谐波电流的特征，对六相逆变器进行改进，在双三相驱动系统中建立了三次谐波电流的流通路径，并将传统的两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现了双三相电机的基波、三、五和七次谐波电流的解耦控制，大幅度的提升了双三相电机的转矩密度。
本发明以利用谐波电流注入提升双三相永磁同步电机输出转矩为目的，采用三、五、七次谐波电流协同控制策略，将传统的两空间矢量控制策略推广到零序子空间，对三、五、七次谐波电流的幅值配比进行优化，保证在相电流幅值一定的前提下，使基波电流幅值达到最大，尽可能的增加由基波电流产生的恒定转矩，使双三相电机的输出转矩得到大幅度的提升。对多相永磁同步电机转矩密度的提升有着重要的意义。
本发明应用于双三相永磁同步电机转矩密度的提升，在相电流幅值一定的前提下，通过在定子电流中注入三次、五次和七次谐波电流，使得谐波电流与对应的谐波反电势相互作用贡献恒定转矩的同时，还可以拉低基波电流增加基波输出转矩，充分利用了双三相永磁同步电机多自由度的优点，最终实现提高电机输出转矩的目的。

Claims (3)

1.一种双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对定子电流注入的三、五、七次谐波电流的幅值进行优化，在相电流幅值一定的情况下，实现输出双三相电机的转矩最大化；具体为：
对于含有三、五、七次谐波磁场的双三相永磁同步电机，其电磁转矩可由磁场储能对机械角位置的偏导数得出：
Figure FDA0002966939660000011
对于表贴式永磁同步电机，电感可近似为常数，对角度的导数为零，式(1)可简化为：
Figure FDA0002966939660000012
其中，θm为机械角位置；θ为转子电角度；pn为转子极对数；Is为电流矩阵；
Figure FDA0002966939660000017
为k次谐波永磁磁链，k＝1,3,5,7；
各次谐波产生的转矩为：
Te＝Te1+Te3+Te5+Te7 (3)
Figure FDA0002966939660000013
Figure FDA0002966939660000014
Figure FDA0002966939660000015
Figure FDA0002966939660000016
其中，iqk为k次谐波交轴电流，k＝1,3,5,7；
由(4)到(7)看出，在双三相系统中注入谐波电流，除了谐波电流与对应反电势会产生谐波电流外，还会对基波电流的幅值造成影响；为了最大化输出转矩，需要对注入的谐波电流的幅值进行优化；在相电流幅值一定的情况下，为了增加基波电流提升输出转矩，按照比例注入三、五、七次谐波电流；
(2)对双三相电机的三次谐波电流的流通回路进行构建；
(3)对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制。
2.如权利要求1所述的双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，其特征在于，步骤(2)中，对双三相电机的三次谐波电流进行构建具体为：在双三相驱动系统中将两套绕组的中性点相互隔离，分别连接至不同的母线电容中点，从硬件上隔离两套绕组间电流的相互干扰。
3.如权利要求1所述的双三相永磁同步电机多谐波电流协同注入的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，对驱动系统中的三、五、七次谐波电流的幅值和相位进行有效控制，将双三相电机两空间矢量控制策略扩展到零序子空间，实现三空间矢量的闭环控制具体为：
零序子空间o1-o2：
在o1-o2子空间中，两套绕组中的三次谐波电流io1和io2幅值相等，相位相差90°，采用三次旋转坐标变换，将io1和io2转化成直流分量，再通过PI调节实现三次谐波电流的无静差调节；
Figure FDA0002966939660000021
Figure FDA0002966939660000022
广义零序子空间z1-z2：
在z1-z2子空间中，五、七次谐波电流相互耦合，通过单一的坐标变换无法将五、七次谐波电流转化成直流量，利用PI控制器进行控制；然而，五次谐波为负序分量，七次谐波为正序分量，通过坐标变换Tdqz将其转化为两个正交的六次交流分量：
Figure FDA0002966939660000023
Figure FDA0002966939660000024
再利用PR调节器能够对交流量进行无静差调节的特点，实现在静止dqz坐标系下对五、七次谐波电流的调节控制。
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Application publication date: 20200131

Assignee: JIANGSU LEILI MOTOR Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Contract record no.: X2023980036428

Denomination of invention: A Control Method for Multiple Harmonic Current Co injection in Dual Three Phase Permanent Magnet Synchronous Motor

Granted publication date: 20210622

License type: Exclusive License

Record date: 20230609

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