CN111245327A - 双三相永磁同步电机电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于：分别为双三相永磁同步电机的两套绕组设置转子同步坐标系；两个转子同步坐标系相差30度电角度；两套绕组均包括d轴电流调节器和q轴电流调节器；第一套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第一套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；第二套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第二套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；设置交叉耦合反馈系数用于控制两套绕组电流的交叉耦合程度。本发明同时克服了独立电流反馈控制策略的不足，兼顾了两种电流反馈控制策略的优势。

Description

双三相永磁同步电机电流控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术，具体涉及一种双三相永磁同步电机电流控制方法。
背景技术
和异步牵引电机相比，永磁同步牵引电机具有功率因数高、系统效率高、转矩密度大、变频器容量小和动态响应能力强的优点。尤其是最近的二十年内，稀土永磁材料快速发展，新型永磁材料具有高剩磁密度、高磁能积和高矫顽力等特点，使得永磁同步电机得到快速发展。我们日常使用的电机多为三相电机，而双三相电机可以在较小的绕组电流下，实现更大的输出转矩，有利于提高电机的功率密度和转矩密度。双三相永磁同步电机，同时具备了永磁电机和多相电机的优点，在舰船电力推进、轨道交通牵引和电动汽车领域具有光明的应用前景。
对于三相永磁同步电机的矢量控制，需要将三相电流转换到转子同步坐标系下，得到直轴(d轴)电流和交轴(q轴)电流，分别进行控制。对于双三相永磁同步电机而言，两套绕组相差30度，如果将双三相电机看成一个整体进行考虑，需要进行六维的Clarke变换和Park变换，并进行六维的空间矢量调制。这种算法的复杂度较高，控制器的运算量较大。除了将双三相电机看成一个整体进行考虑外，还可以将两套绕组的电流和电压分开运算，每套绕组有一个转子同步坐标系，两套绕组的转子同步坐标系相差30度电角度。设第一套绕组的d轴电流和q轴电流分别为id1和iq1，第二套绕组的d轴电流和q轴电流分别为id2和iq2。采用两套转子同步坐标系的双三相永磁同步电机控制框图如图1所示。在图1所示电流控制策略中，只有一个d轴电流调节器和一个q轴电流调节器，d轴电流调节器的反馈值是两套绕组d轴电流id1和id2的平均值，q轴电流调节器的反馈值是两套绕组q轴电流iq1和iq2的平均值。
在图1所示的电流控制策略，可以保证电流id1和id2的平均值能够准确跟踪电流给定
Figure BDA0002322487530000021
可以保证电流iq1和iq2的平均值能够准确跟踪电流给定
Figure BDA0002322487530000022
这种控制策略在理想的双三相永磁同步电机控制中，是完全可行的、正确的。但是当电机的两套绕组存在不平衡时，可能造成电流id1和id2的值都和电流给定
Figure BDA0002322487530000023
相差较大，而平均值能够准确跟踪电流给定
Figure BDA0002322487530000024
的情况；还可能造成电流iq1和iq2的值都和电流给定
Figure BDA0002322487530000025
相差较大，而平均值能够准确跟踪电流给定
Figure BDA0002322487530000026
的情况。
为了解决图1中所述的平均值电流反馈带来的不足，可以采用另一种电流控制策略，即d轴电流与q轴电流独立反馈的电流控制策略，如图2所示。逆变器的第一个逆变模块对应电机的第一套绕组，逆变器的第二个逆变模块对应电机的第二套绕组。在第一个逆变模块中，d轴电流反馈是第一套绕组的d轴电流id1，q轴电流反馈是第一套绕组的q轴电流iq1；在第二个逆变模块中，d轴电流反馈是第二套绕组的d轴电流id2，q轴电流反馈是第二套绕组的q轴电流iq2。这种控制策略克服了图1所示的控制策略不足之处，可以使两套绕组的d轴电流都能准确跟踪d轴电流给定
Figure BDA0002322487530000031
可以使两套绕组的q轴电流都能准确跟踪q轴电流给定
Figure BDA0002322487530000032
对于图2所示的电流控制策略依然存在一些不足之处。在双三相永磁同步电机中，由于两套绕组相互耦合的作用，绕组中会存在一定的5次和7次谐波电流，三相静止坐标系下的5次和7次谐波电流变换到转子同步坐标系下，都表现为6次谐波电流。电机的两套绕组相差30度电角度，那对于转子同步坐标系下的6次谐波电流来讲，第一绕绕组的6次谐波电流和第二套绕组的6次谐波电流相差180度电角度，因此两套绕组的6次谐波电流是完全反相的。对于图1两套绕组平均电流反馈的控制策略，6次谐波电流对电流环的影响可以完全消除；对于图2两套绕组分别独立电流反馈的控制策略，6次谐波电流的影响比较大，会使两套绕组中电流谐波总畸变率(THD)比较大，对电机的长期稳定可靠运行带来不利影响。
综上所述，对于两套绕组存在一定的不平衡的双三相永磁同步电机中，平均值电流反馈控制策略，可能造成两套绕组的d轴电流和q轴电流都和电流给定值相差较大，达不到预想的控制效果；两套绕组独立电流反馈的电流控制策略，可能造成绕组电流中5次和7次谐波电流成分较大，不利于电机的长期稳定可靠运行。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种双三相永磁同步电机电流控制方法，克服了平均值电流反馈控制策略的不足，同时克服了独立电流反馈控制策略的不足，兼顾了两种电流反馈控制策略的优势。
本发明提供了一种双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于：分别为双三相永磁同步电机的两套绕组设置转子同步坐标系；两个转子同步坐标系相差30度电角度；设置交叉耦合反馈系数用于控制两套绕组电流的交叉耦合程度；两套绕组均包括d轴电流调节器和q轴电流调节器；第一套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第一套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；第二套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第二套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；两套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出经调制后驱动逆变器；逆变器用于控制双三相永磁同步电机。
上述技术方案中，设交叉耦合反馈系数为α，第一套绕组d轴电流为id1，第二套绕组d轴电流为id2；第一套绕组q轴电流为iq1，第二套绕组q轴电流为iq2；第一套绕组d轴电流调节器的电流反馈值为αid1+(1-α)id2，第一套绕组的q轴电流调节器的电流反馈值为αiq1+(1-α)iq2，第二套绕组d轴电流调节器的电流反馈值为αid2+(1-α)id1，第二套绕组的q轴电流调节器的电流反馈值为αiq2+(1-α)iq1，交叉耦合系数α的取值范围为0.5＜α＜1.0。
上述技术方案中，第一套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器输出第一套绕组的d轴电压分量和q轴电压分量分别经过dq轴解耦后得到第一套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量，第一套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量经空间矢量调制产生驱动逆变器的第一套逆变模块的脉冲信号。
上述技术方案中，第二套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器输出d轴电压分量和q轴电压分量分别经过dq轴解耦后得到第二套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量，第二套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量经空间矢量调制产生驱动逆变器的第二套逆变模块的脉冲信号。
上述技术方案中，第一套绕组的三相电流经过坐标变换和旋转变换后得到第一套绕组的d轴电流和q轴电流。
上述技术方案中，第二套绕组的三相电流经过坐标变换和旋转变换后得到第二套绕组的d轴电流和q轴电流。
上述技术方案中，利用设于双三相永磁同步电机上的电流传感器采集两套绕组的三相电流，利用设于三相永磁同步电机上的光栅编码器采集双三相永磁同步电机的转子位置；转子位置用于旋转变换的计算。
上述技术方案中，还包括获取两相旋转坐标下d轴电流给定值和q的电流给定值；d轴电流给定值和q的电流给定值分别作为两套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器的给定值。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
采用本发明的技术方案，可以克服双三相永磁同步电机控制中平均电流反馈带来的不足，避免了在平均电流反馈控制策略中两套绕组的d轴电流和q轴电流都不能准确跟踪电流给定的问题。采用本发明的技术方案，可以克服双三相永磁同步电机控制中独立电流反馈带来的不足，避免了在独立电流反馈控制策略中两套绕组的电流谐波总畸变率较大的问题。
采用本发明的技术方案可以确保两套绕组的d轴电流和q轴电流都能准确跟踪电流给定，同时又可以降低谐波电流对电流控制环的影响，降低绕组电流的谐波总畸变率。
附图说明
图1是两套绕组d轴电流和q轴电流的平均值作为电流环反馈控制策略示意图
图2是两套绕组d轴电流和q轴电流的分别独立反馈的电流控制策略示意图
图3是本发明采用的两套绕组d轴电流和q轴电流的交叉耦合反馈的电流控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图3所示，在双三相永磁同步电机的电流控制策略中，设置了两套转子同步坐标系，第二套转子同步坐标系滞后于第一套转子同步坐标系30度电角度。在第一套转子同步坐标系下完成对第一套绕组的矢量控制，在第二套转子同步坐标系下完成对第二套绕组的矢量控制。第一套绕组有两个电流调节器，分别为d轴电流调节器和q轴电流调节器，其输出经过dq轴解耦后得到电压控制量vd1和vq1，vd1和vq1经过旋转变换和空间矢量调制后产生驱动第一套逆变模块的脉冲信号。第二套绕组有两个电流调节器，分别为d轴电流调节器和q轴电流调节器，调节器的输出经过dq轴解耦后得到电压控制量vd2和vq2，vd2和vq2经过旋转变换和空间矢量调制产生驱动第二套逆变模块的脉冲信号。逆变器包括第一套逆变模块和第二套逆变模块，用于驱动双三相永磁同步电机。
设双三相永磁同步电机的第一套绕组的三相电流为iA1、iB1和iC1，三相电流经过3s/2s变换和旋转变换后，得到d轴电流id1和q轴电流iq1。设双三相永磁同步电机的第二套绕组的三相电流为iA2、iB2和iC2，三相电流经过3s/2s变换和旋转变换后，得到d轴电流id2和q轴电流iq2。
在两套绕组的电流反馈中，采用两套绕组交叉耦合反馈的电流控制策略，第一套绕组的d轴电流调节器反馈值是电流id1和id2的线性组合，第一套绕组的q轴电流调节器反馈值是电流iq1和iq2的线性组合；第二套绕组的d轴电流调节器反馈值是电流id1和id2的线性组合，第二套绕组的q轴电流调节器反馈值是电流iq1和iq2的线性组合。通过交叉耦合电流反馈控制策略，既克服了平均值电流反馈控制策略的不足，又克服了独立电流反馈控制策略的不足，兼顾了两者的优势。
在双三相永磁同步电机交叉耦合反馈电流控制策略中，设置交叉耦合反馈系数α用来控制两套绕组电流的交叉耦合程度。设第一套绕组的d轴电流反馈为idf1，第一套绕组的q轴电流反馈为iqf1，第一套绕组的电流反馈表达式如下式所示。
Figure BDA0002322487530000081
设第二套绕组的d轴电流反馈为idf2，第二套绕组的q轴电流反馈为iqf2，第二套绕组的电流反馈表达式如下式所示。
Figure BDA0002322487530000082
在本发明中，交叉耦合反馈系数α满足下列条件
0.5＜α＜1.0 (3)
交叉耦合反馈系数α的值根据双三相电机两套绕组的不均衡程度确定，不均衡程度越大，则交叉耦合反馈系数越大；不平衡程度越小，则交叉耦合反馈系数越小。
第一套绕组的d轴电流调节器根据d轴电流给定值与第一套绕组的d轴电流反馈值的差值生成两相旋转坐标系下第一套绕组的d轴电压差值分量，第一套绕组的q轴电流调节器根据q轴电流给定值与第一套绕组的q轴电流反馈值的差值生成两相旋转坐标系下第一套绕组的q轴电压分量；第二套绕组的d轴电流调节器根据d轴电流给定值与第二套绕组的d轴电流反馈值的差值生成第二套绕组的d轴电压分量，第二套绕组的q轴电流调节器根据q轴电流给定值与第二套绕组的q轴电流反馈值的差值生成第二套绕组的q轴电压分量；将上述电压分量分别进行解耦计算，分别得到d轴和q轴的电压控制量，其经过旋转变换和空间矢量调制后产生驱动逆变器的脉冲信号。逆变器用于驱动双三相永磁同步电机：
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于：分别为双三相永磁同步电机的两套绕组设置转子同步坐标系；两个转子同步坐标系相差30度电角度；设置交叉耦合反馈系数用于控制两套绕组电流的交叉耦合程度；两套绕组均包括d轴电流调节器和q轴电流调节器；第一套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第一套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；第二套绕组的d轴电流调节器反馈值是两套绕组d轴电流的线性组合；第二套绕组的q轴电流调节器反馈值是两套绕组q轴电流的线性组合；两套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器的输出经调制后驱动逆变器；逆变器用于控制双三相永磁同步电机。
2.根据权利要求1所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于设交叉耦合反馈系数为α，第一套绕组d轴电流为id1，第二套绕组d轴电流为id2；第一套绕组q轴电流为iq1，第二套绕组q轴电流为iq2；第一套绕组d轴电流调节器的电流反馈值为αid1+(1-α)id2，第一套绕组的q轴电流调节器的电流反馈值为αiq1+(1-α)iq2，第二套绕组d轴电流调节器的电流反馈值为αid2+(1-α)id1，第二套绕组的q轴电流调节器的电流反馈值为αiq2+(1-α)iq1，交叉耦合系数α的取值范围为0.5＜α＜1.0。
3.根据权利要求2所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于第一套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器输出第一套绕组的d轴电压分量和q轴电压分量分别经过dq轴解耦后得到第一套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量，第一套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量经空间矢量调制产生驱动逆变器的第一套逆变模块的脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于第二套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器输出d轴电压分量和q轴电压分量分别经过dq轴解耦后得到第二套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量，第二套绕组的d轴电压控制量和q轴电压控制量经空间矢量调制产生驱动逆变器的第二套逆变模块的脉冲信号。
5.根据权利要求3所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于第一套绕组的三相电流经过坐标变换和旋转变换后得到第一套绕组的d轴电流和q轴电流。
6.根据权利要求5所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于第二套绕组的三相电流经过坐标变换和旋转变换后得到第二套绕组的d轴电流和q轴电流。
7.根据权利要求6所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于利用设于双三相永磁同步电机上的电流传感器采集两套绕组的三相电流，采集双三相永磁同步电机的转子位置。
8.根据权利要求7所述的双三相永磁同步电机电流控制方法，其特征在于还包括获取两相旋转坐标下d轴电流给定值和q的电流给定值；d轴电流给定值和q的电流给定值分别作为两套绕组的d轴电流调节器和q轴电流调节器的给定值。
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