CN112234875B - 一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统 - Google Patents

一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统，包括多相高速永磁同步电机和驱动控制器，多相高速永磁同步电机的电机本体采用3N相定子绕组结构，每三相绕组构成一组独立的对称三相绕组，N套三相绕组均有互相绝缘的中性点并引出到驱动控制器，N＝2、3…；驱动控制器主要包括：控制单元、采样单元、主功率单元和制动单元四部分；其中，主功率单元包括N个功率子单元，用于对N套三相绕组分别施加功率驱动；采样单元包括N个采样子单元，用于对N套三相绕组的电流、电压和温度进行采样及调理处理；制动单元用于实现对多相高速永磁同步电机的制动控制。本发明实现了对多相高速永磁同步电机的稳定高效控制。

Description

一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统
技术领域
本发明属于电机电器与电力电子技术领域，涉及一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统，具体涉及到多相高速永磁同步电机的设计、驱动控制器的设计与运行模式切换，实现高速永磁同步电机的大功率及高可靠性。.
背景技术
现有研究和实践已表明，在永磁同步电机设计中，传统的三相永磁电机系统因其不具备容错运行能力和冗余热备份能力，无法直接应用在可靠性要求较高的电气系统中；在大功率永磁同步电机应用场合，多相电机解决了大功率带来的电流增大的问题；多相电机相数增加，输出转矩脉动小，脉动频率高，开关损耗小；多相电机拥有较多的控制自由度容易控制算法的实现。因此，在可靠性要求较高的大功率高速永磁同步电机设计中，多相电机是最佳选择。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统，实现对多相高速永磁同步电机的稳定高效控制。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统，其包括多相高速永磁同步电机和驱动控制器，多相高速永磁同步电机的电机本体采用3N相定子绕组结构，每三相绕组构成一组独立的对称三相绕组，N套三相绕组均有互相绝缘的中性点并引出到驱动控制器，N＝2、3…；驱动控制器主要包括：控制单元、采样单元、主功率单元和制动单元四部分；其中，主功率单元包括N个功率子单元，用于对N套三相绕组分别施加功率驱动；采样单元包括N个采样子单元，用于对N套三相绕组的电流、电压和温度进行采样及调理处理；制动单元用于实现对多相高速永磁同步电机的制动控制。
其中，所述多相高速永磁同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，转子包括转子护套和永磁体；定子绕组按照空间错360/N标准排布，定子槽数为3N的倍数次。
其中，所述定子绕组的N套三相绕组之间为并联关系。
其中，所述控制单元包括DSP、FPGA及两者的外围电路，3N相定子绕组及中线共需要4N个PWM驱动信号，FPGA用于生成PWM驱动信号，DSP用于通讯、输入输出控制和采样信号处理。
其中，所述采样单元含有N个采样子单元，每个采样子单元包括电流采样电路、电压采样电路、温度采样电路、电流信号调理电路、电压信号调理电路和温度信号调理电路。电流采样电路使用电流传感器，对三相电流、中线电流和直流母线电流进行采样，后经过电流信号调理电路处理，其中，第2-N个采样子单元的电流采样不含直流母线电流；电压采样电路使用电压传感器，对三相电压和直流母线电压进行采样，后经过电压信号调理电路处理，其中，第2-N个采样子单元的电压采样不含直流母线电压；温度采样电路包括电机绕组温度采样电路和功率模块温度采样电路，电机绕组温度采样电路使用电机绕组温度传感器，对三相绕组温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理；功率模块温度采样电路使用温度传感器，对三相功率模块温度和中线功率模块温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理。
其中，所述主功率单元包括N个功率子单元和直流母线电容，每个功率子单元拓扑结构是三相四桥臂结构，中性点引出。
其中，所述制动单元包括制动电阻和制动功率模块。
本发明还提供一种基于上述多相高速永磁同步电机驱动控制系统的多相高速永磁同步电机驱动控制方法，其包括以下步骤：
1)系统上电，驱动控制器拖动多相高速永磁同步电机至点火转速；
2)多相高速永磁同步电机前端的发动机点火输出机械能，多相高速永磁同步电机驱动控制系统将机械能转换为电能；
3)拖动能量逐渐减少，多相高速永磁同步电机自动切换到发电状态；
4)多相高速永磁同步电机驱动控制系统工作在要求的转速下，根据负载需求输出对应功率；此时，多相高速永磁同步电机驱动控制系统持续发电，输出最大功率为运行额定功率Pe。
其中，若多相高速永磁同步电机一相或多相有开路、短路故障，按照以下故障模式下重构运行：
11)当一相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，其他3N-1项绕组在重构方式下运行，保证电机定子绕组的合成旋转磁动势不变；
22)当两相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，其他3N-2项绕组在重构方式下运行，保证电机定子的合成旋转磁动势不变；
33)当三相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，即一个功率子单元故障，同时3N-3相绕组通过电流幅值、相位调整，系统实现连续降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000031
44)基于上述33)的功率计算，以此类推，当发生3N-3相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，则正常绕组仅余三相运行，即仅余一个功率子单元，则系统仍实现降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000032
55)当发生3N-2相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，则正常绕组仅余两相运行，调整这两相绕组间空间相位差90°，则系统仍实现降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000041
66)当电机发生3N-1相或3N相绕组故障时，系统故障停机。(三)有益效果
上述技术方案所提供多相高速永磁同步电机驱动控制系统，实现了拖动和发电两个功能，在低速条件下将永磁同步电机拖动至所需点火转速，在整个起动过程中保持电机系统的恒转矩运行；在高速条件下驱动控制器可将永磁同步电机所发出的交流电通过可控整流的方式变换为稳定直流母线电。
附图说明
图1多相高速永磁同步电机驱动控制系统框图。
图2多相高速永磁同步电机本体示意图，2a和2b分别为绕组的排布方式图和转子结构图。
图3多相高速永磁同步电机驱动控制器组成框图。
图4采样子单元组成框图。
图5功率子单元组成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1至图3所示，本发明多相高速永磁同步电机驱动控制系统包括多相高速永磁同步电机和驱动控制器，多相高速永磁同步电机的电机本体采用3N相定子绕组结构，每三相绕组构成一组独立的对称三相绕组，N套三相绕组均有互相绝缘的中性点并引出到驱动控制器，N＝2、3…；驱动控制器主要包括：控制单元、采样单元、主功率单元和制动单元四部分；其中，主功率单元包括N个功率子单元，用于对N套三相绕组分别施加功率驱动；采样单元包括N个采样子单元，用于对N套三相绕组的电流、电压和温度进行采样及调理处理；制动单元用于实现对多相高速永磁同步电机的制动控制。
多相高速永磁同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，转子包括转子护套和永磁体。定子绕组按照空间错360°N标准排布，定子槽数仅为3N的倍数次，所以选择相对灵活。以六相高速永磁同步电机为例，其绕组的排布方式如图2a。由于是高速电机，设计转子为一对极结构，转子结构如图2b。
定子绕组采用3N相定子绕组结构，将各相使用英文字母表示的话，可以理解到：A相、B相、C相绕组构成一组独立的对称三相绕组，D相、E相、F相绕组构成一组独立的对称三相绕组，G相、H相、I相绕组构成一组独立的对称三相绕组，…，N套绕组之间的可靠性逻辑关系为并联关系。
图3多相高速永磁同步电机驱动控制器各单元的具体结构和功能描述如下：
控制单元：以DSP+FPGA为核心，含控制电源电路、通讯电路、外部接口控制电路等。由于3N相需要4N(含中线)个PWM驱动信号，传统的DSP资源不能满足，因此提出其中DSP+FPGA方式，FPGA主要实现PWM驱动信号的生成，DSP实现核心算法及通讯、IO控制、采样信号处理等。
采样单元：含有N个采样子单元，每个采样子单元包括电流采样电路、电压采样电路、温度采样电路、电流信号调理电路、电压信号调理电路和温度信号调理电路。电流采样电路使用电流传感器，对三相电流、中线电流和直流母线电流进行采样(第2-N个采样子单元的电流采样不含直流母线电流)，后经过电流信号调理电路处理；电压采样电路使用电压传感器，对三相电压和直流母线电压进行采样(第2-N个采样子单元的电压采样不含直流母线电压)，后经过电压信号调理电路处理；温度采样电路包括电机绕组温度采样电路和功率模块温度采样电路，电机绕组温度采样电路使用电机绕组温度传感器，对三相绕组温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理；功率模块温度采样电路使用温度传感器，对三相功率模块温度和中线功率模块温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理。每个采样子单元的组成如图4。
主功率单元：含有N个功率子单元和直流母线电容，每个功率子单元拓扑结构是三相四桥臂结构，中性点引出，组成如附图5。中性点引出保证了电机在发生故障时可以通过相应的控制策略实现多相电机的容错运行，同时在电机负载不平衡时仍然能够形成圆形的旋转磁链，降低转矩波动，保证输出功率。每个功率子单元按照1.5倍功率裕量设计，保证功率子单元在缺一相的情况下可以额定功率运行。
制动单元：含有制动电阻和制动功率模块。
本发明多相高速永磁同步电机驱动控制系统的运行模式通过下述技术方案实现，包括以下步骤：
1)系统上电，多相高速永磁同步电机驱动控制器拖动多相高速永磁同步电机至点火转速；
2)前端发动机点火输出机械能，多相高速永磁同步电机驱动控制系统将机械能转换为电能；
3)拖动能量逐渐减少，多相高速永磁同步电机系统自动切换到发电状态；
4)多相高速永磁同步电机驱动控制系统工作在要求的转速下，根据负载需求输出对应功率；
5)此时，多相高速永磁同步电机驱动控制系统持续发电，输出最大功率为运行额定功率Pe。
6)此时，若多相高速永磁同步电机一相或多相有开路、短路故障，按照以下故障模式下重构运行。
以下对系统故障后的重构运行模式进行做进一步说明：
电机以3N相运行，运行额定功率Pe。
1)当一相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，避免故障扩大，同时3N-1项绕组在特定方式下运行，实现电机定子的合成旋转磁动势不变，进而保证整机容量不变。同时3N-1项绕组在特定方式下运行，实现电机定子的合成旋转磁动势不变，进而保证运行额定功率Pe不变。
2)当两相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，避免故障扩大，同时3N-2项绕组在特定方式下运行，实现电机定子的合成旋转磁动势不变，进而保证整机容量不变。同时3N-1项绕组在特定方式下运行，实现电机定子的合成旋转磁动势不变，进而保证运行额定功率Pe不变。
3)当三相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，避免故障扩大，即一个功率子单元故障，同时3N-3相绕组通过电流幅值、相位调整，系统可实现连续降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000071
……
4)当发生3N-3相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，避免故障扩大，则正常绕组仅余三相可运行，即仅余一个功率子单元，则系统仍可实现降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000072
5)当发生3N-2相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，避免故障扩大，则正常绕组仅余两相可运行，调整这两相绕组间空间相位差90°，则系统仍可实现降额运行，运行功率为
Figure BDA0002747543690000073
6)当电机发生3N-1相或3N相绕组故障时，系统故障停机。
在1)～6)过程中，均要求电机中线不能出现断路故障和接地故障，所以对电机工艺设计提出一定要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多相高速永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，包括多相高速永磁同步电机和驱动控制器，多相高速永磁同步电机的电机本体采用3N相定子绕组结构，每三相绕组构成一组独立的对称三相绕组，N套三相绕组均有互相绝缘的中性点并引出到驱动控制器，N＝2、3…；驱动控制器主要包括：控制单元、采样单元、主功率单元和制动单元四部分；其中，主功率单元包括N个功率子单元，用于对N套三相绕组分别施加功率驱动；采样单元包括N个采样子单元，用于对N套三相绕组的电流、电压和温度进行采样及调理处理；制动单元用于实现对多相高速永磁同步电机的制动控制；
所述多相高速永磁同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，转子包括转子护套和永磁体；定子绕组按照空间错360°/N标准排布，定子槽数为3N的倍数次；
所述定子绕组的N套三相绕组之间为并联关系，将各相使用英文字母表示的话，可以理解到：A相、B相、C相绕组构成一组独立的对称三相绕组，D相、E相、F相绕组构成一组独立的对称三相绕组，G相、H相、I相绕组构成一组独立的对称三相绕组，以此类推；
所述控制单元包括DSP、FPGA及两者的外围电路，3N相定子绕组及中线共需要4N个PWM驱动信号，FPGA用于生成PWM驱动信号，DSP用于通讯、输入输出控制和采样信号处理；
所述采样单元含有N个采样子单元，每个采样子单元包括电流采样电路、电压采样电路、温度采样电路、电流信号调理电路、电压信号调理电路和温度信号调理电路；电流采样电路使用电流传感器，对三相电流、中线电流和直流母线电流进行采样，后经过电流信号调理电路处理，其中，第2-N个采样子单元的电流采样不含直流母线电流；电压采样电路使用电压传感器，对三相电压和直流母线电压进行采样，后经过电压信号调理电路处理，其中，第2-N个采样子单元的电压采样不含直流母线电压；温度采样电路包括电机绕组温度采样电路和功率模块温度采样电路，电机绕组温度采样电路使用电机绕组温度传感器，对三相绕组温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理；功率模块温度采样电路使用温度传感器，对三相功率模块温度和中线功率模块温度进行采样，后经过温度信号调理电路处理。
2.如权利要求1所述的多相高速永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述主功率单元包括N个功率子单元和直流母线电容，每个功率子单元拓扑结构是三相四桥臂结构，中性点引出。
3.如权利要求2所述的多相高速永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述制动单元包括制动电阻和制动功率模块。
4.基于权利要求3所述多相高速永磁同步电机驱动控制系统的多相高速永磁同步电机驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)系统上电，驱动控制器拖动多相高速永磁同步电机至点火转速；
2)多相高速永磁同步电机前端的发动机点火输出机械能，多相高速永磁同步电机驱动控制系统将机械能转换为电能；
3)拖动能量逐渐减少，多相高速永磁同步电机自动切换到发电状态；
4)多相高速永磁同步电机驱动控制系统工作在要求的转速下，根据负载需求输出对应功率；此时，多相高速永磁同步电机驱动控制系统持续发电，输出最大功率为运行额定功率Pe；
若多相高速永磁同步电机一相或多相有开路、短路故障，按照以下故障模式下重构运行：
11)当一相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，其他3N-1项绕组在重构方式下运行，保证电机定子绕组的合成旋转磁动势不变；
22)当两相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，其他3N-2项绕组在特定方式下运行，保证电机定子的合成旋转磁动势不变；
33)当三相发生故障时，对应相的外接功率器件封锁，即一个功率子单元故障，同时3N-3相绕组通过电流幅值、相位调整，系统实现连续降额运行，运行功率为
Figure FDA0003874232860000031
44)基于上述33)的功率计算，以此类推，当发生3N-3相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，则正常绕组仅余三相运行，即仅余一个功率子单元，则系统仍实现降额运行，运行功率为
Figure FDA0003874232860000032
55)当发生3N-2相绕组发生故障后，对应相的外接功率器件封锁，则正常绕组仅余两相运行，调整这两相绕组间空间相位差90°，则系统仍实现降额运行，运行功率为
Figure FDA0003874232860000033
66)当电机发生3N-1相或3N相绕组故障时，系统故障停机。
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