CN112865613B - 一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法，控制方法包括以下步骤：电机驱动系统由三台逆变器向两台开绕组直线电机供电；利用硬件电路测量两台电机的三相电流以及母线电压并通过PARK变换计算出实际dq轴电流；通过直线电机速度调节器计算得驱动系统所需的推力F_e ^*；根据推力需求F_e ^*，结合每台电机的实际参数给电机分配q轴电流指令；计算两台电机运行所需要的dq轴电压；分配两台电机的电压需求给三台逆变器输出；利用空间矢量调制方法将逆变器输出电压指令调制成占空比指令；结合两台电机的运行状况对零序电压进行分配。本发明控制方法通过驱动多电机系统运行，并提高系统的直流母线电压利用率，实现系统扩速。

Description

一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电机的控制领域，具体是一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法。

背景技术

当电机的端部绕组被打开后，需要在两端分别增加一个逆变器。在整个电机驱动系统中，逆变器的增加会导致提高驱动系统的硬件成本，增加驱动系统体积以及故障概率，影响系统的安全性和可靠性。

目前为了解决逆变器过多带来的不利影响，现阶段对于减少开关管数量的控制拓扑主要有两种：一种是单逆变器驱动多电机的控制，另一种是五桥臂双电机的控制。对于单逆变器驱动多电机的控制拓扑，能够省略较多的开关管数量，但是通常需要多台电机之间的运行状况极度相似。对于两台电机的运行状况差异较大的情况，该控制拓扑会产生较大环流，控制性能会极度降低。对于五桥臂双电机的拓扑，两台电机的一相绕组共用同一个桥臂，能够省略一部分开关管，适用于两台电机不同的运行状况。目前对于所提出的半集中式开绕组电机驱动拓扑以及协同控制策略还没有相关研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法，通过驱动多电机系统运行，并提高系统的直流母线电压利用率，实现系统扩速；降低多电机开绕组驱动系统的硬件成本；减小了多电机开绕组驱动系统的系统体积；降低了多电机开绕组驱动系统的故障概率，提高了系统的安全性和可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法，控制方法包括以下步骤：

S1:电机驱动系统由三台逆变器向两台开绕组直线电机供电，两台直线电机刚性连接；

S2:利用硬件电路测量两台电机的三相电流以及母线电压并通过PARK变换计算出实际dq轴电流，利用光栅尺计算两台电机的运行角度(θ_Ι，θ_ΙΙ)和速度；

S3:通过直线电机速度调节器计算得驱动系统所需的推力

S4:根据推力需求

结合每台电机的实际参数给电机分配q轴电流指令；

S5:计算两台电机运行所需要的dq轴电压；

S6:分配两台电机的电压需求给三台逆变器输出；

S7:利用空间矢量调制方法将逆变器输出电压指令调制成占空比指令；

S8:结合两台电机的运行状况对零序电压进行分配。

进一步的，所述S3中：

v,v^*分别为驱动系统的实际速度和参考速度，k_{p_v},k_{i_v}分别为速度调节器的比例系数和积分系数。

进一步的，所述S4中：

τ_s为直线电机极距，ψ_{f1_Ι}为第一台电机的永磁体磁链，ψ_{f1_ΙΙ}为第二台电机的永磁体磁链。

进一步的，所述S5中：

x＝I或II

i_{d_x},

i_{q_x},

分别为电机x的实际dq轴电流和参考dq轴电流，u_{d_Ι},u_{q_Ι},u_{d_ΙΙ},u_{q_ΙΙ}为电机x的电压需求，k_{p_d_x},k_{i_d_x},k_{p_q_x},k_{i_q_x}分别为电机x的dq轴电流调节器的比例系数和积分系数。

进一步的，所述S6具体包括以下步骤：

S61:将两台电机的电压需求统一到同一个坐标系；

γ为两台电机的角度差，γ＝θ_Ι-θ_ΙΙ，u_{d_ΙΙ},u_{q_ΙΙ},u′_{d_ΙΙ},u′_{q_ΙΙ}为变换前后电机ΙΙ的电压需求；

S62:根据不同的电机组合确定电压分配模式，计算需求电压；

计算识别变量l₁,l₂分别为：

根据l₁与l₂之间的关系以及两个电机电压矢量之间的角度差α确定三种电压分配模式，分别满足以下条件：

模式1，满足条件：l₁≤l₂，共用电压点为：

模式2，满足条件：(l₁>l₂)&[(0°≤α≤90°)or(270°≤α≤360°)]，共用电压点为：

模式3，满足条件：(l₁>l₂)&[90°<α<270°]，共用电压点为：

结合三种电压分配模式，计算出三台逆变器的电压输出需求：

进一步的，所述S8具体包括：

S81:利用以下PR调节器传递函数，计算出两台电机的零序电压需求u_{0_Ι},u_{0_ΙΙ}；

K_p,K_i为上述PR调节器的比例系数和谐振系数；ω_c为PR调节器的截止频率；ω₀为PR调节器的谐振频率；

S82:将两台电机的零序电压需求转换成零序占空比指令T_{0_Ι},T_{0_ΙΙ}；

u_dc为直流母线电压；T_s为PWM控制周期；

S83:计算出零序电压抑制调节后的占空比指令；

对于|T_{0_Ι}|大于|T_{0_ΙΙ}|：

对于|T_{0_Ι}|小于|T_{0_ΙΙ}|：

其中：

T_{m_1},T_{m_2},T_{m_3}分别是零序调制之前的三相占空比；T′_{m_1},T′_{m_2},T′_{m_3}分别是零序调制之后的三相占空比。

本发明的有益效果：

1、本发明控制方法通过驱动多电机系统运行，并提高系统的直流母线电压利用率，实现系统扩速；降低多电机开绕组驱动系统的硬件成本；

2、本发明控制方法减小了多电机开绕组驱动系统的系统体积；降低了多电机开绕组驱动系统的故障概率，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明电机驱动系统拓扑图；

图2是本发明变速前后的电机I的三相电流图；

图3是本发明变速前后的驱动系统的速度图；

图4是本发明变速前后的逆变器1的输出电压图；

图5是本发明变速前后的逆变器2的输出电压图；

图6是本发明变速前后的逆变器3的输出电压图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了验证本发明的效果，选取三台永磁直线电机，该直线电机的参数均为：定子相电阻3Ω，定子相电感L_d＝L_q＝L_s＝33.5mH，永磁体磁链为0.125Wb。

具体地，如图1所示为本发明所提出的一种控制拓扑图。本发明实施例公开的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法，控制方法包括以下步骤：

S1:系统由三台逆变器向两台开绕组直线电机供电，两台直线电机刚性连接；

S2:利用硬件电路测量两台电机的三相电流以及母线电压，利用光栅尺计算两台电机的运行角度(θ_Ι，θ_ΙΙ)和速度。

S3:通过直线电机速度调节器计算得驱动系统所需的推力

v,v^*分别为驱动系统的实际速度和参考速度，k_{p_v},k_{i_v}分别为速度调节器的比例系数和积分系数。

S4:根据推力需求

结合每台电机的实际参数给电机分配q轴电流指令:

τ_s为直线电机极距，ψ_{f1_Ι}为第一台电机的永磁体磁链，ψ_{f1_ΙΙ}为第二台电机的永磁体磁链。

S5:计算两台电机运行所需要的dq轴电压：

x＝I或II

i_{d_x},

i_{q_x},

分别为电机x的实际dq轴电流和参考dq轴电流，u_{d_Ι},u_{q_Ι},u_{d_ΙΙ},u_{q_ΙΙ}为电机x的电压需求，k_{p_d_x},k_{i_d_x},k_{p_q_x},k_{i_q_x}分别为电机x的dq轴电流调节器的比例系数和积分系数。

S6:分配两台电机的电压需求给三台逆变器输出

S61:将两台电机的电压需求统一到同一个坐标系：

γ为两台电机的角度差，γ＝θ_Ι-θ_ΙΙ，u_{d_ΙΙ},u_{q_ΙΙ},u′_{d_ΙΙ},u′_{q_ΙΙ}为变换前后电机ΙΙ的电压需求。

S62:根据不同的电机组合确定电压分配模式，计算需求电压

计算识别变量l₁,l₂分别为：

根据l₁与l₂之间的关系以及两个电机电压矢量之间的角度差α确定三种电压分配模式，分别满足以下条件：

模式1，满足条件：l₁≤l₂，共用电压点为：

模式2，满足条件：(l₁>l₂)&[(0°≤α≤90°)or(270°≤α≤360°)]，共用电压点为：

模式3，满足条件：(l₁>l₂)&[90°<α<270°]，共用电压点为：

结合三种电压分配模式，计算出三台逆变器的电压输出需求：

S7:利用空间矢量调制方法将逆变器输出电压指令调制成占空比指令；

S8:结合两台电机的运行状况对零序电压进行分配：

S81:利用以下PR(比例谐振)调节器传递函数，计算出两台电机的零序电压需求u_{0_Ι},u_{0_ΙΙ}：

K_p,K_i为上述PR调节器的比例系数和谐振系数；ω_c为PR调节器的截止频率；ω₀为PR调节器的谐振频率。

S82:将两台电机的零序电压需求转换成零序占空比指令T_{0_Ι},T_{0_ΙΙ}：

u_dc为直流母线电压；T_s为PWM控制周期。

S83:计算出零序电压抑制调节后的占空比指令：

对于|T_{0_Ι}|大于|T_{0_ΙΙ}|：

对于|T_{0_Ι}|小于|T_{0_ΙΙ}|：

其中：

T_{m_1},T_{m_2},T_{m_3}分别是零序调制之前的三相占空比；T′_{m_1},T′_{m_2},T′_{m_3}分别是零序调制之后的三相占空比。

图2为变速前后的电机Ι的三相电流图，可以看出变速前后，本发明能够对于多电机系统的控制较为稳定，性能较好。图3为变速前后的驱动系统的速度图，可以看出本发明对速度的控制较为准确稳定。图4，5，6为变速前后的三台逆变器的输出电压图，可以看出对于模式1变速的情况，和所提出的电压分配策略基本吻合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法，其特征在于，控制方法包括以下步骤：

S1:电机驱动系统由三台逆变器向两台开绕组直线电机供电，两台直线电机刚性连接；

S2:利用硬件电路测量两台电机的三相电流以及母线电压并通过PARK变换计算出实际dq轴电流，利用光栅尺计算两台电机的运行角度θ_I、θ_II和速度；

S3:通过直线电机速度调节器计算得驱动系统所需的推力

S4:根据推力需求

结合每台电机的实际参数给电机分配q轴电流指令；

S5:计算两台电机运行所需要的dq轴电压；

S6:分配两台电机的电压需求给三台逆变器输出；

S7:利用空间矢量调制方法将逆变器输出电压指令调制成占空比指令；

S8:结合两台电机的运行状况对零序电压进行分配。

2.根据权利要求1所述的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法,其特征在于，所述S3中:

v,v^*分别为驱动系统的实际速度和参考速度，k_{p_v},k_{i_v}分别为速度调节器的比例系数和积分系数。

3.根据权利要求2所述的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法,其特征在于，所述S4中：

τ_s为直线电机极距，ψ_{f1_I}为第一台电机的永磁体磁链，ψ_{f1_II}为第二台电机的永磁体磁链。

4.根据权利要求3所述的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法,其特征在于，所述S5中：

x＝I或II

i_{d_x},

i_{q_x},

分别为电机x的实际dq轴电流和参考dq轴电流，u_{d_I},u_{q_I},u_{d_II},u_{q_II}为电机x的电压需求，k_{p_d_x},k_{i_d_x},k_{p_q_x},k_{i_q_x}分别为电机x的dq轴电流调节器的比例系数和积分系数。

5.根据权利要求4所述的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法,其特征在于，所述S6具体包括以下步骤：

S61:将两台电机的电压需求统一到同一个坐标系；

γ为两台电机的角度差，γ＝θ_I-θ_II，u_{d_II},u_{q_II},u′_{d_II},u′_{q_II}为变换前后电机II的电压需求；

S62:根据不同的电机组合确定电压分配模式，计算需求电压；

计算识别变量l₁,l₂分别为：

根据l₁与l₂之间的关系以及两个电机电压矢量之间的角度差α确定三种电压分配模式，分别满足以下条件：

模式1，满足条件：l₁≤l₂，共用电压点为：

模式2，满足条件：(l₁>l₂)&[(0°≤α≤90°)or(270°≤α≤360°)]，共用电压点为：

模式3，满足条件：(l₁>l₂)&[90°<α<270°]，共用电压点为：

结合三种电压分配模式，计算出三台逆变器的电压输出需求：

6.根据权利要求5所述的一种半集中式开绕组电机驱动系统的控制方法,其特征在于，所述S8具体包括：

S81:利用以下PR调节器传递函数，计算出两台电机的零序电压需求u_{0_I},u_{0_II}；

K_p,K_i为上述PR调节器的比例系数和谐振系数；ω_c为PR调节器的截止频率；ω₀为PR调节器的谐振频率；

S82:将两台电机的零序电压需求转换成零序占空比指令T_{0_I},T_{0_II}；

u_dc为直流母线电压；T_s为PWM控制周期；

S83:计算出零序电压抑制调节后的占空比指令；

对于|T_{0_I}|大于|T_{0_II}|：

对于|T_{0_I}|小于|T_{0_II}|：

其中：

Tm_1,Tm_2,Tm_3分别是零序调制之前的三相占空比；Tm'_{_1},Tm'_{_2},Tm'_{_3}分别是零序调制之后的三相占空比。

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