CN112910323A - 双绕组永磁同步电机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双绕组永磁同步电机系统，包括双绕组永磁同步电机，该双绕组永磁同步电机包括两套绕组且设有一个旋变器，该两套绕组的中性点之间相互独立且该两套绕组之间的相差为180°；以及两套独立的控制系统，该两套控制系统的旋变解码电路共用该旋变器，每套控制系统的旋变解码电路从该旋变器获取电机转子的位置和速度信息以独立地控制相应的一套绕组。
Description
技术领域
本发明涉及电动车的永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种双绕组永磁同步电机系统。
背景技术
随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电动机。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本发明的一方面，提供了一种双绕组永磁同步电机系统，包括：
双绕组永磁同步电机，所述双绕组永磁同步电机包括两套绕组且设有一个旋变器，所述两套绕组的中性点之间相互独立且所述两套绕组之间的相差为180°；以及
两套独立的控制系统，所述两套控制系统的旋变解码电路共用所述旋变器，每套控制系统的旋变解码电路从所述旋变器获取电机转子的位置和速度信息以独立地控制相应的一套绕组。
在一实例中，两套控制系统的两个旋变解码电路中的一者输出激励信号至所述旋变器以激励旋变器，两个旋变解码电路同时接收所述旋变器的反馈信号以解码获得电机转子的位置和速度信息，其中所述两个旋变解码电路共用一个时钟信号和复位信号以使两套解码信号在时序和相位上同步。
在一实例中，每套控制系统包括独立的控制器和功率模块，每套控制系统的控制器基于从所述双绕组永磁同步电机采集到的三相电流信号、转子位置信号和机械角速度向所述功率模块输出脉宽调制信号，以使所述功率模块输出控制电流以控制对应的一套绕组运行。
在一实例中，所述双绕组永磁同步电机的极对数为旋变极对数的两倍，以使所述两套绕组具有相同的初始相位和电角度，
每套控制系统的控制器还耦接至另一控制系统的功率模块，响应于任一控制系统的控制器故障，另一控制系统的控制器向发送故障的控制系统的功率模块输出脉宽调制信号以使两套绕组正常工作。
在一实例中，响应于所述双绕组永磁同步电机的端电压小于逆变器最大限制输出，每个控制系统采用最大转矩电流比控制确定交轴电流和直轴电流。
在一实例中，响应于所述双绕组永磁同步电机的端电压达到逆变器最大限制输出，每个控制系统向对应的绕组施加负向直轴电流以实现弱磁控制。
在一实例中，所述两套控制系统交互各自接收的转矩指令以确保转矩指令同步运行。
在一实例中，所述两套控制系统交互所述两套绕组的故障信息以实现共享互锁。
在一实例中，所述两套控制系统交互直流电流值以校验两套控制系统的动态运行状态。
在一实例中，所述两套控制系统交互各自采集的速度和位置信息以确保电机信息采集一致。
本发明提出了一种基于双绕组电机的并联驱动控制技术，采用了两套相互独立的逆变控制单元控制一台双绕组电机两套独立绕组，实现了对两套绕组的相互解耦控制。解决了两套逆变控制单元对速度、位置等控制参数的获取和交互，解决了两套绕组的磁场耦合和物理隔离，降低了驱动系统功率器件的功率等级，降低了系统运行成本和风险，降低了电机的振动和噪声，提高了电机运行时的平顺性和舒适性，提高了驱动系统的功率密度和性能，提高了系统的可靠性和容错性，实现了双绕组永磁同步电机在电动汽车领域的小批量推广和应用。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机的主电路结构的示意图；
图2是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的功能模块框图；
图3是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的电机信号采集示意图；
图4是示出了旋变器角度与电机角度的对应关系的示意图；
图5是示出了根据本发明的另一方面的双绕组永磁同步电机系统的功能模块框图；
图6是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的控制流图；以及
图7是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的控制系统信息交互框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
本文提供了一种双绕组永磁同步电机系统，采用单个电机两套绕组，并对两套绕组使用两套独立的控制系统，解决了两套绕组的耦合问题和两套独立控制系统控制一个电机旋变的问题。当一套控制系统出现故障时，另一套控制系统可以继续工作，实现了每套控制系统都可以单独工作，从而具有故障冗余功能。本发明提出的双绕组永磁同步电机驱动系统方案干扰小，可靠性高，可以实现了控制器的低功率模块在大功率电机上的运行
图1是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机的主电路结构的示意图。
如图1所示，永磁同步电机110可包括两个绕组111和112。绕组111可由功率模块121驱动，绕组112可由功率模块122驱动。功率模块121和功率模块122在硬件电路上完全对称且独立。
在本案中，为了能对一台电机的两个绕组111和112分开独立地控制，对绕组111和112进行解耦。具体地，绕组111和绕组112中性点O1和绕组2的中性点O2相互独立，如图3所示。物理上完全隔离，保证两套绕组完全解耦，使得控制上能够解耦。
绕组111和绕组112的物理隔离可包括磁路隔离和电气隔离，两套绕组结构上对称，相位上相互之间相差180°，由此可消除两套绕组之间的相互干扰，能采用独立的控制器分别同时控制两套绕组。
图2是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的功能模块框图。
如图2所示，双绕组永磁同步电机230包括绕组231和绕组232。绕组231由第一控制系统控制驱动，绕组232由第二控制系统控制驱动。第一控制系统可包括控制器2211和功率模块2212，第二控制系统可包括控制器2221和功率模块2222。
如图2所示，第一控制系统和第二控制系统共用一个电机旋变器240。由于绕组231和绕组232共轴，所以仅采用一个旋变器240以同时为两套控制系统提供电机的位置和速度信息。
图3是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的电机信号采集示意图。
图3中的旋变解码电路2213可属于图2中的第一控制系统，用于为第一控制系统的控制器2211采集电机位置信息和速度信息。旋变解码电路2223可属于图2中的第二控制系统，用于为第二控制系统的控制器2221采集电机位置信息和速度信息。
旋变解码电路2213可通过EXC+、EXC-两个引脚给旋转变压器注入固定频率的正旋电压。通过旋变转子的凸极效应，两相输出绕组SINH-1、SINL-1和COSH-1、COSL-1的电压幅值随转子的变化而变化，通过旋变解码系统解码两相输出绕组的电压，得到此时电机转子的位置和速度信息。
同时，旋变解码电路2223的两相输出绕组SINH-2、SINL-2和COSH-2、COSL-2的电压幅值随转子的变化而变化，通过旋变解码系统解码两相输出绕组的电压，也得到此时电机转子的位置和速度信息。
两套旋变解码电路2213和2223都有各自的激励信号EXC+、EXC-，但是不能同时注入到一个旋变上，只能通过注入一个激励信号，两组反馈信号同时给两个旋变解码电路解码。
旋变器240只接其中任一一组旋变解码电路的激励信号，旋变器240反馈信号分别接到两套旋变解码电路解码，同时保证两套控制系统采集电机位置和速度信号同步，特别地，两套旋变解码电路2213和2223共用同一个时钟信号和复位信号，以保证两套解码信号在时序和相位上的同步。
图3中示出的是由旋变解码电路2213向旋变器240提供激励信号，替换地，也可由旋变解码电路2223向旋变器240提供激励信号。
本发明通过将永磁同步电机设为双绕组，并为每个绕组设置独立的控制系统，实现了控制器的低功率模块在大功率电机上的运行。此外当一个绕组或其控制系统出现故障的情况下，另一套绕组及其控制系统仍然可以工作，使得电机至少能够以半功率状态运行，实现了故障冗余功能。
根据本发明的一实施例，将双绕组永磁同步电机的极对数设计为旋变极对数的两倍，以使两套绕组具有相同的初始相位和电角度。
由于电机转子与旋变器的转子同轴，所以两者转速相同。由于电机的极对数是旋变极对数的两倍，因此电机的电角速度也是旋变器的电角速度的两倍。这样，电机电角速度旋转2Π，旋变对应电角速度旋转180°，所以电机0～2Π对应旋变0～Π或者Π～2Π，所以旋变0～Π和Π～2Π等效，都能检测到电机旋转一圈，如图1所示。由于双绕组电机设计时两套绕组相位也是相差Π，正好与旋变相差的Π等效，从而保证两套绕组的初始相位和角速度完全一致。
以此设计下，图5提供了根据本发明的另一方面的双绕组永磁同步电机系统的功能模块框图。
如图5所示，双绕组永磁同步电机530包括绕组531和绕组532。绕组531由第一控制系统控制驱动，绕组532由第二控制系统控制驱动。第一控制系统可包括控制器5211和功率模块5212，第二控制系统可包括控制器5221和功率模块5222。
如图5所示，第一控制系统和第二控制系统共用一个电机旋变器540。由于绕组531和绕组532共轴，所以仅采用一个旋变器540以同时为两套控制系统提供电机的位置和速度信息。
不同于图2，图5中的控制器5211可与功率模块5222通信地耦接，以及控制器5221也可与功率模块5212通信地耦接。
由于双绕组同步电机530的两个绕组531和532的初始相位和角速度完全一致，控制器5211向功率模块5212输入的控制指令也可用于控制功率模块5222以驱动绕组532，另一方面，控制器5221向功率模块5222输入的控制指令也可用于控制功率模块5212以驱动绕组531。
以此方式，控制器5211和5221之间可以实现故障冗余，在控制器5221故障时，控制器5211可替代控制器5221控制功率模块5222以驱动绕组532，以及在控制器5211故障时，控制器5221可替代控制器5211控制功率模块5212以驱动绕组531。
图6是示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的控制流图。
控制流程主要包括以下步骤。
步骤1：两套独立且相同的控制器通过采集得到双绕组永磁同步电机的三相电流信号、转子位置信号θ和机械角速度ωr；
步骤2、在给定的直流母线电压UDC下，通过给定目标转矩，利用标定参数计算两套控制系统所需的交、直轴给定电流id1 *、iq1 *以及id2 *、iq2 *；
步骤3、根据建立的系统数学模型，两套绕组的三相电流信号经过Clark变换和Park变换后得到交轴反馈电流iq1 *和iq2 *以及直轴反馈电流id1和id2；
步骤4、交轴反馈电流与步骤3得到的交轴参考电流经过前馈计算和PI补偿模块得到交轴参考电压Ud1和Ud2；直轴反馈电流与与步骤3得到的直轴参考电流经过前馈计算和PI补偿模块得到直轴参考电压Uq1和Uq2；
步骤5、两套控制系统的交轴参考电压和直轴参考电压经过逆Park变换后得到分别得到各自绕组所需要的三相参考电压；
步骤6、三相参考电压经过电压空间矢量脉宽调制算法得到各自IGBT管开通、关断脉宽调制信号；
步骤7、通过两台相同的控制器分别输出各自相应的电流ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2来控制双绕组永磁同步电机跟随指令运行。
上述电机控制流程为常规算法，在此不再赘述。
特别地，为保证双绕组永磁同步电机在产生相同转矩时需求的定子电流最小，在低速段采用最大转矩电流比控制，从而降低控制器的损耗和减小控制器的容量，提高整个驱动系统效率。
本案中，双绕组永磁同步电机的每套绕组都采用最大转矩电流比控制,单套绕组电机的电磁转矩方程如式(1)所示：
Te＝np[ψfiq-(Ld-Lq)idiq] (1)
式中:np为电机极对数，Ld为单套绕组直轴电感，Lq为单套绕组交轴电感，id为单套绕组直轴电流，iq为单套绕组交轴电流，ψf为双绕组永磁同步电机永磁磁链。
最大转矩比控制算法是根据双绕组永磁同步电机的电磁转矩方程满足单套绕组的定子电流的条件极值下推导出的，即单套绕组的电流应该满足式(3)：
可以求得最大转矩最小电流控制方式下单套绕组交、直轴电流之间的关系如式(4)所示：
根据系统给定转矩，利用双绕组永磁同步电机的转矩方程和式(4)便可以获得最大转矩电流比控制时所需的交、直轴电流给定值。
双绕组永磁同步牵引电动机的定子磁链、转速以及电压极限值在运行过程中须满足式(5)的关系：
ψsωe≤Usmax (5)
式中：ψs为单套绕组定子磁链
双绕组永磁同步电机转速的上升受到电压极限值Usmax的限制。当电机转速达到ωr1时，即npωr1ψs＝Usmax时，电机的端电压等于逆变器的最大限制输出电压。若需继续提高转速，需削弱ψs才能满足式(5)。当永磁同步电机的旋转速度ωr＜ωr1时，电机电压未饱和，施加最大转矩电流比控制策略，可以在获得同样电磁转矩的同时使定子电流最小。当永磁同步电机的旋转速度ωr≥ωr1时，电机达到电压限制值，需向两套绕组同时施加负向直轴电流，削弱合成气隙磁场，实现弱磁控制。
本发明的双绕组永磁同步电机系统包括两套独立的控制系统，这两套系统之间可通过CAN总线进行信息交互，如图2和图5所示。同时两套控制系统也通过CAN总线同时接收上位机的控制指令，确保系统的正常运行，同时在故障情况下也能够实现的快速响应。更具体地，图7示出了根据本发明的一方面的双绕组永磁同步电机系统的控制系统信息交互框图。
在一实例中，两套控制系统可分别采集双绕组永磁同步电机的两套绕组温度，再通过内部CAN总线进行温度交互。两套控制系统采用温度较高的绕组的温度作为保护阈值，确保每个绕组都在安全的温度范围内的正常工作
在另一实例中，两套控制系统可实时采集电机速度信号，通过内部CAN总线进行速度交互，确保两套独立的控制采集的速度和位置一致。
在另一实例中，同步监控两套控制系统的运行状态，实时交互两套绕组的故障信息，对影响系统运行的严重故障，包括软件和硬件故障实现共享互锁，保证系统的安全稳定运行。
在另一实例中，实时交互两套控制系统的转矩指令，保证两套控制系统在两套绕组同时运行时接收的转矩指令一致，保证转矩指令同步运行。
在另一实例中，实时交互两套控制系统的直流电流值，校验两套控制系统的动态运行状态，保证系统的正常运行。
本发明提出的双绕组永磁同步电机两套绕组同时工作时，为保证两套绕组的信息交互和共享，采用了CAN总线传输通讯，实现了两套独立的控制系统的信息传输和同步，确保双绕组永磁同步电机驱动系统可靠和平稳运行。
本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (10)
1.一种双绕组永磁同步电机系统，包括：
双绕组永磁同步电机，所述双绕组永磁同步电机包括两套绕组且设有一个旋变器，所述两套绕组的中性点之间相互独立且所述两套绕组之间的相差为180°；以及
两套独立的控制系统，所述两套控制系统的旋变解码电路共用所述旋变器，每套控制系统的旋变解码电路从所述旋变器获取电机转子的位置和速度信息以独立地控制相应的一套绕组。
2.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，两套控制系统的两个旋变解码电路中的一者输出激励信号至所述旋变器以激励旋变器，两个旋变解码电路同时接收所述旋变器的反馈信号以解码获得电机转子的位置和速度信息，其中所述两个旋变解码电路共用一个时钟信号和复位信号以使两套解码信号在时序和相位上同步。
3.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，每套控制系统包括独立的控制器和功率模块，每套控制系统的控制器基于从所述双绕组永磁同步电机采集到的三相电流信号、转子位置信号和机械角速度向所述功率模块输出脉宽调制信号，以使所述功率模块输出控制电流以控制对应的一套绕组运行。
4.如权利要求3所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述双绕组永磁同步电机的极对数为旋变极对数的两倍，以使所述两套绕组具有相同的初始相位和电角度，
每套控制系统的控制器还耦接至另一控制系统的功率模块，响应于任一控制系统的控制器故障，另一控制系统的控制器向发送故障的控制系统的功率模块输出脉宽调制信号以使两套绕组正常工作。
5.如权利要求3所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，响应于所述双绕组永磁同步电机的端电压小于逆变器最大限制输出，每个控制系统采用最大转矩电流比控制确定交轴电流和直轴电流。
6.如权利要求5所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，响应于所述双绕组永磁同步电机的端电压达到逆变器最大限制输出，每个控制系统向对应的绕组施加负向直轴电流以实现弱磁控制。
7.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述两套控制系统交互各自接收的转矩指令以确保转矩指令同步运行。
8.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述两套控制系统交互所述两套绕组的故障信息以实现共享互锁。
9.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述两套控制系统交互直流电流值以校验两套控制系统的动态运行状态。
10.如权利要求1所述的双绕组永磁同步电机系统，其特征在于，所述两套控制系统交互各自采集的速度和位置信息以确保电机信息采集一致。
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