CN113992071B - 一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及永磁无刷电机控制技术领域，公开了一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，包括一对标准两电平逆变器、绕组开放式结构永磁无刷电机、位置速度传感器、控制器、电流检测模块、电压检测模块以及直流电源U dc ，一对标准两电平逆变器均为三桥臂结构，还包括固态继电器组、继电器驱动模块，绕组开放式结构永磁无刷电机6个接线端子分别接一对标准两电平逆变器的三个桥臂的输出端；固态述继电器组分别连接于绕组开放式结构永磁无刷电机的6个接线端子之间。本发明通过固态继电器组使电机绕组根据电机运行工况在两种模式下自动切换，同时具有传统单逆变器驱动系统和绕组开放式双逆变器驱动系统的优点，提高电机驱动系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机控制技术领域，具体涉及一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统。
背景技术
永磁无刷电机具有体积小、功率密度高、便于维护以及对环境适应性强等优点，在许多高性能驱动领域中得到广泛的应用。车用驱动电机作为混合动力汽车、电动汽车的关键执行部件之一，其驱动性能的优劣直接影响混合动力汽车、电动汽车的整车性能。
随着对电动汽车运行性能的要求越来越高，电机驱动系统所需的调速范围和功率不断增大。对于车用电机驱动系统而言，其端电压受车载电池容量和电压等级的限制，一定程度上制约了电机的转速调节范围和功率密度。
Takahashi I首次提出绕组开放式异步电机结构，绕组开放式拓扑在感应电机、永磁无刷电机领域得到关注与应用。绕组开放式结构是将电机绕组中性点打开，两端各接一个逆变器。相较于传统的中性点连接的拓扑结构，在同样的直流供电电压条件下，绕组开放式拓扑可以获得更大的电压矢量，因而可以有效拓宽电机转速运行范围，同时具有电压利用率高、器件承受电压低、输出电压波形好、输出谐波小等优势。绕组开放式永磁无刷电机，还具有传统永磁无刷电机的优点，很有研究意义。绕组开放式电机驱动系统根据逆变器直流电源供电方式可以分为单电源供电模式和双电源供电模式。采用共直流母线双逆变器拓扑结构单电源供电模式，节省空间和成本，可以在电动汽车电池容量受限的情况下拓宽电机转速运行范围、提高输出功率，其在电机驱动系统中的应用受到广泛关注。
然而绕组开放式电机驱动系统存在零序电流回路，系统存在零序电压产生零序电流的问题，电流谐波畸变率较高，导致电机损耗增大和系统性能降低。此外，采用双逆变器六桥臂结构开关器件数量是传统单逆变器结构开关器件数量的两倍，大大增加了开关器件故障的概率，影响电机的运行稳定性。
为了实现电机宽转速范围运行，目前一种比较可行的方案是采用绕组切换技术，通过开关管在绕组连接方式之间切换工作模式，例如专利103684196公开了一种可切换绕组的永磁同步电机驱动系统，通过将电机绕组分成两套串联绕组，在两套串联绕组中设置中间抽头，此外在两套逆变器直流电源的高电位端分别连接有一个可控开关装置，绕组开关变换装置由一个三相全波整流桥和一个功率开关管组成，实现定子绕组不同部分工作切换，从而可以实现电机高速与低速之间的绕组切换，达到拓宽转速范围的目的。然而这种方案采用的绕组切换技术需要电机在加工过程中将定子绕组分成两套串联绕组，在两套串联绕组中设置中间抽头，不适应现有的传统三相电机；当只有一套绕组运行时，电机的一半绕组处于闲置状态，影响系统转矩输出能力；且其在硬件方面增加额外的两个可控开关装置、一个三相全波整流桥和一个功率开关管，增加了开关器件的使用数量，提高了开关器件故障率。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，通过固态继电器组(3个固态继电器)使电机绕组根据电机运行工况在两种模式下自动切换，同时具有传统单逆变器驱动系统和绕组开放式双逆变器驱动系统的优点，提高电机驱动系统性能。
技术方案：本发明提供了一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，所述控制系统包括一对标准两电平逆变器、绕组开放式结构永磁无刷电机、位置速度传感器、控制器、电流检测模块、电压检测模块以及直流电源Udc，一对所述标准两电平逆变器均为三桥臂结构，其特征在于，还包括固态继电器组、继电器驱动模块，所述绕组开放式结构永磁无刷电机将中性点打开引出6个接线端子为a1、b1、c1、a2、b2、c2，绕组开放式结构永磁无刷电机的输出端子a1、b1、c1分别接一个标准两电平逆变器的三个桥臂的输出端，输出端子a2、b2、c2分别接另一标准两电平逆变器的三个桥臂的输出端；所述固态继电器组分别连接于所述绕组开放式结构永磁无刷电机的6个接线端子之间，所述位置速度传感器与所述控制器连接，用于检测绕组开放式结构永磁无刷电机的转子位置信号和转速信号，所述控制器的转速信号输出端与所述继电器驱动模块连接，所述固态继电器驱动模块与所述固态继电器组连接，用于驱动所述固态继电器组的闭合与断开。
进一步地，所述固态继电器组包括继电器S1、继电器S2以及继电器S3，所述继电器S1连接于接线端子a1和接线端子c2，所述继电器S2连接于接线端子b1和接线端子a2，所述继电器S3连接于接线端子c1和接线端子b2。
进一步地，所述电流检测模块、电压检测模块分别与所述控制器连接，分别用于采集绕组开放式结构永磁无刷电机的三相电流ia～ic、直流母线电压Udc，并将信号输入至控制器中，所述控制器以转子位置和转速、三相电流ia～ic以及直流母线电压Udc作为输入，合成12路PWM信号，用于对一对标准两电平逆变器分别进行驱动控制。
进一步地，所述控制器中设置有位置及速度计算模块、abc/dq0模块、SVPWM模块、转速调节模块、d轴电流调节模块、q轴电流调节模块、混合控制器模块，所述位置及速度计算模块与所述位置速度传感器连接，位置及速度计算模块的转子位置角度信号输出端与dq0/αβ0模块连接，位置及速度计算模块的转速信号输出端分别与继电器驱动模块、转速调节模块以及混合控制器模块连接；
所述电流检测模块输出端与所述abc/dq0模块输入端连接，所述abc/dq0模块输出端分别与d轴电流调节模块、q轴电流调节模块、混合控制器模块输入端连接；所述电压检测模块输出端分别与所述d轴电流调节模块、q轴电流调节模块以及混合控制器模块输入端连接；
所述转速调节模块与所述q轴电流调节模块输入端连接；所述dq0/αβ0模块输出端与SVPWM模块输入端连接，所述SVPWM模块的信号输出端与一对标准两电平逆变器的IGBT开关器件控制端连接。
进一步地，转速信号n输入所述继电器驱动模块，所述控制器中设定的电机额定转速设置为n*，当电机转速信号n>n*，继电器驱动模块输出信号为0，当电机转速n<＝n*，继电器驱动模块输出信号为1，驱动所述继电器组断开与闭合。
进一步地，当所述继电器驱动模块输出信号为0时，所述继电器组断开；电机处于双标准两电平逆变器驱动绕组开放式模式运行，当所述继电器驱动模块输出信号为1时，所述继电器组闭合，电机处于单标准两电平逆变器驱动绕组模式运行，其与传统三角形联接绕组模式一致。
有益效果：
1、本发明采用的双模式绕组永磁无刷电机驱动系统拓扑结构，可以在一套电机驱动系统中实现两种绕组模式运行。控制器根据电机运行工况，产生继电器控制指令，控制固态继电器组的通断，从而进行绕组模式选择，实现一套电机驱动系统两种绕组模式的自动切换。
2、本发明采用的双模式绕组永磁无刷电机驱动系统，当需要电机在额定转速以上高速运行时，选择双逆变器驱动开放式绕组模式；在额定转速以下中低速运行时，选择传统的单逆变器驱动三角形联接绕组模式运行。既可以实现开放式绕组拓宽电机转速范围的目的，又可以避免一直采用开放式绕组需要双逆变器驱动，开关器件故障率高的不足。从而使系统兼具传统三角形联接绕组模式和开放式绕组模式的优点。
3、本发明切换到传统单逆变器驱动三角形联接绕组模式，只需要双逆变器中的一个逆变器工作，使系统具有传统单逆变器驱动系统的优点，避免长时间运行在双逆变器驱动模式，减少桥臂开关器件工作时间，降低开关器件故障率，特别适合于电动汽车、混合动力汽车等要求高可靠性的应用场合。
4、本发明切换到开放式绕组模式，采用单直流电源供电的电路结构，针对单电源供电系统存在零序电流谐波问题，在零序电流控制回路，采用混合控制器，既可以调节直流分量又可以有效抑制零序谐波分量。
附图说明
图1本发明提出的双模式绕组永磁无刷电机驱动系统总体框图；
图2本发明提出的双模式绕组永磁无刷电机矢量控制驱动系统结构图；
图3本发明采用的零序电流混合控制器内部结构框图；
图4本发明采用的无共模电压SVPWM调制空间矢量分布图；
图5本发明提出的双模式绕组驱动系统继电器断开时等效双逆变器驱动系统结构框图；
图6本发明提出的双模式绕组驱动系统继电器接通时等效双逆变器驱动系统结构框图；
图7本发明提出的双模式绕组驱动系统继电器接通时等效单逆变器驱动系统结构框图。
其中，1-标准两电平逆变器一，2-标准两电平逆变器二，3-绕组开放式结构永磁无刷电机，4-固态继电器组，5-位置速度传感器，6-控制器，7-电流检测模块，8-电压检测模块，9-上位机，10-直流电源Udc，11-位置及速度计算模块，12-abc/dq0模块，13-固态继电器驱动模块，14-转速调节模块，15-q轴电流调节模块，16-d轴电流调节模块，17-dq0/αβ0模块，18-SVPWM模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，双模式绕组电机驱动系统的硬件平台，本发明包括两个标准两电平逆变器分别为标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2、绕组开放式结构永磁无刷电机3、固态继电器组4、位置速度传感器5、dSPACE DS1007控制器6、电流检测模块7、电压检测模块8、上位机9、直流电源Udc10。
其中，直流电源Udc10同时给标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2供电；绕组开放式结构永磁无刷电机3是将传统电机的中性点打开，引出6个接线端子分别为a1、b1、c1、a2、b2、c2，a1a2、b1b2、c1c2分别为电机A相、B相、C相绕组的两端输出端子；标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2均为三桥臂结构，每个桥臂由两个IGBT开关器件及分别并联的反向二极管组成，绕组开放式结构永磁无刷电机3的输出端子a1、b1、c1分别接标准两电平逆变器一1的三个桥臂的输出端，输出端子a2、b2、c2分别接标准两电平逆变器二2的三个桥臂的输出端。
固态继电器组4分别连接于绕组开放式结构永磁无刷电机3的6个接线端子之间，固态继电器组4包括继电器S1、继电器S2以及继电器S3，继电器S1连接于接线端子a1和接线端子c2，继电器S2连接于接线端子b1和接线端子a2，继电器S3连接于接线端子c1和接线端子b2。
控制器6中包含位置及速度计算模块11、abc/dq0模块12、SVPWM模块18、转速调节模块14、d轴电流调节模块16、q轴电流调节模块15、混合控制器模块19、dq0/αβ0模块17。
位置及速度计算模块11与位置速度传感器5连接，位置及速度计算模块11的转子位置角度信号输出端与dq0/αβ0模块17连接，位置及速度计算模块11的转速信号输出端分别与继电器驱动模块13、转速调节模块14以及混合控制器模块19连接。
电流检测模块7输出端与abc/dq0模块12输入端连接，abc/dq0模块12输出端分别与d轴电流调节模块16、q轴电流调节模块15、混合控制器模块19输入端连接；电压检测模块8输出端分别与d轴电流调节模块16、q轴电流调节模块15以及混合控制器模块19输入端连接。
转速调节模块14与q轴电流调节模块15输入端连接；dq0/αβ0模块17输出端与SVPWM模块18输入端连接，SVPWM模块18的信号输出端分别与标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2的IGBT开关器件控制端连接。
位置速度传感器5用于检测电机实时的转子位置和转速；电流检测模块7用于检测电机三相电流ia、ib、ic；电压检测模块8用于采集母线电压Udc。dSPACE DS1007控制器6将位置转速传感器5输出的位置信号和电机转速、电流检测模块7检测的三相电流ia～ic、电压检测模块8检测的母线电压Udc作为输入，并通过控制策略合成12路PWM信号，用于对标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2分别进行驱动控制，内部矢量控制策略原理框图如图2所示。
如图2所示，本实施方式基于永磁无刷电机矢量控制策略，具体包括如下步骤：
步骤一：通过位置速度传感器5采集位置信号和速度信号，通过电流检测模块7采集三相电流ia～ic，通过电压检测模块8采集直流母线电压Udc，并将信号输入到控制器6中。
步骤二：输入控制器6的位置信号通过位置及速度计算模块11，输出得到转子位置角度θ、同时计算得到电机实时转速n。采样的三相电流ia～ic经过abc/dq0模块变换后输出id、iq、i0。变换公式为：
步骤三：使用id＝0的矢量控制策略，将给定的id *与abc/dq0模块12输出的id做差，得到Δid，并将其输入至d轴电流调节模块16中，d轴电流调节模块16为一个PI环节，同时具有限幅和标幺作用，d轴电流调节模块16输出的ud *范围限制在0～1。其表达式为：
其中，Udc为前述的电压检测模块8采样得到的直流母线电压；kp为PI控制器的比例增益；ki为PI控制器的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；udLim为限幅值。
同时，将控制器6给定的转速n*与位置及速度计算模块11输出的转速n做差，得到Δn，将其输入至转速调节模块14，转速调节模块14为一个带限幅的PI环节，表达式为：
其中，kp为PI控制器的比例增益；ki为PI控制器的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；iqLim为限幅值。
转速调节模块14的输出为q轴电流给定iq *，将其与abc/dq0模块12输出的iq做差，得到Δiq，并将其输入至q轴电流调节模块15中，q轴电流调节模块15为一个PI环节，同时具有限幅和标幺作用，q轴电流调节模块15输出的uq *范围限制在0～1。其表达式为：
其中，Udc为前述的电压检测模块8采样得到的直流母线电压；kp为PI控制器的比例增益；ki为PI控制器的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；udLim为限幅值。
在零序电流抑制回路，将给定的i0 *与abc/dq0模块12输出的i0做差，得到Δi0，并将其输入至混合控制器模块19中，混合控制器模块19主要由函数模块f(s)和比例环节kp构成，函数模块f(s)用于调节零序谐波分量，比例环节kp用于调节直流分量。
混合控制器模块19的内部结构框图如图3所示，将Δi0作为输入与f(s)构成的正反馈相乘，将ω0作为f(s)的同步参考频率，得到抑制输出ur，表达式为：
ur＝f(s)Δi0
f(s)用于调节零序谐波分量，表达式为：
其中，S为复变量；ω0为基波电角频率。
在上述零序电流调节进行的同时，将Δi0与kp相乘，得到动态响应输出up，计算公式为：
up＝kpΔi0
kp为比例增益，用于调节直流分量，同时提高抑制方法的动态响应。
将f(s)输出的ur与kp输出的up相加，并与输入到控制器的Udc作商，得到标幺后的零序电压输出u0 *，标幺后的u0 *输出范围为0～1。这样就可形成零轴电流闭环，不断产生零序电压输出u0 *补偿反电势3k次谐波。
步骤四：将d轴电流调节器模块16输出的ud *、q轴电流调节器模块15输出的uq *及混合控制器模块19输出的u0 *，以及位置及速度计算模块11输出的转子位置角θ，共同输入到dq0/αβ0模块17中。将dq0/αβ0模块17输出的电压uα、uβ、u0输入到SVPWM模块18。
由于标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2使用12个IGBT开关器件，所以需要控制器6输出12路PWM波，驱动标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2运行。具体的SVPWM模块空间矢量分布图如图4所示。
如图4所示，在两相静止坐标系αβ0下，绕组开放式永磁电机系统结构一共可以产生64个矢量，其中HJLNQS及O处在任意时刻均不会产生共模电压，因而不会产生零序电压造成零序电流，其他的空间矢量会产生共模电压，导致零序电流，因此选取HJLNQS及O处这些矢量位置形成SVPWM调制。
经过SVPWM模块18输出12路PWM波，PWM1-6、PWM7-12分别输入到标准两电平逆变器一1、标准两电平逆变器二2中，用于驱动12个开关器件，从而驱动电机运行。
步骤五：继电器驱动模块13用于控制继电器开关状态。电机转速信号n输入继电器驱动模块13，电机额定转速设置为n*，当电机转速n>n*，输出信号为0，当电机转速n<＝n*，输出信号为1，驱动固态继电器组4。当继电器驱动模块13输出信号为0时，继电器组断开，电机处于双逆变器驱动绕组开放式模式运行，双模式绕组驱动系统继电器断开时等效双逆变器驱动系统结构框图如图5所示。当继电器驱动模块13输出信号为1时，继电器组闭合，继电器接通时双逆变器驱动系统结构框图如图6所示，控制器控制标准两电平逆变器二2开关器件截止，电机处于单逆变器驱动绕组模式运行，继电器接通时等效单逆变器驱动系统结构与传统三角形联接绕组模式一致，如图7所示。
以上步骤根据系统电流采样频率不断重复，使得电机在双绕组模式下运行。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，包括一对标准两电平逆变器、绕组开放式结构永磁无刷电机(3)、位置速度传感器(5)、控制器(6)、电流检测模块(7)、电压检测模块(8)以及直流电源Udc(10)，一对所述标准两电平逆变器均为三桥臂结构，其特征在于，还包括固态继电器组(4)、继电器驱动模块(13)，所述绕组开放式结构永磁无刷电机(3)将中性点打开引出6个接线端子为a1、b1、c1、a2、b2、c2，绕组开放式结构永磁无刷电机(3)的输出端子a1、b1、c1分别接一个标准两电平逆变器的三个桥臂的输出端，输出端子a2、b2、c2分别接另一标准两电平逆变器的三个桥臂的输出端；所述固态继电器组(4)分别连接于所述绕组开放式结构永磁无刷电机(3)的6个接线端子之间，所述位置速度传感器(5)与所述控制器(6)连接，用于检测绕组开放式结构永磁无刷电机(3)的转子位置信号和转速信号，所述控制器(6)的转速信号输出端与所述继电器驱动模块(13)连接，所述继电器驱动模块(13)与所述固态继电器组(4)连接，用于驱动所述固态继电器组(4)的闭合与断开；
所述固态继电器组(4)包括继电器S1、继电器S2以及继电器S3，所述继电器S1连接于接线端子a1和接线端子c2，所述继电器S2连接于接线端子b1和接线端子a2，所述继电器S3连接于接线端子c1和接线端子b2；
转速信号n输入所述继电器驱动模块(13)，所述控制器中设定的电机额定转速设置为n*，当电机转速信号n>n*，继电器驱动模块(13)输出信号为0，当电机转速n<＝n*，继电器驱动模块(13)输出信号为1，驱动所述继电器组(4)断开与闭合；
当所述继电器驱动模块(13)输出信号为0时，所述继电器组(4)断开；电机处于双标准两电平逆变器驱动绕组开放式模式运行，当所述继电器驱动模块(13)输出信号为1时，所述继电器组(4)闭合，电机处于单标准两电平逆变器驱动绕组模式运行，其与传统三角形联接绕组模式一致。
2.根据权利要求1所述的基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，其特征在于，所述电流检测模块(7)、电压检测模块(8)分别与所述控制器连接，分别用于采集绕组开放式结构永磁无刷电机(3)的三相电流ia～ic、直流母线电压Udc，并将信号输入至控制器(6)中，所述控制器(6)以转子位置和转速、三相电流ia～ic以及直流母线电压Udc作为输入，合成12路PWM信号，用于对一对标准两电平逆变器分别进行驱动控制。
3.根据权利要求2所述的基于运行工况的双模式绕组电机驱动系统，其特征在于，所述控制器(6)中设置有位置及速度计算模块(11)、abc/dq0模块(12)、SVPWM模块(18)、转速调节模块(14)、d轴电流调节模块(16)、q轴电流调节模块(15)、混合控制器模块(19)，所述位置及速度计算模块(11)与所述位置速度传感器(5)连接，位置及速度计算模块(11)的转子位置角度信号输出端与dq0/αβ0模块(17)连接，位置及速度计算模块(11)的转速信号输出端分别与继电器驱动模块(13)、转速调节模块(14)以及混合控制器模块(19)连接；
所述电流检测模块(7)输出端与所述abc/dq0模块(12)输入端连接，所述abc/dq0模块(12)输出端分别与d轴电流调节模块(16)、q轴电流调节模块(15)、混合控制器模块(19)输入端连接；所述电压检测模块(8)输出端分别与所述d轴电流调节模块(16)、q轴电流调节模块(15)以及混合控制器模块(19)输入端连接；
所述转速调节模块(14)与所述q轴电流调节模块(15)输入端连接；所述dq0/αβ0模块(17)输出端与SVPWM模块(18)输入端连接，所述SVPWM模块(18)的信号输出端分别与一对标准两电平逆变器的IGBT开关器件控制端连接。
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