CN116388632A - 一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统及控制方法 - Google Patents

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CN116388632A CN202310438102.0A CN202310438102A CN116388632A CN 116388632 A CN116388632 A CN 116388632A CN 202310438102 A CN202310438102 A CN 202310438102A CN 116388632 A CN116388632 A CN 116388632A
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刘海川
沈泽微
邹见效
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Abstract

本发明公开了一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统及控制方法，涉及电机驱动技术领域，解决了单极式多端口电机驱动器的功率调节范围较为有限，不能灵活选择功率的技术问题。该系统包括第一直流电源、第二直流电源、第一直流母线电容、第二直流母线电容、宽功率范围多端口变换器、以及三相永磁同步电机；宽功率范围多端口变换器包括DC/DC变换器和相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；第一直流母线电容与第一直流电源并联，第二直流母线电容与第二直流电源并联；第一直流电源、第二直流电源与DC/DC变换器并联。本发明在大部分工况只需要一次能量变换，在较为复杂工况下第一直流电源的输出功率维持恒定值，拓宽了功率调节范围。

Description

一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统及控制方法。
背景技术
目前的混合动力系统的电机驱动器多为两级式，即电源系统经过DC-DC变换器，DC-AC逆变器后，实现电机的驱动。这种结构中，DC-DC变换器的电力滤波器增加了系统重量和体积，降低了系统的功率密度，同时，电源系统和电动机之间能量传输需要两次能量变换，降低了能量传输效率。因此，近年出现了新型电机驱动器，单极式多端口逆变器的拓扑结构能够实现多个能量源到电动机的能量单次传输，相较于传统的两级式拓扑结构，减少了能量传递次数和电力滤波器的使用数量，可以降低系统的体积和成本、提升能量传输效率。
然而，单极式多端口电机驱动器的功率调节范围较为有限，并且车辆行驶在较为复杂的工况下，不能使直流侧端口能量源恒定输出功率。而且，直流侧端口电压是实时变化的，可功率分配的调制策略不能灵活地选择最佳功率。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
现有的单极式多端口电机驱动器的功率调节范围较为有限，不能根据直流侧端口电压灵活选择输出功率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统及控制方法，以解决现有技术中存在的单极式多端口电机驱动器的功率调节范围较为有限，不能根据直流侧端口电压灵活选择输出功率的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统，包括第一直流电源、第二直流电源、第一直流母线电容、第二直流母线电容、宽功率范围多端口变换器、以及三相永磁同步电机；所述宽功率范围多端口变换器包括DC/DC变换器和相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，每个所述桥臂包括4个开关管及2个箝位二极管；所述三相永磁同步电机包括第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C；所述第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C的一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂连接，另一端相互连接，引出中性点O；所述第一直流母线电容C1与所述第一直流电源并联，所述第二直流母线电容C2与所述第二直流电源并联；所述第一直流电源、第二直流电源与所述DC/DC变换器并联。
优选的，所述第一桥臂包括第一开关管Sa1、第二开关管Sa2、第三开关管
Figure BDA0004192892160000021
第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000022
以及第一箝位二极管Da1、第二箝位二极管Da2；第二桥臂包括第五开关管Sb1、第六开关管Sb2、第七开关管/>
Figure BDA0004192892160000023
第八开关管/>
Figure BDA0004192892160000024
和第三箝位二极管Db1、第四箝位二极管Db2；第三桥臂包括第九开关管Sc1、第十开关管Sc2、第十一开关管/>
Figure BDA0004192892160000031
第十二开关管/>
Figure BDA0004192892160000032
和第五箝位二极管Dc1、第六箝位二极管Dc2；所述DC/DC变换器包括第十三开关管S1、第十四开关管S2和电感L；所述第二开关管Sa2的发射极与第三开关管/>
Figure BDA0004192892160000033
的集电极、第一定子绕组A一端均连接，第六开关管Sb2的发射极与第七开关管/>
Figure BDA0004192892160000034
的集电极、第二定子绕组B一端均连接，第十开关管Sc2的发射极与第十一开关管/>
Figure BDA0004192892160000035
的集电极、第三定子绕组C一端均连接；所述第一开关管Sa1的集电极、第五开关管Sb1的集电极、第九开关管Sc1的集电极、第十三开关管S1的集电极均与所述第一直流电源的正极端连接；所述第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000036
的发射极、第八开关管/>
Figure BDA0004192892160000037
的发射极、第十二开关管/>
Figure BDA0004192892160000038
的发射极、第十四开关管S2的发射极均与所述第一直流电源的负极端连接；所述第一箝位二极管Da1的正极、第二箝位二极管Da2的负极、第三箝位二极管Db1的正极、第四箝位二极管Db2的负极、第五箝位二极管Dc1的正极、第六箝位二极管Dc2的负极、电感L与所述第二直流电源的正极端连接；所述第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000039
的发射极、第八开关管/>
Figure BDA00041928921600000310
的发射极、第十二开关/>
Figure BDA00041928921600000311
的发射极、第十四开关管S2的发射极与所述第二直流电源的负极端连接。
优选的，所述多端口电机驱动系统还包括电流采样模块、编码模块、T1坐标变换单元、速度计算模块、转速PI控制模块、无差拍电流预测控制模块、功率分配PI控制模块、DC/DC变换器电流PI控制模块、T2坐标变换单元、多模式可功率分配的调制算法模块、第一差运算单元、第二差运算单元、第三差运算单元、PWM信号输出模块；所述电流采样模块的输入端连接在所述宽功率范围多端口变换器、三相永磁同步电机之间；所述编码模块的输入端与所述三相永磁同步电机连接，输出端与所述速度计算模块、T1坐标变换单元、T2坐标变换单元的输入端均连接，所述速度计算模块的输出端通过所述第一差运算单元与所述转速PI控制模块的输入端连接，所述转速PI控制模块的输出端与所述无差拍电流预测控制模块的输入端连接，所述无差拍电流预测控制模块的输出端与所述T2坐标变换单元的输入端连接，所述T2坐标变换单元的输出端、功率分配PI控制模块的输出端均与所述多模式可功率分配调制算法模块的输入端连接，所述功率分配PI控制模块的输出端还通过所述第三差运算单元与所述DC/DC变换器电流PI控制模块的输入端相连，所述DC/DC变换器电流PI控制模块的输出端与所述PWM信号输出模块相连，所述PWM信号输出模块、多模式可功率分配调制算法模块均与所述宽功率范围多端口变换器连接，所述功率分配PI控制模块的输入端通过所述第二差运算单元与所述宽功率范围多端口变换器连接。
一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，通过以上任一项所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行，包括以下步骤：
S100：通过坐标变换，将三相永磁同步电机在旋转坐标系下的电压变换为两相静止坐标系的参考电压；S200：计算三相永磁同步电机需求的直流母线电压参考值，并判断工作模式为高速工作模式或低速工作模式；S300：根据不同工作模式的调制算法来生成驱动多端口逆变系统的开关信号；其中，低速工作模式采用两电平电压空间电压矢量调制，高速工作模式采用可功率分配的调制算法；S400：通过开关信号控制多端口变换器的每个桥臂进行开关动作；S500：调节控制参数k进行直流侧多个能量源的功率分配。
优选的，所述S100步骤具体包括：
S110：三相永磁同步电机的设定电角速度ωe_ref，经编码模块获取转子的位置角度θ，速度计算模块根据位置角度θ得到实际机械角速度ωm，换算得到实际电角速度ωe，将设定电角速度ωe_ref与实际电角速度ωe作差，再将差值通过转速PI控制模块进行PI控制，得到q轴的给定电流iq_ref；
电流采样模块采集宽功率范围多端口变换器产生的三相电流ia、ib、ic，经T1坐标变换得到q轴的实际电流iq，将q轴的给定电流iq_ref与实际电流iq作差，并将差值通过q轴电流控制器进行PI控制，得到q轴的给定电压Vq；
S120：设d轴的给定电流id_ref＝0，电流采样模块将采集的三相电流ia、ib、ic经T1坐标变换得到d轴的实际电流id，将d轴的给定电流id_ref与实际电流id作差，并将差值通过d轴电流控制器进行PI控制，得到d轴的给定电压Vd；
其中，T1坐标变换的公式为：
Figure BDA0004192892160000051
θ为编码模块获取的三相永磁同步电机转子的位置角度，ia、ib、ic为宽功率范围多端口变换器的三相交流电流；
S130：将位于两相同步旋转坐标系下的给定电压Vd、Vq通过T2坐标变换得到两相静止坐标系下的参考电压Vα、Vβ；
其中，T2坐标变换的公式为：
Figure BDA0004192892160000052
优选的，所述S200步骤中，直流母线电压参考值Vdc_ref的计算公式为：
Figure BDA0004192892160000061
其中，np表示三相永磁同步电机的极对数，ωe为三相永磁同步电机的实际电角速度，
Figure BDA0004192892160000062
表示三相永磁同步电机的磁通量，Vm表示安全操作的边际电压，Is表示最大额定定子电流，Rs表示定子电阻。
优选的，所述S200步骤中，工作模式的切换通过以下方式进行确定：当Vdc_ref＜Vdc2时，此时直流母线电压Vdc＝Vdc2，调制策略采用两电平电压空间矢量调制；当Vdc_ref＞Vdc2时，此时直流母线电压Vdc＝Vdc1，调制策略采用可功率分配的电压空间矢量调制；其中，Vdc1、Vdc2分别为第一直流电源、第二直流电源的电压。
优选的，所述S300步骤包括以下步骤：
S310：根据三电平三相转子位置角度，将电压空间矢量扇区划分为6个大扇区，其中，θ为编码模块获取的三相永磁交流电机转子的位置角度，
Figure BDA0004192892160000063
S320：设定宽功率范围多端口变换器的各开关管状态，使每个桥臂输出高电平、低电平和零电平三种不同开关状态，分别记为H、L、O；开关状态为H时，桥臂电压输出为第一直流电源电压Vdc1；开关状态为L时，桥臂电压输出为第二直流电源电压Vdc2；开关状态为O时，桥臂电压输出为0；三个桥臂的27种开关状态对应27个不同的电压空间矢量；
S330：根据电压空间矢量根据幅值及电流方向将6个大扇区的电压空间矢量分为大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量和零矢量6组，每个大扇区分得两对正小矢量、负小矢量；
S340：将两个虚拟电压空间矢量用正小矢量、负小矢量及控制参数k进行表示，其中，控制参数k用于调节正小矢量、负小矢量的作用时间，大小范围为1＞k＞0；
S350：在两相静止坐标系下，设定大矢量、正小矢量的长度，计算得出虚拟电压矢量的坐标，由此得到划分每个大扇区内的子扇区的边界方程，生成驱动多端口逆变系统的开关信号。
优选的，所述S400步骤包括以下步骤：
S410：定义合成参考电压矢量的三个基本电压矢量为V0、V1、V2，且分别对应的作用时间为T0、T1、T2，参考电压矢量分别投影在α轴和β轴上，合成参考电压矢量的计算方法为：
Vα＝V0αT0+V1αT1+V2αT2
Vβ＝V0βT0+V1βT1+V2βT2
Ts＝T0+T1+T2
其中，Viα和Viβ(i＝0，1，2)表示三个基本电压矢量分别在α轴、β轴上的投影，Vα、Vβ、Is分别表示合成参考电压矢量在α轴的投影、β轴的投影、以及一个开关周期作用的时间；
S420：确定每个子扇区的基本电压空间矢量作用时间后，采用正小矢量作为初始矢量，通过七段式调制方法得到每个大扇区内小扇区的开关序列；
S430：将通过开关序列生成的调制波与三角载波进行比较，生成十二路开关信号用于控制宽功率范围多端口变换器的开关管。
优选的，所述S500步骤中，将第一直流电源的给定功率Pdc1_br_ref与实际输出功率Pdc1_br做差，再将差值通过功率分配PI控制模块进行PI控制，得到控制参数k的特定值。
实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
本发明提出的宽功率范围多端口变换器连接多个能量源和永磁同步电机，实现在大部分工况下从能量源到永磁同步电机只需要一次能量变换，在较为复杂工况下(比如大范围变速等)第一直流电源的输出功率维持恒定值，这不仅拓宽了功率调节范围，而且有助于直流源的高效可靠运行。此外，DC/DC变换器只处理了部分直流源的输出功率，这有效减小了系统体积、也不需要额外使用电力滤波器，降低了系统的成本、提高了系统效率，同时也提高了系统的功率密度，满足了当下电动汽车电机传动系统的小型化、轻量化、集成化、高功率密度和高可靠性的要求。同时，车辆行驶在不同复杂工况下，灵活地切换工作模式，选择最佳功率输出路径，并且可以根据多个能量源的不同特性，灵活地分配多个能量源的输出功率，从而提高了该电机驱动器系统的可靠性和使用寿命，提升系统运行性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：
图1是本发明实施例一的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统示意图；
图2是本发明实施例一的宽功率范围多端口变换器的拓扑结构图；
图3是本发明实施例二的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法的流程图；
图4是本发明实施例二的电压空间矢量扇区分布图；
图5是本发明实施例二的压空间矢量分布图；
图6是本发明实施例二的第一大扇区子扇区的划分示意图；
图7是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行中的两种工作模式示意图一；
图8是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行中的两种工作模式示意图二；
图9是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行中的功率分配示意图一；
图10是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行中的功率分配示意图二；
图11是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行中的功率分配示意图三；
图12是本发明一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统在大范围变速时DC/DC变换器工作示意图；
图中：1、宽功率范围多端口变换器；2、三相永磁同步电机；3、第一直流电源；4、第二直流电源；5、第一直流母线电容；6、第二直流母线电容；7、电流采样模块；8、编码模块；9、T1坐标变换单元；10、速度计算模块；11、转速PI控制模块；12、无差拍电流预测控制模块；13、功率分配PI控制模块；14、DC/DC变换器电流PI控制模块；15、T2坐标变换单元；16、多模式可功率分配调制算法模块；17、第一差运算单元；18、第二差运算单元；19、第三差运算单元；20、PWM信号输出模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
实施例一：
如图1、图2所示，本发明提供了一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统，包括第一直流电源3、第二直流电源4、第一直流母线电容5、第二直流母线电容6、宽功率范围多端口变换器1、以及三相永磁同步电机2。宽功率范围多端口变换器1包括DC/DC变换器和相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，每个桥臂包括4个开关管及2个箝位二极管，开关管为IGBT。三相永磁同步电机包括第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C，三个定子绕组基波电势互差120°电角度，三相永磁同步电机优选为表贴式永磁同步电机，即转子结构为表贴式。第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C的一端分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂连接，另一端相互连接，引出中性点O。第一直流母线电容C1与第一直流电源并联，第二直流母线电容C2与第二直流电源并联；第一直流电源、第二直流电源与DC/DC变换器并联。具体而言，第一直流母线电容C15、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、DC/DC变换器并联第一直流电源3的两端；第二直流母线电容C2、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂并联在第二直流电源4两端，DC/DC变换器的电感L与第二直流电源4串联。本发明中，第一直流电源3和第二直流电源4用于给系统提供直流电，如图2所示，在本实施例中，宽功率范围多端口变换器1将直流电逆变为三相交流电并输入到三相永磁同步电机2的定子绕组中驱动电机工作，永磁同步电机用于将电能转化为机械能输出，第一直流母线电容5和第二直流母线电容6用于稳定直流侧电压。宽功率范围多端口变换器1将两个直流电源与三相永磁同步电机2直接连接，DC/DC变换器只处理部分功率，有效减小了系统体积。在大部分工况下从能量源到三相永磁同步电机只需要一次能量变换，在较为复杂工况下(比如大范围变速等)第一直流电源的输出功率维持恒定值，这不仅拓宽了功率调节范围，而且可根据直流侧端口电压灵活选择最佳功率，有助于直流源的高效可靠运行。此外，DC/DC变换器只处理了部分直流源的输出功率，这有效减小了系统体积、也不需要额外使用电力滤波器，降低了系统的成本、提高了系统效率，同时也提高了系统的功率密度，满足了当下电动汽车电机传动系统的小型化、轻量化、集成化、高功率密度和高可靠性的要求。
作为可选的实施方式，如图2所示，第一桥臂包括第一开关管Sa1、第二开关管Sa2、第三开关管
Figure BDA0004192892160000121
第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000122
以及第一箝位二极管Da1、第二箝位二极管Da2；第二桥臂包括第五开关管Sb1、第六开关管Sb2、第七开关管/>
Figure BDA0004192892160000123
第八开关管/>
Figure BDA0004192892160000124
和第三箝位二极管Db1、第四箝位二极管Db2；第三桥臂包括第九开关管Sc1、第十开关管Sc2、第十一开关管/>
Figure BDA0004192892160000125
第十二开关管/>
Figure BDA0004192892160000126
和第五箝位二极管Dc1、第六箝位二极管Dc2；DC/DC变换器包括第十三开关管S1、第十四开关管S2和电感L。第二开关管Sa2的发射极与第三开关管/>
Figure BDA0004192892160000131
的集电极、第一定子绕组A一端均连接，第六开关管Sb2的发射极与第七开关管/>
Figure BDA0004192892160000132
的集电极、第二定子绕组B一端均连接，第十开关管Sc2的发射极与第十一开关管/>
Figure BDA0004192892160000133
的集电极、第三定子绕组C一端均连接。第一开关管Sa1的集电极、第五开关管Sb1的集电极、第九开关管Sc1的集电极、第十三开关管S1的集电极均与第一直流电源的正极端连接；第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000134
的发射极、第八开关管/>
Figure BDA0004192892160000135
的发射极、第十二开关管/>
Figure BDA0004192892160000136
的发射极、第十四开关管S2的发射极均与第一直流电源的负极端连接。第一箝位二极管Da1的正极、第二箝位二极管Da2的负极、第三箝位二极管Db1的正极、第四箝位二极管Db2的负极、第五箝位二极管Dc1的正极、第六箝位二极管Dc2的负极、电感L与第二直流电源的正极端连接；第四开关管/>
Figure BDA0004192892160000137
的发射极、第八开关管/>
Figure BDA0004192892160000138
的发射极、第十二开关
Figure BDA0004192892160000139
的发射极、第十四开关管S2的发射极与第二直流电源的负极端连接。
作为可选的实施方式，如图1所示，多端口电机驱动系统还包括电流采样模块7、编码模块8、T1坐标变换单元9、速度计算模块10、转速PI控制模块11、无差拍电流预测控制模块12、功率分配PI控制模块13、DC/DC变换器电流PI控制模块14、T2坐标变换单元15、多模式可功率分配的调制算法模块16、第一差运算单元17、第二差运算单元18、第三差运算单元19、PWM信号输出模块20。电流采样模块7的输入端连接在宽功率范围多端口变换器1、三相永磁同步电机2之间；编码模块8的输入端与三相永磁同步电机2连接，输出端与速度计算模块10、T1坐标变换单元9、T2坐标变换单元15的输入端均连接，速度计算模块10的输出端通过第一差运算单元17与转速PI控制模块11的输入端连接，转速PI控制模块11的输出端与无差拍电流预测控制模块12的输入端连接，无差拍电流预测控制模块12的输出端与T2坐标变换单元18的输入端连接，T2坐标变换单元15的输出端、功率分配PI控制模块13的输出端均与多模式可功率分配调制算法模块16的输入端连接，功率分配PI控制模块13的输出端还通过第三差运算单元19与DC/DC变换器电流PI控制模块14的输入端相连，DC/DC变换器电流PI控制模块14的输出端与PWM信号输出模块20相连，PWM信号输出模块20、多模式可功率分配调制算法模块16均与宽功率范围多端口变换器1连接，功率分配PI控制模块13的输入端通过第二差运算单元18与宽功率范围多端口变换器1连接。
实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。
实施例二：
本发明还提供一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，通过实施例一中的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行，如图3所示，包括以下步骤。S100：通过坐标变换，将三相永磁同步电机在旋转坐标系下的电压变换为两相静止坐标系的参考电压；S200：计算三相永磁同步电机需求的直流母线电压参考值，并判断工作模式为高速工作模式或低速工作模式，即工作模式包括低速工作模式和高速工作模式两种。S300：根据不同工作模式的调制算法来生成驱动多端口逆变系统的开关信号；其中，低速工作模式采用两电平电压空间电压矢量调制，高速工作模式采用可功率分配的调制算法；S400：通过开关信号控制多端口变换器的每个桥臂进行开关动作；S500：调节控制参数k进行直流侧多个能量源的功率分配。本发明通过计算直流母线电压参考值判断工作模式，实现车辆行驶在不同复杂工况下，能够灵活地切换工作模式，选择最佳功率输出路径，并且可以根据多个能量源的不同特性，通过调节控制参数k灵活地分配多个能量源的输出功率，从而提高电机驱动器系统的可靠性和使用寿命，提升系统运行性能。
作为可选的实施方式，S100步骤具体包括。S110：三相永磁同步电机的设定电角速度ωe_ref，经编码模块获取转子的位置角度θ，速度计算模块根据位置角度θ得到实际机械角速度ωm，换算得到实际电角速度ωe，将设定电角速度ωe_ref与实际电角速度ωe作差，再将差值通过转速PI控制模块进行PI控制，得到q轴的给定电流iq_ref；电流采样模块采集宽功率范围多端口变换器产生的三相电流ia、ib、ic，经T1坐标变换得到q轴的实际电流iq，将q轴的给定电流iq_ref与实际电流iq作差，并将差值通过q轴电流控制器进行PI控制(q轴电流控制器进行PI控制通过现有技术实现)，得到q轴的给定电压Vq。S120：设d轴的给定电流id_ref＝0，电流采样模块将采集的三相电流ia、ib、ic经T1坐标变换得到d轴的实际电流id，将d轴的给定电流id_ref与实际电流id作差，并将差值通过d轴电流控制器进行PI控制(d轴电流控制器进行PI控制通过现有技术实现)，得到d轴的给定电压Vd；其中，T1坐标变换的公式为：
Figure BDA0004192892160000151
θ为编码模块获取的三相永磁同步电机转子的位置角度，ia、ib、ic为宽功率范围多端口变换器的三相交流电流。S130：将位于两相同步旋转坐标系下的给定电压Vd、Vq通过T2坐标变换得到两相静止坐标系下的参考电压Vα、Vβ；其中，T2坐标变换的公式为：/>
Figure BDA0004192892160000152
作为可选的实施方式，S200步骤中，直流母线电压参考值Vdc_ref的计算公式为：
Figure BDA0004192892160000161
其中，np表示三相永磁同步电机的极对数，ωe为三相永磁同步电机的实际电角速度，
Figure BDA0004192892160000162
表示三相永磁同步电机的磁通量，Vm表示安全操作的边际电压，Is表示最大额定定子电流，Rs表示定子电阻。因此，当Vdc_ref<Vdc2时，为低速工作模式，此时直流母线电压Vdc＝Vdc2，调制策略采用两电平电压空间矢量调制，合成的参考电压矢量位于如图4所示的S0区域；当Vdc_ref＞Vdc2时，为高速工作模式，此时直流母线电压Vdc＝Vdc1，调制策略采用可功率分配的电压空间矢量调制，合成的参考电压矢量位于如图5所示的S0区以外的所有区域。
作为可选的实施方式，S300步骤包括以下步骤。
S310：根据三电平三相转子位置角度，将电压空间矢量扇区划分为6个大扇区，其中，θ为编码模块获取的三相永磁交流电机转子的位置角度，
Figure BDA0004192892160000163
Z1～Z6分别表示第一大扇区、第二大扇区、第三大扇区、第四大扇区、第五大扇区、第六大扇区，如图4所示。
S320：设定宽功率范围多端口变换器的各开关管状态，使每个桥臂输出高电平、低电平和零电平等三种不同开关状态，分别记为H、L、O；开关状态为H时，桥臂电压输出为第一直流电源电压Vdc1；开关状态为L时，桥臂电压输出为第二直流电源电压Vdc2；开关状态为O时，桥臂电压输出为0；三个桥臂的27种开关状态对应27个不同的电压空间矢量；宽功率范围的多端口逆变器的开关管状态如表1所述。
表1 VxO与开关管之间的对应关系
Figure BDA0004192892160000171
由表1可知，多端口变换器的每相桥臂可以输出三种不同的电平状态(H、L、O)，三相桥臂就会有27种开关状态，对应27个不同的电压空间矢量。因此，在两相静止坐标系下，宽功率范围多端口变换器的电压空间矢量分布如图5所示。
S330：根据电压空间矢量根据幅值及电流方向将6个大扇区的电压空间矢量分为大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量和零矢量6组，每个大扇区分得两对正小矢量、负小矢量。可功率分配的电压空间矢量分配如表2所示，其中idc2表示直流电源Vdc2的电流方向，电流从电源流出为“+”，流入为“-”。
表2电压空间矢量根据幅值及电流方向分类表
Figure BDA0004192892160000181
S340：将两个虚拟电压空间矢量用正小矢量、负小矢量及控制参数k进行表示，其中，控制参数k用于调节正小矢量、负小矢量的作用时间，大小范围为1＞k＞0。以第一大扇区为例，正小矢量LOO、LLO分别记为VP1、VP2，负小矢量HLL、HHL分别记为VN1、VN2，两个虚拟电压空间矢量记为Vvir1、Vvir2。虚拟电压空间矢量与正负小矢量之间的关系如下：
Vvir1＝kVP1+(1-k)VN1
Vvir2＝kVP2+(1-k)VN2
其中，k是控制参数，用于调节正小矢量、负小矢量的作用时间，也就是可以灵活调节直流端口两个能量源的功率输出。在每个大扇区中，虚拟电压空间矢量参与子扇区的划分，扇区划分的原则是：任意一次的电压空间矢量的变化，保证只有一个桥臂的电路状态发生变换。其目的是为了降低开关管的开关损耗。以第一大扇区为例，如图6所示，该扇区被L1、L2、L3、L4和L5划分成六个小扇区，虚拟电压矢量Vvir1位于VN1与VP1之间，Vvir2位于VN2与VP2之间。
S350：在两相静止坐标系下，设定大矢量、正小矢量的长度，计算得出虚拟电压矢量的坐标，由此得到划分每个大扇区内的子扇区的边界方程，生成驱动多端口逆变系统的开关信号。在两相静止坐标系下，记大矢量的长度为h，正小矢量的长度为l，负小矢量的长度为h-l，那么，在第一扇区中，电压空间矢量(HLL)、(LOO)、(HOO)的坐标分别为(h-l，0)、(l，0)、(h，0)，通过几何原理计算出电压空间矢量(HLO)、(HHL)、(LLO)和(HHO)的坐标分别为
Figure BDA0004192892160000191
以及/>
Figure BDA0004192892160000192
令γ＝kl+(1-k)(h-l)，得到虚拟电压矢量Vvir1和Vvir2的坐标分别为(γ，0)和/>
Figure BDA0004192892160000193
由此根据图7、图8可列写出划分六个子扇区的五个边界方程如下所示：/>
Figure BDA0004192892160000194
根据上述五个边界方程即可判断出六个子扇区，判断逻辑如下：
如果Vβ≤L3，那么参考电压矢量位于L3的下方。虚拟电压空间矢量Vvir1参与子区域S1、S2、S3的划分，其划分的规则如表3所示：
表3子区域S1、S2、S3的划分规则
第一大扇区的子区域 划分规则
S1 Vβ≤L1
S2 Vβ＞L1且Vβ≤L2
S3 Vβ＞L1且Vβ＞L2
如果Vβ＞L3，那么参考电压矢量位于L3的上方。虚拟电压空间矢量Vvir2参与子区域S4、S5、S6的划分，其划分的规则如表4所示：
表4子区域S4、S5、S6的划分规则
第二大扇区的子区域 划分规则
S4 Vβ≤L4
S5 Vβ＞L4且Vβ≥L5
S6 Vβ＞L4且Vβ<L5
作为可选的实施方式，S400步骤包括以下步骤：
S410：定义合成参考电压矢量的三个基本电压矢量为V0、V1、V2，且分别对应的作用时间为T0、T1、T2，参考电压矢量分别投影在α轴和β轴上，合成参考电压矢量的计算方法为：
Vα＝V0αT0+V1αT1+V2αT2
Vβ＝V0βT0+V1βT1+V2βT2
Is＝T0+T1+T2
其中，Viα和Viβ(i＝0，1，2)表示三个基本电压矢量分别在α轴、β轴上的投影，Vα、Vβ、Is分别表示合成参考电压矢量在α轴的投影、β轴的投影、以及一个开关周期作用的时间。
S420：确定每个子扇区的基本电压空间矢量作用时间后，采用正小矢量作为初始矢量，通过七段式调制方法得到每个大扇区内小扇区的开关序列。在确定每个子扇区的基本电压空间矢量作用时间后，为了保证开关序列平滑过渡，要求H状态和O状态之间禁止切换，同时又为了保证每个子扇区之间的过渡平滑，均采用正小矢量作为初始矢量。以第一大扇区为例，每个子扇区的开关序列以及对应的切换时间点如表5所示。
表5第一大扇区每个子扇区的开关序列
Figure BDA0004192892160000211
S430：将通过开关序列生成的调制波与三角载波进行比较，生成十二路开关信号用于控制宽功率范围多端口变换器的开关管。
作为可选的实施方式，S500步骤中，将第一直流电源的给定功率Pdc1_br_ref与实际输出功率Pdc1_br做差，再将差值通过功率分配PI控制模块进行PI控制，得到控制参数k的特定值，从而实现直流侧多个能量源的功率灵活调节。在车辆大范围变速时，DC/DC变换器工作在BUCK模式下，由于输入和输出分别连接第一直流源和第二直流源，所以DC/DC变换器的控制对象为电感上的电流。为了获得其参考电流，首先需要计算出DC/DC变换器处理的部分功率，计算公式为PDC/DC＝Pdc1-Pdc1_br，那么，DC/DC变换器的参考电流值im_ref为：
Figure BDA0004192892160000212
本发明的多模式可功率分配的调制算法在实际运行平台后的效果如图7、图8所示，图7为高速模式，图8为低速模式。在低速模式下，逆变器输出的相电压为两电平，说明调制算法工作在两电平电压空间矢量调制，第二直流电源4单独供电，输出的相电流几乎不产生电流畸变。在高速模式下，逆变器输出的相电压为三电平，说明调制算法工作在可功率分配的电压空间矢量调制，第一直流电源3和第二直流电源4共同供电，输出的相电流几乎不产生电流畸变，有较好的输出电流质量。
如图9-11所示，调节控制参数k可以实现直流侧多个能量源的功率分配，图9显示两个直流源共同输出功率，图10、图11显示第一直流电源3给第二直流电源4充电。
在大范围变速时，DC/DC变换器将会工作，处理第一直流源3输出的部分功率。如图12所示，第一直流源3的输出电流idc1保持不变，说明第一直流源3的输出功率维持在恒定值，DC/DC变换器处理的部分功率流向第二直流源4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统，其特征在于，包括第一直流电源、第二直流电源、第一直流母线电容、第二直流母线电容、宽功率范围多端口变换器、以及三相永磁同步电机；
所述宽功率范围多端口变换器包括DC/DC变换器和相互并联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，每个所述桥臂包括4个开关管及2个箝位二极管；所述三相永磁同步电机包括第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C；所述第一定子绕组A、第二定子绕组B、第三定子绕组C的一端分别与所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂连接，另一端相互连接，引出中性点O；所述第一直流母线电容C1与所述第一直流电源并联，所述第二直流母线电容C2与所述第二直流电源并联；所述第一直流电源、第二直流电源与所述DC/DC变换器并联。
2.根据权利要求1所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统，其特征在于，
所述第一桥臂包括第一开关管Sa1、第二开关管Sa2、第三开关管
Figure FDA0004192892140000011
第四开关管/>
Figure FDA0004192892140000012
以及第一箝位二极管Da1、第二箝位二极管Da2；第二桥臂包括第五开关管Sb1、第六开关管Sb2、第七开关管/>
Figure FDA0004192892140000013
第八开关管/>
Figure FDA0004192892140000014
和第三箝位二极管Db1、第四箝位二极管Db2；第三桥臂包括第九开关管Sc1、第十开关管Sc2、第十一开关管/>
Figure FDA0004192892140000015
第十二开关管/>
Figure FDA0004192892140000016
和第五箝位二极管Dc1、第六箝位二极管Dc2；所述DC/DC变换器包括第十三开关管S1、第十四开关管S2和电感L；
所述第二开关管Sa2的发射极与第三开关管
Figure FDA0004192892140000021
的集电极、第一定子绕组A一端均连接，第六开关管Sb2的发射极与第七开关管/>
Figure FDA0004192892140000022
的集电极、第二定子绕组B一端均连接，第十开关管Sc2的发射极与第十一开关管/>
Figure FDA0004192892140000023
的集电极、第三定子绕组C一端均连接；
所述第一开关管Sa1的集电极、第五开关管Sb1的集电极、第九开关管Sc1的集电极、第十三开关管S1的集电极均与所述第一直流电源的正极端连接；所述第四开关管
Figure FDA0004192892140000024
的发射极、第八开关管/>
Figure FDA0004192892140000025
的发射极、第十二开关管/>
Figure FDA0004192892140000026
的发射极、第十四开关管S2的发射极均与所述第一直流电源的负极端连接；
所述第一箝位二极管Da1的正极、第二箝位二极管Da2的负极、第三箝位二极管Db1的正极、第四箝位二极管Db2的负极、第五箝位二极管Dc1的正极、第六箝位二极管Dc2的负极、电感L与所述第二直流电源的正极端连接；所述第四开关管
Figure FDA0004192892140000027
的发射极、第八开关管/>
Figure FDA0004192892140000028
的发射极、第十二开关/>
Figure FDA0004192892140000029
的发射极、第十四开关管S2的发射极与所述第二直流电源的负极端连接。
3.根据权利要求1所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统，其特征在于，所述多端口电机驱动系统还包括电流采样模块、编码模块、T1坐标变换单元、速度计算模块、转速PI控制模块、无差拍电流预测控制模块、功率分配PI控制模块、DC/DC变换器电流PI控制模块、T2坐标变换单元、多模式可功率分配的调制算法模块、第一差运算单元、第二差运算单元、第三差运算单元、PWM信号输出模块；
所述电流采样模块的输入端连接在所述宽功率范围多端口变换器、三相永磁同步电机之间；所述编码模块的输入端与所述三相永磁同步电机连接，输出端与所述速度计算模块、T1坐标变换单元、T2坐标变换单元的输入端均连接，所述速度计算模块的输出端通过所述第一差运算单元与所述转速PI控制模块的输入端连接，所述转速PI控制模块的输出端与所述无差拍电流预测控制模块的输入端连接，所述无差拍电流预测控制模块的输出端与所述T2坐标变换单元的输入端连接，所述T2坐标变换单元的输出端、功率分配PI控制模块的输出端均与所述多模式可功率分配调制算法模块的输入端连接，所述功率分配PI控制模块的输出端还通过所述第三差运算单元与所述DC/DC变换器电流PI控制模块的输入端相连，所述DC/DC变换器电流PI控制模块的输出端与所述PWM信号输出模块相连，所述PWM信号输出模块、多模式可功率分配调制算法模块均与所述宽功率范围多端口变换器连接，所述功率分配PI控制模块的输入端通过所述第二差运算单元与所述宽功率范围多端口变换器连接。
4.一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，通过权利要求1-3中任一项所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动系统运行，包括以下步骤：
S100：通过坐标变换，将三相永磁同步电机在旋转坐标系下的电压变换为两相静止坐标系的参考电压；
S200：计算三相永磁同步电机需求的直流母线电压参考值，并判断工作模式为高速工作模式或低速工作模式；
S300：根据不同工作模式的调制算法来生成驱动多端口逆变系统的开关信号；其中，低速工作模式采用两电平电压空间电压矢量调制，高速工作模式采用可功率分配的调制算法；
S400：通过开关信号控制多端口变换器的每个桥臂进行开关动作；
S500：调节控制参数k进行直流侧多个能量源的功率分配。
5.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S100步骤具体包括：
S110：三相永磁同步电机的设定电角速度ωe_ref，经编码模块获取转子的位置角度θ，速度计算模块根据位置角度θ得到实际机械角速度ωm，换算得到实际电角速度ωe，将设定电角速度ωe_ref与实际电角速度ωe作差，再将差值通过转速PI控制模块进行PI控制，得到q轴的给定电流iq_ref；
电流采样模块采集宽功率范围多端口变换器产生的三相电流ia、ib、ic，经T1坐标变换得到q轴的实际电流iq，将q轴的给定电流iq_ref与实际电流iq作差，并将差值通过q轴电流控制器进行PI控制，得到q轴的给定电压Vq；
S120：设d轴的给定电流id_ref＝0，电流采样模块将采集的三相电流ia、ib、ic经T1坐标变换得到d轴的实际电流id，将d轴的给定电流id_ref与实际电流id作差，并将差值通过d轴电流控制器进行PI控制，得到d轴的给定电压Vd；
其中，T1坐标变换的公式为：
Figure FDA0004192892140000041
θ为编码模块获取的三相永磁同步电机转子的位置角度，ia、ib、ic为宽功率范围多端口变换器的三相交流电流；
S130：将位于两相同步旋转坐标系下的给定电压Vd、Vq通过T2坐标变换得到两相静止坐标系下的参考电压Vα、Vβ；
其中，T2坐标变换的公式为：
Figure FDA0004192892140000051
6.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S200步骤中，直流母线电压参考值Vdc_ref的计算公式为：
Figure FDA0004192892140000052
其中，np表示三相永磁同步电机的极对数，ωe为三相永磁同步电机的实际电角速度，
Figure FDA0004192892140000053
表示三相永磁同步电机的磁通量，Vm表示安全操作的边际电压，Is表示最大额定定子电流，Rs表示定子电阻。
7.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S200步骤中，工作模式的切换通过以下方式进行确定：当Vdc_ref<Vdc2时，此时直流母线电压Vdc＝Vdc2，调制策略采用两电平电压空间矢量调制；当Vdc_ref＞Vdc2时，此时直流母线电压Vdc＝Vdc1，调制策略采用可功率分配的电压空间矢量调制；其中，Vdc1、Vdc2分别为第一直流电源、第二直流电源的电压。
8.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S300步骤包括以下步骤：
S310：根据三电平三相转子位置角度，将电压空间矢量扇区划分为6个大扇区，其中，θ为编码模块获取的三相永磁交流电机转子的位置角度，
Figure FDA0004192892140000061
S320：设定宽功率范围多端口变换器的各开关管状态，使每个桥臂输出高电平、低电平和零电平三种不同开关状态，分别记为H、L、O；开关状态为H时，桥臂电压输出为第一直流电源电压Vdc1；开关状态为L时，桥臂电压输出为第二直流电源电压Vdc2；开关状态为O时，桥臂电压输出为0；三个桥臂的27种开关状态对应27个不同的电压空间矢量；
S330：根据电压空间矢量根据幅值及电流方向将6个大扇区的电压空间矢量分为大矢量、中矢量、正小矢量、负小矢量和零矢量6组，每个大扇区分得两对正小矢量、负小矢量；
S340：将两个虚拟电压空间矢量用正小矢量、负小矢量及控制参数k进行表示，其中，控制参数k用于调节正小矢量、负小矢量的作用时间，大小范围为1＞k＞0；
S350：在两相静止坐标系下，设定大矢量、正小矢量的长度，计算得出虚拟电压矢量的坐标，由此得到划分每个大扇区内的子扇区的边界方程，生成驱动多端口逆变系统的开关信号。
9.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S400步骤包括以下步骤：
S410：定义合成参考电压矢量的三个基本电压矢量为V0、V1、V2，且分别对应的作用时间为T0、T1、T2，参考电压矢量分别投影在α轴和β轴上，合成参考电压矢量的计算方法为：
Vα＝V0αT0+V1αT1+V2αT2
Vβ＝V0βT0+V1βT1+V2βT2
Ts＝T0+T1+T2
其中，Viα和Viβ(i＝0，1，2)表示三个基本电压矢量分别在α轴、β轴上的投影，Vα、Vβ、Ts分别表示合成参考电压矢量在α轴的投影、β轴的投影、以及一个开关周期作用的时间；
S420：确定每个子扇区的基本电压空间矢量作用时间后，采用正小矢量作为初始矢量，通过七段式调制方法得到每个大扇区内小扇区的开关序列；
S430：将通过开关序列生成的调制波与三角载波进行比较，生成十二路开关信号用于控制宽功率范围多端口变换器的开关管。
10.根据权利要求4所述的一种宽功率调节范围的多端口电机驱动控制方法，其特征在于，所述S500步骤中，将第一直流电源的给定功率Pdc1_br_ref与实际输出功率Pdc1_br做差，再将差值通过功率分配PI控制模块进行PI控制，得到控制参数k的特定值。
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