CN205792331U - 电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电机驱动领域，特别涉及一种电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，包括定子侧变频器主电路、转子侧励磁装置主电路以及一体化控制系统；所述定子侧变频器主电路包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连；所述转子侧励磁装置主电路的输出与六相电励磁电机的转子励磁绕组f1、f2端子相连。电励磁六相电机的定子绕组和转子励磁绕组采用一体化驱动装置，并进行统一控制，能够实现机端电压控制和定子电流控制的完全解耦，提高控制性能。

Description

电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置

技术领域

本实用新型涉及电机驱动领域，特别涉及一种电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置。

背景技术

在一些对驱动功率要求大、可靠性要求高、体积要求严格的应用场合，多相电机得到了广泛的应用。多相电机中，目前又以双Y绕组移相30度的六相电机应用最多。这种六相电机根据转子励磁的不同又分为永磁式和电励磁式。受成本和功率的约束，电励磁六相电机尤其适合特大功率的驱动场合。

如图1所示，本专利中提到的电励磁六相电机即指这种双Y绕组移相30度的电机。电机包含两套独立的Y接定子绕组和1套转子励磁绕组。第一套Y接定子绕组端子为A1，B1，C1，中性点为N1。第二套Y接定子绕组端子为A2，B2，C2，中性点为N2。N1与N2电气隔离。两套Y接定子绕组之间在电气空间上相位相差30度。转子励磁绕组端子为f1和f2。与传统的大型三相同步电励磁电机类似，除了上述基本绕组外，电机转子还可能包含1至2套辅助的阻尼绕组，图中未画出。

传统的驱动方式下，两套定子Y接绕组采用两套独立的三相变频器驱动，并由变频器发出励磁指令，由独立的励磁装置控制励磁绕组工作。这种方式的优点是，两套三相变频器可以采用驱动传统三相电机的常规三相变频器，励磁装置也可以采用常规的励磁调节器，系统集成时对硬件改动要求小，相对容易。然而，这一集成方式下的三套绕组的驱动与控制彼此独立，并没有充分考虑三套绕组之间存在相互作用。事实上，两套定子绕组以及励磁绕组两两之间都有不可忽略的电磁耦合，因此，传统的简单集成的方式的控制性能往往不够理想，具体表现为定子变频器驱动和励磁控制相互影响，参数整定困难，动态响应有耦合，系统容易出现不稳定等。

发明内容

为克服上述问题，本实用新型给出一种电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置。该一体化驱动与控制装置统一驱动定子双Y绕组以及转子励磁绕组，通 过融合电励磁六相电机的定、转子绕组的反馈信息，统一控制电励磁六相电机的三套绕组，实现整体控制性能的优化。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。

六相电励磁电机第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子、第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子、以及转子励磁绕组f1、f2端子与本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置相连。

电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：包括定子侧变频器主电路、转子侧励磁装置主电路以及一体化控制系统；所述定子侧变频器主电路包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连；所述转子侧励磁装置主电路的输出与六相电励磁电机的转子励磁绕组f1、f2端子相连。

所述一体化控制系统包括定子侧变频器控制系统和转子侧励磁装置控制系统，所述定子侧变频器控制系统从定子侧变频器主电路中采集的关键反馈信号包括：定子侧变频器主电路的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r；所述定子侧变频器控制系统发送给定子侧变频器主电路的关键指令信号包括：第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。

所述转子侧励磁装置控制系统从转子侧励磁装置主电路中采集的关键反馈信号包括：定子机端电压幅值U_sm与转子励磁电流i_fd′；所述转子侧励磁装置控制系统发送给转子侧励磁装置主电路的关键指令信号包括：转子侧励磁装置主电路的控制信号VTs。

所述定子侧变频器控制系统发给转子侧励磁装置控制系统的关键指令信号包括：定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}、定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q，电机转子电角速度ω_r；所述转子侧励磁装置控制系统发给定子侧变频器控制系统的关键反馈信号包括：转子励磁电流i_fd′。

所述定子侧变频器主电路包括整流单元、直流母线单元以及逆变单元；所述整流单元与电网相连，所述逆变单元形成两组输出，分别与电励磁六相电机的两 套定子绕组相连；整流单元与逆变单元之间通过直流母线单元相连。

所述转子侧励磁装置主电路包括晶闸管三相桥以及直流母线电感；所述晶闸管三相桥的交流侧与电网相连；所述晶闸管三相桥的直流侧正与直流母线电感相连；所述直流母线电感的另一端为输出f1，所述晶闸管三相桥的直流侧负为输出f2；f1、f2最终与电励磁六相电机的转子励磁绕组相连。

所述转子侧励磁控制系统包括励磁电流给定值计算单元、晶闸管导通角计算单元以及脉冲形成单元。

所述励磁电流给定值计算单元输入量包括定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}与定子机端电压幅值U_sm的偏差(U_{sm_ref}-U_sm)；励磁电流给定值计算单元的输出量包括励磁电流给定值i_{fd_ref}′；励磁电流给定值计算单元通常为比例-积分控制器。

所述晶闸管导通角计算单元的输入为励磁电流给定值i_{fd_ref}′与励磁电流反馈值i_fd′的偏差(i_{fd_ref}′-i_fd′)，其输出即为晶闸管导通角给定值α_ref；晶闸管导通角计算单元通常为比例-积分控制器。

所述脉冲形成单元输入包括晶闸管导通角给定值α_ref，输出为晶闸管的脉冲群VTs；脉冲群VTs用于触发转子侧励磁装置主电路的晶闸管；励磁电流反馈值i_fd′同时也要作为转子侧励磁控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的定子变频器控制系统使用。

所述定子侧变频器的控制系统包括定子d轴电流给定计算单元、定子q周电流给定计算单元、定子电流3s/2r变换单元、定子电流综合单元、电流环控制单元、定子电压给定分解单元以及调制波生成单元；

所述定子d轴电流给定计算单元的输入包括：定子电流幅值给定I_smref，转子励磁绕组电流i_fd′，输出包括定子d轴电流给定i_{d_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：

$i_{d\_ref}=\frac{-L_{md}{i_{fd}}^{\′}+\sqrt{{\left(L_{md}{i_{fd}}^{\′}\right)}^2-4(L_{md}-L_{mq})(L_{mq}+L_{ls}){I_{sm\_ref}}^2}}{2(L_{md}-L_{mq})}$

其中，转子励磁绕组电流i_fd′来自本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁装置控制系统输出。可以看出，在本专利的一体化控制下，定子电流参考给定的计算中引入了转子励磁绕组电流i_fd′的信息，使得定子电流给定值能够直接计算，省去了传统定子电流控制中的给定值反馈调节环，提高了控制性能。

所述定子d轴电流给定计算单元的输入包括：定子电流幅值给定I_smref，定子d轴电流给定i_{d_ref}；定子d轴电流给定计算单元的输出包括定子q轴电流给定i_{q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：

$i_{q\_ref}=\sqrt{{I_{sm\_ref}}^2-{i_{d\_ref}}^2}.$

所述定子电流3s/2r变换单元的输入包括：定子侧变频器主电路的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r；定子电流3s/2r变换单元的输出包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q，并按照如下公式根据输入计算输出：

所述定子电流综合单元的输入包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q；定子电流综合单元的输出包括：定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q，并按照如下公式根据输入计算输出：

i_d＝0.5(i_1d+i_2d)

i_q＝0.5(i_1q+i_2q)

所述电流环控制单元的输入包括：定子d轴电流给定i_{d_ref}，定子q轴电流给定i_{q_ref}，定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q；电流环控制单元的输出包括：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}。电流环控制单元的具体实施可以有多种方式，包括传统的矢量控制方式、传统的滞环控制方式等等。

所述定子电压给定分解单元的输入包括：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}；定子电压给定分解单元的输出包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：u_{1d_ref}＝u_{2d_ref}＝u_{d_ref},u_{1q_ref}＝u_{2q_ref}＝u_{q_ref}。

所述调制波生成单元的输入包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r；调制波生成单元的输出包括：送给定子侧变频器主电路的第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。第一组输出的控制信号PWM1由电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与电机转子电角度θ_r生成；第二组输出的控制信号PWM2由电压给定u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r生成。

定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q也要作为定子侧变频器的控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的转子侧励磁控制系统使用。

本实用新型的优点在于：

1、电励磁六相电机的定子绕组和转子励磁绕组采用一体化驱动装置，并进行统一控制，能够实现机端电压控制和定子电流控制的完全解耦，提高控制性能。

2、电励磁六相电机的双定子绕组采用一体化驱动装置，能够充分考虑定子绕组之间的相互耦合，保证双绕组定子电流的稳态和动态控制精度，达到动态过程的电流和功率平衡。

3、采用一体化驱动与控制装置，通过融合反馈信息，能够实现定子绕组变频控制与励磁绕组控制系统的解耦，便于参数整定，利于系统稳定。

附图说明

图1是本专利针对的电励磁六相电机的绕组组成示意图。

图2是本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置组成图。

图3是本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路组成图。

图4是本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路的一种实施例方案。

图5是本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路的一种实施例方案。

图6是本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁装置主电路实施例组成图。

图7是本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁控制系统实施例组成。

图8是本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器的控制系统实施例组成。

图中标号含义如下：

附图中：六相电励磁电机1，电励磁六相电机一体化驱动与控制装置2，定子侧变频器主电路21，转子侧励磁装置主电路22，一体化控制系统23，定子侧变频器控制系统231，转子侧励磁装置控制系统232，整流单元212，直流母线单元213，逆变单元214，整流单元2124，直流母线单元2134，逆变单元2144，整流单元2125，直流母线单元2135，逆变单元2145，转子侧励磁装置主电路由晶闸管三相桥223，直流母线电感222，电网221，侧励磁装置的调节器由励磁电流给定值计算单元31，晶闸管导通角计算单元32，脉冲形成单元33组成，定子侧变频器的控制系统由定子d轴电流给定计算单元41，定子q周电流给定计算单元42，定子电流3s/2r变换单元43，定子电流综合单元44，电流环控制单元45，定子电压给定分解单元46，调制波生成单元47。

具体实施方式

实施例1

六相电励磁电机第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子、第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子、以及转子励磁绕组f1、f2端子与本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置2相连。

电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：包括定子侧变频器主电路21、转子侧励磁装置主电路22以及一体化控制系统23；所述定子侧变频器主电路21包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机1的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连；所述转子侧励磁装置主电路22的输出与六相电励磁电机1的转子励磁绕组f1、f2端子相连。

电励磁六相电机的定子绕组和转子励磁绕组采用一体化驱动装置，并进行统一控制，能够实现机端电压控制和定子电流控制的完全解耦，提高控制性能；电励磁六相电机的双定子绕组采用一体化驱动装置，能够充分考虑定子绕组之间的相互耦合，保证双绕组定子电流的稳态和动态控制精度，达到动态过程的电流和功率平衡；采用一体化驱动与控制装置，通过融合反馈信息，能够实现定子绕组变频控制与励磁绕组控制系统的解耦，便于参数整定，利于系统稳定。

实施例2

六相电励磁电机第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子、第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子、以及转子励磁绕组f1、f2端子与本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置2相连。

电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：包括定子侧变频器主电路21、转子侧励磁装置主电路22以及一体化控制系统23；所述定子侧变频器主电路21包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机1的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连；所述转子侧励磁装置主电路22的输出与六相电励磁电机1的转子励磁绕组f1、f2端子相连。

所述一体化控制系统23包括定子侧变频器控制系统231和转子侧励磁装置控制系统232，所述定子侧变频器控制系统231从定子侧变频器主电路21中采集的关键反馈信号包括：定子侧变频器主电路21的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r；所述定子侧变频器控制系统231发送给定子侧变频器主电路21的关键指令信号包括：第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。

所述转子侧励磁装置控制系统232从转子侧励磁装置主电路22中采集的关键反馈信号包括：定子机端电压幅值U_sm与转子励磁电流i_fd′；所述转子侧励磁装置控制系统232发送给转子侧励磁装置主电路22的关键指令信号包括：转子侧励磁装置主电路22的控制信号VTs。

所述定子侧变频器控制系统231发给转子侧励磁装置控制系统232的关键指令信号包括：定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}、定子电流直轴分量i_d、交轴分量 i_q，电机转子电角速度ω_r；所述转子侧励磁装置控制系统232发给定子侧变频器控制系统231的关键反馈信号包括：转子励磁电流i_fd′。

所述定子侧变频器主电路21包括整流单元212、直流母线单元213以及逆变单元214；所述整流单元212与电网211相连，所述逆变单元214形成两组输出，分别与电励磁六相电机1的两套定子绕组相连；整流单元212与逆变单元214之间通过直流母线单元213相连。

所述转子侧励磁装置主电路22包括晶闸管三相桥223以及直流母线电感222；所述晶闸管三相桥223的交流侧与电网221相连；所述晶闸管三相桥223的直流侧正与直流母线电感222相连；所述直流母线电感222的另一端为输出f1，所述晶闸管三相桥223的直流侧负为输出f2；f1、f2最终与电励磁六相电机的转子励磁绕组相连。

所述转子侧励磁控制系统232包括励磁电流给定值计算单元31、晶闸管导通角计算单元32以及脉冲形成单元33。

所述励磁电流给定值计算单元31输入量包括定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}与定子机端电压幅值U_sm的偏差(U_{sm_ref}-U_sm)；励磁电流给定值计算单元31的输出量包括励磁电流给定值i_{fd_ref}′；励磁电流给定值计算单元31通常为比例-积分控制器。

所述晶闸管导通角计算单元32的输入为励磁电流给定值i_{fd_ref}′与励磁电流反馈值i_fd′的偏差(i_{fd_ref}′-i_fd′)，其输出即为晶闸管导通角给定值α_ref；晶闸管导通角计算单元32通常为比例-积分控制器。

所述脉冲形成单元33输入包括晶闸管导通角给定值α_ref，输出为晶闸管的脉冲群VTs；脉冲群VTs用于触发转子侧励磁装置主电路的晶闸管；励磁电流反馈值i_fd′同时也要作为转子侧励磁控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的定子变频器控制系统使用。

所述定子侧变频器的控制系统231包括定子d轴电流给定计算单元41、定子q周电流给定计算单元42、定子电流3s/2r变换单元43、定子电流综合单元44、电流环控制单元45、定子电压给定分解单元46以及调制波生成单元47；

所述定子d轴电流给定计算单元41的输入包括：定子电流幅值给定I_smref，转子励磁绕组电流i_fd′，输出包括定子d轴电流给定i_{d_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：

$i_{d\_ref}=\frac{-L_{md}{i_{fd}}^{\′}+\sqrt{{\left(L_{md}{i_{fd}}^{\′}\right)}^2-4(L_{md}-L_{mq})(L_{mq}+L_{ls}){I_{sm\_ref}}^2}}{2(L_{md}-L_{mq})}$

其中，转子励磁绕组电流i_fd′来自本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁装置控制系统输出。可以看出，在本专利的一体化控制下，定子电流参考给定的计算中引入了转子励磁绕组电流i_fd′的信息，使得定子电流给定值能够直接计算，省去了传统定子电流控制中的给定值反馈调节环，提高了控制性能。

所述定子d轴电流给定计算单元41的输入包括：定子电流幅值给定I_smref，定子d轴电流给定i_{d_ref}；定子d轴电流给定计算单元41的输出包括定子q轴电流给定i_{q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：

$i_{q\_ref}=\sqrt{{I_{sm\_ref}}^2-{i_{d\_ref}}^2}.$

所述定子电流3s/2r变换单元43的输入包括：定子侧变频器主电路21的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r；定子电流3s/2r变换单元43的输出包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q，并

按照如下公式根据输入计算输出：

所述定子电流综合单元44的输入包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q；定子电流综合单元44的输出包括：定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q，并按照如下公式根据输入计算输出：

i_d＝0.5(i_1d+i_2d)

i_q＝0.5(i_1q+i_2q)

所述电流环控制单元45的输入包括：定子d轴电流给定i_{d_ref}，定子q轴电流给定i_{q_ref}，定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q；电流环控制单元45的输出包括：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}。电流环控制单元45的具体实施可以有多种方式，包括传统的矢量控制方式、传统的滞环控制方式等等。

所述定子电压给定分解单元46的输入包括：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}；定子电压给定分解单元46的输出包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：u_{1d_ref}＝u_{2d_ref}＝u_{d_ref},u_{1q_ref}＝u_{2q_ref}＝u_{q_ref}。

所述调制波生成单元47的输入包括：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r；调制波生成单元47的输出包括：送给定子侧变频器主电路21的第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。第一组输出的控制信号PWM1由电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与电机转子电角度θ_r生成；第二组输出的控制信号PWM2由电压给定u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r生成。

定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q也要作为定子侧变频器的控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的转子侧励磁控制系统使用。

电励磁六相电机的定子绕组和转子励磁绕组采用一体化驱动装置，并进行统一控制，能够实现机端电压控制和定子电流控制的完全解耦，提高控制性能。电励磁六相电机的双定子绕组采用一体化驱动装置，能够充分考虑定子绕组之间的相互耦合，保证双绕组定子电流的稳态和动态控制精度，达到动态过程的电流和功率平衡。采用一体化驱动与控制装置，通过融合反馈信息，能够实现定子绕组变频控制与励磁绕组控制系统的解耦，便于参数整定，利于系统稳定。

实施例3

如图2所示，六相电励磁电机1的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子、 第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子、以及转子励磁绕组f1、f2端子与本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置2相连。本专利实用新型的电励磁六相电机一体化驱动与控制装置2由定子侧变频器主电路21、转子侧励磁装置主电路22、以及一体化控制系统23组成。定子侧变频器主电路21包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机1的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连。转子侧励磁装置主电路22的输出与六相电励磁电机1的转子励磁绕组f1、f2端子相连。

一体化控制系统23由定子侧变频器控制系统231和转子侧励磁装置控制系统232组成。定子侧变频器控制系统231从定子侧变频器主电路21中采集的关键反馈信号包括但不限于：定子侧变频器主电路21的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r。定子侧变频器控制系统231发送给定子侧变频器主电路21的关键指令信号包括但不限于：第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。在具体的实施例中，PWM1和PWM2通常各包含若干路脉宽调制信号用以触发定子侧变频器主电路21中的IGBT开关。

转子侧励磁装置控制系统232从转子侧励磁装置主电路22中采集的关键反馈信号包括但不限于：定子机端电压幅值U_sm与转子励磁电流i_fd′。转子侧励磁装置控制系统232发送给转子侧励磁装置主电路22的关键指令信号包括但不限于：转子侧励磁装置主电路22的控制信号VTs。在具体的实施例中，VTs通常包含若干路触发脉冲用以触发转子侧励磁装置主电路22中的晶闸管开关。

定子侧变频器控制系统231发给转子侧励磁装置控制系统232的关键指令信号包括但不限于：定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}、定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q，电机转子电角速度ω_r。转子侧励磁装置控制系统232发给定子侧变频器控制系统231的关键反馈信号包括但不限于：转子励磁电流i_fd′。可以看出，在一体化控制系统中，定子侧变频器控制系统和转子侧励磁装置控制系统之间有了信号的联系，使得更多的反馈信息进入对方控制系统，这将使得二者协调更加容易，控制性能更加优良。

如图3所示，本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路由整流单元212、直流母线单元213以及逆变单元214组成。整流单元212与电网211相连，逆变单元214形成两组输出，分别与电励磁六相电机的两套定子绕组相连。整流单元与逆变单元之间通过直流母线单元213相连。在具体实施例中，整流单元212可以是一个或多个二极管整流桥，也可以是一个或多个IGBT整流桥。直流母线单元213可以是一个或多个母线电容。逆变单元214可以是六桥臂IGBT逆变桥，也可以是级联H桥形式的IGBT逆变桥。

如图4所示，本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路的一个实施例，通常适用于交流6kV电压等级以下的电网。该实施例由整流单元2124、直流母线单元2134以及逆变单元2144组成，它们分别对应于前述整流单元212、直流母线单元213以及逆变单元214的实施例。整流单元2124可以是三相IGBT整流桥也可以为三相二极管整流桥。直流母线单元2134为电容。逆变单元2144为六桥臂IGBT逆变桥。整流单元2124与电网211相连，逆变单元2144形成A1、B1、C1及A2、B2、C2两组输出，分别与电励磁六相电机的两套定子绕组相连。整流单元2124的直流侧、逆变单元2144的直流侧与直流母线单元2134并联。

如图5所示，本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器主电路的另一个实施例，通常适用于交流6kV及以上电压等级的电网。该实施例由整流单元2125、直流母线单元2135以及逆变单元2145组成，它们分别对应于前述整流单元212、直流母线单元213以及逆变单元214的实施例。整流单元2125由多绕组隔离变压器及若干独立的二极管整流H桥组成。直流母线单元2135由二极管整流H桥的直流母线电容组成。逆变单元2145由两组3相级联H桥组成。整流单元2125的多绕组隔壁变压器的原边与电网211相连，逆变单元2145形成两组输出A1、B1、C1以及A2、B2、C2，分别与电励磁六相电机的两套定子绕组相连。

如图6所示，本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁装置主电路的一个实施例。转子侧励磁装置主电路由晶闸管三相桥223以及直流母线电感222组成。晶闸管三相桥223的交流侧与电网221相连。晶闸管三相桥223的直流侧正与直流母线电感222相连。直流母线电感222的另一端为输出f1，晶闸管三相桥223的直流侧负为输出f2。f1、f2最终与电励磁六相电机的转子励磁绕组相连。

如图7所示，本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁控制系统实施例组 成。侧励磁装置的调节器由励磁电流给定值计算单元31、晶闸管导通角计算单元32以及脉冲形成单元33组成。励磁电流给定值计算单元31输入量包括但不限于定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}与定子机端电压幅值U_sm的偏差(U_{sm_ref}-U_sm)。励磁电流给定值计算单元31的输出量包括但不限于励磁电流给定值i_{fd_ref}′。励磁电流给定值计算单元31通常为比例-积分控制器。晶闸管导通角计算单元32的输入为励磁电流给定值i_{fd_ref}′与励磁电流反馈值i_fd′的偏差(i_{fd_ref}′-i_fd′)，其输出即为晶闸管导通角给定值α_ref。晶闸管导通角计算单元32通常为比例-积分控制器。脉冲形成单元33输入包括但不限于晶闸管导通角给定值α_ref，输出为晶闸管的脉冲群VTs。脉冲群VTs用于触发转子侧励磁装置主电路的晶闸管。励磁电流反馈值i_fd′同时也要作为转子侧励磁控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的定子变频器控制系统使用。

如图8所示，本专利一体化驱动与控制装置的定子侧变频器的控制系统实施例组成。定子侧变频器的控制系统由定子d轴电流给定计算单元41、定子q周电流给定计算单元42、定子电流3s/2r变换单元43、定子电流综合单元44、电流环控制单元45、定子电压给定分解单元46以及调制波生成单元47组成。

定子d轴电流给定计算单元41的输入包括但不限于：定子电流幅值给定I_smref，转子励磁绕组电流i_fd′，输出包括但不限于定子d轴电流给定i_{d_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：

$i_{d\_ref}=\frac{-L_{md}{i_{fd}}^{\′}+\sqrt{{\left(L_{md}{i_{fd}}^{\′}\right)}^2-4(L_{md}-L_{mq})(L_{mq}+L_{ls}){I_{sm\_ref}}^2}}{2(L_{md}-L_{mq})}$

其中，转子励磁绕组电流i_fd′来自本专利一体化驱动与控制装置的转子侧励磁装置控制系统输出。可以看出，在本专利的一体化控制下，定子电流参考给定的计算中引入了转子励磁绕组电流i_fd′的信息，使得定子电流给定值能够直接计算，省去了传统定子电流控制中的给定值反馈调节环，提高了控制性能。

定子d轴电流给定计算单元41的输入包括但不限于：定子电流幅值给定 I_smref，定子d轴电流给定i_{d_ref}。定子d轴电流给定计算单元41的输出包括但不限于定子q轴电流给定i_{q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出： $i_{q\_ref}=\sqrt{{I_{sm\_ref}}^2-{i_{d\_ref}}^2}.$

定子电流3s/2r变换单元43的输入包括但不限于：定子侧变频器主电路21的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r。定子电流3s/2r变换单元43的输出包括但不限于：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q，并按照如下公式根据输入计算输出：

定子电流综合单元44的输入包括但不限于：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电流i_1d,i_1q与i_2d,i_2q。定子电流综合单元44的输出包括但不限于：定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q，并按照如下公式根据输入计算输出：

i_d＝0.5(i_1d+i_2d)

i_q＝0.5(i_1q+i_2q)

电流环控制单元45的输入包括但不限于：定子d轴电流给定i_{d_ref}，定子q轴电流给定i_{q_ref}，定子电流直轴分量i_d与交轴分量i_q。电流环控制单元45的输出包括但不限于：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}。电流环控制单元45的具体实施可以有多种方式，包括传统的矢量控制方式、传统的滞环控制方式等等。

定子电压给定分解单元46的输入包括但不限于：定子d轴电压给定u_{d_ref}，定子q轴电压给定u_{q_ref}。定子电压给定分解单元46的输出包括但不限于：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}，并按照如下公式根据输入计算输出：u_{1d_ref}＝u_{2d_ref}＝u_{d_ref},u_{1q_ref}＝u_{2q_ref}＝u_{q_ref}。

调制波生成单元47的输入包括但不限于：定子两套绕组在转子旋转坐标系下的电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r。调制波生成单元47的输出包括但不限于：送给定子侧变频器主电路21的第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。第一组输出的控制信号PWM1由电压给定u_{1d_ref},u_{1q_ref}与电机转子电角度θ_r生成；第二组输出的控制信号PWM2由电压给定u_{2d_ref},u_{2q_ref}与电机转子电角度θ_r生成。具体调制波的生成实施方式取决于定子侧变频器主电路21的实施方式，可以是传统的三相SPWM方式、SVPWM方式，也可以是传统的多重载波移相方式等。

定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q也要作为定子侧变频器的控制系统的输出，以供一体化驱动与控制装置的转子侧励磁控制系统使用。

Claims (7)

1.电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：包括定子侧变频器主电路(21)、转子侧励磁装置主电路(22)以及一体化控制系统(23)；所述定子侧变频器主电路(21)包含两组输出，其中第一组共三路输出与六相电励磁电机(1)的第一定子Y接绕组的A1、B1、C1端子相连，第二组共三路输出与第二定子Y接绕组的A2、B2、C2端子相连；所述转子侧励磁装置主电路(22)的输出与六相电励磁电机(1)的转子励磁绕组f1、f2端子相连。

2.根据权利要求1所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述一体化控制系统(23)包括定子侧变频器控制系统(231)和转子侧励磁装置控制系统(232)，所述定子侧变频器控制系统(231)从定子侧变频器主电路(21)中采集的关键反馈信号包括：定子侧变频器主电路(21)的两组输出的电流i_A1,i_B1,i_C1与i_A2,i_B2,i_C2、电机转子电角度θ_r；所述定子侧变频器控制系统(231)发送给定子侧变频器主电路(21)的关键指令信号包括：第一组输出的控制信号PWM1，以及第二组输出的控制信号PWM2。

3.根据权利要求2所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述转子侧励磁装置控制系统(232)从转子侧励磁装置主电路(22)中采集的关键反馈信号包括：定子机端电压幅值U_sm与转子励磁电流i_fd′；所述转子侧励磁装置控制系统(232)发送给转子侧励磁装置主电路(22)的关键指令信号包括：转子侧励磁装置主电路(22)的控制信号VTs。

4.根据权利要求2所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述定子侧变频器控制系统(231)发给转子侧励磁装置控制系统(232)的关键指令信号包括：定子机端电压幅值给定值U_{sm_ref}、定子电流直轴分量i_d、交轴分量i_q，电机转子电角速度ω_r；所述转子侧励磁装置控制系统(232)发给定子侧变频器控制系统(231)的关键反馈信号包括：转子励磁电流i_fd′。

5.根据权利要求1所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述定子侧变频器主电路(21)包括整流单元(212)、直流母线单元(213)以及逆变单元(214)；所述整流单元(212)与电网(211)相连，所述逆变单元 (214)形成两组输出，分别与电励磁六相电机(1)的两套定子绕组相连；整流单元(212)与逆变单元(214)之间通过直流母线单元(213)相连。

6.根据权利要求1所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述转子侧励磁装置主电路(22)包括晶闸管三相桥(223)以及直流母线电感(222)；所述晶闸管三相桥(223)的交流侧与电网(221)相连；所述晶闸管三相桥(223)的直流侧正与直流母线电感(222)相连；所述直流母线电感(222)的另一端为输出f1，所述晶闸管三相桥(223)的直流侧负为输出f2；f1、f2最终与电励磁六相电机的转子励磁绕组相连。

7.根据权利要求2、3或4所述的电励磁六相电机的一体化驱动与控制装置，其特征在于：所述转子侧励磁控制系统(232)包括励磁电流给定值计算单元(31)、晶闸管导通角计算单元(32)以及脉冲形成单元(33)。