CN205829507U

CN205829507U - 基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统

Info

Publication number: CN205829507U
Application number: CN201620766137.2U
Authority: CN
Inventors: 贾帆; 贾一帆; 许楠; 初亮; 刘宏伟; 郭建华; 杨志华; 王严伟; 李育宽
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2026-07-20

Abstract

本实用新型公开了基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统。其采用双电源双逆变器供电的开放式绕组永磁同步电机构型，并增加了电子开关组以实现三角形绕组的连接，可用于不同电源种类的双电源构型，并允许两个电源电压不同且实时变化。本系统可以通过转矩饱和判定以及转速门限控制在星形、三角形和双逆变器共同控制三种绕组模式之间自动切换，降低了开关损耗，并通过对供电电源的实时切换及不同控制模式的选择，实现双电源能量的有效分配。

Description

基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统

技术领域

本实用新型属于电机控制技术领域，特别是涉及基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，适用于电动汽车。

背景技术

随着当今社会对节能环保要求的提高，近年来以电动机为动力源的电动汽车技术领域蓬勃发展，永磁同步电机具有功率密度高、控制简单等优点，成为了电动汽车的常用动力源。受限于目前动力蓄电池的能量密度与耐久度，以动力蓄电池为单一能量来源的纯电动汽车具有续驶里程低、成本高、寿命短等缺点，于是搭载内燃机増程器和动力蓄电池的增程式电动汽车、搭载燃料电池系统和动力蓄电池的燃料电池汽车以及搭载超级电容和动力蓄电池的混合动力汽车等双电源构型电动汽车成为研究热点。然而，目前的双电源构型电动汽车采用单一直流母线供电、单逆变器控制传统永磁同步电机的方式，为了使两个电压不同的电源同时连接直流母线并实现两个电源之间的能量分配，必然要增设一个DC/DC变换器；而且为了达到较高的功率水平，需要较高的直流母线电压，这也增加了动力蓄电池的串联节数以及系统的电压等级。这显然增加了系统成本，DC/DC变换器中器件的损耗也降低了系统效率。

上述问题的解决方法之一就是使用开放式绕组永磁同步电机，采用双逆变器驱动结构，两个逆变器分别由一个独立的电源供电。但目前针对双逆变器开放式绕组电机的研究主要集中于共直流母线的零序电流抑制、容错控制、空间矢量调制等方面，或针对于电池加大电容等单一的双电源构型提出控制方法；现有方案没有解决双逆变器开放式绕组电机驱动系统逆变器开关损耗较大的问题，也不能同时适用各种不同电源种类的双电源驱动系统。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，可应用于不同类型电源系统中，降低逆变器开关的损耗，并通过对供电电源的实时切换及不同控制模式的选择，实现双电源能量的有效分配。结合说明书附图，本实用新型的技术方案如下：

基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，在开放式绕组永磁同步电机的始端连接电流传感器组A1、三相逆变器INV1、电压传感器V1、电容C1以及直流电源DC1，在开放式绕组永磁同步电机的末端连接电流传感器组A2、三相逆变器INV2、电压传感器V2、电容C2以及直流电源DC2，且在开放式绕组永磁同步电机上设有转子位置传感器和转矩传感器；

开放式绕组永磁同步电机8的三相绕组中，每相绕组始端和末端各引出一根导线，并连接形成三个通路，其中第一通路为第一相始端和第三相末端连接，第二通路为第二相始端和第一相末端连接，第三通路为第三相始端和第二相末端连接，每一通路上均串联一个电子开关，所述电子开关由两个反向并联的IGBT器件组成；三个通路的电子开关构成电子开关组7。

所述驱动控制系统还包括一个控制器16，所述控制器16与电压传感器V1和电压传感器V2、电流传感器组A1和电流传感器组A2、开放式绕组永磁同步电机8的转子位置传感器以及转矩传感器通讯连接，以接收信号；所述控制器16与三相逆变器INV1、三相逆变器INV2、电子开关组、直流电源DC1的继电器KM1和直流电源DC2的继电器KM2的线圈通讯连接，以输出信号。

进一步地，所述控制器16由电流计算模块17、绕组模式切换模块18、滞环电流控制模块19、减法器20、微分器21以及缓存器22组成；

所述减法器20将电机输出转矩信号与期望转矩信号作差，得到转矩偏差信号；所述微分器21将电机转子位置信号对时间微分，得到电机转子角速度信号；所述缓存器22将每一采样周期内的转矩偏差信号保存，供绕组模式切换模块18调用；

所述电流计算模块17接收期望转矩信号，并输出期望d轴电流信号和期望q轴电流信号；

绕组模式切换模块18接收主侧电源信号、来自缓存器22的转矩偏差信号的时域集合、电流信号、电压信号以及电机转子角速度信号，输出绕组模式信号；

电流控制模块19接收主侧电源信号、双逆变器模式信号、期望d轴电流信号、期望q轴电流信号、绕组模式信号、电机转子位置信号、电压信号以及电流信号，输出三相逆变器INV1、三相逆变器INV2和电子开关组各IGBT器件的门控信号，并输出继电器线圈KM1和继电器线圈KM2的控制信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型可以应用于各种不同类型电源所组成的系统，并且可以允许两个电源电压不同乃至实时变化，而不增加额外的DC/DC变换器，从而提升了系统效率。

2、本实用新型可以实现根据电机工作状态的不同在星形、三角形和双逆变器共同控制三种绕组模式之间自动切换，必要时只让一个逆变器参与工作，从而解决了双逆变器构型带来的器件开关损耗大的问题。

3、本实用新型可以指定主要供电的电源并实时切换，从而实现两个电源之间的能量分配。

附图说明

图1为本实用新型的驱动控制系统结构示意图。

图2为本实用新型的驱动控制系统中控制器结构框图。

图中：

1、直流电源DC1； 2、继电器开关KM1； 3、电容C1；

4、电压传感器V1； 5、三相逆变器INV1； 6、电流传感器组A1；

7、电子开关组； 8、开放式绕组永磁同步电机； 9、转矩传感器；

10、电流传感器组A2； 11、三相逆变器INV2； 12、电压传感器V2；

13、电容C2； 14、继电器开关KM2； 15、直流电源DC2；

16、控制器； 17、电流计算模块； 18、绕组模式切换模块；

19、滞环电流控制模块； 20、减法器； 21、微分器；

22、缓存器。

具体实施方式

为了进一步说明本实用新型的技术方案，结合说明书附图，本实用新型的具体实施方式如下：

如图1所示，本实用新型公开了基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，所述驱动控制系统的构成为：

直流电源DC1与继电器开关KM1串联后，其两端连接三相逆变器INV1的直流母线，为三相逆变器INV1供电；直流电源DC2与继电器开关KM2串联，两端连接三相逆变器INV2的直流母线，为三相逆变器INV2供电。开放式绕组永磁同步电机8的三相绕组始端依次分别为A、B、C端，其分别与三相逆变器INV1的三相桥臂输出端相连，开放式绕组永磁同步电机8的三相绕组末端与始端依次相对应的，分别为X、Y、Z端，其分别与三相逆变器INV2的三相桥臂输出端相连。其中，三相逆变器INV1由6个IGBT器件T1～T6以及与每个IGBT反向并联的续流二极管D1～D6组成，每两个IGBT串联组成一相桥臂，三相桥臂并联在三相逆变器INV1的直流母线之间，每相桥臂的中点，即两个串联的IGBT器件之间作为该相桥臂的输出端；三相逆变器INV2由6个IGBT器件T7～T12以及续流二极管D7～D12组成，三相逆变器INV2的连接结构与三相逆变器INV1相同。在三相逆变器INV1的直流母线两端分别并联电容C1和电压传感器V1，所述电容C1用于电源滤波，过滤掉直流电源电压的高频波动，为三相逆变器INV1提供相对稳定和低变化率的电压。所述电压传感器V1用于测得三相逆变器INV1的直流母线电压V_dc1；在三相逆变器INV2的直流母线两端分别并联电容C2和电压传感器V2，所述电容C2用于电源滤波，过滤掉直流电源电压的高频波动，为三相逆变器INV2提供相对稳定和低变化率的电压。所述电压传感器V2用于测得三相逆变器INV2的直流母线电压V_dc2。在三相逆变器INV1三相桥臂的输出端分别串联三个电流传感器，构成电流传感器组A1，用于测得三相逆变器INV1三相桥臂输出端流过的电流i₁、i₂、i₃，电流从逆变器桥臂向开放式绕组永磁同步电机8的绕组方向流出方向为正方向；在三相逆变器INV2三相桥臂的输出端也同样分别串联三个电流传感器，构成电流传感器组A2，用于测得三相逆变器INV2三相桥臂输出端流过的电流i₄、i₅、i₆，电流从逆变器桥臂向开放式绕组永磁同步电机8的绕组方向流出方向为正方向；开放式绕组永磁同步电机8中，内置的的转子位置传感器输出电机转子位置θ；置于开放式绕组永磁同步电机8输出轴上的转矩传感器9，用于测得电机输出转矩T。

开放式绕组永磁同步电机8的每相绕组始端和末端，即A、B、C、X、Y、Z端各引出一根导线，共6根导线连接电子开关组7。所述电子开关组7由6个IGBT器件T13～T18组成三个通路，每个通路由两个反向并联的IGBT器件组成；其连接关系如为：电子开关组7的第一通路连接开放式绕组永磁同步电机8的第一相始端A端和第三相末端Z端，第二通路连接开放式绕组永磁同步电机8的第二相始端B端和第一项末端X端，第三通路连接开放式绕组永磁同步电机8的第三相始端C端和第二相末端Y端。

上述驱动控制系统还包括一个控制器16，所述控制器16与电压传感器V1和电压传感器V2、电流传感器组A1和电流传感器组A2、开放式绕组永磁同步电机8的转子位置传感器以及转矩传感器9通讯连接，接收电压信号V_dc1、V_dc2，电流信号i₁、i₂、i₃、i₄、i₅、i₆，电机转子位置信号θ，以及电机输出转矩信号T。

所述控制器16与三相逆变器INV1、三相逆变器INV2、电子开关组7、继电器KM1和继电器KM2的线圈通讯连接，输出对三相逆变器INV1中各IGBT器件的门控信号INV1.gates、对三相逆变器INV2的门控信号INV2.gates、对电子开关组各IGBT器件的门控信号ES.gates、对继电器KM1的线圈控制信号KM1.switch和对继电器KM2的线圈控制信号KM2.switch。

所述控制器16还接收来自上层整车控制器或用户输入的的主侧电源信号MS、双逆变器模式信号DM，以及期望转矩信号T^*。

其中，主侧电源信号MS表示主要供电电源，MS＝1表示直流电源DC1为主要供电电源，即在星形绕组模式或三角形绕组模式下，由直流电源DC1单独供电；在三相逆变器INV1和三相逆变器INV2组成的双逆变器共同控制模式下，直流电源DC1作为主要供电电源，直流电源DC2作为辅助供电电源；MS＝2表示直流电源DC2为主要供电电源，即在星形绕组模式或三角形绕组模式下，由直流电源DC2单独供电；在三相逆变器INV1和三相逆变器INV2组成的双逆变器共同控制模式下，直流电源DC2作为主要供电电源，直流电源DC1作为辅助供电电源。

双逆变器模式信号DM表示当绕组模式为双逆变器共同控制模式时的电流控制方式，DM＝1表示电流控制方式为低开关频率方式，DM＝2表示电流控制方式为大功率差值方式。

如图2所示，所述控制器16由电流计算模块17、绕组模式切换模块18、滞环电流控制模块19、减法器20、微分器21以及缓存器22组成，其中，减法器20将电机输出转矩信号T与期望转矩信号T^*作差，得到转矩偏差信号ΔT；微分器21将电机转子位置信号θ对时间微分，得到电机转子角速度信号ω_r；缓存器22将每一采样周期内的转矩偏差信号ΔT保存，供绕组模式切换模块18调用。电流计算模块17接收期望转矩信号T^*，并输出期望d轴电流信号i_d ^*和期望q轴电流信号i_q ^*；绕组模式切换模块18接收主侧电源信号MS，来自缓存器22的转矩偏差信号ΔT的时域集合，电流信号i₁、i₂、i₃，电压信号V_dc1、V_dc2，以及电机转子角速度信号ω_r，输出绕组模式信号Mode；电流控制模块19接收主侧电源信号MS、双逆变器模式信号DM、期望d轴电流信号i_d ^*、期望q轴电流信号i_q ^*、绕组模式信号Mode、电机转子位置信号θ、电压信号V_dc1、V_dc2以及电流信号i₁、i₂、i₃、i₄、i₅、i₆，输出门控信号INV1.gates、INV2.gates、ES.gates，以及继电器线圈控制信号KM1.switch、KM2.switch。说明：因本专利采用了i_d＝0的电流控制算法，不涉及弱磁控制，所以电流计算模块17只接收期望转矩信号T^*；若将其他的电流控制或弱磁控制应用于本系统，需在电流计算模块17增加机转子角速度信号ω_r作为输入。

Claims

1.基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，在开放式绕组永磁同步电机的始端连接电流传感器组A1、三相逆变器INV1、电压传感器V1、电容C1以及直流电源DC1，在开放式绕组永磁同步电机的末端连接电流传感器组A2、三相逆变器INV2、电压传感器V2、电容C2以及直流电源DC2，且在开放式绕组永磁同步电机上设有转子位置传感器和转矩传感器，其特征在于：

开放式绕组永磁同步电机(8)的三相绕组中，每相绕组始端和末端各引出一根导线，并连接形成三个通路，其中第一通路为第一相始端和第三相末端连接，第二通路为第二相始端和第一相末端连接，第三通路为第三相始端和第二相末端连接，每一通路上均串联一个电子开关，所述电子开关由两个反向并联的IGBT器件组成；三个通路的电子开关构成电子开关组(7)；

所述驱动控制系统还包括一个控制器(16)，所述控制器(16)与电压传感器V1和电压传感器V2、电流传感器组A1和电流传感器组A2、开放式绕组永磁同步电机(8)的转子位置传感器以及转矩传感器通讯连接，以接收信号；所述控制器(16)与三相逆变器INV1、三相逆变器INV2、电子开关组、直流电源DC1的继电器KM1和直流电源DC2的继电器KM2的线圈通讯连接，以输出信号。

2.如权利要求1所述基于双电源开放式绕组永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于：

所述控制器(16)由电流计算模块(17)、绕组模式切换模块(18)、滞环电流控制模块(19)、减法器(20)、微分器(21)以及缓存器(22)组成；

所述减法器(20)将电机输出转矩信号与期望转矩信号作差，得到转矩偏差信号；所述微分器(21)将电机转子位置信号对时间微分，得到电机转子角速度信号；所述缓存器(22)将每一采样周期内的转矩偏差信号保存，供绕组模式切换模块(18)调用；

所述电流计算模块(17)接收期望转矩信号，并输出期望d轴电流信号和期望q轴电流信号；

绕组模式切换模块(18)接收主侧电源信号、来自缓存器(22)的转矩偏差信号的时域集合、电流信号、电压信号以及电机转子角速度信号，输出绕组模式信号；

电流控制模块(19)接收主侧电源信号、双逆变器模式信号、期望d轴电流信号、期望q轴电流信号、绕组模式信号、电机转子位置信号、电压信号以及电流信号，输出三相逆变器INV1、三相逆变器INV2和电子开关组各IGBT器件的门控信号，并输出继电器线圈KM1和继电器线圈KM2的控制信号。