CN102882458A - 开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，将普通三相永磁同步电机定子绕组开路，引出六根端引线分别对应接第一逆变器和第二逆变器，开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器***仅由一个直流电源供电，电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经电流内模解耦控制器得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，同时在空间小、电池容量受限制以及功率开关器件电压电流能力限制之下，可提高***的总功率和带载能力。在保持这种新型的电机结构优势的基础上，减少了***参数引起的失配误差对***的影响，提高了***的鲁棒性，易于调节。

Description

开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器

技术领域

本发明涉及新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，可应用于电动汽车用的电机驱动领域，特别涉及高电压大功率的驱动场合。

背景技术

目前电动汽车使用的电机驱动***一般由并联连接的动力电池、电容构成电力源，其经驱动逆变器连接驱动电机中交流三相绕组的一端，而另一端星形连接。而动力电池提供的标称电压一般为300v左右。在需要较大功率、较大力矩的电机驱动场合，可通过增加动力电池的容量和增加功率开关器件的电流能力来实现。常用的大功率电机驱动***的两种实现方案分别是采用多个动力电池串联的方法提高驱动***的电压和采用元器件并联的方法提高驱动***的电流能力。考虑到电动汽车车身容积、车载蓄电池组容量的限制以及功率开关器件电压电流能力的限制，有必要采用一种新型的电机结构。在同步旋转坐标系上定子电压由3部分构成：电阻压降、耦合电压和反电势。随着电机转速的升高，耦合电压所占的比重增加，因此耦合作用越来越大。对现仅有的开绕组永磁同步电机控制***来说，工程上采用常规PID控制器对***进行电流调节，仅仅对d、q轴的2个电流环单独起作用，忽略了交叉耦合项，因此当其中一轴上电流给定发生变化时，另一个轴上的电流会产生一个瞬时误差，从而转矩产生瞬时畸变，影响***的瞬时性能。另外，常规PID控制器一般会产生较大的超调，并且响应速度慢。在电动汽车要求调速***起制动超调小，受扰动时动态速降小、恢复时间短等动态性能要求较高的场合，常规PID控制器有一定的局限性，不能满足相关方面的要求。另外，常规PID控制器可调参数较多，不易调节，并且增加了开绕组永磁同步电机控制的复杂性。因此，有必要提出一种新的应用于开绕组永磁同步电机的电流控制器以解决上述问题。

发明内容

技术问题：本发明针对电动汽车等需要较大功率、较大转矩的电机的驱动场合中，车载电池容量限制和功率开关电压电流能力限制之下驱动功率等级低、存在共模电压等问题，以及传统PID控制器由于d、q轴电流不完全解耦而存在鲁棒性差、存在较大的超调，并且响应速度慢等动态性能问题和可调参数较多，不易调节等问题，提出新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，实现了永磁同步电机在高电压大功率场合的应用，在一定程度上改善了电动汽车的调速性能。

技术方案：本发明的开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器包括直流电源、电容、第一逆变器、第二逆变器、开绕组永磁同步电机、电流内模解耦控制器；开绕组永磁同步电机是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变器的3个输出端和第二逆变器的3个输出端，第一逆变器和第二逆变器的6对输入控制端分别接空间矢量调制器，空间矢量调制器的输入端接电流内模解耦控制器的输出端，开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器由一个直流电源供电，电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经电流内模解耦控制器得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。

所述电流内模解耦控制器包括d轴电流内模控制器F_d(s)、q轴电流内模控制器F_q(s)、饱和限制器、被控对象G_p(s)、d、q轴电流交叉耦合部分；

开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经坐标变换得到定子电流的d轴分量i_d与给定的d轴电流分量i^* _d依次经d轴电流内模控制器F_d(s)、饱和限制器和被控对象G_p(s)后，得到内模d轴电流i_md，同时定子电流的q轴分量i_q与给定的q轴电流分量i^* _q依次经q轴电流内模控制器F_q(s)、饱和限制器和被控对象G_p(s)后，得到内模q轴电流i_mq，i_md和i_mq经d、q轴电流交叉耦合部分调制得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q。

本发明公开了新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，可应用于电动汽车用的电机驱动领域。它通过控制一种新型的电机结构--开绕组永磁同步电机是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变器和第二逆变器，***仅由一个直流电源供电，电机定子绕组的采样电流经坐标变换得到i_d、i_q，经电流内模解耦控制器得到调制电压u^* _d、u^* _q，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。创新设计的电流内模解耦控制器通过对电机电流解耦***建立相应的电流解耦模型如图2、图3中的d轴电流控制***内模G_md(s)和q轴电流控制***内模G_mq(s)，针对电机电流解耦模型设计前馈内模控制器如图2、图3中的d轴电流前馈内模控制器C_d(s)和q轴电流前馈内模控制器C_q(s)，相比较于传统PID控制器只对d、q轴的两个电流环单独起作用，加入交叉耦合项，因此d、q轴电流解耦效果较理想，对参数摄动有较强的鲁棒性；被控对象G_d(s)和G_q(s)是真实的开绕组永磁同步电机驱动***模型，控制效果更加准确可靠。同时，在电流内模PID之后加入了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响；由 $C_d\left(s\right)={G^{-1}}_{\mathrm{md}}\left(s\right)\frac{\mathrm{\α}}{s+\mathrm{\α}},$ $C_q\left(s\right)={G^{-1}}_{\mathrm{mq}}\left(s\right)\frac{\mathrm{\α}}{s+\mathrm{\α}}$ 可知，控制器只有一个可调参数α，易于调节。另外，开绕组永磁同步电机的定子绕组两端分别和标准的两电平逆变器相连的结构，不仅继承了三电平逆变器的优点而且减少了功率开关器件的数量，可应用在高电压大功率电机驱动领域。

开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，同时在空间小、电池容量受限制以及功率开关器件电压电流能力限制之下，可提高***的总功率和带载能力。本发明将基于内模控制的新型电流解耦控制器应用于开绕组永磁同步电机***，在保持这种新型的电机结构优势的基础上，减少了***参数引起的失配误差对***的影响，提高了***的鲁棒性。

有益效果：

（1）开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c可以反馈到电流内模解耦控制器的输入端，实现了开绕组永磁同步电机驱动***的闭环控制。

（2）相比传统PID控制器，增加了d、q轴电流的交叉耦合项，使得d、q轴电流解耦效果较理想，从而使电机达到良好的控制效果；

（3）建立了d轴电流内模控制器F_d(s)和q轴电流内模控制器F_q(s)，减少了***参数引起的失配误差对***的影响，提高了***的鲁棒性；

（4）相比传统PID控制器，只有一个可调参数α，减小了参数调节的难度；

（5）增加了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响；

（6）采用一种新型的电机结构，将三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线，分别对应接第一逆变器和第二逆变器，改善电机驱动***的性能，适用于高电压大功率领域；

（7）采用两个电压型标准两电平逆变器，实现三电平的输出；

（8）驱动***采用电压空间矢量脉宽调制的控制策略，使得电机输出脉动降低，电流波形畸变减小，且与常规正弦脉宽调制技术相比，直流电压利用率更高，更易实现数字化；

（9）仅由一个直流电源供电，在相同动力电池容量下，相比单逆变器驱动***可带动更大的负载，产生更大的功率；

附图说明

图1为本发明中新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器原理图。

其中有：直流电源1，电容2，第一逆变器31、第二逆变器32，开绕组永磁同步电机4，电流内模解耦控制器5，d轴电流内模控制器F_d(s)6，q轴电流内模控制器F_q(s)7，饱和限制器8，被控对象G_p(s)9，d、q轴电流交叉耦合部分10。

图2为本发明中d轴电流内模控制器F_d(s)的基本原理图。

其中有：d轴电流前馈内模控制器C_d(s)1、d轴电流控制***内模G_md(s)2、被控对象（d轴电流控制***）G_p(s)3。

图3为本发明中q轴电流内模控制器F_q(s)的基本原理图。

其中有：q轴电流前馈内模控制器C_q(s)1、q轴电流控制***内模G_mq(s)2、被控对象（q轴电流控制***）G_p(s)3。

具体实施方式

下面是本发明的具体实施,用来进一步描述：

本发明是新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，该装置原理图图1包括直流电源1、电容2、第一逆变器31、第二逆变器32、开绕组永磁同步电机4、电流内模解耦控制器5。开绕组永磁同步电机4是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变器和第二逆变器，***仅由一个直流电源1供电，电机定子绕组的采样电流经坐标变换得到i_d、i_q，经电流内模解耦控制器5得到调制电压u^* _d、u^* _q，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。其中电流内模解耦控制器5包括d轴电流内模控制器F_d(s)6、q轴电流内模控制器F_q(s)7、饱和限制器8、被控对象G_p(s)9、d、q轴电流交叉耦合部分10；开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经坐标变换得到定子电流的d轴分量i_d与给定的d轴电流分量i^* _d依次经d轴电流内模控制器F_d(s)6、饱和限制器8和被控对象G_p(s)9后，得到内模d轴电流i_md，同时定子电流的q轴分量经过相应的过程得到内模q轴电流i_mq，i_md和i_mq经d、q轴电流交叉耦合部分10调制得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q。

本发明是基于传统PID控制器原理的基础上，加入了d、q轴电流的交叉耦合项，并且建立实际***的相应模型，增强了***的鲁棒性。

该装置通过对电机电流解耦***建立相应的电流解耦模型如图2、图3中的d轴电流控制***内模G_md(s)和q轴电流控制***内模G_mq(s)，针对电机电流解耦模型设计前馈内模控制器如图2、图3中的d轴电流前馈内模控制器C_d(s)和q轴电流前馈内模控制器C_q(s)，相比较于传统PID控制器只对d、q轴的两个电流环单独起作用，加入交叉耦合项，因此d、q轴电流解耦效果较理想，对参数摄动有较强的鲁棒性。同时，在电流内模控制器之后加入了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响；由 $C_d\left(s\right)={G^{-1}}_{\mathrm{md}}\left(s\right)\frac{\mathrm{\α}}{s+\mathrm{\α}},$ $C_q\left(s\right)={G^{-1}}_{\mathrm{mq}}\left(s\right)\frac{\mathrm{\α}}{s+\mathrm{\α}}$ 可知，控制器只有一个可调参数α，易于调节。另外，开绕组永磁同步电机的定子绕组两端分别和标准的两电平逆变器相连的结构，不仅继承了三电平逆变器的优点而且减少了功率开关器件的数量，可应用在高电压大功率电机驱动领域。

开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，同时，在空间小、电池容量受限制和功率开关器件电压电流能力限制之下可提高***的总功率，提高带载能力。本发明将内模PID电流解耦控制器应用于开绕组永磁同步电机***，在保持这种新型的电机结构优势的基础上，减少了***参数引起的失配误差对***的影响，提高了***的鲁棒性。

Claims (2)

1.一种开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，其特征在于该控制器包括直流电源（1）、电容（2）、第一逆变器（31）、第二逆变器（32）、开绕组永磁同步电机（4）、电流内模解耦控制器（5）；开绕组永磁同步电机（4）是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变器（31）的3个输出端和第二逆变器（32）的3个输出端，第一逆变器（31）和第二逆变器（32）的6对输入控制端分别接空间矢量调制器（11），空间矢量调制器（11）的输入端接电流内模解耦控制器（5）的输出端，开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器由一个直流电源（1）供电，电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经电流内模解耦控制器（5）得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。

2.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，其特征在于所述电流内模解耦控制器（5）包括d轴电流内模控制器F_d(s)（6）、q轴电流内模控制器F_q(s)（7）、饱和限制器（8）、被控对象G_p(s)（9）、d、q轴电流交叉耦合部分（10）；

开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i_a、i_b、i_c经坐标变换得到定子电流的d轴分量i_d与给定的d轴电流分量i^* _d依次经d轴电流内模控制器F_d(s)（6）、饱和限制器（8）和被控对象G_p(s)（9）后，得到内模d轴电流i_md，同时定子电流的q轴分量i_q与给定的q轴电流分量i^* _q依次经q轴电流内模控制器F_q(s)（7）、饱和限制器（8）和被控对象G_p(s)（9）后，得到内模q轴电流i_mq，i_md和i_mq经d、q轴电流交叉耦合部分（10）调制得到d轴调制电压u^* _d、q轴调制电压u^* _q。

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