一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，尤其是一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，屬于永磁同步電機的技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)包括：逆變器、LC濾波器、系統(tǒng)控制器、實時采集電機轉(zhuǎn)子位置信號的位置傳感器、實時采集電機三相電樞繞組電流的第一電流傳感器、實時采集LC濾波器中電容電流的第二電流傳感器。解決了定子無鐵心永磁同步電機的電樞電感小驅(qū)動控制困難的問題。方法通過對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制、對電機電流的閉環(huán)控制、對LC濾波器中電容電流的閉環(huán)控制，有效消除因為電機定子電感小帶來的電流諧波，使三相電流波形高度正弦，從而減小電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動。
【專利說明】
一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明公開一種永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，尤其是一種定子無鐵心永 磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，屬于永磁同步電機的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機在電動汽車、航空航天、家用電器等場合具有重要的應(yīng)用價值和應(yīng) 用前景。作為永磁電機里面一個重要的分支，定子無鐵心永磁電機的定子取消了導(dǎo)磁硅鋼 片，消除了定子的鐵心損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩，非常適合高速運行。而且，定子上取消了導(dǎo)磁硅鋼 片后，電機氣隙變大，電機電樞反應(yīng)小，轉(zhuǎn)子損耗低，整個電機運行效率得到大幅度提高。因 此，定子無鐵心永磁電機作為飛輪儲能系統(tǒng)電動/發(fā)電機時，可以解決轉(zhuǎn)子在真空環(huán)境長期 運行過熱問題。然而需要特別重視的是定子無鐵心永磁電機具有電樞電感小的特性，其電 感值一般在μΗ級，這樣必然給驅(qū)動逆變器的控制帶來困難;利用傳統(tǒng)逆變器驅(qū)動時，電樞繞 組會產(chǎn)生很大的電流脈動和電磁轉(zhuǎn)矩脈動，甚至難以實現(xiàn)電樞繞組電流連續(xù)控制。
[0003] 實際上定子電感小的特點并非無鐵心電機的特有問題，在高速或超高速電機的驅(qū) 動控制中也會遇到電樞繞組電感較小、電流控制困難的問題。對于大功率高速定子無鐵心 電機，驅(qū)動控制由于繞組電感極小，該問題尤為突出。目前針對電機電樞電感小的問題采取 的控制技術(shù)主要有以下幾種：1)兩電平逆變器提高開關(guān)頻率(大約在100kHz);2)電機與逆 變器之間串電感;3)采用多相電機技術(shù);4)采用三電平逆變器;5)帶前級buck電流源型逆變 器。對于提高逆變器的開關(guān)頻率，在小功率場合應(yīng)用具有較大的優(yōu)勢，目前的功率器件很難 在大功率場合將開關(guān)頻率提高至100kHz。三電平逆變器的控制復(fù)雜，而且逆變器的開關(guān)器 件增多，成本較高。多相電機技術(shù)的采用仍然需要增加逆變器的橋臂數(shù)，從硬件組成上來看 與三電平逆變器控制技術(shù)沒有本質(zhì)的區(qū)別。
[0004] 針對定子無鐵心盤式永磁電機的驅(qū)動技術(shù)，發(fā)明專利CN103391034A和專利 CN103368473A提出在直流側(cè)加入DC/DC變換電路，其基本原理是在直流側(cè)DC/DC變換電路中 引入了電感來解決定子無鐵心軸向磁場永磁同步電機電樞電感小且電流控制困難的問題。 然而，該控制方法在直流側(cè)增加功率器件，同時直流側(cè)電感也較大，控制器成本和體積都大 幅增加。
[0005] 因此，如何在保證控制器功率管器件數(shù)量不變的條件下，通過無源器件的引入從 而解決定子無鐵心永磁同步電機的電樞電感小驅(qū)動控制困難的問題，具有較大研究價值和 實踐意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種定子無鐵心 永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)及其控制方法，在不增加功率管器件數(shù)量的前提下，通過增加無源 器件LC濾波器的方式有效消除因為電機定子電感小帶來的電流諧波，從而減小電機損耗和 轉(zhuǎn)矩脈動，解決了定子無鐵心永磁同步電機電樞電感小電流控制斷續(xù)的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0008] 一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，包括:逆變器、LC濾波器、系統(tǒng)控制器、實 時采集電機轉(zhuǎn)子位置信號的位置傳感器、實時采集電機三相電樞繞組電流的第一電流傳感 器、實時采集LC濾波器中電容電流的第二電流傳感器，所述逆變器直流側(cè)接直流電源，LC濾 波器輸入側(cè)接逆變器交流側(cè)，定子無鐵心永磁同步電機的各相電樞繞組抽頭與LC濾波器輸 出側(cè)對應(yīng)相的端子連接，系統(tǒng)控制器的輸入端接收電機轉(zhuǎn)子位置信號、電機三相電樞繞組 電流信號、LC濾波器中電容電流信號，系統(tǒng)控制器的輸出端與逆變器中各開關(guān)器件的控制 端連接；
[0009] 所述系統(tǒng)控制器:根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，根據(jù)電機轉(zhuǎn) 速修正值確定電機電流給定值，根據(jù)電機電流給定值以及采集的電機三相電樞繞組電流信 號對電機電流進行閉環(huán)控制，根據(jù)電機電流修正值確定電容電流給定值，根據(jù)電容電流給 定值以及采集的LC濾波器中電容電流對電容電流進行閉環(huán)控制。
[0010] 作為所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的進一步優(yōu)化方案，IX濾波器包 括:三相濾波電感和三相濾波電容，各相濾波電感的一端構(gòu)成LC濾波器的輸入側(cè)并與逆變 器交流側(cè)連接，各相濾波電容的一極與對應(yīng)相濾波電感的另一端連接，各相濾波電容的另 一極并接做為LC濾波器的輸出側(cè)。
[0011] 所述定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，包括：電機轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制 策略、電機電流中環(huán)的控制策略、電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略，
[0012] 電機轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制策略:根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，
[0013] 電機電流中環(huán)的控制策略：以電機轉(zhuǎn)速外環(huán)控制過程中得到的電機轉(zhuǎn)速修正值為 輸入信號，以采集的電機三相電樞繞組電流信號為反饋信號對電機電流進行閉環(huán)控制，
[0014] 電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略：以電機電流中環(huán)控制過程中得到的電機電流修正值為 輸入信號，以采集的LC濾波器中電容電流信號為反饋信號對電容電流進行閉環(huán)控制。
[0015] 進一步的，所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法中，電機電流 中環(huán)的控制策略具體為：
[0016] 對采集的三相電樞繞組電流先進行Clark變換再進行Park變換得到電機q軸電流 和電機d軸電流；
[0017] 對電機轉(zhuǎn)速修正值進行PI調(diào)節(jié)得到電機q軸電流給定值，根據(jù)電機q軸電流給定值 修正電機q軸電流；
[0018] 采用ld = 0的控制方式修正電機d軸電流。
[0019] 再進一步的，所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法中，電容電 流內(nèi)環(huán)的控制策略具體為：
[0020] 對采集的LC濾波器中電容電流先進行Clark變換再進行Park變換得到電容q軸電 流和電容d軸電流，對電機q軸電流修正值和電機d軸電流修正值分別進行PI調(diào)節(jié)得到電容q 軸電流給定值和電容d軸電流給定值，根據(jù)電容q軸電流給定值和電容d軸電流給定值修正 電容q軸電流和電容d軸電流；
[0021] 對電容q軸電流修正值和電容d軸電流修正值分別進行PI調(diào)節(jié)得到逆變器q軸電流 給定值和逆變器d軸電流給定值，對逆變器q軸電流給定值和逆變器d軸電流給定值先進行 Park逆變換再進行Clark逆變換得到電機三相電樞繞組電流給定值，對電機三相電樞繞組 電流給定值進行SVPWM控制得到逆變器的驅(qū)動信號。
[0022] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：
[0023] (1)驅(qū)動系統(tǒng)在不增加驅(qū)動電路功率管數(shù)量的前提下，引入無源器件LC濾波器，解 決了定子無鐵心永磁同步電機的電樞電感小驅(qū)動控制困難的問題，系統(tǒng)簡單可靠，成本較 低；
[0024] (2)控制方法通過對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制、對電機電流的閉環(huán)控制、對LC濾波器中 電容電流的閉環(huán)控制，有效消除因為電機定子電感小帶來的電流諧波，使三相電流波形高 度正弦，從而減小電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動；
[0025] (3)控制方法中對LC濾波器中電容電流的閉環(huán)控制，采用電容電流作為反饋信號 形成有源阻尼作用，有效抑制了 LC濾波器帶來的系統(tǒng)諧振，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的框圖；
[0027]圖2為定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理圖。
[0028] 圖中標(biāo)號說明：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6為開關(guān)管，Lfi、Lf2、Lf3為三相濾波電感，Cfi、 Cf2、Cf3為三相濾波電容。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明。
[0030] 如圖1所示為本發(fā)明的一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，其主電路包括直 流電源、三相全橋逆變器、三相LC濾波器和實時采集電機轉(zhuǎn)子位置信號Θ的位置傳感器、實 時采集電機三相電樞繞組電流i a、ib、i。的第一電流傳感器、實時采集LC濾波器中電容電流 ica、icb、icc的第二電流傳感器。三相濾波器包括:三相濾波電感L fl、Lf2、Lf3和三相濾波電容 〇￡1、〇￡2、〇￡3。三相全橋逆變器包括:開關(guān)管〇1和開關(guān)管〇2組成的厶相橋臂，開關(guān)管93和開關(guān)管 Q4組成的B相橋臂，開關(guān)管Q5和開關(guān)管Q6組成的C相橋臂。直流電源接在三相全橋逆變器的 輸入側(cè)，三相全橋逆變器輸出側(cè)的三相抽頭與三相濾波電感Lfi、Lf2、Lf 3的一側(cè)端子連接，三 相濾波電感1^1、1^2、1^3的另一側(cè)端子分別與三相濾波電容[11、0￡2義3的一極連接，定子無鐵 心永磁同步電機三相繞組的抽頭分別與三相濾波電感和三相濾波電容的連接點相連，三相 濾波電容Cfl、Cf 2、Cf 3的一極并接在一起?？刂破鞲鶕?jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號、三相繞組電樞繞組 電流信號、LC濾波器中的電容電流信號生成逆變器的控制信號。
[0031] 系統(tǒng)控制器控制目標(biāo)是通過給定PMW信號控制逆變器三相橋臂上的6個功率開關(guān) 管導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制電機的三相電流、獲取輸出轉(zhuǎn)矩和給定的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)采用矢量控制 技術(shù)實現(xiàn)三相繞組電流控制，整個系統(tǒng)采取三閉環(huán)控制模式，分別為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、電機電 流閉環(huán)控制、和三相電容電流閉環(huán)控制。
[0032] 下面結(jié)合如圖2所示的系統(tǒng)控制原理圖闡述本發(fā)明涉及的控制方法。
[0033] 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制:首先通過位置傳感器采集定子無鐵心永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置信號 Θ，然后以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號Θ估算出的電機轉(zhuǎn)速ω為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的反饋信號，電機轉(zhuǎn)速ω與 給定轉(zhuǎn)速信號的偏差經(jīng)過一個ΡΙ控制器得到電機q軸電流給定值?。
[0034]電機電流閉環(huán)控制:通過對第一電流傳感器采集的三相電樞繞組電流ia、ib、i c先 進行3/2坐標(biāo)變換再進行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到電機d軸電流ids和電機q軸電流iqs，以電機d軸 電流i ds和電機q軸電流i qs為電機電流閉環(huán)控制的反饋信號，電機q軸電流i qs與電機q軸電流 給定值$的偏差再經(jīng)過一個PI控制器得到電容q軸電流給定值匕；對電機d軸電流采用Id = 〇的控制方式，電機d軸電流ids與電機d軸電流給定值4 = 〇的偏差再經(jīng)過一個PI控制器得到 電容d軸電流給定值^ &
[0035] 三相電容電流閉環(huán)控制:通過對第二電流傳感器采集的LC濾波器中三相電容電流 imic^i。。先進行3/2坐標(biāo)變換再進行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到電容d軸電流id。和電容q軸電流 iq。，以電容d軸電流id。和電容q軸電流iq。為三相電容電流閉環(huán)控制的反饋信號，電容d軸電 流id。和電容q軸電流i q。與電容電流給定值匕、4的偏差再經(jīng)過一個PI控制器得到逆變器 輸出電流d軸分量和q軸分量的參考給定。對逆變器輸出電流d軸分量和q軸分量的參考給定 先進行靜止/旋轉(zhuǎn)變換再進行2/3坐標(biāo)變換得到三相電樞繞組電流給定值，最后三相電樞繞 組電流給定值經(jīng)過SVPWM環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制開關(guān)管占空比的脈寬波，脈寬波轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號以 控制三相逆變橋上的6個開關(guān)管，從而控制電機三相電樞繞組電流。
[0036] 綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0037] (1)驅(qū)動系統(tǒng)在不增加驅(qū)動電路功率管數(shù)量的前提下，引入無源器件LC濾波器，解 決了定子無鐵心永磁同步電機的電樞電感小驅(qū)動控制困難的問題，系統(tǒng)簡單可靠，成本較 低；
[0038] (2)控制方法通過對電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制、對電機電流的閉環(huán)控制、對LC濾波器中 電容電流的閉環(huán)控制，有效消除因為電機定子電感小帶來的電流諧波，使三相電流波形高 度正弦，從而減小電機損耗和轉(zhuǎn)矩脈動；
[0039] (3)控制方法中對LC濾波器中電容電流的閉環(huán)控制，采用電容電流作為反饋信號 形成有源阻尼作用，有效抑制了 LC濾波器帶來的系統(tǒng)諧振，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【主權(quán)項】
1. 一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，包括:逆變器、LC濾波器、系統(tǒng) 控制器、實時采集電機轉(zhuǎn)子位置信號的位置傳感器、實時采集電機三相電樞繞組電流的第 一電流傳感器、實時采集LC濾波器中電容電流的第二電流傳感器，所述逆變器直流側(cè)接直 流電源，LC濾波器輸入側(cè)接逆變器交流側(cè)，定子無鐵心永磁同步電機的各相電樞繞組抽頭 與LC濾波器輸出側(cè)對應(yīng)相的端子連接，系統(tǒng)控制器的輸入端接收電機轉(zhuǎn)子位置信號、電機 三相電樞繞組電流信號、LC濾波器中電容電流信號，系統(tǒng)控制器的輸出端與逆變器中各開 關(guān)器件的控制端連接； 所述系統(tǒng)控制器:根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速修 正值確定電機電流給定值，根據(jù)電機電流給定值以及采集的電機三相電樞繞組電流信號對 電機電流進行閉環(huán)控制，根據(jù)電機電流修正值確定電容電流給定值，根據(jù)電容電流給定值 以及采集的LC濾波器中電容電流對電容電流進行閉環(huán)控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，所述LC濾 波器包括:三相濾波電感和三相濾波電容，各相濾波電感的一端構(gòu)成LC濾波器的輸入側(cè)并 與逆變器交流側(cè)連接，各相濾波電容的一極與對應(yīng)相濾波電感的另一端連接，各相濾波電 容的另一極并接做為LC濾波器的輸出側(cè)。3. 權(quán)利要求1所述定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括： 電機轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制策略、電機電流中環(huán)的控制策略、電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略， 電機轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制策略:根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置信號對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制， 電機電流中環(huán)的控制策略：以電機轉(zhuǎn)速外環(huán)控制過程中得到的電機轉(zhuǎn)速修正值為輸入 信號，以采集的電機三相電樞繞組電流信號為反饋信號對電機電流進行閉環(huán)控制， 電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略：以電機電流中環(huán)控制過程中得到的電機電流修正值為輸入 信號，以采集的LC濾波器中電容電流信號為反饋信號對電容電流進行閉環(huán)控制。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征在 于，所述電機電流中環(huán)的控制策略具體為： 對采集的三相電樞繞組電流先進行Clark變換再進行Park變換得到電機q軸電流和電 機d軸電流； 對電機轉(zhuǎn)速修正值進行PI調(diào)節(jié)得到電機q軸電流給定值，根據(jù)電機q軸電流給定值修正 電機q軸電流； 采用I d=0的控制方式修正電機d軸電流。5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述一種定子無鐵心永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，其特征 在于，所述電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略具體為： 對采集的LC濾波器中電容電流先進行Clark變換再進行Park變換得到電容q軸電流和 電容d軸電流，對電機q軸電流修正值和電機d軸電流修正值分別進行PI調(diào)節(jié)得到電容q軸電 流給定值和電容d軸電流給定值，根據(jù)電容q軸電流給定值和電容d軸電流給定值修正電容q 軸電流和電容d軸電流； 對電容q軸電流修正值和電容d軸電流修正值分別進行PI調(diào)節(jié)得到逆變器q軸電流給定 值和逆變器d軸電流給定值，對逆變器q軸電流給定值和逆變器d軸電流給定值先進行Park 逆變換再進行Clark逆變換得到電機三相電樞繞組電流給定值，對電機三相電樞繞組電流 給定值進行SVPWM控制得到逆變器的驅(qū)動信號。
【文檔編號】H02P21/22GK106026830SQ201610331326
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】張卓然, 耿偉偉
【申請人】南京航空航天大學(xué)