基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法，该算法通过电流观测器重构出无电流传感器那一相的相电流，进而计算出零序电流，实现对零序电流的有效抑制。本发明专利技术永磁同步电机系统控制方法仅采用两个电流传感器的拓扑结构及对应的控制方法，可以同时实现对电机的转速调节和对零序电流的抑制，该控制方法可以通过减少电流传感器的使用来降低系统的成本，并且还可以有效提高传统三电流传感器系统的鲁棒性，即在传统三电流传感器系统中当某个传感器出现故障时，采用本发明专利技术控制方法依然可以使系统正常工作。

Control Method of Open Winding Permanent Magnet Synchronous Motor System with Common DC Bus Based on Dual Current Sensors

The invention discloses a control method of a dual current sensor based common DC bus open winding permanent magnet synchronous motor system. The algorithm reconstructs the phase current of the current sensorless phase through a current observer, and then calculates the zero sequence current, so as to effectively suppress the zero sequence current. The control method of the permanent magnet synchronous motor system adopts only the topology structure of two current sensors and the corresponding control method, which can simultaneously realize the speed regulation of the motor and the suppression of the zero sequence current. The control method can reduce the cost of the system by reducing the use of the current sensor, and can effectively improve the robustness of the traditional three current sensor system. When a sensor fails in a traditional three-current sensor system, the control method of the invention can still make the system work normally.

【技术实现步骤摘要】
基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法
本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法。
技术介绍
永磁同步电机具有结构简单可靠、功率密度高、转矩惯量比大、控制简单灵活、效率高等优点，成为了机械加工及传动领域的核心部件，被广泛应用在工业、国防以及民用生活的各个领域。永磁同步电机是通过一个三相逆变器进行控制，三相逆变器的容量与电机的额定功率需要和应用场合匹配。在大功率应用场合，不仅要求永磁同步电机的额定功率较大，而且要求三相逆变器的容量也较大；但受到功率开关器件的限制，大容量的逆变器不仅价格高昂，而且其额定参数也较难满足使用要求，因此传统的永磁同步电机驱动系统在大功率场合下的应用受到了限制。为了解决大功率场合下传统永磁同步电机驱动系统受到的局限性，故提出了开绕组永磁同步电机结构，如图1所示，这种结构将传统永磁同步电机的中性点打开，并额外接入一个三相变流器。因此，开绕组永磁同步电机驱动系统中使用两个三相逆变器来同时对电机供电，这样可以有效降低对单开关器件的应力要求；具体来说，相同功率等级的情况下功率开关器件的额定电压可以减小一半，除此之外，这种开绕组系统还具有以下两个优点：1.由于电机是通过两侧逆变器同时供电，使得相电压的取值出现了多种电平；对于两侧逆变器采用同一个母线电压源的结构来说，相电压的取值存在三种情况，系统整体呈现出的是一种三电平结构，多电平结构可以被用来减少相电流的谐波分量，进行更加精确灵活的控制。2.系统具有容错性能；在功率开关器件或者电流传感器等出现异常无法正常工作的情况下，通过相应的控制算法可以使得电机能够在当前故障模式下继续运行。由于仅需要一个直流电压源，因此共直流母线开绕组永磁同步电机系统更具有研究价值。但是在这种共直流母线系统中会存在零序回路，在零序电压的作用下系统中将会不可避免的产生零序电流，而零序电流的存在会造成转矩脉动，给电机的控制精度带来影响；此外，零序电流还会造成额外的损耗与温升，影响系统的效率及工作状况。因此，需要对共直流母线系统中的零序电流进行抑制，为了实现该目标需要不断地检测系统中的零序电流。目前的抑制算法中，在拓扑结构上均需要同时采用三个电流传感器来采集三相电流ia、ib以及ic，进而利用下式直接求解得出零序电流i0：但是在这些策略中，三个电流传感器的同时使用不仅增加了系统的硬件成本，而且降低了系统的可靠性；当某个电流传感器出现故障时，上面的零序电流计算公式无法正确地计算出系统中的零序电流，系统将无法继续维持对零序电流的抑制。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法，该算法通过电流观测器重构出无电流传感器那一相的相电流，进而计算出零序电流，实现对零序电流的有效抑制。一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法包括如下步骤，所述系统包括一台永磁同步电机和两台逆变器J1～J2，永磁同步电机的三相定子绕组为开绕组结构，其一侧与逆变器J1的交流侧连接，另一侧与逆变器J2的交流侧连接，两台逆变器J1～J2的直流侧并联接于公共的直流母线；(1)利用两个电流传感器分别采集电机任意两相定子绕组电流ia和ib，同时通过位置编码器测量出电机的转速ω和转子位置角θ；(2)根据转速ω以及任意两相定子绕组电流ia和ib，通过对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，进而计算得到零序电流i0；(3)使ia和ib分别减去i0对应得到不包含零序电流的两相定子绕组电流ia'和ib'，进而利用转子位置角θ对ia'、ib'和ic'进行Park变换得到电机定子电流的d轴电流分量Id和q轴电流分量Iq；(4)根据Id和Iq通过双闭环控制策略以及SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术生成逆变器J1和J2的PWM驱动信号并施加控制。进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算零序电流i0：进一步地，所述步骤(2)中对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，具体过程如下：2.1使ia-ib作为iα，使前一时刻的β轴电流分量iβ'作为iβ，利用前一时刻计算得到的旋转角σ将iα和iβ从α-β坐标系转换至d-q坐标系，得到对应的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；2.2对id依次进行PI(比例积分)控制以及积分得到新一时刻的旋转角σ；2.3分别对id和iq进行低通滤波，对应得到id'和iq'；2.4利用新一时刻的旋转角σ将id'和iq'从d-q坐标系转换至α-β坐标系，得到得到新一时刻的α轴电流分量iα'和β轴电流分量iβ'；2.5最后使新一时刻的β轴电流分量iβ'乘以后即得到不包含零序电流i0的另一相定子绕组电流ic'。进一步地，所述步骤(2)中对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，具体过程如下：2.1对转速ω进行积分得到新一时刻的旋转角σ；2.2使ia-ib作为iα，使前一时刻的β轴电流分量iβ'作为iβ，利用旋转角σ将iα和iβ从α-β坐标系转换至d-q坐标系，得到对应的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；2.3分别对id和iq进行低通滤波，对应得到id'和iq'；2.4利用旋转角σ将id'和iq'从d-q坐标系转换至α-β坐标系，得到得到新一时刻的α轴电流分量iα'和β轴电流分量iβ'；2.5最后使新一时刻的β轴电流分量iβ'乘以后即得到不包含零序电流i0的另一相定子绕组电流ic'。进一步地，所述步骤(4)的具体实现过程如下：4.1使给定的转速指令值ω*减去电机转速ω后的转速差值经PI控制后生成q轴电流指令iq*，同时令d轴电流指令id*和零轴电流指令i0*均为0；4.2分别对Id和Iq进行解耦：使id*减去Id后的差值经PI控制后加上对应的耦合项Δud得到d轴电压指令ud，使iq*减去Iq后的差值经PI控制后加上对应的耦合项Δuq得到q轴电压指令uq；其中：Δud＝-ωLqIq，Δuq＝ω(ψf+LdId)，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，ψf为电机的转子磁链；4.3使i0*减去i0后的差值经PR(比例谐振)控制生成零轴电压指令u0；4.4利用转子位置角θ将ud和uq从d-q坐标系转换至α-β坐标系，得到对应的α轴电压指令uα和β轴电压指令uβ；4.5使uα、uβ和u0作为电压参考指令输入至SVPWM模块中进行调制，生成逆变器J1和J2的PWM驱动信号。本专利技术永磁同步电机系统控制方法仅采用两个电流传感器的拓扑结构及对应的控制方法，可以同时实现对电机的转速调节和对零序电流的抑制，该控制方法可以通过减少电流传感器的使用来降低系统的成本，并且还可以有效提高传统三电流传感器系统的鲁棒性，即在传统三电流传感器系统中当某个传感器出现故障时，采用本专利技术控制方法依然可以使系统正常工作。附图说明图1为传统共直流母线开绕组永磁同步电机系统结构示意图。图2为本专利技术共直流母线开绕组永磁同步电机系统结构示意图。图3为无需转速信息的电流观测器模型示意图。图4为需要转速信息的电流观测器模型示意图。图5为本专利技术电机控制方法的原理示意图。图6(a)为使用电流观测模型观测到的相电流与真实电流的对比示意图。图6(b)为使用电流观测模型观测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法，所述系统包括一台永磁同步电机和两台逆变器J1～J2，永磁同步电机的三相定子绕组为开绕组结构，其一侧与逆变器J1的交流侧连接，另一侧与逆变器J2的交流侧连接，两台逆变器J1～J2的直流侧并联接于公共的直流母线；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：(1)利用两个电流传感器分别采集电机任意两相定子绕组电流ia和ib，同时通过位置编码器测量出电机的转速ω和转子位置角θ；(2)根据转速ω以及任意两相定子绕组电流ia和ib，通过对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，进而计算得到零序电流i0；(3)使ia和ib分别减去i0对应得到不包含零序电流的两相定子绕组电流ia'和ib'，进而利用转子位置角θ对ia'、ib'和ic'进行Park变换得到电机定子电流的d轴电流分量Id和q轴电流分量Iq；(4)根据Id和Iq通过双闭环控制策略以及SVPWM技术生成逆变器J1和J2的PWM驱动信号并施加控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于双电流传感器共直流母线开绕组永磁同步电机系统的控制方法，所述系统包括一台永磁同步电机和两台逆变器J1～J2，永磁同步电机的三相定子绕组为开绕组结构，其一侧与逆变器J1的交流侧连接，另一侧与逆变器J2的交流侧连接，两台逆变器J1～J2的直流侧并联接于公共的直流母线；其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：(1)利用两个电流传感器分别采集电机任意两相定子绕组电流ia和ib，同时通过位置编码器测量出电机的转速ω和转子位置角θ；(2)根据转速ω以及任意两相定子绕组电流ia和ib，通过对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，进而计算得到零序电流i0；(3)使ia和ib分别减去i0对应得到不包含零序电流的两相定子绕组电流ia'和ib'，进而利用转子位置角θ对ia'、ib'和ic'进行Park变换得到电机定子电流的d轴电流分量Id和q轴电流分量Iq；(4)根据Id和Iq通过双闭环控制策略以及SVPWM技术生成逆变器J1和J2的PWM驱动信号并施加控制。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算零序电流i0：3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中对不包含零序电流的另一相定子绕组电流ic'进行重构观测，具体过程如下：2.1使ia-ib作为iα，使前一时刻的β轴电流分量iβ'作为iβ，利用前一时刻计算得到的旋转角σ将iα和iβ从α-β坐标系转换至d-q坐标系，得到对应的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；2.2对id依次进行PI控制以及积分得到新一时刻的旋转角σ；2.3分别对id和iq进行低通滤波，对应得到id'和iq'；2.4利用新一时刻的旋转角σ将id'和iq'从d-q坐标系转换至α-β坐标系，得到得到新一时刻的α轴电流分量iα'和β轴电流分量iβ'；2.5最后使新一时刻的β轴电流分量iβ'乘以后即得到不包含零序电流i0的另一相定子绕组电流ic'。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中对不包含零序电...

【专利技术属性】
技术研发人员：年珩，胡伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33