一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机驱动系统及其控制方法，尤其是一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统及其控制方法，属于永磁同步电机的技术领域。系统包括：逆变器、LC滤波器、系统控制器、实时采集电机转子位置信号的位置传感器、实时采集电机三相电枢绕组电流的第一电流传感器、实时采集LC滤波器中电容电流的第二电流传感器。解决了定子无铁心永磁同步电机的电枢电感小驱动控制困难的问题。方法通过对电机转速的闭环控制、对电机电流的闭环控制、对LC滤波器中电容电流的闭环控制，有效消除因为电机定子电感小带来的电流谐波，使三相电流波形高度正弦，从而减小电机损耗和转矩脉动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开一种永磁同步电机驱动系统及其控制方法，尤其是一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统及其控制方法，属于永磁同步电机的

技术介绍
永磁同步电机在电动汽车、航空航天、家用电器等场合具有重要的应用价值和应用前景。作为永磁电机里面一个重要的分支，定子无铁心永磁电机的定子取消了导磁硅钢片，消除了定子的铁心损耗和齿槽转矩，非常适合高速运行。而且，定子上取消了导磁硅钢片后，电机气隙变大，电机电枢反应小，转子损耗低，整个电机运行效率得到大幅度提高。因此，定子无铁心永磁电机作为飞轮储能系统电动/发电机时，可以解决转子在真空环境长期运行过热问题。然而需要特别重视的是定子无铁心永磁电机具有电枢电感小的特性，其电感值一般在μH级，这样必然给驱动逆变器的控制带来困难；利用传统逆变器驱动时，电枢绕组会产生很大的电流脉动和电磁转矩脉动，甚至难以实现电枢绕组电流连续控制。实际上定子电感小的特点并非无铁心电机的特有问题，在高速或超高速电机的驱动控制中也会遇到电枢绕组电感较小、电流控制困难的问题。对于大功率高速定子无铁心电机，驱动控制由于绕组电感极小，该问题尤为突出。目前针对电机电枢电感小的问题采取的控制技术主要有以下几种：1)两电平逆变器提高开关频率(大约在100kHz)；2)电机与逆变器之间串电感；3)采用多相电机技术；4)采用三电平逆变器；5)带前级buck电流源型逆变器。对于提高逆变器的开关频率，在小功率场合应用具有较大的优势，目前的功率器件很难在大功率场合将开关频率提高至100kHz。三电平逆变器的控制复杂，而且逆变器的开关器件增多，成本较高。多相电机技术的采用仍然需要增加逆变器的桥臂数，从硬件组成上来看与三电平逆变器控制技术没有本质的区别。针对定子无铁心盘式永磁电机的驱动技术，专利技术专利CN103391034A和专利CN103368473A提出在直流侧加入DC/DC变换电路，其基本原理是在直流侧DC/DC变换电路中引入了电感来解决定子无铁心轴向磁场永磁同步电机电枢电感小且电流控制困难的问题。然而，该控制方法在直流侧增加功率器件，同时直
流侧电感也较大，控制器成本和体积都大幅增加。因此，如何在保证控制器功率管器件数量不变的条件下，通过无源器件的引入从而解决定子无铁心永磁同步电机的电枢电感小驱动控制困难的问题，具有较大研究价值和实践意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统及其控制方法，在不增加功率管器件数量的前提下，通过增加无源器件LC滤波器的方式有效消除因为电机定子电感小带来的电流谐波，从而减小电机损耗和转矩脉动，解决了定子无铁心永磁同步电机电枢电感小电流控制断续的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统，包括：逆变器、LC滤波器、系统控制器、实时采集电机转子位置信号的位置传感器、实时采集电机三相电枢绕组电流的第一电流传感器、实时采集LC滤波器中电容电流的第二电流传感器，所述逆变器直流侧接直流电源，LC滤波器输入侧接逆变器交流侧，定子无铁心永磁同步电机的各相电枢绕组抽头与LC滤波器输出侧对应相的端子连接，系统控制器的输入端接收电机转子位置信号、电机三相电枢绕组电流信号、LC滤波器中电容电流信号，系统控制器的输出端与逆变器中各开关器件的控制端连接；所述系统控制器：根据电机转子位置信号对电机转速进行闭环控制，根据电机转速修正值确定电机电流给定值，根据电机电流给定值以及采集的电机三相电枢绕组电流信号对电机电流进行闭环控制，根据电机电流修正值确定电容电流给定值，根据电容电流给定值以及采集的LC滤波器中电容电流对电容电流进行闭环控制。作为所述一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统的进一步优化方案，LC滤波器包括：三相滤波电感和三相滤波电容，各相滤波电感的一端构成LC滤波器的输入侧并与逆变器交流侧连接，各相滤波电容的一极与对应相滤波电感的另一端连接，各相滤波电容的另一极并接做为LC滤波器的输出侧。所述定子无铁心永磁同步电机驱动系统的控制方法，包括：电机转速外环的控制策略、电机电流中环的控制策略、电容电流内环的控制策略，电机转速外环的控制策略：根据电机转子位置信号对电机转速进行闭环控
制，电机电流中环的控制策略：以电机转速外环控制过程中得到的电机转速修正值为输入信号，以采集的电机三相电枢绕组电流信号为反馈信号对电机电流进行闭环控制，电容电流内环的控制策略：以电机电流中环控制过程中得到的电机电流修正值为输入信号，以采集的LC滤波器中电容电流信号为反馈信号对电容电流进行闭环控制。进一步的，所述一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统的控制方法中，电机电流中环的控制策略具体为：对采集的三相电枢绕组电流先进行Clark变换再进行Park变换得到电机q轴电流和电机d轴电流；对电机转速修正值进行PI调节得到电机q轴电流给定值，根据电机q轴电流给定值修正电机q轴电流；采用Id＝0的控制方式修正电机d轴电流。再进一步的，所述一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统的控制方法中，电容电流内环的控制策略具体为：对采集的LC滤波器中电容电流先进行Clark变换再进行Park变换得到电容q轴电流和电容d轴电流，对电机q轴电流修正值和电机d轴电流修正值分别进行PI调节得到电容q轴电流给定值和电容d轴电流给定值，根据电容q轴电流给定值和电容d轴电流给定值修正电容q轴电流和电容d轴电流；对电容q轴电流修正值和电容d轴电流修正值分别进行PI调节得到逆变器q轴电流给定值和逆变器d轴电流给定值，对逆变器q轴电流给定值和逆变器d轴电流给定值先进行Park逆变换再进行Clark逆变换得到电机三相电枢绕组电流给定值，对电机三相电枢绕组电流给定值进行SVPWM控制得到逆变器的驱动信号。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)驱动系统在不增加驱动电路功率管数量的前提下，引入无源器件LC滤波器，解决了定子无铁心永磁同步电机的电枢电感小驱动控制困难的问题，系统简单可靠，成本较低；(2)控制方法通过对电机转速的闭环控制、对电机电流的闭环控制、对LC滤波器中电容电流的闭环控制，有效消除因为电机定子电感小带来的电流谐波，使三相电流波形高度正弦，从而减小电机损耗和转矩脉动；(3)控制方法中对LC滤波器中电容电流的闭环控制，采用电容电流作为反馈信号形成有源阻尼作用，有效抑制了LC滤波器带来的系统谐振，提高了驱动系统的稳定性。附图说明图1为定子无铁心永磁同步电机驱动系统的框图；图2为定子无铁心永磁同步电机驱动系统的控制原理图。图中标号说明：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为开关管，Lf1、Lf2、Lf3为三相滤波电感，Cf1、Cf2、Cf3为三相滤波电容。具体实施方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示为本专利技术的一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统，其主电路包括直流电源、三相全桥逆变器、三相LC滤波器和实时采集电机转子位置信号θ的位置传感器、实时采集电机三相电枢绕组电流ia、ib、ic的第一电流传感器、实时采集LC滤波器中电容电流ica、icb、icc的第二电流传感器。三相滤波器包括：三相滤波电感Lf1、Lf2、Lf3和三相滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统，其特征在于，包括：逆变器、LC滤波器、系统控制器、实时采集电机转子位置信号的位置传感器、实时采集电机三相电枢绕组电流的第一电流传感器、实时采集LC滤波器中电容电流的第二电流传感器，所述逆变器直流侧接直流电源，LC滤波器输入侧接逆变器交流侧，定子无铁心永磁同步电机的各相电枢绕组抽头与LC滤波器输出侧对应相的端子连接，系统控制器的输入端接收电机转子位置信号、电机三相电枢绕组电流信号、LC滤波器中电容电流信号，系统控制器的输出端与逆变器中各开关器件的控制端连接；所述系统控制器：根据电机转子位置信号对电机转速进行闭环控制，根据电机转速修正值确定电机电流给定值，根据电机电流给定值以及采集的电机三相电枢绕组电流信号对电机电流进行闭环控制，根据电机电流修正值确定电容电流给定值，根据电容电流给定值以及采集的LC滤波器中电容电流对电容电流进行闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统，其特征在于，包括：逆变器、LC滤波器、系统控制器、实时采集电机转子位置信号的位置传感器、实时采集电机三相电枢绕组电流的第一电流传感器、实时采集LC滤波器中电容电流的第二电流传感器，所述逆变器直流侧接直流电源，LC滤波器输入侧接逆变器交流侧，定子无铁心永磁同步电机的各相电枢绕组抽头与LC滤波器输出侧对应相的端子连接，系统控制器的输入端接收电机转子位置信号、电机三相电枢绕组电流信号、LC滤波器中电容电流信号，系统控制器的输出端与逆变器中各开关器件的控制端连接；所述系统控制器：根据电机转子位置信号对电机转速进行闭环控制，根据电机转速修正值确定电机电流给定值，根据电机电流给定值以及采集的电机三相电枢绕组电流信号对电机电流进行闭环控制，根据电机电流修正值确定电容电流给定值，根据电容电流给定值以及采集的LC滤波器中电容电流对电容电流进行闭环控制。2.根据权利要求1所述一种定子无铁心永磁同步电机驱动系统，其特征在于，所述LC滤波器包括：三相滤波电感和三相滤波电容，各相滤波电感的一端构成LC滤波器的输入侧并与逆变器交流侧连接，各相滤波电容的一极与对应相滤波电感的另一端连接，各相滤波电容的另一极并接做为LC滤波器的输出侧。3.权利要求1所述定子无铁心永磁同步电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括：电机转速外环的控制策略、电机电流中环的控制策略、电容电流内环的控制策略，电机转速外环的控制策略：根据电机转子位置信号对电机转速进行闭环控制，电机电流中环的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卓然，耿伟伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32