一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统及方法与流程

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种少稀土永磁电机的宽调速运行及零序电流抑制方法，特别适合于电动汽车等需要宽调速要求的应用场合。

背景技术：

车用驱动电机作为混合动力汽车、电动汽车的关键执行部件之一，其驱动性能的优劣直接影响混合动力汽车、电动汽车的整车性能。传统的车用驱动电机主要采用内置式稀土永磁无刷电机，具有高效率、高功率密度等优势。但受限于该类电机恒定的气隙磁场及有限的逆变器容量，电机调速范围较窄，在电动汽车等需要宽调速范围的运行场合受到一定限制。目前主要通过弱磁控制等控制手段来提高电机的转速运行范围，但深度弱磁区产生的较大的直轴去磁电流增加了该类电机中稀土磁钢的不可逆退磁危险。

随着稀土材料价格的上涨、稀土资源日益稀缺，发展铝镍钴、铁氧体等少稀土、非稀土材料的永磁无刷电机，以缓解对稀土材料的依赖，对电动汽车、混合动力汽车等需要大量永磁无刷电机的领域具有战略意义。然而少稀土电机中加入的铁氧体材料由于矫顽力低，抗不可逆去磁能力弱，使用弱磁控制提高转速范围的危险更大。因而寻求一种可消除或缓解少稀土永磁无刷电机不可逆退磁风险，同时拓宽电机转速范围的控制策略，成为发展电动汽车用少稀土、非稀土电机亟待解决的问题。

目前绕组开放式拓扑在感应电机、永磁无刷电机领域得到应用。绕组开放式结构是将电机中性点打开，两端各接一个逆变器。相较于传统的中性点连接的拓扑结构，在同样的直流供电电压条件下，绕组开放式拓扑可以获得更大的电压矢量，因而可以有效拓宽电机转速运行范围，具有电压利用率高、器件承受电压低、输出电压波形好、输出谐波小等优势。因此针对使用铁氧体与钕铁硼组合励磁的少稀土永磁无刷电机，使用绕组开放式拓扑可以延缓少稀土永磁电机进入弱磁区，有效缓解少稀土电机抗不可逆去磁能力弱的缺点。绕组开放式拓扑由于绕组两端各接一个逆变器，可以采用给两个逆变器独立供电的方案。然而独立供电需要更多的硬件成本和更大的体积，不符合电动汽车布局紧凑、低成本高性能的要求。少稀土组合励磁永磁无刷电机由于采用钕铁硼和铁氧体组合励磁，大大增加了磁路设计的难度，同时受限于加工工艺，电机旋转产生的相电势中不可避免产生3、9、15等3k次谐波。使用单直流源供电的绕组开放式拓扑时，3k次谐波将无法在电机系统内部消除而留在电机驱动系统中，产生的零序电流会造成电机振动，甚至损坏电机。中国专利号为201410145310.2，名称为“一种基于比例谐振控制的抑制共母线开绕组永磁电机零序电流的方法”的文献中所公开的零序电流抑制方法，考虑了绕组开放式永磁电机3次谐波对电机系统的影响，提出了使用比例谐振控制器抑制3次谐波的方法，得到了理想的电流波形。但这种方法只能抑制单次谐波，若要一体抑制多次谐波需要同时并联多个比例谐振调节器，算法复杂，失去了控制的意义。因此，如何一体抑制多次谐波，从而获得正弦的三相对称相电流，成为发展绕组开放式少稀土永磁无刷电机急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，提供一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统及方法，使用单一直流电源同时给两个逆变器供电的绕组开放式拓扑结构，在拓宽少稀土永磁无刷电机转速运行范围的同时，能够多谐波一体抑制电机零序电流。

本发明一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统采用的技术方案是：控制器通过信号线连接位置传感器，母线电压传感器和电流传感器，电压传感器将检测母线电压u_dc，电流传感器检测三相相电流i_a、i_b、i_c，控制器包含位置及速度计算模块、abc/dq0模块、无零序电压SVPWM模块、转速调节模块、d轴电流调节模块、q轴电流调节模块和谐波抑制模块；位置传感器输出端连接位置及速度计算模块输入端，位置及速度计算模块输出端分别连接谐波抑制模块和无零序电压SVPWM模块的输入端，位置及速度计算模块输出转子电角度θ和电机实时转速n，转子电角度θ输入无零序电压SVPWM模块，转速n输入谐波抑制模块；电压传感器输出端分别连接谐波抑制模块、q轴电流调节模块和d轴电流调节模块；电流传感器输出端连接abc/dq0模块输入端，abc/dq0模块输出d轴、q轴、0轴电流分别是i_d、i_q、i₀，对转速n和电流i_d、i_q采用i_d＝0的双闭环矢量控制结构；将0轴电流i₀与给定的0轴电流i₀^*作比较得到电流差值Δi₀，将电流差值Δi₀输入至谐波抑制模块，谐波抑制模块输出零序电压u₀^*且输出端连接无零序电压SVPWM模块输入端。

所述双闭环矢量控制结构是，d轴电流i_d与给定的d轴电流i_d^*作比较，得到的电流差值Δi_d输入至d轴电流调节模块，d轴电流调节模块输出电压u_d^*且输出端连接无零序电压SVPWM模块输入端；转速n与给定的转速n^*作比较，得到的转速差值Δn输入至转速调节模块，转速调节模块得到q轴给定电流i_q^*，将q轴电流i_q^*与电流i_q作比较得到的电流差值Δi_q输入至q轴电流调节模块，q轴电流调节模块输出电压u_q^*且输出端连接无零序电压SVPWM模块输入端。

本发明一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制方法采用的技术方案是具有以下步骤：

步骤1：位置传感器采集位置信号并输入位置及速度计算模块，位置及速度计算模块输出转子电角度θ和电机实时转速n；电压传感器采集直流母线电压u_dc并输入谐波抑制模块、q轴电流调节模块和d轴电流调节模块，电流传感器采集三相相电流i_a、i_b、i_c并输入abc/dq0模块，经abc/dq0模块变换后输出d轴、q轴、0轴电流分别是i_d、i_q、i₀，对转速n和电流i_d、i_q采用i_d＝0的双闭环矢量控制方法获得输出电压u_d^*和u_q^*；

步骤2：将给定的0轴电流i₀^*与0轴电流i₀做差得到电流差值Δi₀，并将电流差值Δi₀输入至谐波抑制模块，谐波抑制模块先根据表达式计算得到抑制输出u_r，根据表达式u_p＝K_pΔi₀计算得到动态响应输出u_p，再将动态响应输出u_p与抑制输出u_r相加，并与母线电压u_dc作商得到零序电压输出u₀^*；Q(z)为低通滤波器；K_rz^L为补偿环节，K_r为抑制增益，L为补偿环节的超前节拍数，L<N；N为系统电流采样频率f_s与被控对象频率f₀之比：被控对象频率f₀为电机频率的3倍频；K_p为比例增益；z为z变换算子；

步骤3：将电压u_d^*和u_q^*以及零序电压输出u₀^*、转子电角度θ共同输入到无零序电压SVPWM模块，无零序电压SVPWM模块驱动两台标准两电平逆变器，将两台两电平逆变器各连接中性点打开的绕组开放式少稀土永磁无刷电机的绕组两端。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明针对绕组开放式少稀土永磁无刷电机，由于电机设计难度及加工误差等原因造成的电机相反电动势3、9、15等3k次谐波，在矢量控制策略的基础上提出多谐波一体抑制控制方法，通过这种方法形成零轴电流闭环，达到实时监测及反馈零序电流的目的。在SVPWM调制策略不产生零序电压的基础上，一次性消除反电势多次谐波对电机相电流造成的影响，这种控制方法既不需要针对多次谐波一一抑制，降低了算法实施的难度，也不需要通过增加硬件来抑制多次谐波，节约了硬件成本，能够使电机驱动系统高效而稳定的运行。

2、由于少稀土永磁电机采用绕组开放式电路拓扑，可以在相同的直流源条件下获得三电平的调制效果，多电平效果可以提高电压利用率、减小输出电压谐波，且与传统的中点钳位型三电平逆变器相比，没有后者存在的中点电压波动问题；在此基础上，绕组开放式结构还可以拓宽电机转速运行范围，特别适合运用于电动汽车领域的少稀土永磁无刷电机，能够延缓少稀土永磁电机进入弱磁区，降低少稀土永磁电机发生不可逆退磁的风险，实现宽调速运行的目的。

3、本发明能缓解少稀土永磁电机抗不可逆去磁能力弱的缺点，降低电机对稀土材料的依赖，使得电机能够获得理想的电流波形。

4、本发明能协调控制两个标准两电平逆变器同时工作。采用不产生零序电压的SVPWM调制策略，在任意时刻两个逆变器产生的电压矢量都不会产生零序电压，减小了调制方式对电机造成的影响；同时协调两个逆变器的开关顺序，最大化地降低开关器件的开关损耗，从而延长电机系统的使用寿命。

5、本发明采用单直流电源供电的绕组开放式电路拓扑，可以节约两条供电母线及一侧逆变器的稳压电解电容，减小电机驱动系统体积及系统成本的同时，提高系统的运行可靠性。

6、本发明在SVPWM调制策略下，两个逆变器的加入可以获得更多电压矢量，大大提高电机的容错能力，在发生逆变器故障和电机故障的情况下仍能够利用丰富的剩余电压矢量保证电机稳定运行，特别适合于电动汽车、混合动力汽车等要求高可靠性、高稳定性的应用场合。

附图说明

图1是本发明一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统的结构框图；

图2是图1中控制器7的内部组成框图以及外接图；

图3是图2中谐波抑制模块16的工作流程框图；

图4是图2中无零序电压SVPWM模块12的空间矢量分布图；

图5为少稀土永磁电机未采用本发明时A相相电流仿真波形图；

图6为少稀土永磁电机未采用本发明时A相相电流谐波分析示意图；

图7为少稀土永磁电机采用了本发明时A相相电流仿真波形图；

图8为少稀土永磁电机采用了本发明时A相相电流谐波分析示意图。

图中：1.少稀土永磁无刷电机；2.位置传感器；3、4.两电平逆变器；5.直流供电电源；6.电解电容；7.控制器；8.电压传感器；9.电流传感器；10.位置及速度计算模块；11.abc/dq0模块；12.无零序电压SVPWM模块；13.转速调节模块；14.d轴电流调节模块；15.q轴电流调节模块；16.谐波抑制模块。

具体实施方式

如图1所示，少稀土永磁无刷电机1采用绕组开放式结构，其绕组的中性点打开，绕组两端各接一台标准两电平逆变器，标准两电平逆变器分别是第一两电平逆变器3和第二两电平逆变器4。中性点引出6个接线端子a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂分别对应为电机A相、B相、C相相绕组的两端输出端子，接线端子a₁、b₁、c₁分别接第一两电平逆变器3的三个桥臂的输出端，接线端子a₂、b₂、c₂分别接第二两电平逆变器4的三个桥臂的输出端。

第一两电平逆变器3和第二两电平逆变器4均为三桥臂结构，每个桥臂由两个IGBT开关器件及对应并联的反向二极管组成，12个IGBT开关器件分别是V₁₁、V₁₃、V₁₅、V₁₄、V₁₆、V₁₂、V₂₁、V₂₃、V₂₅、V₂₄、V₂₆、V₂₂，12个反向二极管分别是D₁₁、D₁₃、D₁₅、D₁₄、D₁₆、D₁₂、D₂₁、D₂₃、D₂₅、D₂₄、D₂₆、D₂₂。第一两电平逆变器3和第二两电平逆变器4同时由一个直流供电电源5供电，在直流供电电源5两侧并联电解电容6。

第一两电平逆变器3和第二两电平逆变器4分别通过控制线连接控制器7，由控制器7驱动工作。控制器7通过信号线连接位置传感器2，位置传感器2安装在少稀土永磁无刷电机1的轴上，位置传感器2用于检测少稀土永磁无刷电机1的实时转子位置，并将实时转子位置信号传送至控制器7。控制器7还分别通过信号线连接母线电压传感器8和电流传感器9，电压传感器8用于检测母线电压u_dc，电流传感器9用于检测三相相电流i_a、i_b、i_c，电压传感器8和电流传感器9将母线电压u_dc和相电流i_a、i_b、i_c传送至控制器7。

控制器7将实时转子位置信号、三相相电流i_a、i_b、i_c、母线电压u_dc作为输入，并通过控制策略合成12路PWM波(即PWM1-6和PWM7-12)对两台两电平逆变器分别进行驱动控制，即PWM1-6驱动第一两电平逆变器3，PWM7-12驱动第二两电平逆变器4。

如图2所示，控制器7包含位置及速度计算模块10、abc/dq0模块11、无零序电压SVPWM模块12、转速调节模块13、d轴电流调节模块14、q轴电流调节模块15、谐波抑制模块16。其中，位置传感器2的输出端连接位置及速度计算模块10输入端，位置及速度计算模块10的输出端分别连接谐波抑制模块16和无零序电压SVPWM模块12的输入端。位置传感器2检测到的实时转子位置信号输入位置及速度计算模块10，经位置及速度计算模块10计算后输出转子电角度θ和电机实时转速n，转子电角度θ输入无零序电压SVPWM模块12，电机实时转速n输入谐波抑制模块16。

电流传感器9的输出端连接abc/dq0模块11的输入端，电流传感器9检测到的三相相电流i_a、i_b、i_c输入abc/dq0模块11，经abc/dq0模块11输出变换后的d轴、q轴、0轴电流分别是i_d、i_q、i₀。

电压传感器8的输出端分别连接谐波抑制模块16、q轴电流调节模块15和d轴电流调节模块14，电压传感器8将检测到的母线电压u_dc分别输入谐波抑制模块16、q轴电流调节模块15、d轴电流调节模块14。

将abc/dq0模块11输出的d轴电流i_d与给定的d轴电流i_d^*作比较，得到电流差值Δi_d，并将电流差值Δi_d输入至d轴电流调节模块14中，d轴电流调节模块14的输出端连接无零序电压SVPWM模块12的输入端。d轴电流调节模块14为一个PI调节模块，同时具有限幅和标幺作用，d轴电流调节模块14对输入的电流Δi_d和母线电压u_dc调节后输出电压u_d^*，电压u_d^*范围限制在0～1。电压u_d^*输入至无零序电压SVPWM模块12。

将位置及速度计算模块10输出的转速n与给定的转速n^*作比较，得到转速差值Δn，将转速差值Δn输入至转速调节模块13，经转速调节模块13调节处理后得到q轴电流给定i_q^*，将q轴给定电流i_q^*与abc/dq0模块11输出的q轴电流i_q作比较，得到电流差值Δi_q，并将电流差值Δi_q输入至q轴电流调节模块15中，q轴电流调节模块15的输出端连接无零序电压SVPWM模块12的输入端。q轴电流调节模块15为一个PI调节模块，同时具有限幅和标幺作用，q轴电流调节模块15对输入的电流差值Δi_q和母线电压u_dc调节处理后输出电压u_q^*，将电压u_q^*输入至无零序电压SVPWM模块12。

本系统对转速n和电流i_d、i_q采用的是基于i_d＝0的双闭环矢量控制结构。

将abc/dq0模块11输出的0轴电流i₀与给定的0轴电流i₀^*作比较，得到电流差值Δi₀，并将电流差值Δi₀输入至谐波抑制模块16，由此构成0轴电流闭环。谐波抑制模块16的输出端连接无零序电压SVPWM模块12的输入端。谐波抑制模块16对输入的电流Δi₀、母线电压u_dc、电机实时转速n处理后输出零序电压u₀^*，将零序电压u₀^*输入至无零序电压SVPWM模块12。

无零序电压SVPWM模块12对输入其内的零序电压u₀^*、转子电角度θ、电压u_d^*、电压u_q^*调制后输出12路PWM波，分别驱动两台两电平逆变器3、4。

如图1和图2所示，本发明一种少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统工作时，基于i_d＝0的双闭环矢量控制，并在其基础上抑制零序电流，具体包括如下步骤：

步骤1：通过位置传感器2采集电机转子位置信号并将位置信号输入位置及速度计算模块10中，位置及速度计算模块10输出转子电角度θ和电机实时转速n。通过电压传感器8采集直流母线电压u_dc并将母线电压u_dc输入谐波抑制模块16、q轴电流调节模块15、d轴电流调节模块14中。通过电流传感器9采集三相相电流i_a、i_b、i_c，并将三相相电流i_a、i_b、i_c输入abc/dq0模块11，经abc/dq0模块11变换后输出d轴、q轴、0轴电流分别是i_d、i_q、i₀，变换公式为：

步骤2：将给定的d轴电流i_d^*与abc/dq0模块11输出的d轴电流i_d做差，得到电流差值Δi_d，并将电流差值Δi_d输入至d轴电流调节模块14中，d轴电流调节模块14为PI调节器，同时具有限幅和标幺作用，d轴电流调节模块14输出电压u_d^*，范围限制在0～1。电压u_d^*表达式为：

其中，u_dc为母线电压；k_p为d轴电流调节模块14的比例增益；k_i为d轴电流调节模块14的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；u_dLim为限幅值。

同时，将给定的转速n^*与位置及速度计算模块10输出的转速n做差，得到转速差值Δn，将转速差值Δn输入至转速调节模块13，转速调节模块13为一个带限幅的PI调节模块，表达式为：

其中，k_p为转速调节模块13的比例增益；k_i为转速调节模块13的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；i_qLim为限幅值。

转速调节模块13的输出为q轴电流给定i_q^*，将其与abc/dq0模块11输出的q轴电流i_q做差，得到电流差值Δi_q，并将电流差值Δi_q输入至q轴电流调节模块15中，q轴电流调节模块15为一个PI调节模块，同时具有限幅和标幺作用，q轴电流调节模块15输出的u_q^*范围限制在0～1。其表达式为：

其中，u_dc为直流母线电压；k_p为q轴电流调节模块15的比例增益；k_i为q轴电流调节模块15的积分增益；z为z变换算子；sgn()为符号函数；u_dLim为限幅值。

如此，对转速n和电流i_d、i_q采用i_d＝0的双闭环矢量控制方法获得输出电压u_d^*和u_q^*。

同时，将给定的0轴电流i₀^*与abc/dq0模块11输出的0轴电流i₀做差，得到电流差值Δi₀，并将电流差值Δi₀输入至谐波抑制模块16中，谐波抑制模块16的工作流程框图如图3所示，具体是：

谐波抑制模块16将电流差值Δi₀作为输入，与Q(z)z^-N构成的正反馈相乘，得到Q(z)z^-N的输出，该输出与补偿环节K_rz^L相乘，得到抑制输出u_r，抑制输出u_r的表达式为：

其中，Q(z)为低通滤波器，用于提高谐波抑制的稳定性。本发明中设置Q(z)为：

K_rz^L为补偿环节，用于补偿抑制引起的幅值和相位的滞后，其中K_r为抑制增益，L为补偿环节的超前节拍数，需要满足L<N；z为z变换算子；

N为系统电流采样频率f_s与被控对象频率f₀之比，系统电流采样频率f_s为10kHz，被控对象频率f₀与电机频率有关，电机频率可由常规的电机转速公式计算得到，由于抑制的谐波为3k次谐波，所以被控对象频率f₀应为电机频率的3倍频。N的计算公式为：

其中，p为电机极对数，n为转速。

同时，将电流Δi₀与比例增益K_p相乘，得到动态响应输出u_p，计算公式为：

u_p＝K_pΔi₀，

K_p为比例增益，用于提高抑制方法的动态响应。

再将动态响应输出u_p与抑制输出u_r相加，并与母线电压u_dc作商，得到标幺后的零序电压输出u₀^*，标幺后的零序电压输出u₀^*范围为0～1，这样就可形成零轴电流闭环，不断产生零序电压输出u₀^*补偿反电势3k次谐波。

步骤3：将电压u_d^*、u_q^*及零序电压输出u₀^*、转子电角度θ共同输入到无零序电压SVPWM模块12中。由于两台标准两电平逆变器3、4使用12个IGBT开关器件，所以控制器7输出12路PWM波，即PWM1-6、PWM7-12分别驱动两台标准两电平逆变器3、4运行。无零序电压SVPWM模块12的空间矢量分布图如4所示：

在两相静止坐标系αβ0下，系统结构一共可以产生64个矢量，分别分布于GIKMPR、HJLNKS、ABCDEF及原点O处。其中GIKMPR、ABCDEF在使用单直流源绕组开放式供电结构时，SVPWM调制均会产生零序电压，从而造成零序电流，影响输出效果；而HJLNKS及O处在任意时刻均不会产生零序电压，因而不会产生零序电压造成零序电流，因此选取这些矢量位置形成SVPWM调制。经过无共模电压SVPWM调制模块后，输出12路PWM波，分别为PWM1-6、PWM7-12。

步骤4：将输出的PWM1-6、PWM7-12分别输入到第一两电平逆变器3和第二两电平逆变器4中，用于驱动12个开关器件，从而驱动电机运行。

本发明少稀土永磁电机零序电流抑制控制系统工作时，系统电流采样频率不断重复，实现多谐波一体抑制，且使得电机在双闭环环境下运行。

对本发明系统进行仿真，电机的相关参数如表1所示：

表1

图5为不使用本发明零序电流抑制控制系统及控制方法的A相相电流波形，图6为对应的A相相电流谐波分析。可以看到，没有采用本发明零序电流抑制控制系统的A相相电流畸变严重，这是由于零序电流不为零导致的。由于采用的SVPWM调制方式是任意时刻无零序电压SVPWM调制，在任意时刻调制产生的零序电压均为0，因此零序电流仅由反电动势谐波引起。从图6可以得到A相电流3、9次谐波分量分别为15.63％、3.61％，谐波含量较高，势必影响电机驱动系统的稳定运行。

图7为使用了本发明零序电流抑制控制系统及控制方法的A相相电流波形，图8为对应的A相相电流谐波分析。可以看出，相电流正弦度大大提高，这是因为零序电流基本抑制为零，从而不再影响相电流的输出质量。从图8也可以看出A相相电流中3、9次谐波同时大幅减小，分别减为1.70％、0.08％，可见抑制效果非常明显。