一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法与流程

本发明涉及永磁电机领域，尤其涉及一种飞跨电容开绕组弱磁控制领域，具体是一种开绕组单位功率因数弱磁控制，有利于提高永磁电机功率因数，改善电机的控制性能。

背景技术：

随着电动汽车、风力发电、海浪发电等高新技术的快速发展，如何提升其中电机系统的可靠性和能量转换的效率已成为了这些领域中的热点问题。在此技术背景下，一种永磁游标电机，以其高的功率密度和结构简单的特点，被广泛认为在直接驱动系统中具有广阔的应用前景。但是，传统永磁电机的漏磁较大，功率因数较低，往往需要配备较大容量的逆变器，这无疑会增加系统的成本。因此，功率因数的提高对降低系统的无功功率和提高驱动系统的效率至关重要。

另一方面，由于功率器件的电压容量和载流能力有限，单个两电平逆变器难以满足高压，大功率应用需求。相比传统两电平逆变器，多电平逆变器具有电磁噪声低，谐波电压小等优点，已成功应用于高压、大功率和高可靠性领域。作为多电平逆变器的一种，开绕组驱动系统将y型定子绕组的中性点打开，六个绕组端子分别连接到两个标准两电平逆变器。如果开绕组驱动系统中的一个逆变器由飞跨电容供电，不仅结构简化，成本降低，并且恒功率调速范围可以超过单个逆变器的最大调速范围。

矢量控制由于稳态性能好，鲁棒性强而被广泛使用。在矢量控制的基础上引入弱磁控制和单位功率因数控制，以获得较宽的调速范围，实现有功无功功率的解耦，减轻了电源的无功负担。空间矢量脉冲宽度调制型控制具有许多优点，例如，更好的直流电压利用率，更低的转矩脉动，并且更容易在数字驱动器中实现，因此更适用于高可靠性需求领域。

技术实现要素：

本发明针对永磁电机功率因数低的问题，利用功率理论解耦电机所需功率流，全部无功功率由电容器组提供，使电机系统在单位功率因数状态下运行，从而获得更高电压利用率。并引入弱磁控制，实现电机的弱磁扩速，进一步提高电机的控制性能。通过空间矢量调制控制策略，减小转矩和磁链脉动，获得固定的开关频率，降低电磁噪声。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制方法，包括以下步骤：

1)构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成，包括主逆变器与电容逆变器；

2)采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流，并通过q轴电流调节器得到q轴参考电压，d轴电流参考值由弱磁模块得到；

3)采集电容逆变器中电容器组的电压，与电容电压给定值ucap^*比较，将差值送入电容pi控制器，得到电容充电参考电压ucpi；

4)采用电流反馈解耦方式来减弱dq轴电流的耦合，并利用功率解耦理论对电机运行所需功率进行解耦，通过单位功率因数模块重新分配有功功率与无功功率，结合电容充电参考电压ucpi分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量；

5)将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用svpwm技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上，实现飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制。

进一步，步骤2中，d轴电流参考值由弱磁模块得到的具体实现过程为：

首先该被控系统拓扑中，由于两个逆变器母线彼此电隔离，共模电压没有闭合回路，因此不会产生可能损坏功率器件与电机的零序电流，开绕组拓扑下电机所获得的电压矢量为：

us＝uinv1-uinv2

其中，us为电机获得的电压矢量，uinv1为电源逆变器的电压矢量，uinv2为电容逆变器`的电压矢量；

两个逆变器共同产生的矢量分布共有64个电压矢量，因此相比于单逆变器拓扑，矢量选择自由度更高；

对于表贴式永磁电机id＝0控制等价于最大转矩电流比控制，电机弱磁控制是通过产生负向的d轴电流，来削弱d轴的磁链以此来实现弱磁扩速，计算弱磁控制所需要的d轴电流，dq轴磁链的表达式如下：

其中，ψd为d轴磁链，ψq为q轴磁链，ld为d轴电感，id为测得的d轴电流，ψf为永磁磁链，lq为q轴电感，iq为测得的q轴电流；

在飞跨电容拓扑的弱磁控制中，为了使电机不超出调制区用电源电压udc作为是否进入弱磁控制的基准，作为电机端电压的最大值，在稳态忽略电机定子电阻压降并不考虑dq轴耦合的条件下dq轴电压表达式如下：

其中，ud为d轴电压，uq为q轴电压，we为电角速度，因此可以计算出系统合成参考电压幅值为：

进一步得到有功电压和无功电压与电角速度之间的关系：

其中，uactive为电机所需的有功电压，ureactive为为电机所需的无功电压，为功率因数角，id^*为d轴弱磁电流给定值；

通过控制id^*的负向增加,可以实现电机的弱磁运行,同时考虑到永磁电机功率因数较低，在同一速度下需要的无功电压大于有功电压，因此采用电容pi调节器将电容电压幅值维持在高于电源电压幅值上，同时可以看出，在不弱磁的情况下，速度的提升，需要的无功电压与有功电压同时增加。

进一步，当大于等于的值时不进入弱磁控制，此时id^*的值为零，当小于的值时进入弱磁控制，此时id^*的值为负值，电机运行所需要的d轴弱磁电流给定值id^*由与的差值经过比例积分控制器产生，其中，umid'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的d轴参考电压，umiq'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的q轴参考电压。

进一步，步骤4的具体过程为：

为了减轻比例积分控制器负担，同时减弱dq轴的耦合，具体计算方法如下：

其中，udo为电流反馈解耦模块产生的d轴电压，uqo为电流反馈解耦模块产生的q轴电压，we为电角速度，ld,lq为dq轴电感，id，iq为测得的dq轴电流，ψf为永磁磁链；

dq轴电流调节器产生的dq轴电压为ud'，uq'，送入功率解耦模块的电压为ud，uq，其计算方法如下：

将所需功率解耦，提出功率解耦分配策略具体过程如下：

由于两个逆变器母线隔离，不存在零序电流问题，根据功率解耦理论求出有功电压

uactive与无功电压ureactive：

其中，uactive为为电机所需的有功电压，ureactive为为电机所需的无功电压，为功率因数角；

将dq轴坐标系下的参考电压矢量uactive进行分解，主逆变器的参考电压矢量计算方法如下：

其中，umid为主逆变器d轴参考电压，umiq为主逆变器q轴参考电压,为电流矢量与α轴之间的夹角。

进一步，步骤5中的两套逆变器的参考电压矢量的具体实现过程为：

通过步骤3中计算得到的电容逆变器中电容器组的电压的实测值ucap与电容逆变器中电容器组的电压的参考值ucap^*比较，并将电容逆变器中电容器组的电压比较误差经过比例积分控制器后，得到电容充电电压给定值ucpi，根据功率流动理论，该电压应通过主逆变器充入电容器组，因此可以得出考虑电容电压控制后主逆变器的参考电压矢量计算方法：

其中，umid'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的d轴参考电压，umiq'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的q轴参考电压；

结合开绕组电压矢量计算公式，可以求出电容逆变器的参考电压矢量：

其中，ucid考虑电容电压控制后电容逆变器的d轴参考电压，uciq考虑电容电压控制后电容逆变器的q轴参考电压。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过利用功率解耦理论，解耦电机所需功率流，实现电机系统单位功率因数控制，降低主逆变器与直流电源的无功压力，提高了驱动系统的功率因数与效率；在开绕组控制中引入弱磁控制来实现电机的弱磁扩速运行，提高电机的控制性能，并通过引入电流反馈解耦控制来进一步提高电机的控制性能和控制的稳定性。本发明所提出的方法可以使电容电压维持在较高的电压水平以扩展电机运行的恒功率区，使电机在弱磁区域内亦能运行在单位功率因数状态，充分释放了电源的无功压力，因此极大地提高了电机的控制性能，实现了永磁电机的高性能控制。

2、本发明所提出的控制方法，可以满足电动汽车、风力发电、海浪发电等高新技术领域高精度运行的要求，提高永磁电机在上述领域的地位。

附图说明

图1为基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制框图；

图2为开绕组拓扑下电压矢量分布图；

图3为弱磁控制框图

图4为系统功率流示意图；

图5为速度与d轴电流波形图；

图6为电机电压电流相位关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明根据转速外环控制，以及电流内环控制分别获得电机运行所需要的dq轴电压；将电机所需功率解耦，提出功率分配策略，控制主逆变器提供电机运行所需全部有功功率，同时控制电容逆变器补偿电机无功功率；电容器组电压采样后反馈至电容比例积分控制器，用以计算充电电压参考值。转速外环控制、电流内环控制均采用比例积分控制器。

如图1结构框图所示，本发明是基于飞跨电容的永磁电机单位功率因数弱磁控制，主要包括功率解耦分配策略和空间矢量调制弱磁控制方法，其具体措施如下：

1.构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成。

本发明控制对象为开绕组永磁电机，即将电机原本星型连接的中性点打开，绕组两端分别连接至两套标准两电平逆变器，两套逆变器分别由直流电源和电容器组供电，称为主逆变器(mi)与电容逆变器(ci)。

2.采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流，并通过q轴电流调节器得到q轴参考电压，d轴电流参考值由弱磁模块得到。

将电机三相电流ia,ib,ic经过clark坐标变换，变换到两相静止坐标系下，以获得该坐标系下电机电流iα,iβ。具体坐标变换矩阵如下：

在两相静止坐标系的基础上用park坐标变换，变换到两相旋转坐标系下，以获得该坐标系下电机电流id，iq。具体坐标变换矩阵如下：

其中，θe为d轴与α轴之间的夹角，由位置信息计算

将电机实际速度n与给定速度n^*比较，比较差值送入速度pi控制器以获得电机运行所需的参考q轴电流，将参考q轴电流与采样获得的电流iq的差值送入q轴电流调节器以产生q轴电压uq'。利用弱磁控制理论，将主逆变器端电压和采集的主逆变器电压与比较后其误差送入弱磁pi调节器产生d轴给定电流，当误差大于等于0时所产生的d轴给定电流id^*为0，当误差大于0时所产生的d轴给定电流id^*为负值，进入弱磁区，开始弱磁控制。将d轴电流给定值与实测值的差值送入d轴电流调节器产生d轴电压ud'。

3.通过电流反馈解耦模块来减弱dq轴之间的耦合进一步提升电机的控制性能和控制的稳定性，电流反馈解耦模块产生dq轴电压udo，uqo，电流反馈解耦模块产生的dq轴电压udo，uqo与dq轴电流调节器产生dq轴电压ud',uq'相加得到送入单位功率因数模块的dq轴电压ud，uq，具体计算过程如下：

其中，udo，uqo为电流反馈解耦模块产生的dq轴电压，ld为d轴电感，id为测得的d轴电流，ψf为永磁磁链，lq为q轴电感，iq为测得的q轴电流，we为电角速度

其中，ud，uq为送入单位功率因数模块的dq轴电压，ud'，uq'为电流调节器产生的dq轴电压

4.在单位功率因数模块中将电压分解为送入主逆变器的有功电压和送入电容逆变器的无功电压具体工程如下：

送入主逆变器的有功电压和送入电容逆变器的无功电压为：

其中，uactive，ureactive为送入主逆变器的有功电压和送入电容逆变器的无功电压，为功率因数角。

将dq轴坐标系下的参考电压矢量uactive进行分解，主逆变器的参考电压矢量计算方法如下：

其中，为电流矢量与α轴之间的夹角

5.电容电压控制使用较低的直流母线电压将电容电压充电至一个更高的电压等级，具体过程为采集电容电压获得当前电容电压的实际值ucap，将电容电压给定值ucap^*与是当前电容电压实际值ucap作比较差值送入电容pi调节器中得到应充入电容中的电压值ucpi：

根据功率解耦理论，该电压应通过主逆变器充入电容器组，因此可以得出考虑电容电压控制后主逆变器的参考电压矢量计算方法：

其中，umid'，umiq'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的参考电压。

结合开绕组电压矢量计算公式，可以求出电容逆变器的参考电压矢量ucid,uciq：

5.将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用svpwm技术，获得两套逆变器各

个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上；

进一步，本发明的方法包括以下步骤实现：

1、构建被控系统：被控系统由永磁电机与两套逆变器组成。

本发明控制对象为开绕组永磁电机，即将电机原本星型连接的中性点打开，绕组两端分别连接至两套标准两电平逆变器，两套逆变器分别由直流电源和电容器组供电，称为主逆变器(mi)与电容逆变器(ci)。

2、采集位置传感器信息，获得电机速度和位置；采集电流传感器信息，获得电机各相电流，进行坐标变换后，计算获得电机dq轴电流。

将电机三相电流ia,ib,ic经过clark坐标变换，变换到两相静止坐标系下，以获得该坐标系下电机电流iα,iβ。具体坐标变换矩阵如下：

在两相静止坐标系的基础上用park坐标变换，变换到两相旋转坐标系下，以获得该坐标系下电机电流id，iq。具体坐标变换矩阵如下：

其中，θe为d轴与α轴之间的夹角

将电机实际速度与给定速度比较，比较差值送入速度pi控制器以获得电机运行所需的参考q轴电流，将q轴参考电流与采样获得的电流的差值送入q轴电流调节器以产生q轴电压。利用弱磁控制理论，采集dq轴产生的电压与主逆变器端电压比较后其差值送入弱磁pi调节器产生d轴给定电流，当弱磁环产生的d轴电流小于零时，进入弱磁区。将d轴电流给定值与实测值的差值送入d轴电流调节器产生d轴电压。

3、采集电容器组电压，与电容电压给定值比较，将差值送入电容pi控制器，得到电容充电参考电压ucpi。

4、采用电流反馈解耦来减弱dq轴的耦合，并利用功率解耦理论，对电机运行所需功率进行解耦，重新分配有功功率与无功功率，结合电容分别计算获得两个逆变器的参考电压矢量。

电流反馈解耦计算如下：

其中，we为电角速度，ld,lq为dq轴电感，id，iq为测得的dq轴电流，ψf为永磁磁链。

dq轴电流调节器产生的dq轴电压为ud'，uq'，送入功率解耦模块的电压为ud，uq，其计算方法如下：

将电机所需功率正确解耦，在发明所提出的功率分配策略中，控制主逆变器提供电机运行所需全部有功功率，同时控制电容逆变器补偿电机无功功率，具体功率流动如图4所示。功率解耦分配原理如下：

由于两个逆变器母线隔离，不存在零序电流问题，根据功率解耦理论求出有功电压

uactive与无功电压ureactive：

其中，为功率因数角，ud和uq为pi控制器产生的dq轴电压

通过上述原理，将dq轴坐标系下的参考电压矢量uactive进行分解，主逆变器的参考电压矢量计算方法如下：

其中，为电流矢量与α轴之间的夹角

电容电压控制使用较低的直流母线电压将电容电压充电至一个更高的电压等级，并引入pi控制器对电容电压进行电压控制，其原理如下：

电容电压反馈经过比例积分控制器后，得到电容充电参考电压值ucpi，根据瞬时功率理论，该电压应通过主逆变器充入电容器组，因此可以得出考虑电容电压控制后主逆变器的参考电压矢量计算方法：

其中，umid'，umiq'为考虑电容电压控制后，最终主逆变器的参考电压。

结合开绕组电压矢量计算公式，可以求出电容逆变器的参考电压矢量ucid,uciq：

5、将计算获得的两套逆变器的参考电压矢量，利用svpwm技术，获得两套逆变器各个功率器件的占空比，将正确电压作用在电机上；

图5为电机运行时的速度波形，速度最终稳定在0.35m/s，下侧为d轴电流，d轴电流负向增加，削弱了d轴磁链。同时电容逆变器电压的抬高扩展了恒功率区。可以看出本发明所提出的控制策略能够有效的实现电机的弱磁扩速运行。

图6为电机的电压电流相位关系，电机a相电流(ia)与主逆变器端的a相电压(ua1)始终保持同相位，而电容逆变器端的a相电压(ua2)则与电流保持90°的相位差，这与仿真一致，完全解耦电机所需功率流。主逆变器电压与电机电流同相位表明该逆变器只产生有功功率，减轻了主逆变器与直流电源的压力，而电机运行时需要的无功功率则全部由电容逆变器端的电容器组提供，因此该逆变器电压与电机电流呈正交关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。