一种多单元永磁同步电机智能协同控制系统及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种多单元永磁同步电机智 能协同控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 大功率电气传动系统在工业生产中占有重要的地位，广泛应用于大型矿井提升、 大型船舶主推进、兆瓦级风力发电等方面。目前，现有的大功率电气传动系统存在很多问 题，主要为：在系统结构方面，大功率电气传动系统多采用单一支路结构，电压等级高，系统 无冗余，可靠性低。在整流方面，系统整流部分多采用不可控整流模式，功率因数较低，存在 较大的无功功率传输损耗，在不平衡供电网络环境下易产生低频次谐波，难以实现无功功 率的优化控制。在逆变方面，系统逆变部分多采用硬开关工作模式，存在大量的开关损耗， 特别是在功率器件开关频率增大和功率增大时更为突出。在电机控制方面，多采用机械传 感器来检测电机转子位置，系统成本高，可靠性低，维护工作量大。在电机制造方面，传统永 磁电机定子制造多采用整体加工方法，带来高压电机制造、运输、安装和维护困难，变频器 成本高、可靠性低等问题。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提出一种多单元永磁同步电机智能协同控制系统及 方法，以解决大功率电气传动系统中硬开关电路能量损耗和无功损耗问题、解决多单元协 调控制和容错控制问题、解决电机安装运输和维护困难问题、实现优化整体能量、实现提高 电能的利用效率的目的。
[0004] 一种多单元永磁同步电机智能协同控制系统，包括双并联PWM整流电路，还包括 第一永磁电机协同控制单元、第二永磁电机协同控制单元、第三永磁电机协同控制单元和 多单元永磁同步电机，其中，第一永磁电机协同控制单元、第二永磁电机协同控制单元和第 三永磁电机协同控制单元通过并联连接的方式协调控制多单元永磁同步电机的三个定子 单元。
[0005] 所述的第一永磁电机协同控制单元、第二永磁电机协同控制单元和第三永磁电机 协同控制单元结构相同，均包括驱动与放大电路、控制单元和逆变单元，所述的控制单元通 过相互通信实现多单元永磁同步电机的协同控制。
[0006] 所述的控制单元包括分布式协同控制器和电流控制与速度估算单元，其中，
[0007] 电流控制与速度估算单元：
[0008] 用于采集电机输入端的A相、B相、C相电流检测信号，根据采集的A相、B相、C相 电流检测信号，获得的转子速度估计值同时发送至每个控制单元的分布式协同控制器中； 并接收分布式协同控制器的输出值，根据上述输出值获得两相静止坐标系下的直轴电压参 考值和交轴电压参考值，再采用空间矢量脉宽调制获得PWM信号，将获得的PWM信号通过驱 动与放大电路发送至逆变单元中；
[0009] 分布式协同控制器：
[0010] 用于采用构建无向图的方法对三个控制单元的通信结构进行描述，根据所构建的 无向图获得各个控制单元整体的通信关联矩阵，并根据转子速度估计值、设置的转子给定 速度值和控制单元整体的通信关联矩阵，构建误差函数，设置实数矩阵和实数项，并根据构 建的误差函数，求得分布式协同控制器的输出值。
[0011] 所述的多单元永磁同步电机，其定子为27槽30极分瓣式结构，每单元为9槽10 极，各定子单元共享一个转子；其转子为永磁内置切向式；每单元电机绕组采用节距为1的 双层分数槽绕组，各单元电机内部绕组采用星形连接方式。
[0012] 采用多单元永磁同步电机智能协同控制系统进行的控制方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1、第一永磁电机协同控制单元、第二永磁电机协同控制单元和第三永磁电机 协同控制单元同时采集电机输入端的A相、B相、C相电流检测信号；
[0014]步骤2、第一永磁电机协同控制单元、第二永磁电机协同控制单元和第三永磁电机 协同控制单元同时根据所采集的A相、B相、C相电流检测信号，协调控制获得PWM信号；
[0015] 步骤3、根据PWM信号改变输出定子电压的频率和幅值，实现各单元电机转速的协 同控制。
[0016] 步骤2所述的协调控制，包括以下步骤：
[0017] 步骤2-1、根据A相、B相、C相电流检测信号获得转子速度估计值，并同时发送至 每个控制单元中实现三个控制单元的相互通信；
[0018] 步骤2-2、采用构建无向图的方法对三个控制单元的通信结构进行描述；
[0019] 步骤2-3、根据所构建的无向图获得控制单元整体的通信关联矩阵，并根据转子速 度估计值、用户设定的转子给定速度值和控制单元整体的通信关联矩阵，构建误差函数；
[0020] 步骤2-4、设置实数矩阵和实数项，并根据构建的误差函数，获得输出值；
[0021] 步骤2-5、根据上述输出值获得两相静止坐标系下的直轴电压参考值和交轴电压 参考值，再采用空间矢量脉宽调制获得PWM信号。
[0022] 步骤2-1所述的根据A相、B相、C相电流检测信号获得的转子速度估计值，包括以 下步骤：
[0023] 步骤2-1-1、将接收到的电流检测信号进行模数转换，并根据转子初始相角值对转 换后的A相、B相、C相电流信号进行Clark坐标变换和Park坐标变换，获得两相旋转坐标 系下的直轴电流和交轴电流；
[0024] 步骤2-1-2、将交轴电流通过带通滤波处理获得交轴电流高频分量，将上述交轴电 流高频分量与正弦高频信号相乘，获得可分离相角误差信号交轴电流高频分量，并将其通 过低通滤波处理获得仅含相角误差的电流信号；
[0025] 步骤2-1-3、采用PI控制算法获得转子速度估计值，将上述转子速度估计值通过 积分运算获得转子相角估计值。
[0026] 步骤2-3所述的通信关联矩阵为对称矩阵，该矩阵的行数和列数均为3,矩阵中 的元素取值为〇或1，当控制单元两两之间能够通信时，元素值为1，否则为〇 ;所述的误差 函数为：某一控制单元转子速度估计值与其他控制单元转子速度估计值之间的差值乘以系 数，加上该控制单元转子速度估计值与设定的转子给定速度值之间差值乘以系数；所述的 某一控制单元转子速度估计值与其他控制单元转子速度估计值之间的差值乘以系数，该系 数为通信关联矩阵中的元素。
[0027] 步骤2-4所述的输出值，求解方式为：误差函数乘以实数矩阵和实数项，再与设定 的转子给定速度值求和；所述的实数矩阵为一个1X2的实数向量。
[0028] 步骤2-5所述的根据上述输出值获得两相静止坐标系下的直轴电压参考值和交 轴电压参考值，包括以下步骤：
[0029] 步骤2-5-1、将输出值作为交轴电流参考量；
[0030] 步骤2-5-2、将获得的直轴电流和交轴电流通过低通滤波处理获得基波直轴电流 和基波交轴电流；
[0031] 步骤2-5-3、将基波交轴电流与交轴电流参考量比较作差，获得交轴电流误差值， 将基波直轴电流与直轴电流参考量比较作差，获得直轴电流误差值；
[0032] 步骤2-5-4、采用PI控制算法分别对交轴电流误差值和直轴电流误差值进行计 算，获得交轴电压参考值和直轴电压参考值，并将直轴电压参考值与高频电压信号值求和， 获得含高频信号的直轴电压参考值；
[0033] 步骤2-5-5、根据电机转子相角估计值，对交轴电压参考值和含高频信号的直轴电 压参考值进行Park反坐标变换，获得两相静止坐标系下的直轴电压参考值和交轴电压参 考值，再采用空间矢量脉宽调制获得PWM信号。
[0034] 本发明优点：
[0035] 本发明一种多单元永磁同步电机智能协同控制系