专利名称：转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统及其电流控制方法
技术领域：
发明涉及一种转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统及其电流协调控制方法，属 于同步电机驱动系统的技术领域。
背景技术：
目前已经得到广泛应用的电驱动系统依据驱动电机的类型不同主要分为直流电 机驱动系统、异步电机驱动系统、磁阻电机驱动系统和永磁电机驱动系统四大类。直流电机 驱动系统的优势在于直流电机的成熟性和其控制的简单，其电刷、换向器和滑环易磨损，可 靠性低，转子电枢的结构限制了电机的转速。异步电机中笼型异步电机转子坚固，结构简 单，成本低廉，调速范围宽，高速运行时效率较高；异步电机驱动系统的最大缺点是控制复 杂，整个系统成本高。磁阻电机的定转子均为凸极结构，结构简单，成本低，运行可靠，维护 容易，但其效率不甚理想并且转矩脉动较大。永磁电机驱动系统的效率和功率密度较高， 结构简单，运行可靠，相比永磁无刷直流电机驱动系统，永磁同步电机驱动系统转矩脉动更 小。无论是永磁无刷直流电机还是永磁同步电机驱动系统，由于电机内部为永磁励磁，气隙 磁场调节困难，特别是高速运行时，电机内弱磁控制复杂，恒功率区范围小。混合励磁电机内部存在两个磁势源，电机气隙磁场由永磁体和通电的电励磁绕组 共同建立。在继承永磁电机高功率密度和高效率的优点的同时，又具备了电励磁电机的气 隙磁通易于控制的特点。目前国内外针对混合励磁同步电机的驱动控制方法主要有两种第一种方案是采 用类似永磁无刷直流电机的控制方法，主要是针对混合励磁爪极电机提出的，该方案要求 电机的反电势波形为方波，转矩脉动较大，而且混合励磁爪极电机的漏磁通较大、功率密度 偏低；第二种方案主要针对转子磁极分割型混合励磁同步电机提出，采用永磁同步电机的 矢量控制方法和分区控制策略，低速时系统处于增磁运行状态，高速时系统弱磁运行，气隙 磁场双向调节控制，另外，该类电机和现有的混合励磁同步电机一样，定子存在轴向磁路， 机壳必须导磁。混合励磁同步电机结构上的特殊性，特别是电磁场分布的典型三维特性，使 其工作运行原理与传统电机有很大区别，必须寻求适合于混合励磁同步电机的高效驱动控 制系统及其控制方法，最终与混合励磁电机一道构成高性能的电驱动系统。转子磁分路混合励磁同步电机(授权发明专利号ZL. 200510095465. 0)是直接利 用转子导磁体实现轴向磁分路，与现有混合励磁同步电机普遍采用定子导磁机壳实现轴向 磁路完全不同，结构简单可靠，气隙磁通调节方便，调节范围宽。转子磁分路混合励磁同步 电机中不仅存在电枢绕组，也存在电励磁绕组，驱动系统需要对电枢绕组的电枢电流和电 励磁绕组的励磁电流进行协调控制，才能实现驱动系统高效运行，因此，提出转子磁分路混 合励磁同步电机驱动系统结构及其电流协调控制方法具有重要的实用价值。
发明内容
本发明目的是针对电动汽车、飞机等高性能驱动系统提供一种低速大转矩输出、
4高速恒功率范围宽的转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统及其电流控制方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统，包括转子磁分路混合励磁同步电 机、位置传感器、三个电流传感器、母线电容、主功率变换电路、励磁功率变换电路、相电流 检测调理电路、励磁电流检测调理电路、位置转速检测调理电路、主功率控制信号驱动放大 隔离电路、励磁功率控制信号驱动放大隔离电路、DC/DC变换电路和数字信号处理器，其中 外部低压直流电源作为辅助电源并与励磁功率变换电路和DC/DC变换电路的电源输入端 相连，DC/DC变换电路的输出端分别接相电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路、位置 转速检测调理电路、主功率控制信号驱动放大隔离电路、励磁功率控制信号驱动放大隔离 电路和数字信号处理器的电源输入端，励磁功率变换电路的输出端分别接转子磁分路混合 励磁同步电机电励磁绕组的两端，转子磁分路混合励磁同步电机电励磁绕组的一端设置第 一电流传感器，第一电流传感器的输出端经过励磁电流检测调理电路后接数字信号处理器 的励磁电流信号输入端，外部大功率高压直流电源作为主电源，主电源的输出端经母线电 容滤波后接主功率变换电路的电源输入端，主功率变换电路的三相输出端接转子磁分路混 合励磁同步电机的三相电枢绕组输入端，在主功率变换电路的三相输出端的任意两端设置 第二电流传感器和第三电流传感器，第二电流传感器和第三电流传感器的输出端分别经过 相电流检测电流调理电路后接数字信号处理器的相电流信号输入端，在转子磁分路混合励 磁同步电机转轴的一端设置位置传感器，位置传感器输出端经位置转速检测调理电路接数 字信号处理器位置转速信号输入端，数字信号处理器输出主功率控制信号和励磁功率控制 信号两类控制信号，其中主功率控制信号输出端经主功率控制信号驱动放大隔离电路接主 功率变换电路的控制信号输入端，另外励磁功率控制信号输出端经励磁功率控制信号驱动 放大隔离电路接励磁功率变换电路的控制信号输入端。励磁功率变换电路为单向励磁控制电路，包括二极管、稳压二极管和两个功率开 关管，以辅助电源作为励磁电源，电励磁绕组输入端的正端接稳压二极管的阳极和第一功 率开关管的漏极，二极管的阴极与第一功率开关管的源极、稳压二极管的阴极相连后接励 磁电源的正端，电励磁绕组输入端的负端接二极管的阳极和第二功率开关管的源极，第二 功率开关管的漏极接励磁电源的负端；正常工作时，第一功率开关管一直处于开通状态，第 二功率开关管斩波控制，发生故障时，第一功率开关管和第二功率开关管均关断，由电励磁 绕组、二极管和稳压二极管构成的回路实现快速灭磁。转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统的电流协调控制方法当位置传感器检测 到电机转速低于基速时，施加最大恒定励磁电流，使得电机气隙磁场最强，通过励磁电流单 闭环控制方法实现，具体方法是根据给定的基准转速计算出该最大恒定励磁电流值；将反 馈励磁电流和励磁电流给定值比较后经第一调节器进行计算后输出占空比的值，数字信号 处理器根据占空比大小输出PWM波控制励磁功率变换电路中的功率开关管；在当前转子磁 分路混合励磁同步电机处于增磁运行的状态下采用最大转矩电流控制方法对电枢电流进 行控制，具体方法是将给定基准转速与反馈转速比较后经过第二调节器进行计算后输出转 矩调节量，根据该转矩调节量，并考虑当前励磁状态，计算得到能使电机获得最大转矩输出 的交轴电流给定值和直轴电流给定值，根据检测到的两相电枢电流计算出三相电枢电流大 小并经坐标变换得到交轴电流的反馈值和直轴电流的反馈值，将交轴电流给定值和直轴电流给定值分别与其反馈值进行比较后分别经第三、四调节器进行计算后输出交轴电流调节 量和直轴电流调节量，将交轴电流调节量和直轴电流调节量进行反坐标变换得到三相电流 调节量，PWM生成模块根据三相电流调节量生成PWM波控制主功率变换电路中的功率开关 管，最终实现恒转矩运行；当位置传感器检测到电机转速高于基速，转子磁分路混合励磁同 步电机弱磁控制通过调节励磁电流来实现，励磁电流值不再是恒定值，而是随着电机转速 增加而减小，在电机弱磁运行的状态下对电枢电流采用最大转矩电流控制，电枢电流中不 再需要去磁的直轴电流分量，电枢电流中的交轴电流分量和直轴电流分量的大小仅需满足 系统在当前弱磁状态下提供最大功率输出。本发明转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统采用电枢电流和励磁电流协调控 制的方法能够在低速时使转子磁分路混合励磁同步电机工作在增磁运行状态，从而实现低 速大转矩输出；高速时通过减小电励磁绕组中励磁电流的大小实现系统的弱磁运行，电机 内磁场饱和程度低、铁损小，电励磁绕组电流小、铜损低，因而系统能够宽范围高效率运行。 不需要通过直轴去磁电流对气隙磁通进行调节，在系统容量一定的前提下，能够获得较大 的输出功率和较宽的恒功率运行范围。数字驱动控制器控制方式灵活，易于实现各种控制 算法和模块化设计。综上可见，本发明混合励磁同步电机驱动系统及其电流协调控制方法的显著特点 与优点在于1.克服了永磁同步电机磁场调节困难特别是弱磁困难的不足，弱磁控制通过小功 率的励磁电流控制即可实现，且不需要现有混合励磁同步电机普遍存在的定子轴向磁路， 结构简单可靠。2.提出适合于转子磁分路混合励磁同步电机的单向励磁功率变换电路拓扑，只需 要两个开关管电路结构简单、成本低，能够实现正常工作状态下的优良动态性能和故障状 态下的快速灭磁。3.利用电枢电流和励磁电流协调控制方法，使得系统弱磁控制无需直轴去磁电 流，电枢绕组利用率高，特别是高速恒功率区，系统损耗小、效率高，具有宽广的调速范围和 高效率工作区。
图1为转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统结构图；图2为主功率变换电路图；图3为励磁功率变换电路图；图4为转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统电流协调控制原理图；图5为驱动系统机械特性图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明图1为本实施例的转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统，由转子磁分路混合励 磁同步电机、位置传感器、三个电流传感器、母线电容和数字驱动控制器。其中数字驱动控 制器包括主功率变换电路、励磁功率变换电路、相电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路、位置转速调理电路、主功率控制信号驱动放大隔离电路、励磁功率控制信号驱动放大隔 离电路和数字信号处理器。主电源经母线电容滤波后，通过主功率变换电路向转子磁分路 混合励磁同步电机三相电枢绕组提供三相交流电，辅助电源通过励磁功率变换器向转子磁 分路混合励磁同步电机电励磁绕组提供直流电，同时通过DC/DC变换电路向相电流检测调 理电路、励磁电流检测调理电路、位置转速检测调理电路、两路驱动放大隔离电路和数字信 号处理器供电。数字信号处理器通过相电流检测调理电路检测转子磁分路混合励磁同步电 机的两相电流ia、ib，通过位置转速检测调理电路检测转子磁分路混合励磁同步电机的转速 η和位置θ，通过励磁电流检测调理电路检测励磁电流If。主功率变换电路结构如图2所示，由六个桥臂组成，包括Qll、Q12、Q13、Q14、Q15、 Q16六个功率开关管和Dll、D12、D13、D14、D15、D16六个二极管，主功率变换电路输入电压 Udc由外部主电源经母线电容滤波后提供，功率开关管Qll、Q12、Q13、Q14、Q15和Q16的驱 动信号分别为G1、G2、G3、G4、G5和G6，正常工作时，数字信号处理器输出的脉宽调制波PWM2 信号经过驱动放大隔离电路给出驱动信号Gl、G2、G3、G4、G5和G6，控制主功率变换电路中 六个功率开关管的开关状态，功率开关管的驱动信号的占空比越大，功率开关管的导通时 间越长，则电枢电流越大。对于转子磁分路混合励磁同步电机，电励磁绕组中的励磁电流为零时气隙磁通较 小，电励磁绕组通以正向励磁电流时气隙磁通增强，通以反向励磁电流时气隙磁通减少有 限，为简化励磁功率控制电路，减少励磁控制功率器件，采用单向励磁控制电路结构，如图2 所示，其输入端电源由辅助电源供电，励磁功率变换电路由两个开关管(第一功率开关管 Q1、第二功率开关管Q2)、一个二极管Dl和一个稳压二极管Zl组成，第二功率开关管Q2的 驱动信号为T2，第一功率开关管Ql的驱动信号为Tl。正常工作时，数字信号处理器输出的 控制信号(^通过驱动放大隔离电路给出驱动信号T2，控制第二功率开关管Q2处于常通状 态；数字信号处理器输出的脉宽调制波PWMl信号经过驱动放大隔离电路给出驱动信号Tl， 控制第一功率开关管Ql处于开关状态，第一功率开关管Ql的占空比决定了电机励磁电流 的大小，占空比越大，第一功率开关管Ql的导通时间越长，励磁电流越大，反之励磁电流越 小。数字信号处理器通过控制脉宽调制波PWMl占空比大小调节电机励磁电流大小。当驱 动系统故障或其他快速弱磁状态下，第二功率开关管Q2、第一功率开关管Ql同时关断，电 机电励磁绕组的励磁电流通过续流二极管Dl和稳压二极管Zl续流，由于稳压二极管Zl的 作用，使得励磁电流加速下降，从而显著加快系统的动态性能。电机的励磁电流和电枢绕组两相的相电流分别通过第一个电流传感器和第二、三 个电流传感器检测后再经过励磁电流检测调理电路和相电流检测调理电路变成可接受的 输入电压范围，送到数字信号处理器的ADC采样模块。电机的位置传感器给出的信号经过 位置转速调理电路后，送到数字信号处理器的ADC采样模块。经过量化后，励磁电流，相电 流和转速位置转换成数字信号。电枢电流和励磁电流协调控制方法如图3所示。当位置传感器检测到电机转速低 于基速时，施加最大恒定励磁电流，使得电机内气隙磁场最强，通过励磁电流单闭环控制方 法实现，这里控制算法均采用PI控制算法，具体方法是根据给定的基准转速ω*由ω*和I/ 的关系I/ = f3("*)可得到该恒定励磁电流的值I/，将反馈励磁电流If和励磁电流给定 值I/比较后经第一 PI调节器进行PI计算后得到脉宽调制波(PWMl)占空比D的大小，数字信号处理器根据占空比D的大小输出脉宽调制波(PWMl)控制励磁功率变换电路中的功 率开关管，在当前电机处于增磁运行的状态下采用最大转矩电流控制方法对电枢电流的控 制，充分利用转子磁分路混合励磁同步电机的磁阻转矩，具体方法是将给定基准转速ω*与 反馈转速ω比较后经过第二 PI调节器进行PI计算后输出转矩调节量！^；，根据该转矩调 节量TJ，并结合当前励磁状态，根据由交轴电流给定值、直轴电流给定值i/和I/的关 系G = f!(0>i； = f2(Te；)可得到能使电机获得最大转矩输出的交轴电流给定值It；和 直轴电流给定值i/，根据检测到的两相电枢电流ia、ib计算出三相电枢电流ia、ib、i。大小 并经坐标变换得到交轴电流的反馈值、和直轴电流的反馈值id，将交轴电流给定值；和 直轴电流给定值i/分别和其反馈值i,、id进行比较后分别经第三、第四PI调节器进行PI 计算后输出交轴电流调节量iareg和直轴电流调节量idMg，将交轴电流调节量和直轴电 流调节量id,eg进行反坐标变换得到三相电流调节量‘eg、ibreg> icreg,数字信号处理器根据三 相电流调节量‘#、&1。％生成脉宽调制波(PWlC)控制主功率变换电路中的功率开关管 (Qll Q16)。当位置传感器检测到电机转速高于基速时，数字信号处理器通过励磁功率变 换电路控制励磁电流减小，随着电机转速升高，励磁电流不断减小，同时，对电枢电流的控 制依然采用最大转矩电流控制方法，从而获得最大功率输出，具体实现方法与恒转矩区内 的方法相同，区别在于励磁电流值不再是恒定值，而是随给定转速变化而动态变化的。
由此实现的转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统机械特性如图5所示，由于电 枢绕组利用率的提高，其基速以下的输出转矩提高，同时由于弱磁控制易于实现，且弱磁范 围宽，因而电机恒功率运行范围宽，电机的基速设计点可以减小。
权利要求
1.一种转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统，其特征在于包括转子磁分路混合励磁 同步电机、位置传感器、三个电流传感器、母线电容、主功率变换电路、励磁功率变换电路、 相电流检测调理电路、励磁电流检测调理电路、位置转速检测调理电路、主功率控制信号驱 动放大隔离电路、励磁功率控制信号驱动放大隔离电路、DC/DC变换电路和数字信号处理 器，其中外部低压直流电源作为辅助电源并与励磁功率变换电路和DC/DC变换电路的电源 输入端相连，DC/DC变换电路的输出端分别接相电流检测调理电路、励磁电流检测调理电 路、位置转速检测调理电路、主功率控制信号驱动放大隔离电路、励磁功率控制信号驱动放 大隔离电路和数字信号处理器的电源输入端，励磁功率变换电路的输出端分别接转子磁分 路混合励磁同步电机电励磁绕组的两端，转子磁分路混合励磁同步电机电励磁绕组的一端 设置第一电流传感器，第一电流传感器的输出端经过励磁电流检测调理电路后接数字信号 处理器的励磁电流信号输入端，外部大功率高压直流电源作为主电源，主电源的输出端经 母线电容滤波后接主功率变换电路的电源输入端，主功率变换电路的三相输出端接转子磁 分路混合励磁同步电机的三相电枢绕组输入端，在主功率变换电路的三相输出端的任意两 端设置第二电流传感器和第三电流传感器，第二电流传感器和第三电流传感器的输出端分 别经过相电流检测电流调理电路后接数字信号处理器的相电流信号输入端，在转子磁分路 混合励磁同步电机转轴的一端设置位置传感器，位置传感器输出端经位置转速检测调理电 路接数字信号处理器位置转速信号输入端，数字信号处理器输出主功率控制信号和励磁功 率控制信号两类控制信号，其中主功率控制信号输出端经主功率控制信号驱动放大隔离电 路接主功率变换电路的控制信号输入端，另外励磁功率控制信号输出端经励磁功率控制信 号驱动放大隔离电路接励磁功率变换电路的控制信号输入端。
2.根据权利1所述的转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统，其特征在于其励磁功 率变换电路为单向励磁控制电路，包括二极管、稳压二极管和两个功率开关管，以外部辅助 电源作为励磁电源，电励磁绕组输入端的正端接稳压二极管的阳极和第一功率开关管的漏 极，二极管的阴极与第一功率开关管的源极、稳压二极管的阴极相连后接励磁电源的正端， 电励磁绕组输入端的负端接二极管的阳极和第二功率开关管的源极，第二功率开关管的漏 极接励磁电源的负端；正常工作时，第一功率开关管一直处于开通状态，第二功率开关管斩 波控制，发生故障时，第一功率开关管和第二功率开关管均关断，由电励磁绕组、二极管和 稳压二极管构成的回路实现快速灭磁。
3.一种基于权利要求1所述的转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统的电流协调控 制方法，其特征在于当位置传感器检测到电机转速低于基速时，施加最大恒定励磁电流， 使得电机气隙磁场最强，通过励磁电流单闭环控制方法实现，具体方法是根据给定的基准 转速计算出该最大恒定励磁电流值；将反馈励磁电流和励磁电流给定值比较后经第一调节 器进行计算后输出占空比的值，数字信号处理器根据占空比大小输出PWM波控制励磁功率 变换电路中的功率开关管；在当前转子磁分路混合励磁同步电机处于增磁运行的状态下采 用最大转矩电流控制方法对电枢电流进行控制，具体方法是将给定基准转速与反馈转速比 较后经过第二调节器进行计算后输出转矩调节量，根据该转矩调节量，并考虑当前励磁状 态，计算得到能使电机获得最大转矩输出的交轴电流给定值和直轴电流给定值，根据电流 传感器检测到的两相电枢电流计算出三相电枢电流大小并经坐标变换得到交轴电流的反 馈值和直轴电流的反馈值，将交轴电流给定值和直轴电流给定值分别与其反馈值进行比较后分别经第三、四调节器进行计算后输出交轴电流调节量和直轴电流调节量，将交轴电流 调节量和直轴电流调节量进行反坐标变换得到三相电流调节量，PWM生成模块根据三相电 流调节量生成PWM波控制主功率变换电路中的功率开关管，最终实现恒转矩运行；当位置 传感器检测到电机转速高于基速，转子磁分路混合励磁同步电机弱磁控制通过调节励磁电 流来实现，励磁电流值不再是恒定值，而是随着电机转速增加而减小，在电机弱磁运行的状 态下对电枢电流采用最大转矩电流控制，电枢电流中不再需要去磁的直轴电流分量，电枢 电流中的交轴电流分量和直轴电流分量的大小仅需满足系统在当前弱磁状态下提供最大 功率输出。
全文摘要
本发明转子磁分路混合励磁同步电机驱动系统及其电流控制方法，所述驱动系统包括转子磁分路混合励磁同步电机、位置传感器、三个电流传感器、母线电容、主功率变换电路、励磁功率变换电路、励磁电流检测调理电路、相电流检测调理电路、位置转速检测调理电路、DC/DC变换电路、主功率控制信号驱动放大隔离电路、励磁功率控制信号驱动放大隔离电路和数字信号处理器。所述方法基速以下励磁电流为恒定最大值，同时电枢电流为最大转矩电流控制，基速以上励磁电流随转速上升而减小，同时电枢电流为最大转矩电流控制。本发明驱动系统能够实现低速大转矩输出和高速宽范围恒功率运行，在电动汽车电驱动系统和飞机起动发电系统中有重要应用价值。
文档编号H02P6/16GK102075128SQ20111002360
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者严仰光, 张卓然, 韩建斌 申请人:南京航空航天大学