开绕组永磁电机零序电流2自由度PI控制方法与流程

本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种开绕组永磁电机零序电流控制方法。

背景技术：

开绕组电机是将传统三相交流电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构。电机的磁路及结构没有任何改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性和电机驱动系统的容错能力。开绕组电机两个端口可以分别连接变换器，通过两端口的变换器协调控制，可以使各变换器承担一半的功率，较好的地满足了大功率电机系统变对换器的需求，因此开绕组电机控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。目前，开绕组永磁电机驱动系统因为兼具传统永磁电机高功率密度、高效率、高性能的特点和开绕组电机的优点已经成为电机系统发展的新方向。

根据绕组两端所接变流器供电方式的不同，开绕组永磁电机驱动系统可分为单电源供电的共直流母线型和双电源供电的隔离型两种拓扑结构。与隔离型结构相比，共直流母线型结构因其较低的成本和较小的体积得到广泛应用。在该类结构中，由于变流器、电机和直流母线形成回路，当变流器输出电压含有共模分量时会在回路中形成零序电流，这会对电机轴和开关器件造成危害，因此在开绕组电机的控制中，对共模电压的抑制是一个重要内容。

目前开绕组永磁电机零序电流控制多采用基于反馈控制方法，控制器多采用比例谐振(pr)控制器或采用基于锁相环(pll)的共模电压补偿法。pr控制器需要整定的参数较多且较为复杂，基于锁相环的共模电压补偿法需要在添加零轴控制器的基础上添加额外的锁相环，结构较为复杂。因此研究参数整定更简单的控制器具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明提供了一种永磁电机零序电流2自由度pi控制方法，本发明克服了传统开绕组永磁电机零序电流反馈控制中pr控制器参数整定复杂、以及采用基于锁相环的共模电压补偿法中结构复杂的不足，提出一种参数整定更加简单可靠的新型控制器，详见下文描述：

开绕组永磁电机零序电流2自由度pi控制原理为，通过延迟120°和240°电角度将零轴单相交流回路扩展为虚拟三相回路，所述虚拟三相回路中，原零轴单相回路为a相，经延迟得到的两相作为b相和c相；通过坐标变换将虚拟三相回路变换到dq0坐标系，实现交流量到直流量的转化；

设计2自由度pi控制器作为零轴控制器，将2自由度pi控制器的输出变换到三相静止坐标系下得到a、b、c轴的3个分量，将a轴分量作用到调制环节实现零序电流的抑制；

所述2自由度pi控制器的控制器参数只有一个控制器带宽，易于参数整定；

所述2自由度pi控制器结构如下：

式中，u0dq,ref为2自由度pi控制器输出；u'0dq为传统pi控制器的输出；k1c为反馈系数；s为拉普拉斯算子；i0dq,ref为dq坐标系下零轴回路参考值；i0dq为dq坐标系下零轴回路反馈值；αc为控制器带宽；ω3r为三次谐波电角速度；l0为零轴电感；ra为虚拟有源电阻。

所述控制器还包括：

在αβ坐标系下分别对采样周期的计算延时时间、以及半个采样周期的pwm调制延迟时间进行补偿。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明中的零序电流反馈控制器采用2自由度pi(2dof-pi)控制器，控制器参数只有一个(控制器带宽αc)，且无需附加锁相环环节，简化了控制器的结构和参数整定过程；

2、克服了传统开绕组永磁电机零序电流反馈控制中pr控制器参数整定复杂、以及采用基于锁相环的共模电压补偿法中结构复杂的不足，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为开绕组永磁电机零序电流2自由度pi控制结构图；

其中，虚框内即为零序回路控制器。

图中，θm为转子机械角度；θ为基波电角度；ωm为机械转速；ωm,ref为外部给定参考机械转速，通过外部速度环反馈控制；由转速外环输出iq,ref作为电流内环q轴的给定值，d轴给定值id,ref由外部给定，且id,ref＝0。

通过电流内环反馈控制，经过坐标变换后，得到αβ坐标下参考电压uα,ref和uβ,ref，配合零序电流控制器输出共模电压参考量u0，经过空间矢量调制后生成开关信号sabc,1和sabc,2作用到变流器，即可实现对电机的控制。

图2为零序回路等效电路图；

图中，e0是电机三次反电势，u01和u02分别是两个变流器产生的共模电压，i0是零序电流。

图3为扩展后的虚拟三相回路等效电路图。

图中，上虚框表示原有零轴作为虚拟三相回路的a相，下虚框表示经过延迟处理后得到的虚拟零序回路系统的b相和c相。

u0a、i0a、e0a分别为原零序回路中变流器输出共模电压u0、零序电流i0、三次反电势e0。为表述方便，以下采用u0、i0、e0表示。

u0b、i0b、e0b分别为u0、i0、e0经过延迟120°电角度得到；u0c、i0c、e0c分别为u0、i0、e0经过延迟240°电角度得到。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述：

实施例1

本发明实施例提供了一种共直流母线型开绕组永磁电机控制系统，该控制系统采用三闭环控制，即速度外环、电流内环、零序电流控制环。三个控制环均采用2自由度pi(2-dofpi)控制器，其中速度外环和电流内环参考已有文献进行设计整定，本专利对此不在进行说明。零序电流控制环是本发明实施例的核心，本发明实施例对此进行详细说明。

在只考虑电机中三次反电势时，电机中的零序电流主要含有三次谐波。在本发明实施例中，得到零序电流后，通过一定时间的延迟(具体延迟时间由转子角速度计算得到，本发明实施例对此不做限制)，将采样得到的零序电流分别延迟120°电角度和240°电角度，这样由采集得到的零序电流和经延时得到的电流可组成三相交流电流，同理对三次反电势进行同样的处理，即将单相零序回路扩展为虚拟三相回路系统。

通过坐标变换(变换角度为基波电角度的3倍)，将虚拟三相回路系统转换到两相旋转坐标系(即dq坐标系，该坐标系旋转角速度为基波电角速度的3倍)下，这样就实现零序回路交流量向直流量的转化。

零序回路控制器采用2自由度的pi控制器，当零序电流参考值设为0时即可实现对零序电流的控制。特别的，当需考虑电机中其它次数的谐波时，只需要改变延迟时间即可。

综上所述，本发明实施例通过采用2自由度pi控制器，控制器参数只有一个(控制器带宽αc)，且无需附加锁相环环节，简化了控制器的结构和参数整定过程。

实施例2

下面结合图1-图3，以及具体的计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

图1所示为开绕组永磁电机零序电流2自由度pi控制结构图，速度外环和电流内环都采用2-dofpi控制。速度外环和电流内环的设计和参数整定方法参考传统电机闭环控制设计方法，且已有大量文献对此作了详细说明，本发明实施例对此不做赘述。下面重点介绍零序回路控制器的设计：

双变流器供电时，设两个变流器输出的共模电压分别为u01、u02，则作用到电机上的共模电压u0为：

u0＝u01-u02(1)

当只考虑反电势中的三次谐波时，三次反电势e0表达式为：

e0＝-ω3rψf3sin(3θ)(2)

式中，ψf3为转子磁链三次谐波分量，ω3r为三次谐波电角速度，θ为基波电角度。其中，ω3r与基波电角速度ωr的关系为：

ω3r＝3ωr(3)

此时零序回路方程为：

式中，r为电枢电阻，l0为零序回路电感，i0为零序回路电流。零序回路可表示为图2所示。

为了将零序回路电流转化为直流量，将零序回路通过延时扩展为虚拟三相回路系统，具体操作如下：

将测量得到的零序电流i0作为扩展后三相电流的a相i0a，将该a相电流分别延时120°电角度和240°电角度，得到其它两相电流i0b和i0c，这样就得到了虚拟三相回路系统的电流。同理，将三次反电势e0作为扩展后三相电压的a相e0a，分别延迟120°和240°电角度，得到其它两相e0b和e0c，这样便构成了虚拟三相回路系统的电压，如图3所示。

将上述得到的虚拟三相回路系统变换到dq坐标系下，这样就实现了交流量向直流量的转化。构建虚拟三相回路系统时用到的延时时间tb和tc(延迟120°对应于tb，延迟和240°对应于tc)根据转子的转速ωm得到，即：

式中，np为极对数。将扩展后的虚拟三相回路系统转化到dq坐标下，其数学模型为：

式中，i0dq为dq坐标下零序电流，u0dq为dq坐标下共模电压，l0为零轴电感，r为定子电阻。

将虚拟三相回路系统中的反电势作为零轴的输入扰动e，则有：

e＝jω3rψf3(7)

由式(6)可得虚拟三相回路系统的传递函数可表示为：

其中，s为拉普拉斯算子。

2dof-pi控制器是在传统pi控制器的基础上增加了反馈环节。2-dofpi的表达式为：

其中，u0dq,ref为2dof-pi控制器的输出；u'0dq为传统pi控制器的输出；k1c为反馈系数；kp为pi控制器比例系数；ki为pi控制器积分系数；i0dq,ref为dq坐标系下零序电流参考值。

由上式(9)可知，由i0dq生成u0dq＇时采用传统pi控制器。

当零序回路采用2-dofpi控制时，下面介绍控制器设计方法：

由虚拟三相回路系统的方程(6)可以看出，dq轴存在耦合。引入电流反馈控制并对dq轴解耦(即消去方程中的复系数部分)，设：

u0dq＝u'0dq+(jω3rl0-ra)i0dq(10)

式中，ra为引入的虚拟有源电阻。将式(10)带入虚拟三相回路系统方程(6)中得：

上式(11)中电流中不存在复系数，即实现了dq轴电流的解耦。将e作为输入扰动时，此时u0dq＇到i0dq的传递函数可表示为：

由上式(9)知，由i0dq生成u0dq＇时采用传统pi控制器时，即：

设控制器带宽为αc，则：

且：

所以可以得到2-dofpi的控制结构为：

式中，u0dq,ref为2-dofpi控制器输出。

在实际系统中通常使用数字控制，当控制系统采样周期为ts时，这时系统存在时间为td的控制延迟(该延迟时间由两部分组成，即时间为ts的计算延迟和时间为0.5ts的pwm调制延迟，此时td＝1.5ts)，为了提高控制系统的控制性能，需要对此延迟进行补偿。通常的补偿方法是在两项静止坐标系(即αβ坐标系)下进行补偿。

将u0dq,ref变换到αβ坐标系下，当考虑时间补偿(延迟时间td＝1.5ts)时，有：

式中，u0αβ,ref为αβ坐标内的参考电压。

将u0αβ,ref变换到三相静止坐标下，则a相电压记为u0a，将u0a作为零序控制器的输出(u0)作用到pwm调制环节即可实现零序电流的闭环控制(pwm调制策略可以参考有关文献^[1]，此处不做详细说明)。

综上所述，本发明实施例通过采用2自由度pi控制器，控制器参数只有一个(控制器带宽αc)，且无需附加锁相环环节，简化了控制器的结构和参数整定过程。

参考文献

[1]zhouy,nianh.zero-sequencecurrentsuppressionstrategyofopen-windingpmsgsystemwithcommondcbusbasedonzerovectorredistribution[j].ieeetransactionsonindustrialelectronics,2015,62(6):3399-3408.

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。