双绕组永磁同步电机同步控制方法及装置

本发明涉及同步控制技术领域，特别涉及一种双绕组永磁同步电机同步控制方法及装置。

背景技术：

转向系统作为汽车底盘系统的重要子系统，其直接影响到汽车操纵稳定性、驾驶舒适性以及行驶安全性，随着技术的发展，目前电动助力转向系统被广泛应用。双绕组永磁同步电机因其继承了永磁同步电机和多相电机的优点，具有输出转矩脉动小、低速运行平稳、容错性好等优点，所以对于可靠性要求严苛的车辆电动助力转向系统来说，是一种较为理想的电机选择类型。

双绕组永磁同步电机目前有谐波基下数学模型、传统双d-q变换数学模型、双d-q变换全解耦数学模型等几类建模方法。因传统双d-q变换数学模型将双绕组永磁同步电机解耦到两个d-q子空间下，相当于两个独立三相永磁同步电机进行分别控制，易于成熟的三相永磁同步电机控制技术的实现，同时更适应于容错控制，因此在工程应用中，传统双d-q变换数学模型被广泛应用。但具体工程实现上，常采用两个控制器对传统双d-q变换后的两个独立三相永磁同步电机进行分别控制，因此存在控制同步性的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种双绕组永磁同步电机同步控制方法，该方法可实现双绕组永磁同步电机的控制同步性，减小电机两绕组转矩叠加后的波动，提升电动助力转向的手感，具有一定的工程应用价值。

本发明的另一个目的在于提出一种双绕组永磁同步电机同步控制装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种双绕组永磁同步电机同步控制方法，包括：

采集双绕组永磁同步电机正常启动时逆变器的三相电流和电压信号；

根据所述逆变器的三相电流和电压信号，通过park和反park变换，分别计算得到两个三相绕组的电流信号和电压信号，并输入给电角度观测-控制器；

通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，并将所述两个三相绕组的电角转速与电角度输入至电角度控制器；

根据所述两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值；

将所述两个三相绕组电角转速与电角度的平均值注入pi控制器分别进行快速响应调节，得到电角度调节值和电角转速求解值；

将所述电角度调节值输出至对应的三相绕组，根据所述电角转速求解值计算平均机械角速度；

将所述平均机械角速度输入速度控制器，进行独立三相永磁同步电机闭环控制。

本发明实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法，两个控制器同步启动时具有安全冗余功能，可避免因一个控制器故障导致两个控制器之间的同步启动通信造成影响，控制器同步工作后，采用永磁同步电机无传感器控制技术对解耦后的两个独立绕组进行电角度观测，并利用滑模控制原理构建同步控制器，对其进行同步控制，同时通过模糊自适应率来改变不同转速差下的校验周期，提高同步控制性能。由此，同可实现双绕组永磁同步电机的控制同步性，减小电机两绕组转矩叠加后的波动，提升电动助力转向的手感，具有一定的工程应用价值。

另外，根据本发明上述实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，包括：所述电角度观测器通过滑膜观测器原理构建，所述电角转速与电角度为：

其中，为观测后的电角度，为观测后的电角转速，和为α、β轴扩展反电动势，ψf为磁链系数，ωe为电角速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值，进一步包括：

对观测的电角度与电角转速进行均值计算，通过pi调节器使两个三相绕组的电角转速与电角度分别快速响应到均值，实现同步控制，输出经过控制器调整后电角转速至各自绕组，并进行均值计算后输入两套三相绕组转速外环进行独立三相永磁同步电机控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：通过观测得到的所述两个三相绕组的电角度进行校验周期的调整，计算电角度误差与误差变化率输入至模糊控制规则表，通过模糊规则，对校验周期进行自适应调整。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种双绕组永磁同步电机同步控制装置，包括：

采集模块，用于采集双绕组永磁同步电机正常启动时逆变器的三相电流和电压信号；

变换模块，用于根据所述逆变器的三相电流和电压信号，通过park和反park变换，分别计算得到两个三相绕组的电流信号和电压信号，并输入给电角度观测-控制器；

观测模块，用于通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，并将所述两个三相绕组的电角转速与电角度输入至电角度控制器；

计算模块，用于根据所述两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值；

调节模块，用于将所述两个三相绕组电角转速与电角度的平均值注入pi控制器分别进行快速响应调节，得到电角度调节值和电角转速求解值；

输出模块，用于将所述电角度调节值输出至对应的三相绕组，根据所述电角转速求解值计算平均机械角速度；

控制模块，用于将所述平均机械角速度输入速度控制器，进行独立三相永磁同步电机闭环控制。

本发明实施例的双绕组永磁同步电机同步控制装置，两个控制器同步启动时具有安全冗余功能，可避免因一个控制器故障导致两个控制器之间的同步启动通信造成影响，控制器同步工作后，采用永磁同步电机无传感器控制技术对解耦后的两个独立绕组进行电角度观测，并利用滑模控制原理构建同步控制器，对其进行同步控制，同时通过模糊自适应率来改变不同转速差下的校验周期，提高同步控制性能。由此，同可实现双绕组永磁同步电机的控制同步性，减小电机两绕组转矩叠加后的波动，提升电动助力转向的手感，具有一定的工程应用价值。

另外，根据本发明上述实施例的双绕组永磁同步电机同步控制装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，包括：所述电角度观测器通过滑膜观测器原理构建，所述电角转速与电角度为：

其中，为观测后的电角度，为观测后的电角转速，和为α、β轴扩展反电动势，ψf为磁链系数，ωe为电角速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值，进一步包括：

对观测的电角度与电角转速进行均值计算，通过pi调节器使两个三相绕组的电角转速与电角度分别快速响应到均值，实现同步控制，输出经过控制器调整后电角转速至各自绕组，并进行均值计算后输入两套三相绕组转速外环进行独立三相永磁同步电机控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：调节模块，用于通过观测得到的所述两个三相绕组的电角度进行校验周期的调整，计算电角度误差与误差变化率输入至模糊控制规则表，通过模糊规则，对校验周期进行自适应调整。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机总体架构图；

图2为根据本发明一个实施例的为双mcu具有安全冗余的同步启动方式示意图；

图3为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法流程图；

图4为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步性控制整体结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机两绕组电角度观测-控制器；

图6为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机两绕组电角度观测器；

图7为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机两绕组电角度控制器；

图8为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法流程框图；

图9为根据本发明一个实施例的具有模糊自适应率的同步校验周期示意图；

图10为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双绕组永磁同步电机同步控制方法及装置。

如图1所示，为双绕组永磁同步电机总体架构图。12v直流电源向两个mcu通电，mcu同步启动后，分别发出pwm波，再经逆变器后输出三相电流给双绕组永磁同步电机的两套绕组，驱动双绕组永磁同步电机进行工作。

双mcu具有安全冗余的同步启动方式，如图2所示，为双mcu具有安全冗余的同步启动方式示意图。

如图2所示，一个mcu留出3个引脚用于同步启动工作，引脚1发出pwm波，引脚2用于接收另一个mcu发出的pwm波，引脚3用于接收自身发出的pwm波，当一个mcu接收到自身和另一个mcu的pwm波，且同时识别上升沿的时候，两个mcu同步发送信号进行控制。

正常情况下，在启动时，两个mcu分别接收来自自身和另一个mcu的pwm波，同时识别上升沿的时候，两个mcu同步启动进行工作，因为两个mcu均发送pwm波，所以具有安全冗余性，当其中一个mcu的引脚出现故障时，例如图2所示，mcu1的引脚1出现故障，不能发送pwm波，此时，mcu2发送pwm波，mcu1引脚2接收这个pwm波，mcu2空出一个引脚接收pwm波，同时识别上升沿的时候，同步发送信号进行控制，实现在一个mcu引脚故障的情况下的安全冗余。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的双绕组永磁同步电机同步控制方法。

图3为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法流程图。

结合图3所示，该双绕组永磁同步电机同步控制方法包括以下步骤：

步骤s1，采集双绕组永磁同步电机正常启动时逆变器的三相电流和电压信号。

步骤s2，根据逆变器的三相电流和电压信号，通过park和反park变换，分别计算得到两个三相绕组的电流信号和电压信号，并输入给电角度观测-控制器。

如图4所示，为双绕组永磁同步电机同步性控制整体结构示意图。经过传统双d-q变换后，双绕组永磁同步电机可以相当于两个单绕组永磁同步电机进行控制，利用三相永磁同步电机双闭环(电流内闭环、转速外闭环)控制技术对其进行分别控制。

在双三相永磁同步电机运行过程中，分别采集两绕组电流和电压信号，并经过clark变化将其转化到α、β轴上，并输入到电角度观测-控制器中(图中虚线框部分)，电角度观测-控制器输出经过调整的电角度和转速信号至相应位置，实现对双绕组永磁同步电机的两绕组同步控制。

如图5所示，为双绕组永磁同步电机两绕组电角度观测-控制器。其主要由分别应用于两个绕组电角度观测的两个电角度观测器和一个电角度控制组成。

电角度观测-控制器收集经过clark变化后的α、β轴电压电流信号，经过两绕组电角度观测器分别计算两套绕组的电角度θe^*和转速ωe^*，将观测出的两套绕组的θe^*和ωe^*输入到电角度控制器中，对其进行同步控制，输出经过控制调整后的θe至各自绕组，同时输出经过控制调整后ωe，进行均值计算后输入两套绕组转速外环进行独立三相永磁同步电机控制。

步骤s3，通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，并将两个三相绕组的电角转速与电角度输入至电角度控制器。

如图6所示，为双绕组永磁同步电机两绕组电角度观测器，该观测器主要由滑模观测原理构建。

其具体设计原理如下所示：

三相电机电压方程为

式中，ld、lq为定子电感；ωe为电角速度；为定子电压；为定子电流；为扩展电动势，其满足

将电压状态方程改写为电流状态方程

则滑模控制器设计如下

式中，为定子电流的观测值；为观测器控制输入。

将上述两式做差可得

式中为电流观测误差，设计滑模控制律为

式中，k为调节系数，根据滑模控制原理，当状态变量达到滑模面上后，状态一直保持滑模面上，此时控制量可以看作等效控制量，可得

由于实际控制量为不连续高频切换信号，为准确提取扩展反电动势估计值，设计一个低通滤波器，即

式中，τ0为低通滤波器时间常数。通过下式即可计算观测电角度与转速

步骤s4，根据两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值。

步骤s5，将两个三相绕组电角转速与电角度的平均值注入pi控制器分别进行快速响应调节，得到电角度调节值和电角转速求解值。

步骤s6，将电角度调节值输出至对应的三相绕组，根据电角转速求解值计算平均机械角速度。

如图7所示，为双绕组永磁同步电机两绕组电角度控制器，该控制器主要由pi控制器原理构建。

对观测电角度与转速进行均值计算，通过pi调节器使两绕组电角度和转速分别快速响应到均值，从而实现同步控制，调整后的θe至各自绕组，输出经过控制调整后ωe，进行均值计算后输入两套绕组转速外环进行独立三相电机控制。

步骤s7，将平均机械角速度输入速度控制器，进行独立三相永磁同步电机闭环控制。

图8为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制方法流程框图。

如图8所示，具体流程为：

1)双绕组永磁同步电机正常启动。

2)采集逆变器三相电流、电压信号。

3)通过park和反park变换，分别计算得出两个三相绕组iα1,2iβ1,2uα1,2uβ1,2并输入给电角度观测-控制器。

4)通过电角度观测器观测得到两个三相绕组的电角速度与电角度并将两个三相绕组的电角速度与电角度输入至电角度控制器。

5)计算两个三相绕组电角速度与电角度的平均值

6)将平均值注入pi控制器，对进行分别快速响应调节，使其快速响应值均值。

7)输出电角度调节值至各自三相绕组；输出电角速度求解值并计算平均机械角速度。

8)将平均机械角速度ωm输入速度控制器，实现独立三相永磁同步电机闭环控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：通过观测得到的两个三相绕组的电角度进行校验周期的调整，计算电角度误差与误差变化率输入至模糊控制规则表，通过模糊规则，对校验周期进行自适应调整。

如图9所示，为具有模糊自适应率的同步校验周期示意图。

利用观测出的进行校验周期的调整。通过观测出的计算其误差与误差变化率输入至模糊控制规则表，通过其中制定的模糊规则，对校验周期进行自适应调整。

当误差的绝对值或误差变化率绝对值变大时，均需要缩小校验周期，以提高控制的精确性。依据以上专家经验，模糊控制规则表如下：

根据本发明实施例提出的双绕组永磁同步电机同步控制方法，两个控制器同步启动时具有安全冗余功能，可避免因一个控制器故障导致两个控制器之间的同步启动通信造成影响，控制器同步工作后，采用永磁同步电机无传感器控制技术对解耦后的两个独立绕组进行电角度观测，并利用滑模控制原理构建同步控制器，对其进行同步控制，同时通过模糊自适应率来改变不同转速差下的校验周期，提高同步控制性能。由此，可实现双绕组永磁同步电机的控制同步性，减小电机两绕组转矩叠加后的波动，提升电动助力转向的手感，具有一定的工程应用价值。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的双绕组永磁同步电机同步控制装置。

图10为根据本发明一个实施例的双绕组永磁同步电机同步控制装置结构示意图。

如图10示，该双绕组永磁同步电机同步控制装置包括：采集模块100、变换模块200、观测模块300、计算模块400、调节模块500、输出模块600和控制模块700。

采集模块100，用于采集双绕组永磁同步电机正常启动时逆变器的三相电流和电压信号。

变换模块200，用于根据逆变器的三相电流和电压信号，通过park和反park变换，分别计算得到两个三相绕组的电流信号和电压信号，并输入给电角度观测-控制器。

观测模块300，用于通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，并将两个三相绕组的电角转速与电角度输入至电角度控制器。

计算模块400，用于根据两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值。

调节模块500，用于将两个三相绕组电角转速与电角度的平均值注入pi控制器分别进行快速响应调节，得到电角度调节值和电角转速求解值。

输出模块600，用于将电角度调节值输出至对应的三相绕组，根据电角转速求解值计算平均机械角速度。

控制模块700，用于将平均机械角速度输入速度控制器，进行独立三相永磁同步电机闭环控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过电角度观测器进行观测分别得到两个三相绕组的电角转速与电角度，包括：电角度观测器通过滑膜观测器原理构建，电角转速与电角度为：

其中，为观测后的电角度，为观测后的电角转速，和为α、β轴扩展反电动势，ψf为磁链系数，ωe为电角速度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据两个三相绕组的电角转速与电角度，计算两个三相绕组电角转速与电角度的平均值，进一步包括：

对观测的电角度与电角转速进行均值计算，通过pi调节器使两个三相绕组的电角转速与电角度分别快速响应到均值，实现同步控制，输出经过控制器调整后电角转速至各自绕组，并进行均值计算后输入两套三相绕组转速外环进行独立三相永磁同步电机控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：调节模块，用于通过观测得到的两个三相绕组的电角度进行校验周期的调整，计算电角度误差与误差变化率输入至模糊控制规则表，通过模糊规则，对校验周期进行自适应调整。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的双绕组永磁同步电机同步控制装置，两个控制器同步启动时具有安全冗余功能，可避免因一个控制器故障导致两个控制器之间的同步启动通信造成影响，控制器同步工作后，采用永磁同步电机无传感器控制技术对解耦后的两个独立绕组进行电角度观测，并利用滑模控制原理构建同步控制器，对其进行同步控制，同时通过模糊自适应率来改变不同转速差下的校验周期，提高同步控制性能。由此，同可实现双绕组永磁同步电机的控制同步性，减小电机两绕组转矩叠加后的波动，提升电动助力转向的手感，具有一定的工程应用价值。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。