一种永磁电机的控制方法
阅读说明：本技术 一种永磁电机的控制方法 (Control method of permanent magnet motor ) 是由 吴立建 方攸同 李卓航 陈泽开 朱亮 于 2019-12-25 设计创作，主要内容包括：一种永磁电机的控制方法,包含了电机不平衡状态判断模块,坐标变换数学模型,和不平衡谐波电流抑制模块,不平衡谐波电流模块完成后,电机运行状态再次输入电极不平衡状态判断模块中。本发明的优点在于：能够针对所有双三相电机进行不平衡状态判断,获得不平衡运行参数,有效抑制不平衡电流成分,减小不平衡运行状态下的转矩脉动。(A control method of a permanent magnet motor comprises a motor unbalance state judgment module, a coordinate transformation mathematical model and an unbalance harmonic current suppression module, wherein after the unbalance harmonic current module is completed, the running state of the motor is input into the electrode unbalance state judgment module again. The invention has the advantages that: the method can judge the unbalanced state of all the double three-phase motors to obtain unbalanced operation parameters, effectively inhibit unbalanced current components and reduce torque pulsation in the unbalanced operation state.)
技术领域
本发明属于电机控制领域，涉及一种双三相永磁同步电机不平衡情况下的控制方法。
背景技术
永磁同步电机是一种由永磁体励磁的同步旋转电机。其具有功率密度高、效率高、结构多样等多种优点。其中多相永磁同步电机因为容错运行、高可靠性等特点，被广泛地应用在舰船电动力、航空电动力和风力发电等领域。
具有两套绕组的双三相永磁同步电机主要分为相移30°双绕组电机和无相移的双绕组电机。相移30°双绕组电机的每套绕组在空间结构上都是完全对称的。无相移双绕组电机的每套绕组在空间结构上可能不完全对称，会导致互感不对称。在缺相故障运行下（即当一套绕组因故障被切除、不再运行，只有一套绕组正常运行），这种电机结构可能出现不平衡运行情况。同时，电机制造工艺、驱动器的非线性特性、长期运行老化问题，都会导致电机的电参数矩阵不对称，电机出现不平衡运行情况。
双三相电机在不平衡情况下运行，会增大振动噪声，影响电机运行寿命。所以如何抑制电机不平衡运行，减小转矩脉动，具有重要意义。
目前，针对抑制电机不平衡运行的研究主要针对相移30°双绕组电机，尚无针对无相移的双绕组电机的不平衡运行判断和抑制的方案公布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够针对所有双三相电机进行不平衡状态判断，获得不平衡运行参数，有效抑制不平衡电流成分，减小不平衡运行状态下的转矩脉动的双三相永磁同步电机不平衡控制系统和方法。
一种双三相永磁同步电机不平衡控制系统，包含了电机不平衡状态判断模块，坐标变换数学模型，和不平衡谐波电流抑制模块，不平衡谐波电流模块完成后，电机运行状态再次输入电极不平衡状态判断模块中；
不平衡状态判断模块区分出电机的不平衡状态，不平衡状态包括单相断路后的不平衡运行状态，有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，和电阻、电感参数不对称；坐标变换数学模型包括双dq0变换单元，VSD（矢量空间解耦变换）单元和改进的矢量解耦变换矩阵；当处于有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，采用双dq0变换单元对电机运行参数进行坐标变换；处于单相断路后的不平衡运行状态或电阻、电感参数不对称时，采用VSD或改进的矢量解耦变换矩阵进行坐标变换，坐标变换获得电机的不平衡运行信息。
不平衡运行信息包括谐波电流和两相绕组之间的电流差异值。
作为优选的方案，VSD单元的变换矩阵为：
，
其中，θ表示角代表旋转坐标系d轴与静止坐标系A轴的电角度夹角。
作为优选的方案，改进的矢量解耦变换矩阵为：
优选的，不平衡谐波电流抑制模块为比例积分谐振控制器（PIR）和、或谐波电压前馈算法，当采用比例积分谐振控制器（PIR）和谐波电压前馈算法混合抑制时，比例积分谐振控制器（PIR）和谐波电压前馈算法并联使用。
优选的，坐标变换数学模型作为计算模块装载或集成在电机控制器中，或者，坐标变换数学模型作为计算模块集成于电机的远端控制器或计算资源中；和、或者，坐标变换数学模型中包括模型调用单元，模型调用单元再根据不平衡状态的判断结果调用相应的数学模型进行计算。
一种双三相永磁同步电机不平衡控制方法，执行以下操作：识别电机不平衡状态并对不平衡状态进行分类，不平衡状态包括单相断路后的不平衡运行状态，有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，和电阻、电感参数不对称；
对电机运行参数进行坐标变换、获得不平衡的具体参数，比如不平衡的电流成分，不平衡的电流谐波等；坐标变换数学模型包括双dq0变换单元，VSD（矢量空间解耦变换）单元和改进的矢量解耦变换矩阵，当处于有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，采用双dq0变换单元对电机运行参数进行坐标变换；处于单相断路后的不平衡运行状态或电阻、电感参数不对称时，采用VSD或进行坐标变换，坐标变换获得电机的不平衡运行信息；
不平衡运行信息输入不平衡谐波电流抑制模块，不平衡谐波电流模块完成抑制后，电机的当前运行状态再次输入电极不平衡状态判断模块中；重复执行不平衡状态判断、坐标变换和不平衡谐波电流抑制。
不平衡运行信息包括两相绕组不平衡时，两相绕组的谐波电流和两相绕组的参数差异值。
本发明的技术构思如下：首先，电机不平衡状态判断模块，是通过检测当前电路电流、电压、功率器件故障信号等数据，判断当前电路存在哪一类不平衡运行问题。然后，根据不平衡运行的问题，选择合适的坐标变换数学模型。最后，采用比例积分谐振控制器（PIR）、谐波电压前馈或两者混合控制算法，对双三相电机中的不平衡谐波电流进行抑制。
双绕组永磁同步电机的不平衡运行原因有：1、电机本体设计时，单套绕组空间结构不对称，导致每套绕组的互感不平衡；2、因电机制造工艺、驱动器的非线性特性、长期运行老化问题等，电机的电阻、电感等参数不对称。因此，电机不平衡状态判断模块可以归类以下三种不平衡状态：1、单相断路后的不平衡运行状态；2、仅一套三相绕组运行下的不平衡状态；3、双三相电机中电阻、电感参数不对称。第一种不平衡状态，是由单相短路、断路等故障导致的，短路故障相或断路故障相切除后均可视为断路故障，余下几相继续运行。为了保证电流产生的合成磁场在空间的磁链圆不变，切除相的电流由余下几相分担。若电机绕组结构不对称，则这种情况下会出现负序电流。第二种不平衡情况，是一套绕组中单相或多相出现故障，将整套绕组切除后，余下另一套三相绕组继续运行。若电机绕组结构不对称，则这种情况下也会出现负序电流。第三种不平衡状态，是由每相电机电阻、电感参数不同，导致额定运行时电机参数矩阵不对称，出现负序电流。
电机控制中采用的坐标变换数学模型，可以采用传统的双dq0变换，还有：1、矢量空间解耦变换（VSD）；2、新的矢量解耦变换矩阵；3、双dq0变换。第一种坐标变换模型——VSD，适用于中性点连接或中性点隔离的双三相电机，将双三相电机视为六相电机，通过矢量空间解耦变换矩阵将六相参量变换为六相正交解耦参量，其中两相参量构成基波子平面空间矢量、两相参量构成谐波子平面空间矢量、两相参量构成零序子平面空间矢量。第二种坐标变换模型——新的矢量解耦变换矩阵，是将双三相电机的六个变量变换为基波平面的dq轴分量与零序平面的四个不平衡分量，dq轴分量控制电机的机电转换，不平衡分量控制电机两套绕组间各相不平衡。第三种坐标变换模型——双dq0变换，适用于中性点隔离的双绕组电机，将两套绕组视为两个三相电机子系统的矢量合成，分别对每套绕组进行Clarke-Park坐标变换。
电机不平衡状态下运行，采用比例积分谐振控制器（PIR）、谐波电压前馈算法或两者混合控制算法，抑制电流中的不平衡分量。电流中不平衡分量以电参数不对称导致的负序电流（二倍频谐波电流）分量为主。
第一种方法，比例积分谐振控制器将PI控制器与谐振控制器并联，PI控制器可以追踪电流中的直流分量，谐振控制器通过产生一个特定频率的高增益追踪电流中该频率的谐波分量，用于抑制该频率的谐波电流。第二种方法，谐波电压前馈，根据确定的电机参数不平衡分量，计算出抑制谐波电流的谐波电压分量ΔU d 、ΔU q ，注入到U d 、U q 中，快速地实现谐波电流抑制。第三种方法，PIR控制器与谐波电压前馈算法混合使用，同时抑制电路中的不平衡电流。谐波电压前馈能够保证电流快速抑制，提高抑制的动态响应。若电机参数不平衡分量能够准确测得，则可以准确注入补偿谐波电压分量，实现对谐波电流完全抑制。PIR控制器中谐振项有积分器，能够将稳态下电流中谐波电流控制到0，满足电机参数不平衡分量测量不准的情况下，实现对谐波电流的完全抑制。故PIR与谐波电压前馈混合算法，能够实对不平衡谐波电流快速、完全的抑制。
本发明通过电机不平衡状态判断模块定位不平衡问题，并选择适当的坐标变换数学模型与不平衡电流抑制方法，实现对电机系统中不平衡电流分量的抑制。由于双三相永磁同步电机具有多种绕组排布结构，出现的不平衡问题较多，而本发明能够判别多种不平衡情况，并针对性解决。相比传统双三相电机坐标变换数学模型，本发明提出了新的坐标变换模型。相比传统PIR控制器、谐波电压前馈混合算法，本发明采用PIR与谐波电压前馈混合算法，能够提高不平衡电流抑制算法的动态、稳态性能。
附图说明
图1是本发明的运行流程图。
图2是两种双绕组三相电机的绕组分布结构图，a是相移30°的绕组分布结构示意图，b是无相移的绕组分布结构示意图。
图3是不平衡判断的三种类型分类的示意图。
图4是使用改进的矢量解耦变换矩阵进行坐标变换、采用PIR抑制不平衡电流谐波的控制框图。
图5是采用图4的控制策略前后，电机中的电流波形对比图。
图6是使用双dq0进行坐标变换、采用PIR和谐波电压前馈算法混合抑制不平衡电流谐波的控制框图。
图7是采用图6的控制策略前后，电机中的电流波形对比图。
图8是采用VSD进行坐标变换、采用PIR抑制不平衡电流谐波的控制框图。
图9是采用图8的控制策略前后，电机中的电流波形对比图。
图10是电流矢量在磁链矢量的方向分量的示意图。
图11是电流矢量分解到dq轴的示意图。
图12是六相电流值在alpha-beta坐标系下的示意图。
图13是将dq坐标系融入alpha-beta坐标系下的示意图。
图14是alpha轴与d轴重合时，dq坐标系融入alpha-beta坐标系下的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例及附图阐述了电机不平衡状态判断模块，三种坐标变换数学模型，以及比例积分谐振控制器（PIR）与谐波电压前馈的混合抑制方法。本发明也适用于多相、多套绕组电机，控制原理相同。
如图1所示，为一种不平衡运行下的控制策略的实现流程框图。双绕组电机因为本体结构设计问题、制造工艺、运行故障、老化等问题，导致电机出现不平衡运行状况，出现不平衡的负序电流，转矩脉动增大。
图2表示了双三相永磁同步电机的两种主要绕组排布结构，（a）绕组分布结构1为相移30°，（b）绕组分布结构2为无相移的。在绕组分布结构2中，每套绕组在空间上无法实现完全对称，所以每套绕组的电感矩阵不对称，在两套绕组电流不完全一致的情况下，会出现不平衡电流。
如图1所示，一种双三相永磁同步电机不平衡控制方法，执行以下操作：识别电机不平衡状态并对不平衡状态进行分类，不平衡状态包括单相断路后的不平衡运行状态，有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，和电阻、电感参数不对称；
对电机运行参数进行坐标变换、获得不平衡的具体参数，比如不平衡的电流成分，不平衡的电流谐波等；坐标变换数学模型包括双dq0变换单元，VSD（矢量空间解耦变换）单元和改进的矢量解耦变换矩阵，当处于有且仅有一套绕组运行时的不平衡运行状态，采用双dq0变换单元对电机运行参数进行坐标变换；处于单相断路后的不平衡运行状态或电阻、电感参数不对称时，采用VSD或进行坐标变换，坐标变换获得电机的不平衡运行信息；
不平衡运行信息输入不平衡谐波电流抑制模块，不平衡谐波电流模块完成抑制后，电机的当前运行状态再次输入电极不平衡状态判断模块中；重复执行不平衡状态判断、坐标变换和不平衡谐波电流抑制。
如图2所示，电机不平衡状态判断模块由双三相电机的6相电流、6相端电压、驱动模块各桥臂故障信号作为输入。若IGBT驱动模块出现桥臂故障，则判断为相短路、断路等问题，切除故障相。若仅切除一相，则进行单相断路控制策略。若切除两相，且两相为同一套绕组，则进行单套三相绕组控制策略。若IGBT驱动模块无桥臂故障信号，且6相电流中出现明显的负序电流分量，则进行电阻、电感不对称控制。
实施例1
单相断路故障的不平衡状态下，选择改进的矢量解耦变换矩阵模型，采用PIR控制算法抑制谐波电流。其中变换矩阵为：
其中，前两行表示基波分量矢量，后四行表示零序分量矢量。电机在dq轴下的数学模型为：
其中L代表自感，ΔL代表缺相运行带来的的不平衡自感。
在现有的电机控制中，无论是对转速，位置，还是电机出力进行控制，其本质都是对电机的转矩进行控制，一台电机的转矩是由磁链矢量和电流矢量叉乘计算得到的，无论是感应电机还是同步电机，电励磁或永磁体励磁的电机都是一样的。可以表示为：
在永磁同步电机中，无论是常见的三相电机还是这个专利的双三相电机，磁链矢量基本上是由永磁体产生的。磁链矢量可以写为
由此可以定义dq轴，d轴方向与磁链矢量方向相同，q轴方向就是其垂直方向，如图11所示：为了方便理解，使电流矢量与磁链矢量不正交，将电流矢量分解到dq轴，分别叫直轴电流（id）和交轴电流（iq）。将id控制为0，iq等于is的幅值。此时
变换矩阵就是将电机中的某六相变量变换为另外六相变量，变换前后由不同的意义。将变换矩阵用到具体电流变换场合更加清楚。
写成方程组形式会更加清楚：
可以看出，变换矩阵其实可以代表ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2对id和iq的贡献是多少，或者说id和iq是由ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2怎样组成的，可以看作是一种加权。举个例子
当θ=0的时候，a轴与d轴重合，如图14所示，id可以表示为
iq同理，也就是abc轴上的分量在dq轴上的投影。当θ变化时也是如此。
得到了id和iq的实际值，就可以进一步控制id和iq，控制方法多种多样，不再详细叙述了。
iz0叫做零序分量，由所有六相电流加起来。因为两套绕组中性点相连，理论上六相电流加起来一定为零，所有一般对于iz0这个分量是没有做任何处理的。当考虑到漏电流或对地电容等情况时才需要做进一步控制。
iz1，iz2，iz3叫做不平衡分量，控制两套绕组间电流大小关系的。对转矩性能没有影响，对转矩有影响的只有dq轴的电流，上面已经推理过了。但是这三个分量对两套绕组间的平衡有重要的影响。在一般情况下，需要两套绕组出力尽可能相等，这样对于线路的损耗较低，效率较高。因为线路中是有铜耗的，铜耗大小为
这就是这个变换矩阵存在的原因，上面两行控制其转矩的性能，下面四行控制两套之间的不平衡。
图3为该控制策略下的控制框图，PIR模块起到电流直流分量调节以及二次谐波电流分量抑制作用。
图5为采用本控制策略前后，电机中的电流波形。从图5中可以看出，无平衡抑制控制的转矩波动明显高于经过平衡抑制控制的转矩波动，波动下降。
实施例2
单套三相绕组控制策略下，选择双dq0坐标变换数学模型，采用PIR与谐波电压前馈混合控制算法。
其中，单套三相绕组数学模型为：
图5为该控制策略下的控制框图，PIR、二次电压谐波前馈两个模块并联，同时起到对电流的直流分量调节、二倍频谐波电流分量抑制作用。
图7为采用本控制策略前后，电机中电流波形。从图7中可以看出，无平衡抑制控制的转矩波动明显高于经过平衡抑制控制的转矩波动，波动下降。
实施例3
电阻、电感不对称时，以电阻不对称为例，假设第一套绕组A相的不对称电阻为ΔR 1、第二套绕组A相的不对称电阻为ΔR 2，ΔR 1≠ΔR 2，此时双三相电机同时存在套间电阻不对称和相间电阻不对称的情况。选择矢量空间解耦（VSD）变换数学模型，相应的二倍频谐波电压如下：
通过数学模型可知，基波子平面电流存在二倍频谐波电流分量，同时谐波子平面电流的存在会在基波子平面中引入二倍频谐波电流分量，因此需要在抑制基波子平面的二倍频谐波电流分量的同时对谐波子平面电流进行抑制。
以下，我们介绍一下VSD的变换矩阵推导过程。
一般针对相移30°，abc坐标系列alpha-beta坐标变换矩阵如下：
alpha beta-
基：
谐：
alpha beta-
针对无位移，若采用原先的推理过程，得abc-alphabeta变换矩阵：
由于
我们修改推导原理，将第一平面（即转换矩阵的第1、2行）反映平均值，
第二平面（即转换矩阵的第3、4行）反映差值，
推出无相移abc-
图7为该控制策略下的控制框图，PIR模块分别添加在基波子平面和谐波子平面中，在抑制谐波子平面电流的基础上，对基波子平面的二倍频谐波电流分量进行抑制。
图9为采用本控制策略前后，电机中电流波形。从图9中可以看出，无平衡抑制控制的转矩波动明显高于经过平衡抑制控制的转矩波动，波动明显下降。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明的解释说明，并不是对本发明进行限制，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体内容，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改变等，均包含在本发明的保护范围内。
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