一种永磁同步电机并联矢量控制方案

摘要

一种永磁同步电机并联矢量控制方案。矢量控制技术已经广泛应用于感应电机、永磁同步电机、伺服电机的控制中，传统的电机矢量控制系统采用一台逆变器控制一台电机。但在某些使用场合，如电动汽车、电力机车、风扇、空调系统等，往往需要2台甚至多台电机同时工作。本发明的目的是提出一种一台矢量逆变器同时驱动两台永磁同步电机的控制方案。与现有技术相比，本发明具有以下优点：现有矢量控制系统采用一台逆变器驱动一台永磁同步电机，本发明提出了一种一台逆变器同时驱动两台永磁同步电机的控制方案，节约了矢量控制器的硬件成本。本发明控制方案在计算量方面并不比传统矢量控制复杂，对丰富永磁同步电机矢量控制理论具有实际意义。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机并联矢量控制方法，可应用于风扇、空调系统中两个永磁同步电机的并联驱动控制。

背景技术

矢量控制技术已经广泛应用于感应电机、永磁同步电机、伺服电机的控制中，传统的电机矢量控制系统采用一台逆变器控制一台电机。但在某些使用场合，如电动汽车、电力机车、风扇、空调系统等，往往需要2台甚至多台电机同时工作。例如一种双贯流变频空调，其室内机中就有两个永磁同步电机分别驱动两套贯流风叶轮同时工作。

有学者提出了感应电机的并联矢量控制方案，即可以多台电机共用一台矢量控制逆变器的控制思路。1994年KELECY P M等人在IEEE Power Electronics SpecialistsConference中提出了两台感应电机并联共用一台逆变器的方法。2009年海军工程大学聂子玲等人公开了一种“感应电机并联矢量控制系统”(申请号200910272737.8)，提出了两个感应电机并联由一台基于转子磁场定向的矢量控制变频器驱动的方案，并解决了两个电机由于参数不同导致的工作过程中输出转矩不平衡的问题。

矢量控制系统中感应电机可以并联运行，但关于永磁同步电机并联矢量控制技术之前还未出现过。

发明内容

本发明的目的是提出一种一台矢量逆变器同时驱动两台永磁同步电机的控制方案。矢量控制系统中感应电机可以并联运行，但关于永磁同步电机并联矢量控制技术之前还未出现过。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种永磁同步电机并联矢量控制系统方法，包括如下步骤：

a)通过采样测量到两台电机并联的定子相电流i_u、i_v,通过计算获得第三路定子电流i_w＝-i_u-i_v。与单个电机的矢量控制不同，这里i_u、i_v、i_w是两台电机并联的定子相电流；

b)通过位置检测编码器分别得到两个电机转子位置的机械角度θ_r1、θ_r2，计算出两个电机转子位置的平均机械角θ_r＝(θ_r1+θ_r2)/2，平均电角度θ_e＝pθ_r，p为电机极对数，对θ_r微分得到两个电机的平均机械转速ω_r＝dθ_r/dt；

c)与单个电机的矢量控制不同，这里是将平均电角度θ_e提供给Park变换及其逆变换进行计算，将两电机并联定子相电流i_u、i_v、i_w经过进行Clarke变换和PARK变换得到两台电机并联定子电流的d轴分量i_d和q轴分量i_q；

d)速度环采用PI调节控制,给定转速ω_set作为速度环输入，所述两个电机平均机械转速ω_r作为速度环反馈，速度环的输出作为定子电流i_s，然后通过转矩角β分别计算出d轴电流参考量和q轴电流参考量

e)电流环采用PI调节控制，所述d、q轴电流参考量为电流环的输入量，所述d、q轴电流分量i_d、i_q为电流环的反馈，电流环的输出作为d、q坐标系的电压分量V_d、V_q；

f)所述电压分量的V_d、V_q根据平均电角度θ_e，通过Park逆变换计算出αβ直角坐标系的电压分量V_α、V_β；

g)所述电压分量V_α、V_β通过SVPWM计算功率模块中六个功率管导通的占空比；

h)通过三相PWM逆变器驱动两个并联的永磁同步电机工作。

该方法包括如下实现部件：两个并联的永磁同步电机、两个电机定子电流采集传感器、两个电机转子位置检测编码器、一个电机位置角计算单元、一个Clarke变换单元、一个PARK变换单元、一个速度环单元、两个电流环单元、一个PARK逆变换单元、一个SVPWM计算单元和一个三相PWM逆变器单元部分。

所述两个永磁同步电机绕组并联，共用同一个三相PWM逆变器单元。

所述永磁同步电机为型号相同的嵌入式永磁同步电机或型号相同的表贴式永磁同步电机。

所述永磁同步电机用于调速系统，且两个永磁同步电机转速相等。

在本发明的实施例中，从矢量控制的原理上论证了永磁同步电机并联矢量控制方法的可行性，当某台电机对应用的负载转矩发生变化(增大或减小)时，在两台电机绕组并联的情况下，这台电机所产生的电磁转矩也产生相应的变化(增大或减小)，这样就可以确保两台电机同步运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：现有矢量控制系统采用一台逆变器驱动一台永磁同步电机，本发明提出了一种一台逆变器同时驱动两台永磁同步电机的控制方案，节约了矢量控制器的硬件成本。本发明控制方案在计算量方面并不比传统矢量控制复杂。本发明对丰富永磁同步电机矢量控制理论具有实际意义。

通过以下的具体实施例并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1本发明永磁同步电机并联矢量控制系统的结构图。

图2两台电机负载相等时，其中一台电机的基本矢量图。

图3两台电机负载不相等时，负载转矩较大电机①的基本矢量图。

图4两台电机负载不相等时，负载转矩较小电机②的基本矢量图。

图5两个电机驱动负载从静止到给定转速的速度波形。

图6两个电机并联的相电流波形。

图7并联矢量控制系统中两个电机的输出电磁转矩波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

作为一种可实施方式，图1是本发明永磁同步电机矢量控制系统图，控制系统包括：两个并联的永磁同步电机、两个电机定子电流采集传感器、两个电机转子位置检测编码器、一个电机位置角计算单元、一个Clarke变换单元、一个PARK变换单元、一个速度环单元、两个电流环单元、一个PARK逆变换单元、一个SVPWM计算单元和一个三相PWM逆变器单元等部分。

本发明的永磁同步电机并联矢量控制方法，与传统永磁同步电机矢量控制方法的本质区别在于：

1)两台永磁同步电机并联，共用一个三相PWM逆变器单元。两台电机具有如下特性：电机的型号相同(极对数相等，电机的参数基本相等)，两台电机在运行过程中转速相等、所带负载也基本相等。

2)在矢量控制计算中的定子电流i_u、i_v、i_w是两台电机并联的定子相电流，而不是单个的电机相电流。

3)在矢量控制计算中，将两台电机的平均电角度θ_e提供给Park变换及其逆变换进行计算。

在dq坐标系中，永磁同步电机的电压方程为：

$>\{\begin{array}{c}{V}_d=R_s{i}_d+\frac{{\mathrm{d\psi }}_d}{dt}-{\mathrm{\omega \psi }}_q\\ V_q=R_s{i}_q+\frac{{\mathrm{d\psi }}_q}{dt}+{\mathrm{\omega \psi }}_d\end{array}---\left(1\right)$>

Park逆变换对应的方程为：

$>\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha }=V_d\cos \theta -V_q\sin \theta \\ V_{\beta }=V_d\sin \theta +V_q\cos \theta \end{array}\right)---\left(2\right)$>

d、q轴磁链方程为：

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_d=L_d{i}_d+{\psi }_f\\ {\psi }_q=L_q{i}_q\end{array}\right)---\left(3\right)$>

电磁转矩方程为：

T_em＝p_n(ψ_di_q-ψ_qi_d)(4)

式(1)～(4)中：V_d、V_q为dq轴坐标系的电压分量；V_α、V_β为αβ直角坐标系的电压分量；i_d、i_q为dq轴电流分量；R_s为定子电阻；L_d、L_q分别为d、q轴电感；ψ_d、ψ_q分别为d、q轴磁链；ψ_f为永磁体磁链；ω为电角速度；p_n为电机极对数；T_em为电磁转矩。

电机的运动方程为：

$>J\frac{{\mathrm{d\omega }}_r}{dt}=T_{em}-{\mathrm{B\omega }}_r-T_L---\left(5\right)$>

式(5)中J为电机转子的转动惯量；ω_r为机械角速度；B为粘滞阻尼系数；T_L为负载转矩。

本发明论证本发明的永磁同步电机并联矢量控制方法可行性的思路是：当两台电机中，当某个的电机对应用的负载转矩发生变化(增大或减小)时，在两台电机绕组并联的情况下，这个电机所产生的电磁转矩也产生相应的变化(增大或减小)，这样就可以确保两台电机同步运行。

为了便于下面的分析，假定这两台电机分别为电机①和电机②，同时不妨假定电机①的负载转矩比两电机转矩的平均值大，电机②的负载转矩比两电机转矩的平均值小。相关的电磁变量也通过增加下标来区分。

将公式(3)代入公式(1)，得出电压的稳态方程：

$>\{\begin{array}{c}{V}_d=R_s{i}_d-{\mathrm{\omega L}}_q{i}_q\\ V_q=R_s{i}_q+{\mathrm{\omega L}}_d{i}_d+{\mathrm{\omega \psi }}_f\end{array}---\left(6\right)$>

将式(6)用矢量图表示，可得目前通常所使用的永磁同步电机矢量控制的矢量图如图2所示。图2中i_s代表定子电流；β代表转矩角；V_a代表绕组的端电压；V₀代表忽略电阻压降时的绕组端电压。

$>\left(\begin{array}{c}{i}_d=-i_s\sin \beta \\ i_q=i_s\cos \beta \end{array}\right)---\left(7\right)$>

$>V_0=\sqrt{V_{0d}^2+V_{0q}^2}=\omega \sqrt{{\left(L_q{i}_q\right)}^2+{(L_d{i}_d+{\psi }_f)}^2}---\left(8\right)$>

$>V_a=\sqrt{V_d^2+V_q^2}=\sqrt{(R_s{i}_d-{\mathrm{\omega L}}_q{i}_q)+{(R_s{i}_q+{\mathrm{\omega L}}_d{i}_d+{\mathrm{\omega \psi }}_f)}^2}---\left(9\right)$>

图2中，电机转子的旋转方向为逆时针方向(CCW)，当负载T_L加重时，电机①的转子相对于电机旋转方向会滞后一个角度δ，这时永磁体与d轴有一个夹角δ，永磁体产生的磁链ψ_f在d轴和q轴都产生一个分量，仿照(3)可以写出负载T_L加重时电机①的d、q轴磁链方程：

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_{d1}=L_d{i}_{d1}+{\psi }_f\cos \delta \\ {\psi }_{q1}=L_q{i}_{q1}-{\psi }_f\sin \delta \end{array}\right)---\left(10\right)$>

电机①的d、q轴电压方程：

$>\left(\begin{array}{c}{V}_{d1}=R_s{i}_{d1}-{\mathrm{\omega L}}_q{i}_{q1}-{\mathrm{\omega \psi }}_f\sin \delta \\ V_{q1}=R_s{i}_{q1}+{\mathrm{\omega L}}_d{i}_{d1}+{\mathrm{\omega \psi }}_f\cos \delta \end{array}\right)---\left(11\right)$>

如图3所示为负载T_L加重时电机①的矢量图，i_d1、i_q1代表电机①dq轴电流分量；i_s1代表定子电流；β₁代表转矩角；V_a1代表绕组的端电压；V₀₁代表忽略电阻压降时的绕组端电压。

当负载T_L减小时，电机②的转子相对于电机旋转方向会超前一个角度δ，电机②的d、q轴磁链方程：

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_{d2}=L_d{i}_{d2}+{\psi }_f\cos \delta \\ {\psi }_{q2}=L_q{i}_{q2}+{\psi }_f\sin \delta \end{array}\right)---\left(12\right)$>

电机②的d、q轴电压方程：

$>\left(\begin{array}{c}{V}_{d2}=R_s{i}_{d2}-{\mathrm{\omega L}}_q{i}_{q2}+{\mathrm{\omega \psi }}_f\sin \delta \\ V_{q2}=R_s{i}_{q2}+{\mathrm{\omega L}}_d{i}_{d2}+{\mathrm{\omega \psi }}_f\cos \delta \end{array}\right)---\left(13\right)$>

如图4所示为负载T_L减轻时电机的矢量图，i_d2、i_q2代表电机②dq轴电流分量；i_s2代表定子电流；β₂代表转矩角；V_a2代表绕组的端电压；V₀₂代表忽略电阻压降时的绕组端电压。

与两电机转矩相同的情况不同，图3、4中两台电机永磁体与d轴不再重合，式(11)、(13)表明两台电机dq轴坐标系的电压分量不相等

V_d1≠V_d2，V_q1≠V_q2(14)

但在并联电路中，两台电机共用同一套SVPWM逆变电路，所加在两台电机绕组的端电压V_α、V_β是相等的，由Park逆变换方程(2)可以进一步推导出：

$>V_{\alpha }^2+V_{\beta }^2={(V_{d}cos\theta -V_{q}sin\theta )}^2+{(V_{d}sin\theta +V_{q}cos\theta )}^2=V_d^2+V_q^2---\left(15\right)$>

从式(9)和式(15)可知，当两台电机的负载转矩不相同时，加在两台电机绕组的端电压V_a1、V_a2和原先两台电机转矩相同时的端电压V_a相等：

V_a＝V_a1＝V_a2(16)

如果忽略电阻的压降，两台电机绕组的端电压也是相等的：

V₀＝V₀₁＝V₀₂(17)

基于两台电机绕组的端电压V_a1、V_a2相等的原则，分析图2、3、4三种情况的矢量图可以得出如下结论：当负载T_L加重时，图3电机①的定子电流i_s1大于图2中的定子电流i_s，同时图3电机①的d轴电流i_d1与图2相比减小，q轴电流i_q1与图2相比增大；当负载T_L减轻时，图4电机②的定子电流i_s2小于图2中的定子电流i_s，同时图4电机②的d轴电流i_d2与图2相比减小，q轴电流i_q2与图2相比也减小。即有关系式：

$>\left(\begin{array}{c}{i}_{s1}>i_s>i_{s2}\\ i_{q1}>i_q>i_{q2}\\ i_{d1}=i_{d2}<i_d\end{array}\right)---\left(18\right)$>

将公式(10)、(12)、(18)代入公式(4)，可以求出几种情况下电磁转矩之间的关系。从磁链公式(3)、(10)、(12)可以推导出：

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_{d1}={\psi }_{d2}<{\psi }_d\\ {\psi }_{q1}<{\psi }_q<{\psi }_{q2}\end{array}\right)---\left(19\right)$>

综合公式(18)、(19)可以推导出：

$>\left(\begin{array}{c}{\psi }_{d1}{i}_{q1}>{\psi }_{d2}{i}_{q2}\\ {\psi }_{q1}{i}_{d1}<{\psi }_{q2}{i}_{d2}\end{array}\right)---\left(20\right)$>

将公式(20)代入公式(4)可得：

T_em1＝p_n(ψ_d1i_q1-ψ_q1i_d1)>p_n(ψ_d2i_q2-ψ_q2i_d2)＝T_em2(21)

公式(21)证明，在并联矢量控制系统中，当其中一台电机(这里设为电机①)所带的负载转矩T_L加重时，这台电机的电磁转矩输出随之增大；当其中一台电机(这里设为电机②)所带的负载转矩T_L减轻时，这台电机的的电磁转矩输出随之减小，并联控制系统中每个电机各自具有转矩自动调节的能力，从而保证两台电机可以同步运行。

作为本发明的一个具体的可实施例，将本发明的并联矢量控制方案应用于一款双贯流空调(型号为KFR-72L/BP2DN1Y-IE)，空调的额定制冷量为7200W，因这种空调的室内机中就有两个永磁同步电机分别驱动两个贯流风叶轮同时工作，所以称为双贯流空调。这里两个电机同一型号(ZKFN-30-8-2)的永磁同步电机，电机的参数如下：额定直流电压310V；调速范围500～1500rpm；极对数p_n＝4；定子电阻R_s＝30Ω；定子直轴电感L_d＝330mH；定子交轴电感L_q＝350mH；反电势系数k_e＝80.0V/krpm。

本发明可实施例的理论验证是在Matlab/Simulink平台上按如图1搭建本发明永磁同步电机并联矢量控制系统的仿真模型。电机参数采用型号(ZKFN-30-8-2)参数，给定转速1200rpm，设两台电机的平均输出转矩为0.2Nm，为了验证电机在相同转速下是否具有转矩自动调节的能力，假设两台电机的负载转矩不相等，不妨设电机①的负载转矩为0.22Nm，电机②的负载转矩为0.18Nm。如图5并联矢量控制系统中两个电机驱动负载从静止到给定转速1200rpm的速度波形，其中虚线代表电机①的速度波形，实线代表电机②的速度波形，从图5可见，两台电机是从静止到给定转速，最后两台电机都可以达到稳态运行。从放大的转速波形看，与常用的控制方案不同，当两台电机的负载转矩不相等时，本发明方案控制的每台电机的稳态转速匀在1200rpm上下波动，体现了每台电机为了实现同步运行而不断调整的过程。如图6为从起动到稳态运行两个电机并联的相电流波形，起动过程中最大电流为2.5A，稳态运行时的相电流幅值为0.35A，这和一台单独输出0.4Nm永磁同步电机从起动到稳态的相电流是相同的。如图7为两个电机输出的电磁转矩波形，因电机①的负载转矩比电机②大，从图7中可见，电机①的输出电磁转矩(虚线代表)也比电机②的输出电磁转矩(实线代表)大，电机①的输出电磁转矩在0.22Nm附近波动，电机②的输出电磁转矩在0.18Nm附近波动。

通过电机仿真分析，从理论上进一步证明在并联矢量控制系统中，当其中一台电机所带的负载转矩T_L加重时，这台电机的电磁转矩输出随之增大；当其中一台电机所带的负载转矩T_L减轻时，这台电机的的电磁转矩输出随之减小，并联控制系统中每个电机具有转矩自动调节的能力，两台电机具有同步运行的能力。

本发明可实施例的实验分为两个步骤，目的是对比传统单电机矢量控制方案与本发明例所述控制方案的控制效果。第一步按目前常用的方法，用两个控制器分别驱动本发明例空调样机中的两台贯流风扇电机，两台电机的转速给定是相同的，让两台电机从765rpm(对应最小出风量)，逐步升速到1500rpm。在空调室内机专用风量测试平台上，可记录两个电机输入功率和、输入电流和、总输出风量等数据；第二步按本发明给出的方法，将两台贯流风扇电机的绕组并联，共用一个控制器来驱动，同样让两台电机从765rpm逐步升速到1500rpm，记录两个电机输入功率和、输入电流和以及总输出风量。

如表1为单电机矢量控制方案与本发明例所述控制方案的实验数据对比。从实验数据可见，采用本发明控制方案驱动两台电机并联工作，两个电机输入功率和、输入电流和，以及空调室内机总的输出风量，与常用的单电机矢量控制方案是基本相当的。例如在给定转速1500rpm处，单电机矢量控制方案，两个电机的实际转速分别为1495rpm、1503rpm，控制器输入功率和为63.6W，总输出风量为1425.0m³/h；采用本发明控制方案时，两个电机的实际转速分别为1506rpm、1508rpm，控制器输入功率和为64.5W，总输出风量为1471.2m³/h，由于本发明方案两台电机的实际转速稍大，控制器的输入功率和总出风量也都稍有增大，证明两种控制方案在系统效率方面也是基本相当的。

表1单电机矢量控制方案与本发明控制方案的实验数据对比

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。