專利名稱：一種異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具體的說(shuō)是一種對(duì)轉(zhuǎn)子同軸的兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
推進(jìn)電動(dòng)機(jī)是船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備。隨著船舶額定載重量的增長(zhǎng)，配套推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率也在增長(zhǎng)(10～40MW)，并要求低轉(zhuǎn)速(約為100～180r/min)、高轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、多工況運(yùn)行、調(diào)速性能好、調(diào)速范圍寬、抗沖擊性好、振動(dòng)小、噪音低、效率高、維護(hù)少、可靠性高、持久耐用等，并且電動(dòng)機(jī)的外形尺寸要受到船舶結(jié)構(gòu)的制約。目前，船舶電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要型式是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于采用了永磁材料，其功率密度(電機(jī)輸出功率/電機(jī)總體積)高于普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，也就是說(shuō)在輸出相同功率的情況下，電動(dòng)機(jī)的體積要小些；對(duì)于軍艦(特別是潛艇)用的電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，還要求比商用船舶更高的功率密度。為此，世界各國(guó)相繼開(kāi)展了各種高功率高轉(zhuǎn)矩密度推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究。雙定子，雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)就是其中的一種，它是通過(guò)兩套定轉(zhuǎn)子模塊組合成的一種特殊結(jié)構(gòu)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它可以達(dá)到比傳統(tǒng)的徑向磁場(chǎng)永磁同步電動(dòng)機(jī)更高的功率密度。
圖1是一種雙定子，雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它在傳統(tǒng)大容量電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁軛內(nèi)徑與電機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的空間，再安放一套(或多套)定子和轉(zhuǎn)子，以產(chǎn)生同軸的電磁轉(zhuǎn)矩，從而提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，以滿足艦船電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)大容量、高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的要求。同時(shí)，兩套(或多套)定轉(zhuǎn)子模塊的結(jié)構(gòu)，還提高了緊急狀態(tài)下系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)其中一套模塊發(fā)生故障時(shí)，其他模塊可以繼續(xù)工作。
這種雙轉(zhuǎn)子，雙定子永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其設(shè)計(jì)的需要，可能兩套轉(zhuǎn)子具有不同的極對(duì)數(shù)，如圖2所示，這就要求兩套不同頻率的變頻器為其供電，本發(fā)明就解決了相應(yīng)的問(wèn)題，由于一般雙定子，雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)多采用表貼式結(jié)構(gòu)，所以本發(fā)明只涉及對(duì)表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制。
永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法一般有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種，其中矢量控制應(yīng)用較廣且性能也要優(yōu)于直接轉(zhuǎn)矩控制。
傳統(tǒng)的矢量控制一般通過(guò)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)矩只和磁通、電流有關(guān)，從而得到與直流電機(jī)相似的控制性能。
對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通由永磁體產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣可以直接通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置得到轉(zhuǎn)子磁通位置。由永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流即為定子交軸電流iq，勵(lì)磁電流即為定子直軸電流id，從而就可以根據(jù)實(shí)際控制需要分別設(shè)定iq，id以得到所需的控制要求。
關(guān)于勵(lì)磁電流id的控制，一般應(yīng)用中有三種情況(1)id＝0控制，在表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)(SPMSM)中，Ld＝Lq，推導(dǎo)可以得到，保持id＝0可以保證以最小的定子電流獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和iq成正比，其表達(dá)式為Tem＝pψfiq(1)(2)轉(zhuǎn)矩/電流最大控制，在內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)(IPMSM)中，Ld≠Lq，可以通過(guò)推導(dǎo)得到iq，id的比例關(guān)系，按照得到的比例關(guān)系控制可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩/電流最大控制。
(3)弱磁控制，id為負(fù)時(shí)可以產(chǎn)生弱磁作用，當(dāng)電機(jī)達(dá)到電壓極限時(shí)，要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，就要進(jìn)一步增加d軸去磁電流分量(負(fù)值的d軸電流)，同時(shí)減小iq，保持電壓平衡關(guān)系，達(dá)到弱磁升速的目的。
圖3傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的系統(tǒng)框圖。idref1可根據(jù)不同的控制策略確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，由不同頻率電源供電以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子同軸且極對(duì)數(shù)不同的兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)。
現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施原理，圖4是表示依照本發(fā)明的異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。
設(shè)初始狀態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)子1(極對(duì)數(shù)p1)d1軸在空間上落后電機(jī)轉(zhuǎn)子2(極對(duì)數(shù)p2)d2軸α0電角度，對(duì)于轉(zhuǎn)子同軸的兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)可以列寫dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下1)dq變換方程
id2iq2=23cos(θ2)cos(θ2-23π)cos(θ2+23π)-sin(θ2-23π)-sin(θ2-23π)-sin(θ2+23π)ia2ib2ic2---(2)]]>θ1＝θ10+p1∫Ωdt其中θ2＝θ20+p2∫Ωdt＝θ10+α0+p2∫Ωdt(3)2)定子電壓方程ud1=dψd1dt-ω1ψq1+Rs1id1uq1=dψq1dt+ω1ψd1+Rs1iq1]]>ud2=dψd2dt-ω2ψq2+Rs2id2uq2=dψq2dt+ω2ψd2+Rs2iq2---(4)]]>3)定子磁鏈方程ψd1=Ld1id1+ψf1ψq1=Lq1iq1]]>ψd2=Ld2id2+ψf2ψq2=Lq2iq2---(5)]]>3)電磁轉(zhuǎn)矩方程Tem1＝p1[ψf1iq1+(Ld1-Lq1)iq1id1]Tem2＝p2[ψf2iq2+(Ld2-Lq2)iq2id2]由于本文中Ld1＝Lq1Ld2＝Lq2，上式可化簡(jiǎn)為Tem1＝p1ψf1iq1Tem2＝p2ψf2iq2(6)
4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程JΣdωdt=Tem1+Tem2-TL-Kωω---(7)]]>式中，1、2下標(biāo)表示外、內(nèi)層定轉(zhuǎn)子模塊參量(i＝1，2)；θi表示轉(zhuǎn)子位置角；θi0表示轉(zhuǎn)子初始位置角；Ω表示轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；ωi表示轉(zhuǎn)子電角速度；Rsi表示定子繞組每相電阻；Ldi、Lqi表示定子繞組di、qi軸電感；ψfi表示永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈；J∑表示系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括負(fù)載的機(jī)械折算)；Kω表示系統(tǒng)阻力系數(shù)；TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
在表貼式永磁同步電機(jī)中Ld＝Lq，可以推導(dǎo)出保持id＝0就可以保證每臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩/電流最大控制，因此，對(duì)于表貼式異頻供電的永磁電動(dòng)機(jī)，只要令定子各自的三相合成定子電流矢量與相應(yīng)轉(zhuǎn)子q軸重合時(shí)，就可以通過(guò)調(diào)整直流量iq1，iq2(外、內(nèi)層轉(zhuǎn)子q軸電流)來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層定轉(zhuǎn)子都以最大轉(zhuǎn)矩/電流輸出功率。
本發(fā)明的特征在于，含有a，一個(gè)帶軸接位置傳感器的異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)，由用不同頻率供電的兩臺(tái)同軸但極對(duì)數(shù)不同的永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成；b，第1逆變器和第2逆變器，各由集成化智能功率模塊IPM構(gòu)成，該IPM內(nèi)部集成有6個(gè)IGBT單元及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路，所述兩個(gè)逆變器各自經(jīng)2個(gè)霍爾相電流傳感器與一個(gè)異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)相連；c，第1信號(hào)調(diào)理電路和第2信號(hào)調(diào)理電路，各由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和濾波限幅電路相串聯(lián)而成，兩個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸入端各自與一臺(tái)所述永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)霍爾電流傳感器的輸出端相連；d，一塊數(shù)字集成電路含有d1，第1PWM脈沖發(fā)生單元和第2PWM脈沖發(fā)生單元，各由DSP芯片構(gòu)成，所述兩個(gè)PWM脈沖發(fā)生單元各自的六路開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖輸出端分別通過(guò)一個(gè)隔離光耦電路與所述兩個(gè)逆變器輸入端相連，d2，位置檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角并計(jì)算轉(zhuǎn)子速度，包括d3，一個(gè)正交編碼單元(QEP)，用于把所述位置傳感器輸出的正交編碼脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θm，該位置傳感器是一個(gè)用于把所述異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交編碼脈沖的光電編碼器；d4，第1乘法器，執(zhí)行θm×p1＝θ1運(yùn)算，用于把所述轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為極對(duì)數(shù)為p1的第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的電角度θ1；d5，第2乘法器，執(zhí)行θm×p2+α0＝θ2運(yùn)算，用于把所述轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為極對(duì)數(shù)為p2的第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的電角度θ2，其中，α0是所述第1永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸落后于第2永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸的電角度；d6，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算器，執(zhí)行dθm/dt運(yùn)算，用于輸出異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(Ωr)；d7，第1電流檢測(cè)單元和第2電流檢測(cè)單元，各為一個(gè)由abc坐標(biāo)到dq坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器d71，所述第1電流檢測(cè)單元執(zhí)行以下運(yùn)算id1iq1=32101323cosθ1sinθ1-sinθ1cosθ1ia1ib1,]]>ia1，ib1是信號(hào)調(diào)理電路輸出的abc坐標(biāo)下的第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩相電流，id1，iq1是第1電流檢測(cè)單元輸出的dq坐標(biāo)下相應(yīng)的dq軸電流，d72，所述第2電流檢測(cè)單元執(zhí)行以下運(yùn)算id2iq2=32101323cosθ2sinθ2-sinθ2cosθ2ia2ib2,]]>ia2，ib2是信號(hào)調(diào)理電路輸出的abc坐標(biāo)下的第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩相電流，id2，iq2是第2電流檢測(cè)單元輸出的dq坐標(biāo)下相應(yīng)的dq軸電流，d8，第1電流控制單元和第2電流控制單元，各包括兩個(gè)比較器、兩個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器和一個(gè)從dq坐標(biāo)到αβ坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其中d81，第1電流控制單元包括d811，第1比較器，執(zhí)行iq1*-iq1運(yùn)算，iq1*是第1臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)q軸參考電流，d812，第2比較器，執(zhí)行id1*-id1運(yùn)算，id1*是第1臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸參考電流，設(shè)id1*=0,]]>d813，第1電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第1比較器的輸出端相連，輸出控制電壓參考值uq1*，
d814，第2電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第2比較器的輸出端相連，輸出控制電壓參考值ud1*，d815，一個(gè)所述dq/αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其輸入信號(hào)是d，q軸控制電壓參考值uq1*、ud1*，轉(zhuǎn)子位置角θ1，輸出是α、β軸控制電壓參考值uα1*、uβ1*，執(zhí)行以下運(yùn)算uα1*uβ1*=cosθ1-sinθ1sinθ1cosθ1ud1*uq1*,]]>uα1*、uβ1*同時(shí)輸往所述第1PWM脈沖發(fā)生單元輸入端；d82，第2電流控制單元包括d821，第3比較器，執(zhí)行iq2*-iq2運(yùn)算，iq2*是第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸參考電流，d822，第4比較器，執(zhí)行id2*-id2運(yùn)算，id2*是第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸參考電流，id2*設(shè)為0，d823，第3電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第3比較器的輸出端相連，而輸出控制電壓參考值uq2*，d824，第4電流PI調(diào)節(jié)器是一個(gè)第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第4比較器的輸出端相連，而輸出控制電壓參考值ud2*，d825，第2個(gè)所述dp/αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其輸入信號(hào)是所述d、q軸控制電壓參考值uq2*、ud2*和轉(zhuǎn)子位置角θ2，輸出是α、β軸控制電壓參考值uα2*、uβ2*，執(zhí)行以下運(yùn)算uα2*uβ2*=cosθ2-sinθ2sinθ2cosθ2ud2*uq2*,]]>uα2*、uβ2*同時(shí)輸往所述第2PWM脈沖發(fā)生單元的輸入；d9，一個(gè)速度控制單元，用于輸出第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸參考電流iq1*和d軸參考電流id1*，其中，id1*=0,]]>又輸出第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸的參考電流iq2*和d軸參考電流id2*，該速度單元包括d91，第5比較器，執(zhí)行Ωr*-Ωr，其中，Ωr*是參考轉(zhuǎn)速值，Ωr是所述位置檢測(cè)單元輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，d92，第5轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第5比較器的輸出端相連，而輸出第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸的參考電流iq1*，
d93，一個(gè)轉(zhuǎn)矩分配器，是一個(gè)乘法器，輸入端與所述轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出端相連，執(zhí)行以下運(yùn)算iq2*=iq1*×Kiq2,]]>比例系數(shù)Kiq2為Kiq2=p1ψf1TN2p1ψf2TN1,]]>ψf1ψf2分別為永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈，是一個(gè)定值，TN1、TN2分別是兩臺(tái)異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的不同額定轉(zhuǎn)矩。
本發(fā)明提出的異頻供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，具有以下效果和優(yōu)點(diǎn)1、可以充分發(fā)揮兩個(gè)轉(zhuǎn)子同軸的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩輸出。
2、兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)矩分配器分配兩臺(tái)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，使兩臺(tái)電機(jī)協(xié)調(diào)出力，同時(shí)由于兩個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的控制方法只通過(guò)轉(zhuǎn)矩分配器聯(lián)系在一起，所以各自又是相對(duì)獨(dú)立，可以在一臺(tái)電機(jī)故障的情況下，另一臺(tái)電機(jī)單獨(dú)工作3、提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率，減小損耗和發(fā)熱。
4、實(shí)現(xiàn)高功率密度的推進(jìn)電機(jī)控制。


圖1是異頻供電永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(圓筒型轉(zhuǎn)子)，a)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，b)電機(jī)整體裝配圖，1-永磁體，2-定子端部繞組，3-定子支架，4-轉(zhuǎn)子支架，5-轉(zhuǎn)軸。
圖2是表面式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，a)一種極對(duì)數(shù)，b)兩種極對(duì)數(shù)，1-永磁體，2-轉(zhuǎn)子鐵心，3-轉(zhuǎn)軸。
圖3是傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖。
圖4是異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖。
圖5是異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。
圖6是異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真結(jié)果，a)為定子線電流波形，b)為定子線電壓波形，c)為電磁轉(zhuǎn)矩波形，上下分別對(duì)應(yīng)上下層定子，d)為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。
具體實(shí)施例方式
一個(gè)用于接受轉(zhuǎn)速參考值和實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速并產(chǎn)生電流參考值的速度控制單元，包括一個(gè)用于接收參考速度(Ωr*)和實(shí)際速度(Ωr)的比較器，一個(gè)用于接收比較器輸出并輸出轉(zhuǎn)矩電流分量參考值(iq*)的PI速度控制器，一個(gè)用于分配兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩電流分量參考值(iq1*，iq2*)的轉(zhuǎn)矩分配器；兩個(gè)用于接收電流參考值和實(shí)際電流值并產(chǎn)生電壓參考值的電流控制單元，每個(gè)電流控制單元(i＝1，2)包括2個(gè)用于分別接收d，q軸參考電流(idi*=0,]]>idi*)和實(shí)際電動(dòng)機(jī)電流(iqi，idi)的比較器，2個(gè)用于分別接收d，q軸比較器輸出并輸出d，q軸控制電壓參考值(uqi*，udi*)的電流控制器，1個(gè)用于接收d，q軸控制電壓參考值和轉(zhuǎn)子位置角并輸出αβ軸控制電壓參考值(uαi*，uβi*)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器；兩個(gè)用于接收αβ軸控制電壓參考值(uαi*，uβi*)并產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM發(fā)生單元；兩個(gè)用于接收PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的逆變器單元；兩個(gè)用于檢測(cè)并輸出流過(guò)逆變器與永磁同步電動(dòng)機(jī)之間的交流電流的電流檢測(cè)單元，每個(gè)電流檢測(cè)單元(i＝1，2)包括2個(gè)用于檢測(cè)a，b相電流信號(hào)的霍爾電流傳感器；2個(gè)分別用于接收霍爾傳感器輸出的a，b相電流信號(hào)將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行濾波調(diào)幅的信號(hào)調(diào)理電路，2個(gè)用于將調(diào)理電路輸出的a，b相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d，q軸電流信號(hào)(iqi，idi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器。
一個(gè)用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角并計(jì)算轉(zhuǎn)子速度的位置檢測(cè)單元，包括1個(gè)將電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交編碼脈沖的光電編碼器，1個(gè)用于將正交編碼脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號(hào)的正交編碼單元(QEP)，2個(gè)用于分別計(jì)算兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置電角度的乘法器，一個(gè)用于計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計(jì)算器。
圖5是本發(fā)明的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖，本發(fā)明硬件系統(tǒng)核心處理器采用美國(guó)德州儀器公司(TI)的新一代高性能DSP芯片TMS320F2812，該芯片為電機(jī)控制提供了豐富的外設(shè)資源，可以方便的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中各單元的功能，下面加以詳細(xì)介紹。
速度控制單元和電流控制單元完全由c語(yǔ)言編程軟件實(shí)現(xiàn)，其中涉及到5個(gè)PI控制器的離散表達(dá)式如下u(k)＝up(k)+ui(k)up(k)＝Kpe(k)ui(k)=ui(k-1)+KpTsTie(k)]]>令Ki=TsTi]]>則u(k)＝Kpe(k)+ui(k-1)+KiKpe(k) (8)式中，e(k)，u(k)分別為PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出，Ts為采樣間隔，需要確定的參數(shù)比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki一般通過(guò)試驗(yàn)得到。
設(shè)轉(zhuǎn)矩分配器輸入輸出有如下關(guān)系，Iq1*=Iq*Iq2*=Iq*×KIq2]]>則轉(zhuǎn)矩分配器即為一比例參數(shù)為(1，KIq2)的乘法器，由于永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈ψf1、ψf2是常量，如果設(shè)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子模塊輸出的額定轉(zhuǎn)矩分別為TN1、TN2，則TN1TN2=p1ψf1iq1p2ψf2iq2.]]>從而可設(shè)KIq2=p1ψf1TN2p2ψf2TN1.---(9)]]>按(9)式分配控制轉(zhuǎn)矩參考值，實(shí)現(xiàn)了兩套定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩輸出能力按比例分配轉(zhuǎn)矩，也就確定了轉(zhuǎn)矩分配器的參數(shù)。
電流控制單元坐標(biāo)變換器的變換公式如下uα1uβ1=cosθ1-sinθ1sinθ1cosθ1ud1uq1,]]>uα2uβ2=cosθ2-sinθ2sinθ2cosθ2ud2ua2.---(10)]]>PWM發(fā)生單元采用SVPWM算法，DSP提供的2個(gè)事件管理器單元各有專門用于SVPWM發(fā)生的6路通道，只需給定uαi*，uβi*并根據(jù)芯片手冊(cè)設(shè)置進(jìn)行編程，就可以產(chǎn)生PWM波形。
逆變器單元采用集成化智能功率模塊IPM，IPM內(nèi)部集成了6個(gè)IGBT單元及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路，能夠在過(guò)流或欠壓故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉IGBT驅(qū)動(dòng)電路，使模塊停止工作，同時(shí)在相應(yīng)引腳輸出故障信號(hào)。IPM的六路開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)由DSP芯片產(chǎn)生的PWM脈沖通過(guò)隔離光耦提供。
電流檢測(cè)單元利用霍爾傳感器及運(yùn)放組成的比例加法器電路將電機(jī)兩相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值為0-3v的電壓信號(hào)輸入DSP的AD轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)式(11)把a(bǔ)，b相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d，q軸電流(idi，iqi)。
id1iq1=32101323cosθ1sinθ1-sinθ1cosθ1ia1ib1,]]>id2iq2=32101323cosθ2sinθ2-sinθ2cosθ2ia2ib2.---(11)]]>轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元接收光電編碼器輸出的正交編碼脈沖信號(hào)，DSP的事件管理器(EV)提供的QEP正交編碼電路可直接將正交編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表轉(zhuǎn)子位置的數(shù)字量，這里得到的是轉(zhuǎn)子位置的機(jī)械角度，通過(guò)軟件編程利用(3)式可計(jì)算得到兩個(gè)轉(zhuǎn)子模塊的電角度，對(duì)機(jī)械位置角進(jìn)行微分計(jì)算得到轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速Ωr。
本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)在仿真軟件matlabR2006a/simulinkV6.4通過(guò)驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖6所示。
權(quán)利要求
1，一種異頻供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，含有a，一個(gè)帶軸接位置傳感器的異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)，由用不同頻率供電的兩臺(tái)同軸但極對(duì)數(shù)不同的永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成；b，第1逆變器和第2逆變器，各由集成化智能功率模塊IPM構(gòu)成，該IPM內(nèi)部集成有6個(gè)IGBT單元及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路，所述兩個(gè)逆變器各自經(jīng)2個(gè)霍爾相電流傳感器與一個(gè)異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)相連；c，第1信號(hào)調(diào)理電路和第2信號(hào)調(diào)理電路，各由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和濾波限幅電路相串聯(lián)而成，兩個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸入端各自與一臺(tái)所述永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)霍爾電流傳感器的輸出端相連；d，一塊數(shù)字集成電路含有d1，第1PWM脈沖發(fā)生單元和第2PWM脈沖發(fā)生單元，各由DSP芯片構(gòu)成，所述兩個(gè)PWM脈沖發(fā)生單元各自的六路開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖輸出端分別通過(guò)一個(gè)隔離光耦電路與所述兩個(gè)逆變器輸入端相連，d2，位置檢測(cè)單元，用于檢測(cè)所述異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角并計(jì)算轉(zhuǎn)子速度，包括d3，一個(gè)正交編碼單元(QEP)，用于把所述位置傳感器輸出的正交編碼脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θm，該位置傳感器是一個(gè)用于把所述異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為正交編碼脈沖的光電編碼器；d4，第1乘法器，執(zhí)行θm×p1＝θ1運(yùn)算，用于把所述轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為極對(duì)數(shù)為p1的第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的電角度θ1；d5，第2乘法器，執(zhí)行θm×p2+α0＝θ2運(yùn)算，用于把所述轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為極對(duì)數(shù)為p2的第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的電角度θ2，其中，α0是所述第1永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸落后于第2永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸的電角度；d6，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算器，執(zhí)行dθm/dt運(yùn)算，用于輸出異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(Ωr)；d7，第1電流檢測(cè)單元和第2電流檢測(cè)單元，各為一個(gè)由abc坐標(biāo)到dq坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器d71，所述第1電流檢測(cè)單元執(zhí)行以下運(yùn)算id1iq1=32101323cosθ1sinθ1-sinθ1cosθ1ia1ib1,]]>ia1，ib1是信號(hào)調(diào)理電路輸出的abc坐標(biāo)下的第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩相電流，id1，iq1是第1電流檢測(cè)單元輸出的dq坐標(biāo)下相應(yīng)的dq軸電流，d72，所述第2電流檢測(cè)單元執(zhí)行以下運(yùn)算id2iq2=32101323cosθ2sinθ2-sinθ2cosθ2ia2ib2,]]>ia2，ib2是信號(hào)調(diào)理電路輸出的abc坐標(biāo)下的第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩相電流，id2，iq2是第2電流檢測(cè)單元輸出的dq坐標(biāo)下相應(yīng)的dq軸電流，d8，第1電流控制單元和第2電流控制單元，各包括兩個(gè)比較器、兩個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器和一個(gè)從dq坐標(biāo)到αβ坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其中d81，第1電流控制單元包括d811，第1比較器，執(zhí)行iq1*-iq1運(yùn)算，iq1*是第1臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)q軸參考電流，d812，第2比較器，執(zhí)行id1*-id1運(yùn)算，id1*是第1臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)d軸參考電流，設(shè)id1*=0,]]>d813，第1電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第1比較器的輸出端相連，輸出控制電壓參考值uq1*，d814，第2電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第2比較器的輸出端相連，輸出控制電壓參考值ud1*，d815，一個(gè)所述dq/αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其輸入信號(hào)是d，q軸控制電壓參考值uq1*、ud1*，轉(zhuǎn)子位置角θ1，輸出是α、β軸控制電壓參考值uα1*、uβ1*，，執(zhí)行以下運(yùn)算uα1*uβ1*=cosθ1-sinθ1sinθ1cosθ1ud1*uq1*,]]>uα1*、uβ1*同時(shí)輸往所述第1PWM脈沖發(fā)生單元輸入端；d82，第2電流控制單元包括d821，第3比較器，執(zhí)行iq2*-iq2運(yùn)算，iq2*是第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸參考電流，d822，第4比較器，執(zhí)行id2*-id2運(yùn)算，id2*是第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸參考電流，id2*設(shè)為0，d823，第3電流PI調(diào)節(jié)器，是一個(gè)第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第3比較器的輸出端相連，而輸出控制電壓參考值uq2*，d824，第4電流PI調(diào)節(jié)器是一個(gè)第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的d軸電流PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第4比較器的輸出端相連，而輸出控制電壓參考值ud2*，d825，第2個(gè)所述dq/αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其輸入信號(hào)是所述d、q軸控制電壓參考值uq2*、ud2*，和轉(zhuǎn)子位置角θ2，輸出是α、β軸控制電壓參考值uα2*、uβ2*，執(zhí)行以下運(yùn)算uα2*uβ2*=cosθ2-sinθ2sinθ2cosθ2ud2*uq2*,]]>uα2*、uβ2*同時(shí)輸往所述第2PWM脈沖發(fā)生單元的輸入；d9，一個(gè)速度控制單元，用于輸出第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸參考電流iq1*和d軸參考電流id1*，其中，id1*=0,]]>又輸出第2永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸的參考電流iq2*和d軸參考電流id2*，該速度單元包括d91，第5比較器，執(zhí)行Ωr*-Ωr，其中，Ωr*是參考轉(zhuǎn)速值，Ωr是所述位置檢測(cè)單元輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，d92，第5轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述第5比較器的輸出端相連，而輸出第1永磁同步電動(dòng)機(jī)的q軸的參考電流iq1*，d93，一個(gè)轉(zhuǎn)矩分配器，是一個(gè)乘法器，輸入端與所述轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的輸出端相連，執(zhí)行以下運(yùn)算iq2*=iq1*×Kiq2,]]>比例系數(shù)Kiq2為Kiq2=p1ψf1TN2p1ψf2TN1,]]>ψf1、ψf2分別為永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁鏈，是一個(gè)定值，TN1、TN2分別是兩臺(tái)異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)的不同額定轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用異頻供電控制兩臺(tái)轉(zhuǎn)子同軸的永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，包括用于分別產(chǎn)生兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分量電流參考值的一個(gè)速度控制單元；用于產(chǎn)生控制電壓參考值的兩個(gè)電流控制單元；用于產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)PWM發(fā)生單元，用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)逆變器單元，用于電流反饋的兩個(gè)電流檢測(cè)單元，用于速度位置反饋的一個(gè)位置檢測(cè)單元。本發(fā)明提出的異頻供電永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，是一種有效的對(duì)兩臺(tái)轉(zhuǎn)子同軸的永磁同步電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)控制方法，可以用于高功率密度的雙定子，雙轉(zhuǎn)子特種電機(jī)的控制。
文檔編號(hào)H02P6/04GK1960161SQ20061011460
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者袁新枚, 邱阿瑞, 蘇鳳飛, 何師, 徐蘊(yùn)婕 申請(qǐng)人:清華大學(xué)