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1、(10)申请公布号 CN 102882458 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 4 5 8 A *CN102882458A* (21)申请号 201210404416.0 (22)申请日 2012.10.22 H02P 21/00(2006.01) H02P 27/12(2006.01) (71)申请人东南大学 地址 210096 江苏省南京市四牌楼2号 (72)发明人樊英 魏梦飒 於锋 (74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人柏尚春 (54) 发明名称 开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器 (57) 摘要 本发明。
2、公开了开绕组永磁同步电机电流内模 解耦控制器，将普通三相永磁同步电机定子绕组 开路，引出六根端引线分别对应接第一逆变器和 第二逆变器，开绕组永磁同步电机电流内模解耦 控制器系统仅由一个直流电源供电，电机定子绕 组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 经电流内模解耦 控制器得到d轴调制电压u * d 、q轴调制电压u * q ，进 而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。 开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出 电压的谐波含量减小，同时在空间小、电池容量受 限制以及功率开关器件电压电流能力限制之下， 可提高系统的总功率和带载能力。在保持这种新 型的电机结构优势的基础上，减少了系。
3、统参数引 起的失配误差对系统的影响，提高了系统的鲁棒 性，易于调节。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，其特征在于该控制器包括直流电源 （1）、电容（2）、第一逆变器（31）、第二逆变器（32）、开绕组永磁同步电机（4）、电流内模解耦 控制器（5）；开绕组永磁同步电机（4）是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出 六根端引线分别对应接第一逆变器（31）的3个输出端和第二逆变器（32）的3个输出。
4、端，第 一逆变器（31）和第二逆变器（32）的6对输入控制端分别接空间矢量调制器（11），空间矢 量调制器（11）的输入端接电流内模解耦控制器（5）的输出端，开绕组永磁同步电机电流内 模解耦控制器由一个直流电源（1）供电，电机定子绕组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 经电 流内模解耦控制器（5）得到d轴调制电压u * d 、q轴调制电压u * q ，进而采用电压空间矢量脉 宽调制策略来控制电机。 2.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，其特征在于所述 电流内模解耦控制器（5）包括d轴电流内模控制器F d (s)（6）、q轴电流内模控制器F q (s) （7。
5、）、饱和限制器（8）、被控对象G p (s)（9）、d、q轴电流交叉耦合部分（10）； 开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 经坐标变换得到定子电 流的d轴分量i d 与给定的d轴电流分量i * d 依次经d轴电流内模控制器F d (s)（6）、饱和限 制器（8）和被控对象G p (s)（9）后，得到内模d轴电流i md ，同时定子电流的q轴分量i q 与 给定的q轴电流分量i * q 依次经q轴电流内模控制器F q (s)（7）、饱和限制器（8）和被控对 象G p (s)（9）后，得到内模q轴电流i mq ，i md 和i mq 经d、q轴电流交叉耦合部。
6、分（10）调制得 到d轴调制电压u * d 、q轴调制电压u * q 。 权 利 要 求 书CN 102882458 A 1/4页 3 开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器 技术领域 0001 本发明涉及新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，可应用于电动汽车用 的电机驱动领域，特别涉及高电压大功率的驱动场合。 背景技术 0002 目前电动汽车使用的电机驱动系统一般由并联连接的动力电池、电容构成电力 源，其经驱动逆变器连接驱动电机中交流三相绕组的一端，而另一端星形连接。而动力电池 提供的标称电压一般为300v左右。在需要较大功率、较大力矩的电机驱动场合，可通过增 加动力电池的容量和增加功率开。
7、关器件的电流能力来实现。常用的大功率电机驱动系统的 两种实现方案分别是采用多个动力电池串联的方法提高驱动系统的电压和采用元器件并 联的方法提高驱动系统的电流能力。考虑到电动汽车车身容积、车载蓄电池组容量的限制 以及功率开关器件电压电流能力的限制，有必要采用一种新型的电机结构。在同步旋转坐 标系上定子电压由3部分构成：电阻压降、耦合电压和反电势。随着电机转速的升高，耦合 电压所占的比重增加，因此耦合作用越来越大。对现仅有的开绕组永磁同步电机控制系统 来说，工程上采用常规PID控制器对系统进行电流调节，仅仅对d、q轴的2个电流环单独起 作用，忽略了交叉耦合项，因此当其中一轴上电流给定发生变化时，另。
8、一个轴上的电流会产 生一个瞬时误差，从而转矩产生瞬时畸变，影响系统的瞬时性能。另外，常规PID控制器一 般会产生较大的超调，并且响应速度慢。在电动汽车要求调速系统起制动超调小，受扰动时 动态速降小、恢复时间短等动态性能要求较高的场合，常规PID控制器有一定的局限性，不 能满足相关方面的要求。另外，常规PID控制器可调参数较多，不易调节，并且增加了开绕 组永磁同步电机控制的复杂性。因此，有必要提出一种新的应用于开绕组永磁同步电机的 电流控制器以解决上述问题。 发明内容 0003 技术问题：本发明针对电动汽车等需要较大功率、较大转矩的电机的驱动场合中， 车载电池容量限制和功率开关电压电流能力限制之。
9、下驱动功率等级低、存在共模电压等问 题，以及传统PID控制器由于d、q轴电流不完全解耦而存在鲁棒性差、存在较大的超调，并 且响应速度慢等动态性能问题和可调参数较多，不易调节等问题，提出新型开绕组永磁同 步电机电流内模解耦控制器，实现了永磁同步电机在高电压大功率场合的应用，在一定程 度上改善了电动汽车的调速性能。 0004 技术方案：本发明的开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器包括直流电源、电 容、第一逆变器、第二逆变器、开绕组永磁同步电机、电流内模解耦控制器；开绕组永磁同步 电机是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变 器的3个输出端和第二逆变器的3个输出端，。
10、第一逆变器和第二逆变器的6对输入控制端 分别接空间矢量调制器，空间矢量调制器的输入端接电流内模解耦控制器的输出端，开绕 组永磁同步电机电流内模解耦控制器由一个直流电源供电，电机定子绕组的a、b、c相采样 说 明 书CN 102882458 A 2/4页 4 电流i a 、i b 、i c 经电流内模解耦控制器得到d轴调制电压u * d 、q轴调制电压u * q ，进而采用电 压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。 0005 所述电流内模解耦控制器包括d轴电流内模控制器F d (s)、q轴电流内模控制器 F q (s)、饱和限制器、被控对象G p (s)、d、q轴电流交叉耦合部分； 0006 开绕组。
11、永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 经坐标变换得到定 子电流的d轴分量i d 与给定的d轴电流分量i * d 依次经d轴电流内模控制器F d (s)、饱和限 制器和被控对象G p (s)后，得到内模d轴电流i md ，同时定子电流的q轴分量i q 与给定的q 轴电流分量i * q 依次经q轴电流内模控制器F q (s)、饱和限制器和被控对象G p (s)后，得到内 模q轴电流i mq ，i md 和i mq 经d、q轴电流交叉耦合部分调制得到d轴调制电压u * d 、q轴调制 电压u * q 。 0007 本发明公开了新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，。
12、可应用于电动汽车 用的电机驱动领域。它通过控制一种新型的电机结构-开绕组永磁同步电机是三相永磁 同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端引线分别对应接第一逆变器和第二逆变 器，系统仅由一个直流电源供电，电机定子绕组的采样电流经坐标变换得到i d 、i q ，经电流内 模解耦控制器得到调制电压u * d 、u * q ，进而采用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。创 新设计的电流内模解耦控制器通过对电机电流解耦系统建立相应的电流解耦模型如图2、 图3中的d轴电流控制系统内模G md (s)和q轴电流控制系统内模G mq (s)，针对电机电流解 耦模型设计前馈内模控制器如图2、图3中的d轴电流前。
13、馈内模控制器C d (s)和q轴电流 前馈内模控制器C q (s)，相比较于传统PID控制器只对d、q轴的两个电流环单独起作用，加 入交叉耦合项，因此d、q轴电流解耦效果较理想，对参数摄动有较强的鲁棒性；被控对象 G d (s)和G q (s)是真实的开绕组永磁同步电机驱动系统模型，控制效果更加准确可靠。同 时，在电流内模PID之后加入了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响；由 可知，控制器只有一个可调参数，易于调节。另 外，开绕组永磁同步电机的定子绕组两端分别和标准的两电平逆变器相连的结构，不仅继 承了三电平逆变器的优点而且减少了功率开关器件的数量，可应用在高电压大功率电机驱 动领。
14、域。 0008 开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，同时在空 间小、电池容量受限制以及功率开关器件电压电流能力限制之下，可提高系统的总功率和 带载能力。本发明将基于内模控制的新型电流解耦控制器应用于开绕组永磁同步电机系 统，在保持这种新型的电机结构优势的基础上，减少了系统参数引起的失配误差对系统的 影响，提高了系统的鲁棒性。 0009 有益效果： 0010 （1）开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 可以反馈到电流 内模解耦控制器的输入端，实现了开绕组永磁同步电机驱动系统的闭环控制。 0011 （2）相比传统PID控制器，增加了d。
15、、q轴电流的交叉耦合项，使得d、q轴电流解耦 效果较理想，从而使电机达到良好的控制效果； 0012 （3）建立了d轴电流内模控制器F d (s)和q轴电流内模控制器F q (s)，减少了系统 参数引起的失配误差对系统的影响，提高了系统的鲁棒性； 说 明 书CN 102882458 A 3/4页 5 0013 （4）相比传统PID控制器，只有一个可调参数，减小了参数调节的难度； 0014 （5）增加了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响； 0015 （6）采用一种新型的电机结构，将三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引 出六根端引线，分别对应接第一逆变器和第二逆变器，改善电机驱动系。
16、统的性能，适用于高 电压大功率领域； 0016 （7）采用两个电压型标准两电平逆变器，实现三电平的输出； 0017 （8）驱动系统采用电压空间矢量脉宽调制的控制策略，使得电机输出脉动降低， 电流波形畸变减小，且与常规正弦脉宽调制技术相比，直流电压利用率更高，更易实现数字 化； 0018 （9）仅由一个直流电源供电，在相同动力电池容量下，相比单逆变器驱动系统可带 动更大的负载，产生更大的功率； 附图说明 0019 图1为本发明中新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器原理图。 0020 其中有：直流电源1，电容2，第一逆变器31、第二逆变器32，开绕组永磁同步电机 4，电流内模解耦控制器5，d轴。
17、电流内模控制器F d (s)6，q轴电流内模控制器F q (s)7，饱和限 制器8，被控对象G p (s)9，d、q轴电流交叉耦合部分10。 0021 图2为本发明中d轴电流内模控制器F d (s)的基本原理图。 0022 其中有：d轴电流前馈内模控制器C d (s)1、d轴电流控制系统内模G md (s)2、被控对 象（d轴电流控制系统）G p (s)3。 0023 图3为本发明中q轴电流内模控制器F q (s)的基本原理图。 0024 其中有：q轴电流前馈内模控制器C q (s)1、q轴电流控制系统内模G mq (s)2、被控对 象（q轴电流控制系统）G p (s)3。 具体实施方式 00。
18、25 下面是本发明的具体实施,用来进一步描述： 0026 本发明是新型开绕组永磁同步电机电流内模解耦控制器，该装置原理图图1包括 直流电源1、电容2、第一逆变器31、第二逆变器32、开绕组永磁同步电机4、电流内模解耦控 制器5。开绕组永磁同步电机4是三相永磁同步电机定子绕组采用开路式结构，引出六根端 引线分别对应接第一逆变器和第二逆变器，系统仅由一个直流电源1供电，电机定子绕组 的采样电流经坐标变换得到i d 、i q ，经电流内模解耦控制器5得到调制电压u * d 、u * q ，进而采 用电压空间矢量脉宽调制策略来控制电机。其中电流内模解耦控制器5包括d轴电流内模 控制器F d (s)6、。
19、q轴电流内模控制器F q (s)7、饱和限制器8、被控对象G p (s)9、d、q轴电流交 叉耦合部分10；开绕组永磁同步电机定子绕组的a、b、c相采样电流i a 、i b 、i c 经坐标变换得 到定子电流的d轴分量i d 与给定的d轴电流分量i * d 依次经d轴电流内模控制器F d (s)6、 饱和限制器8和被控对象G p (s)9后，得到内模d轴电流i md ，同时定子电流的q轴分量经过 相应的过程得到内模q轴电流i mq ，i md 和i mq 经d、q轴电流交叉耦合部分10调制得到d轴 调制电压u * d 、q轴调制电压u * q 。 0027 本发明是基于传统PID控制器原理的基。
20、础上，加入了d、q轴电流的交叉耦合项，并 说 明 书CN 102882458 A 4/4页 6 且建立实际系统的相应模型，增强了系统的鲁棒性。 0028 该装置通过对电机电流解耦系统建立相应的电流解耦模型如图2、图3中的d轴 电流控制系统内模G md (s)和q轴电流控制系统内模G mq (s)，针对电机电流解耦模型设计前 馈内模控制器如图2、图3中的d轴电流前馈内模控制器C d (s)和q轴电流前馈内模控制 器C q (s)，相比较于传统PID控制器只对d、q轴的两个电流环单独起作用，加入交叉耦合项， 因此d、q轴电流解耦效果较理想，对参数摄动有较强的鲁棒性。同时，在电流内模控制器 之后加入。
21、了饱和限制器，减少了输入饱和对电机调速性能的影响；由 可知，控制器只有一个可调参数，易于调节。另外，开绕组永磁同步 电机的定子绕组两端分别和标准的两电平逆变器相连的结构，不仅继承了三电平逆变器的 优点而且减少了功率开关器件的数量，可应用在高电压大功率电机驱动领域。 0029 开绕组永磁同步电机在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，同时，在 空间小、电池容量受限制和功率开关器件电压电流能力限制之下可提高系统的总功率，提 高带载能力。本发明将内模PID电流解耦控制器应用于开绕组永磁同步电机系统，在保持 这种新型的电机结构优势的基础上，减少了系统参数引起的失配误差对系统的影响，提高 了系统的鲁棒性。 说 明 书CN 102882458 A 1/2页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102882458 A 2/2页 8 图3 说 明 书 附 图CN 102882458 A 。