无通信化主从绕组电机驱动系统的设计_李钊.pdf

电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 9Electronics 电子学针对上述问题，本文参考重复控制思路4，将逆变器脉宽调制模型植入控制系统中，提出一种分立式无通信主从绕组电机驱动系统控制方案。本文结合现有低载波比控制方法，围绕无通信化主从绕组电机系统的基本原理、控制策略等方面进行了分析、仿真与实验，进一步提升主从绕组电机工作性能，进一步拓展主从绕组电机的适用范围，并且能够兼容现有低载波比驱动方式。1 主从绕组电机转矩补偿机理如图1（a）所示，主从绕组电机为双定子绕组电机结构，主绕组A1B1C1与内嵌从绕组A2B2C2的匝数比为Nr，主绕组侧自感值为L1，从绕组侧自感值为L2，两套绕组间互感值为M，其中主绕组0 引言高性能低载波比驱动器的控制策略是大功率电机驱动系统中的重点研究领域，是国内外学者的关注重点。低载波比驱动器利用低开关频率降低器件开关损耗，进而提升整体电机系统运行效率及功率密度1，但低开关频率会导致电机转矩脉动较大、动态响应不佳等问题2。利用多相电机的多自由度特性配合先进控制策略是提升低载波比电机转矩脉动抑制效果的创新思路。利用多相电机的多自由度特性配合先进控制策略是提升低载波比电机转矩脉动抑制效果的创新思路。文献3提出了一种主从绕组结构电机，在电机中嵌入辅助从绕组，注入高频谐波电流提供辅助转矩，实现低载波比系统转矩脉动补偿与动态性能提升。主从绕组间电压脉冲序列的信息是转矩脉动抑制的关键。现有研究需要专用控制策略以兼顾主绕组与从绕组性能，不利于将其他先进的低载波比驱动器直接用于控制主从绕组电机，造成主从绕组电机应用场合受限，适用范围窄。作者简介：李钊，浙江大学电气工程学院，硕士研究生；研究方向：高性能电机控制策略与电机设计。收稿日期：2022-04-26；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述一种分立式无通信化主从绕组电机驱动系统的控制方案。该方案特点在于不需要主从绕组间的信息交互，而是通过采集主绕组侧输出电压信息，获取低载波比电压脉冲序列及其调制方式，通过推导所需的预测电压矢量，最终实现有效的转矩脉动抑制。探讨无通信化主从绕组的转矩脉动补偿原理与实现前提，无通信化主从绕组电机驱动系统的控制策略。实验证明了提出的无通信化主从绕组电机驱动系统方案的有效性。关键词：低载波比，电机驱动，电压脉冲序列，转矩脉动补偿，无通信。中图分类号：TM464文章编号：1000-0755(2023)02-0009-03文献引用格式：李钊.无通信化主从绕组电机驱动系统的设计J.电子技术,2023,52(02):9-11.无通信化主从绕组电机驱动系统的设计李钊(浙江大学 电气工程学院，浙江 310027)Abstract This paper describes a separate no-communication master-slave windings motor drive system.The characteristic of the scheme is that there is no information interaction between the master and slave windings,but the low carrier ratio voltage pulse sequence and its modulation mode can be obtained by collecting the output voltage of the master winding side.By deducing the desired predicted voltage vectors,torque ripple suppression is finally achieved effectively.Firstly,the principle and realization premise of torque ripple compensation for no-communication master-slave windings are introduced.Then,the control strategy of the no-communication master-slave windings motor drive system is described.Finally,experiments show the effectiveness of the proposed no-communication master-slave windings motor drive system.Index Terms low carrier ratio,motor drive,voltage pulse sequence,torque ripple compensation,no-communicationDesign of No-communication Master-Slave Windings Motor Drive SystemLI Zhao(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Zhejiang 310027,China.)图1 无通信化分立式主从电机驱动系统10 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学侧工作于低载波比模式通过向外提供转矩Te1传输主要功率，从绕组工作在高载波比模式提供补偿转矩Te2用以抵消主绕组输出转矩Te1上存在的转矩脉动Te。式（1）为从绕组发出补偿转矩Te2时对应的电压矢量U2，同时也是主从绕组电机实现低载波比转矩脉动补偿的关键3。U1、V1为主绕组实际电压矢量与理想电压矢量，V2为从绕组理想电压矢量。（1）在传统主从绕组电机控制中，V1、V2可通过计算直接获取，而获取主绕组实际电压矢量U1需将主从绕组驱动器进行集成化。为了进一步扩展主从绕组电机的应用范围，直接兼容其他低载波比驱动器，减少用户调试工作量，构造分立式无通信化主从绕组电机。将从绕组控制器及驱动器分离出来并与电机集成，形成如图1（b）所示的电机驱动系统。由于数字控制存在一拍延迟5，导致从绕组控制器无法在采样周期内获取主绕组控制器下一拍输出的电压矢量U1(k+1)。仅将本周期采样得到的主绕组输出的电压矢量U1(k)带入计算，会对主从绕组转矩补偿效果存在显著影响。如图2所示，实际补偿转矩Te2始终滞后于理想补偿转矩，造成总转矩出现明显波动。2 基于脉冲序列的转矩脉动抑制策略 2.1 不同扇区电压脉冲序列策略基于重复控制的预测思路，本节介绍各扇区脉冲组合方式的辨识方法。SVPWM调制方式电压利用率高，电流谐波小，应用较为广泛6，因此本节以SVPWM调制为例介绍。两电平逆变器的空间电压矢量包括8种，如图3所示。将图3中各有效矢量按其序号进行标记，例如“SV1”与“SV2”分别记作“1”“2”。与之对应，零矢量“SV0”与“SV7”记作“0”与“7”。在此基础上，还需要区别连续空间电压矢量调制方法(CSVPWM)与不连续空间电压矢量调制方法(DSVPWM)7。以第I扇区为例，前者的脉冲序列有0127210或7210127，DSVPWM的脉冲序列有12721、72127、01210、21012。接着，根据主绕组的线电压获取各扇区对应的脉冲序列，预测下一拍电压矢量U1(k+1)的具体实现步骤。第一步，获取空间电压矢量。采样并存储主绕组开关周期内逆变器输出的主绕组方波电压UA1B1、UB1C1，并根据通过表1判断主绕组逆变器输出电压矢量U1(k)。第二步，获取不同扇区中的电压脉冲序列。通过表2判断不同扇区内主绕组逆变器输出的电压脉冲序列。第三步，获取扇区内各矢量作用时间。由采样获取取主绕组侧的母线电压Vdc1以及主绕组对应的开关周期Tm，通过旋转编码器获取电机对应的转子磁链电角度，k为扇区位置对应的数字，通过式（2）可计算得到主绕组对应扇区相邻有效电压矢量的作用时间tm1，tm2，以及零矢量作用时间tm3，结合第二步对应的电压脉冲序列还原主绕组开关周期tm内对应的实际电压波形。（2）第四步，获取预测电压矢量U1(k+1)。根据从绕组当前采样时刻k以及对应的电压矢量U1(k)，预测获取下一拍对应的主绕组电压矢量U1(k+1)。图4中示例为不同调制方法在第I扇区内获取预测一拍预测电压的过程。2.2 无通信化主从绕组电机驱动系统控制策略本节介绍针对主绕组脉冲序列的从绕组控制策略。内嵌从绕组的输出电压包含补偿电压分量，如图2 延迟对系统补偿效果影响图3 电压矢量分布图表1 空间电压矢量与线电压的关系表2 电压脉冲序列图4 预测获取实际电压矢量 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 11Electronics 电子学（3）所示。（3）式中，U1d、U1q、V1d、V1q、V2d、V2q，由主绕组侧电压矢量U1(k+1)、V1、V2等通过dq变换获得。具体控制框图如图5所示，通过电压采样得到低载波比侧线电压UA1B1、UB1C1，辨识SVPWM调制方式与实际电压脉冲序列并预测得到电压矢量U1(k+1)，经dq变换为U1d、U1q。内嵌从绕组的补偿电压通过与基波电压V2d、V2q叠加后由PWM脉冲输出。3 实验验证为验证本文所提出分立式无通信化主从绕组电机驱动系统运行原理与相关控制策略，在实验室内搭建了相应的实验平台与主从绕组电机，主从绕组电机相关参数如表3所示。通过实验验证本文所提出的分立式无通信化主从绕组电机驱动系统控制策略的有效性，结果如图6（a）所示。其中主绕组侧逆变器所用调制方法为CSVPWM调制方法，对应的载波比分别为(500Hz:80Hz)，从绕组侧载波频率fs2为10kHz。其中，主绕组由于工作载波比较低导致输出转矩Te1上对应的转矩脉动量较大，经从绕组转矩Te2补偿后，主从绕组电机输出总转矩Te上对应的转矩脉动量较小。图6（b）对比了图6（a）中主绕组侧转矩Te1以及总转矩Te上转矩脉动FFT分析结果。由于主绕组侧逆变器所用调制方法为CSVPWM调制，导致主绕组侧输出的转矩脉动主要成分为两倍开关频率次(1kHz)谐波分量。经从绕组补偿后，主从绕组电机输出转矩精度提升约80%。实验验证不同调制模式切换时，本文所提低载波比系统的转矩脉动补偿效果。如图7所示，起点至t1时刻，主功率绕组侧运行于CSVPWM调制模式；t1至0.4秒时，主绕组侧运行于DSVPWM调制模式。其中，t1-t2时刻，处于SVPWM辨识与验证阶段，t2-0.4s时刻，从绕组侧完成调制方式辨识与验证后实现DSVPWM模式下转矩脉动消除。实验结果表明本文所提低载波比驱动系统可适用于多种PWM调制模式。4 结语本文提出了一种基于低载波比电压脉冲序列的分立式主从绕组电机驱动系统控制方案。该方法在拓展主从绕组电机的适用范围的同时，保留了主从绕组电机系统的相关优势：（1）转矩补偿效果好，实验结果证明转矩精度提升约80%。（2）适用性广，适用于常用低载波比调制策略。本文详细介绍了分立式主从绕组电机系统的基本原理，并通过实验验证了本文提出的驱动系统及其控制策略的有效性。本文对拓展现有低载波比控制策略应用范围具有指导作用。参考文献1J.Shen,S.Schroder,H.Stagge,R.W.DeDoncker.Impactofmodulationschemesonthepowercapabilityofhigh-powerconverterswithlow pulse ratiosJ.IEEE Trans.PowerElectron,2014,29(11):5696-5705.2 V.Blasko.A novel method for selectiveharmoniceliminationinpowerelectronicequipmentJ.IEEETrans.PowerElectron,2007,22(01):223-228.3 梁梓鹏,胡斯登,李钊,吴立建.主从绕组电机驱动系统及控制策略研究J.电工技术学报,2021,36(24):5071-5080.4王硕,康劲松,钟再敏,张舟云.电动汽车用永磁同步电机转矩脉动抑制方法综述J.电源学报,2016,14(05):24-32.5韦克康,周明磊,郑琼林,王琛琛.基于复矢量的异步电机电流环数字控制J.电工技术学报,2011,26(06):88-94.6 李涛,张晓锋,乔鸣忠.SPWM与SVPWM的宏观对等性研究J.中国电机工程学报,2010,30(S1):178-184.7 Grahame Homes D,Lipo Thomas A.Pulsewidthmodulationforpowerconverters:PrinciplesandpracticeD.NewYork:IEEEPress&WileyPublishing,2003.图5 本文所提控制策略表3 电机相关参数 图6 转矩脉动补偿实验 图7 调制模式切换实验