HEV用開繞組永磁同步電機雙逆變器協同控制

孫丹，林斌，陳敏，賀益康(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

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HEV用開繞組永磁同步電機雙逆變器協同控制

孫丹，林斌，陳敏，賀益康
(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

摘要:針對傳統多能源混合動力汽車(HEV)，采取了一種可同時使用兩種能源的開繞組(OW)永磁同步電機(PMSM)雙逆變器驅動系統。利用開繞組系統的結構靈活性，研究了雙逆變器在三種不同電壓分配方式下的協同控制方法，通過分別控制兩逆變器的輸出電壓，管理兩逆變器與電機的功率流向，滿足HEV不同運行工況的性能要求。同時采用了結合最大轉矩電流比算法的空間矢量調制直接轉矩控制策略，以獲得系統更好可控性。實驗結果驗證了所提出的HEV用OW-PMSM雙逆變器系統的協同控制策略的可行性和有效性。

關鍵詞:混合動力汽車;開繞組永磁同步電機;直接轉矩控制;最大轉矩電流比;協同控制

林斌(1990—)，男，碩士，研究方向為永磁同步電機高性能控制研究;

陳敏(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機高效控制研究;

賀益康(1941—)，男，教授，博士生導師，研究方向為交流調速及風機發電技術。

0　引言

永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)以其高效率、高功率密度、低噪聲等優點在混合動力汽車(hybrid electric vehicle，HEV)等領域得到廣泛應用［1－3］。由于HEV通常具有兩種或以上的驅動能源，能量儲存裝置如蓄電池在實現能量調節時，必須通過一個或多個DC/DC變換器進行電壓轉換，實現與發電機的直流側并聯，導致系統成本、重量和體積的增加。

近年來開繞組(open winding，OW)電機雙逆變器驅動系統得到了各界的廣泛關注，通過電機定子開放繞組兩端各聯接一個逆變器，可獲得更大的功率和更多電平的供電效果，滿足大功率場合的應用需求［4－7］。同時由于開繞組電機系統兩側逆變器直流側可使用不同形式及幅值的電壓源，使其在混合動力汽車［8－11］、艦船潛艇［12］中的應用可直接省去DC/DC變換器，加之開繞組系統拓撲結構本身所提供的兩個逆變器獨立控制的靈活性，使其具有極好的應用價值和前景。

針對HEV用的OW-PMSM雙逆變器驅動系統，靈活的控制方式是其研究核心。針對兩逆變器的不同輸出電壓對電機運行穩定性的影響，文獻［10］研究了隔離直流源供電下兩逆變器的能量分配策略，指出了不平衡能量分配的可行性，并實現了多電平的供電效果;文獻［4］對矢量控制(vector control，VC)下雙逆變器的電壓分配問題進行了討論，提出了三種電能流向控制策略并進行了仿真分析。與VC相比，直接轉矩控制(direct torque control，DTC)在動態性能上的優勢使其在HEV中極具應用潛力。文獻［13］將最大轉矩電流比(maximum torque per ampere，MTPA)方法引入了SVM-DTC并應用于OW-PMSM，提高了系統效率，但僅進行了仿真分析。

為獲得HEV中電機控制系統的優異運行性能并提高運行效率和續航能力，本文首先對OWPMSM系統的拓撲結構和功率進行了分析，之后根據HEV的不同工況，詳細分析了基于兩逆變器電壓協同控制的三種電壓分配方式，最后針對OWPMSM采用了基于定子兩相靜止坐標系的MTPASVM-DTC策略，并簡單研究了MTPA對系統電流的影響。實驗結果驗證了HEV用OW-PMSM驅動系統的MTPA-SVM-DTC策略和雙逆變器的三種電壓分配方式協同控制的可行性和有效性。

1　OW-PMSM系統拓撲結構及功率分析

OW-PMSM雙逆變器驅動系統的拓撲結構如圖1(a)所示，OW-PMSM定子繞組兩端分別連接兩個兩電平電壓源型逆變器INV1和INV2，電源幅值分別為Vdc1和Vdc2。由于HEV常有發電機等主要驅動能源和如蓄電池或超級電容等輔助能源，因此此處將主要能源供給INV1，將輔助能源作為INV2的直流電源，通常兩電源的幅值并不相同。

為分析兩逆變器和OW-PMSM之間的功率關系，可將圖1(a)的三相結構簡化為由綜合矢量表示的單相等效電路如圖1(b)所示，因此有

其中:Vs為電機端部的電壓矢量;V1為INV1的輸出電壓矢量;V2為INV2的輸出電壓矢量。

兩相靜止坐標系下，INV1和INV2的有功功率輸出P1、P2及流向電機的總有功功率Pm可分別表示為

其中:Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2、iα、iβ分別為INV1和INV2的電壓矢量以及電流矢量Is在定子兩相靜止坐標系α、β軸上的分量。

由式(4)可知，電機的有功功率由INV1和INV2的輸出電壓共同決定。因此可通過協同控制兩逆變器的輸出電壓，根據HEV實際運行工況的要求來調整INV1和INV2的輸出功率，優化兩個逆變器的電能分配，提高HEV的運行性能。

圖1　OW-PMSM雙逆變器驅動系統Fig.1 Dual-inverter driven OW-PMSM system

2　雙逆變器的協同控制

根據OW-PMSM雙逆變器驅動系統的特點，可通過對兩個逆變器進行協同控制來實現在HEV不同運行工況下的下述三種不同電壓分配方法。一、雙逆變器電壓比例控制:當HEV加速、爬坡時，電機需輸出大轉矩，此時可采用雙逆變器電壓比例法為電機提供較大電壓，使汽車在較短時間內快速加速至給定轉速。二、INV2單位功率因數控制:當主能源通過INV1供電無法滿足系統轉矩要求時，可通過控制INV2，使蓄電池以單位功率因數輸出有功功率，提高輸出轉矩;或當HEV減速、下坡時，電機也可通過能量回饋方式給蓄電池充電。三、INV2無功補償控制:HEV運行一段時間后蓄電池電量通常會降低，為防止蓄電池過度放電而導致其損壞，可將INV2作為可調無功功率的補償裝置，不參與有功功率的供給;另外還可通過切斷蓄電池，使INV2直流母線僅與大電容并聯，通過給電容充電并保持其電壓幅值恒定，實現無功功率補償。下面對三種電壓分配方式進行詳細分析。

2.1雙逆變器電壓比例控制

常規HEV利用DC/DC變換器實現不同電壓等級的能量源間的電壓幅值平衡。為了在雙逆變器系統中平衡兩側電源輸出功率，可直接根據兩側所需直流電壓之比來分配INV1和INV2的給定電壓，即

電壓比例分配控制原理圖如圖2所示，圖中，θv和θi分別為Vs*和Is與α軸的夾角，圖中V1

*與相位相反，此時合成電壓矢量幅值最大，即雙逆變器輸出電壓最大。電壓比例控制方式下，蓄電池的輸出功率中同時含有功和無功分量，其功率因數由電機運行情況而定。

圖2　電壓比例供電方式Fig.2 Schematic of voltage proportion mode

2.2 INV2單位功率因數控制

為最大化利用蓄電池，可通過控制INV2使得蓄電池只輸出或吸收有功功率，實現INV2的單位功率因數運行。

INV2單位功率因數控制的原理圖如圖3所示。

圖3　INV2單位功率因數供電方式Fig.3 Schematic of INV2 unity power factor mode

由于V2

*和Is相位相同，有

將式(7)帶入到式(3)得

則

由于此電壓分配方式下INV2僅輸出或吸收有功功率，INV1需提供剩余的有功和無功功率，以滿足HEV的能量需求，因此有

其中，Vα

*、Vβ*分別為給定電壓矢量在定子兩相靜止坐標系α、β軸上的分量。

2.3 INV2無功補償控制

INV2無功補償控制原理圖如圖4所示。將V s

*向Is方向作投影分解，可獲得與Is平行的和與Is垂直的，則INV1提供全部有功功率而INV2僅提供無功功率。此時可在保證INV1作單位功率因數供電運行的同時，充分利用INV2的容量。

圖4　INV2無功補償控制方式Fig.4 Schematic of INV2 reactive power compensation mode

根據圖4可得INV1和INV2的給定參考電壓為

可進一步計算得到:

當蓄電池荷電狀態偏低時，單位功率因數供電方式與無功補償供電方式均可采用。單位功率因數控制方式下，INV1通過電機繞組給蓄電池充電以抬高電壓。與單位功率因數控制相比，無功補償控制方式下，INV2僅作為一個無功功率補償裝置，有功功率交換少，無需通過INV2向蓄電池充電，同時INV2在提供無功功率的同時可使INV1工作于單位功率因數，其輸出均用于保證HEV正常行駛。通過INV2提供無功電壓，而由INV1提供更多有功電壓分量，可使整個系統可用電壓得到抬升。

3　OW-PMSM控制策略

為實現HEV用OW-PMSM的快速、穩定、高效、靈活運行，采用了開關頻率恒定的SVM-DTC策略［13］，并引入了MTPA算法使得產生相同轉矩所需的電流幅值最小，從而降低系統損耗，提高系統運行效率。

結合不同協同控制方式的OW-PMSM雙逆變器驅動系統控制框圖如圖5所示。給定轉速與測量轉速之差經PI調節，得到電機轉矩給定值Te*。為避免MTPA算法中磁鏈在線計算對系統動態性能的影響，通過查表法得到與轉矩對應的定子磁鏈給定值

ψs

*。期望電壓計算模塊采用SVM-DTC算法計算期望施加于電機端部的電壓［15］。雙逆變器電壓分配模塊需實現以下功能:確定HEV當前的運行狀態，根據其運行狀態選擇相應的電壓分配方法，生成兩逆變器的參考電壓，二者之間的關系如表1所示。隨后將INV1和INV2的參考電壓分別送入SVM1、SVM2模塊，獲得驅動兩個逆變器的開關信號。

圖5　HEV用OW-PMSM雙逆變器驅動系統控制框圖Fig.5　Control block diagram of HEV system based on dual-inverter driven OW-PMSM

表1　電壓分配方式選擇Table 1 M ode selection of voltage distribution

4　雙逆變器協同控制實驗驗證

為驗證HEV用OW-PMSM雙逆變器驅動系統的SVM-DTC策略和基于不同工況下的協同控制方式的可行性和有效性，搭建了如圖6所示的實驗系統，針對一臺嵌入式OW-PMSM進行了實驗研究。電機參數如表2所示，系統采樣頻率和開關頻率均為10 kHz，實驗結果如圖7～圖10所示。

圖6　實驗平臺框圖Fig.6 Block diagram of the experimental platform

表2　PMSM參數Table 2 Parameters of PMSM

首先進行了分別采用常規SVM-DTC和MTPASVM-DTC時，電機帶5Nm負載并穩定運行于750 r/min時比較實驗研究，結果如圖7所示。圖7(a)的實驗條件為采用常規SVM-DTC、定子磁鏈給定值恒定為永磁體的磁鏈幅值，圖7(b)為采用MTPA-SVM-DTC、定子磁鏈給定由MTPA確定。由圖7可見，額定轉矩時，采用常規SVM-DTC策略時三相電流為額定電流峰值7A，d軸電流分量也為一較大的負值;而引入MTPA后，電流幅值變為6A，降低了14.3%，故可在一定程度上降低電機損耗，這對提高HEV的能源利用率具有較大意義。

圖8所示為采取雙逆變器電壓比例控制方式下的實驗結果。實驗條件為t1前電壓比例系數k=1，t1時刻k突變為2，持續到t2時刻后恢復至1。可看出，在k變化時逆變器的輸出變化響應迅速，INV1 和INV2的輸出有功功率比例與k值完全一致。如圖8(a)所示，由于實驗電機運行時功率因數接近于1，其無功功率較小，在t1、t2時刻之間，Q1幅值略有上升，Q2幅值略有下降。由圖9(b)可看出，當k變化時，電機A相電壓Ua和A相電流Ia幾乎無變化，而INV1和INV2的A相輸出電壓Ua1、Ua2改變迅速，說明了電壓比例控制方式可根據實際情況平滑切換k，對電機運行狀態無影響。

圖7　OW-PMSM在SVM-DTC策略下的電流波形Fig.7 Current waveform of OW-PMSM under SVM-DTC

圖8　電壓比例方式Fig.8 Voltage proportion mode

為驗證單位功率因數控制方式的有效性及與其他控制方式切換的靈活性，給定t1時刻前采用電壓比例方式且k=1，t1時刻切換為單位功率因數方式，INV2的有功功率給定P2ref=0，t2時刻P2ref階躍變化為130 W，t3時刻P2ref變為390 W，t4時刻P2ref變為0，t5之后再恢復為電壓比例方式，實驗結果如圖9所示。可發現，電壓比例法和單位功率因數法切換迅速，且INV2輸出不同有功功率對電機運行狀態無影響。從圖9(a)可看出INV2的有功功率輸出P2跟隨P2ref快速、平穩，但由于INV2的功率輸出為開環控制，實際輸出P2與給定P2ref之間存有一定靜差。觀察圖9(b)發現，Ua2的幅值能有效隨P2ref進行相應變化，而Ua1也能為保持電機運行狀態不變而做相應補償。

圖9　單位功率因數方式Fig.9 Unity power factor mode

圖10所示實驗波形為在t1時刻前采取電壓比例方式且k=1，t1時刻切換為無功補償方式，t2時刻恢復為電壓比例方式。從圖10(a)中可看出在t1～t2時刻，P2接近于零，INV2承擔了所有無功功率。觀察圖10(b)發現，在t1～t2時間段內，Ua2幅值較小且與Ia垂直，說明INV2僅提供較小的無功功率; Ua1與Ia同向，且幅值與Ua幾乎相同，說明INV1有效地提供了有功電壓分量。

可看出，系統功率輸出平穩，電壓電流波形正弦，且在不同電壓分配方式下運行穩定、不同控制方式之間切換快速，說明了雙變換器協同電壓分配模式與MTPA-SVM-DTC策略的可行性和有效性。

圖10　無功補償方式Fig.10 Reactive power compensation mode

6　結論

本文將OW-PMSM雙逆變器系統應用于雙驅動能源的混合動力汽車，采用了SVM-DTC策略，并引入MTPA算法，實現了良好的控制性能。根據混合動力汽車運行工況及驅動能源的情況，通過對兩逆變器的協同控制，有效實現了三種不同電壓分配方式及靈活切換。在有限能源條件下，雙逆變器電壓比例控制方式的輸出電壓最高，特別適用于加速、爬坡等需要大扭矩輸出的情況;INV2單位功率因數控制方式能夠將蓄電池的有功輸出最大化;INV2無功補償控制方式可將INV2控制為可調的無功功率補償源，無需有功功率供給，在保護蓄電池的同時，可抬升單供電源條件下的電機可用電壓。

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(編輯:劉素菊)

Coordinate control of dual-inverter driven open-w inding PMSM for hybrid electric vehicles

SUN Dan，LIN Bin，CHEN Min，HE Yi-kang
(College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Abstract:Aiming at themulti-energy hybrid electric vehicles(HEV)，a dual-inverter drivenopen-winding permanent magnet synchronous motor(OW-PMSM)system which could adopt two different energy sources was adopted.According to different operating conditions of HEV，three different voltage distribution modes were investigated by controlling the output voltage form of the two inverters，the energy flow between the inverters and PMSM were managed by taking advantage of the flexibility of the dual inverter topology.Space vectormodulation based direct torque control was applied and the maximum torque per ampere strategy was also introduced to the OW-PMSM to improve the controllability.The experimental results verify the feasibility and effectiveness of the proposed coordinate control strategy of the dual--inverter driven OW PMSM for HEV.

Keywords:hybrid electric vehicles;open-winding permanent magnet synchronous motors;direct torque control;maximum torque per ampere;coordinate control

通訊作者:孫丹

作者簡介:孫丹(1975—)，女，博士，副教授，研究方向為交流電機調速控制及風力發電技術;

基金項目:國家自然科學基金(51377141)

收稿日期:2015－04－22

中圖分類號:TM 351

文獻標志碼:A

文章編號:1007－449X(2016)02－0029－07

DOI:10.15938/j.emc.2016.02.005