CN114759854B - 一种隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法，对现有六边形空间矢量电压调制技术进行了改进，其通过将单逆变器钳位的方式，有效降低了开关频率，使系统总开关次数与传统交替子六边形调制方法相等，且能够同时提高电压矢量合成的精准程度。相对于现有技术，该方法能够在更广的范围内合成所需电压，使双逆变器调制对所有参考电压所在区域实现更有效的覆盖，解决了电压矢量合成偏差问题，提高了电机控制精准程度，降低了转矩脉动；开关频率的有效降低，在保证电机平稳运行的同时减少了硬件损耗；该方法在两直流母线电压相差较大时仍能保证良好的调制效果，因此有效提高了此类电机在不同工况下的适应性。

Description

一种隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机调制技术领域，特别涉及隔离母线型电机在两直流母线供电电压不相等的情况下的参考电压矢量合成方法。

背景技术

对于隔离母线型开绕组永磁同步电机来说，其采用两个直流电源分别供电的隔离母线型拓扑结构，两个逆变器各自形成供电回路，消除了零序电流的影响，且能够在两电源电压不相等的情况下保证电机运行，从而能够拓宽电机空间矢量脉宽调制(SVPWM)的合成电压范围。

现有针对隔离母线型开绕组永磁同步电机的常用电压调制策略中，中心六边形法可以通过电压矢量的针对性选择来消除电机中存在的共模电压，进而减小零序电流对电机运行效果的影响，但是其调制范围的限制降低了直流母线电压的利用率；交替子六边形法使两个逆变器在不同调制周期中处于交替钳位状态，在保证母线电压最大利用率的同时有效地将开关频率降低了近一半，但在隔离母线型电机的两个直流供电电压不相等时，不同逆变器钳位状态下的电压矢量合成范围不同，导致其各自的调制效果不同，有可能导致在某些周期时参考电压矢量无法准确合成的情况，降低了电机控制效果。

虽然现有技术中存在部分针对调制中的电压合成效果与开关频率的改进手段，比如某种基于初始施加电压的持续时间与采样周期之间的关系的统一调制方法，其以简化扇区的划分并有效降低开关频率，但是扇区内部的区域划分和矢量作用时间的计算增加了方法的复杂程度；以及部分将传统双逆变器的六桥臂结构简化为四桥臂结构的方式，逆变器中两个相邻绕组共用一组上下半桥臂，通过简化硬件结构继而间接减少开关切换次数，但是对硬件的改装增加了应用负担。此外，现有技术对隔离母线型开绕组永磁同步电机在不同电压下工作的情况，尤其是针对电压合成效果问题，目前还缺少效果较好的解决手段。

发明内容

有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、在线数据实时采集开绕组永磁同步电机的三相电流、转速以及转子位置角数据；

步骤二、建立隔离母线型开绕组永磁同步电机在dq同步旋转坐标系下的等效模型，利用无差拍电流预测控制模型结合所述步骤一中采集的数据实时计算出下一时刻的参考电压矢量；

步骤三、根据步骤二中得到的所述参考电压矢量执行以下的改进子六边形电压调制获取逆变器开关管导通的规则，包括：首先基于所述参考电压矢量的幅值与相位角，判断其在由空间电压矢量六边形中所处的电压合成扇区；当两个逆变器所对应直流母线的供电电压不相等时，将其中供电电压较低的逆变器的三个桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，以提供部分参考电压矢量分量；令供电电压较高的另一逆变器在此周期内单独动作进行调制，提供另一部分参考电压矢量分量，并分别根据其中电压零矢量和非零矢量计算出该逆变器开关管的导通时间；

步骤四、根据步骤三得到的逆变器开关导通时间确定相应逆变器桥臂的开关动作切换顺序，通过比较三角载波与切换点来生成逆变器所需的PWM信号，并调制出相应三相电压矢量。

进一步地，步骤二中建立的隔离母线型开绕组永磁同步电机具体采用以下形式：

电压方程：

式中，U_d、U_q分别为dq坐标系下定子电压；i_d、i_q分别为dq坐标系下定子电流；R_s为定子电阻；L_d、L_q分别为dq轴电枢电感，在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q＝L_s，L_s为定子电感；ω_e为转子电角速度；Ψ_f为转子磁链；t为时间变量；

电机转矩方程：

式中，T_e为电磁转矩；p为电机极对数；

电机机械运动方程：

式中，T_l为电机负载转矩；J为电机转动惯量；ω_m为电机转子机械角速度。

进一步地，步骤二中利用无差拍电流预测控制模型计算下一时刻的参考电压矢量具体包括：

利用一阶欧拉离散方程将开关周期为T_s且足够小时的电流离散化处理为：

式中，和为k+1时刻的预测定子电流；ω_e(k)为k时刻电角频率，由于一个周期内电角度变化不大，可以认为θ(k+1)≈θ(k)，进而有ω_e(k+1)≈ω_e(k)；

为了保证实际电流精确跟随参考电流，给定k+2时刻预测电流与参考电流相等，即则k+1时刻定子电压也即参考电压矢量可由下式计算得到：

式中，U_d(k+1)、U_q(k+1)为k+1时刻定子电压；i_d ^ref(k)、i_q ^ref(k)为k时刻参考定子电流。

进一步地，步骤三中所执行的改进子六边形电压调制具体包括：

①、将参考电压在复平面内的矢量分量进行反Clarke变换，得到abc坐标系下的电压矢量分量：

式中，U_α ^ref、U_β ^ref分别为电机αβ坐标系下的参考电压矢量分量；U_a ^ref、U_b ^ref和U_c ^ref分别为abc坐标系下的参考电压矢量分量；根据所述abc坐标系下的参考电压矢量分量的正负关系，确定出参考电压矢量所在的扇区；

②、比较两个逆变器所对应直流母线的供电电压，将供电电压较低的逆变器2的桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，并提供部分参考电压矢量分量；使供电电压较高的逆变器1在此周期单独执行SVPWM调制；两逆变器参与合成参考电压矢量的分量分别为：

式中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分别表示所述空间电压矢量六边形的六个扇区；U_1α ^ref、U_1β ^ref、U_2α ^ref和U_2β ^ref分别为αβ坐标系下利用两逆变器合成参考电压矢量的对应分量，上标中ref表示对应参数的参考值，下标中1、2分别代表逆变器1和逆变器2，α、β、dc分别代表αβ坐标系下的分量与直流供电电压；当被钳位的逆变器相反时，上式中的固定参考电压矢量分量与参与SVPWM调制的参考电压矢量分量按照调制规则进行调换；

③、针对参与SVPWM调制的所述参考电压矢量分量，其中电压非零矢量作用时间根据伏秒平衡原理确定，零矢量作用时间根据开关切换次数最小化原则确定：

式中，T₀和T₇为两个零矢量V0(000)和V7(111)的作用时间；T₁和T₂为两个非零矢量的作用时间。

进一步地，步骤四中调制三相电压矢量的具体过程包括：

①、比较开关动作切换点与三角载波信号来生成不同占空比的门极脉冲信号，并驱动逆变器桥臂相应器件；

②、基于两个逆变器开关不同通断状态所对应的空间电压矢量，计算合成的三相电压矢量：

上述本发明所提供的隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法，对现有六边形空间矢量电压调制技术进行了改进，其通过将单逆变器钳位的方式，有效降低了开关频率，使系统总开关次数与传统交替子六边形调制方法相等，且能够同时提高电压矢量合成的精准程度。该方法相对于现有技术至少具有以下优点：

1、在隔离母线型开绕组永磁同步电机的两直流母线电源电压不相等时，仅由高供电电压逆变器单独进行调制，能够在更广的范围内合成所需电压，使双逆变器调制对所有参考电压所在区域实现更有效的覆盖，解决了电压矢量合成偏差问题，提高了电机控制精准程度，降低了转矩脉动；

2、由于低电压逆变器在一个调制周期中不发生开关管的动作切换，相比现有双逆变器调制方法既降低了开关频率，还在保证电机平稳运行的同时减少了硬件损耗；

3、本发明的方法有效克服了现有技术在供电电压不同时，隔离母线型开绕组永磁同步电机参考电压矢量合成不准确的缺陷，即使在两直流母线电压相差较大时仍能保证良好的调制效果，有效提高了此类电机在不同工况下的适应性。

附图说明

图1为本发明所提供方法的总体流程图；

图2为本发明的方法所执行的无差拍电流预测控制流程图；

图3为改进子六边形空间电压矢量调制方法流程图；

图4为基于本发明的优选实例在两直流电压不相等时的dq轴电流曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、在线数据实时采集开绕组永磁同步电机的三相电流、转速以及转子位置角数据；

步骤二、建立隔离母线型开绕组永磁同步电机在dq同步旋转坐标系下的等效模型，利用无差拍电流预测控制模型结合所述步骤一中采集的数据实时计算出下一时刻的参考电压矢量；

步骤三、根据步骤二中得到的所述参考电压矢量执行以下的改进子六边形电压调制获取逆变器开关管导通的规则，包括：首先基于所述参考电压矢量的幅值与相位角，判断其在由空间电压矢量六边形中所处的电压合成扇区；当两个逆变器所对应直流母线的供电电压不相等时，将其中供电电压较低的逆变器的三个桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，以提供部分参考电压矢量分量；令供电电压较高的另一逆变器在此周期内单独动作进行调制，提供另一部分参考电压矢量分量，并分别根据其中电压零矢量和非零矢量计算出该逆变器开关管的导通时间；

步骤四、根据步骤三得到的逆变器开关导通时间确定相应逆变器桥臂的开关动作切换顺序，通过比较三角载波与切换点来生成逆变器所需的PWM信号，并调制出相应三相电压矢量。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤二中建立的隔离母线型开绕组永磁同步电机具体采用以下形式：

电压方程：

式中，U_d、U_q分别为dq坐标系下定子电压；i_d、i_q分别为dq坐标系下定子电流；R_s为定子电阻；L_d、L_q分别为dq轴电枢电感，在表贴式永磁同步电机中L_d＝L_q＝L_s，L_s为定子电感；ω_e为转子电角速度；Ψ_f为转子磁链；t为时间变量；

电机转矩方程：

式中，T_e为电磁转矩；p为电机极对数；

电机机械运动方程：

式中，T_l为电机负载转矩；J为电机转动惯量；ω_m为电机转子机械角速度。

在本发明的一个优选实施方式中，如图2所示，步骤二中利用无差拍电流预测控制模型计算下一时刻的参考电压矢量具体包括：

利用一阶欧拉离散方程将开关周期为T_s且足够小时的电流离散化处理为：

式中，和为k+1时刻的预测定子电流；ω_e(k)为k时刻电角频率，由于一个周期内电角度变化不大，可以认为θ(k+1)≈θ(k)，进而有ω_e(k+1)≈ω_e(k)；

为了保证实际电流精确跟随参考电流，给定k+2时刻预测电流与参考电流相等，即则k+1时刻定子电压也即参考电压矢量可由下式计算得到：

式中，U_d(k+1)、U_q(k+1)为k+1时刻定子电压；i_d ^ref(k)、i_q ^ref(k)为k时刻参考定子电流。

在本发明的一个优选实施方式中，如图3所示，步骤三中所执行的改进子六边形电压调制具体包括：

①、将参考电压在复平面内的矢量分量进行反Clarke变换，得到abc坐标系下的电压矢量分量：

式中，U_α ^ref、U_β ^ref分别为电机αβ坐标系下的参考电压矢量分量；U_a ^ref、U_b ^ref和U_c ^ref分别为abc坐标系下的参考电压矢量分量；根据所述abc坐标系下的参考电压矢量分量的正负关系，确定出参考电压矢量所在的扇区；

②、比较两个逆变器所对应直流母线的供电电压，将供电电压较低的逆变器2的桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，并提供部分参考电压矢量分量；使供电电压较高的逆变器1在此周期单独执行SVPWM调制；两逆变器参与合成参考电压矢量的分量分别为：

式中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分别表示所述空间电压矢量六边形的六个扇区；U_1α ^ref、U_1β ^ref、U_2α ^ref和U_2β ^ref分别为αβ坐标系下利用两逆变器合成参考电压矢量的对应分量，上标中ref表示对应参数的参考值，下标中1、2分别代表逆变器1和逆变器2，α、β、dc分别代表αβ坐标系下的分量与直流供电电压；当被钳位的逆变器相反时，上式中的固定参考电压矢量分量与参与SVPWM调制的参考电压矢量分量按照调制规则进行调换；

③、针对参与SVPWM调制的所述参考电压矢量分量，其中电压非零矢量作用时间根据伏秒平衡原理确定，零矢量作用时间根据开关切换次数最小化原则确定：

式中，T₀和T₇为两个零矢量V0(000)和V7(111)的作用时间；T₁和T₂为两个非零矢量的作用时间。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤四中调制三相电压矢量的具体过程包括：

①、比较开关动作切换点与三角载波信号来生成不同占空比的门极脉冲信号，并驱动逆变器桥臂相应器件；

②、基于两个逆变器开关不同通断状态所对应的空间电压矢量，计算合成的三相电压矢量：

在基于本发明所提供方法的一个优选实例中，针对一隔离母线型开绕组永磁同步电机的逆变器1直流供电电压U_dc1＝100V、逆变器2直流供电电压U_dc2＝50V的情况，执行相应的改进六边形空间矢量电压调制。在电机转速为400r/min时，通过与使用传统交替子六边形电压调制的电机dq轴电流曲线图进行对比，如图4所示，可见采用本发明所提供的方法时电机动静态响应效果更加良好。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种隔离母线型开绕组永磁同步电机的电压调制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、在线数据实时采集开绕组永磁同步电机的三相电流、转速以及转子位置角数据；

步骤二、建立隔离母线型开绕组永磁同步电机在dq同步旋转坐标系下的等效模型，具体采用以下形式：

电压方程：

式中，U_d、U_q分别为dq坐标系下定子电压；i_d、i_q分别为dq坐标系下定子电流；R_s为定子电阻；L_d、L_q分别为dq轴电枢电感，L_s为定子电感；ω_e为转子电角速度；Ψ_f为转子磁链；t为时间变量；

电机转矩方程：

式中，T_e为电磁转矩；p为电机极对数；

电机机械运动方程：

式中，T_l为电机负载转矩；J为电机转动惯量；ω_m为电机转子机械角速度；

利用无差拍电流预测控制模型结合所述步骤一中采集的数据实时计算出下一时刻的参考电压矢量，具体包括：

利用一阶欧拉离散方程将开关周期为T_s的电流离散化处理为：

式中，和为k+1时刻的预测定子电流；ω_e(k)为k时刻电角频率；

给定k+2时刻预测定子电流与参考电流相等，则k+1时刻定子电压也即参考电压矢量可由下式计算得到：

式中，U_d(k+1)、U_q(k+1)为k+1时刻定子电压；i_d ^ref(k)、i_q ^ref(k)为k时刻参考定子电流；

步骤三、根据步骤二中得到的所述参考电压矢量执行以下的改进子六边形电压调制获取逆变器开关管导通的规则，包括：首先基于所述参考电压矢量的幅值与相位角，判断其在由空间电压矢量六边形中所处的电压合成扇区；当两个逆变器所对应直流母线的供电电压不相等时，将其中供电电压较低的逆变器的三个桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，以提供部分参考电压矢量分量；令供电电压较高的另一逆变器在此周期内单独动作进行调制，提供另一部分参考电压矢量分量，并分别根据其中电压零矢量和非零矢量计算出该逆变器开关管的导通时间；

步骤四、根据步骤三得到的逆变器开关导通时间确定相应逆变器桥臂的开关动作切换顺序，通过比较三角载波与切换点来生成逆变器所需的PWM信号，并调制出相应三相电压矢量，具体过程包括：

①、比较开关动作切换点与三角载波信号来生成不同占空比的门极脉冲信号，并驱动逆变器桥臂相应器件；

②、基于两个逆变器开关不同通断状态所对应的空间电压矢量，计算合成的三相电压矢量：

式中，U_a、U_b、U_c分别为三相电压；U_dc1、U_dc2分别为逆变器1和逆变器2的直流供电电压；S_a1、S_b1、S_c1、S_a2、S_b2、S_c2分别为逆变器1和逆变器2的各开关通断状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中所执行的改进子六边形电压调制具体包括：

①、将参考电压在复平面内的矢量分量进行反Clarke变换，得到abc坐标系下的电压矢量分量：

式中，U_α ^ref、U_β ^ref分别为电机αβ坐标系下的参考电压矢量分量；U_a ^ref、U_b ^ref和U_c ^ref分别为abc坐标系下的参考电压矢量分量；根据所述abc坐标系下的参考电压矢量分量的正负关系，确定出参考电压矢量所在的扇区；

②、比较两个逆变器所对应直流母线的供电电压，将供电电压较低的逆变器2的桥路开关在一个周期内保持在低电位钳位状态，并提供部分参考电压矢量分量；使供电电压较高的逆变器1在此周期单独执行SVPWM调制；两逆变器参与合成参考电压矢量的分量分别为：

式中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ分别表示所述空间电压矢量六边形的六个扇区；U_1α ^ref、U_1β ^ref、U_2α ^ref和U_2β ^ref分别为αβ坐标系下利用两逆变器合成参考电压矢量的对应分量，上标中ref表示对应参数的参考值，下标中1、2分别代表逆变器1和逆变器2，α、β、dc分别代表αβ坐标系下的分量与直流供电电压；当被钳位的逆变器相反时，上式中的固定参考电压矢量分量与参与SVPWM调制的参考电压矢量分量按照调制规则进行调换；

③、针对参与SVPWM调制的所述参考电压矢量分量，其中电压非零矢量作用时间根据伏秒平衡原理确定，零矢量作用时间根据开关切换次数最小化原则确定：

式中，T₀和T₇为两个零矢量的作用时间；T₁和T₂为两个非零矢量的作用时间。