CN104320013A - 一种基于60度坐标系双逆变器共模电压抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于60度坐标系开绕组双逆变器空间矢量调制共模电压抑制方法，通过改变特定矢量组合的占空比来达到共模电压抑制的效果。该方法每变换一次开关状态，开关管只变动一次以及相邻开关序列产生的共模电压互差为产生的共模电压值的最小值，减小系统的开关频率，减小电流、转矩脉动，达到动态共模电压抑制的效果，本质上解决了开绕组双逆变器拓扑结构存在的共模电压等问题，减少永磁电机运行时电流谐波含量及转矩脉动。

Description

一种基于60度坐标系双逆变器共模电压抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间矢量调制的开绕组双逆变器共模电压抑制方法，属于永磁电机控制领域。

背景技术

开绕组双逆变器拓扑结构比起传统三电平NPC型逆变器、飞跃电容型逆变器的拓扑结构，减少了开关器件的数量，不存在电容中点电压偏移等问题；同时，比起传统单逆变器结构，容错性能也大大提高，当逆变器出现单管故障后，可以不需要在线重构而进行控制策略上的容错，极大提高了驱动系统的可靠性，也大大提高了直流侧电压的利用率。这些优势使得开绕组双逆变器在电动汽车驱动、航天等领域得到广泛的应用。但是这种拓扑结构存在共模电压等问题，会使得永磁电机运行时电流谐波含量较高、转矩脉动较大，这样会造成控制对象的不稳定。为此学者M.R.Baiju和K.K.Mohapatra提出了一种通过筛选不产生共模电压的矢量组合进行调制，从而达到共模电压的抑制，但是这种方法使得空间矢量组合没有完全利用，直流电压利用效率减小，同时由于选取的矢量组合非相邻，使得开关损耗变大。学者V.S等提出一种通过选择零矢量在线进行共模电压补偿，使得在一个开关周期内等效共模电压值为0，从而达到动态抑制共模电压的效果，但是这种方法会使得在一个开关周期内，共模电压值会达到最大，同时在三电平运行时会增加开关损耗，这样不利于双逆变器拓扑结构在电动汽车等领域的应用。

发明内容

技术问题：本发明基于电动汽车用的开绕组双逆变器的驱动系统，针对开绕组双逆变器驱动系统的共模电压抑制问题，提出了一种基于60度坐标系SVPWM的共模电压抑制方法，解决了传统共模电压抑制方法中系统开关损耗大的问题，改善了电流的正弦度，减小了转矩脉动，并解决了特定矢量抑制共模电压方法的直流电压利用率低的问题，同时可以大大简化控制算法，提高相应速度，也可以达到动态抑制共模电压的效果。

技术方案：

本发明提出的基于60度坐标系开绕组双逆变器电动汽车驱动系统的共模电压抑制方法具体采用如下技术方案：

一种开绕组双逆变器空间矢量调制共模电压抑制方法，其特征在于采用基于60度坐标系的SVPWM控制方法，在双逆变器合成的电压矢量全范围内，根据各开关序列的共模电压值特点，在不同空间矢量区域按一定规则选取开关序列，通过调整被选取的开关序列的作用时间，实现相应空间矢量区域的共模电压抑制，从而实现全空间矢量范围的共模电压抑制，并根据所述不同开关序列的作用时间生成控制各开关管的PWM信号。

其中，所述一定规则是指：

(1)每变换一次开关状态，开关管只变动一次；相邻开关序列产生的共模电压互差为-U_dc/3，其中U_dc表示逆变器侧直流电压。

(2)对于由双极性点参与合成的矢量，只需调整对应矢量点的开关序列的占空比，即双极性点通过自身共模电压抑制来实现整个周期的共模电压抑制；对于含有单极性点参与合成的矢量，需要通过调整双极性点的开关序列的占空比抑制单极性点产生的共模电压来实现最大共模电压抑制，其中矢量点的极性定义如下：

定义1：某点的合成矢量组合能够产生不同极性共模电压时，则称此点为双极性点；

定义2：某点的合成矢量组合只产生相同极性共模电压时，则称此点为单极性点；

定义3：某点的合成矢量组合不产生共模电压时，则称此点为中性点。

本发明方法是基于控制交轴电流来控制转矩来达到转矩解耦，通过分析各空间矢量的共模电压值进行分组，分别求出各开关组合的占空比，在没有最大矢量点(即单极性矢量点)参与合成时采用五段码运行，在有最大矢量点参与合成时采用四段码运行，以保证在每个区域内均由离参考矢量点最近的矢量组合进行合成，来达到开关损耗的降低、电流波形的改善、转矩脉动的减小以及提高直流电压的利用率。本发明本质上解决了开绕组双逆变器拓扑结构存在的共模电压等问题，减少永磁电机运行时电流谐波含量及转矩脉动。

有益效果：

(1)空间矢量调制是利用60度坐标系，可以简化空间矢量调制策略的运算，提高系统的响应速度，提高效率。

(2)由于应用全部的19个空间矢量组合，直流电压利用率高。

(3)只需改变对应矢量的占空比，减少了对应矢量组合开关时间的计算，简化了共模电压抑制算法。

(4)由于运用三电平逆变器，电流谐波含量小，正弦度高，转矩脉动小。

(5)每次开关状态的改变，只需要改变一个开关管的状态，减小了开关损耗。

附图说明

图1为双电源供电的开绕组电机拓扑结构图；

图2为单逆变器产生的电压矢量图；

图3为双逆变器合成电压矢量图；

图4为ΔAGH共模电压抑制范围图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

1、开绕组双逆变器双电源空间矢量策略控制算法的工作原理：

如图1所示，以双电源双逆变器系统为例，采用空间矢量表示法，双逆变器系统输出的电压矢量v可通过逆变器INV₁的输出电压矢量v₁和逆变器INV₂的输出电压矢量v₂来表示：

v＝v₁+v₂          (1)

电压矢量v₁和v₂可采用直流母线电压和电力电子开关器件的开关状态来表示，假设V_DC1＝V_DC2＝U，则有：

$v_1=\frac{2}{3}U(S_{11}+S_{12}{e}^{j\frac{2}{3}\mathrm{\π}}+S_{13}{e}^{j\frac{4}{3}\mathrm{\π}}),v_2=-\frac{2}{3}U(S_{21}+S_{22}{e}^{j\frac{2}{3}\mathrm{\π}}+S_{23}{e}^{j\frac{4}{3}\mathrm{\π}})---\left(2\right)$

其中，V_DC1、V_DC2为两逆变器电容两端电压；U为直流母线电压； $\{S_{11},S_{12},S_{13},S_{21},S_{22},S_{23}\}\⊆\left\{\mathrm{0,1}\right\}$ 是逆变器桥臂的开关状态。

逆变器INV₁的上桥臂开关管T₁₁、T₁₃和T₁₅的开关状态用[S_a S_b S_c]来表示，则共有8种开关状态，分别是1[1 0 0]、2[1 1 0]、3[0 1 0]、4[0 1 1]、5[0 0 1]、6[1 0 1]、7[1 1 1]和8[0 0 0]，被称为基本电压空间矢量。相应的逆变器INV₂的基本电压空间矢量是1'、2'、3'、4'、5'、6'、7'和8'，单个逆变器产生的电压矢量图如图2所示，不同开关状态下电压空间矢量表如表1所示，双逆变器合成电压矢量图如图3所示。

表1 不同开关状态下的电压空间矢量表

图3所示的双逆变器系统的电压空间矢量图具有按60°分区的特点，是一种非正交的60°坐标系，也被称作g-h坐标系，g轴和h轴分别位于θ＝0°和θ＝60°的位置。基于60°坐标系的SVPWM方法，不需要进行复杂的三角运算，只需要进行简单的逻辑判断就可以确定参考电压矢量的具体位置和用以合成参考矢量的最近三矢量，极大地简化了计算过程，并且可推广到更多电平逆变器的矢量控制算法中。

设电压矢量v在三相静止坐标系A-B-C下可表示为

$v=v_A+v_B{e}^{j\frac{2}{3}\mathrm{\π}}+v_C{e}^{j\frac{4}{3}\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

α-β坐标系和A-B-C坐标系之间的clark转换关系为

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_A\\ v_B\\ v_C\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，v_A v_B v_C为电机在三相静止坐标系A-B-C下的三相电压；v_αv_β为电机在两相静止坐标系α-β坐标系下的电压。

α-β坐标系和60°坐标系之间的转换关系为

$\left[\begin{array}{c}{v}_g\\ v_h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -\frac{1}{\sqrt{3}}\\ 0& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}}\\ v_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，v_g、v_h分别为绕组端电压在60°坐标系下的g、h轴分量。

2、共模电压产生的原因：

开绕组电机相电压的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_a=v_{a1o}+v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}-v_{{a2o}^{\′}}\\ v_b=v_{b1o}+v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}-v_{b2o^{\′}}\\ v_c=v_{c1o}+v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}-v_{{c2o}^{\′}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中v_a1o、v_b1o、v_c1o为逆变器INV₁的a、b、c三相相对于o点的电压，v_a2o'、v_b2o'、v_c2o'为逆变器INV₂的a、b、c三相相对于o’点的电压，v_oo'为两个逆变器o点与o’点的电压差。

由于逆变器INV₁和INV₂采用双电源供电模式，其直流母线侧完全电隔离，两个地o和o’被看作是电路中两个独立的节点。因此运用基尔霍夫电流定律，开绕组电机的三相相电流可表示为：

i_a+i_b+i_c＝0          (7)

开绕组电机的三相相电压同样也满足：

v_a+v_b+v_c＝0          (8)

将式(8)代入式(6)得到：

$v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}=\frac{1}{3}(v_{{a2o}^{\′}}+v_{{b2o}^{\′}}+v_{{c2o}^{\′}}-v_{{a1o}^{\′}}-v_{{b1o}^{\′}}-v_{{c1o}^{\′}})---\left(9\right)$

以表1中的100010组合求其共模电压为例：逆变器1、2输出的相电压分别为U_dc、0、0、0、U_dc、0，其中U_dc表示逆变器侧直流电压，所以根据式(9)得出v_oo'＝0。

同理可以求出其他组合的共模电压，如表2示。

表2 不同开关序列组合产生的共模电压表

3、本发明中共模电压抑制方法的基本原理：

本发明提出的方法是通过在不同的区域选取不同开关序列组合来抑制共模电压，由于此方法是基于全调制的方法，只需改变对应矢量的占空比，兼容性强，实现起来容易。

方法本质：

定义1：某点的合成矢量组合能够产生不同极性共模电压时，则称此点为双极性点，如O、A、B等。

定义2：某点的合成矢量组合能够只产生相同极性共模电压时，则称此点为单极性点，如G、I、K等。

定义3：某点的合成矢量组合不产生共模电压时，则称此点为中性点，如H、J、L等。

开关序列选择原则：

(1)每变换一次开关状态，开关管只变动一次；相邻开关序列产生的共模电压互差-U_dc/3。

(2)对于由双极性点参与合成的矢量中，只需调整对应矢量点的占空比，

即双极性点通过自身共模电压抑制来实现整个周期的共模电压抑制；对于

含有单极性点的三角区域内，需要通过调整双极性点的占空比抑制单极性

点产生的共模电压来实现的最大共模电压抑制。

对于不同区域，抑制共模电压的方法如下。

a)当参考矢量点位于三角形区域①-⑥中

在三角形区域①-⑥内，双逆变器空间矢量组合可以采取调整占空比来抑制共模电压。例如在三角形OAB中，基于如表2所示的不同开关序列组合产生的共模电压表，A、B为双极性点，故电压矢量OA、OB产生的共模电压可以分别用本身的开关序列组合进行消除。产生电压矢量OA、OB的开关序列产生的共模电压的绝对值最大为2U_dc/3，根据开关序列选择原则，在此三角形区域中抑制共模电压，采取五段码，选取开关序列84’、85’、88’、18’、28’，对应的占空比分别为(T_2a/3、2T_3a/3、T_1a、2T_2a/3、T_3a/3)，T_1a、T_2a、T_3a分别对应O、A、B三矢量的作用时间。则合成的共模电压伏秒量为：

$T_s\×v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}=\frac{T_{2a}}{3}\×\left(\frac{-2U_{\mathrm{dc}}}{3}\right)+\frac{2T_{3a}}{3}\×\left(\frac{-U_{\mathrm{dc}}}{3}\right)+\frac{T_{1a}}{2}\×0+\frac{2T_{2a}}{3}\×\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}+\frac{T_{3a}}{3}\×\frac{2U_{\mathrm{dc}}}{3}---\left(10\right)$

v_oo'＝0          (11)

表3为ΔOAB中共模电压表(基准值为U_dc)，通过此方法可得到其他三角区域的开关矢量组合，如表4所示。

表3 ΔOAB中共模电压表(基准值为U_dc)

表4 六边形ABCDEF区域内开关表

区域	开关序列组合
		OAB	84’-85’-88’-18’-28’
OBC	28’-38’-88’-85’-86’
		OCD	86’-81’-88’-38’-48’

ODE	48’-58’-88’-81’-82
		OEF	82’-83’-88’-58’-68’
OFA	68’-18’-88’-83’-84’

b)当参考矢量点位于三角形区域⑦-内

当参考矢量点位于三角形区域⑦-内，以三角形ABH为例，设矢量OH，OA，OB的作用时间分别为T_1b，T_2b，T_3b。由于OA，OB可产生共模电压组合为(-2U_dc/3、U_dc/3)、(-U_dc/3、2U_dc/3)，为双极性点，根据开关序列选择原则，调整OA，OB不同共模电压的占空比，使得对应的占空比为2：1。基于上述分析选取开关序列为17’、27’、24’、74’、75’，作用时间为(T_2b/3、2T_3b/3、T_1b、2T_2b/3、T_3b/3)，同样方法可以求出剩余区域开关序列表，如表5所示。

表5三角形区域⑦-内开关序列表

区域	开关序列组合
		ABH	17’-27’-24’-74’-75’
BCJ	75’-76’-26’-27’-37’
		CDL	37’-47’-46’-76’-71’
DEN	71’-72’-42’-47’-57
		EFQ	57’-67’-62’-72’-73’
AFS	73’-74’-64’-67’-17’

c)当参考矢量点位于三角形区域内

此时以ΔAGH，ΔBHI为例进行共模电压抑制分析

在ΔAGH区域内，设OH、OA、OG的开关时间为T_1c，T_2c，T_3c，开关周期为T_s。通过计算可知T_1c，T_2c，T_3c分别为b*T_s、(2-a-b)*T_s、(a-1)*T_s，其中a、b和c分别为各参考电压矢量所在扇区投影到第一大扇区的坐标，根据开关序列选择原则，选取开关序列为18’、15’、14’、17’。令x为OA中18’矢量组合的占空比，则17’的占空比为1-x，下的三相电压所以产生的共模电压为

$T_s\×v_{{\mathrm{oo}}^{\′}}=T_{3c}\×\left(\frac{-U_{\mathrm{dc}}}{3}\right)+x{T}_{2c}\×\frac{U_{\mathrm{dc}}}{3}+(1-x)T_{2c}\×\left(\frac{-2U_{\mathrm{dc}}}{3}\right)---\left(12\right)$

由各开关时间可知，T_2c，T_3c的取值决定共模电压的抑制范围，共有完全抑制以及最大抑制两种情况。

1)当式(12)等于0时，则需满足T_2c>＝T_3c，此时共模电压可以完全消除。

因此可以得出2-a-b>＝a-1，加上这个区域的边界条件，即：

$\left\{\begin{array}{c}a>1\\ b<1\\ a+b>1\\ 2a+b\&le;3\end{array}\right.$

则此区域内可以使得共模电压抑制的范围如图4阴影所示，图中Vref表示参考矢量。

此时解得x＝(3-a-2b)/(6-2a-2b)，对应的开关时间分别为(3-a-2b)/3、b、a-1、(3-2a-b)/3。

2)当参考矢量点在三角形AGH非阴影区，由于T_2c<T_3c，代入式(12)中，可以得出等式值大于等于0。为了可最大化抑制共模电压，令x＝1，则开关序列为18’、15’、14’、17’对应的开关时间为(2-a-b)*T_s、b*T_s、(a-1)*T_s、0。

在ΔBIH区域内，根据开关序列原则，设定开关序列为75’、25’、15’、16’。与三角形AGH区域各矢量计算方法一样，当在ΔBIH阴影区内，可得对应开关序列的开关时间为(3-a-2b)/3、b-1、a、(3-2a-b)/3、。

综合上述可得出在三角形区域内的开关序列表，如表6所示。

表6 三角形区域内开关序列表

区域	开关序列组合
		AGH	18’-15’-14’-17’
BHI	75’-25’-15’-85’
		BIJ	85’-35’-25’-75’
CJK	37’-36’-35’-38’
		CLK	38’-31’-36’-37’
DLM	71’-41’-31’-81’
		DMN	81’-51’-41’-71’
ENP	57’-52’-51’-58’
		EPQ	58’-53’-52’-57’
FQR	73’-63’-53’-83’
		FRS	83’-13’-63’-73’
AGS	17’-14’-13’-18’

最后，再将此与空间电压矢量调制(SVPWM)集合，只需改变特定矢量组合的占空比，即可输出开关状态信号(PWM信号)以控制开关管的通断，来达到共模电压抑制的效果。由于这种方法是基于每变换一次开关状态，开关管只变动一次以及相邻开关序列产生的共模电压互差为产生的共模电压值的最小值，因此可以减小系统的开关频率，减小电流、转矩脉动，同时也可以达到动态共模电压抑制的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开绕组双逆变器空间矢量调制共模电压抑制方法，其特征在于采用基于60度坐标系的SVPWM控制方法，在双逆变器合成的电压矢量全范围内，根据各开关序列的共模电压值特点，在不同空间矢量区域按一定规则选取开关序列，通过调整被选取的开关序列的作用时间，实现相应空间矢量区域的共模电压抑制，从而实现全空间矢量范围的共模电压抑制，并根据经过调整的开关序列的作用时间生成控制各开关管的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的开绕组双逆变器空间矢量调制共模电压抑制方法，其特征在于所述一定规则是指：

(1)每变换一次开关状态，开关管只变动一次；相邻开关序列产生的共模电压互差为-U_dc/3，其中U_dc表示逆变器侧直流电压；

(2)对于由双极性点参与合成的矢量，只需调整对应矢量点的开关序列的占空比，即双极性点通过自身共模电压抑制来实现整个周期的共模电压抑制；对于含有单极性点参与合成的矢量，需要通过调整双极性点的开关序列的占空比抑制单极性点产生的共模电压来实现最大共模电压抑制，其中矢量点的极性定义如下：

定义1：某点的合成矢量组合能够产生不同极性共模电压时，则称此点为双极性点；

定义2：某点的合成矢量组合只产生相同极性共模电压时，则称此点为单极性点；

定义3：某点的合成矢量组合不产生共模电压时，则称此点为中性点。

3.根据权利要求1或2所述的开绕组双逆变器空间矢量调制共模电压抑制方法，其特征在于将五段码开关矢量组合以及四段码开关矢量组合相结合，在没有单极性矢量点参与合成的区域采用五段码开关矢量组合，在有单极性矢量点参与合成的区域采用四段码开关矢量组合，以保证每变换一次开关状态，开关管只变动一次。