CN104967365A - 一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法，属于电机控制技术领域。本发明首选利用传统直接转矩控制方法获得两台三相电机各相绕组的理论开关状态；然后根据各相绕组理论开关状态之间的关系以及两台三相电机系统偏差之间的关系，确定五相逆变器各桥臂的实际开关状态，并按照所得到的实际开关状态通过五相逆变器去控制两台三相电机。本发明还公开了使用上述控制方法的五相逆变器双三相电机系统。本发明在传统三相电机直接转矩控制方法的基础上做了少量修改，可适用于所有的五相逆变器双三相电机系统，继承了传统三相直接转矩控制方法所具有的结构简单、鲁棒性强等优点。

Description

一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法。

背景技术

由于在纺织、造纸、轧钢和轨道交通等行业中的广泛应用，多电机驱动系统及其控制方法一直是学者们关注的研究热点。通常所研究的多电机驱动系统中，每台三相电机均由一台三相逆变器独立控制，这也是多电机驱动系统中最常用的控制结构。与此同时，随着多相电机的发展，多相逆变器得到了广泛应用。于是，为了减少开关器件的使用数量，研究者提出了基于多相逆变器的新型多电机驱动系统控制结构，例如采用五相逆变器同时控制两台三相电机，称之为五相逆变器双三相电机系统。图1即显示了五相逆变器双三相电机系统的基本结构。如图1所示，五相逆变器双三相电机系统包括具有桥臂1～桥臂5的五相逆变器以及三相电机1、三相电机2，桥臂1中点、桥臂2中点与三相电机1的其中两相绕组(图中为A、B两相，分别记为A₁、B₁)分别连接，桥臂4中点、桥臂5中点与三相电机2的其中两相绕组(图中为A、B两相，分别记为A₂、B₂)分别连接，三相电机1的C相绕组(记为C₁)、三相电机2的C相绕组(记为C₂)同时与桥臂3中点连接，桥臂3通常被称为公共桥臂，而其余四个桥臂被称为独立桥臂。与传统的两套单逆变器单电机系统相比，五相逆变器双三相电机系统最鲜明的特点就是省去了两个功率开关器件。

由于采用五相逆变器同时控制两台三相电机，因此不能直接使用现有各种适用于单三相逆变器单三相电机的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法，将现有用于单三相逆变器单三相电机的直接转矩控制方法进行改进，使其可适用于五相逆变器双三相电机系统。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

五相逆变器双三相电机系统的控制方法，所述五相逆变器双三相电机系统包括具有第一～第五桥臂的五相逆变器以及第一三相电机、第二三相电机；第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂为独立桥臂，其桥臂中点分别连接第一三相电机的两相绕组、第二三相电机的两相绕组；第三桥臂为公共桥臂，其桥臂中点同时连接第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组；所述控制方法具体如下：

首先利用三相直接转矩控制方法获取第一三相电机三相绕组的理论开关状态和第二三相电机三相绕组的理论开关状态；

然后按照以下方法确定五相逆变器各桥臂的实际开关状态：首先判断第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组的理论开关状态是否相同，如是，则以其所连接的相绕组的理论开关状态分别作为各桥臂的实际开关状态，如否，则接着判断是否存在某台三相电机三相绕组的理论开关状态完全相同的情形，如存在，则以另一台三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为与该另一台三相电机三相绕组所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该另一台三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态，如不存在，则以系统偏差较大的三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为其所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态；

最后按照所得到的实际开关状态对第一～第五桥臂进行控制。

优选地，三相电机的系统偏差x按照下式得到：

$x=\frac{\left|T_e^{*}-T_e\right|}{T_R}+l\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}-{\mathrm{\ψ}}_s\right|}{{\mathrm{\ψ}}_R}$

式中，T_e分别表示三相电机的转矩给定值和转矩实际值，ψ_s分别表示三相电机的磁链给定值和磁链实际值，T_R、ψ_R分别表示三相电机的转矩额定值和磁链额定值，l为偏差系数。

当第一三相电机与第二三相电机的参数相同时，三相电机的系统偏差x也可以按照以下简化公式得到：

$x=\left|T_e^{*}-T_e\right|+l\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}-{\mathrm{\ψ}}_s\right|$

式中，T_e分别表示三相电机的转矩给定值和转矩实际值，ψ_s分别表示三相电机的磁链给定值和磁链实际值，l为偏差系数。

根据相同的发明思路还可以得到一种五相逆变器双三相电机系统，使用如上任一技术方案所述控制方法。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明在传统三相电机直接转矩控制方法的基础上做了少量修改，可适用于所有的五相逆变器双三相电机系统，继承了传统三相直接转矩控制方法所具有的结构简单、鲁棒性强等优点。

附图说明

图1为五相逆变器双三相电机系统的结构示意图；

图2为具体实施方式中本发明控制方法的流程图；

图3是两台永磁同步电机转速的仿真波形；

图4是电机1转矩的仿真波形；

图5是电机2转矩的仿真波形；

图6是C1相电流的仿真波形；

图7是C2相电流的仿真波形；

图8是公共桥臂电流的仿真波形。

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：

直接转矩控制(Direct Torque Control——DTC)，其思想是以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，还控制磁链。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标系下计算磁链的模和转矩的大小，并根据磁链和转矩的实际值与参考值之间的滞环比较结果，通过查表的方式得到逆变器的最佳开关状态，没有通常的PWM信号发生器，具有结构简单、鲁棒性强的显著优点。然而。现有直接转矩控制方法均针对传统的单三相逆变器单三相电机系统，无法直接应用于五相逆变器双三相电机系统，从而获得转矩的高动态性能。

本发明的思路是根据五相逆变器双三相电机系统的特点，在传统三相电机直接转矩控制方法的基础上进行改进，从而得到一种具有结构简单、鲁棒性强等优点的五相逆变器双三相电机系统的控制方法，具体如下：

五相逆变器双三相电机系统的控制方法，所述五相逆变器双三相电机系统包括具有第一～第五桥臂的五相逆变器以及第一三相电机、第二三相电机；第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂为独立桥臂，其桥臂中点分别连接第一三相电机的两相绕组、第二三相电机的两相绕组；第三桥臂为公共桥臂，其桥臂中点同时连接第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组；所述控制方法具体如下：

首先利用三相直接转矩控制方法获取第一三相电机三相绕组的理论开关状态和第二三相电机三相绕组的理论开关状态；

然后按照以下方法确定五相逆变器各桥臂的实际开关状态：首先判断第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组的理论开关状态是否相同，如是，则以其所连接的相绕组的理论开关状态分别作为各桥臂的实际开关状态，如否，则接着判断是否存在某台三相电机三相绕组的理论开关状态完全相同的情形，如存在，则以另一台三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为与该另一台三相电机三相绕组所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该另一台三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态，如不存在，则以系统偏差较大的三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为其所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态；

最后按照所得到的实际开关状态对第一～第五桥臂进行控制。

为了便于公众理解，下面以一个具体实施例来对本发明技术方案进行详细说明。

本实施例采用图1所示的五相逆变器双三相电机系统，其控制流程如图2所示，具体包括以下步骤：

1)根据传统的三相直接转矩控制方法得到两台三相电机各自的三相理论开关状态k_A1、k_B1、k_C1和k_A2、k_B2、k_C2；

2)如果k_C1＝k_C2，那么根据下式得到桥臂1、2、3、4、5的实际开关状态s₁、s₂、s₃、s₄、s₅后直接跳转至步骤8)：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=k_{A1}\\ s_2=k_{B1}\\ s_3=k_{C1}\\ s_4=k_{B2}\\ s_5=k_{A2}\end{array}\right.$

3)如果k_A1＝k_B1＝k_C1，那么根据下式得到桥臂1、2、3、4、5的实际开关状态s₁、s₂、s₃、s₄、s₅后直接跳转至步骤8)：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=k_{C2}\\ s_2=k_{C2}\\ s_3=k_{C2}\\ s_4=k_{B2}\\ s_5=k_{A2}\end{array}\right.$

4)如果k_A2＝k_B2＝k_C2，那么根据下式得到桥臂1、2、3、4、5的实际开关状态s₁、s₂、s₃、s₄、s₅后直接跳转至步骤8)：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=k_{A1}\\ s_2=k_{B1}\\ s_3=k_{C1}\\ s_4=k_{C1}\\ s_5=k_{C1}\end{array}\right.$

5)根据下式计算两台三相电机的系统偏差：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{\left|T_{e1}^{*}-T_{e1}\right|}{T_{R1}}+1\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_{s1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{s1}\right|}{{\mathrm{\ψ}}_{R1}}\\ x_2=\frac{\left|T_{e2}^{*}-T_{e2}\right|}{T_{R2}}+l\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_{s2}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{s2}\right|}{{\mathrm{\ψ}}_{R2}}\end{array}\right.$

式中，和T_e1分别为电机1的转矩给定值和实际值，和ψ_s1分别为电机1的磁链给定值和实际值，和T_e2分别为电机2的转矩给定值和实际值，和ψ_s2分别为电机2的磁链给定值和实际值，T_R1和T_R2为电机1和电机2的转矩额定值，ψ_R1和ψ_R2为电机1和电机2的磁链额定值，l为偏差系数，x₁和x₂分别为电机1和电机2的系统偏差；上式对于两台三相电机参数相同或不同情况下均适用；实际上在两台三相电机参数完全相同条件下，也可以采用以下简化公式计算两台三相电机的系统偏差：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\left|T_{e1}^{*}-T_{e1}\right|+l\left|{\mathrm{\ψ}}_{s1}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{s1}\right|\\ x_2=\left|T_{e2}^{*}-T_{e2}\right|+l\left|{\mathrm{\ψ}}_{s2}^{*}-{\mathrm{\ψ}}_{s2}\right|\end{array}\right.$

上述只给出了两种典型的系统偏差计算方法，更多的系统偏差计算方法可以根据实际的五相逆变器双三相电机系统进行有针对性的设计，例如，还可以对以上公式进行修改，去掉偏差系数l，而分别为转矩项和磁链项赋以相应的权值；

6)如果x₁≥x₂，那么根据下式得到桥臂1、2、3、4、5的实际开关状态s₁、s₂、s₃、s₄、s₅后直接跳转至步骤8)：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=k_{A1}\\ s_2=k_{B1}\\ s_3=k_{C1}\\ s_4=k_{C1}\\ s_5=k_{C1}\end{array}\right.$

7)根据下式得到桥臂1、2、3、4、5的实际开关状态s₁、s₂、s₃、s₄、s₅：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1=k_{C2}\\ s_2=k_{C2}\\ s_3=k_{C2}\\ s_4=k_{B2}\\ s_5=k_{A2}\end{array}\right.$

8)将s₁、s₂、s₃、s₄、s₅分别输出至五相逆变器去控制两台三相电机。

为了验证本发明的效果，对本发明控制方法进行了仿真实验。图3是两台永磁同步电机转速的仿真波形，图4是电机1转矩的仿真波形，图5是电机2转矩的仿真波形。图6是C₁相电流的仿真波形，图7是C2相电流的仿真波形，图8是公共桥臂电流的仿真波形。仿真波形表明，本发明能够实现五相逆变器双三相电机系统的直接转矩控制，转速、转矩、电流控制性能良好。

Claims (4)

1.一种五相逆变器双三相电机系统的控制方法，所述五相逆变器双三相电机系统包括具有第一～第五桥臂的五相逆变器以及第一三相电机、第二三相电机；第一桥臂、第二桥臂、第四桥臂、第五桥臂为独立桥臂，其桥臂中点分别连接第一三相电机的两相绕组、第二三相电机的两相绕组；第三桥臂为公共桥臂，其桥臂中点同时连接第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组；其特征在于，所述控制方法具体如下：

首先利用三相直接转矩控制方法获取第一三相电机三相绕组的理论开关状态和第二三相电机三相绕组的理论开关状态；

然后按照以下方法确定五相逆变器各桥臂的实际开关状态：首先判断第一三相电机的第三相绕组和第二三相电机的第三相绕组的理论开关状态是否相同，如是，则以其所连接的相绕组的理论开关状态分别作为各桥臂的实际开关状态，如否，则接着判断是否存在某台三相电机三相绕组的理论开关状态完全相同的情形，如存在，则以另一台三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为与该另一台三相电机三相绕组所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该另一台三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态，如不存在，则以系统偏差较大的三相电机三相绕组的理论开关状态分别作为其所连接桥臂的实际开关状态，并以第三桥臂的实际开关状态作为与该三相电机未连接的另外两桥臂的实际开关状态；

最后按照所得到的实际开关状态对第一～第五桥臂进行控制。

2.如权利要求1所述五相逆变器双三相电机系统的控制方法，其特征在于，三相电机的系统偏差x按照下式得到：

$x=\frac{\left|T_e^{*}-T_e\right|}{T_R}+l\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}-{\mathrm{\ψ}}_s\right|}{{\mathrm{\ψ}}_R}$

式中，T_e分别表示三相电机的转矩给定值和转矩实际值，ψ_s分别表示三相电机的磁链给定值和磁链实际值，T_R、ψ_R分别表示三相电机的转矩额定值和磁链额定值，l为偏差系数。

3.如权利要求1所述五相逆变器双三相电机系统的控制方法，其特征在于，第一三相电机与第二三相电机的参数相同；三相电机的系统偏差x按照下式得到：

$x=\left|T_e^{*}-T_e\right|+l\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}-{\mathrm{\ψ}}_s\right|$

式中，T_e分别表示三相电机的转矩给定值和转矩实际值，ψ_s分别表示三相电机的磁链给定值和磁链实际值，l为偏差系数。

4.五相逆变器双三相电机系统，其特征在于，使用如权利要求1～3任一项所述控制方法。