CN106301148A - 一种六相电机驱动器拓扑及控制算法 - Google Patents

一种六相电机驱动器拓扑及控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种六相电机驱动器拓扑及控制算法，所述六相电机驱动器拓扑包括六相电机、驱动器和控制器，所述控制器通过驱动器控制六相电机的工作状态，所述驱动器包括逆变器，所述逆变器采用两级六相H型桥式结构，所述两级六相H型桥式结构由2个单级三相H型桥式结构串联形成，所述单级三相H型桥式结构由三个单极单相H型桥式结构并联形成。所述控制算法通过使用6/2变换实现空间矢量解耦，将六相空间电压矢量解耦为dq坐标系下的两相电压矢量，实现对六相电机励磁、转矩的独立控制。本发明的有益效果是每一个桥臂的功率开关管的耐压级别可降低且可通过该拓扑向电机定子相绕组中注入谐波，该拓扑在至少两相电机绕组未损坏的情况下仍可运行。

Description

一种六相电机驱动器拓扑及控制算法
技术领域
本发明属于电机驱动与控制领域，具体涉及一种电机驱动器拓扑及控制算法。
背景技术
在电机驱动中，驱动器的拓扑结构普遍采用六相全桥结构或六相单级式H桥结构，但六相全桥结构拓扑结构不易注入谐波，且电机的稳定性不是很好；而六相单级式H型桥式结构不易应用于高压大功率场合，在高压情况下六相单级式H型桥式结构的每一桥臂上功率开关管承受电压较高。
矢量控制原理是将交流电机通过数学变换等效成一个旋转的直流电机，最终目的是将交流电机等效成一个旋转的直流电机，通过给定直流参数控制交流电机，使交流电机获得和直流电机相媲美的调速性能，但是一般的矢量控制原理不易于在实际工程中实现，控制算法较为复杂。
在现有的技术中采用电压空间矢量控制方法基本电压矢量数目繁多，造成计算过程繁琐，增加控制难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、计算简便、系统可靠性高的控制策略，尤其适合高压、大电流应用场合的六相电机驱动拓扑及控制算法。
本发明的技术方案是：
一种六相电机驱动器拓扑，包括六相电机、驱动器和控制器，所述六相电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制六相电机的工作状态：所述驱动器包括逆变器，所述逆变器采用两级六相H型桥式结构，所述两级六相H型桥式结构由2个单级三相H型桥式结构串联形成，所述单级三相H型桥式结构由三个单极单相H型桥式结构并联形成。
所述单级单相H型桥式结构包括电压输入端U1、电源输入端U2,所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U1相连在一起为单级三相H型桥式结构的第一输入端，所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U2相连在一起为单级三相H型桥式结构的第二输入端；所述第一级单级三相H型桥式结构的第二输入端与第二级单级三相H型桥式结构的第一输入端相连形成两级六相H型桥式结构。
所述驱动器还包括第三直流电源，所述第三直流电源的正极与第一级单级三相H型桥式结构的第一输入端相连，所述第三直流电源的负极与第二级单级三相H型桥式结构的第二输入端与相连。
所述单级单相H型桥式结构还包括电压输出端Va和Vb，所述两级六相H型桥式结构的6对电压输出端Va和Vb分别与六相电机的每相绕组的首末两端对应相连。
所述单级单相H型桥式结构包括驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4、第一功率开关管P1～第四功率开关管P4，第一二极管D1～第四二极管D4，所述第一功率开关管P1～第四功率开关管P4的门极分别为桥式结构的驱动信号输入端Z1～Z4；所述第一功率开关管P1的集电极、第三功率开关管P3的集电极、第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极相互连接后为第三电源输入端U1；所述第一功率开关管P1的发射极、所述第二功率开关管P2的集电极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Va；所述第三功率开关管P3的发射极、所述第四功率开关管P4的集电极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Vb；所述第二功率开关管P2的发射极、第四功率开关管P4的发射极、第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极相互连接后为电源输入端U2。
所述驱动器还包括功率开关管驱动模块，所述控制器传递24个控制信号到功率开关管驱动模块中，所述功率开关管驱动模块输出24个控制信号分别与两级六相H型桥式结构对应的24个驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4相连。
一种六相电机控制算法，通过使用6/2变换实现空间矢量解耦，将六相空间电压矢量解耦为dq坐标系下的两相电压矢量，实现对六相电机励磁、转矩的独立控制。
所述控制算法包括以下步骤：
(1)确定六相电机额定角速度ω：根据六相电机参数额定频率f和公式ω＝2πf，通过计算可得电机额定角速度ω；
(2)确定磁链矢量幅值φmax：根据六相电机参数额定相电压幅值umax和公式通过计算可得磁链矢量幅值φmax；
(3)确定磁链电流给定值Idref：根据六相电机参数励磁电感Lm和公式φmax＝Lm×Idref，可以得到磁链电流给定值Idref；
(4)确定转矩电流给定值Iqref：根据六相电机参数额定定子相电流幅值Im、上述磁链电流给定值Idref和公式可以算出Iqref。
(5)确定两个电流闭环：通过电流传感器得到六相电机各相瞬时电流，根据公式得到6/2变换后的励磁电流反馈Id'和转矩电流反馈Iq'，利用步骤(3)和步骤(4)所得Idref和Iqref，形成两个电流闭环，所述的电流传感器共有六个，分别串接在六相电机的每一相定子绕组所在的电线上。
(6)确定转速闭环：根据实际需要设置速度给定nref，通过转速传感器或无速度估计算法得到电机实时转速，形成速度闭环，所述的转速传感器并接在六相电机的转子轴上。
本发明具有的优点和积极效果是：能够实现六相电机闭环控制，控制算法简便、系统可靠性高，易于实现并应用于实际工程当中；所述六相电机驱动器拓扑的每一个桥臂的功率开关管的耐压级别可降低且可通过该拓扑向电机定子相绕组中注入谐波，该拓扑在至少两相电机绕组未损坏的情况下仍可运行。
附图说明
图1是本发明的电机控制系统框图
图2是单极单相H型桥式结构驱动拓扑
图3双级六相H型桥式结构驱动拓扑
图4闭环矢量控制系统
具体实施方式
如图1-4所示，一种电机驱动器拓扑，包括六相电机、驱动器和控制器。所述六相交流电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制六相电机的工作状态。
所述控制器包括控制芯片和外围电路，所述外围电路包括第一直流电源、晶振、复位、模数转换模块和寄存器；所述驱动器包括第二直流电源、第三直流电源、功率开关管驱动模块和逆变器，所述第一直流电源给控制芯片供电，所述晶振给控制芯片提供时钟信号，所述复位可以重启控制芯片，所述模数转换模块可以把模拟信号转成数字信号传递到控制芯片中，所述寄存器可以存储控制芯片的数据；所述第二直流电源为功率开关管驱动模块提供电源，所述第三直流电源为逆变器提供电源；所述控制芯片传递控制信号到功率开关管驱动模块中，所述功率开关管驱动模块将控制芯片传递来的信号放大后传递给逆变器，所述逆变器通过功率开关管驱动模块传递来的信号控制六相电机的工作状态。
所述单级单相H型桥式结构包括电压输入端U1、电源输入端U2,驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4、第一功率开关管P1～第四功率开关管P4，第一二极管D1～第四二极管D4，所述第一功率开关管P1～第四功率开关管P4的门极分别为桥式结构的驱动信号输入端Z1～Z4；所述第一功率开关管P1的集电极、第三功率开关管P3的集电极、第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极相互连接后为第三电源输入端U1；所述第一功率开关管P1的发射极、所述第二功率开关管P2的集电极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Va；所述第三功率开关管P3的发射极、所述第四功率开关管P4的集电极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Vb；所述第二功率开关管P2的发射极、第四功率开关管P4的发射极、第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极相互连接后为电源输入端U2。
所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U1相连在一起为单级三相H型桥式结构的第一输入端，所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U2相连在一起为单级三相H型桥式结构的第二输入端；所述第一级单级三相H型桥式结构的第二输入端与第二级单级三相H型桥式结构的第一输入端相连形成两级六相H型桥式结构。
所述第一级第一相H型桥式结构的电压输入端U1、所述第一级第二相H型桥式结构的电压输入端U1、所述第一级第三相H型桥式结构的电压输入端U1相连在一起为DC+；所述第一级第一相H型桥式结构的电压输入端U2与所述第二级第四相H型桥式结构的电压输入端U1相连，所述第一级第二相H型桥式结构的电压输入端U2与所述第二级第五相H型桥式结构的电压输入端U1相连，所述第一级第三相H型桥式结构的电压输入端U2与所述第二级第六相H型桥式结构的电压输入端U1相连；所述第二级第四相H型桥式结构的电压输入端U2、第二级第五相H型桥式结构的电压输入端U2、第二级第四相H型桥式结构的电压输入端U2相连在一起为DC-。
所述驱动器还包括第三直流电源，所述第三直流电源的正极与第一级单级三相H型桥式结构的第一输入端即DC+相连，所述第三直流电源的负极与第二级单级三相H型桥式结构的第二输入端即DC-相连。
所述两级六相H型桥式结构的电压输出端Va1和Vb1与六相电机的绕组L1的首末两端对应相连，所述两级六相H型桥式结构的电压输出端Va2和Vb2与六相电机的绕组L2的首末两端对应相连，以此类推，所述两级六相H型桥式结构的电压输出端Va6和Vb6 与六相电机的绕组L6的首末两端对应相连。
所述驱动器还包括功率开关管驱动模块，所述控制器传递24个控制信号到功率开关管驱动模块中，所述功率开关管驱动模块输出24个控制信号分别与两级六相H型桥式结构对应的24个驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4相连。
所述的一种六相电机控制算法，通过使用6/2变换实现空间矢量解耦，将六相空间电压矢量解耦为dq坐标系下的两相电压矢量，实现对六相电机励磁、转矩的独立控制。
所述控制算法包括以下步骤：
(1)确定六相电机额定角速度ω：根据六相电机参数额定频率f和公式ω＝2πf，通过计算可得电机额定角速度ω；
(2)确定磁链矢量幅值φmax：根据六相电机参数额定相电压幅值umax和公式通过计算可得磁链矢量幅值φmax；
(3)确定磁链电流给定值Idref：根据六相电机参数励磁电感Lm和公式φmax＝Lm×Idref，可以得到磁链电流给定值Idref；
(4)确定转矩电流给定值Iqref：根据六相电机参数额定定子相电流幅值Im、上述磁链电流给定值Idref和公式可以算出Iqref。
(5)确定两个电流闭环：通过电流传感器得到六相电机各相瞬时电流，根据公式得到6/2变换后的励磁电流反馈Id'和转矩电流反馈Iq'，利用步骤(3)和步骤(4)所得Idref和Iqref，形成两个电流闭环,所述的电流传感器共有六个，分别串接在六相电机的每一相定子绕组所在的电线上。
(6)确定转速闭环：根据实际需要设置速度给定nref，通过转速传感器或无速度估计算法得到电机实时转速，形成速度闭环,所述的转速传感器并接在六相电机的转子轴上。
利用无速度传感器算法或者速度传感器得到六相电机的实时转速n1，其余速度给定nref可以构成一个转速闭环，nref可以人为设置。
nref与实时转速n1的差值经PI1处理后，变为Iqref，与Iq'构成另一个电流闭环；Iqref与Iq'的差值经PI2处理后，Idref与Id'的差值经PI3处理后，共同经dq/αβ处理后，通过六相SVPWM算法转换成控制信号。
dq/αβ中需要用到电机转子的电角度θr，通过电机实时转子机械转速n2，与电机的极对数可以通过控制器计算出电机转子的电角度θr。
实施例1
所述控制算法包括以下步骤：
(1)确定六相电机额定角速度ω：根据六相电机参数额定频率f＝50Hz和公式ω＝2πf，通过计算可得电机额定角速度ω＝314rad/s；
(2)确定磁链矢量幅值φmax：根据六相电机参数额定相电压幅值和公式通过计算可得磁链矢量幅值φmax＝0.9907；
(3)确定磁链电流给定值Idref：根据六相电机参数励磁电感Lm和公式φmax＝Lm×Idref，可以得到磁链电流给定值Idref＝0.2141A；
(4)确定转矩电流给定值Iqref：根据六相电机参数额定定子相电流幅值Im＝0.707A、上述磁链电流给定值Idref和公式可以算出Iqref＝0.674A。
(5)确定两个电流闭环：通过电流传感器得到六相电机各相瞬时电流，根据公式得到6/2变换后的励磁电流反馈Id'和转矩电流反馈Iq'，利用步骤(3)和步骤(4)所得Idref和Iqref，形成两个电流闭环,所述的电流传感器共有六个，分别串接在六相电机的每一相定子绕组所在的电线上。
(6)确定转速闭环：根据实际需要设置速度给定nref，比如可取nref＝1000r/min，通过转速传感器或无速度估计算法得到电机实时转速，形成速度闭环，所述的转速传感器并接在六相电机的转子轴上。
工作过程：根据控制算法编写控制程序，将控制程序下载到控制器中，在控制器中生成空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号，空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号控制驱动器，驱动器驱动六相电机工作。

Claims (7)

1.一种六相电机驱动器拓扑，包括六相电机、驱动器和控制器，所述六相电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制六相电机的工作状态，其特征在于：所述驱动器包括逆变器，所述逆变器采用两级六相H型桥式结构，所述两级六相H型桥式结构由2个单级三相H型桥式结构串联形成，所述单级三相H型桥式结构由三个单极单相H型桥式结构并联形成。
2.根据权利要求1所述的电机驱动器拓扑，其特征在于：所述单级单相H型桥式结构包括电压输入端U1、电源输入端U2,所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U1相连在一起为单级三相H型桥式结构的第一输入端，所述单级单相H型桥式结构的3个电压输入端U2相连在一起为单级三相H型桥式结构的第二输入端；所述第一级单级三相H型桥式结构的第二输入端与第二级单级三相H型桥式结构的第一输入端相连形成两级六相H型桥式结构。
3.根据权利要求2所述的电机驱动器拓扑，其特征在于：所述驱动器还包括第三直流电源，所述第三直流电源的正极与第一级单级三相H型桥式结构的第一输入端相连，所述第三直流电源的负极与第二级单级三相H型桥式结构的第二输入端与相连。
4.根据权利要求2所述的电机驱动器拓扑，其特征在于：所述单级单相H型桥式结构还包括电压输出端Va和Vb，所述两级六相H型桥式结构的6对电压输出端Va和Vb分别与六相电机的每相绕组的首末两端对应相连。
5.根据权利要求1或2或4所述的电机驱动器拓扑，其特征在于：所述单级单相H型桥式结构包括驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4、第一功率开关管P1～第四功率开关管P4，第一二极管D1～第四二极管D4，所述第一功率开关管P1～第四功率开关管P4的门极分别为桥式结构的驱动信号输入端Z1～Z4；所述第一功率开关管P1的集电极、第三功率开关管P3的集电极、第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极相互连接后为第三电源输入端U1；所述第一功率开关管P1的发射极、所述第二功率开关管P2的集电极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Va；所述第三功率开关管P3的发射极、所述第四功率开关管P4的集电极、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极相互连接且连接处为H型桥式结构的电压输出端Vb；所述第二功率开关管P2的发射极、第四功率开关管P4的发射极、第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极相互连接后为电源输入端U2。
6.根据权利要求1所述所述的电机驱动器拓扑，其特征在于：所述驱动器还包括功率开关管驱动模块，所述控制器传递24个控制信号到功率开关管驱动模块中，所述功率开关管驱动模块输出24个控制信号分别与两级六相H型桥式结构对应的24个驱动信号输入端Z1～驱动信号输入端Z4相连。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种六相电机控制算法，其特征在于：通过使用6/2变换实现空间矢量解耦，将六相空间电压矢量解耦为dq坐标系下的两相电压矢量，实现对六相电机励磁、转矩的独立控制。
所述控制算法包括以下步骤：
(1)确定六相电机额定角速度ω：根据六相电机参数额定频率f和公式ω＝2πf，通过计算可得电机额定角速度ω；
(2)确定磁链矢量幅值φmax：根据六相电机参数额定相电压幅值umax和公式通过计算可得磁链矢量幅值φmax；
(3)确定磁链电流给定值Idref：根据六相电机参数励磁电感Lm和公式φmax＝Lm×Idref，可以得到磁链电流给定值Idref；
(4)确定转矩电流给定值Iqref：根据六相电机参数额定定子相电流幅值Im、上述磁链电流给定值Idref和公式可以算出Iqref。
(5)确定两个电流闭环：通过电流传感器得到六相电机各相瞬时电流，根据公式得到6/2变换后的励磁电流反馈Id'和转矩电流反馈Iq'，利用步骤(3)和步骤(4)所得Idref和Iqref，形成两个电流闭环，所述的电流传感器共有六个，分别串接在六相电机的每一相定子绕组所在的电线上。
(6)确定转速闭环：根据实际需要设置速度给定nref，通过转速传感器或无速度估计算法得到电机实时转速，形成速度闭环，所述的转速传感器并接在六相电机的转子轴上。
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