CN107196573B - 基于五相开绕组ftfscw-ipm电机驱动系统的零序电流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于五相开绕组FTFSCW‑IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法，在电机运行过程中，将电机零序电流经过一个PI调节器得到共模电压的参考值，然后根据得到的共模电压的参考值将两个逆变器的零电压矢量的作用时间进行控制，使两个逆变器的开关序列错开时间工作，合成相对应的参考共模电压矢量，从而抑制零序电流。本发明提供的方法实现比较简单，对控制器要求不高，可以方便的移植到其它共直流母线；同时，不仅能抑制由共模电压引起的零序电流，而且可以很好的抑制逆变器死区引起的零序电流，减少电流的谐波分量。

Description

基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制 方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，特别涉及一种基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法。

背景技术

大力发展电动汽车可以有效解决能源短缺和环境污染带来的压力，五相开绕组分数槽集中绕组容错电机(open-winding fault-tolerant fractional-slot concentratedwinding interior permanent magnet，下文简称为：五相开绕组FTFSCW-IPM)驱动系统具有功率范围宽，速度范围广，容错能力强的优点。共直流母线型开绕组驱动系统由于只需要一个电源供电，所以结构简单，紧凑型好。考虑到电动汽车的空间和结构限制，所以和双电源开绕组驱动系统相比，共直流母线型开绕组驱动结构更加适用于电动汽车的驱动。然而，由于共直流母线型的驱动结构会存在零序电流的流通路径，而零序电流的存在会导致电机的额外损耗和转矩脉动，降低电动汽车的运行性能，因此必须对共直流母线型的开绕组驱动系统进行零序电流抑制。

由于零序电流是由共模电压引起的，所以已有文献的零序电流抑制策略是使用不含共模电压的电压矢量合成参考电压矢量。但是当考虑到逆变器死区效应的影响，在实际应用中，这种方法并不能很好的抑制零序电流，死区效应引起的零序电流依然会存在。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种能有效抑制零序电流，减少电流的谐波分量的基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法。

技术方案：本发明提供了一种基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法，在电机运行过程中，将电机零序电流经过一个PI调节器得到共模电压的参考值，然后根据得到的共模电压的参考值将两个逆变器的零电压矢量的作用时间进行控制，使两个逆变器的开关序列错开时间工作，合成相对应的共模电压的参考值，从而抑制零序电流。

进一步，所述两个逆变器分别合成二分之一的参考电压矢量的参考值。

进一步，所述两个逆变器的零电压矢量的作用时间差ΔT根据公式计算获得，其中，u_CMV表示PI调节器得到共模电压的参考值，U_dc表示直流母线电压，T_s表示开关管周期，t₁为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在10000状态的时间，t₄为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在11101状态的时间。

进一步，根据公式：t₃₁＝t₀′＝0.5(ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)和t′₃₁＝t₀＝0.5(-ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)分别计算两个逆变器的零电压矢量的作用时间；其中，t₀为逆变器1的五组开关管序列工作在00000状态的时间，t₁为逆变器1的五组开关管序列工作在10000状态的时间，t₂为逆变器1的五组开关管序列工作在11000状态的时间，t₃为逆变器1的五组开关管序列工作在11001状态的时间，t₄为逆变器1的五组开关管序列工作在11101状态的时间，t₃₁为逆变器1的五组开关管序列工作在11111状态的时间，t′₀为逆变器2的五组开关管序列工作在00000状态的时间，t′₃₁为逆变器2的五组开关管序列工作在11111状态的时间。

进一步，电机在正常运行过程中，每个逆变器使用相邻四矢量的调制方法来抑制三次谐波。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的方法实现比较简单，对控制器要求不高，可以方便的移植到其它共直流母线；同时，不仅能抑制由共模电压引起的零序电流，而且可以很好的抑制逆变器死区引起的零序电流，减少电流的谐波分量。

附图说明

图1为共直流母线型五相OW FTFSCW-IPM电机驱动系统逆变器拓扑；

图2为逆变器1(INV1)的电压矢量分布图；

图3为逆变器2(INV2)的电压矢量分布图；

图4为不等零矢量分布策略图；

图5为本发明提供的方法的原理图；

图6为试验结果对比图，其中(a)为采用不含零矢量电压调制方法进行零序电流抑制方法下的实验结果图；(b)为采用本发明提供的零序电流抑制方法下的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，驱动系统拓扑结构中在五相开绕组FTFSCW-IPM电机的两端分别连接两个逆变器，每个逆变器中包括五组桥臂，每组桥臂的上桥背和下桥臂上分别设有一个开关管，每一个桥臂中两个开关管之间分别与五相开绕组FTFSCW-IPM电机的一相连接。本发明主要是控制每个逆变器中每个上桥臂的开关管工作的状态和时间，从而达到抑制零序电流的效果。

如图2～4所示，每个逆变器可以产生32种电压矢量，空间平面被分为10个扇区。正常情况下，参考电压矢量u_ref可以由以下公式(1)和(2)合成：

u_ref＝u_ref1-u_ref2 (1)

|u_ref1|＝|u_ref2|＝0.5|u_ref| (2)

其中，u_ref1表示逆变器1的参考电压矢量，u_ref2表示逆变器2的参考电压矢量，由上述公式可以看出，每个逆变器合成1/2的参考电压矢量，每个逆变器采用长度为0.6472Udc和长度为0.4Udc的合成相应的参考电压矢量，当逆变器1的参考电压矢量u_ref1位于第一扇区时，对应的逆变器2的参考电压矢量位于第二扇区。u_ref1使用电压矢量U₁₆，U₂₄，U₂₅，和U₂₉来合成，u_ref2使用电压矢量U₂，U₆，U₇，和U₁₅来合成。根据伏秒平衡原则，以下公式可以得到：

u_ref1×T_s＝U₀×t₀+U₁₆×t₁+U₂₄×t₂+U₂₅×t₃+U₂₉×t₄+U₃₁×t₃₁ (3)

u_ref2×T_s＝U₀×t₀′+U₂×t₅+U₆×t₆+U₇×t₇+U₁₅×t₈+U₃₁×t′₃₁ (4)

其中，T_s表示开关管周期，t₀，t₁，t₂，t₃，t₄和t₃₁分别代表电压矢量U₀，U₁₆，U₂₄，U₂₅，U₂₉和U₃₁的作用时间，t₀为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在00000状态的时间，t₁为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在10000状态的时间，t₂为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在11000状态的时间，t₃为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在11001状态的时间，t₄为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在11101状态的时间，t₃₁为逆变器1的五组上桥臂的开关管序列工作在11111状态的时间，即零电压矢量的作用时间。t′₀，t₅，t₆，t₇，t₈和t₃′₁分别代表电压矢量U₀，U₂，U₆，U₇，U₁₅和U₃₁的作用时间，t′₀为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在00000状态的时间，t₅为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在00010状态的时间，t₆为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在00110状态的时间，t₇为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在00111状态的时间，t₈为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在01111状态的时间，t′₃₁为逆变器2的五组上桥臂的开关管序列工作在11111状态的时间，即零电压矢量的作用时间。

由于u_ref1和u_ref2大小相等，方向相反，因此可以得到t₁＝t₈，t₂＝t₇，t₃＝t₆，和t₄＝t₅。为了抑制三次谐波电压，根据电压矢量的比例得到t₁，t₂，t₃，和t₄的关系如下：

再通过电压矢量作用时间计算公式可以分别计算出t₁，t₂，t₃，t₄，t₅，t₆，t₇，t₈的值。同时，由此可以得到逆变器1和逆变器2产生的共模电压u_CMV1和u_CMV2以及两个逆变器产生的合成共模电压u_CMV如下：

u_CMV1×T_s＝0.2U_dc×t₁+0.4U_dc×t₂+0.6U_dc×t₃+0.8U_dc×t₄+U_dc×t₃₁ (6)

u_CMV2×T_s＝0.8U_dc×t₈+0.6U_dc×t₇+0.4U_dc×t₆+0.2U_dc×t₅+U_dc×t′₃₁ (7)

u_CMV＝u_CMV1-u_CMV2＝-0.6U_dc×t₁-0.2U_dc×t₂+0.2U_dc×t₃+0.6U_dc×t₄+U_dc×(t₃₁-t′₃₁)(8)

其中，U_dc表示直流母线电压。由式(5)的电压矢量的时间之间的作用关系可以将(8)化简为：

u_CMV×T_s＝0.2764×U_dc(t₁-t₄)+U_dc×(t₃₁-t′₃₁) (9)

设逆变器1和逆变器2的零电压矢量11111的作用时间差为ΔT，则根据(9)可以得到

至此，得到了ΔT的表达式，然后为保持调制的对称性，将时间差ΔT对称的分布在开关序列的左右两侧，如图3所示。每个逆变器的零电压作用时间t₃₁和t′₃₁如下式所示。

公式(10)和公式(11)虽然是假设参考电压矢量位于第一扇区时得到的，但是这一结果具有普遍性，剩余扇区同样适用。

如图5所示，本实施例提供的基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将电机零序电流经过一个PI调节器得到共模电压的参考值u_CMV；

步骤2：根据公式计算逆变器1和逆变器2的零电压矢量11111的作用时间差为ΔT；

步骤3：根据步骤2计算出的逆变器1和逆变器2的零电压矢量11111的作用时间差为ΔT结合公式：

t₃₁＝t₀′＝0.5(ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)

t′₃₁＝t₀＝0.5(-ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)；

分别计算逆变器1和逆变器2的零电压矢量11111的作用时间。根据计算出来的每个开关管工作的状态和时间来控制每个开关管工作。由图6(a)和图6(b)分别是采用不含零矢量电压调制方法和采用本文所提零序电流抑制方法下的实验结果图，从图中可以看出，当采用本文零序电流抑制方法时，零序电流得到了明显的抑制，从而证实了本文所提方法的有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (1)

1.一种基于五相开绕组FTFSCW-IPM电机驱动系统的零序电流抑制方法，其特征在于：在电机运行过程中，将电机零序电流经过一个PI调节器得到共模电压的参考值，然后根据得到的共模电压的参考值对两个逆变器的零电压矢量的作用时间进行控制，使两个逆变器的开关序列错开时间工作，合成相对应的共模电压的参考值，从而抑制零序电流；

所述两个逆变器分别合成二分之一的参考电压的参考值；

所述两个逆变器的零电压矢量的作用时间差ΔT根据公式计算获得，其中，u_CMV表示PI调节器得到的共模电压的参考值，U_dc表示直流母线电压，T_s表示开关管周期；

根据公式：t₃₁＝t′₀＝0.5(ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)和t′₃₁＝t₀＝0.5(-ΔT+T_s-t₁-t₂-t₃-t₄)分别计算两个逆变器的零电压矢量的作用时间；其中，t₀为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在00000状态的时间，t₁为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在10000状态的时间，t₂为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在11000状态的时间，t₃为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在11001状态的时间，t₄为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在11101状态的时间，t₃₁为逆变器1的五个上桥臂的开关管序列工作在11111状态的时间，t′₀为逆变器2的五个上桥臂的开关管序列工作在00000状态的时间，t′₃₁为逆变器2的五个上桥臂的开关管序列工作在11111状态的时间；

电机在正常运行过程中，每个逆变器使用相邻四矢量的调制方法来抑制三次谐波。