CN107453658A - 一种多频率调制输出的多台电机串联装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

传统的多台电机串联装置采用SVPWM方法时，存在空间矢量调制器切换问题，每台电机只能利用直流母线电压的n分之一。由于多相电机冗余的自由度可以用来控制其他电机，本发明提出一种多频率调制输出的多台电机串联装置及其控制方法，通过引入可变子周期，使n台电机可以完全利用可得到的直流母线电压，避免了在n分之一开关频率处的电压谐波，在一个开关周期内可以同时对多台电机进行调制。保持每个桥臂在每个周期的占空比与原来相等的条件下，每次切换开关状态时，只让一个功率开关器件动作，以满足最小开关损耗。该发明主要解决了多台电机串联装置中，电机不能完全利用直流母线电压的问题，并对开关损耗和电压谐波有一定改善作用。

Description

一种多频率调制输出的多台电机串联装置及其 控制方法

技术领域

本发明涉及空间矢量脉宽调制方法，具体说是一种基于多频率调制输出的多台电机串联装置及其控制方法。

背景技术

我们知道，在造纸、钢铁、塑料等工业应用场合，常常需要两台及以上不同工作状态的电机独立运行，以造纸行业为例，放卷机工作在制动发电状态而收卷机则工作在电动状态，若能使用一台逆变器同时驱动这两台不同工作状态的电机独立运行，则放卷机发出的能量就可以全部或部分地被收卷机利用，这样能量可能不经过逆变器或经过逆变器反馈到直流母线后大幅降低，进而逆变器容量可以不必过大。要推出技术性能优良的机车牵引、机器人、纺织、造纸等工业驱动系统，需要解决同一直流母线电源及同一逆变器供电的多台电机驱动系统中各台电机同时独立运行的问题，因此就出现了多台电机串联系统。

不像基于SPWM方法的多台电机串联系统，电机可以同时运行，采用SVPWM方法时，串联驱动系统中每台电机有自己独立的空间矢量调制器，所以存在调制器的切换问题，限制了电机的同时运行，需要进行多频率调制，串联系统控制框图如图1所示。在如图1所示的n台电机串联系统中，采用n个空间矢量调制器，调制器按一定序列方法施加电压空间矢量来合成所需的n个参考值。通过切换调制器，轮流控制n台电机，每个开关周期只控制一台电机，对于每台电机都是每隔n个开关周期得到一次控制。由于在每个开关周期中只合成一台电机所需参考值，同时使其他参考值为零，每台电机得到的输出电压将是给定参考值的n分之一。所以，即使除了电机1以外的其他电机均停止运行，由于SVPWM的固有原因，电机1也只有全部直流母线电压的n分之一可以利用。此外，由于开关形式每n个周期重复一次，所以输出电压在n分之一开关频率处出现谐波。

发明内容

本发明解决的技术问题：

解决在多台电机串联系统中采用SVPWM方法时，每台电机只能利用全部直流母线电压的n分之一的问题，本发明提出一种基于多频率调制输出的多台电机串联装置及其控制方法，本发明提高了电机的直流母线电压利用率。

本发明的内容：

提出一种基于多频率调制输出的三台电机串联装置，包括两台非对称六相电机、一台两相电机和一台七相逆变器，如图2所示，两台非对称六相电机均具有六相绕组，由两套相位差为30°的三相绕组组成，一台非对称六相电机的六相绕组依次为：A1、B1、C1、D1、E1、F1（A1、B1、C1为一套三相绕组，绕组间相位互差120°，D1、E1、F1为另一套三相绕组，绕组间相位互差120°，A1与D1之间相位差30°），另一台非对称六相电机的六相绕组依次为：A2、B2、C2、D2、E2、F2（A2、B2、C2为一套三相绕组，绕组间相位互差120°，D2、E2、F2为另一套三相绕组，绕组间相位互差120°，A2与D2之间相位差30°），所述两相电机的两相绕组分别为A3和B3（A3和B3相位差90°），所述七相逆变器共有7个输出端子，所述七相逆变器的第1输出端子与绕组A1的输入端连接，绕组A1的输出端与绕组F2的输入端连接，绕组F2的输出端与绕组B3连接，绕组B1的输出端与绕组D2的输入端连接，绕组D2的输出端与绕组B3连接，绕组C1的输出端与绕组E2的输入端连接，绕组E2的输出端与绕组B3连接，绕组D1的输出端与绕组B2的输入端连接，绕组B2的输出端与绕组A3连接，绕组E1的输出端与绕组C2的输入端连接，绕组C2的输出端与绕组A3连接，绕组F1的输出端与绕组A2的输入端连接，绕组A2的输出端与绕组A3连接，绕组A3的输出端与绕组B3的输出端的连接点构成所述两相电机的中性点N，所述中性点N与所述七相逆变器的第7输出端子连接。

基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤（1）假设共有n台电机串联连接，采集n台电机的转速和逆变器输出的相电流，采用坐标变换和PI调节器，得到在α-β坐标系中期望合成的电压空间矢量参考值v_α1β1 ^* 、v_α2β2 ^* …v_αnβn ^*；

步骤（2）基于SVPWM选择与参考值v_α1β1 ^* 、v_α2β2 ^* …v_αnβn ^*相邻最大的矢量来合成期望的输出电压矢量；

步骤（3）采用基于可变子周期的调制方法，在一个开关周期T_s，而不是n个连续的开关周期，施加需要的电压空间矢量，采用矢量合成法则，计算电压空间矢量的作用时间；

步骤（4）根据选择电压空间矢量对应的开关器件通断状态和矢量作用时间，得到驱动七相逆变器的开关器件通断的PWM波形，重新确定需要的电压空间矢量及其作用顺序，实现多台电机串联装置的多频率调制输出。

本发明的有益效果：

采用基于可变子周期的调制方法，使多台电机串联装置中每台电机完全利用可得到的直流母线电压成为可能。在n台电机串联装置中，如果只有一台电机正常运行，其他电机均不需要工作或者因故障停止运行，即给定电压空间矢量参考值为零，则正常运行的电机就能完全利用直流母线电压，得到全部输出电压，幅值与给定参考值的幅值一样，而不是n分之一，并且避免了在n分之一开关频率的电压谐波。本发明的控制方法在多台电机同时工作时，更加合理的分配每台电机得到的输出电压，在多台电机串联装置有电机发生故障或者不需要多台电机同时工作时，具有更大的意义，电机的直流母线电压利用率得到大幅提升。采用改进的SVPWM实现方法，在保持每个桥臂在每个开关周期的占空比与原来相等的条件下，每次切换开关状态时，只让一个功率开关器件动作，减少开关损耗和输出电压的谐波，得到采用DSP的PWM单元容易生成的对称PWM波形，施加的电压空间矢量数量会大大减少，降低了算法的复杂度。

附图说明

图1是基于多频率调制输出的多台电机串联装置系统框图。

图2是两台非对称六相电机和一台两相电机串联装置结构图。

图3是三个子空间的电压空间矢量分布图。

图4是多频调制输出的三台电机串联装置传统SVPWM实现方法。

图5是本发明多频调制输出的三台电机串联装置SVPWM实现方法一。

图6是本发明多频调制输出的三台电机串联装置SVPWM实现方法二。

图7是两台非对称六相电机串联装置结构图。

图8是多频调制输出的两台电机串联装置传统SVPWM实现方法。

图9是本发明多频调制输出的两台电机串联装置SVPWM实现方法一。

图10是本发明多频调制输出的两台电机串联装置SVPWM实现方法二。

具体实施方式

通过适当的相序转换规则，将两台非对称六相电机串联，再和一台两相电机串联，组成一个由一台七相逆变器驱动的三台电机串联装置，如图2所示。七相逆变器的第1输出端子与绕组A1的输入端连接，绕组A1的输出端与绕组F2的输入端连接，绕组F2的输出端与绕组B3连接，绕组B1的输出端与绕组D2的输入端连接，绕组D2的输出端与绕组B3连接，绕组C1的输出端与绕组E2的输入端连接，绕组E2的输出端与绕组B3连接，绕组D1的输出端与绕组B2的输入端连接，绕组B2的输出端与绕组A3连接，绕组E1的输出端与绕组C2的输入端连接，绕组C2的输出端与绕组A3连接，绕组F1的输出端与绕组A2的输入端连接，绕组A2的输出端与绕组A3连接，绕组A3的输出端与绕组B3的输出端的连接点构成两相电机的中性点N，中性点N再与七相逆变器的第7输出端子连接。

实施例1：

在本发明提出的三台电机串联装置中，采集三台电机的电流经过6/2变换和2s/2r变换得到两相旋转坐标系即d-q坐标系中d轴和q轴的实际电流分量i_d、i_q、i_z1、i_z2、i_o1、i_o2。

采用基于i_d=0的控制，给定电流分量i_d ^*、i_z1 ^*、i_o1 ^*为0，与实际值i_d、i_z1、i_o1的误差经过PI调节器得到d-q坐标系中电压空间矢量参考值在横坐标轴的给定电压分量u_d ^*、u_z1 ^*、u_o1 ^*，给定转速ω_m1 ^*、ω_m2 ^*、ω_m3 ^*与光电编码器检测的实际转速ω_m1、ω_m2、ω_m3的误差经过PI调节器得到给定电流分量i_q ^*、i_z2 ^*、i_o2 ^*，与实际值i_q、i_z2、i_o2的误差再经过PI调节器得到d-q坐标系中参考值在纵坐标轴的电压分量u_q ^*、u_z2 ^*、u_o2 ^*。参考电压分量u_d ^*、u_q ^*、u_z1 ^*、u_z2 ^*、u_o1 ^*、u_o2 ^*分别经过2r/2s旋转逆变换得到两相静止坐标系即α-β坐标系中三个参考值在横纵坐标轴的分量u_α ^*、u_β ^*、u_x ^*、u_y ^*、u_h1 ^*、u_h2 ^*，计算两相静止坐标系中三个参考值v_αβ ^*、v_xy ^*、v_h1h2 ^*的幅值和相位，根据相位判断参考值所在扇区，选择合成期望参考值需要的电压空间矢量。

假定在一个开关周期T_s内，电机1的期望参考值在扇区1中，电机2的期望参考值在扇区2中，电机3的期望参考值也在扇区2中，三台电机的基本电压空间矢量分布如图3所示，选择期望参考值v_αβ ^*相邻最大的4个非零电压空间矢量v₅₅、v₄₅、v₄₄、v₆₄和2个零矢量v₀₀、v₇₇用来合成期望参考值，选择期望参考值v_xy ^*相邻最大的4非零电压空间矢量v₄₃、v₄₂、v₅₂、v₅₆和2个零矢量v₀₀、v₇₇，选择期望参考值v_h1h2 ^*相邻的2个非零矢量v₂、v₆和2个零矢量v₀、v₇，三台电机在三个连续的开关周期共需要施加10个非零电压空间矢量和6个零矢量来合成三个参考值，如图4所示。

引入可变子周期，一个开关周期T_s由三个子周期T_{1 s}、T_{2 s}和T_{3 s}组成（T_s=T_{1 s}+T_{2 s}+T_{3 s}），子周期T_{1 s}、T_{2 s}和T_{3 s}是以三个参考值幅值为变量的函数，T_{1 s}=|v_αβ ^*|T_s/(|v_αβ ^*|+|v_xy ^*|+|v_h1h2 ^*|)，T_{2 s}=|v_xy ^*|T_s/(|v_αβ ^*|+|v_xy ^*|+|v_h1h2 ^*|)，T_{3 s}=|v_h1h2 ^*|T_s/(|v_αβ ^*|+|v_xy ^*|+|v_h1h2 ^*|)，当参考值|v_αβ ^*|、|v_xy ^*|和|v_h1h2 ^*|发生变化时，子周期T_{1 s}、T_{2 s}和T_{3 s}的值也发生变化，T_s是开关周期。在一个开关周期，而不是三个连续的开关周期，施加10个非零电压空间矢量，如图5所示，零矢量是相同的，可以供三台电机共同使用，所以零矢量变为2个。根据子周期T_{1 s}、T_{2 s}和T_{3 s}的大小，参考值v_αβ ^*、v_xy ^*、v_h1h2 ^*的幅值和相位，所在扇区，采用如下公式计算对应三台电机参考值v_αβ ^*、v_xy ^*、v_h1h2 ^*的10个非零电压空间矢量作用时间，零矢量作用时间可以用开关周期减去非零矢量作用时间总和得到。

T₁₁=[0232cos(πs₁/6-π/6-θ₁)-0.866sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₂=0.634[cos(πs₁/6-π/6-θ₁)-sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₃=0.634[cos(πs₁/6-π/6-θ₁)+sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₄=[0232cos(πs₁/6-π/6-θ₁)+0.866sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc；

T₂₁=[0232cos(πs₂/6-π/6-θ₂)-0.866sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₂=0.634[cos(πs₂/6-π/6-θ₂)-sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₃=0.634[cos(πs₂/6-π/6-θ₂)+sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₄=[0232cos(πs₂/6-π/6-θ₂)+0.866sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc；

由于本发明提出的串联结构得到的两相电机的电压空间矢量不是呈规则六边形分布，所以不像非对称六相电机12个电压空间矢量呈十二边行分布，有规律可循的矢量作用时间表达式，两相电机每个扇区的矢量作用时间需分别列出

扇区1：T₃₁=(cosθ₃-sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=(sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc；

扇区2：T₃₁=(cosθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=-(cosθ₃-sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc；

扇区3：T₃₁=-(cosθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=(sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc；

扇区4：T₃₁=-(cosθ₃-sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=-(sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc；

扇区5：T₃₁=-(cosθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=(cosθ₃-sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc；

扇区6：T₃₁=-(sinθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc，T₃₂=(cosθ₃)|v_h1h2 ^*|T_3s/U_dc。

T₀=T_s-T₁₁-T₁₂-T₁₃-T₁₄-T₂₁-T₂₂-T₂₃-T₂₄-T₃₁-T₃₂

其中，θ₁、θ₂、θ₃是参考值v_αβ ^*、v_xy ^*、v_h1h2 ^*与横坐标轴的夹角；s₁、s₂、s₃是参考值v_αβ ^*、v_xy ^*、v_h1h2 ^*所在扇区；T_s是开关周期，为0.0002秒；U_dc是直流母线电压，为540V；T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄、T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄、T₃₁、T₃₂是选择的10个电压空间矢量的作用时间，例如，T₁₁下标的第一个1代表电机1，第二个1代表第1个电压空间矢量作用。

在每个开关周期内，由于逆变器桥臂的平均电压仅与占空比有关，根据选择的10个电压空间矢量对应的逆变器开关器件通断状态，计算每个上桥臂的开关器件应该关断的总时间的二分之一，如图5所示，以第2个PWM波形为例，二分之一关断总时间为(T₀/2+T₁₂+T₁₃+T₁₄+T₂₁+T₂₂+T₂₃+T₂₄+T₃₂)/2，将关断总时间的二分之一与一个给定的幅值为0.0002的三角波进行比较作差，差值为正输出高电平1，让上桥臂导通，下桥臂关断，差值为负输出低电平0，上桥臂关断，下桥臂导通，得到如图6所示的PWM波形，这样在每个开关周期都会得到一个高电平集中分布的对称PWM波形，每个开关器件只动作两次，极大降低了开关损耗。用得到的PWM波形来驱动七相逆变器的开关器件通断，进而控制三台串联连接的电机同时运行。

从图6可以看出，最初选择的10个电压空间矢量v₅₅、v₄₅、v₄₄、v₆₄，v₄₃、v₄₂、v₅₂、v₅₆和v₂、v₆，在采用本发明的控制方法后，选择的矢量变为v₄₀、v₄₄、v₄₆、v₄₇、v₅₇，只使用了5个电压空间矢量，当驱动第7组上桥臂开关器件的PWM波形不全为低电平时，需要的空间电压矢量为6个，这5或6个矢量，有的属于最初的10个矢量，有的并不在最初的10个矢量中。采用本发明的控制方法后，在每一个开关周期都可以对三台电机同时控制，当两台电机停转时，剩下的另一台电机可以利用全部直流母线电压。

实施例2：

在如图7所示的两台非对称六相电机组成的串联装置中，采集两台电机的电流经过6/2变换和2s/2r变换得到两相旋转坐标系即d-q坐标系中d轴和q轴的实际电流分量i_d、i_q、i_z1、i_z2。

采用基于i_d=0的控制，给定电流分量i_d ^*、i_z1 ^*为0，与实际值i_d、i_z1的误差经过PI调节器得到d-q坐标系中电压空间矢量参考值在横坐标轴的给定电压分量u_d ^*、u_z1 ^*，给定转速ω_m1 ^*、ω_m2 ^*与光电编码器检测的实际转速ω_m1、ω_m2的误差经过PI调节器得到给定电流分量i_q ^*、i_z2 ^*，与实际值i_q、i_z2的误差再经过PI调节器得到d-q坐标系中参考值在纵坐标轴的电压分量u_q ^*、u_z2 ^*。参考电压分量u_d ^*、u_q ^*、u_z1 ^*、u_z2 ^*经过2r/2s旋转逆变换得到两相静止坐标系即α-β坐标系中两个参考值在横纵坐标轴的分量u_α ^*、u_β ^*、u_x ^*、u_y ^*，计算两相静止坐标系中两个参考值v_αβ ^*、v_xy ^*的幅值和相位，根据相位判断参考值所在扇区，选择合成期望参考值需要的电压空间矢量。

假定在一个开关周期T_s内，电机1的期望参考值在扇区1中，电机2的期望参考值在扇区2中，电机3的期望参考值也在扇区2中，两台电机的基本电压空间矢量分布如图3所示，选择期望参考值v_αβ ^*相邻最大的4个非零电压空间矢量v₅₅、v₄₅、v₄₄、v₆₄和2个零矢量v₀₀、v₇₇用来合成期望参考值，选择期望参考值v_xy ^*相邻最大的4非零电压空间矢量v₄₃、v₄₂、v₅₂、v₅₆和2个零矢量v₀₀、v₇₇，两台电机在两个连续的开关周期共需要施加8个非零电压空间矢量和4个零矢量来合成两个参考值，如图8所示。

引入可变子周期，一个开关周期T_s由两个子周期T_{1 s}和T_{2 s}组成（T_s=T_{1 s}+T_{2 s}），子周期T_{1 s}和T_{2 s}是以两个参考值幅值为变量的函数，T_{1 s}=| v_αβ ^*|T_s/(| v_αβ ^*|+|v_xy ^*|)，T_{2 s}=| v_αβ ^*|T_s/(| v_αβ ^*|+|v_xy ^*|)，当参考值| v_αβ ^*|和|v_xy ^*|发生变化时，子周期T_{1 s}和T_{2 s}的值也发生变化，T_s是开关周期。在一个开关周期，而不是两个连续的开关周期，施加8个非零电压空间矢量，如图9所示，零矢量是相同的，可以供两台电机共同使用，所以零矢量变为2个。根据子周期T_{1 s}、T_{2 s}的大小，参考值v_αβ ^*、v_xy ^*的幅值和相位，所在扇区，采用如下公式计算对应两台电机参考值v_αβ ^*、v_xy ^*的8个非零电压空间矢量作用时间，零矢量作用时间可以用开关周期减去非零矢量作用时间总和得到。

T₁₁=[0232cos(πs₁/6-π/6-θ₁)-0.866sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₂=0.634[cos(πs₁/6-π/6-θ₁)-sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₃=0.634[cos(πs₁/6-π/6-θ₁)+sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc，

T₁₄=[0232cos(πs₁/6-π/6-θ₁)+0.866sin(πs₁/6-π/6-θ₁)]|v_αβ ^*|T_1s/U_dc；

T₂₁=[0232cos(πs₂/6-π/6-θ₂)-0.866sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₂=0.634[cos(πs₂/6-π/6-θ₂)-sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₃=0.634[cos(πs₂/6-π/6-θ₂)+sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc，

T₂₄=[0232cos(πs₂/6-π/6-θ₂)+0.866sin(πs₂/6-π/6-θ₂)]|v_xy ^*|T_2s/U_dc；

T₀=T_s-T₁₁-T₁₂-T₁₃-T₁₄-T₂₁-T₂₂-T₂₃-T₂₄

其中，θ₁、θ₂是参考值v_αβ ^*、v_xy ^*与横坐标轴的夹角；s₁、s₂是参考值v_αβ ^*、v_xy ^*所在扇区；T_s是开关周期，为0.0002秒；U_dc是直流母线电压，为540V；T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄、T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄是选择的8个电压空间矢量的作用时间。

在每个开关周期内，由于逆变器桥臂的平均电压仅与占空比有关，根据选择的8个电压空间矢量对应的逆变器开关器件通断状态，计算每个上桥臂的开关器件应该关断的总时间的二分之一，如图9所示，以第3个PWM波形为例，二分之一关断总时间为(T₀/2+T₁₁+T₁₂+T₁₃+T₂₁+T₂₂)/2，将关断总时间的二分之一与一个给定的幅值为0.0002的三角波进行比较作差，差值为正输出高电平1，让上桥臂导通，下桥臂关断，差值为负输出低电平0，上桥臂关断，下桥臂导通，得到如图10所示的PWM波形，这样在每个开关周期都会得到一个高电平集中分布的对称PWM波形，每个开关器件只动作两次，极大降低了开关损耗。用得到的PWM波形来驱动七相逆变器的开关器件通断，进而控制两台串联连接的电机同时运行。

从图10可以看出，最初选择的8个电压空间矢量v₅₅、v₄₅、v₄₄、v₆₄和v₄₃、v₄₂、v₅₂、v₅₆，在采用本发明的控制方法后，选择的矢量变为v₄₀、v₄₄、v₄₆、v₄₇、v₅₇，只使用了5个电压空间矢量，其中，有的属于最初的8个矢量，有的并不在最初的8个矢量中。采用本发明的控制方法后，在每一个开关周期都可以对两台电机同时控制，当一台电机停转时，剩下的另一台电机可以利用全部直流母线电压。

根据实施例1和2中n=2和n=3时基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，扩展到n相电机，不难得出n相电机串联装置的控制方法如下。

采集逆变器输出的相电流实际值，经过坐标变换后得到n台电机d轴和q轴的电流分量i_d1、i_q1、i_d2、i_q2…i_dn、i_qn采用基于i_d=0的控制，令给定值i_d1 ^*、i_d2 ^*…i_dn ^*为0，与i_d1、i_d2…i_dn的误差经过PI调节器得到电压空间矢量参考值在d轴的电压分量v_d1、v_d2…v_dn，给定转速ω_m1 ^*、ω_m2 ^*…ω_mn ^*与光电编码器检测实际转速ω_m1、ω_m2…ω_mn的误差经过PI调节器得到q轴电流给定值i_q1 ^*、i_q2 ^*…i_qn ^*，与实际值i_q1、i_q2…i_qn的误差再经过PI调节器得到电压空间矢量参考值在q轴的电压分量v_q1 ^*、v_q2 ^*…v_qn ^*，其中，i_d1、i_q1、i_d2、i_q2…i_dn、i_qn是旋转正交坐标系即d-q坐标系中n台电机的实际d轴和q轴电流分量；i_d1 ^*、i_q1 ^*、i_d2 ^*、i_q2 ^*…i_dn ^*、i_qn ^*是d-q坐标系中n台电机的给定d轴和q轴电流分量；v_d1 ^*、v_q1 ^*、v_d2 ^*、v_q2 ^*…v_dn ^*、v_qn ^*是d-q坐标系中n台电机的给定d轴和q轴电压分量；ω_m1 ^*、ω_m2 ^*…ω_mn ^*是n台电机的给定转速；ω_m1、ω_m2…ω_mn是n台电机的实际转速。

给定电压分量v_d1 ^*、v_q1 ^*、v_d2 ^*、v_q2 ^*…v_dn ^*、v_qn ^*经过2r/2s旋转逆变换得到两相静止坐标系即α-β坐标系中n个参考值在α轴和β轴的分量v_α1 ^*、v_β1 ^*、v_α2 ^*、v_β2 ^*…v_αn ^*、v_βn ^*，计算α-β坐标系中n个参考值v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值和相位，根据相位判断参考值所在扇区，选择合成期望参考值需要的电压空间矢量，其中，v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*是两相静止坐标系即α-β坐标系中n台电机的给定电压空间矢量参考值；v_α1 ^*、v_β1 ^*、v_α2 ^*、v_β2 ^*…v_αn ^*、v_βn ^*是v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*在α轴和β轴的电压分量。

采用基于可变子周期的调制方法，可变子周期T_1s、T_2s…T_ns是以v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值为变量的函数：T_1s=|v_α1β1 ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)、T_2s=|v_α2β2 ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)…T_ns=|v_αnβn ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)，其中，|v_α1β1 ^*|、|v_α2β2 ^*|…|v_αnβn ^*|是参考值v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值，在一个开关周期T_s，而不是n个连续的开关周期，施加需要的电压空间矢量，采用矢量合成法则，计算电压空间矢量的作用时间。

根据选择的电压空间矢量及其作用时间，没有直接施加最初选择的电压空间矢量，而是根据选择电压空间矢量对应的开关器件通断状态，计算逆变器上桥臂在每个开关周期应关断的总时间，将二分之一的关断总时间与一个给定三角波进行比较作差，差值为正则输出高电平，让上桥臂导通，下桥臂关断；差值为负则输出低电平，让上桥臂关断，下桥臂导通，得到对称PWM波形，从而重新确定需要施加的电压空间矢量及其作用顺序，需要施加的矢量数量大大减少，每个开关周期每个开关器件只动作两次，减少了开关损耗。

本发明的实施方式不限于此按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种基于多频率调制输出的多台电机串联装置，包括两台非对称六相电机、一台两相电机和一台七相逆变器，两台非对称六相电机均具有六相绕组，所述六相绕组均由两套相位差为30°的三相绕组组成，其特征在于，一台非对称六相电机的六相绕组依次为：A1、B1、C1、D1、E1、F1，其中，绕组A1、绕组B1、绕组C1为一套绕组间相位互差120°的三相绕组，绕组D1、绕组E1、绕组F1为另一套绕组间相位互差120°的三相绕组，绕组A1与绕组D1之间相位差30°；另一台非对称六相电机的六相绕组依次为：A2、B2、C2、D2、E2、F2，其中，绕组A2、绕组B2、绕组C2为一套绕组间相位互差120°的三相绕组，绕组D2、绕组E2、绕组F2为另一套绕组间相位互差120°的三相绕组，绕组A2与绕组D2之间相位差30°；所述两相电机的两相绕组分别为A3和B3，绕组A3和绕组B3相位差90°；所述七相逆变器共有7个输出端子；所述七相逆变器的第1输出端子与绕组A1的输入端连接，绕组A1的输出端与绕组F2的输入端连接，绕组F2的输出端与绕组B3连接，绕组B1的输出端与绕组D2的输入端连接，绕组D2的输出端与绕组B3连接，绕组C1的输出端与绕组E2的输入端连接，绕组E2的输出端与绕组B3连接，绕组D1的输出端与绕组B2的输入端连接，绕组B2的输出端与绕组A3连接，绕组E1的输出端与绕组C2的输入端连接，绕组C2的输出端与绕组A3连接，绕组F1的输出端与绕组A2的输入端连接，绕组A2的输出端与绕组A3连接，绕组A3的输出端与绕组B3的输出端的连接点构成所述两相电机的中性点N，所述中性点N与所述七相逆变器的第7输出端子连接。

2. 一种基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤（1）假设共有n台电机串联连接，采集n台电机的转速和逆变器输出的相电流，采用坐标变换和PI调节器，得到在α-β坐标系中期望合成的电压空间矢量参考值v_α1β1、v_α2β2…v_αnβn；

步骤（2）基于SVPWM选择与参考值v_α1β1、v_α2β2…v_αnβn相邻最大的矢量来合成期望的输出电压矢量；

步骤（3）采用基于可变子周期的调制方法，在一个开关周期T_s，而不是n个连续的开关周期，施加需要的电压空间矢量，采用矢量合成法则，计算电压空间矢量的作用时间；

步骤（4）根据选择电压空间矢量对应的开关器件通断状态和矢量作用时间，得到驱动七相逆变器的开关器件通断的PWM波形，重新确定需要的电压空间矢量及其作用顺序，实现多台电机串联装置的多频率调制输出。

3. 如权利要求2所述的基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（1）为：采集逆变器输出的相电流实际值，经过坐标变换后得到n台电机d轴和q轴的电流分量i_d1、i_q1、i_d2、i_q2…i_dn、i_qn采用基于i_d=0的控制，令给定值i_d1 ^*、i_d2 ^*…i_dn ^*为0，与i_d1、i_d2…i_dn的误差经过PI调节器得到电压空间矢量参考值在d轴的电压分量v_d1、v_d2…v_dn，给定转速ω_m1 ^*、ω_m2 ^*…ω_mn ^*与光电编码器检测实际转速ω_m1、ω_m2…ω_mn的误差经过PI调节器得到q轴电流给定值i_q1 ^*、i_q2 ^*…i_qn ^*，与实际值i_q1、i_q2…i_qn的误差再经过PI调节器得到电压空间矢量参考值在q轴的电压分量v_q1 ^*、v_q2 ^*…v_qn ^*，其中，i_d1、i_q1、i_d2、i_q2…i_dn、i_qn是旋转正交坐标系即d-q坐标系中n台电机的实际d轴和q轴电流分量；i_d1 ^*、i_q1 ^*、i_d2 ^*、i_q2 ^*…i_dn ^*、i_qn ^*是d-q坐标系中n台电机的给定d轴和q轴电流分量；v_d1 ^*、v_q1 ^*、v_d2 ^*、v_q2 ^*…v_dn ^*、v_qn ^*是d-q坐标系中n台电机的给定d轴和q轴电压分量；ω_m1 ^*、ω_m2 ^*…ω_mn ^*是n台电机的给定转速；ω_m1、ω_m2…ω_mn是n台电机的实际转速。

4. 如权利要求2所述的基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（2）为：给定电压分量v_d1 ^*、v_q1 ^*、v_d2 ^*、v_q2 ^*…v_dn ^*、v_qn ^*经过2r/2s旋转逆变换得到两相静止坐标系即α-β坐标系中n个参考值在α轴和β轴的分量v_α1 ^*、v_β1 ^*、v_α2 ^*、v_β2 ^*…v_αn ^*、v_βn ^*，计算α-β坐标系中n个参考值v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值和相位，根据相位判断参考值所在扇区，选择合成期望参考值需要的电压空间矢量，其中，v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*是两相静止坐标系即α-β坐标系中n台电机的给定电压空间矢量参考值；v_α1 ^*、v_β1 ^*、v_α2 ^*、v_β2 ^*…v_αn ^*、v_βn ^*是v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*在α轴和β轴的电压分量。

5. 如权利要求2所述的基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）为：可变子周期T_1s、T_2s…T_ns是以v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值为变量的函数：T_1s=|v_α1β1 ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)、T_2s=|v_α2β2 ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)…T_ns=|v_αnβn ^*|T_s/(|v_α1β1 ^*|+|v_α2β2 ^*|+…+|v_αnβn ^*|)，其中，|v_α1β1 ^*|、|v_α2β2 ^*|…|v_αnβn ^*|是参考值v_α1β1 ^*、v_α2β2 ^*…v_αnβn ^*的幅值，在一个开关周期T_s，而不是n个连续的开关周期，施加需要的电压空间矢量，每台电机都有可能利用全部直流母线电压，不会出现n分之一开关频率的电压谐波。

6. 如权利要求2所述的基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）为：没有直接施加最初选择的电压空间矢量，而是根据选择电压空间矢量对应的开关器件通断状态，计算逆变器的上桥臂开关器件在每个开关周期应关断的总时间，将二分之一的关断总时间与一个给定三角波进行比较作差，差值为正则输出高电平，让上桥臂导通，下桥臂关断；差值为负则输出低电平，让上桥臂关断，下桥臂导通，得到对称PWM波形，从而重新确定需要施加的电压空间矢量及其作用顺序，需要施加的矢量数量大大减少，每个开关周期每个开关器件只动作两次，减少了开关损耗。

7. 如权利要求6所述的基于多频率调制输出的多台电机串联装置的控制方法，其特征在于，对于多台电机串联装置中存在两相电机，并且两相电机的中性点N连接逆变器某个桥臂中点的情况，该上桥臂开关器件的PWM波形不全为低电平时比全为低电平时，需要的空间电压矢量多一个。