CN107666261A - 一种低共模电压的双三相电动机svpwm控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，涉及多相电动机的控制技术领域。该方法根据对双三相电动机谐波分析，将所有电压矢量分成含有机电能量转换的空间和只有谐波的空间，选出主矢量和辅矢量组合，根据传统临近两矢量SVPWM方法计算主矢量和零矢量作用时间，根据伏秒平衡原理，将得到的零矢量作用时间分配到主矢量和辅矢量中，将分配后的主矢量作用时间加上传统临近两矢量SVPWM方法得到的主矢量作用时间作为主矢量实际作用时间，将分配后的辅矢量作用时间作为辅矢量实际作用时间。本发明解决降低双三相电动机共模电压的问题，同时考虑了z1z2空间的谐波，保证较高的母线电压利用率，且最大限度地降低谐波。

Description

一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法
技术领域
本发明涉及多相电动机的控制技术领域，尤其涉及一种低共模电压的双三相电动机SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，即空间矢量脉宽调制)控制方法。
背景技术
在生产生活的各个领域，电机及其传动系统有着广泛的应用，因而，在国民经济中具有重要的作用。今年来，电机传动领域无论是在理论还是实践方面均呈现出迅猛发展之势，人们对电机的性能有了更高的要求。多相电动机具有转动脉动小、容错性能好、谐波小、适用于低压大功率场合受到越来越多的研究。
在多相电动机的控制方面，通常使用直流电源供电，输入到电动机的是一系列的脉冲波。不同于直接使用交流供电，使用直流电源供电导致在电动机的定子线圈节点处和直流电源的中性点有电压差，这个电压差称为共模电压。较大的共模电压会威胁定子线圈，击穿轴承的绝缘保护烧毁电机称为可能。对于传统的双三相电动机SVPWM控制，共模电压的幅值是直流电压的0.5倍，而且对于临近四矢量SVPWM方法直流电压利用率是0.577，临近两矢量SVPWM直流电压利用率是0.622，而且临近两矢量SVPWM在z1z2空间的谐波较大。因此，谐波、共模电压、母线电压利用率三者有着不可调和的矛盾。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，解决降低双三相电动机共模电压的问题，同时考虑了z1z2空间的谐波，保证较高的母线电压利用率，且最大限度地降低谐波。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据对双三相电动机谐波分析，将所有电压矢量分成一个含有机电能量转换的αβ空间和只有谐波的(z1z2)、(o1o2)空间；
步骤2：将具有机电能量转换的αβ基波空间分成12个扇区，在每一个扇区内，选择临近的两个最大的电压矢量作为该扇区的主矢量组合，根据传统临近两矢量SVPWM方法计算主矢量和零矢量作用时间；
步骤3：选择辅矢量，具体选择方法如下：
步骤3.1：根据步骤2中选择的主矢量组合，在αβ空间内选择与主矢量组合方向相反的所有电压矢量组合作为第一辅矢量组合；
步骤3.2：将步骤2中的选择的主矢量组合和步骤3.1选择的第一辅矢量组合映射到z1z2空间，在z1z2空间内选择出与主矢量组合方向相反的第二辅矢量组合，得到在αβ空间和z1z2空间都和主矢量组合方向相反的辅矢量组合；
步骤4：将步骤3.2选择的所述辅矢量组合按照幅值大小分成三组，分别为幅值最小的辅矢量组合Vaux1、幅值第二小的辅矢量组合Vaux2和幅值最大的辅矢量组合Vaux3；
步骤5：根据伏秒平衡原理，将步骤2得到的零矢量作用时间分配到主矢量和辅矢量中；
步骤6：将步骤5中分配后得到的主矢量作用时间加上步骤2得到的主矢量作用时间作为主矢量的实际作用时间，将步骤5中分配后得到的辅矢量作用时间作为辅矢量实际作用时间。
所述步骤5中具体的分配方法为：
步骤5.1：计算出在αβ空间三组辅矢量的幅值大小；Vaux1的幅值为Vaux2的幅值为Vaux3的幅值为其中，udc是直流母线电压；
步骤5.2：计算出在αβ空间三组辅矢量在中分线上的投影大小；Vaux1在中分线上的投影为Vaux2在中分线上的投影为Vaux3在中分线上的投影为
步骤5.3：根据零电压矢量幅值大小选择使用的辅矢量组合；T0为零矢量作用时间，当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux1；当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux2；当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux3；
步骤5.4：根据伏秒平衡原理，计算作用时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux1时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux1在零电压作用时间分配的时间T0aux1；
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux1是幅值最小的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux1是Vaux1在零电压作用时间分配的时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux3时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux3在零电压作用时间分配的时间T0aux3；
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux3是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux3是Vaux3在零电压作用时间分配的时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux2时，首先计算出主矢量组合和辅矢量组合Vaux2在中分线上投影大小，如下式所示，
其中，V′main和V′aux2分别为Vmain和Vaux2在所在扇区中分线的投影；然后根据伏秒平衡原理计算作用时间，如下式所示，
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux2是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux2是Vaux2在零电压作用时间分配的时间。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，能使节点处共模电压得到大幅度的降低，并且与传统的邻近四矢量SVPWM控制相比提高了母线电压利用率，同时与传统的邻近两矢量SVPWM控制相比降低了低次谐波。在相同频率的逆变器作用时，共模电压的幅值降低很多，并且最大限度的降低低次谐波。
附图说明
图1为本发明实施例提供的αβ空间的所有电压矢量分布图；
图2为本发明实施例提供的z1z2空间的所有电压矢量分布图；
图3为本发明实施例提供的αβ空间选择的第一扇区内主矢量示意图；
图4为本发明实施例提供的αβ空间第一扇区内主矢量组合与辅矢量组合的位置关系示意图；
图5为本发明实施例提供的z1z2空间主矢量和三组辅矢量组合位置关系示意图；其中，(a)为主矢量和辅矢量组合1的位置关系示意图，(b)为主矢量和辅矢量组合2的位置关系示意图，(c)为主矢量和辅矢量组合3的位置关系示意图；
图6为本发明实施例提供的αβ空间第一扇区内辅矢量组合幅值示意图；
图7为本发明实施例提供的αβ空间第一扇区内主矢量组合与辅矢量组合2的位置关系示意图；
图8为本发明实施例提供的第一扇区内选择的电压矢量开关管作用顺序产生的相电压及共模电压变化情况示意图，其中，(a)为辅矢量组合1对应的变化情况，(b)为辅矢量组合2对应的变化情况，(c)为辅矢量组合3对应的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图，以双三相永磁同步电机为例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例所使用的双三相永磁同步电机的功率为28kw，逆变器的直流母线电压为300v。本实施例的方法如下所述。
步骤1：根据对双三相电动机的基波和谐波分析，将所有电压矢量分成一个含有机电能量转换的αβ空间和只有谐波的(z1z2)、(o1o2)空间，分别如图1和图2所示。按照电压矢量的幅值大小将所有矢量分成四组分别为：umax、umid、ubas、umin，，幅值的大小分别为：
步骤2：将具有机电能量转换的αβ空间分成12个扇区，在每一个扇区内，选择临近的两个最大的电压矢量作为主矢量组合，如图3所示，根据传统临近两矢量SVPWM方法计算主矢量和零矢量作用时间；具体计算方法如下：
在αβ空间第一扇区内，根据三角形正弦定理得到如下公式：
其中，θ是参考电压矢量与α轴的夹角；Ts是开关周期；V44和V45是第一扇区在αβ空间内的主矢量；T′1和T′2分别是V45和V44的作用时间；T0是零矢量作用时间；udc是直流母线电压；ur是参考电压。
步骤3：选择辅矢量，具体选择方法如下：
步骤3.1：在第一扇区内，根据步骤2中选择的主矢量组合，在αβ空间内选择与主矢量组合方向相反的所有电压矢量组合作为第一辅矢量组合；
根据图1可见，在αβ空间内与第一扇区内所选择的主矢量组合V44和V45相反的电压矢量组合共有11组；
步骤3.2：将步骤2中的选择的主矢量组合和步骤3.1选择的第一辅矢量组合映射到z1z2空间，在z1z2空间内选择出与主矢量组合方向相反的第二辅矢量组合，得到在αβ空间和z1z2空间都和主矢量组合方向相反的辅矢量组合；
在αβ空间的第一扇区内选出的主矢量和辅矢量组合如图4所示，所选择的主矢量和辅矢量在z1z2空间的位置关系如图5所示。
步骤4：将步骤3.2选择的所述辅矢量组合按照幅值大小分成三组；如图4所示，其中，Vmain是主矢量组合；Vaux1是辅矢量组合1；Vaux2是辅矢量组合2；Vaux3是辅矢量组合3；根据图4可知，Vaux1在αβ空间幅值最小，Vaux3在αβ空间幅值最大，Vaux2的幅值在Vaux1和Vaux3之间。
根据图5所示，步骤3.2选择的电压矢量，Vmain映射到z1z2空间内幅值最小，Vaux1在z1z2空间的幅值最大，Vaux3在z1z2空间的幅值最小，Vaux2在z1z2空间的幅值在Vaux1和Vaux3之间。
步骤5：根据伏秒平衡原理，将步骤2得到的零矢量作用时间分配到主矢量和辅矢量中，具体计算步骤如下：
步骤5.1：计算出在αβ空间辅矢量的幅值大小；如图6所示，Vaux1的幅值大小为Vaux2的幅值大小为Vaux3的幅值大小为
步骤5.2：计算出在αβ空间三组辅矢量在中分线上的投影大小；如图6所示，Vaux1在中分线上的投影为Vaux2在中分线上的投影为Vaux3在中分线上的投影为三者的比例为：
步骤5.3：根据零电压矢量幅值大小选择使用的辅矢量组合；当T0/Ts在选择辅矢量组合1；当T0/Ts在选择辅矢量组合2；当T0/Ts在选择辅矢量组合3；
步骤5.4：根据伏秒平衡原理，计算作用时间；
当使用辅矢量组合Vaux1时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux1在零电压作用时间分配的时间T0aux1；
根据图4所示，Vmain的幅值为umax，Vaux1的幅值为umin，根据式(1)和式(6)可得：
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux1是幅值最小的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux1是Vaux1在零电压作用时间分配的时间；
当使用辅矢量组合Vaux3时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux3在零电压作用时间分配的时间T0aux3；
根据图4所示，Vmain的幅值为umax，Vaux3的幅值也为umax，根据式(1)和式(8)可得：
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux3是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux3是Vaux3在零电压作用时间分配的时间；
当使用辅矢量组合Vaux2时，如图7所示，首先计算出主矢量组合和辅矢量组合2在中分线上投影大小，如下式所示；
其中，V′main和V′aux2分别为Vmain和Vaux2在所在扇区中分线的投影；然后根据伏秒平衡原理计算作用时间，如下式所示；
根据式(1)、式(10)和式(11)，得到使用Vaux2时主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux2在零电压作用时间分配的时间T0aux2，如下式所示。
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux2是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux2是Vaux2在零电压作用时间分配的时间；
步骤6：将步骤5得到的主矢量作用时间加上步骤2得到的主矢量作用时间作为主矢量的实际作用时间，将步骤5得到的辅矢量作用时间作为辅矢量实际作用时间，如下式所示。
其中，T11、T12、T13、T14分别是当选择辅矢量组合1时，两个主矢量和两个辅矢量分别作用的时间；T21、T22、T23、T24分别是当选择辅矢量组合2时，两个主矢量和两个辅矢量分别作用的时间；T31、T32、T33、T34分别是当选择辅矢量组合3时，两个主矢量和两个辅矢量分别作用的时间；
检测直流母线电压的中性点和双三相永磁同步电机定子绕组之间的电压为50V左右，为直流母线电压的1/6倍。
通过对第一扇区内的最终电压矢量作用顺序以及在两个节点出的共模电压跳变情况分析如图8所示，本发明中由于没有使用零电压矢量作用，共模电压的幅值为±udc/6，远小于传统控制方法中的±udc/2。当参考电压矢量幅值不同，得到的零电压矢量作用时间不同，选择的辅矢量组合也会不同。由图8可知，选择不同的辅矢量组合，产生的共模电压的幅值都为±udc/2，定子节点处的共模电压变化次数不相同；而在不同的定子节点处产生共模电压变化次数也不相同。本发明利用了双三相逆变器产生的电压矢量在αβ空间上具有大的幅值而在z1z2空间内具有小幅值，在αβ空间上具有小的幅值而在z1z2空间内具有大幅值的特点，设计了电压矢量选择的方法，使得电压矢量在z1z2空间内产生的作用效果最小，从而降低了低次谐波。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：根据对双三相电动机谐波分析，将所有电压矢量分成一个含有机电能量转换的αβ空间和只有谐波的(z1z2)、(o1o2)空间；
步骤2：将具有机电能量转换的αβ基波空间分成12个扇区，在每一个扇区内，选择临近的两个最大的电压矢量作为该扇区的主矢量组合，根据传统临近两矢量SVPWM方法计算主矢量和零矢量作用时间；
步骤3：选择辅矢量，具体选择方法如下：
步骤3.1：根据步骤2中选择的主矢量组合，在αβ空间内选择与主矢量组合方向相反的所有电压矢量组合作为第一辅矢量组合；
步骤3.2：将步骤2中的选择的主矢量组合和步骤3.1选择的第一辅矢量组合映射到z1z2空间，在z1z2空间内选择出与主矢量组合方向相反的第二辅矢量组合，得到在αβ空间和z1z2空间都和主矢量组合方向相反的辅矢量组合；
步骤4：将步骤3.2选择的所述辅矢量组合按照幅值大小分成三组，分别为幅值最小的辅矢量组合Vaux1、幅值第二小的辅矢量组合Vaux2和幅值最大的辅矢量组合Vaux3；
步骤5：根据伏秒平衡原理，将步骤2得到的零矢量作用时间分配到主矢量和辅矢量中；
步骤6：将步骤5中分配后得到的主矢量作用时间加上步骤2得到的主矢量作用时间作为主矢量的实际作用时间，将步骤5中分配后得到的辅矢量作用时间作为辅矢量实际作用时间。
2.根据权利要求1所述的一种低共模电压的双三相电动机SVPWM控制方法，其特征在于：所述步骤5中具体的分配方法为：
步骤5.1：计算出在αβ空间三组辅矢量的幅值大小；Vaux1的幅值为Vaux2的幅值为Vaux3的幅值为其中，udc是直流母线电压；
步骤5.2：计算出在αβ空间三组辅矢量在中分线上的投影大小；Vaux1在中分线上的投影为Vaux2在中分线上的投影为Vaux3在中分线上的投影为
步骤5.3：根据零电压矢量幅值大小选择使用的辅矢量组合；T0为零矢量作用时间，当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux1；当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux2；当T0/Ts在选择辅矢量组合Vaux3；
步骤5.4：根据伏秒平衡原理，计算作用时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux1时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux1在零电压作用时间分配的时间T0aux1；
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其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux1是幅值最小的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux1是Vaux1在零电压作用时间分配的时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux3时，通过下式计算主矢量在零电压作用时间分配的时间T0main和Vaux3在零电压作用时间分配的时间T0aux3；
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>4</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mi>a</mi> <mi>u</mi> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>4</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux3是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux3是Vaux3在零电压作用时间分配的时间；
当选择使用辅矢量组合Vaux2时，首先计算出主矢量组合和辅矢量组合Vaux2在中分线上投影大小，如下式所示，
其中，V′main和V′aux2分别为Vmain和Vaux2在所在扇区中分线的投影；然后根据伏秒平衡原理计算作用时间，如下式所示，
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其中，T0是步骤2中计算得到的零矢量作用时间；Vmain是主矢量幅值；Vaux2是幅值最大的辅矢量幅值；T0main是主矢量在零电压作用时间分配的时间；T0aux2是Vaux2在零电压作用时间分配的时间。
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