CN108092564A

CN108092564A - 一种双电机八开关逆变器驱动系统及其控制方法

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Publication number: CN108092564A
Application number: CN201810055550.1A
Authority: CN
Inventors: 林海; 石伟; 闫茂德; 巩建英; 龚贤武; 陈俊硕; 李耀华; 周熙炜; 陈金平; 司利云
Original assignee: Changan University
Current assignee: Tianjin Tianhai hub motor technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN108092564B

Abstract

本发明公开了一种双电机八开关逆变器驱动系统及其控制方法，包括八个功率开关管组成的三个逆变器桥臂以及两个永磁同步电机；三个逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；两个永磁同步电机的三相电枢绕组按照控制要求连接到三相逆变器的桥臂上，三相八开关逆变器中的功率开关状态均由PWM生成单元给出，PWM生成单元的输出信号可使三相八开关逆变器实现不同电路拓扑的快速重构，八开关逆变器双电机控制在确保两个永磁同步电机按照工作要求同步运行的前提下，减少了功率开关器，降低了逆变器驱动系统的功率消耗；同时两个永磁同步电机在同步运行时工作性质完全一致，简化了逆变器电机控制系统的电路结构，在提升系统稳定性的同时减少了经济成本。

Description

一种双电机八开关逆变器驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机系统控制领域，具体涉及一种双电机八开关逆变器驱动系统及其控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，具有本身的功率效率高以及功率因数高、发热小、允许的过载电流大，可靠性高等特点；多相电机驱动系统具有低压大功率输出，高功率密度、转矩波动小，运行稳定等特点，因此多电机驱动系统及其控制方法一直为人们所关注，希望能够得到优化它的方法。

随着永磁同步电机的本体设计和控制算法进行优化,传统情况下，双永磁同步电机由十二开关逆变器控制驱动，运用的器件多、功耗大、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双电机八开关逆变器驱动系统及其控制方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双电机八开关逆变器驱动系统，包括三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2、三相八开关逆变器以及依次连接的速度比较器、PI控制器、参考电流发生器、电流比较器、电流函数模块、滞环控制器和PWM脉冲生成单元；

其中三相八开关逆变器包括三路并联且连接同一直流电源的桥臂，其中两路桥臂均由三个功率开关串联组成，另一条桥臂由两个功率开关串联组成，三相八开关逆变器的每路桥臂中相邻两个功率开关为一个中间节点，三相永磁同步电机M1的其中两个电枢绕组分别连接在由三个功率开关串联组成的两个桥臂中的同一位置中间节点，三相永磁同步电机M1的另一个电枢绕组连接在由两个功率开关串联组成的桥臂中的中间节点；三相永磁同步电机M2 的其中两个电枢绕组分别连接在由三个功率开关串联组成的两个桥臂中另外的同一位置中间节点，三相永磁同步电机M2的另一个电枢绕组连接在由两个功率开关串联组成的桥臂中的中间节点；

还包括霍尔传感器和连接于三相永磁同步电机的电枢绕组端口与电流比较器之间的电流传感器，用于检测两个三相永磁同步电机的三相电流，将检测到的三相电流送到电流比较器；霍尔传感器用于检测两个三相永磁同步电机的霍尔信号并分别送到位置产生单元和转速产生单元。

进一步的，功率开关管均为IGBT或MOSFET。

进一步的，三相八开关逆变器的三个桥臂为桥臂L1、桥臂L2和桥臂L3；桥臂L1由功率开关管(T1、T4、T7)串联组成，桥臂L2由功率开关管(T2、 T5、T8)串联组成，桥臂L3由功率开关管(T3、T6)串联组成，三相永磁同步电机M1具有独立的三相电枢绕组(A、B、C)，三相永磁同步电机M2 具有独立的电枢绕组(U、V、W)；

三相永磁同步电机M1的电枢绕组A连接于三相八开关逆变器的桥臂L1 的功率开关管T1和功率开关管T4之间的中间节点x点；三相永磁同步电机M1 的电枢绕组B连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管T2和功率开关管T5之间的中间节点y点；三相永磁同步电机M1的电枢绕组C连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点z 点。

进一步的，三相永磁同步电机M2的电枢绕组U连接于三相八开关逆变器的桥臂L1的功率开关管T4和功率开关管T7之间的中间节点a点；三相永磁同步电机M2的电枢绕组V连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管 T5和功率开关管T8之间的中间节点b点；三相永磁同步电机M2的电枢绕组 W连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点z点。

进一步的，功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6与永磁同步电机M1构成第一工作组；功率开关管T4、T5、T6、T7、T8、T9与永磁同步电机M2构成第二工作组。

一种双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，根据工作要求给定参考输入转速信号，参考输入转速信号和永磁同步电机的反馈转速经转速比较器做差后产生PI控制器的输入信号，经PI控制器的比例P和积分I线性组合构成控制量，控制量经过参考电流发生器得到三相电流信号，三相电流信号和永磁同步电机的三相电流反馈信号经电流比较器比较后输入电流函数模块，电流函数模块经函数计算直接参生七路控制信号，其中六路为滞环控制器控制信号，剩余一路信号通过一个奇偶选择开关后参生两路相反的控制信号输入剩余二个滞环控制器，八个滞环控制器的输入信号经过滞环控制后得到 PWM生成单元的输入信号，PWM生成单元根据输入生成三相八开关所需的触发脉冲驱动双永磁同步电机同步运行。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤1)、对系统进行初始化，利用霍尔传感器和电流传感器分别采集两个三相永磁同步电机的霍尔信号H₁、H₂和三相电流信号I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、I_W，霍尔信号解析为永磁同步电机转子的位置信号θ₁、θ₂和速度信号ω₁、ω₂后分别送到参考电流发生器和速度比较器中，三相电流送到电流比较器中；

步骤2)、给定两个三相永磁同步电机的参考速度分别为步骤1) 中两个三相永磁同步电机的霍尔信号解析的得到的反馈速度信号w₁、w₂经过速度比较器后得到速度误差e_w1、e_w2，其数学表达式为：

速度误差e_w1、e_w2经过PI控制器的比例(P)和积分(I)通过线性组合得到两个三相永磁同步电机的参考电流

步骤3)、步骤2)中两个三相永磁同步电机的参考电流与霍尔传感器解析得到的三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2转子位置信号 θ₁、θ₂输入到参考电流发生器，转换成三相参考电流

步骤4)、经参考电流发生器产生的三相电流与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2电枢绕组上的三相电流信号 I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、I_W通过反馈输入电流比较器产生六组输出信号 e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w；

步骤5)、六组输出信号e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w输入到电流函数模块共产生七路输出信号S₁～S₇，S₁～S₆直接连接六个滞环控制器1～6；S₇经过一个选择开关T_c，选择将产生相反的两种控制信号分别控制滞环控制器7和滞环控制器 8；

步骤6)、输出信号S₁～S₇经过八个滞环控制器分别产生八路PWM产生单元所需的输出信号PWM₁～PWM₈，PWM₁～PWM₈经PWM生成单元产生三相八开关逆变器功率T₁～T₈所需的信号，即产生了触发三相八开关逆变器八个功率开关的触发脉冲，PWM₁～PWM₈触发脉冲分别对应三相八开关逆变器的八个功率开关管T₁～T₈，T₁～T₈处于不同的开关状态时可使三相八开关逆变器处于不同的拓扑结构，驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式。

进一步的，步骤3)中得到的三相参考电流分别是：

步骤4)中六组输出信号e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w根据以下计算公式得到：

进一步的，步骤5)中，其中六路输出信号S₁～S₆的输入输出函数用如下函数组实现：

选择开关T_c由选择时刻T_i控制，即当采样周期为奇数时，向滞环控制器7 输入S₇＝+e_c，当采样周期为偶数时，向滞环控制器输入S₇＝-e_w，其数学公式：

进一步的，步骤6)中滞环控制器输出信号PWM₁～PWM₈与输入信号 S₁～S₇的函数对应关系如下：

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种双电机八开关逆变器驱动系统，包括八个功率开关管组成的三个逆变器桥臂以及两个永磁同步电机；三个逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；两个永磁同步电机的三相电枢绕组按照控制要求连接到三相逆变器的桥臂上，八开关逆变器双电机控制在确保两个永磁同步电机按照工作要求同步运行的前提下，减少了功率开关器，降低了逆变器驱动系统的功率消耗；同时两个永磁同步电机在同步运行时工作性质完全一致，简化了逆变器电机控制系统的电路结构，在提升系统稳定性的同时减少了经济成本。

本发明一种双电机八开关逆变器驱动系统的控制方法，通过控制八个功率开关管的开关状态实现三相八开关逆变器的拓扑重构，三相八开关逆变器中的功率开关状态均由PWM生成单元给出，PWM生成单元的输出信号可使三相八开关逆变器实现不同电路拓扑的快速重构，从而快速切换工作模式，PWM 生成单元通过由转速比较器、PI控制器、参考电路产生器、电流比较器、电流函数模块和滞环控制器构成的主控单元驱动，此外双永磁同步电机还接有转速和三相电流反馈回路，反馈回路与主控单元和三相八开关逆变器一起构成闭环控制系统，永磁同步电机的转速和三相电流反馈回路能实时监测电机的工作状态，通过反馈回路调整三相八开关逆变器的驱动信号，确保系统长期稳定运行，本发明方法简单，控制稳定，能够有效简化逆变器电机控制系统的电路结构以及控制方法。

附图说明

图1为本发明等效拓扑结构图；

图2为本发明系统控制策略结构图；

图3为本发明驱动系统控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1至图3所示，一种双电机八开关逆变器驱动系统，包括三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2、三相八开关逆变器以及依次连接的速度比较器、PI控制器、参考电流发生器、电流比较器、电流函数模块、滞环控制器和PWM脉冲生成单元；

电流传感器连接于两个三相永磁同步电机的电枢绕组端口与电流比较器之间，用于检测两个三相永磁同步电机的三相电流，将检测到的三相电流送到电流比较器；霍尔传感器用于检测两个三相永磁同步电机的霍尔信号并分别送到位置产生单元和转速产生单元，霍尔信号解析为三相永磁同步电机M1 和三相永磁同步电机M2转子的位置信号θ₁、θ₂和速度信号ω₁、ω₂，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2转子的位置信号θ₁、θ₂送到参考电流发生器，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2转子的速度信号ω₁、ω₂送到速度比较器中；PWM脉冲生成单元连接于三相八开关逆变器的功率开关；

功率开关管均采用IGBT或MOSFET；

三相八开关逆变器的三个桥臂为桥臂L1、桥臂L2和桥臂L3；桥臂L1由功率开关管(T1、T4、T7)串联组成，桥臂L2由功率开关管(T2、T5、T8) 串联组成，桥臂L3由功率开关管(T3、T6)串联组成，三相永磁同步电机M1 具有独立的三相电枢绕组(A、B、C)，三相永磁同步电机M2具有独立的电枢绕组(U、V、W)；

三相永磁同步电机M1的电枢绕组A连接于三相八开关逆变器的桥臂L1 的功率开关管T1和功率开关管T4之间的中间节点x点；三相永磁同步电机M1 的电枢绕组B连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管T2和功率开关管T5之间的中间节点y点；三相永磁同步电机M1的电枢绕组C连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点z 点；

功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6与永磁同步电机M1构成第一工作组；功率开关管T4、T5、T6、T7、T8、T9与永磁同步电机M2构成第二工作组。

三相永磁同步电机M2的电枢绕组U连接于三相八开关逆变器的桥臂L1 的功率开关管T4和功率开关管T7之间的中间节点a点；三相永磁同步电机 M2的电枢绕组V连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管T5和功率开关管T8之间的中间节点b点；三相永磁同步电机M2的电枢绕组W连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点 z点。

当双永磁同步电机处于稳定运行的工作状态时，可采用统一的控制规律实现双永磁同步电机按照一定转速同步运行。双永磁同步电机由八个功率开关管组成的三相八开关逆变器驱动，通过控制八个功率开关管的开关状态实现三相八开关逆变器的拓扑重构；三相八开关逆变器中的功率开关状态均由 PWM生成单元给出，PWM生成单元的输出信号可使三相八开关逆变器实现不同电路拓扑的快速重构，从而快速切换工作模式，PWM生成单元通过主控单元驱动；主控单元由转速比较器、PI控制器、参考电路产生器、电流比较器、电流函数模块和滞环控制器构成，双永磁同步电机还接有转速和三相电流反馈回路，反馈回路与主控单元和三相八开关逆变器一起构成闭环控制系统，永磁同步电机的转速和三相电流反馈回路能实时监测电机的工作状态，通过反馈回路调整三相八开关逆变器的驱动信号，确保系统长期稳定运行。

具体包括以下步骤：

步骤1)、对系统进行初始化，利用霍尔传感器和电流传感器分别采集两个三相永磁同步电机的霍尔信号H₁、H₂和三相电流信号I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、 I_W，霍尔信号解析为永磁同步电机转子的位置信号θ₁、θ₂和速度信号ω₁、ω₂后分别送到参考电流发生器和速度比较器中，三相电流送到电流比较器中；

步骤2)、给定两个三相永磁同步电机的参考速度分别为个三相永磁同步电机的霍尔信号解析的得到的反馈速度信号w₁、w₂经过速度比较器后得到速度误差e_w1、e_w2，其数学表达式为：

步骤3)、两个三相永磁同步电机的参考电流与霍尔传感器解析得到的三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2转子位置信号θ₁、θ₂输入到参考电流发生器，转换成三相参考电流

得到的三相参考电流分别是：

式中，为经PI控制器合成的参考电流；

为经参考电流发生器产生的三相电流；

步骤4)、经参考电流发生器产生的三相电流与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2电枢绕组上的三相电流信号 I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、I_W通过反馈输入电流比较器产生六组输出信号 e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w，根据计算公式：

步骤5)、六组输出信号e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w输入到电流函数模块共产生七路输出信号S₁～S₇，其中六路输出信号S₁～S₆的输入输出函数用如下函数组实现：

S₁～S₆直接连接六个滞环控制器1～6；S₇经过一个选择开关T_c，选择将产生相反的两种控制信号分别控制滞环控制器7和滞环控制器8，选择开关T_c由选择时刻T_i控制，即当采样周期为奇数时，向滞环控制器7输入S₇＝+e_c，当采样周期为偶数时，向滞环控制器输入S₇＝-e_w，其数学公式：

步骤6)、输出信号S₁～S₇经过八个滞环控制器分别产生八路PWM产生单元所需的输出信号PWM₁～PWM₈，PWM₁～PWM₈经PWM生成单元产生三相八开关逆变器功率T₁～T₈所需的信号；便产生了触发三相八开关逆变器八个功率开关的触发脉冲，PWM₁～PWM₈触发脉冲分别对应三相八开关逆变器的八个功率开关管T₁～T₈，T₁～T₈处于不同的开关状态时可使三相八开关逆变器处于不同的拓扑结构，驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式。

滞环控制器输出信号PWM₁～PWM₈与输入信号S₁～S₇的函数对应关系如下：

两个三相永磁同步电机分别连接有一个速度比较器、PI控制器、参考电流发生器和电流比较器，两个电流比较器连接于同一个电流函数模块；

具体的，步骤1)中，H1为三相永磁同步电机M1的霍尔信号，H2为三相永磁同步电机M2的霍尔信号，I_A、I_B、I_C分别为三相永磁同步电机M1的三相电流信号，I_U、I_V、I_W分别为三相永磁同步电机M2的霍尔信号，三相永磁同步电机M1的霍尔信号解析为转子的位置信号θ₁和速度信号ω₁后分别送到参考电流发生器和速度比较器中；三相永磁同步电机M2的霍尔信号解析为转子的位置信号θ₂和速度信号ω₂后分别送到参考电流发生器和速度比较器中；三相电流I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、I_W送到电流比较器中。

Claims

1.一种双电机八开关逆变器驱动系统，其特征在于，包括三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2、三相八开关逆变器以及依次连接的速度比较器、PI控制器、参考电流发生器、电流比较器、电流函数模块、滞环控制器和PWM脉冲生成单元；

其中三相八开关逆变器包括三路并联且连接同一直流电源的桥臂，其中两路桥臂均由三个功率开关串联组成，另一条桥臂由两个功率开关串联组成，三相八开关逆变器的每路桥臂中相邻两个功率开关为一个中间节点，三相永磁同步电机M1的其中两个电枢绕组分别连接在由三个功率开关串联组成的两个桥臂中的同一位置中间节点，三相永磁同步电机M1的另一个电枢绕组连接在由两个功率开关串联组成的桥臂中的中间节点；三相永磁同步电机M2的其中两个电枢绕组分别连接在由三个功率开关串联组成的两个桥臂中另外的同一位置中间节点，三相永磁同步电机M2的另一个电枢绕组连接在由两个功率开关串联组成的桥臂中的中间节点；

2.根据权利要求1所述的一种双电机八开关逆变器驱动系统，其特征在于，功率开关管均为IGBT或MOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种双电机八开关逆变器驱动系统，其特征在于，三相八开关逆变器的三个桥臂为桥臂L1、桥臂L2和桥臂L3；桥臂L1由功率开关管(T1、T4、T7)串联组成，桥臂L2由功率开关管(T2、T5、T8)串联组成，桥臂L3由功率开关管(T3、T6)串联组成，三相永磁同步电机M1具有独立的三相电枢绕组(A、B、C)，三相永磁同步电机M2具有独立的电枢绕组(U、V、W)；

三相永磁同步电机M1的电枢绕组A连接于三相八开关逆变器的桥臂L1的功率开关管T1和功率开关管T4之间的中间节点x点；三相永磁同步电机M1的电枢绕组B连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管T2和功率开关管T5之间的中间节点y点；三相永磁同步电机M1的电枢绕组C连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点z点。

4.根据权利要求3所述的一种双电机八开关逆变器驱动系统，其特征在于，三相永磁同步电机M2的电枢绕组U连接于三相八开关逆变器的桥臂L1的功率开关管T4和功率开关管T7之间的中间节点a点；三相永磁同步电机M2的电枢绕组V连接于三相八开关逆变器的桥臂L2的功率开关管T5和功率开关管T8之间的中间节点b点；三相永磁同步电机M2的电枢绕组W连接于三相八开关逆变器的桥臂L3的功率开关管T3和功率开关管T6之间的中间节点z点。

5.根据权利要求4所述的一种双电机八开关逆变器驱动系统，其特征在于，功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6与永磁同步电机M1构成第一工作组；功率开关管T4、T5、T6、T7、T8、T9与永磁同步电机M2构成第二工作组。

6.一种如权利要求1所述的双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，其特征在于，根据工作要求给定参考输入转速信号，参考输入转速信号和永磁同步电机的反馈转速经转速比较器做差后产生PI控制器的输入信号，经PI控制器的比例P和积分I线性组合构成控制量，控制量经过参考电流发生器得到三相电流信号，三相电流信号和永磁同步电机的三相电流反馈信号经电流比较器比较后输入电流函数模块，电流函数模块经函数计算直接参生七路控制信号，其中六路为滞环控制器控制信号，剩余一路信号通过一个奇偶选择开关后参生两路相反的控制信号输入剩余二个滞环控制器，八个滞环控制器的输入信号经过滞环控制后得到PWM生成单元的输入信号，PWM生成单元根据输入生成三相八开关所需的触发脉冲驱动双永磁同步电机同步运行。

7.根据权利要求6所述的双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤2)、给定两个三相永磁同步电机的参考速度分别为步骤1)中两个三相永磁同步电机的霍尔信号解析的得到的反馈速度信号w₁、w₂经过速度比较器后得到速度误差e_w1、e_w2，其数学表达式为：

步骤3)、步骤2)中两个三相永磁同步电机的参考电流与霍尔传感器解析得到的三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2转子位置信号θ₁、θ₂输入到参考电流发生器，转换成三相参考电流

步骤4)、经参考电流发生器产生的三相电流与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2电枢绕组上的三相电流信号I_A、I_B、I_C、I_U、I_V、I_W通过反馈输入电流比较器产生六组输出信号e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w；

步骤5)、六组输出信号e_a、e_b、e_c、e_u、e_v、e_w输入到电流函数模块共产生七路输出信号S₁～S₇，S₁～S₆直接连接六个滞环控制器1～6；S₇经过一个选择开关T_c，选择将产生相反的两种控制信号分别控制滞环控制器7和滞环控制器8；

8.根据权利要求7所述的双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，其特征在于，步骤3)中得到的三相参考电流分别是：

9.根据权利要求7所述的双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，其特征在于，步骤5)中，其中六路输出信号S₁～S₆的输入输出函数用如下函数组实现：

选择开关T_c由选择时刻T_i控制，即当采样周期为奇数时，向滞环控制器7输入S₇＝+e_c，当采样周期为偶数时，向滞环控制器输入S₇＝-e_w，其数学公式：

10.根据权利要求7所述的双电机八开关逆变器驱动系统的驱动方法，其特征在于，步骤6)中滞环控制器输出信号PWM₁～PWM₈与输入信号S₁～S⁷的函数对应关系如下：