CN108123650A - 五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法 - Google Patents

五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

一种五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法，系统驱动电路包括两个星型绕组三相电机、一个五桥臂逆变器、速度调节模块、PI调节器、转矩计算模块、转矩调节模块、滞环控制器和开关状态选择表。控制方法采用转矩滞环控制方式，给定转矩与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差，转矩调节模块通过滞环控制器连接开关状态选择表并从中获取两个电机逆变器的PWM脉宽调制信号。本发明继承了三相直接转矩控制方法具有的结构简单、鲁棒性强等优点，优化后的直接转矩控制方法使控制精度提升、响应速度加快，实现了对双三相电机高精准、快响应的控制，适用于各种五相逆变器双三相电机系统。

Description

五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，为五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法。
背景技术
近年来，随着纺织业、造纸、轧钢和轨道交通等行业的快速发展，多电机驱动系统及其控制方法的优化引起到了广大学者的关注。一般的多电机驱动系统中，每台三相电机均由一台三相逆变器独立控制。于是，为了减少开关器件的使用数量，专家提出了基于多相逆变器的新型多电机驱动控制结构。例如，采用五相逆变器同时控制系统的基本结构。
与此同时，高性能交流调速领域中也孕育而生了一种新的交流调速技术--------直接转矩控制技术(DTC)。直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型变频调速技术，它与传统矢量控制的区别是：直接转矩控制的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制。并且由于直接转矩控制技术省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算，也省掉了为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
在专利CN 104967365A中，提出了一种五相逆变器双三相电机控制方法。这种控制方法提出：需要列举两台三相电机绕组理论开关状态的多种可能，并且使用传统的三相直接转矩控制方法同时得到两台电机磁链与转矩。根据转矩误差的大小、磁链误差的大小与偏差系数的乘积，计算出这两台三相电机各自的系统误差大小，比较两台三相电机的系统误差后才能够确定双三相电机桥臂的实际开关状态，该方法计算过程复杂，难以快速响应。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种五相逆变器双三相电机系统驱动电路及直接转矩控制方法，简化计算步骤，降低计算难度，实现高精度、快响应的控制。
为了实现上述目的，本发明五相逆变器双三相电机系统驱动电路：
包括具有第一逆变器桥臂、第二逆变器桥臂、第三逆变器桥臂、第四逆变器桥臂及第五逆变器桥臂的五桥臂逆变器，所述的五桥臂逆变器连接第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机；第一逆变器桥臂的中点、第二逆变器桥臂的中点分别与第一星型绕组三相电机的第一相绕组、第二相绕组连接，第四逆变器桥臂的中点、第五逆变器桥臂的中点分别与第二星型绕组三相电机的第二相绕组、第一相绕组连接，第一星型绕组三相电机的第三相绕组与第二星型绕组三相电机的第三相绕组同时与第三逆变器桥臂的中点连接，每个逆变器桥臂都由两个功率开关管串联而成；所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机分别经过速度调节模块得到给定转速与实际转速w1、w2的速度误差ew1、ew2，经过PI调节器后输出给定电流PI调节器将给定电流输入转矩计算模块得到给定转矩所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机通过三相电流Iabc和三相电压Uabc分别得到实际转矩给定转矩与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差转矩调节模块通过滞环控制器连接开关状态选择表并从中获取两个电机逆变器的PWM脉宽调制信号。
所述的五桥臂逆变器采用IGBT或MOSFET功率开关管。
所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机采用三相交流异步电机、三相永磁同步电机或者三相永磁无刷直流电机。
所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机经过转矩和磁链观测器分别得到实际转矩和实际磁链实际磁链与给定磁链经过磁链调节模块得到的磁链误差，磁链误差通过滞环控制器连接开关状态选择表。
本发明五相逆变器双三相电机系统驱动电路的直接转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤一、第一星型绕组三相电机的给定转速与实际转速w1经过速度调节模块后得到速度误差ew1，第二星型绕组三相电机的给定转速和实际转速w2经过速度调节模块后得到的速度误差ew2，速度误差ew1、ew2经PI调节器后输出给定电流
步骤二、PI调节器将给定电流输入转矩计算模块得到给定转矩
步骤三、第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机通过三相电流Iabc和三相电压Uabc分别得到实际转矩给定转矩与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差分别输入到各自的滞环控制器中；
步骤四、滞环控制器的输出信号送入开关状态选择表中获取PWM脉宽调制信号。
所述步骤三获取第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机的转矩误差之间的差值：
1)当x>0时，根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
2)当x<0时，根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
3)将实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5分别输入至五相逆变器中控制两台电机；
所述的KA1、KB1、KC1和KA2、KB2、KC2分别为两台电机各自的三相理论状态。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：第一逆变器桥臂的中点、第二逆变器桥臂的中点分别与第一星型绕组三相电机的第一相绕组、第二相绕组连接，第四逆变器桥臂的中点、第五逆变器桥臂的中点分别与第二星型绕组三相电机的第二相绕组、第一相绕组连接，第一星型绕组三相电机的第三相绕组与第二星型绕组三相电机的第三相绕组同时与第三逆变器桥臂的中点连接，采用转矩滞环控制方式，给定转矩与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差，转矩调节模块通过滞环控制器连接开关状态选择表并从中获取两个电机逆变器的PWM脉宽调制信号。本发明继承了三相直接转矩控制方法所具有的结构简单、鲁棒性强等优点，并且优化后的直接转矩控制方法使得控制精度提升、响应速度加快，实现了对双三相电机高精准、快响应的控制，适用于所有的五相逆变器双三相电机系统。
附图说明
图1本发明五相逆变器双三相电机系统的结构示意图；
图2本发明五相逆变器双三相电机系统的控制电路图；
图3本发明直接转矩控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明五相逆变器双三相电机系统包括有第一、二、三、四、五逆变器桥臂L1、L2、L3、L4、L5以及第一星型绕组三相电机M1、第二星型绕组三相电机M2；第一、二、三、四、五逆变器桥臂L1、L2、L3、L4、L5并联后与公共的直流电源相连；其中，第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2、第四逆变器桥臂L4和第五逆变器桥臂L5为独立桥臂，其桥臂中心分别连接第一星型绕组三相电机M1的两相绕组A1、B1以及第二星型绕组三相电机M2的两相绕组A2、B2；第三逆变器桥臂L3为公共桥臂，其桥臂中心同时与第一星型绕组三相电机M1的C1相绕组、第二星型绕组三相电机M2的C2相绕组连接。
第一逆变器桥臂L1由第一、二功率开关管T1，T2组成，第二逆变器桥臂L2由第三、四功率开关管T3，T4组成，第三逆变器桥臂L3由第五、六功率开关管T5，T6，第四逆变器桥臂L4由第七、八功率开关管T7，T8组成，第五逆变器桥臂L5由第九、十功率开关管T9，T10组成，且第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十功率开关管T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9，T10均采用IGBT或MOSFET功率器件。
参见图2，本发明的采用的核心技术是直接转矩控制技术(Direct TorqueControl------DTC)，这种控制技术的思想是以转矩为中心来进行综合控制。其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子电磁转矩进行直接控制。
首先，第一星型绕组三相电机M1的给定转速与实际转速W1经过速度调节模块后得到速度误差ew1，第二星型绕组三相电机M2的给定转速和实际转速W1经过速度调节模块后得到的速度误差ew2，将上述得到的速度误差ew1、ew2经PI调节器后输出给定电流输出的给定电流经过计算可以得到系统的转矩给定信号与此同时，系统将根据检测的电机三相电流Iabc和三相电压Uabc，利用转矩模型分别估算获得第一星型绕组三相电机M1、第二星型绕组三相电机M2的实际转矩大小
然后，将第一星型绕组三相电机M1的给定转矩和实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差第二星型绕组三相电机M2的给定转矩和实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差分别输入各自的滞环控制器中，经过滞环处理之后将滞环控制器的输出信号送入开关选择表中获取PWM的脉宽调制信号。
最后，利用PWM产生单元来实现对星型绕组三相电机M1、M2的控制。
本发明直接转矩控制方法控制流程如图3所示，具体包括以下步骤：
1、根据传统的直接转矩控制方法得到第一星型绕组三相电机M1、第二星型绕组三相电机M2各自的三相理论状态KA1、KB1、KC1和KA2、KB2、KC2。
2、根据系统检测的电机三相电流Iabc和三相电压值Uabc，利用转矩模型分别估算获得第一星型绕组三相电机M1、第二星型绕组三相电机M2的实际转矩大小
3、第一星型绕组三相电机M1的给定转速与实际转速W1经过速度调节模块后能够得到速度误差第二星型绕组三相电机M2的给定转速和实际转速W1经过速度调节模块后能够得到的速度误差将上述得到的速度误差经PI调节器后输出给定电流 输出的给定电流经过计算可以得到系统的转矩给定信号
4、计算第一星型绕组三相电机M1的给定转矩和实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差同时，计算第二星型绕组三相电机M2的给定转矩和实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差
5、最终获得第一星型绕组三相电机M1的系统转矩误差与第二星型绕组三相电机M2的系统转矩误差之间的差值x。
1)当x>0时，那么根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
2)当x<0时，那么根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
将实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5分别输入至五相逆变器去控制两台三相电机。

Claims (6)

1.一种五相逆变器双三相电机系统驱动电路，其特征在于：包括具有第一逆变器桥臂(L1)、第二逆变器桥臂(L2)、第三逆变器桥臂(L3)、第四逆变器桥臂(L4)及第五逆变器桥臂(L5)的五桥臂逆变器，所述的五桥臂逆变器连接第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)；第一逆变器桥臂(L1)的中点、第二逆变器桥臂(L2)的中点分别与第一星型绕组三相电机(M1)的第一相绕组(A1)、第二相绕组(B1)连接，第四逆变器桥臂(L4)的中点、第五逆变器桥臂(L5)的中点分别与第二星型绕组三相电机(M2)的第二相绕组(B2)、第一相绕组(A2)连接，第一星型绕组三相电机(M1)的第三相绕组(C1)与第二星型绕组三相电机(M2)的第三相绕组(C2)同时与第三逆变器桥臂(L3)的中点连接，每个逆变器桥臂都由两个功率开关管串联而成；所述的第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)分别经过速度调节模块得到给定转速与实际转速w1、w2的速度误差ew1、ew2，经过PI调节器后输出给定电流PI调节器将给定电流输入转矩计算模块得到给定转矩所述的第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)通过三相电流Iabc和三相电压Uabc分别得到实际转矩给定转矩 与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差转矩调节模块通过滞环控制器连接开关状态选择表并从中获取两个电机逆变器的PWM脉宽调制信号。
2.根据权利要求1所述的五相逆变器双三相电机系统驱动电路，其特征在于：所述的五桥臂逆变器采用IGBT或MOSFET功率开关管。
3.根据权利要求1所述的五相逆变器双三相电机系统驱动电路，其特征在于：所述的第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)采用三相交流异步电机、三相永磁同步电机或者三相永磁无刷直流电机。
4.根据权利要求1所述的五相逆变器双三相电机系统驱动电路，其特征在于：所述的第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)经过转矩和磁链观测器分别得到实际转矩和实际磁链实际磁链与给定磁链经过磁链调节模块得到的磁链误差，磁链误差通过滞环控制器连接开关状态选择表。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项权利要求所述五相逆变器双三相电机系统驱动电路的直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、第一星型绕组三相电机(M1)的给定转速与实际转速w1经过速度调节模块后得到速度误差ew1，第二星型绕组三相电机(M2)的给定转速和实际转速w2经过速度调节模块后得到的速度误差ew2，速度误差ew1、ew2经PI调节器后输出给定电流
步骤二、PI调节器将给定电流输入转矩计算模块得到给定转矩
步骤三、第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)通过三相电流Iabc和三相电压Uabc分别得到实际转矩给定转矩与实际转矩经过转矩调节模块后得到的转矩误差分别输入到各自的滞环控制器中；
步骤四、滞环控制器的输出信号送入开关状态选择表中获取PWM脉宽调制信号。
6.根据权利要求5所述的直接转矩控制方法，其特征在于：所述的步骤三获取第一星型绕组三相电机(M1)与第二星型绕组三相电机(M2)的转矩误差之间的差值：
<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>e</mi> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>e</mi> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
1)当x>0时，根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
2)当x<0时，根据下式得到五个逆变器桥臂的实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>S</mi> <mn>5</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
3)将实际通断状态S1、S2、S3、S4、S5分别输入至五相逆变器中控制两台电机；
所述的KA1、KB1、KC1和KA2、KB2、KC2分别为两台电机各自的三相理论状态。
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Assignee: Shaanxi Yunrui Chuangzhi Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHANG'AN University

Contract record no.: X2023980048852

Denomination of invention: Drive circuit and direct torque control method for dual three-phase motor system with five phase inverter

Granted publication date: 20201229

License type: Common License

Record date: 20231130

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