CN108134543B

CN108134543B - 一种双三相电机四桥臂逆变器及其控制方法

Info

Publication number: CN108134543B
Application number: CN201810054388.1A
Authority: CN
Inventors: 林海; 陈金平; 周熙炜; 司利云; 龚贤武; 巩建英; 陈俊硕; 李耀华
Original assignee: Changan University
Current assignee: Weihai Creditfan Ventilator Co Ltd
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN108134543A

Abstract

本发明公开了一种双三相电机四桥臂逆变器及其控制方法，首先分别获取两个三相电机的实际转速，将两个电机的实际转速与给定转速经过速度调节后得到转速误差；然后将两个三相电机的转速误差经过PI控制器得到两个三相电机的给定电流，将得到的给定电流经过参考电流发生器得到两个三相电机的参考电流，将参考电流和实际电流经过电流调节模块后得到电流误差，将各独立桥臂所连接的相绕组中的电流误差分别送入滞环控制器中，滞环控制器产生的信号经过PWM产生单元，利用PWM产生单元来实现对两个三相电机的控制，本发明发适用于多种不同类型的三相交流电机，具有算法简单、响应快和精度高的优点，实现简单，适用范围广。

Description

一种双三相电机四桥臂逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种双三相电机四桥臂逆变器及其控制方法。

背景技术

近年来，随着社会生活和工业生产更高需求，双电机控制系统广泛应用于造纸、交通、电动汽车、洗衣机、空调及其他家电的应用领域。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，适于容错运行等特点，获得了广泛的关注。双电机系统可以通过控制两台电机的输出转矩，从而达到消除传动间隙并分担负载的目的。在双电机驱动系统中，需要同时控制两个电机对开发人员来说不仅要处理更高的复杂性，还必须确保任何情况下的安全运行，包括设备故障时的安全。近年来，降低双电机驱动系统的硬件成本的同时又能保持原有的优良的控制性能是双电机驱动系统的研究热点。传统的双电机驱动系统多采用十二开关六桥臂逆变器拓扑，该结构的系统虽然具有较好的控制性能，但是系统的硬件成本较高。人们又进一步提出了十开关五桥臂逆变器驱动双电机系统。该结构可以减少两个功率开关，有效的降低的硬件成本，但是该系统的控制方法较为复杂。因此，有必要进一步研究双电机驱动系统的结构和特性，在系统结构调整和优化控制算法仍然有很多工作需要探索和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双三相电机四桥臂逆变器及其控制方法，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：

一种双三相电机四桥臂逆变器，包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及四个并联在同一直流电源上的逆变器桥臂，其中三个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，另一个逆变器桥臂包括三个串联的功率开关管，其中三相电机M1的第一个绕组和三相电机M2的第一个绕组分别连接于由两个串联的功率开关管组成的两个逆变器桥臂中的中点，三相电机M1的第二个绕组和三相电机M2的第二个绕组共同连接于另一个由两个串联的功率开关管组成的桥臂中的中点，三相电机M1的第三个绕组和三相电机M2的第三个绕组分别连接于由三个串联的功率开关管组成的逆变器桥臂中的两个中点。

进一步的，四桥臂逆变器包括逆变器桥臂L1、逆变器桥臂L2、逆变器桥臂L3和逆变器桥臂L4，三相电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L1中的功率开关管T1和功率开关管T2中间点a，三相电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L2中的功率开关管T3和功率开关管T4中间点x，三相电机M1的绕组C和三相电机M2的绕组W均连接于逆变器桥臂L4中的功率开关管T8和功率开关管T9中间点c，三相电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T5和功率开关管T6中间点b，三相电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T7和功率开关管T6中间点y。

进一步的，功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

进一步的，两个电机采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机、三相步进电机或三相交流异步电机。

进一步的，其中控制器包括霍尔传感器模块、电流检测模块以及依次连接的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块和滞环控制器，滞环控制器连接于逆变器桥臂，用于传送功率开关管的控制信号；霍尔传感器模块用于检测两个三相电机的霍尔信号，霍尔传感器模块检测到的霍尔信号通过主控单元解析为两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂和两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂，并将两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂传送至参考电流生成模块，将两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂传送至转速调节模块；电流检测模块用于检测两个三相电机的三相电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W，并传送至电流调节模块。

一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，首先分别获取两个三相电机的实际转速和转子位置信号，将两个电机的实际转速与给定转速经过速度调节后得到转速误差；然后将两个三相电机的转速误差经过PI控制器得到两个三相电机的给定电流，将得到的给定电流和转子位置信号经过参考电流发生器得到两个三相电机的参考电流，将参考电流和实际电流经过电流调节模块后得到电流误差，将各独立逆变器桥臂所连接的相绕组中的电流误差分别送入滞环控制器中，滞环控制器产生的信号经过PWM产生单元，利用PWM产生单元来实现对两个三相电机的控制。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，获取两个三相电机M₁、M₂的实际转速ω₁、ω₂并传送到速度调节模块中，通过速度调节模块的定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂得到转速误差e_ω1、e_ω2，将得到转速误差e_ω1、e_ω2传送至PI控制器得到给定参考电流I₁ ^*、I₂ ^*并传送至参考电流发生器，获取两个三相电机M₁、M₂的转子霍尔位置信号θ₁、θ₂并传送至参考电流发生器；

步骤2)、利用电流检测传感器获取两个三相电机的两相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流调节模块中；,

步骤3)、步骤1)中得到的给定电流I₁ ^*、I₂ ^*和两个三相电机M₁、M₂的转子霍尔位置信号θ₁、θ₂经过参考电流发生器计算得到两个三相电机M1、M2的三相参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*和I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*；

步骤4)、两个三相电机M1、M2的三相参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*和实际检测的电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W在电流调节模块中各自计算电流误差后得到两个电机M1、M2的对应的电流误差e₁、e₂、e₃、和e₄、e₅、e₆；

步骤5)、利用六个电流误差e₁、e₂、e₃、和e₄、e₅、e₆信号可以计算得到九个滞环控制器输入信号δ_k：

式中，k＝1，2，3，4，5，6，7，8，9；

再将信号δ_k输入到九个滞环控制器后，得到双三相电机四桥臂逆变器九个功率开关T_k的触发信号S_k，即可实现对两个电机M1、M2的有效控制。

进一步的，将步骤1)中得到的两个三相电机M1、M2的实际转速ω₁、ω₂与给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*经过速度调节模块后得到转速误差e_ω1、e_ω2：

转速误差e_ω1、e_ω2经过PI控制器得到给定参考电流I₁ ^*、I₂ ^*：

式中，K_p为正值比例常数，K_I为正值积分常数。

进一步的，对于三相电机或三相异步电动机，两个电机M1、M2的三相参考电流分别为I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*和I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*：

进一步的，触发信号S_k计算如下：

式中，m＝1,2,3,4,5,6,7,8,9；ε为一个较小的正值常数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种双三相电机四桥臂逆变器，通过利用九开关逆变器同时连接两个三相电机，实现两个三相电机的分时控制，采用四桥臂结构，有三个两开关桥臂和一个三开关桥臂，属于非对称式异型结构，该结构简单、适合控制双电机，采用九开关逆变器控制双电机系统的基本结构,减少开关器件的使用数量,省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和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,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。

本发明一种双三相电机四桥臂逆变器控制方法，首先分别获取两个三相电机的实际转速，将两个电机的实际转速与给定转速经过速度调节后得到转速误差；然后将两个三相电机的转速误差经过PI控制器得到两个三相电机的给定电流，将得到的给定电流经过参考电流发生器得到两个三相电机的参考电流，将参考电流和实际电流经过电流调节模块后得到电流误差，将各独立桥臂所连接的相绕组中的电流误差分别送入滞环控制器中，滞环控制器产生的信号经过PWM产生单元，利用PWM产生单元来实现对两个三相电机的控制，本发明发适用于多种不同类型的三相交流电机，具有算法简单、响应快和精度高的优点，实现简单，适用范围广。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明系统控制电路图。

图3为本发明控制方法的流程示意图

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、图2所示，一种双三相电机四桥臂逆变器，包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及四个并联在同一直流电源上的逆变器桥臂，其中三个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，另一个逆变器桥臂包括三个串联的功率开关管，其中三相电机M1的第一个绕组和三相电机M2的第一个绕组分别连接于由两个串联的功率开关管组成的两个逆变器桥臂中的中点，三相电机M1的第二个绕组和三相电机M2的第二个绕组共同连接于另一个由两个串联的功率开关管组成的桥臂中的中点，三相电机M1的第三个绕组和三相电机M2的第三个绕组分别连接于由三个串联的功率开关管组成的逆变器桥臂中的两个中点；

四桥臂逆变器包括逆变器桥臂L1、逆变器桥臂L2、逆变器桥臂L3和逆变器桥臂L4，三相电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L1中的功率开关管T1和功率开关管T2中间点a，三相电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L2中的功率开关管T3和功率开关管T4中间点x，三相电机M1的绕组C和三相电机M2的绕组W均连接于逆变器桥臂L4中的功率开关管T8和功率开关管T9中间点c，三相电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T5和功率开关管T6中间点b，三相电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T7和功率开关管T6中间点y；

其中控制器包括霍尔传感器模块、电流检测模块以及依次连接的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块和滞环控制器，滞环控制器连接于逆变器桥臂，用于传送功率开关管的控制信号；霍尔传感器模块用于检测两个三相电机的霍尔信号，霍尔传感器模块检测到的霍尔信号通过主控单元解析为两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂和两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂，并将两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂传送至参考电流生成模块，将两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂传送至转速调节模块；电流检测模块用于检测两个三相电机的三相电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W，并传送至电流调节模块；

功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

两个三相电机采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机、三相步进电机或三相交流异步电机。

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

一种双三相电机四桥臂逆变器控制方法，包括以下步骤：

首先分别获取两个三相电机的实际转速和转子位置信号，将两个电机的实际转速与给定转速经过速度调节后得到转速误差；然后将两个三相电机的转速误差经过PI控制器得到两个三相电机的给定电流，将得到的给定电流和转子位置信号经过参考电流发生器得到两个三相电机的参考电流，将参考电流和实际电流经过电流调节模块后得到电流误差，将各独立逆变器桥臂所连接的相绕组中的电流误差分别送入滞环控制器中，滞环控制器产生的信号经过PWM产生单元，利用PWM产生单元来实现对两个三相电机的控制。

具体包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，利用霍尔位置传感器分别将两个三相电机M₁、M₂的转子霍尔位置信号采集到主控单元中，主控单元将霍尔位置信号解析为两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂和实际转速ω₁、ω₂，将获取的两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂送入到速度调节模块中，将获取的两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂送入到参考电流发生器中，利用电流检测传感器获取两个三相电机的两相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流调节模块中；

步骤2)、将步骤1)中得到的两个三相电机M1、M2的实际转速ω₁、ω₂与给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*经过速度调节模块后得到转速误差e_ω1、e_ω2：

式中，K_p为正值比例常数，K_I为正值积分常数；

步骤3)、将步骤2)中得到的给定电流I₁ ^*、I₂ ^*和步骤1)得到的两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂经过参考电流发生器计算得到两个三相电机M1、M2的三相参考电流；对于三相电机或三相异步电动机，两个电机M1、M2的三相参考电流分别为I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*和I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*：

步骤4)、将步骤3)中得到的两个三相电机M1、M2的三相参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*和步骤1)中检测的实际检测的电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W在电流调节模块中各自计算电流误差后得到两个电机M1、M2的对应的电流误差e₁、e₂、e₃、和e₄、e₅、e₆：

步骤5)、利用六个电流误差e₁、e₂、e₃、和e₄、e₅、e₆信号计算得到九个滞环控制器输入信号δ_k：

式中，k＝1，2，3，4，5，6，7，8，9；

再将信号δ_k输入到九个滞环控制器后，得到双三相电机四桥臂逆变器九个功率开关T_k的触发信号S_k，通过逆变器不同开关状态就可实现对两个电机M1、M2的有效控制。

式中，m＝1,2,3,4,5,6,7,8,9；ε为一个正值常数。

Claims

1.一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，所述双三相电机四桥臂逆变器包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及四个并联在同一直流电源上的逆变器桥臂，其中三个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，另一个逆变器桥臂包括三个串联的功率开关管，其中三相电机M1的第一个绕组和三相电机M2的第一个绕组分别连接于由两个串联的功率开关管组成的两个逆变器桥臂中的中点，三相电机M1的第二个绕组和三相电机M2的第二个绕组共同连接于另一个由两个串联的功率开关管组成的桥臂中的中点，三相电机M1的第三个绕组和三相电机M2的第三个绕组分别连接于由三个串联的功率开关管组成的逆变器桥臂中的两个中点；其中控制器包括霍尔传感器模块、电流检测模块以及依次连接的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块和滞环控制器，滞环控制器连接于逆变器桥臂，用于传送功率开关管的控制信号；霍尔传感器模块用于检测两个三相电机的霍尔信号，霍尔传感器模块检测到的霍尔信号通过主控单元解析为两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂和两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂，并将两个三相电机的转子位置信号θ₁、θ₂传送至参考电流生成模块，将两个三相电机的实际转速ω₁、ω₂传送至转速调节模块；电流检测模块用于检测两个三相电机的三相电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W，并传送至电流调节模块；

具体包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，获取两个三相电机M₁、M₂的实际转速ω₁、ω₂并传送到速度调节模块中，通过速度调节模块的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂得到转速误差e_ω1、e_ω2，将得到转速误差e_ω1、e_ω2传送至PI控制器得到给定参考电流I₁ ^*、I₂ ^*并传送至参考电流发生器，获取两个三相电机M₁、M₂的转子霍尔位置信号θ₁、θ₂并传送至参考电流发生器；

步骤4)、两个三相电机M1、M2的三相参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*和实际检测的电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W在电流调节模块中各自计算电流误差后得到两个电机M1、M2的对应的电流误差e₁、e₂、e₃和e₄、e₅、e₆；

步骤5)、利用六个电流误差e₁、e₂、e₃和e₄、e₅、e₆信号可以计算得到九个滞环控制器输入信号δ_k：

式中，k＝1，2，3，4，5，6，7，8，9；

2.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，四桥臂逆变器包括逆变器桥臂L1、逆变器桥臂L2、逆变器桥臂L3和逆变器桥臂L4，三相电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L1中的功率开关管T1和功率开关管T2中间点a，三相电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L2中的功率开关管T3和功率开关管T4中间点x，三相电机M1的绕组C和三相电机M2的绕组W均连接于逆变器桥臂L4中的功率开关管T8和功率开关管T9中间点c，三相电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T5和功率开关管T6中间点b，三相电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L3中的功率开关管T7和功率开关管T6中间点y。

3.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

4.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，两个电机采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机、三相步进电机或三相交流异步电机。

5.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，将步骤1)中得到的两个三相电机M1、M2的实际转速ω₁、ω₂与给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*经过速度调节模块后得到转速误差e_ω1、e_ω2：

式中，K_p为正值比例常数，K_I为正值积分常数。

6.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，对于三相电机或三相异步电动机，两个电机M1、M2的三相参考电流分别为I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*和I_U ^*、I_V ^*、I_W ^*：

7.根据权利要求1所述的一种双三相电机四桥臂逆变器的控制方法，其特征在于，触发信号S_k计算如下：

式中，m＝1,2,3,4,5,6,7,8,9；ε为一个较小的正值常数。