CN108173472B

CN108173472B - 一种双三相电机五相逆变器及控制方法

Info

Publication number: CN108173472B
Application number: CN201810055076.2A
Authority: CN
Inventors: 林海; 闫茂德; 龚贤武; 陈金平; 周熙炜; 司利云; 巩建英; 陈俊硕; 李耀华
Original assignee: Changan University
Current assignee: Guangzhou Heshi Technology Co ltd
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: CN108173472A

Abstract

本发明公开了一种双三相电机五相逆变器及控制方法，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，实现两个电机的同转速同步驱动，也可以实现两个电机不同转速同步驱动，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

一种双三相电机五相逆变器及控制方法

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五相逆变器及控制方法。

背景技术

近年来，随着社会生活和工业生产更高需求，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。相对于常规的单电机驱动系统，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。由于双电机驱动系统能够分担负载，可以有效降低单电机驱动系统的输出功率。因此，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。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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双三相电机五相逆变器及控制方法，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：

一种双三相电机五相逆变器，包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及五个并联于直流电源的逆变器桥臂；五个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，三相电机M1和三相电机M2的一个绕组共同连接于其中一个逆变器桥臂两个功率开关管中间，三相电机M1的另外两个绕组和三相电机M2另外两个绕组分别单独连接于其他四个逆变器桥臂的两个功率开关管中间。

进一步的，五个逆变器桥臂为逆变器桥臂Ba、逆变器桥臂Bb、逆变器桥臂Bc、逆变器桥臂Bd和逆变器桥臂Be，三相电机M1的绕组C1和三相电机M2的绕组C2均连接于逆变器桥臂Bc的功率开关管T5和功率开关管T6中间，三相电机M1的绕组A1连接于逆变器桥臂Bb的功率开关管T3和功率开关管T4中间，三相电机M1的绕组B1连接于逆变器桥臂Ba的功率开关管T1和功率开关管T2中间，三相电机M2的绕组A2连接于逆变器桥臂Bd的功率开关管T7和功率开关管T8中间，三相电机M2的绕组B2连接于逆变器桥臂Be的功率开关管T9和功率开关管T10中间。

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、三相无刷直流电机或三相交流异步电机。

进一步的，其中控制器包括电流检测传感器、霍尔位置传感器以及依次相连的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块、滞环控制器和PWM产生单元，PWM产生单元连接于逆变器桥臂，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中控模块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，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。

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三相电流信号I_a1、I_b1、I_c1和I_a2、I_b2、I_c2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_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*和I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*；

步骤4)、两个三相电机M1、M2的三相参考电流I_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*、I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*和实际检测的电流I_a1、I_b1、I_c1、I_a2、I_b2、I_c2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e_a1、e_b1、e_c1、e_a2、e_b2、e_c2；

步骤5)、利用六个电流误差e_a1、e_b1、e_c1、e_a2、e_b2、e_c2信号分别输入到六个滞环控制器得到六个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、和Ha2、Hb2、Hc2：

式中，i＝1,2，ε为正值常数；

由滞环控制器的六个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、Ha2、Hb2、Hc2计算得到五相逆变器的十个功率开关T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀对应的触发信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10，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_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*和I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*：

进一步的，触发信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10计算如下：

式中，单引号“’”代表逻辑非，加号“+”代表逻辑或。

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五相逆变器，包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及五个并联于直流电源的逆变器桥臂；通过利用五个均由两个串联的功率开关管组成的逆变器桥臂同时连接两个三相电机，实现两个三相电机的分时控制，采用五桥臂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的控制方法，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，实现两个电机的同转速同步驱动，也可以实现两个电机不同转速同步驱动，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为本发明驱动系统的结构示意图。

图2为本发明系统控制电路图。

图3为本发明双三相电机五相逆变器驱动系统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至图3所示，一种双三相电机五相逆变器，包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及五个并联于直流电源的逆变器桥臂；五个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，三相电机M1和三相电机M2的一个绕组共同连接于其中一个逆变器桥臂两个功率开关管中间，三相电机M1的另外两个绕组和三相电机M2另外两个绕组分别单独连接于其他四个逆变器桥臂的两个功率开关管中间。

五个逆变器桥臂包括逆变器桥臂Ba、逆变器桥臂Bb、逆变器桥臂Bc、逆变器桥臂Bd和逆变器桥臂Be，三相电机M1的绕组C1和三相电机M2的绕组C2均连接于逆变器桥臂Bc的功率开关管T5和功率开关管T6中间，三相电机M1的绕组A1连接于逆变器桥臂Bb的功率开关管T3和功率开关管T4中间，三相电机M1的绕组B1连接于逆变器桥臂Ba的功率开关管T1和功率开关管T2中间，三相电机M2的绕组A2连接于逆变器桥臂Bd的功率开关管T7和功率开关管T8中间，三相电机M2的绕组B2连接于逆变器桥臂Be的功率开关管T9和功率开关管T10中间。

功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

两个电机采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或三相交流异步电机。

其中控制器包括电流检测传感器、霍尔位置传感器以及依次相连的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块、滞环控制器和PWM产生单元，PWM产生单元连接于逆变器桥臂，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中控模块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控制方法，包括以下步骤：

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，主控单元包括转速计算模块和位置计算模块，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_a1、I_b1、I_c1和I_a2、I_b2、I_c2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I_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*和I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*；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_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*和I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*：

式中，I₁ ^*为三相电机M₁总的输入电流；I_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*分别为三相电机M₁各绕组的相电流；I₂ ^*为三相电机M₂总的输入电流；I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*分别为三相电机M₂各绕组的相电流；

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_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*、I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*和步骤1)中检测的实际检测的电流I_a1、I_b1、I_c1、I_a2、I_b2、I_c2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e_a1、e_b1、e_c1、和e_a2、e_b2、e_c2：

步骤5)、利用六个电流误差e_a1、e_b1、e_c1、和e_a2、e_b2、e_c2信号分别输入到六个滞环控制器中得到留个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、和Ha2、Hb2、Hc2：

式中，i＝1,2，ε为正值常数；

由滞环控制器的六个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、和Ha2、Hb2、Hc2通过PWM产生单元计算得到五相逆变器的十个功率开关T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀对应的触发信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10，即可实现对两个电机的有效控制。

式中，单引号“’”代表逻辑非，加号“+”代表逻辑或。

Claims

1.一种双三相电机五相逆变器的控制方法，其特征在于，所述双三相电机五相逆变器包括控制器、三相电机M1、三相电机M2以及五个并联于直流电源的逆变器桥臂；五个逆变器桥臂均包括两个串联的功率开关管，三相电机M1和三相电机M2的一个绕组共同连接于其中一个逆变器桥臂两个功率开关管中间，三相电机M1的另外两个绕组和三相电机M2另外两个绕组分别单独连接于其他四个逆变器桥臂的两个功率开关管中间；其中控制器包括电流检测传感器、霍尔位置传感器以及依次相连的转速调节模块、PI控制器、参考电流生成模块、电流调节模块、滞环控制器和PWM产生单元，PWM产生单元连接于逆变器桥臂，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中控模块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_a1、I_b1、I_c1和I_a2、I_b2、I_c2，并传送至电流调节模块；

五个逆变器桥臂为逆变器桥臂Ba、逆变器桥臂Bb、逆变器桥臂Bc、逆变器桥臂Bd和逆变器桥臂Be，三相电机M1的绕组C1和三相电机M2的绕组C2均连接于逆变器桥臂Bc的功率开关管T5和功率开关管T6中间，三相电机M1的绕组A1连接于逆变器桥臂Bb的功率开关管T3和功率开关管T4中间，三相电机M1的绕组B1连接于逆变器桥臂Ba的功率开关管T1和功率开关管T2中间，三相电机M2的绕组A2连接于逆变器桥臂Bd的功率开关管T7和功率开关管T8中间，三相电机M2的绕组B2连接于逆变器桥臂Be的功率开关管T9和功率开关管T10中间；

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，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5)、利用六个电流误差e_a1、e_b1、e_c1、e_a2、e_b2、e_c2信号分别输入到六个滞环控制器得到六个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、Ha2、Hb2、Hc2：

式中，i＝1,2，ε为正值常数；

由滞环控制器的六个输出信号Ha1、Hb1、Hc1、Ha2、Hb2、Hc2计算得到五相逆变器的十个功率开关T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀对应的触发信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10，即可实现对两个电机M1、M2的有效控制；触发信号S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10计算如下：

式中，单引号“’”代表逻辑非，加号“+”代表逻辑或。

2.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器的控制方法，其特征在于，功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器的控制方法，其特征在于，两个电机采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或三相交流异步电机。

4.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器的控制方法，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。

5.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器的控制方法，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_a1 ^*、I_b1 ^*、I_c1 ^*和I_a2 ^*、I_b2 ^*、I_c2 ^*：

式中，I₁ ^*为三相电机M₁总的输入电流，I₂ ^*为三相电机M₂总的输入电流。