CN108183637A - 一种双三相电机五相逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双三相电机五相逆变器及其控制方法，首先获取两台三相电机各自三相绕组的理论开关状态,然后从与公共桥臂所连接的两相绕组中选择相电流偏差绝对值大的相绕组的理论开关状态作为公共桥臂的实际开关状态，最后以所得到的实际开关状态对五相逆变器进行控制，公共桥臂相连接的两相绕组的相参考电流相加取负，然后与公共电路上的电流对比后的误差以及各独立桥臂的相电流误差输入到滞环控制器，控制PWM产生单元产生十路PWM信号对逆变器进行控制，不再需要比较与公共桥臂所连接的两相绕组中选择相电流偏差相，而且减少了一个电流传感器，很大程度的简化了算法步骤，减少了成本，增强驱动系统响应速度和可靠性。

Description

一种双三相电机五相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五相逆变器及其控制方法。

背景技术

近年来，由于三相永磁同步电机具有高效率、可靠性高等多个优点，受到了人们广泛的关注。而由多台永磁同步电机构成的多电机驱动系统具有性能好、效率高等特点，也引起了研究者们的深厚兴趣。通常所研究的多电机驱动系统中，每台三相永磁同步电机均由一台三相逆变器独立控制，这是多电机驱动系统中最常用的控制结构。但对于多台三相电机，多电机驱动系统使用的逆变器数量显著增多，这样造成功率器件多，增加了电机驱动系统的成本，并且驱动系统繁琐；需要进行逻辑运算，大大增加了控制系统的相应速度，而且系统安全性降低。

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：

一种双三相电机五相逆变器，包括控制器、三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2以及并联于同一直流电源U_dc的逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅；

逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅均包括两个串联的功率开关管，同一逆变器桥臂的两个功率开关管之间为中间点；

三相永磁同步电机M1中的两个绕组与三相永磁同步电机M2中的两个绕组分别单独连接于其中四个逆变器桥臂的中间点，三相永磁同步电机M1中的另一个绕组与三相永磁同步电机M2中的另一个绕组共同连接于另外一个逆变器桥臂的中间点。

进一步的，逆变器桥臂L₁包括串联的功率开关管T₁和功率开关管T₂，逆变器桥臂L₂包括串联的功率开关管T₃和功率开关管T₄，逆变器桥臂L₃包括串联的功率开关管T₅和功率开关管T₆，逆变器桥臂L₄包括串联的功率开关管T₇和功率开关管T₈，逆变器桥臂L₅包括串联的功率开关管T₉和功率开关管T₁₀；三相永磁同步电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L₁的中间点a，三相永磁同步电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L₂的中间点b，三相永磁同步电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L₄的中间点d，三相永磁同步电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L₅的中间点e，三相永磁同步电机M1的绕组C和三相永磁同步电机M2的绕组W共同连接于逆变器桥臂L₃的中间点c。

进一步的，功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

进一步的，其中控制器包括电流传感器、霍尔传感器和依次连接的PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器和PWM脉冲产生单元；PWM脉冲产生单元连接于逆变器桥臂的功率开关管；电流传感器连接于三相永磁同步电机的电枢绕组端口，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参考电流发生器；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送到转速PI控制器；PI控制器将霍尔信号解析为两个三相永磁同步电机转子的位置信号θ₁、θ₂和两个三相永磁同步电机角速度信号w₁、w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中。

一种双三相电机五相逆变器的控制方法，包括以下步骤：根据工作需要输入两个三相永磁同步电机的给定速度，与各自的反馈回路的反馈速度对比后，经过PI控制器形成各自总的参考电流，参考电流经过参考电流发生器形成三相永磁同步电机的三相参考电流，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2中的两个各自单独连接于逆变器桥臂的绕组中的参考电流与反馈回路的反馈三相电流中相应的电流对比后产生两路电流误差，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接于同一逆变器桥臂的绕组中两路参考电流经过电流调节模块后合为一路，与反馈回来的公共电路上的电流对比后产生一路电流误差，共产生五个误差信号，五个误差信号分别输入到五个滞环控制器中，每个滞环控制器产生两个互补的信号，滞环控制器控制PWM产生单元一共产生十路PWM信号，分别控制逆变器的十个功率开关器的状态，实现两个三相电机的驱动控制。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，分别将两个三相永磁同步电机的三相电流信号、位置信息和速度信息采集到主控单元中；

步骤2)、设定两个三相永磁同步电机的给定转速和主控单元根据采集到的速度信息w₁和w₂与给定转速和分别得到三相永磁同步电机的速度误差e_w1和e_w2，速度误差e_w1和e_w2经过PI控制器得到给定电流I_s1 ^*和I_s2 ^*；给定电流I_s1 ^*和I_s2 ^*经过参考电流发生器形成两个三相永磁同步电机的参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*和I_W ^*；

步骤3)、将三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接于同一桥臂的参考电流相加再取负，合为一路产生参考电流将三相参考电流 和三相电流I_A、I_B、I_CW、I_U、I_V经过电流调节模块得到三相电流误差

步骤4)、将步骤3)中得到的五个误差信号分别输入到五个滞环控制器，五个滞环控制器分别产生Hc₁、Hc₂、Hc₃、Hc₄、Hc₅、十个信号，每个滞环控制器产生两个信号，两个信号是互补的，输入到PWM脉冲产生单元，PWM脉冲产生单元产生两路PWM信号控制逆变器的一个桥臂上的两个功率开关器的状态，一共产生十路PWM信号，分别控制十个功率开关器的状态，从而实现对第一三相电机和第二三相电机的控制。

进一步的，具体包括以下步骤：步骤1)中，通过电流传感器将两个三相永磁同步电机的三相电流信号I_A、I_B、I_U、I_V和I_CW采集到电流调节模块中，其中I_CW为三相永磁同步电机M1的C相和三相永磁同步电机M2的W相公共电路上的电流；霍尔传感器将两个三相永磁同步电机的霍尔信号采集到位置产生单元和速度产生单元，主控单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ₁和θ₂和角速度信号w₁和w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中。

进一步的，具体包括以下步骤：步骤2)中，将两个三相永磁同步电机的给定转速和与实际转速w₁和w₂经过速度调节模块得到速度误差e_w1和e_w2，计算公式如下：

进一步的，具体包括以下步骤：步骤2)中，对于第一支路得到的参考电流分别是：

式中，为第一支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流；

对于第二支路得到的三相参考电流分别是：

式中，为第二支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流。

进一步的，具体包括以下步骤：步骤3)中，将参考电流和经过一个电路调节模块，根据公式：

其中I_CW＝I_C+I_W，根据公式得到：

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，通过并联于同一直流电源的五个逆变器桥臂连接于两个三相永磁同步电机，采用五个电流传感器代替传统的六个电流传感器，简化了系统，减少了总的损耗，从而减少了成本。通过两个永磁同步电机共用一个逆变器桥臂，将一个电流传感器放在两个永磁同步电机的公共电路上，减少了电流传感器数量，采用五桥臂逆变器驱动双三相电机系统可以节省两个功率开关器，降低功耗，降低系统成本，而且可以提高系统的可靠性，采用电流滞环控制的逆变器系统保护一个有Bang-Bang控制的电流闭环，由于反馈电流的存在可以加快动态响应和抑制扰动，防止逆变器过流，保护功率开关器件。

本发明一种双三相电机五相逆变器控制方法，首先获取两台三相电机各自三相绕组的理论开关状态,然后从与公共桥臂所连接的两相绕组中选择相电流偏差绝对值大的相绕组的理论开关状态作为公共桥臂的实际开关状态，独立桥臂的实际开关状态等于其所连接的相绕组的理论开关状态，最后以所得到的实际开关状态对五相逆变器进行控制，公共桥臂相连接的两相绕组的相参考电流相加取负，然后与公共电路上的电流对比后的误差以及各独立桥臂的相电流误差输入到滞环控制器，控制PWM产生单元产生十路PWM信号对逆变器进行控制，不再需要比较与公共桥臂所连接的两相绕组中选择相电流偏差相，而且减少了一个电流传感器，很大程度的简化了算法步骤，减少了成本，增强驱动系统响应速度和可靠性。

附图说明

图1为双三相电机五相逆变器驱动系统的等效拓扑结构图；

图2为双三相电机五相逆变器驱动系统的控制算法简易结构框图；

图3为双三相电机五相逆变器驱动系统的总体控制策略流程图；

图4为双三相电机五相逆变器驱动系统的电流滞环控制原理图。

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4所示，一种双三相电机五相逆变器，包括控制器、三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2以及并联于同一直流电源U_dc的逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅，逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅均包括两个串联的功率开关管；同一逆变器桥臂的两个功率开关管之间为中间点，三相永磁同步电机M1中的两个绕组与三相永磁同步电机M2中的两个绕组分别单独连接于其中四个逆变器桥臂的中间点，三相永磁同步电机M1中的另一个绕组与三相永磁同步电机M2中的另一个绕组共同连接于另外一个逆变器桥臂的中间点；

逆变器桥臂L₁包括串联的功率开关管T₁和功率开关管T₂，逆变器桥臂L₂包括串联的功率开关管T₃和功率开关管T₄，逆变器桥臂L₃包括串联的功率开关管T₅和功率开关管T₆，逆变器桥臂L₄包括串联的功率开关管T₇和功率开关管T₈，逆变器桥臂L₅包括串联的功率开关管T₉和功率开关管T₁₀；三相永磁同步电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L₁的中间点a，三相永磁同步电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L₂的中间点b，三相永磁同步电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L₄的中间点d，三相永磁同步电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L₅的中间点e，三相永磁同步电机M1的绕组C和三相永磁同步电机M2的绕组W共同连接于逆变器桥臂L₃的中间点c；

功率开关管均采用IGBT或MOSFET；

其中控制器包括电流传感器、霍尔传感器和依次连接的PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器和PWM脉冲产生单元；PWM脉冲产生单元连接于逆变器桥臂的功率开关管；

电流传感器连接于三相永磁同步电机的电枢绕组端口，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参考电流发生器；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送到转速PI控制器；PI控制器将霍尔信号解析为两个三相永磁同步电机转子的位置信号θ₁、θ₂和两个三相永磁同步电机角速度信号w₁、w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中；

本发明的具体控制方式如下：

根据工作需要输入两个三相永磁同步电机的给定速度，与各自的反馈回路的反馈速度对比后，经过PI控制器形成各自总的参考电流，参考电流经过参考电流发生器形成三相永磁同步电机的三相参考电流，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2中的两个各自单独连接于逆变器桥臂的绕组中的参考电流与反馈回路的反馈三相电流中相应的电流对比后产生两路电流误差，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接于同一逆变器桥臂的绕组中两路参考电流经过电流调节模块后合为一路，与反馈回来的公共电路上的电流对比后产生一路电流误差，共产生五个误差信号，五个误差信号分别输入到五个滞环控制器中，每个滞环控制器产生两个互补的信号，滞环控制器控制PWM产生单元一共产生十路PWM信号，分别控制逆变器的十个功率开关器的状态，实现两个三相电机的驱动控制。

具体的实施方式包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，分别将两个三相永磁同步电机的三相电流信号、位置信息和速度信息采集到主控单元中；

步骤2)、设定两个三相永磁同步电机的给定转速和主控单元根据采集到的速度信息w₁和w₂与给定转速和分别得到三相永磁同步电机的速度误差e_w1和e_w2，速度误差e_w1和e_w2经过PI控制器得到给定电流和给定电流I_s1 ^*和I_s2 ^*经过参考电流发生器形成两个三相永磁同步电机的参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*和I_W ^*；两个三相永磁同步电机各自的三电枢绕组之间的相位之差都是120°；

对于第一支路得到的参考电流分别是：

式中，为第一支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流；

对于第二支路得到的三相参考电流分别是：

式中，为第二支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流；

步骤3)、将三相永磁同步电机M1的C相参考电流和三相永磁同步电机M2的W相参考电流相加再取负，合为一路产生参考电流

将参考电流和经过一个电路调节模块，根据公式：

将三相参考电流和三相电流I_A、I_B、I_CW、I_U、I_V经过电流调节模块得到三相电流误差其中I_CW＝I_C+I_W，根据公式：

步骤4)、将五个误差信号分别输入到五个滞环控制器，根据公式：

五个滞环控制器分别产生Hc₁、Hc₂、Hc₃、Hc₄、Hc₅、十个信号，每个滞环控制器产生两个信号，两个信号是互补的，输入到PWM脉冲产生单元，PWM脉冲产生单元产生两路PWM信号控制逆变器的一个桥臂上的两个功率开关器的状态，一共产生十路PWM信号，分别控制十个功率开关器的状态，从而实现对第一三相电机和第二三相电机的控制。

步骤1)中，通过电流传感器将两个三相永磁同步电机的三相电流信号I_A、I_B、I_U、I_V和I_CW采集到电流调节模块中，其中I_CW为三相永磁同步电机M1的C相和三相永磁同步电机M2的W相公共电路上的电流；霍尔传感器将两个三相永磁同步电机的霍尔信号采集到位置产生单元和速度产生单元，主控单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ₁和θ₂和角速度信号w₁和w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中；

步骤2)中，将两个三相永磁同步电机的给定转速和与实际转速w₁和w₂经过速度调节模块得到速度误差e_w1和e_w2，计算公式如下：

本发明采用电流滞环控制，将电流给定信号与检测到的逆变器实际输出电流信号相比较，若实际电流大于给定电流值，则通过改变逆变器的开关状态使之减小，反之增大，实际电流围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。因此，采用电流滞环控制的逆变器系统保护一个有Bang-Bang控制的电流闭环，由于反馈电流的存在可以加快动态响应和抑制扰动，防止逆变器过流，保护功率开关器件。

Claims (10)

1.一种双三相电机五相逆变器，其特征在于，包括控制器、三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2以及并联于同一直流电源U_dc的逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅；

逆变器桥臂L₁、逆变器桥臂L₂、逆变器桥臂L₃、逆变器桥臂L₄和逆变器桥臂L₅均包括两个串联的功率开关管；

同一逆变器桥臂的两个功率开关管之间为中间点，三相永磁同步电机M1中的两个绕组与三相永磁同步电机M2中的两个绕组分别单独连接于其中四个逆变器桥臂的中间点，三相永磁同步电机M1中的另一个绕组与三相永磁同步电机M2中的另一个绕组共同连接于另外一个逆变器桥臂的中间点。

2.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器，其特征在于，逆变器桥臂L₁包括串联的功率开关管T₁和功率开关管T₂，逆变器桥臂L₂包括串联的功率开关管T₃和功率开关管T₄，逆变器桥臂L₃包括串联的功率开关管T₅和功率开关管T₆，逆变器桥臂L₄包括串联的功率开关管T₇和功率开关管T₈，逆变器桥臂L₅包括串联的功率开关管T₉和功率开关管T₁₀；三相永磁同步电机M1的绕组A连接于逆变器桥臂L₁的中间点a，三相永磁同步电机M1的绕组B连接于逆变器桥臂L₂的中间点b，三相永磁同步电机M2的绕组V连接于逆变器桥臂L₄的中间点d，三相永磁同步电机M2的绕组U连接于逆变器桥臂L₅的中间点e，三相永磁同步电机M1的绕组C和三相永磁同步电机M2的绕组W共同连接于逆变器桥臂L₃的中间点c。

3.根据权利要求1所述的一种双三相电机五相逆变器，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五相逆变器，其特征在于，其中控制器包括电流传感器、霍尔传感器和依次连接的PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器和PWM脉冲产生单元；PWM脉冲产生单元连接于逆变器桥臂的功率开关管；电流传感器连接于三相永磁同步电机的电枢绕组端口，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参考电流发生器；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送到转速PI控制器；PI控制器将霍尔信号解析为两个三相永磁同步电机转子的位置信号θ₁、θ₂和两个三相永磁同步电机角速度信号w₁、w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中。

5.一种如权利要求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，包括以下步骤：根据工作需要输入两个三相永磁同步电机的给定速度，与各自的反馈回路的反馈速度对比后，经过PI控制器形成各自总的参考电流，参考电流经过参考电流发生器形成三相永磁同步电机的三相参考电流，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2中的两个各自单独连接于逆变器桥臂的绕组中的参考电流与反馈回路的反馈三相电流中相应的电流对比后产生两路电流误差，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接于同一逆变器桥臂的绕组中两路参考电流经过电流调节模块后合为一路，与反馈回来的公共电路上的电流对比后产生一路电流误差，共产生五个误差信号，五个误差信号分别输入到五个滞环控制器中，每个滞环控制器产生两个互补的信号，滞环控制器控制PWM产生单元一共产生十路PWM信号，分别控制逆变器的十个功率开关器的状态，实现两个三相电机的驱动控制。

6.根据权利要求5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，具体包括以下步骤：

步骤1)、系统进行初始化，分别将两个三相永磁同步电机的三相电流信号、位置信息和速度信息采集到主控单元中；

步骤2)、设定两个三相永磁同步电机的给定转速和主控单元根据采集到的速度信息w₁和w₂与给定转速和分别得到三相永磁同步电机的速度误差e_w1和e_w2，速度误差e_w1和e_w2经过PI控制器得到给定电流I_s1 ^*和I_s2 ^*；给定电流I_s1 ^*和I_s2 ^*经过参考电流发生器形成两个三相永磁同步电机的参考电流I_A ^*、I_B ^*、I_C ^*、I_U ^*、I_V ^*和I_W ^*；

步骤3)、将三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接于同一桥臂的参考电流相加再取负，合为一路产生参考电流将三相参考电流 和三相电流I_A、I_B、I_CW、I_U、I_V经过电流调节模块得到三相电流误差

步骤4)、将步骤3)中得到的五个误差信号分别输入到五个滞环控制器，五个滞环控制器分别产生Hc₁、Hc₂、Hc₃、Hc₄、Hc₅、十个信号，每个滞环控制器产生两个信号，两个信号是互补的，输入到PWM脉冲产生单元，PWM脉冲产生单元产生两路PWM信号控制逆变器的一个桥臂上的两个功率开关器的状态，一共产生十路PWM信号，分别控制十个功率开关器的状态，从而实现对第一三相电机和第二三相电机的控制。

7.根据权利要求6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，具体包括以下步骤：步骤1)中，通过电流传感器将两个三相永磁同步电机的三相电流信号I_A、I_B、I_U、I_V和I_CW采集到电流调节模块中，其中I_CW为三相永磁同步电机M1的C相和三相永磁同步电机M2的W相公共电路上的电流；霍尔传感器将两个三相永磁同步电机的霍尔信号采集到位置产生单元和速度产生单元，主控单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ₁和θ₂和角速度信号w₁和w₂并分别送入到参考电流发生器和速度调节模块中。

8.根据权利要求6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，具体包括以下步骤：步骤2)中，将两个三相永磁同步电机的给定转速和与实际转速w₁和w₂经过速度调节模块得到速度误差e_w1和e_w2，计算公式如下：

9.根据权利要求6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，具体包括以下步骤：步骤2)中，对于第一支路得到的参考电流分别是：

式中，为第一支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流；

对于第二支路得到的三相参考电流分别是：

式中，为第二支路经PI控制器合成的总参考电流；

为经参考电流发生器产生的参考三相电流。

10.根据权利要求6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，具体包括以下步骤：步骤3)中，将参考电流和经过一个电路调节模块，根据公式：

其中I_CW＝I_C+I_W，根据公式得到：