CN108199624B - 双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，驱动电路包括两个个星型绕组三相电机、三桥臂逆变器、转速与转子位置计算单元、转速PI控制器、电流坐标变换单元、电流PI控制器、电压坐标变换单元、空间矢量脉宽调制单元、PWM生成单元、位置传感器和直流供电电源。两个电机的各三相绕组依次连接到逆变器三个桥臂的上下中点，利用磁场定向控制方法获得两个电机的各三相参考电压，再利用空间矢量调制方法计算驱动两个电机的三相六开关逆变器开关触发信号，该信号经过PWM生成单元得到三桥臂逆变器的功率开关触发信号，实现对两个三相电机的有效控制。本发明实施方式简单，具有可靠性高、响应快速以及精度高等优点。

Description

双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，涉及双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法。

背景技术

双电机驱动系统因为具有低压大功率输出，高功率密度、适于容错运行等优点，近年来应用广泛。传统的多电机驱动系统中最常用的控制结构是每台三相电机均由一个三相六开关逆变器独立控制，而采用三桥臂逆变器驱动双三相电机系统可以节省两个功率器件，继而有效降低多电机驱动系统的硬件成本。目前尚无相关控制技术的记载。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，具有可靠性高、响应快速以及精度高等优点。

为了实现上述目的，本发明双电机三桥臂逆变器驱动电路采用的技术方案为：

包括具有第一逆变器桥臂、第二逆变器桥臂、第三逆变器桥臂的三桥臂逆变器，三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；所述第一星型绕组三相电机的第一相绕组与第一逆变器桥臂的中点a相连，第一星型绕组三相电机的第二相绕组与第二逆变器桥臂的中点b相连，第一星型绕组三相电机的第三相绕组与第三逆变器桥臂的中点c相连；所述第二星型绕组三相电机的第一相绕组与第一逆变器桥臂的中点x相连，第二星型绕组三相电机的第二相绕组与第二逆变器桥臂的中点y相连，第二星型绕组三相电机的第三相绕组与第三逆变器桥臂的中点z相连；所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机连接转速与转子位置计算单元，转速与转子位置计算单元采集两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂，连同两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流坐标变换单元转换为两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2；两个电机的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂经过比较后得到转速误差e_ω1、e_ω2,转速误差e_ω1、e_ω2经过转速PI控制器得到两个电机的参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*，设定两个电机的参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*都为零值，将参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*和参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*与实际两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2经过计算后得到两个电机的电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2，输入到电流PI控制器后得到两个电机在两相旋转坐标系下的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2，利用两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂将两个电机的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2经过电压坐标变换单元转换为两个电机的在静止坐标系下的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2，将参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元，得到分别驱动两个电机各自所对应的开关触发信号，通过PWM生成单元对两个电机进行控制。

所述的三桥臂逆变器采用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均采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或者三相交流异步电机。

转速与转子位置计算单元包括用于检测转子位置信号的位置传感器；电流坐标变换单元连接用于采集两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W的电流传感器。

本发明双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采集第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂，连同两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流坐标变换单元转换为两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2；

步骤二、两个电机的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂经过比较后得到转速误差e_ω1、e_ω2，转速误差e_ω1、e_ω2经过转速PI控制器得到两个电机的参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*；

式中，K₁、K₂为正值比例常数，K₃、K₄为正值积分常数；

步骤三、设定两个电机的参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*都为零值，联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂，计算两个电机实际检测的直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2：

对两个电机的参考直、交轴电流I_d1 ^*、I_q1 ^*和I_d2 ^*、I_q2 ^*以及实际检测的直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2各自计算电流误差后得到两个电机对应的电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2：

步骤四、利用电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2信号经过电流PI控制器得到两个电机在两相旋转坐标系下的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2；

式中，K₅、K₆、K₉、K₁₀为正值比例常数，K₇、K₈、K₁₁、K₁₂为正值积分常数；

联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂，再经过电压坐标变换为两个电机的两相静止坐标系下的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2：

步骤五、将参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元计算得到分别驱动两个电机各自所对应的三相电压源型六开关逆变器的六个开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n，其中m＝2i-1，n＝2i，i＝1,2,3，且满足：

式中，！代表反逻辑；

步骤六、利用开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n计算得到三桥臂逆变器九个开关触发信号S_k，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9：

式中，⊙代表异或逻辑；

根据以上步骤，利用生成的逆变器九个功率开关触发信号实现对第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的控制。

所述的步骤一通过采集第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的霍尔位置信号，并将霍尔位置信号解析为两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用磁场定向控制与三桥臂逆变器，两个电机的各三相绕组依次连接到逆变器三个桥臂的上下中点。利用磁场定向控制方法获得两个电机的各三相参考电压，再利用空间矢量调制方法计算驱动两个电机的三相六开关逆变器开关触发信号，该信号经过PWM生成单元得到三桥臂逆变器的功率开关触发信号，通过这样方式产生的信号能够实现对两个三相电机的有效控制。本发明实施方式简单，适用于各种双三相电机三桥臂逆变器驱动系统，具有可靠性高、响应快速以及精度高等优点。

附图说明

图1本发明双三相电机三桥臂逆变器驱动系统的结构示意图；

图2本发明双三相电机三桥臂逆变器磁场定向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的详细说明。

参见图1，本发明双三相电机三桥臂逆变器驱动电路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的三桥臂逆变器，三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。其中，每个桥臂都有三个功率开关串联而成。

第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2、第三逆变器桥臂L3并联后与公共的直流电源相连，其正极是V_dc，负极是GND。各个桥臂的具体连接方式如下：

第一星型绕组三相电机M1：

第一相绕组A与第一个逆变桥臂L1的中点a相连；

第一相绕组B与第二个逆变桥臂L2的中点b相连；

第一相绕组C与第三个逆变桥臂L3的中点c相连；

第二星型绕组三相电机M2：

第一相绕组U与第一个逆变桥臂L1的中点x相连；

第一相绕组V与第二个逆变桥臂L2的中点y相连；

第一相绕组W与第三个逆变桥臂L3的中点z相连；

第一逆变器桥臂L1由第一、二、三功率开关管T₁、T₂、T₃组成；

第二逆变器桥臂L2由第四、五、六功率开关管T₄、T₅、T₆组成；

第三逆变器桥臂L3由第七、八、九功率开关管T₇、T₈、T₉组成；

第一个逆变器桥臂L1中，第一、二功率开关管T₁、T₂公共连接中点为a，第二、三功率开关管T₂、T₃公共连接中点为x；第二个逆变器桥臂L2中，第四、五功率开关管T₄、T₅公共连接中点为b，第五、六功率开关管T₅、T₆公共连接中点为y；第三个逆变器桥臂L3中，第七、八功率开关管T₇、T₈公共连接中点为b，第八、九功率开关管T₈、T₉公共连接中点为y。第一、二、三、四、五、六、七功率开关管T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉均采用IGBT或MOSFET功率器件。系统所控制的双电机对象可以采用星型绕组结构的三相永磁同步电机、三相无刷直流电机、三相步进电机或三相交流异步电机等。

参见图2，本发明双三相电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法包括：

首先获得转速误差e_ω1、e_ω2：两个三相电机M1、M2的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂经过速度调节模块后得到转速误差e_ω1、e_ω2。实际测量的两相直交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2是由电流传感器实际测量的三相电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W经过坐标变换得到。然后通过以下方式获得电流误差：两个三相电机M1、M2的转速误差e_ω1、e_ω2经过转速PI控制器得到两个三相电机M1、M2的给定参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*，再定义给定参考直轴电流I_d1 ^*、I_d2 ^*都为零值。它们和实际测量的两相直交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂经过计算后便可得到电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2。

将电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2经过两个电流PI控制器计算得到两个电机的两相直交轴参考电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2。它们联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂再经过电压坐标变换为两个电机的两相静止坐标系下的参考电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2。将计算得到的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元计算得到分别驱动两个电机各自所对应的三相电压源型逆变器的六个开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n，其中m＝2i-1，n＝2i，i＝1,2,3。再经过计算整理得到三桥臂逆变器九个开关触发信号S_k，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9。通过上面提到的控制方式可以实现对第一三相电机M1和第二三相电机M2的有效控制。

具体步骤如下：

步骤一：系统进行初始化。通过电流传感器、速度传感器分别将两个电机M1、M2的三相电流信号和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电机的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂，连同两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到参考电流发生器和转速PI控制器中。

步骤二：计算两个电机的两相旋转坐标系下的给定参考电流I_q1 ^*、I_q2 ^*。两个电机M1、M2的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速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经过转速PI控制器得到给定参考电流I_q1 ^*、I_q2 ^*：

式中，K₁、K₂为正值比例常数，K₃、K₄为正值积分常数。

步骤三：计算两个电机的两相静止坐标系下的参考电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2。给定电流I_q1 ^*、I_q2 ^*经过参考电流发生器计算得到两个三相电机M1、M2的两相参考电流。定义给定参考直轴电流I_d1 ^*、I_d2 ^*都为零值。对于三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或三相异步电动机，联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂，两个电机M1、M2的两相直交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2由电流传感器实际测量的三相电流I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W经过坐标变换得到。

两个电机M1、M2的三相参考电流I_d1 ^*、I_q1 ^*和I_d2 ^*、I_q2 ^*和它们实际检测的电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2各自计算电流误差后得到两个电机的对应的电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2：

利用四个电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2信号经过四个电流PI控制器得到两个电机的直交轴参考电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2。

式中，K₅、K₆、K₉、K₁₀为正值比例常数，K₇、K₈、K₁₁、K₁₂为正值积分常数。

它们联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂再经过电压坐标变换为两个电机的两相静止坐标系下的参考电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2：

步骤四：计算三桥臂逆变器九个开关触发信号。将计算得到的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元计算得到分别驱动两个电机各自所对应的传统的三相电压源型六开关逆变器的六个开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n，其中m＝2i-1，n＝2i，i＝1,2,3。

且满足

式中，！代表反逻辑。

步骤五：利用开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n计算整理得到三桥臂逆变器九个开关触发信号S_k，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9：

式中，⊙代表异或逻辑。

根据以上步骤，利用生成的逆变器九个功率开关触发信号就可以对两个电机有效控制。

Claims (5)

1.一种双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，其特征在于：驱动电路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的三桥臂逆变器，三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；所述第一星型绕组三相电机M1的第一相绕组A与第一逆变器桥臂L1的中点a相连，第一星型绕组三相电机M1的第二相绕组B与第二逆变器桥臂L2的中点b相连，第一星型绕组三相电机M1的第三相绕组C与第三逆变器桥臂L3的中点c相连；所述第二星型绕组三相电机M2的第一相绕组U与第一逆变器桥臂L1的中点x相连，第二星型绕组三相电机M2的第二相绕组V与第二逆变器桥臂L2的中点y相连，第二星型绕组三相电机M2的第三相绕组W与第三逆变器桥臂L3的中点z相连；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连接转速与转子位置计算单元，转速与转子位置计算单元采集两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂，连同两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流坐标变换单元转换为两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2；两个电机的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂经过比较后得到转速误差e_ω1、e_ω2，转速误差e_ω1、e_ω2经过转速PI控制器得到两个电机的参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*，设定两个电机的参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*都为零值，将参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*和参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*与实际两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2经过计算后得到两个电机的电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2，输入到电流PI控制器后得到两个电机在两相旋转坐标系下的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2，利用两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂将两个电机的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2经过电压坐标变换单元转换为两个电机的在静止坐标系下的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2，将参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元，得到分别驱动两个电机各自所对应的开关触发信号，通过PWM生成单元对两个电机进行控制；控制方法包括以下步骤：

步骤一、采集第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂，连同两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W分别送入到电流坐标变换单元转换为两相直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2；

步骤二、两个电机的给定参考转速ω₁ ^*、ω₂ ^*与实际转速ω₁、ω₂经过比较后得到转速误差e_ω1、e_ω2，转速误差e_ω1、e_ω2经过转速PI控制器得到两个电机的参考交轴电流I_q1 ^*、I_q2 ^*；

式中，K₁、K₂为正值比例常数，K₃、K₄为正值积分常数；

步骤三、设定两个电机的参考直轴电流I_d1 ^*和I_d2 ^*都为零值，联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂，计算两个电机实际检测的直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2：

对两个电机的参考直、交轴电流I_d1 ^*、I_q1 ^*和I_d2 ^*、I_q2 ^*以及实际检测的直、交轴电流I_d1、I_q1和I_d2、I_q2各自计算电流误差后得到两个电机对应的电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2：

步骤四、利用电流误差e_d1、e_q1和e_d2、e_q2信号经过电流PI控制器得到两个电机在两相旋转坐标系下的参考两相电压V_d1、V_q1和V_d2、V_q2；

式中，K₅、K₆、K₉、K₁₀为正值比例常数，K₇、K₈、K₁₁、K₁₂为正值积分常数；

联合两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂，再经过电压坐标变换为两个电机的两相静止坐标系下的参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2：

步骤五、将参考两相电压V_α1、V_β1和V_α2、V_β2送入空间矢量脉宽调制单元计算得到分别驱动两个电机各自所对应的三相电压源型六开关逆变器的六个开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n，其中m＝2i-1，n＝2i，i＝1,2,3，且满足：

式中，！代表反逻辑；

步骤六、利用开关触发信号δ_1m、δ_1n和δ_2m、δ_2n计算得到三桥臂逆变器九个开关触发信号S_k，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9：

式中，⊙代表异或逻辑；

根据以上步骤，利用生成的逆变器九个功率开关触发信号实现对第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的控制。

2.根据权利要求1所述的双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，其特征在于：所述的三桥臂逆变器采用IGBT或MOSFET功率开关管。

3.根据权利要求1所述的双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，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均采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或者三相交流异步电机。

4.根据权利要求1所述的双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，其特征在于：转速与转子位置计算单元包括用于检测转子位置信号的位置传感器；电流坐标变换单元连接用于采集两个电机的三相电流信号I_A、I_B、I_C和I_U、I_V、I_W的电流传感器。

5.根据权利要求1所述的双电机三桥臂逆变器驱动电路的磁场定向控制方法，其特征在于：所述的步骤一通过采集第一星型绕组三相电机M1与第二星型绕组三相电机M2的霍尔位置信号，并将霍尔位置信号解析为两个电机的转子位置信号θ₁、θ₂和角速度信号ω₁、ω₂。

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