CN109450323A - 基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、构建单电流传感器电路拓扑结构；步骤二、将电压空间矢量六边形的六个扇区分解为十二个扇区；步骤三、更改I‑1、III‑2、IV‑1、VI‑2四个扇区的PWM调制策略；步骤四、在一个PWM周期的两个电压矢量作用时刻对单电流传感器或单采样电阻进行采样，在任意一个扇区内得到两个不同相的电流信息，再根据星型联结电机中ia+ib+ic=0的条件重构出三相绕组电流。本发明解决了扇区边界的电流重构盲区问题，降低了重构电流谐波，提升了电机的运行性能，是一种低成本小体积的电机驱动控制策略。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及一种基于十二扇区脉宽调制法的电机控制方法，仅需要一个电流传感器或采样电阻便可以重构出三相绕组电流，从而实现永磁同步电机的矢量控制。
背景技术
永磁同步电机（PMSM）相比其他电机具有高可靠性、高功率密度、高控制精度等优点，故其在数控机床、机器人伺服控制、电动汽车、军用武器、深水伺服系统以及航空航天等领域得到了飞速的发展。
相电流重构技术，也被成为单电流传感器技术，是一种低成本的永磁同步电机驱动技术，其基本原理是采用一个电流传感器重构出电机三相绕组电流，进而实现电机的矢量控制。采用这种技术，驱动器的体积和成本均得以降低，且减少了传感器附加引线，避免了由于电流传感器采样差异所带来的扰动。
然而，由于最小采样时间的限制，几乎所有的单电流传感器技术均存在电流重构盲区。目前已有的相电流重构技术分为直流母线采样法和逆变器支路采样法。直流母线采样法在电压空间矢量六边形的低调制比区域和扇区边界区域存在电流重构盲区；逆变器支路采样法通常采用霍尔电流电流传感器采样两条支路电流之和，虽然可以解决直流母线采样法存在的盲区，但是该方法的附加引线很长，造成信号干扰，同时不能采用采样电阻实现。因此，若能综合考虑上述两种方法存在的不足，提出一种新型的单电流传感器技术，解决电流重构盲区，不增加附加引线和干扰，又能采用采样电阻来实现，对降低整个永磁同步电机电机控制系统的体积和成本具有重要意义。
发明内容
本发明为解决扇区边界的电流重构盲区问题，降低重构电流谐波，提升电机的运行性能，提出了两种新型的单电流传感器电路拓扑，在该拓扑的基础上提出了一种新型的基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，实现永磁同步电机的相电流重构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，包括如下步骤：
步骤一、构建单电流传感器电路拓扑结构：
方法一：在三相电压源逆变器的拓扑结构基础上，将单电流传感器或采样电阻安装于开关管T1和T3之间，构建单电流传感器电路拓扑结构；
方法二：在三相电压源逆变器的拓扑结构基础上，将单电流传感器或采样电阻安装于开关管T2和T4之间，构建单电流传感器电路拓扑结构；
步骤二、在基本电压矢量V1~V6形成的六个扇区的基础上对每一个扇区进行等分，分解为I-1、I-2、II-1、II-2、III-1、III-2、IV-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1、VI-2十二扇区；
步骤三、在十二个扇区内，更改I-1、III-2、IV-1、VI-2四个扇区的PWM调制策略，保持其他八个扇区的PWM调制策略不变，其中：I-1扇区和IV-1扇区的PWM调制策略为：A、C两相的PWM波形进行取反运算之后互换；III-2扇区和VI-2扇区的PWM调制策略为：A、B两相的PWM波形进行取反运算之后互换；
步骤四、在一个PWM周期的两个电压矢量作用时刻对单电流传感器或单采样电阻进行采样，在任意一个扇区内得到两个不同相的电流信息，再根据星型联结电机中ia+ib+ic=0的条件重构出三相绕组电流，所述采样规则如下：
第一种单电流传感器电路拓扑结构：
I-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ib；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
I-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ib；
II-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ib；
II-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ib；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
IV-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ib；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
IV-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
V-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
V-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
VI-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
VI-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ib；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
第二种单电流传感器电路拓扑结构：
I-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
I-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ic；
II-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ic；
II-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
IV-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
IV-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
V-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
V-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
VI-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
VI-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明提出了一种新型拓扑的单电流传感器技术。与传统方法不同的是，单电流传感器不是安装在直流母线上，而是安装在逆变器的一条支路上。实现该新型单电流传感器技术，存在两种单电流传感器安装方式，因此对应两种电路拓扑。在这两种电路拓扑下，在一个PWM周期内的不同时刻对单电流传感器进行采样，可以得到两个不同相的电流信息，进而重构出电机的三相电流。
2、采用本发明的方法时，将传统电压空间矢量六边形的六个扇区分解为十二扇区，需要对其中四个扇区的PWM调制策略进行修改才能实现三相电流的重构，而在另外八个扇区中不需要更改PWM调制策略，在大部分扇区内不需要更改PWM调制策略，不会引入电流谐波。两种PWM调制策略形成一种新型的十二扇区脉宽调制法，才能在上述两种电路拓扑下实现三相电流重构。
3、在本发明的新型单电流传感器技术中，电流传感器不安装在直流母线上，并且也不安装在逆变器的两条支路上采样和电流，所以该方法不仅适用于电流传感器采样的电机控制策略，而且适用于单个电阻采样的电机控制策略。与直流母线采样的方法相比，该方法在电压空间矢量六边形的六个扇区交界区域不存在电流重构盲区，所以不需要额外的补偿算法；与两条支路同时采样的方法相比，可以避免线路过长引起的电磁干扰，且可以采用单个采样电阻实现，具有更广阔的应用场合。
附图说明
图1为本发明中两种电路拓扑和单电流传感器的安装位置；
图2为两种传统单电流传感器技术下的电流重构盲区，（a）直流母线采样法，（b）两支路和电流采样法；
图3为本发明中提出的十二扇区脉宽调制法示意图；
图4为单电流传感器安装于开关管T1和T3之间时的十二扇区脉宽调制法在十二个扇区内的PWM调制策略；
图5为单电流传感器安装于开关管T1和T3之间时的三相电流重构结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
结合图1至图5、表1说明本发明基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法。
图1所示为本发明中两种电路拓扑和单电流传感器的安装位置，安装在逆变器的一条支路上。拓扑中单电流传感器或采样电阻安装于开关管T1和T3之间，拓扑中单电流传感器安装于开关管T2和T4之间。T1、T2、T3、T4、T5、T6为构成三相电压源逆变器的六个开关管，V dc 为直流母线电压，A、B、C为永磁同步电机的三相绕组，N为电机绕组中性点，ia、ib、ic为三相绕组电流。
图2为两种传统单电流传感器技术下的电流重构盲区，（a）为直流母线采样法，（b）为两支路和电流采样法。六个基本电压矢量V1~V6构成了电压空间矢量六边形，形成了六个扇区，电压矢量V0和V7为零电压矢量。在直流母线采样法中，可以采用单电流传感器和单采样电阻，但这种方法在六边形的两扇区边界区域和低调制比区域存在明显的盲区，需要复杂的补偿算法才能抑制，而且带来电流谐波。在两支路和电流采样法中，仅能采用中间带有通孔的电流传感器实现，在通孔中穿入两条支路采样和电流，这种方法不适应于采样电阻，且需要较长的附加引线，引入了电磁干扰，对系统的性能不利。本发明提出的方法结合了两者的优点，可以采用单电流传感器或单采样电阻实现，且消除了扇区边界盲区，不需引入额外的补偿算法，电流谐波较小。
图3为本发明中提出的十二扇区脉宽调制法示意图，十二扇区分别为I-1、I-2、II-1、II-2、III-1、III-2、IV-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1、VI-2。在十二个扇区内，在四个扇区：I-1、III-2、IV-1、VI-2扇区需要更改PWM的调制策略，而在其他八个扇区不需要更改PWM调制策略。
结合图4和表1详细讲解单电流重构技术的具体实现原理。
图4为单电流传感器安装于开关管T1和T3之间时的十二扇区脉宽调制法在十二个扇区内的PWM调制策略。在I-2、II-1、II-2、III-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1八个扇区中PWM波形为经典的七段式空间矢量脉宽调制波形。在I-1扇区和IV-1扇区中，对经典的七段式空间矢量脉宽调制波形做如下处理：A、C两相的PWM波形进行取反运算之后互换；在III-2扇区和VI-2扇区中，对经典的七段式空间矢量脉宽调制波形做如下处理：A、B两相的PWM波形进行取反运算之后互换，最终得到图4中所示的混合PWM调制波形。图4中Ts为PWM周期，Sa、Sb、Sc为A、B、C三相的开关状态，T0、T1、…T7分别为八个电压矢量V0、V1、…V7在一个PWM周期内的持续时间。可以看出在十二扇区脉宽调制策略中，I-2、II-1、II-2、III-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1八个扇区存在零电压矢量V0和V7，而在其余四个扇区中均不存在零电压矢量，这样，大部分扇区并没有对PWM调制策略进行修改，可以进一步降低了重构电流谐波。
表1为两种电路拓扑下的电流采样时刻和采样结果对照表，根据表1中的采样规则，在一个PWM周期的两个电压矢量作用时刻对单电流传感器或单采样电阻进行采样，可以在任意一个扇区内得到两个不同相的电流信息，再根据星型联结电机中ia+ib+ic=0的条件，便可以重构出三相绕组电流，以上便是本发明实现相电流重构的原理。
表1 两种电路拓扑下的电流采样时刻和采样结果对照表
为验证该电路拓扑和算法，对本发明的方法进行仿真验证，得到的重构三相电流波形如图5所示，其中ia’、ib’、ic’为重构三相电流。从图5中可以看出重构三相电流波形正弦性较好，具有很小的电流谐波，验证了本发明单电流传感器电机控制方法的有效性。
综上，本发明结合了之前的单电流传感器技术的优点，将传统的电压空间矢量六边形的六个扇区分解成十二扇区，仅在其中四个扇区内更改PWM调制策略，解决了扇区边界的电流重构盲区问题，降低了重构电流谐波，提升了电机的运行性能，是一种低成本小体积的电机驱动控制策略。
Claims (6)
1.一种基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、构建单电流传感器电路拓扑结构：
在三相电压源逆变器的拓扑结构基础上，将单电流传感器或采样电阻安装于开关管T1和T3之间，构建单电流传感器电路拓扑结构；
步骤二、在基本电压矢量V1~V6形成的六个扇区的基础上对每一个扇区进行等分，分解为I-1、I-2、II-1、II-2、III-1、III-2、IV-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1、VI-2十二扇区；
步骤三、在十二个扇区内，更改I-1、III-2、IV-1、VI-2四个扇区的PWM调制策略，保持其他八个扇区的PWM调制策略不变；
步骤四、在一个PWM周期的两个电压矢量作用时刻对单电流传感器或单采样电阻进行采样，在任意一个扇区内得到两个不同相的电流信息，再根据星型联结电机中ia+ib+ic=0的条件重构出三相绕组电流。
2.根据权利要求1所述的基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于所述步骤三中，I-1扇区和IV-1扇区的PWM调制策略为：A、C两相的PWM波形进行取反运算之后互换；III-2扇区和VI-2扇区的PWM调制策略为：A、B两相的PWM波形进行取反运算之后互换。
3.根据权利要求1所述的基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于所述步骤三中，采样规则如下：
I-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ib；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
I-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ib；
II-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ib；
II-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ib；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
IV-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ib；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
IV-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
V-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ic；
V-2扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
VI-1扇区：采样时刻V7(111)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ic；
VI-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ib；采样时刻V5(001)，采样结果ic。
4.一种基于混和脉宽调制技术的单电流传感器电机控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、在三相电压源逆变器的拓扑结构基础上，将单电流传感器或采样电阻安装于开关管T2和T4之间，构建单电流传感器电路拓扑结构；
步骤二、在基本电压矢量V1~V6形成的六个扇区的基础上对每一个扇区进行等分，分解为I-1、I-2、II-1、II-2、III-1、III-2、IV-1、IV-2、V-1、V-2、VI-1、VI-2十二扇区；
步骤三、在十二个扇区内，更改I-1、III-2、IV-1、VI-2四个扇区的PWM调制策略，保持其他八个扇区的PWM调制策略不变；
步骤四、在一个PWM周期的两个电压矢量作用时刻对单电流传感器或单采样电阻进行采样，在任意一个扇区内得到两个不同相的电流信息，再根据星型联结电机中ia+ib+ic=0的条件重构出三相绕组电流。
5.根据权利要求4所述的基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于所述步骤三中，I-1扇区和IV-1扇区的PWM调制策略为：A、C两相的PWM波形进行取反运算之后互换；III-2扇区和VI-2扇区的PWM调制策略为：A、B两相的PWM波形进行取反运算之后互换。
6.根据权利要求4所述的基于十二扇区脉宽调制法的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于所述步骤三中，采样规则如下：
I-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
I-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ic；
II-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V2(110)，采样结果ic；
II-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V3(010)，采样结果ib；
III-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
IV-1扇区：采样时刻V3(010)，采样结果ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
IV-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
V-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib；
V-2扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
VI-1扇区：采样时刻V0(000)，采样结果ib+ic；采样时刻V6(101)，采样结果ib；
VI-2扇区：采样时刻V2(110)，采样结果ic；采样时刻V5(001)，采样结果ib。
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