CN109861622B - 共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略，该控制策略通过dq轴电流PI控制器和0轴电流PR控制器得到dq0轴电压给定，然后通过坐标变换得到abc三相电压给定，再通过三相独立的调制方法使逆变器输出给定的电压，从而完成ZSC的抑制和开关频率的降低。本发明控制策略与现有的基于SVPWM控制策略相比，开关频率大幅降低，因此电机系统的效率得以提升，开关器件的寿命得以延长，同时本发明控制策略能够保证系统的调制范围不下降，且调制过程简单，避免了扇区选择，降低了计算复杂度。

Description

共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略。

背景技术

我国具有广阔的稀土资源，为永磁电机的发展提供了坚实的基础。其中永磁同步电机具有功率密度高、效率高、结构简单、可靠性强、控制简单等优点，在居民生活和工业领域都有了普遍的应用。而将永磁同步电机的中性点打开，如图1所示，在三相绕组的两端用两台共直流母线结构的逆变器同时供电，得到共直流母线开绕组永磁同步电机系统，是目前的一个研究方向。

共直流母线开绕组永磁同步电机系统具有直流母线利用率高、多电平输出能力强和容错能力强等优点，在电动汽车、风力发电和工业电机驱动等领域有很广泛的应用前景。但由于共直流母线结构，该电机系统中存在ZSC(Zero-sequence Current，零序电流)，会引起额外的功率损耗和转矩脉动，所以控制策略中需要对ZSC进行抑制。

目前普遍采用的是文献(Y.Zhou and H.Nian,“Zero-sequence currentsuppression strategy ofopen-winding PMSG system with common DC bus based onzero vector redistribution”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.62,no.6,pp.3399-3408,June 2015.)提出的基于SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)的控制策略，通过调整两侧逆变器中零电压矢量(000)和(111)的作用时间来调节两侧逆变器的共模电压u₀₁和u₀₂，以此调节零序电压u₀＝u₀₁-u₀₂，使之与零序反电动势e₀抵消，来抑制ZSC的产生。但是在这种SVPWM调制方法中，所有6个桥臂在一个调制周期中都要进行开关动作，于是在一个调制周期中总开关次数为12。由于开关频率很高，开关损耗很大，所以电机系统的效率会下降，且开关损耗大会导致开关器件周围的温度较高，影响开关器件的使用寿命。

为了降低开关频率，文献(W.Hu,H.Nian and D.Sun,“Zero-sequence currentsuppression strategy with reduced switching frequency for open-end windingPMSM drives with common DC bus”IEEE Trans.Ind.Electron.,doi:10.1109/TIE.2018.2881945)提出了另一种基于SVPWM的调制方法，通过调整两侧逆变器中有效电压矢量的作用时间来调节两侧逆变器的共模电压u₀₁和u₀₂，以实现ZSC的抑制。在这种调制方法中，由于零电压(111)可以避免被使用，所以一个调制周期中的总开关次数降低为8次。但由于有效电压矢量的作用时间有额外限制，所以这种调制方法会造成电机系统的调制能力下降，且实际上开关频率还有能进一步下降的空间。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略，在一个调制周期中的总开关次数为6，与现有控制策略相比将开关频率降低了一半。因此，开关损耗得以降低，电机系统的效率得以提高，开关器件的寿命得以延长。同时，这种控制策略还能保证电机系统的调制范围不会降低，且调制过程简单，避免了扇区选择，降低了计算复杂度。

一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略，包括如下步骤：

(1)采集电机的三相绕组电流i_a～i_c、直流母线电压V_dc、转子位置角θ以及转速ω；

(2)通过对转速误差进行控制，得到q轴电流参考值i_{q_ref}；

(3)利用转子位置角θ对三相绕组电流i_a～i_c进行坐标变换，对应得到dq0坐标系下的d轴电流分量i_d、q轴电流分量i_q以及0轴电流分量i₀；

(4)通过对q轴电流误差进行控制，得到q轴电压参考值u_{q_ref}；

(5)通过对d轴电流误差进行控制，得到d轴电压参考值u_{d_ref}；

(6)通过对0轴电流误差进行控制，得到0轴电压参考值u_{0_ref}；

(7)利用转子位置角θ对u_{d_ref}、u_{q_ref}、u_{0_ref}进行坐标变换，对应得到abc坐标系下的三相电压参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}；

(8)根据三相电压参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}通过低开关频率调制算法，生成两组开关信号分别对电机系统中两台逆变器G1和G2的功率开关器件进行控制。

进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：根据给定的转速参考值ω_ref，计算出转速误差Δω＝ω_ref-ω，进而对转速误差Δω进行PI(比例积分)控制得到q轴电流参考值i_{q_ref}。

进一步地，所述步骤(4)的具体实现方式为：根据q轴电流参考值i_{q_ref}，计算出q轴电流误差Δi_q＝i_{q_ref}-i_q，进而对q轴电流误差Δi_q进行PI控制并加入解耦项得到q轴电压参考值u_{q_ref}。

进一步地，所述步骤(5)的具体实现方式为：根据给定的d轴电流参考值i_{d_ref}且i_{d_ref}＝0，计算出d轴电流误差Δi_d＝i_{d_ref}-i_d，进而对d轴电流误差Δi_d进行PI控制并加入解耦项得到d轴电压参考值u_{d_ref}。

进一步地，所述步骤(6)的具体实现方式为：根据给定的0轴电流参考值i_{0_ref}且i_{0_ref}＝0，计算出d轴电流误差Δi₀＝i_{0_ref}-i₀，进而对0轴电流误差Δi₀进行PR(比例谐振)控制并加入解耦项得到0轴电压参考值u_{0_ref}。

进一步地，所述步骤(8)中的低开关频率调制算法为：对于电机的任一相绕组，在每个开关周期T_s内，与该绕组相连的两台逆变器G1和G2中对应相上桥臂开关的导通时间如下；

其中：T_i1为与电机i相绕组相连的逆变器G1中i相上桥臂开关的导通时间，T_i2为与电机i相绕组相连的逆变器G2中i相上桥臂开关的导通时间，u_{i_ref}为i相电压参考值，i＝a、b或c，逆变器G1或G2中i相上桥臂开关和下桥臂开关的开关相位互补。

本发明控制策略通过dq轴电流PI控制器和0轴电流PR控制器得到dq0轴电压给定，然后通过坐标变换得到abc三相电压给定，再通过三相独立的调制方法使逆变器输出给定的电压，以完成ZSC的抑制和开关频率的降低。本发明控制策略与现有的基于SVPWM控制策略相比，开关频率大幅降低，因此电机系统的效率得以提升，开关器件的寿命得以延长，同时本发明控制策略能够保证系统的调制范围不下降，且调制过程简单，避免了扇区选择，降低了计算复杂度。

附图说明

图1为共直流母线开绕组永磁同步电机系统的结构示意图。

图2为本发明低开关频率控制策略的原理示意图。

图3(a)为u_{a_ref}≥0，u_{b_ref}＜0，u_{c_ref}≥0情况下通过低开关频率调制后的开关状态示意图。

图3(b)为u_{a_ref}≥0，u_{b_ref}≥0，u_{c_ref}＜0情况下通过低开关频率调制后的开关状态示意图。

图4(a)为现有基于SVPWM控制策略下的开关信号波形示意图。

图4(b)为本发明低开关频率控制策略下的开关信号波形示意图。

图5为本发明低开关频率控制策略下的ZSC抑制效果波形示意图。

图6为本发明低开关频率控制策略下的系统动态响应波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于共直流母线开绕组永磁同步电机系统，拓扑结构如图1所示，包括一台开绕组永磁同步电机、两台逆变器和一个直流电源，其中：

开绕组永磁同步电机具有三相绕组，逆变器采用三相全桥可控逆变器，每个桥臂由两个全控型电力电子开关器件串联组成，本实施方式中全控型器件采用IGBT。开绕组永磁同步电机任一相绕组的两端分别与两台逆变器中对应相上下桥臂的中心接点相连，两台逆变器由同一个直流电源供电。

本发明共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略，如图2所示，包括如下步骤：

A1.利用编码器获取电机转子的位置和转速信息，处理后得到转子电角度θ和转子电转速ω，利用电流传感器测得电机的三相电流i_a、i_b、i_c，利用电压传感器测得直流母线电压V_dc。

A2.利用转子电角度θ对三相电流i_a、i_b、i_c进行Park变换，得到dq0轴电流i_d、i_q、i₀。

A3.根据转子电转速的设定值ω_ref，计算出转速误差△ω＝ω_ref-ω，通过PI控制器后得到q轴电流给定i_{q_ref}。

A4.计算出q轴电流误差△i_q＝i_{q_ref}-i_q，通过PI控制器后得到q轴电压给定u_{q_ref}；设定d轴电流给定i_{d_ref}＝0，计算出d轴电流误差△i_d＝i_{d_ref}-i_d，通过PI控制器后得到d轴电压给定u_{d_ref}；设定0轴电流给定i_{0_ref}＝0，计算出0轴电流误差△i₀＝i_{0_ref}-i₀，通过PR控制器后得到0轴电压给定u_{0_ref}。

A5.利用转子电角度θ对dq0轴电压给定u_{d_ref}、u_{q_ref}、u_{0_ref}进行反Park变换，得到abc三相电压给定u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}。

A6.根据abc三相电压给定u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}和直流母线电压V_dc，通过低开关频率调制模块得到6路开关信号S_a1、S_a2、S_b1、S_b2、S_c1、S_c2。

具体地，低开关频率模块中采用三相独立调制方法，以a相为例，为了调制产生电压给定u_{a_ref}，设定与a相绕组相连的两个桥臂的上桥臂在一个调制周期T_s中的导通时间T_a1和T_a2分别为：

于是在u_{a_ref}≥0时，逆变器1中与a相绕组相连桥臂的上桥臂a1的开关信号S_a1为PWM波，逆变器2中与a相绕组相连桥臂的上桥臂a2的开关信号S_a2一直为低电平；在u_{a_ref}＜0时，逆变器1中与a相绕组相连桥臂的上桥臂a1的开关信号S_a1一直为低电平，逆变器2中与a相绕组相连桥臂的上桥臂a2的开关信号为PWM波。

以此类推，在b相和c相上进行同样的独立调制方法得到开关信号S_b1、S_b2、S_c1、S_c2，如图3(a)和图3(b)所示。

A7.将开关信号S_a1、S_b1、S_c1输入到逆变器1中，将开关信号S_a2、S_b2、S_c2输入到逆变器2中，通过两台逆变器的输出控制开绕组永磁同步电机。

以下我们对本实施方式进行实验测试，所选用的永磁同步电机参数如表1所示：

表1

电机参数	参数值
		额定转速	1000r/min
额定转矩	9N.m
		定子相电阻	2.75Ω
定子d轴电感	7.9mH
		定子q轴电感	12.9mH
转子永磁体磁链	0.48Wb
		极对数	3
直流母线电压	200V

图4(a)为采用现有基于SVPWM的控制策略对共直流母线开绕组永磁同步电机系统进行控制的实验波形，图4(b)、图5、图6均为采用本发明低开关频率控制策略对共直流母线开绕组永磁同步电机系统进行控制的实验波形。从图4(a)和图4(b)的对比可以看出，本发明控制策略相比现有控制策略，能够有效地将开关频率降低一半。从图5可以看出，本发明控制策略在实现降低开关频率的前提下，仍能有效抑制ZSC，将ZSC的幅值从2A减小到0.4A，将电磁转矩脉动从±2.5N.m降低为±7.5N.m。从图6可以看出，在转速指令从500r/min变为1000r/min，电机的实际转速能够快速响应，在0.4s后就跟上了指令，且能保持在动态过程中ZSC的幅值基本不变，说明了本发明控制策略的有效性。综上所述，实验结果证明本发明控制策略有效。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种共直流母线开绕组永磁同步电机系统的低开关频率控制策略，包括如下步骤：

(1)采集电机的三相绕组电流i_a～i_c、直流母线电压V_dc、转子位置角θ以及转速ω；

(2)通过对转速误差进行控制，得到q轴电流参考值i_{q_ref}；

(3)利用转子位置角θ对三相绕组电流i_a～i_c进行坐标变换，对应得到dq0坐标系下的d轴电流分量i_d、q轴电流分量i_q以及0轴电流分量i₀；

(4)通过对q轴电流误差进行控制，得到q轴电压参考值u_{q_ref}；

(5)通过对d轴电流误差进行控制，得到d轴电压参考值u_{d_ref}；

(6)通过对0轴电流误差进行控制，得到0轴电压参考值u_{0_ref}；

(7)利用转子位置角θ对u_{d_ref}、u_{q_ref}、u_{0_ref}进行坐标变换，对应得到abc坐标系下的三相电压参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}；

(8)根据三相电压参考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}通过低开关频率调制算法，生成两组开关信号分别对电机系统中两台逆变器G1和G2的功率开关器件进行控制；所述低开关频率调制算法即对于电机的任一相绕组，在每个开关周期T_s内，与该绕组相连的两台逆变器G1和G2中对应相上桥臂开关的导通时间如下；

其中：T_i1为与电机i相绕组相连的逆变器G1中i相上桥臂开关的导通时间，T_i2为与电机i相绕组相连的逆变器G2中i相上桥臂开关的导通时间，u_{i_ref}为i相电压参考值，i＝a、b或c，逆变器G1或G2中i相上桥臂开关和下桥臂开关的开关相位互补。

2.根据权利要求1所述的低开关频率控制策略，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现方式为：根据给定的转速参考值ω_ref，计算出转速误差Δω＝ω_ref-ω，进而对转速误差Δω进行PI控制得到q轴电流参考值i_{q_ref}。

3.根据权利要求1所述的低开关频率控制策略，其特征在于：所述步骤(4)的具体实现方式为：根据q轴电流参考值i_{q_ref}，计算出q轴电流误差Δi_q＝i_{q_ref}-i_q，进而对q轴电流误差Δi_q进行PI控制并加入解耦项得到q轴电压参考值u_{q_ref}。

4.根据权利要求1所述的低开关频率控制策略，其特征在于：所述步骤(5)的具体实现方式为：根据给定的d轴电流参考值i_{d_ref}且i_{d_ref}＝0，计算出d轴电流误差Δi_d＝i_{d_ref}-i_d，进而对d轴电流误差Δi_d进行PI控制并加入解耦项得到d轴电压参考值u_{d_ref}。

5.根据权利要求1所述的低开关频率控制策略，其特征在于：所述步骤(6)的具体实现方式为：根据给定的0轴电流参考值i_{0_ref}且i_{0_ref}＝0，计算出d轴电流误差Δi₀＝i_{0_ref}-i₀，进而对0轴电流误差Δi₀进行PR控制并加入解耦项得到0轴电压参考值u_{0_ref}。

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