CN110943658B - 适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器及策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器，包括可调制母线电路、三相逆变电路、主控电路、角度传感器和电流传感器；可调制母线电路包括直流电源、七号功率开关器件和八号功率开关器件；三相逆变电路包括一号功率开关器件、二号功率开关器件、三号功率开关器件、四号功率开关器件、五号功率开关器件、六号功率开关器件；调制策略：给定参数δ和h；求出Vi、Vm及Ti、Tm；计算系数k＝(Ti+Tm)/[(1‑δ)Ts]；求出零母线电压矢量作用时间为[(k‑1)(Ti+Tm)]/(1‑δ)，计算VT7的占空比为[(k‑1)(Ti+Tm)]/[(1‑δ)h]；VT7按照这个占空比进行输出。本发明减小此类小电感电机的控制驱动中电流及转矩波动。

Description

适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器及策略
技术领域
本发明涉及电机驱动领域，更具体的说，是涉及一种适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器及策略。
背景技术
以盘式无铁心永磁同步电机为代表的小电感电机具有过载能力大、响应速度快、反电势正弦度高、电机参数线性度高等诸多优点。此类电机可适用于多种要求严苛的场合，例如电动汽车轮毂用电机、机械手臂驱动电机等。
此类电机的无铁心结构使得定子绕组电感很小，而传统控制器是基于电压源型逆变器，开关频率一般不超过20kHz，用于此类小电感电机的驱动，电机绕组电流波动很大，甚至会出现断续和过流现象，一个控制周期内可能不满足伏秒平衡，不满足矢量合成条件，导致整个系统稳定性差，甚至无法工作。因此限制了此类电机在驱动领域的应用。
由于控制器主要成本来自逆变电路中的IGBT等功率器件，将功率器件全部更换为性能优越的新型IGBT器件，以增大系统的开关频率是可以减小此类电机电流波动的，但控制器成本大幅度增加，并对系统的电磁兼容性提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器及策略，减小此类小电感电机的控制驱动中电流及转矩波动。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器，由功率电路和控制电路组成，所述功率电路由可调制母线电路和三相逆变电路组成，所述控制电路由主控电路、角度传感器和电流传感器组成；
所述可调制母线电路包括直流电源、七号功率开关器件和八号功率开关器件，所述七号功率开关器件集电极与直流电源正极连接，所述七号功率开关器件栅极与主控电路信号输出端连接，所述八号功率开关器件发射极与直流电源负极连接，所述八号功率开关器件栅极与主控电路信号输出端连接，所述八号功率开关器件集电极与七号功率开关器件发射极连接；
所述三相逆变电路包括一号功率开关器件、二号功率开关器件、三号功率开关器件、四号功率开关器件、五号功率开关器件、六号功率开关器件，所述一号功率开关器件、三号功率开关器件、五号功率开关器件的集电极均与直流电源正极连接，所述二号功率开关器件、四号功率开关器件、六号功率开关器件的发射极均与八号功率开关器件的集电极连接，所述一号功率开关器件、二号功率开关器件、三号功率开关器件、四号功率开关器件、五号功率开关器件、六号功率开关器件的栅极均与主控电路信号输出端连接，所述一号功率开关器件发射极和四号功率开关器件集电极合并后连接小电感电机A相，所述三号功率开关器件发射极和六号功率开关器件集电极合并后连接小电感电机B相，所述五号功率开关器件发射极和二号功率开关器件集电极合并后连接小电感电机C相；
所述小电感电机的输出轴通过角度传感器连接主控电路的信号输入端，所述三相逆变电路的A相、B相相电流输出分别通过电流传感器连接主控电路的信号输入端。
所述角度传感器采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器
所述可调制母线电路实现高频率零电压输出，即零母线电压矢量输出。
所述一号功率开关器件、二号功率开关器件、三号功率开关器件、四号功率开关器件、五号功率开关器件、六号功率开关器件、七号功率开关器件、八号功率开关器件均由IGBT和一个反并联的续流二极管组成；
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
本发明适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，包括以下过程：
给定参数δ和h；其中，可调制母线电路的开关频率是三相逆变电路的h倍，零矢量作用时间T0缩短，设为δTs，Ts为控制器功率器件开关周期；
求出当前作用的有效矢量Vi、Vm及其作用时间Ti、Tm；
计算系数k＝(Ti+Tm)/[(1-δ)Ts]；
求出零母线电压矢量作用时间为[(k-1)(Ti+Tm)]/(1-δ)，以此为基础计算七号功率开关器件的占空比为[(k-1)(Ti+Tm)]/[(1-δ)h]；七号功率开关器件按照这个占空比进行输出，七号功率开关器件与八号功率开关器件互补工作，即七号功率开关器件导通时，八号功率开关器件关闭；七号功率开关器件关闭时，八号功率开关器件导通。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明在空间矢量控制算法基础上，提出利用改进的母线电路和逆变电路联合调制的方法实现矢量的合成，增大逆变输出的开关频率和调制度，可减小逆变电路输出电压的谐波含量以及小电感电机的电流和转矩波动。本发明对传统两电平逆变器的母线电路进行改良，提供了一种新的拓扑结构。与传统的逆变电路相比，改进的逆变电路可实现两种零矢量，一是传统逆变电路可实现的零矢量(0,0,0)和(1,1,1)，二是零母线电压矢量，即逆变电路的输入电压降为0V或者很小的值。此方法应用于以盘式无铁心永磁同步电机为代表的小电感电机的驱动上，可以很好的抑制此类电机转矩和电流波动。
附图说明
图1是本发明联合调制控制器具体实现原理图。
附图标记：1可调制母线电路；2三相逆变电路；3主控电路；4角度传感器；5电流传感器；VT1一号功率开关器件；VT2二号功率开关器件；VT3三号功率开关器件；VT4四号功率开关器件；VT5五号功率开关器件；VT6六号功率开关器件；VT7七号功率开关器件；VT8八号功率开关器件；Udc直流电源；M小电感电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器，分为功率电路和控制电路两大部分，所述功率电路由可调制母线电路1和三相逆变电路2组成，所述控制电路由主控电路3、角度传感器4和电流传感器5组成。所述可调制母线电路1的控制信号输入端连接主控电路3的信号输出端。所述三相逆变电路2控制信号输入端连接主控电路3的信号输出端。所述小电感电机M的输出轴通过角度传感器4连接主控电路3的信号输入端，所述三相逆变电路2的A相、B相相电流输出分别通过电流传感器5连接主控电路3的信号输入端。其中，所述角度传感器4可采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。
所述可调制母线电路1包括直流电源Udc、七号功率开关器件VT7和八号功率开关器件VT8，所述七号功率开关器件VT7集电极与直流电源Udc正极连接，所述八号功率开关器件VT8发射极与直流电源Udc负极连接，所述八号功率开关器件VT8集电极与七号功率开关器件VT7发射极连接。所述可调制母线电路1可实现高频率零电压输出，即零母线电压矢量输出。
所述三相逆变电路2包括一号功率开关器件VT1、二号功率开关器件VT2、三号功率开关器件VT3、四号功率开关器件VT4、五号功率开关器件VT5、六号功率开关器件VT6。所述一号功率开关器件VT1、三号功率开关器件VT3、五号功率开关器件VT5的集电极均与直流电源Udc正极连接；所述二号功率开关器件VT2、四号功率开关器件VT4、六号功率开关器件VT6的发射极均与八号功率开关器件VT8的集电极连接；所述一号功率开关器件VT1发射极和四号功率开关器件VT4集电极合并后连接小电感电机M的A相，所述三号功率开关器件VT3发射极和六号功率开关器件VT6集电极合并后连接小电感电机M的B相，所述五号功率开关器件VT5发射极和二号功率开关器件VT2集电极合并后连接小电感电机M的C相。
主控电路3共有八路PWM输出，其中两路输出给可调母线电路中的七号功率开关器件VT7和八号功率开关器件VT8，六路输出给三相电路中的一号功率开关器件VT1、二号功率开关器件VT2、三号功率开关器件VT3、四号功率开关器件VT4、五号功率开关器件VT5、六号功率开关器件VT6。具体地，所述一号功率开关器件VT1、二号功率开关器件VT2、三号功率开关器件VT3、四号功率开关器件VT4、五号功率开关器件VT5、六号功率开关器件VT6、七号功率开关器件VT7、八号功率开关器件VT8的栅极分别与主控电路3的信号输出端连接。
所述一号功率开关器件VT1、二号功率开关器件VT2、三号功率开关器件VT3、四号功率开关器件VT4、五号功率开关器件VT5、六号功率开关器件VT6、七号功率开关器件VT7、八号功率开关器件VT8均由IGBT和一个反并联的续流二极管组成。可调制母线电路1中的七号功率开关器件VT7和八号功率开关器件VT8采用高性能IGBT，可运行在高频率下(＞50kHz)，用以实现高频率的零母线电压矢量。号功率开关器件VT7和八号功率开关器件VT8采用互补工作模式，且需要有一定的死区以确保电路安全运行。当八号功率开关器件VT8断开，七号功率开关器件VT7导通时，可调制母线电路1输出为0V，即为三相逆变电路2的输入为0V，此时本发明控制器输出为零母线电压矢量；当八号功率开关器件VT8导通，七号功率开关器件VT7断开时，可调制母线电路1输出为Udc，此时本发明控制器可输出有效矢量和传统的零矢量。
控制方法采用双闭环控制方法，外环为速度环，给定转速与实际转速之差输入到速度调节单元，速度调节器的输出为转矩的给定，转矩给定经过最大转矩电流比控制单元输出对应id和iq的给定值，内环为两个电流环，分别为电流id和iq闭环，电流调节器输入值分别是给定值与测量电流的旋转坐标系下数值的差值，电流调节器的输出值分别为vd和vq，具体包括：
本发明控制器通过角度传感器4来检测转子位置信号，所测得的转子位置信息参与控制算法中的坐标变换，并且用于电机转速的计算；
根据电流传感器5测得电机定子A相电流iA、电机定子B相电流iB，结合转子位置信息进行坐标变换后得出旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
Figure BDA0002351701530000051
将上述获取的信息输入到控制器中，得到输出电压d、q轴分量vd和vq，经坐标变换后得到两相平面直角坐标下的电压输出值α、β轴分量vα和vβ；
Figure BDA0002351701530000052
根据vα和vβ可计算出合成矢量所需要的两个基本有效矢量Vi和Vm及其作用时间Ti和Tm，零矢量作用时间为T0＝Ts-Ti-Tm。具体如下所述：
判断扇区：
设扇区为变量N，临时矢量tmp1、tmp2、tmp3、tmpN，
Figure BDA0002351701530000061
Figure BDA0002351701530000062
各扇区有效矢量作用时间：
Figure BDA0002351701530000063
表1
Figure BDA0002351701530000064
本发明适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，将零矢量作用时间分成两部分，一部分是传统零矢量，由逆变电路独立完成，即上桥臂全导通(1,1,1)或者下桥臂全导通(0,0,0)；另一部分为零母线电压矢量，由可调制母线电路独立完成，且不受逆变电路状态影响。利用母线上的高性能功率器件，可以较高的开关频率实现零母线矢量，以此等效增大逆变输出频率，设可调制母线电路的开关频率是逆变电路的h倍。
为达成上述目的，需将传统零矢量作用时间缩短，设为δTs，其中δ是修改后，传统零矢量占空比，需实际情况人为设置参数δ和h，改变此变量可改变整个系统性能。求出当前作用的有效矢量Vi、Vm及其作用时间Ti、Tm。
假设逆变电路产生的有效矢量作用时间为原先的k倍，即有效矢量作用时间之和为k(Ti+Tm)＝(1-δ)Ts，逆变电路有效矢量时长增加了(k-1)(Ti+Tm)，因此需要零母线电压来完成合成矢量幅值的调整。计算系数k＝[(1-δ)Ts]/(Ti+Tm)。为了方便实现，在一个采样周期内，母线电路的开关占空比保持不变，且均匀分布在整个采样周期内，因此零母线电压矢量和传统零矢量有重合部分，即两者作用效果重合，求出零母线电压矢量作用时间为[(k-1)(Ti+Tm)]/(1-δ)。在h个母线电路开关周期内完成，可以得出在每个可调制母线电路调制占空比为[(k-1)(Ti+Tm)]/[(1-δ)h]。七号功率开关器件VT7按照这个占空比进行输出，八号功率开关器件VT8与七号功率开关器件VT7互补工作，即七号功率开关器件导通时，八号功率开关器件关闭；七号功率开关器件关闭时，八号功率开关器件导通。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，其特征在于，基于适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器的具体实现过程如下：
给定参数δ和h；其中，0≤δ≤1，h是大于0的整数，可调制母线电路的开关频率是三相逆变电路的h倍，零矢量作用时间T0缩短，设为δTs，Ts为控制器功率器件开关周期；
求出当前作用的有效矢量Vi、Vm及其作用时间Ti、Tm；
计算系数k＝(Ti+Tm)/[(1-δ)Ts]；
求出零母线电压矢量作用时间为[(k-1)(Ti+Tm)]/(1-δ)，以此为基础计算七号功率开关器件的占空比为[(k-1)(Ti+Tm)]/[(1-δ)h]；七号功率开关器件按照这个占空比进行输出，七号功率开关器件与八号功率开关器件互补工作，即七号功率开关器件导通时，八号功率开关器件关闭；七号功率开关器件关闭时，八号功率开关器件导通。
2.根据权利要求1所述的适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，其特征在于，所述适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器由功率电路和控制电路组成，所述功率电路由可调制母线电路(1)和三相逆变电路(2)组成，所述控制电路由主控电路(3)、角度传感器(4)和电流传感器(5)组成；
所述可调制母线电路(1)包括直流电源(Udc)、七号功率开关器件(VT7)和八号功率开关器件(VT8)，所述七号功率开关器件(VT7)集电极与直流电源(Udc)正极连接，所述七号功率开关器件(VT7)栅极与主控电路(3)信号输出端连接，所述八号功率开关器件(VT8)发射极与直流电源(Udc)负极连接，所述八号功率开关器件(VT8)栅极与主控电路(3)信号输出端连接，所述八号功率开关器件(VT8)集电极与七号功率开关器件(VT7)发射极连接；
所述三相逆变电路(2)包括一号功率开关器件(VT1)、二号功率开关器件(VT2)、三号功率开关器件(VT3)、四号功率开关器件(VT4)、五号功率开关器件(VT5)、六号功率开关器件(VT6)，所述一号功率开关器件(VT1)、三号功率开关器件(VT3)、五号功率开关器件(VT5)的集电极均与直流电源(Udc)正极连接，所述二号功率开关器件(VT2)、四号功率开关器件(VT4)、六号功率开关器件(VT6)的发射极均与八号功率开关器件(VT8)的集电极连接，所述一号功率开关器件(VT1)、二号功率开关器件(VT2)、三号功率开关器件(VT3)、四号功率开关器件(VT4)、五号功率开关器件(VT5)、六号功率开关器件(VT6)的栅极均与主控电路(3)信号输出端连接，所述一号功率开关器件(VT1)发射极和四号功率开关器件(VT4)集电极合并后连接小电感电机(M)的A相，所述三号功率开关器件(VT3)发射极和六号功率开关器件(VT6)集电极合并后连接小电感电机(M)的B相，所述五号功率开关器件(VT5)发射极和二号功率开关器件(VT2)集电极合并后连接小电感电机(M)的C相；
所述小电感电机(M)的输出轴通过角度传感器(4)连接主控电路(3)的信号输入端，所述三相逆变电路(2)的A相、B相相电流输出分别通过电流传感器(5)连接主控电路(3)的信号输入端。
3.根据权利要求2所述的适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，其特征在于，所述角度传感器(4)采用旋转变压器或光电编码器或磁电编码器。
4.根据权利要求2所述的适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制控制器，其特征在于，所述可调制母线电路(1)实现高频率零电压输出，即零母线电压矢量输出。
5.根据权利要求2所述的适用小电感电机的母线和逆变电路联合调制策略，其特征在于，所述一号功率开关器件(VT1)、二号功率开关器件(VT2)、三号功率开关器件(VT3)、四号功率开关器件(VT4)、五号功率开关器件(VT5)、六号功率开关器件(VT6)、七号功率开关器件(VT7)、八号功率开关器件(VT8)均由IGBT和一个反并联的续流二极管组成。
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