CN111224594B - 一种高效率低纹波电机驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率低纹波电机驱动方法，以直流电源通过由一个高频开关器件、一个高频二极管和六个低频开关器件组成的逆变器对电机进行驱动控制。解耦算法将交流电机的转矩分量和励磁分量解耦，转矩分量利用高频开关器件高频斩波进行控制，从而获取低纹波高精度的电磁转矩控制效果；六个低频开关器件用于控制励磁分量，可工作于低开关频率状态，减小开关损耗。本发明所提出的驱动方法可同时实现获取更高的转矩控制精度和提高系统工作效率，具有一定的应用价值。

Description

一种高效率低纹波电机驱动方法

技术领域

本发明涉及电力传动技术领域，尤其涉及一种高效率低纹波电机驱动方法。

背景技术

电机纹波是影响电机高性能运行的一大重要因素，其会引起转矩脉动、增加电机的运行噪声、轴承损伤和整体损耗，加快温升，缩短电机的使用寿命，严重时电机定、转子损耗过大，电机发热严重，对电机造成不可逆损伤。因此，出现了改进逆变器调制策略、增加滤波器、提高逆变器开关频率、改进逆变器拓扑结构等研究路线以降低定子电流纹波，但其控制效果不佳：

1.改进逆变器调制策略多采用同步调制，其只能解决低载频比下的非周期不对称现象，降低定子电流低次纹波含量，但依然受功率器件可用开关频率影响，减小纹波的能力有限，会在一定程度增大未消除的高次纹波含量；

2.增加滤波器以体积、重量和附加损耗为代价降低了定子电流纹波，但无法完全滤除，未滤除的纹波依然存在甚至加重，引发系统串并联谐振；

3.提高逆变器可用开关频率能有效降低定子电流纹波，但会带来成本的大幅度增加和EMI、共模电压、桥臂串扰等问题；

4.改进逆变器拓扑结构主要有软开关逆变器、多电平逆变器、电流源型逆变器和两级式逆变器，但其往往增加了元器件数量，增大了电机驱动系统控制难度，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种高效率低纹波电机驱动方法，能够将电机电磁转矩分量和励磁分量从逆变器拓扑上进行解耦，前级高频斩波控制电机电磁转矩，减小定子电流纹波和电机转矩脉动，后级低频控制电机磁链方向，降低后级功率器件的开关频率和开关损耗，提高系统效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高效率低纹波电机驱动方法，设置驱动模块以驱动交流电机，所述驱动模块包含高频开关器件、高频二极管、以及第一至第六低频开关器件；所述第一至第六低频开关器件组成三相全桥逆变器构成后级低频开关模块；所述高频开关器件与高频二极管串联构成前级高频开关模块，且高频二极管和所述三相全桥逆变器并联；所述三相全桥逆变器的三相输出端和所述交流电机的三相输入端对应相连；所述驱动模块的驱动方法如下：

步骤1)，采样交流电机的输入电流信号和输入电压信号；

步骤2)，获取交流电机的实时位置角；

步骤3)，对交流电机的输入电流信号、输入电压信号进行数学处理，解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值；

步骤4)，由预先给定的电磁转矩分量基准值和电磁转矩分量实际值，通过转矩分量误差计算得到两者之间的误差，再将该转矩误差通过转矩分量误差调节器得到前级高频开关模块的开关信号，前级高频斩波控制电机电磁转矩；

步骤5)，由预先给定的励磁分量基准值和励磁分量实际值，通过励磁分量误差计算得到两者之间的误差，再将该励磁分量误差通过励磁分量误差调节器得到补偿角；

步骤6)，根据补偿角和交流电机的实际位置角，调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号，后级低频工作控制电机励磁分量；

步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得电机电磁转矩分量实际值和励磁分量实际值分别跟踪电机电磁转矩分量基准值和励磁分量基准值。

作为本发明一种高效率低纹波电机驱动方法进一步的优化方案，所述步骤2)中通过在交流电机中设置位置传感器来计算交流电机的实时位置角。

作为本发明一种高效率低纹波电机驱动方法进一步的优化方案，所述步骤2)中根据交流电机的输入电流和输入电压采用无位置算法来计算交流电机的实时位置角。

作为本发明一种高效率低纹波电机驱动方法进一步的优化方案，所述步骤3)中通过坐标变换法解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值。

作为本发明一种高效率低纹波电机驱动方法进一步的优化方案，所述步骤6)中通过SPWM和SVPWM异步调制策略、同步SVPWM、多脉冲SVPWM、中间60°同步调制、特定谐波消除PWM、谐波电流最小PWM、转矩脉动最小PWM、效率最优PWM、六步调制的任意一种调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.从逆变器拓扑结构上将电机电磁转矩分量和励磁分量解耦，前、后级近似独立控制；

2.前级高频斩波控制电机转矩分量，减小了电流纹波和转矩脉动，实现高精度电磁转矩控制；后级低频控制电机励磁分量，控制磁链方向，降低了后级逆变器开关频率和开关损耗，提高了系统的整体效率；

3.前级采用一个高频开关器件和一个高频二极管，附加成本较低，未构成桥臂，避免了桥臂串扰等问题；

4.后级逆变器离线存储恒定调制比下开关角，避免了其在线求解困难、离线存储全调制比下开关角存储量过大的问题。随着转速的变化，可切换后级载频比进一步减小后级开关频率，降低开关损耗，提高系统效率。

附图说明

图1为本发明驱动系统控制算法框图；

图2为本发明驱动方法用于表贴式永磁同步电机一种实施方式控制框图；

图3为后级逆变器载频比随转速切换的一种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种高效率低纹波电机驱动方法，设置驱动模块以驱动交流电机，所述驱动模块包含高频开关器件、高频二极管、以及第一至第六低频开关器件；所述第一至第六低频开关器件组成三相全桥逆变器构成后级低频开关模块；所述高频开关器件与高频二极管串联构成前级高频开关模块，且高频二极管和所述三相全桥逆变器并联；所述三相全桥逆变器的三相输出端和所述交流电机的三相输入端对应相连。

所述驱动模块的驱动方法如下：

步骤1)，采样交流电机的输入电流信号和输入电压信号；

步骤2)，获取交流电机的实时位置角；

步骤3)，对交流电机的输入电流信号、输入电压信号进行数学处理，解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值；

步骤4)，由预先给定的电磁转矩分量基准值和电磁转矩分量实际值，通过转矩分量误差计算得到两者之间的误差，再将该转矩误差通过转矩分量误差调节器得到前级高频开关模块的开关信号，前级高频斩波控制电机电磁转矩；

步骤5)，由预先给定的励磁分量基准值和励磁分量实际值，通过励磁分量误差计算得到两者之间的误差，再将该励磁分量误差通过励磁分量误差调节器得到补偿角；

步骤6)，根据补偿角和交流电机的实际位置角，调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号，后级低频工作控制电机励磁分量；

步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得电机电磁转矩分量实际值和励磁分量实际值分别跟踪电机电磁转矩分量基准值和励磁分量基准值。

步骤2)中可以通过在交流电机中设置位置传感器来计算交流电机的实时位置角，也可以根据交流电机的输入电流和输入电压采用无位置算法来计算交流电机的实时位置角。

所述步骤3)中通过现有的励磁分量和转矩分量解耦计算方法中的任意一种解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值，譬如坐标变换法。

所述步骤6)中通过SPWM和SVPWM异步调制策略、同步SVPWM、多脉冲SVPWM、中间60°同步调制、特定谐波消除PWM、谐波电流最小PWM、转矩脉动最小PWM、效率最优PWM、六步调制的任意一种调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号。

图2针对表贴式永磁同步电机给出一种具体的实施方式控制框图。对于表贴式永磁同步电机由于电磁转矩与q轴电流i_q成正比，可利用坐标变换法将三相定子电流变换到两相旋转坐标系下，将电机励磁分量和转矩分量通过d、q轴电流解耦，前级高频斩波控制q轴电流即控制电磁转矩，后级令励磁分量基准值d轴电流为零，控制励磁分量，即控制定子磁链方向，逆变器前后级解耦独立控制，其具体步骤如下：

步骤1)，采样表贴式永磁同步电机输入电流信号和输入电压信号；

步骤2)，获取表贴式永磁同步电机实时位置角θ；

步骤3)，对采样得到的三相输入电流信号进行数学处理，通过坐标变换得到旋转坐标系下d、q轴电流i_d、i_q，即电机励磁分量实际值i_d和电磁转矩分量实际值i_q；

步骤4)，由给定转速基准值ω^*和转速实际值ω，通过转速误差计算得到两者之间的转速误差Δω，再将转速误差通过转速环调节器得到电机电磁转矩分量基准值i_q ^*。由给定电磁转矩分量基准值i_q ^*和电磁转矩分量实际值i_q，通过转矩分量误差计算得到两者之间的误差Δi_q，再将该转矩误差通过转矩分量误差调节器得到前级高频开关模块的开关信号，前级高频斩波控制电机电磁转矩分量i_q；

步骤5)，给定励磁分量基准值i_d ^*＝0和励磁分量实际值i_d，通过励磁分量误差计算得到两者之间的误差Δi_d，再将该励磁分量误差通过励磁分量误差调节器得到补偿角β；

步骤6)，根据转子实际位置角θ和补偿角β，经由调制算法得到后级低频开关模块各功率器件开关状态，后级低频工作控制电机励磁分量i_d；

步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得电机电磁转矩分量实际值i_q和励磁分量实际值i_d分别跟踪电机电磁转矩分量基准值i_q ^*和励磁分量基准值i_d ^*。

作为本发明一种高效率低纹波电机驱动方法进一步的优化方案，所述交流电机为同步电机、异步电机中的任意一种，对于不同类型电机其控制框图、解耦算法、励磁分量计算和转矩分量计算略有差别；所述转矩分量基准值可以为图2所示的转速环输出，亦可为定值和其他输出给定；所述的获取实时位置角的方法可以为位置传感器采样，亦可以采用任意一种现有的无位置算法根据采样得到电信号进行计算；所述的励磁和转矩分量解耦计算为现有的励磁分量和转矩分量解耦计算方法中的任意一种，例如在图2表贴式永磁同步电机中所用的坐标变换法；所述调制算法采用的调制策略为SPWM和SVPWM等异步调制策略，多脉冲SVPWM、同步SVPWM、中间60°同步调制、特定谐波消除PWM、谐波电流最小PWM、转矩脉动最小PWM、效率最优PWM等同步调制策略和六步调制的任意一种。

同时，后级逆变器离线存储恒定调制比下开关角，避免了其在线求解困难，离线存储全调制比下开关角存储量过大的问题。随着转速的变化，可以切换后级载频比进一步减小后级开关频率，减小开关损耗，提高整体效率，图3以异步调制切换特定次谐波消除PWM为例给出一种后级载频比切换的实施方式。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高效率低纹波电机驱动方法，其特征在于，设置驱动模块以驱动交流电机，所述驱动模块包含高频开关器件、高频二极管、以及第一至第六低频开关器件；所述第一至第六低频开关器件组成三相全桥逆变器构成后级低频开关模块；所述高频开关器件与高频二极管串联构成前级高频开关模块，且高频二极管和所述三相全桥逆变器并联；所述三相全桥逆变器的三相输出端和所述交流电机的三相输入端对应相连；所述驱动模块的驱动方法如下：

步骤1），采样交流电机的输入电流信号和输入电压信号；

步骤2），获取交流电机的实时位置角；

步骤3），对交流电机的输入电流信号、输入电压信号进行数学处理，解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值；

步骤4），由预先给定的电磁转矩分量基准值和电磁转矩分量实际值，通过转矩分量误差计算得到两者之间的误差，再将该误差通过转矩分量误差调节器得到前级高频开关模块的开关信号，前级高频斩波控制电机电磁转矩；

步骤5），由预先给定的励磁分量基准值和励磁分量实际值，通过励磁分量误差计算得到两者之间的误差，再将该励磁分量误差通过励磁分量误差调节器得到补偿角；

步骤6），根据补偿角和交流电机的实际位置角，调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号，后级低频工作控制电机励磁分量；

步骤7），重复步骤1）至步骤6），使得电机电磁转矩分量实际值和励磁分量实际值分别跟踪电机电磁转矩分量基准值和励磁分量基准值。

2.根据权利要求1所述的高效率低纹波电机驱动方法，其特征在于，所述步骤2）中通过在交流电机中设置位置传感器来计算交流电机的实时位置角。

3.根据权利要求1所述的高效率低纹波电机驱动方法，其特征在于，所述步骤2）中根据交流电机的输入电流和输入电压采用无位置算法来计算交流电机的实时位置角。

4.根据权利要求1所述的高效率低纹波电机驱动方法，其特征在于，所述步骤3）中通过坐标变换法解耦计算得到电机励磁分量实际值和电机电磁转矩分量实际值。

5.根据权利要求1所述的高效率低纹波电机驱动方法，其特征在于，所述步骤6）中通过SPWM和SVPWM异步调制策略、多脉冲SVPWM、同步SVPWM、中间60°同步调制、特定谐波消除PWM、谐波电流最小PWM、转矩脉动最小PWM、效率最优PWM、六步调制的任意一种调制得到后级低频开关模块中第一至第六低频开关器件的开关信号。

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