CN113381671A - 开放式绕组永磁同步电机调制方法、装置及可读存储介质 - Google Patents

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钟黎萍
胡松
张水平
杨浩东
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Abstract

本发明公开了一种开放式绕组永磁同步电机调制方法、装置及可读存储介质，包括：自动调整步骤，调整电机参考相电压在两个逆变器上的分配比例，在每一相都产生一个与三电平逆变器中性点不平衡电压极性相反的中性点电流，从而在中性点电压不平衡时快速恢复平衡；保持步骤，与自动调整步骤同时，保证在任意采样周期，零序电压的平均值为零，抑制零序电流。本发明无需注入零序电压就能在任何运行条件下恢复和维持三电平逆变器中性点电压的平衡；在任意采样周期保证零序电流平均值为零。

Description

开放式绕组永磁同步电机调制方法、装置及可读存储介质
技术领域
本发明涉及电机运动与控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机转子脉宽调制(PWM)。
背景技术
开放式绕组(open-end winding，OEW)永磁同步电机是把将传统的星形连接绕组的中性点拆开，从而三相绕组相互独立的永磁同步电机。开放式绕组永磁同步电机采用双逆变器供电，这两个逆变器可以共用一个电源(称为共母线双逆变器)，也可以独立供电(称为隔离母线双逆变器)。逆变器可以是普通的两电平逆变器，也可以是多电平逆变器。一般而言，共母线双逆变器仅需一个电源，结构简单；多电平逆变器输出电压质量高。因此，开放式绕组采用共母线双三电平逆变器馈电，具有更好的应用前景，本发明即针对此类电机。
双逆变器馈电的开放式绕组永磁同步电机三相电流能够独立控制，电压利用率高，容错能力强，能用较少的器件得到较多的输出电平，运行性能好，因此具有良好的应用价值，特别是在电动汽车的驱动领域。
共母线双三电平逆变器馈电的开放式绕组永磁同步电机的正常运行需要解决两个问题：一是三电平逆变器中性点电压的平衡；二是零序电流的抑制。三电平逆变器中性点电压的平衡是一个普遍的问题，对单逆变器系统，已有众多的方法加以解决。但这些方法对双逆变器系统并不适用。此外，由于共母线双逆变器系统不存在三相绕组电流之和为零的约束，因此容易产生零序电流(即三相电流的平均值)。零序电流不产生转矩，只侵占逆变器容量，需要尽量抑制。
鉴于上述情况，有必要改进永磁同步电机的调制方法。为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
1、本发明的目的
本发明的目的在于提供一种能在任何运行条件下恢复和维持三电平逆变器中性点电压的平衡，并且能抑制零序电流的共母线双三电平逆变器馈电的开放式绕组永磁同步电机调制方法。
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种开放式绕组永磁同步电机调制方法，包括：
自动调整步骤，调整电机参考相电压在两个逆变器上的分配比例，在每一相都产生一个与三电平逆变器中性点不平衡电压极性相反的中性点电流，从而在中性点电压不平衡时快速恢复平衡；
保持步骤，与自动调整步骤同时，保证在任意采样周期，零序电压的平均值为零，抑制零序电流。
更进一步，根据电机参考电压，计算x相参考电压的最大调整量；
计算出中性点电压不平衡系数；
计算逆变器1和逆变器2的参考电压基础上所作的调整量；
计算逆变器1和逆变器2的参考电压；
通过逆变器参考电压与三角载波进行比较产生驱动信号。
更进一步，根据电机参考电压，计算x相参考电压的最大调整量|Δuxrmax|：
Figure BDA0003158441020000021
(x＝a，b，c)
Udc为直流链接电压，uxr是逆变器的参考电压，a，b，c为三相。
更进一步，计算出中性点电压不平衡系数k：
Figure BDA0003158441020000022
Uc1、Uc2是两个直流链接电容的电压，uNP为中性点电压。
更进一步，计算逆变器1和逆变器2的参考电压基础上所作的调整量Δuxr：
Δuxr＝sgn(uxr)sgn(ix)k|Δuxrmax|
(x＝a，b，c)
式中，sgn(x)是符号函数，其值为：
Figure BDA0003158441020000031
更进一步，计算出逆变器1的参考电压uxr1和逆变器2的参考电压uxr2：
Figure BDA0003158441020000032
(x＝a，b，c)
Δuxr是对uxr1与uxr2所作的调整量。
更进一步，改变Δuxr的大小和方向，将得到不同的中性点电流
Figure BDA0003158441020000035
从而可以控制中性点电压；如果Δuxr的取值满足下式，则中性点电压能自动回复并维持平衡：
Δuxr＝sgn(uxr)sgn(ix)k|Δuxrmax|
式中ix为永磁同步电机x相的相电流。
更进一步，
Figure BDA0003158441020000033
中性点电流
Figure BDA0003158441020000034
永远与中性点电压uNP的极性相反，从而将消除uNP，直至uNP＝0，恢复中性点电压的平衡。
本发明公开了一种开放式绕组永磁同步电机调制装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如所述的方法步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述的方法步骤。
3、本发明所采用的有益效果
1)本发明利用开放式绕组永磁同步电机三相独立的优点，通过自动调整电机参考相电压在两个逆变器上的分配比例，在每一相都产生一个与三电平逆变器中性点不平衡电压极性相反的中性点电流，从而在中性点电压不平衡时快速恢复平衡；在中性点电压平衡时永远维持这种平衡。与此同时，保证在任意采样周期，零序电压的平均值为零，以抑制零序电流。
2)本发明无需注入零序电压就能在任何运行条件下恢复和维持三电平逆变器中性点电压的平衡。
3)本发明在任意采样周期保证零序电流平均值为零。
附图说明
图1为共母线双三电平逆变器馈电的开放式绕组永磁同步电机拓扑；
图2为载波比较示意图；
图3为中性点电流控制示意图；
图4为零序电流抑制示意图；
图5为控制框图；
图6为中性点电压平衡波形；
图7为零序电压和零序电流波形。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
本发明能在任何运行条件下恢复和维持三电平逆变器中性点电压的平衡，并且能抑制零序电流的共母线双三电平逆变器馈电的开放式绕组永磁同步电机调制方法，利用开放式绕组永磁同步电机三相独立的优点，通过自动调整电机参考相电压在两个逆变器上的分配比例，在每一相都产生一个与三电平逆变器中性点不平衡电压极性相反的中性点电流，从而在中性点电压不平衡时快速恢复平衡；在中性点电压平衡时永远维持这种平衡。与此同时，保证在任意采样周期，零序电压的平均值为零，以抑制零序电流。
1、中性点电压平衡原理
首先定义中性点电压uNP：
uNP＝Uc1-Uc2 (1)
Uc1、Uc2是两个直流链接电容的电压(参见图1)。
中性点电流会引起中性点电压的变化，从而影响中性点电压的平衡：
Figure BDA0003158441020000051
其中ΔuNP是uNP的变化量，
Figure BDA0003158441020000052
是一个采样周期内流出中性点o的平均电流，Ts为采样周期，C为直流链接电容的电容量。
Figure BDA0003158441020000053
分别是逆变器1、逆变器2所产生的中性点电流。
中性点电流在输出电平为0电平时才会产生。根据三电平逆变器载波比较调制原理可知(参见图2)，一个采样周期内，中性点电流平均值与逆变器的参考电压及相电流相关，即：
Figure BDA0003158441020000054
式中，uxr1、uxr2分别是逆变器1和逆变器2的参考电压(x＝a,b,c)。参考电压与三角载波相比较将产生开关器件的驱动信号。对双逆变器系统，uxr1和uxr2需满足：
uxr＝uxr1-uxr2 (4)
式中，uxr是开放式绕组永磁同步电机的参考相电压。
对于双逆变器系统，由于有：
ix1＝-ix2＝ix (5)
式中ix为永磁同步电机x相的相电流。
把(5)和(3)代入(2)得到：
Figure BDA0003158441020000055
由(6)可知，当|uxr2|＝|uxr1|时，
Figure BDA0003158441020000056
从而ΔuNP＝0，中性点电压将维持原有状态。也就是说，如果初始中性点电压是平衡的，即uNP＝0，则当电机的参考相电压在两个逆变器之间按照下式分配时，中性点电压将永远维持平衡：
Figure BDA0003158441020000061
如果中性点电压处于不平衡状态，即uNP≠0时，为了恢复平衡，需要中性点电流产生一个与uNP极性相反的ΔuNP，这可以通过调整uxr在uxr1与uxr2之间的分配关系而实现(参见图3)。即：
Figure BDA0003158441020000062
式中，Δuxr是在(7)的基础上对uxr1与uxr2所作的调整量。改变Δuxr的大小和方向，将得到不同的中性点电流
Figure BDA0003158441020000063
从而可以控制中性点电压。如果Δuxr的取值满足下式，则中性点电压能自动回复并维持平衡：
Δuxr＝sgn(uxr)sgn(ix)k|Δuxrmax| (9)
式中，sgn(x)是符号函数，其值为：
Figure BDA0003158441020000064
k是中性点电压不平衡系数，定义为：
Figure BDA0003158441020000065
|Δuxrmax|是x相参考电压的最大调整量，其值为：
Figure BDA0003158441020000066
把(8)、(9)、(10)、(11)和(12)代入(6)可得到：
Figure BDA0003158441020000067
式(13)说明，中性点电流
Figure BDA0003158441020000068
永远与中性点电压uNP的极性相反，从而将消除uNP，直至uNP＝0，恢复中性点电压的平衡。一旦平衡后，k＝0，(9)式变化为(7)式，中性点电压永远维持平衡。上述恢复与维持平衡的过程，与调制指数的大小无关，也与功率因数无关，适用于任何运行状态。
2、零序电流抑制原理
以uar1＞ucr2＞ubr2＞0＞ubr1＞ucr1＞uar2为例，可分析调制过程中产生的零序电压(参见图4)。
从图可见，一个周期内，零序电压uz的波形为正负尖脉冲，脉冲持续时间如表1所示。
表1零序电压尖脉冲持续时间及对应的值
Figure BDA0003158441020000071
一个周期内，零序电压平均值为：
Figure BDA0003158441020000072
把表1中的值代入(14)，可求得：
Figure BDA0003158441020000073
从而零序电流平均值为也将为零。
3、调制算法步骤(参见图5)
1)测量转速n、转为位置θ、电机相电流ia、ib、ic
2)采用普通的矢量控制求出电机参考相电压uar、ubr、ucr
3)根据式(12)计算出|Δuxrmax|
4)测量直流链接电容电压Uc1、Uc2
5)根据式(11)计算出不平衡系数k
6)根据式(10)和(9)计算出Δuxr
7)根据式(8)计算出逆变器参考电压uxr1、uxr2
8)采用普通的三电平逆变器载波比较方法产生驱动信号Sxi和Sx′i(x＝a,b,c；i＝1,2,3,4，参见图5)
9)下一周期重复1)。
中性点电压平衡效果参见图6，零序电流抑制效果参见图7。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，包括：
自动调整步骤，调整电机参考相电压在两个逆变器上的分配比例，在每一相都产生一个与三电平逆变器中性点不平衡电压极性相反的中性点电流，从而在中性点电压不平衡时快速恢复平衡；
保持步骤，与自动调整步骤同时，保证在任意采样周期，零序电压的平均值为零，抑制零序电流。
2.根据权利要求1所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，自动调整步骤：
根据电机参考电压，计算x相参考电压的最大调整量；
计算出中性点电压不平衡系数；
计算逆变器1和逆变器2的参考电压基础上所作的调整量；
计算逆变器1和逆变器2的参考电压；
通过逆变器参考电压与三角载波进行比较产生驱动信号。
3.根据权利要求1或2所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，根据电机参考电压，计算x相参考电压的最大调整量|Δuxrmax|：
Figure FDA0003158441010000011
(x＝a，b，c)
Udc为直流链接电压，uxr是逆变器的参考电压，a，b，c为三相。
4.根据权利要求3所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，计算出中性点电压不平衡系数k：
Figure FDA0003158441010000012
Uc1、Uc2是两个直流链接电容的电压，uNP为中性点电压。
5.根据权利要求4所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，计算逆变器1和逆变器2的参考电压基础上所作的调整量Δuxr：
Δuxr＝sgn(uxr)sgn(ix)k|Δuxrmax|
(x＝a，b，c)
式中，sgn(x)是符号函数，其值为：
Figure FDA0003158441010000021
6.根据权利要求5所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，计算出逆变器1的参考电压uxr1和逆变器2的参考电压uxr2：
Figure FDA0003158441010000022
(x＝a，b，c)
Δuxr是对uxr1与uxr2所作的调整量。
7.根据权利要求6所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，改变Δuxr的大小和方向，将得到不同的中性点电流
Figure FDA0003158441010000023
从而可以控制中性点电压；如果Δuxr的取值满足下式，则中性点电压能自动回复并维持平衡：
Δuxr＝sgn(uxr)sgn(ix)k|Δuxrmax|
式中ix为永磁同步电机x相的相电流。
8.根据权利要求7所述的开放式绕组永磁同步电机调制方法，其特征在于，
Figure FDA0003158441010000024
中性点电流
Figure FDA0003158441010000025
永远与中性点电压uNP的极性相反，从而将消除uNP，直至uNP＝0，恢复中性点电压的平衡。
9.一种开放式绕组永磁同步电机调制装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，其特征在于；所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-8任一所述的方法步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一所述的方法步骤。
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