CN114157194B

CN114157194B - 一种最大调制圆内无盲区的永磁同步电机相电流重构方法

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Publication number: CN114157194B
Application number: CN202110707818.7A
Authority: CN
Inventors: 鲁家栋; 宋宇格; 胡义华
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2041-06-25
Also published as: CN114157194A

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步电机驱动系统的相电流重构方法，尤其是涉及一种基于母线电流传感器最大调制圆内无盲区的永磁同步电机相电流重构方法。该方法首先提取需要生成的电压矢量的特征：所属扇区、在α‑β坐标系上投影的标幺值；转换电压矢量到扇区Ⅰ；细分扇区Ⅰ；选择区域n对应的基本电压矢量；计算各个矢量的作用时间计算；生成V_ref’对应的波形；转换为V_ref对应的PWM波；确定电流采样点位置并获得采样的电流值I_OSP和I_TSP；确定反馈相电流名称及大小。该方法进行相电流重构，当设定合理采样时间(t＜T_s/8)，可消除最大调制圆内的所有盲区；可以消除分时采样误差；一定程度上减少整个系统的损耗；方法统一，实现简单。

Description

一种最大调制圆内无盲区的永磁同步电机相电流重构方法

所属技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步电机驱动系统的相电流重构方法，尤其是涉及一种基于母线电流传感器最大调制圆内无盲区的永磁同步电机相电流重构方法。

背景技术

在永磁同步电机驱动系统中，相电流重构技术-仅使用一个电流传感器重构三相相电流的技术被广泛采用。利用不同开关状态下电流传感器的采样信息，直接或间接地得到电机的三相电流值。该技术无需相电流传感器，在节省成本和减小体积的同时，还避免了各个相电流传感器之间测量不平衡问题，提高了系统的精度。

但是该方法在实际运用时，输出电压矢量调制区内会产生盲区，并且采样电流的精度也会有所降低。

盲区问题是由最小采样时间(t)的存在造成的。t主要包括：电机电感耗费时间、开关设备的导通延迟时间、同一桥臂中两个开关设备的死区时间、以及达到数模转换器稳态后的额外转换时间。当采样矢量的作用时间小于t时，电压矢量进入盲区，此时，电流传感器无法对电流进行精确采样，三相电流也无法准确重构。很多研究通过修改传统的七段式矢量控制算法消除盲区，主要方法可分成三种：测量矢量注入法、PWM移相法和混合法。测量矢量注入法[相关方法在文献1中有记载，文献1为H.Kim and T.M.Jahns,“Phase currentreconstruction for AC motor drives using a DC link single current sensor andmeasurement voltage vectors,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.21,no.5,pp.1413–1419,Sept.2006.(期刊论文)]在传统的控制方法中用三个矢量和为零的有效测量矢量代替原有的部分零矢量，并在测量矢量作用时进行采样。该方法要求有效矢量的作用时间均大于t，因此，导致正常调制区的区域缩小。PWM移相法[相关方法在文献2中有记载，文献2为S.Yang,“Saliency-Basedposition estimation ofpermanent-magnet synchronousmachines using square-wave voltage injection with a single current sensor,”IEEE Trans.Ind.Appl.,vol.51,no.2,pp.1561–1571,Mar./Apr.2015.(期刊论文)]在不改变占空比的情况下移动PWM波，使采样矢量的作用时间大于t。但此方法在某些区域会产生饱和现象，消除效果不佳。为解决测量矢量注入法和PWM移相法的缺陷，混合法[相关方法在文献3中有记载，文献3为J.Lu,X.Zhang,Y.Hu,J.Liu,C.Gan,and Z.Wang, “Independentphase current reconstruction strategy for IPMSM sensorless control withoutusing null switching states,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.65,no.6,pp.4492–4502,Jun.2018.(期刊论文)]被提出。此方法重新划分扇区，并且用了全新的矢量控制策略进行重构。此方法虽然一定程度上减小了盲区的面积，但是正常调制圆的半径也有所减小，并受t的严格限制。

在提高相电流测量精度方面，使用一个电流传感器避免了传感器之间误差不确定的问题，但是同时引入了分时采样误差问题。分时采样误差是由于三相电流无法在同一时刻获得而产生的误差。目前，消除分时采样误差的方法包括电流预测法以及平均值法。

发明内容

发明目的

在使用矢量控制方法驱动永磁同步电机时，需要对电机的三相相电流进行闭环反馈。此时，要求电机驱动系统至少需要两个电流传感器。为节省系统的成本，减小系统的体积，相电流重构的方法被广泛应用。此方法可以将电流传感器的数量减少到一个，可以节省成本、减小体积、避免电流传感器之间测量不平衡问题、提高了系统的精度。但由于t的存在，输出电压矢量调制区内会产生不可避免的重构盲区。同时，在重构的过程中，无法同时得到两相电流信息，因此可能引入分时采样误差。此发明为消除最大调制圆内的盲区、消除采样过程中的分时采样误差提供一种解决方法。

技术方案

在永磁同步电机驱动系统中，逆变器的3对桥臂可以产生8个开关状态，分别对应8个电压矢量：V₀₀₀(V₀)、V₁₀₀(V₁)、V₁₁₀(V₂)、V₀₁₀(V₃)、V₀₁₁(V₄)、V₀₀₁(V₅)、V₁₀₁(V₆)、V₁₁₁(V₇)。一种三相相电流重构方法具体步骤如下：

步骤一：提取需要生成的电压矢量的特征：所属扇区、在α-β坐标系上投影的标幺值。

永磁同步电机采用闭环控制，通过比例积分控制，得到参考电压矢量V_ref。V_ref在α-β坐标系两轴上的投影记为u_α、u_β，记录它们的标幺值分别为a、b。通过a和b的值并结合公式(1)，得到V_ref所属的扇区，记为x(x＝{I,Ⅱ,Ⅲ,IV,V,Ⅵ})。

步骤二：转换电压矢量到扇区I。

利用电压矢量V_ref的标幺值a、b，V_ref的扇区信息x，利用表1进行计算，将任意扇区的 V_ref等效到扇区I中，生成V_ref’。A、B分别代表等效后α-β坐标系下的电压矢量标幺值。

表1任意扇区的V_ref等效到扇区I

步骤三：细分扇区I。

划分的边界确定：如图1(a)所示，利用以|Oa|、|Ob|、|Oc|为半径的圆弧以及直线l₀，将区域分成5个部分，分别命名为区域1-5，如图1(b)。其中，|Oa|、|Ob|、|Oc|的长度以及直线l₀的方程如公式(2)所示，其中，T_s为PWM波的周期。

根据V_ref’的模长，A、B的关系式，并结合划分区域的边界条件，确定V_ref’所属区域n(n＝{1, 2,3,4,5})，确定过程可查阅表2。

表2判断V_ref’所属区域的规则

步骤四：选择区域n对应的基本电压矢量。

区域n所使用的基本电压矢量被分为两部分：采样矢量和辅助矢量。采样矢量为与扇区I 相邻的两个矢量，在采样矢量作用时，对电流进行采样。根据两个采样矢量在每个周期的采样的次数进行划分，可分别命名为一次采样矢量和两次采样矢量；同时，引入一或两个辅助矢量代替两个零矢量。区域1-5所需的各个矢量如表2所示。结合V_ref’的所属区域n，利用表 3可确定各个区域对应的一次采样矢量、两次采样矢量、辅助矢量。

表3各个区域使用的基本电压矢量

步骤五：计算各个矢量的作用时间计算。

根据A、B的值，可以计算出两次采样矢量和辅助矢量的作用时间，如表4所示。

表4两次采样矢量和辅助矢量的作用时间计算方法

步骤六：生成V_ref’对应的波形。

生成PWM波形的动作时刻和导通顺序的获得方法：动作时刻：规定第z个矢量的作用时间为T_z。在区域2-5中，T₁等于对应辅助矢量动作时间的一半，T₂等于T₁与两次采样矢量动作时间的一半之和；在区域1中，T₁＝T_V4/2，T₂＝T₁+T_V5/2,T₃＝T_s/2-T₁。翻转方式：PWM波形按照图2(a)-(e)中的顺序进行生成。在图2中，S_nA、S_nB、S_nC分别代表区域n的A、 B、C三相输出电压的PWM波形图；T_s表示PWM的载波周期。利用此方法可以得到V_ref’对应的PWM波形图。

步骤七：转换为V_ref对应的PWM波。

S_nA，S_nB，S_nC表示扇区I中V_ref’的PWM波形图，n为步骤二中V_ref’的所属区域信息。结合n和x的值，利用表5可以将V_ref’的波形变化成V_ref的波形。

表5从扇区I到任意扇区的转换关系

步骤八：确定电流采样点位置并获得采样的电流值I_OSP和I_TSP。

电流采样点共三个(图2)：TSP₁、TSP₂、OSP分别表示两次采样点1、两次采样点2、中点采样点。其中，中点采样点(OSP)位于每个PWM波的中间时刻，是对一次采样矢量作用下的电流值进行采样，采样的电流值为I_OSP；剩余的两个采样点是对两次采样矢量作用下的电流值进行采样，此时两个采样点的位置如表6所示。将TSP₁和TSP₂位置测量的电流值求平均值，得到I_TSP。

表6两次采样矢量两个采样点的位置确定

步骤九：确定反馈相电流名称及大小。

结合扇区名称x、区域信息n、表7的对应关系以及采样的电流值I_OSP和I_TSP采样的电流名称，可以确定反馈相电流的名称及大小。通过三相电流之和为0的关系，即可求出第三相的电流值，从而得到用于反馈的三相电流。

表7不同扇区区域下的采样电流对应表

有益效果

此发明方法与现有方法相比，有如下的优点：

(1)用此方法进行相电流重构，当设定合理采样时间(t＜T_s/8)，可消除最大调制圆内的所有盲区；

(2)通过对称采样法，可以测得关于PWM波对称的两个电流值，利用平均值法估计此相相电流在中间时刻的电流值，同时测量另一相相电流在中间时刻的电流值，分时采样误差可以被消除；

(3)低调制区的开关次数增多，高调制区的开关次数减小，电机一般带载运行在中、高调制区，因此，此方法可一定程度上减少整个系统的损耗；

(4)虽然此方法每个扇区分为5个区域，但是均可折合到扇区I进行矢量选取、波形产生。方法统一，实现简单。

附图说明

图1为扇区的再划分方法图，其中(a)为5个区域的划分方法，(b)为5个区域的位置说明。

图2为扇区I中的PWM的合成策略和电流采样点的位置选取，其中(a)为区域1的PWM波形，(b)为区域2的PWM波形，(c)为区域3的PWM波形，(d)为区域4的PWM波形，(e)为区域5的PWM波形。

其中：在图1(a)中，x、y、O为笛卡尔坐标系的x、y轴、原点；a、b、c为不同区域边界的交点；l₀为扇区I的角平分线。图1(b)内的1、2、3、4、5分别代表五个区域。在图 2中，S_1A、S_1B、S_1C、S_2A、S_2B、S_2C、S_3A、S_3B、S_3C、S_4A、S_4B、S_4C、S_5A、S_5B、S_5C分别代表区域1、2、3、4、5的A、B、C三相输出电压的PWM波形图；T_s表示PWM的载波周期； TSP₁、TSP₂、OSP分别表示两次采样点1、两次采样点2、中点采样点。

具体实施方式

电机在运行的过程中，设置PWM波的周期T_s＝100μs，采样时间为5μs经过闭环控制，电流反馈以及PI调节。现要在下个周期生成参考电压矢量V_ref＝-0.8+0.05j(α-β坐标系下)。利用传统的七段式SVPWM，此时参考电压落入盲区，无法进行精确的重构。现利用本发明的方法，进行如下的操作：

步骤一：通过公式(1)可以判断扇区x＝Ⅲ、a＝-0.8，b＝0.05。

步骤二：利用表1中的公式将扇区Ⅲ的V_ref等效为扇区I的V_ref’，得到A＝0.4+0.025√3， B＝0.4√3-0.025。

步骤三：根据A、B值的大小并结合公式(2)和表2，可以判断出此时V_ref’所处的区域n＝5。

步骤四：查阅表3可知，区域5的辅助矢量为V₃，一次采样矢量为V₁，两次采样矢量为V₂。

步骤五：结合表4中区域5的两次采样矢量和辅助矢量的作用时间计算方法，得到两次采样矢量作用时间T_V2＝0.6T_s，和辅助矢量作用时间T_V3＝(0.2-√3/60)T_s。

步骤六：由步骤五可算出：T₁＝T_V3/2，T₂＝T₁+T_V2/2。结合n＝5，V_ref’的PWM波形S_5A、S_5B和S_5C就可以确定，此时PWM波的翻转方式与图2(e)相同。

步骤七：x＝Ⅲ，n＝5，由扇区x和区域n的值，查阅表5可以得到生成V_ref的三个桥臂的PWM波形依次为S_5C、S_5A和S_5B。

步骤八：在OSP处进行采样，得到I_OSP；通过表6计算TSP₁和TSP₂的采样时间并在对应时间进行采样，取两个采样电流值的平均值I_TSP。

步骤九：查阅表7可知，i_B＝I_OSP、-i_A＝I_TSP。同时，第三相电流值i_C＝-i_A-i_B，即可实现电流反馈。

两次采样矢量在PWM上的被分成两段，每段的作用时间为0.3T_s，大于采样时间，可以精确采样出-i_A；一次采样矢量的作用时间为T_s-T_V2-T_V3＝(0.2+√3/60)T_s，大于采样时间，可以精确采样出i_B。此时，三相电流可以被精确重构。

Claims

1.一种最大调制圆内无盲区的永磁同步电机相电流重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：提取需要生成的电压矢量的特征：所属扇区、在α-β坐标系上投影的标幺值；

永磁同步电机采用闭环控制，通过比例积分控制，得到参考电压矢量V_ref；V_ref在α-β坐标系两轴上的投影记为u_α、u_β，记录它们的标幺值分别为a、b；通过a和b的值并结合公式(1)，得到V_ref所属的扇区，记为x，x＝{Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ}；

步骤二：转换电压矢量到扇区Ⅰ；

利用电压矢量V_ref的标幺值a、b，V_ref的扇区信息x，利用表1进行计算，将任意扇区的V_ref等效到扇区Ⅰ中，生成V_ref’；A、B分别代表等效后α-β坐标系下的电压矢量标幺值；

表1任意扇区的V_ref等效到扇区Ⅰ

步骤三：细分扇区Ⅰ；

划分的边界确定：利用以|Oa|、|Ob|、|Oc|为半径的圆弧以及直线l₀，将区域分成5个部分，分别命名为区域1-5；其中，|Oa|、|Ob|、|Oc|的长度以及直线l₀的方程如公式(2)所示，其中，T_s为PWM波的周期；

根据V_ref’的模长，A、B的关系式，并结合划分区域的边界条件，确定V_ref’所属区域n，n＝{1,2,3,4,5}，确定过程可查阅表2；

表2判断V_ref’所属区域的规则

步骤四：选择区域n对应的基本电压矢量；

区域n所使用的基本电压矢量被分为两部分：采样矢量和辅助矢量；采样矢量为与扇区Ⅰ相邻的两个矢量，在采样矢量作用时，对电流进行采样；根据两个采样矢量在每个周期的采样的次数进行划分，可分别命名为一次采样矢量和两次采样矢量；同时，引入一或两个辅助矢量代替两个零矢量；区域1-5所需的各个矢量如表3所示；结合V_ref’的所属区域n，利用表3可确定各个区域对应的一次采样矢量、两次采样矢量、辅助矢量；

表3各个区域使用的基本电压矢量

步骤五：计算各个矢量的作用时间计算；

根据A、B的值，可以计算出两次采样矢量和辅助矢量的作用时间，如表4所示；

表4两次采样矢量和辅助矢量的作用时间计算方法

步骤六：生成V_ref’对应的波形；

生成PWM波形的动作时刻和导通顺序的获得方法：动作时刻：规定第z个矢量的作用时间为T_z；在区域2-5中，T₁等于对应辅助矢量动作时间的一半，T₂等于T₁与两次采样矢量动作时间的一半之和；在区域1中，T₁＝T_V4/2，T₂＝T₁+T_V5/2,T₃＝T_s/2-T₁；得到V_ref’对应的PWM波形图；

步骤七：转换为V_ref对应的PWM波；

S_nA，S_nB，S_nC表示扇区Ⅰ中V_ref’的PWM波形图，n为步骤三中V_ref’的所属区域信息；结合n和x的值，利用表5可以将V_ref’的波形变化成V_ref的波形；

表5从扇区Ⅰ到任意扇区的转换关系

步骤八：确定电流采样点位置并获得采样的电流值I_OSP和I_TSP；

电流采样点共三个：TSP₁、TSP₂、OSP分别表示两次采样点1、两次采样点2、中点采样点；其中，中点采样点(OSP)位于每个PWM波的中间时刻，是对一次采样矢量作用下的电流值进行采样，采样的电流值为I_OSP；剩余的两个采样点是对两次采样矢量作用下的电流值进行采样，此时两个采样点的位置如表6所示；将TSP₁和TSP₂位置测量的电流值求平均值，得到I_TSP；

表6两次采样矢量两个采样点的位置确定

步骤九：确定反馈相电流名称及大小；

结合扇区名称x、区域信息n、表7的对应关系以及采样的电流值I_OSP和I_TSP采样的电流名称，可以确定反馈相电流的名称及大小；通过三相电流之和为0的关系，即可求出第三相的电流值，从而得到用于反馈的三相电流；

表7不同扇区区域下的采样电流对应表

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