CN115913002B - 一种无刷直流电机三电平逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷直流电机三电平逆变器及其控制方法，包括如下步骤：分为电动和发电两种工作模式，所述控制方法在三电平逆变器的控制单元中实现，通过依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节产生PWM控制信号；本发明可以降低开关器件的关断电压应力，降低电机的电流脉动和转矩脉动，优化电机控制性能的同时具备中点电压平衡能力，可以降低因电压不均衡产生的突发应急公共安全事件，提升应急处置能力,有效防范和处置电压超载应急事故，同时为以后相关的应急管理检修和排除提供一些参考意见。

Description

一种无刷直流电机三电平逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动及控制技术领域，尤其涉及一种无刷直流电机三电平逆变器及其控制方法。

背景技术

近些年来，无刷直流电机凭借着其优越的性能已经在电动汽车、飞轮储能、航空航天等工业领域占据重要地位。无刷直流电机的控制技术也发展的比较成熟。现在无刷直流电机的研究热点主要集中在无位置传感器控制技术、转矩脉动控制技术、智能控制技术三个方面，而国内在这三个方面的研究主要针对的是中小功率的无刷直流电机。随着电力电子技术和永磁体材料技术的发展，无刷直流电机的功率越来越大，电压随之越来越高，特高压突发事件情况下,电网运行存在较大的应急安全管理风险，对直流应急电源稳定控制的时间恒量要求极高，动态响应速度要求严格。传统的两电平逆变器拓扑将不再适合用来驱动大功率无刷直流电机，对三电平拓扑逆变器的应急管理安全稳定运行提出了迫切需求。

无刷直流电机有恒电流控制(CCC，Const Current Control)和角度位置控制(APC，Angle Position Control)两种模式，一般低速时采用恒电流控制方式，高速时采用角度位置控制方式。硕士论文“基于三电平逆变器的无刷直流电机控制策略研究，中国矿业大学，刘学权，2014.05”针对三电平逆变器驱动无刷直流电机的问题，给出了恒电流控制硬斩波模式时的PWM调制方法，但未考虑角度位置控制时的PWM调制方法，未考虑三电平逆变器中点电压的平衡；专利CN111969900A“一种占空比调制的NPC三电平BLDC转矩脉动最小化控制方法”采用坐标变换和dq轴电流预测控制以减小无刷直流电机的转矩脉动，并通过冗余小矢量的选择作用以控制中点电压，但控制方法只是针对低速阶段的恒电流控制时的优化；专利CN114362610A“一种用于高速无刷直流电机的换相控制方法”提出换相阶段分界时刻计算方法，并根据超前换相角度进行换相控制，但只是针对两电平拓扑逆变器，无法匹配大功率高压无刷直流电机。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种无刷直流电机三电平逆变器及其控制方法，通过在控制单元中依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节实现。

一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种无刷直流电机三电平逆变器，包括：

主回路和控制单元两部分，主回路包含由正母线电容C₁和负母线电容C₂组成的直流母线；由A相第一开关管S_a1、A相第二开关管S_a2、A相第三开关管S_a3、A相第四开关管S_a4，A相两个箝位二极管S_a5、S_a6组成的三电平逆变器A相桥臂；同理由S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_b5、S_b6组成的三电平逆变器B相桥臂；由S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S_c5、S_c6组成的三电平逆变器C相桥臂；A、B、C三相桥臂的第一开关管、第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管；三电平逆变器的A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂通过各自AC点与无刷直流电机的定子连接。

另一方面，为实现上述目的，本发明还提供了一种无刷直流电机三电平逆变器控制方法，包括以下步骤：

所述控制方法将工作模式分为电动模式和发电模式；

在电动模式时采用最大120度导通方式，在允许的导通区间，第二开关管和第三开关管保持120度导通，第一开关管和第四开关管导通角度范围是0到120度；

在发电模式时采用最大60度导通方式，在允许的导通区间，当1

调制波幅值小于3载波峰值T_pd时，第二开关管和第三开关管导通角度1 2

范围是0到60度，当调制波幅值处于3载波峰值T_pd到3载波峰值T_pd区间时，第二开关管和第三开关管保持60度导通，第一开关管和第四开关管导通角度范围是0到60度。

优选的，所述控制方法在三电平逆变器的控制单元中实现，通过依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节产生PWM控制信号；

扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节和PWM生成环节之间的信号流程为：

扇区判断环节，采集转子位置信号H_A，输出扇区标识S_e到所述调制波计算环节；

载波生成环节，采集转子位置信号H_A，输出三相载波T_r到PWM生成环节，其中的三相载波T_r包含T_ra、T_rb、T_rc三路信息，T_ra为A相载波，T_rb为B相载波，T_rc为C相载波；

调制波计算环节，采集直流母线正半电压U_dcP，采集直流母线负半电压U_dcN，采集直流电流I_dc，输入参考功率指令P_ref，输入扇区判断环节输出的扇区标识S_e，输出A相调制波CP_a、B相调制波CP_b、C相调制波CP_c到PWM生成环节；

PWM生成环节，包含A相PWM生成、B相PWM生成、C相PWM生成三个模块，其中A相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的A相调制波CP_a，输入载波生成环节输出的A相载波T_ra，输出A相PWM信号S_pwma；B相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的B相调制波CP_b，输入载波生成环节输出的B相载波T_rb，输出B相PWM信号S_pwmb；C相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的C相调制波CP_c，输入载波生成环节输出的C相载波T_rc，输出C相PWM信号S_pwmc。

优选的，通过依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节产生PWM控制信号的调制方法为：

步骤1：在控制单元中执行扇区判断环节，在扇区判断环节中，根据A相转子位置H_Aa、B相转子位置H_Ab、C相转子位置H_Ac，生成扇区标识S_e；

步骤2：在控制单元中执行载波生成环节，在载波生成环节中，采用计数器A、计数器B、计数器C产生三相载波信号T_ra、T_rb、T_rc；

步骤3：在控制单元执行调制波计算环节，调制波计算环节进行功率控制和中点电压控制，功率控制输出功率环输出PL_out，中点电压控制输出中点电压环输出UNL_out；调制波计算环节求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4，求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4，根据参考功率指令P_ref和扇区标识S_e，将求解的4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4或4路发电模式调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4分配给A相调制波CP_a、B相调制波CP_b和C相调制波CP_c；

步骤4：在控制单元中执行PWM生成环节，PWM生成环节包含A相PWM生成、B相PWM生成、C相PWM生成三个模块，根据输入的三相调试波CP_a、CP_b、CP_c和三相载波T_ra、T_rb、T_rc，产生三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc；

步骤5：PWM生成环节产生的三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc输出到三电平逆变器的三个桥臂，控制对应的开关管通断。

优选的，步骤3中求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4的计算方法包括：

在调制波计算环节中，根据功率环输出PL_out和中点电压环输出UNL_out采用公式(1)求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4；

求解的同时，对公式(1)求解的4路电动模式通用调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为

优选的，步骤3中求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4的计算方法包括：

采用公式(2)求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4；

求解的同时，对公式(2)求解的4路发电模式调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为

优选的，步骤3中从4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4到三相调制波CP_a、CP_b、CP_c的分配赋值方法包括：

在电动模式时，采用最大120度导通模式，在1、2扇区，允许A相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_a1、CP_a2，在3、4扇区，允许B相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_b1、CP_b2，在5、6扇区，允许C相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_c1、CP_c2；在4、5扇区，允许A相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_a3、CP_a4，在6、1扇区，允许B相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_b3、CP_b4；在2、3扇区，允许C相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_c3、CP_c4，未提及的调制波赋值为0，不允许导通，其中，第一开关管和第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管。

优选的，步骤3中从4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4到三相调制波CP_a、CP_b、CP_c的分配赋值方法包括：

在发电模式时，采用最大60度导通模式，在1扇区，允许A相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_a3、CP_a4，在3扇区，允许B相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_b3、CP_b4；在5扇区，允许C相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_c3、CP_c4；在4扇区，允许A相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_a1、CP_a2，在6扇区，允许B相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_b1、CP_b2；在2扇区，允许C相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_c1、CP_c2，未提及的调制波赋值为0，不允许导通，其中，第一开关管和第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明三电平逆变器在无刷直流电机领域的应用，可以提高无刷直流电机的电压等级和功率等级。本发明提出的适用于无刷直流电机的控制方法，主要对高速阶段的角度位置控制方式做了优化，三电平控制理念的应用，可以降低开关器件的关断电压应力，降低电机的电流脉动和转矩脉动，优化电机控制性能的同时具备中点电压平衡能力，可以降低因电压不均衡产生的突发应急公共安全事件，提升应急处置能力,有效防范和处置电压超载应急事故，同时为以后相关的应急管理检修和排除提供一些参考意见。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的三电平逆变器匹配无刷直流电机连接示意图；

图2为本发明的控制方法各环节信号流程图；

图3为本发明的扇区判断环节原理图；

图4为本发明的PWM生成环节原理图；

图5为本发明的调制波计算环节原理图；

图6为本发明的电动模式A相桥臂PWM典型波形图；

图7为本发明的发电模式A相桥臂PWM典型波形图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，三电平逆变器包含主回路和控制单元104两部分，主回路包含由正母线电容C₁和负母线电容C₂组成的直流母线100，由A相第一开关管S_a1、A相第二开关管S_a2、A相第三开关管S_a3、A相第四开关管S_a4，A相两个箝位二极管S_a5、S_a6组成的三电平逆变器A相桥臂101，同理由S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_b5、S_b6组成的三电平逆变器B相桥臂102，由S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S_c5、S_c6组成的三电平逆变器C相桥臂103。A、B、C三相桥臂的第一开关管、第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管。三电平逆变器的A相桥臂101、B相桥臂102、C相桥臂103通过各自AC点与无刷直流电机110的定子连接。

本发明所述的控制方法在图1所示的三电平逆变器的控制单元104中实现。控制单元104采集的信号包含电机的转子位置信号H_A，如图中123，直流母线正半电压U_dcP，如图中120，直流母线负半电压U_dcN，如图中121，直流电流I_dc，如图中122，输入的信号包含参考功率指令P_ref，如图中124。其中的转子位置信号H_A包含H_Aa、H_Ab、H_Ac三路信息，H_Aa为A相转子位置，H_Ab为B相转子位置，H_Ac为C相转子位置。控制单元104输出的A相PWM信号S_pwma用于控制三电平逆变器的A相桥臂101，控制单元104输出的B相PWM信号S_pwmb用于控制三电平逆变器的B相桥臂102，控制单元104输出的C相PWM信号S_pwmc用于控制三相逆变器的C相桥臂103。

本发明所述的控制方法由扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节四部分，其中的扇区判断环节根据转子位置信号H_A，计算得到扇区标识S_e；载波生成环节根据转子位置信号H_A采用连续递增计数器得到三相载波T_r；调制波计算环节进行功率闭环控制、中点电压控制，计算4路电动模式通用调制波幅值和4路发电模式通用调制波幅值，根据参考功率指令P_ref判断工作模式，根据扇区标识S_e和工作模式选择将4路电动模式通用调制波幅值或4路发电模式通用调制波幅值分配赋值给三相调制波CP_a、CP_b、CP_c；在PWM生成环节中，调制波信号与载波信号比较，产生三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc。三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc用于驱动主回路三相桥臂的开关管。所述四个环节之间的信号流程如图2所示。

在图2中，扇区判断环节200，采集转子位置信号H_A，如图中210，输出扇区标识S_e到调制波计算环节202，如图中211；

在图2中，载波生成环节201，采集转子位置信号H_A，包含H_Aa、H_Ab、H_Ac三路信息，如图中220；输出三相载波T_r，输出的三相载波T_r包含T_ra、T_rb、T_rc三路信息，T_ra为A相载波，输出到PWM生成环节的A相PWM生成模块203，如图中221，T_rb为B相载波，输出到PWM生成环节的B相PWM生成模块204，如图中222，T_rc为C相载波，输出到PWM生成环节的C相PWM生成模块205，如图中223；

在图2中，调制波计算环节202，采集直流母线正半电压U_dcP，如图中231，采集直流母线负半电压U_dcN，如图中232，采集直流电流I_dc，如图中233，输入参考功率指令P_ref，如图中230，输入扇区判断环节200输出的扇区标识S_e，如图中234，输出A相调制波CP_a到PWM生成环节的A相PWM生成模块203，如图中236，输出B相调制波CP_b到PWM生成环节的B相PWM生成模块204，如图中237，输出C相调制波CP_c到PWM生成环节的C相PWM生成模块205，如图中238；输出的每相调制波包含CP_x1、CP_x2、CP_x3、CP_x4四路信息，x＝a时对应A相，x＝b时对应B相，x＝c时对应C相，如图中239；

在图2中，PWM生成环节包含分成A相PWM生成模块203、B相PWM生成模块204、C相PWM生成模块205，其中A相PWM生成模块203输入调制波计算环节202输出的A相调制波CP_a，如图中241，输入载波生成模块201输出的A相载波T_ra，如图中240，输出A相PWM信号S_pwma，如图中242；B相PWM生成模块204输入调制波计算环节202输出的B相调制波CP_b，如图中244，输入载波生成模块201输出的B相载波T_rb，如图中243，输出B相PWM信号S_pwmb，如图中245；C相PWM生成模块205输入调制波计算环节202输出的C相调制波CP_c，如图中247，输入载波生成模块201输出的C相载波T_rc，如图中246，输出C相PWM信号S_pwmc，如图中248。PWM生成环节输出的三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc每相包含S_pwmx1、S_pwmx2、S_pwmx3、S_pwmx4四路信息，x＝a时对应A相，x＝b时对应B相，x＝c时对应C相，如图中249；

本发明所述的PWM调制方法包含以下步骤：

步骤1：在图1所示的控制单元104中执行图2所示的扇区判断环节200。

在图2的扇区判断环节200中，根据A相转子位置H_Aa、B相转子位置H_Ab、C相转子位置H_Ac，查表1生成扇区标识S_e，生成逻辑如图3所示。

在图3中，当H_Aa＝1、H_Ab＝0、H_Ac＝1时，扇区标识S_e为1，如图中310；当H_Aa＝1、H_Ab＝0、H_Ac＝0时，扇区标识S_e为2，如图中311；当H_Aa＝1、H_Ab＝1、H_Ac＝0时，扇区标识S_e为3，如图中312；当H_Aa＝0、H_Ab＝1、H_Ac＝0时，扇区标识S_e为4，如图中313；当H_Aa＝0、H_Ab＝1、H_Ac＝1时，扇区标识S_e为5，如图中314；当H_Aa＝0、H_Ab＝0、H_Ac＝1时，扇区标识S_e为6，如图中315。

步骤2：在图1所示的控制单元104中执行图2所示的载波生成环节201。

如图4所示，在载波生成环节201中，包含计数器A 400，计数器B 401，计数器C 402三个计数器。计数器A 400输入晶振时钟，如图中410，输入A相位置信号H_Aa，如图中411，计数器A在A相转子位置H_Aa的上升沿或下降沿记录当前的计数值，定义为载波峰值T_pd，之后将计数值清0，如图中440、441、414，计数器A计数产生的波形为A相载波T_ra，如图中413，A相载波T_ra波形如图中450；同理，计数器B 401输入晶振时钟，如图中420，输入B相位置信号H_Ab，如图中421，计数器B在B相转子位置H_Ab的上升沿或下降沿将计数值清0，如图中442、443，计数器B计数产生的波形为B相载波T_rb，如图中422，B相载波T_rb波形如图中451；同理，计数器C402输入晶振时钟，如图中430，输入C相位置信号H_Ac，如图中431，计数器C在C相转子位置H_Ac的上升沿或下降沿将计数值清0，如图中445、446，计数器C计数产生的波形为C相载波T_rc，如图中432，C相载波T_rc波形如图中452。

步骤3：在图1所示的控制单元104中执行图2所示的调制波计算环节202，如图5所示。

在图5所示的调制波计算环节中，直流母线正半电压U_dcP加上直流母线负半电压U_dcN得到直流母线电压U_dc，直流母线电压U_dc乘以直流电流I_dc得到反馈功率P_ack；输入的参考功率指令P_ref减去反馈功率P_ack得到功率误差P_err，如图中500、501、502，功率误差P_err经PI控制得到功率环输出PL_out，如图中503、504；直流母线负半电压U_dcN减去直流母线正半电压U_dcP得到中点电压误差UN_err，如图中510、511、512，中点电压误差UN_err经PI控制得到中点电压环输出UNL_out，如图中513、514；

采用公式(1)求解4路电动模式通用调制波幅值，包含电动第一调制波幅值CP_M1、电动第二调制波幅值CP_M2、电动第三调制波幅值CP_M3、电动第四调制波幅值CP_M4，同时对公式(1)求解的4路电动模式通用调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为如图中520、521、522、523。

采用公式(2)求解4路发电模式通用调制波幅值，包含发电第一调制波幅值CP_G1、发电第二调制波幅值CP_G2、发电第三调制波幅值CP_G3、发电第四调制波幅值CP_G4，同时对公式(2)求解的4路发电模式调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为如图中530、531、532、533。

在调制波计算环节中，当参考功率指令P_ref大于0时判定为电动模式，当参考功率指令P_ref小于0时判定为发电模式。根据参考功率指令P_ref和扇区标识S_e，将公式(1)求解的4路电动模式通用调制波幅值或公式(2)求解的4路发电模式调制波幅值根据表2和表3分配赋值给A相调制波CP_a、B相调制波CP_b和C相调制波CP_c，如图中540、541、542。

表2

表3

调制波计算环节输出A相调制波CP_a、B相调制波CP_b和C相调制波CP_c，如图中543、544、545，每相调制波包含四路信息。

步骤4：在图1所示的控制单元104中执行图2所示的PWM生成环节，PWM生成环节包含A相PWM生成模块203、B相PWM生成模块204、C相PWM生成模块205。

在A相PWM生成模块203中，A相第一开关管调制波CP_a1、A相第二开关管调制波CP_a2、A相第三开关管调制波CP_a3、A相第四开关管调制波CP_a4四路信号分别与A相载波T_ra比较，产生A相第一开关管PWM信号S_PWMa1、A相第二开关管PWM信号S_PWMa2、A相第三开关管PWM信号S_PWMa3、A相第四开关管PWM信号S_PWMa4。

同理，在B相PWM生成模块204中，B相第一开关管调制波CP_b1、B相第二开关管调制波CP_b2、B相第三开关管调制波CP_b3、B相第四开关管调制波CP_b4四路信号分别与B相载波T_rb比较，产生B相第一开关管PWM信号S_PWMb1、B相第二开关管PWM信号S_PWMb2、B相第三开关管PWM信号S_PWMb3、B相第四开关管PWM信号S_PWMb4。

同理，在C相PWM生成模块205中，C相第一开关管调制波CP_c1、C相第二开关管调制波CP_c2、C相第三开关管调制波CP_c3、C相第四开关管调制波CP_c4四路信号分别与C相载波T_rc比较，产生C相第一开关管PWM信号S_PWMc1、C相第二开关管PWM信号S_PWMc2、C相第三开关管PWM信号S_PWMc3、C相第四开关管PWM信号S_PWMc4。

具体产生方法，当调制波大于载波时，对应的PWM信号为1，当调制波小于载波时，对应的PWM信号为0。

步骤5：图2中A相PWM生成环节203输出的A相PWM信号S_pwma输出到逆变器A相桥臂101，如图1中131，其中的S_pwma1控制A相第一开关管S_a1通断，S_pwma2控制A相第二开关管S_a2通断，S_pwma3控制A相第三开关管S_a3通断，S_pwma4控制A相第四开关管S_a4通断；

同理，图2中的B相PWM生成环节204输出的B相PWM信号S_pwmb输出到逆变器B相桥臂102，如图1中132，其中的S_pwmb1控制B相第一开关管S_b1通断，S_pwmb2控制B相第二开关管S_b2通断，S_pwmb3控制B相第三开关管S_b3通断，S_pwmb4控制B相第四开关管S_b4通断；

同理，图2中的C相PWM生成环节205输出的C相PWM信号S_pwmc输出到逆变器C相桥臂103，如图1中133，其中的S_pwmc1控制C相第一开关管S_c1通断，S_pwmc2控制C相第二开关管S_c2通断，S_pwmc3控制C相第三开关管S_c3通断，S_pwmc4控制C相第四开关管S_c4通断。

具体控制方式，PWM信号为1时控制对应的开关管导通，PWM信号为0时控制对应的开关管关断。

本发明所述的控制方法产生的典型PWM波形如图6和图7所示。其中图6为电动模式调制波幅值位于区间和位于/>区间时的A相PWM信号典型波形，图7为发电模式调制波幅值位于/>区间和位于/>区间的A相典型PWM波形。

所述的电动模式采用最大120度导通方式，在1、2扇区是A相上管(图1中第一开关管S_a1、第二开关管S_a2)导通区间，4、5扇区是A相下管(图1中第三开关管S_a3、第四开关管S_a4)导通区间。在图6中t₁～t₇时间段对应调制波幅值位于的时间段，第二开关管S_a2和第三开关管S_a3各导通2个扇区(120度)，其中t₁～t₃时间段第二开关管S_a2导通，t₄～t₆时间段第三开关管S_a3导通；第一开关管S_a1和第四开关管S_a4导通小于一个扇区(0～60度)，其中t₁～t₂时间段第一开关管S_a1导通，t₄～t₅时间段第四开关管S_a4导通；图6中t₇～t₁₂时间段对应调制波幅值位于/>的时间段，第二开关管S_a2和第三开关管S_a3各导通2个扇区，其中t₇～t₉时间段第二开关管S_a2导通，t₁₀～t₁₂时间段第三开关管S_a3导通；第一开关管S_a1和第四开关管S_a4导通时间大于一个扇区小于两个扇区(60～120度)，其中t₇～t₈时间段第一开关管S_a1导通，t₁₀～t₁₁时间段第四开关管S_a4导通；

所述的发电模式采用最大60度导通方式，在1扇区是A相下管(图1中第三开关管S_a3、第四开关管S_a4)导通区间，4扇区是A相上管(图1中第一开关管S_a1、第二开关管S_a2)导通区间。在图7中t₁～t₅时间段对应调制波幅值位于的时间段，第二开关管S_a2和第三开关管S_a3导通时间小于一个扇区(0～60度)，其中t₁～t₂时间段第三开关管S_a3导通，t₃～t₄时间段第二开关管S_a2导通；第一开关管S_a1和第四开关管S_a4保持关断状态；图7中t₅～t₁₀时间段对应调制波幅值位于/>的时间段，第二开关管S_a2和第三开关管S_a3各导通1个扇区(60度)，其中t₅～t₇时间段第三开关管S_a3导通，t₈～t₁₀时间段第二开关管S_a2导通；第一开关管S_a1和第四开关管S_a4导通时间小于一个扇区(0～60度)，其中t₅～t₆时间段第四开关管S_a4导通，t₈～t₉时间段第一开关管S_a1导通。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，所述无刷直流电机三电平逆变器，包括：

主回路和控制单元两部分，主回路包含由正母线电容C₁和负母线电容C₂组成的直流母线；由A相第一开关管S_a1、A相第二开关管S_a2、A相第三开关管S_a3、A相第四开关管S_a4，A相两个箝位二极管S_a5、S_a6组成的三电平逆变器A相桥臂；同理由S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_b5、S_b6组成的三电平逆变器B相桥臂；由S_c1、S_c2、S_c3、S_c4、S_c5、S_c6组成的三电平逆变器C相桥臂；A、B、C三相桥臂的第一开关管、第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管；三电平逆变器的A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂通过各自AC点与无刷直流电机的定子连接；

所述无刷直流电机三电平逆变器的控制方法，包括以下步骤：

所述控制方法将工作模式分为电动模式和发电模式；

在电动模式时采用最大120度导通方式，在允许的导通区间，第二开关管和第三开关管保持120度导通，第一开关管和第四开关管导通角度范围是0到120度；

在发电模式时采用最大60度导通方式，在允许的导通区间，当调制波幅值小于载波峰值T_pd时，第二开关管和第三开关管导通角度范围是0到60度，当调制波幅值处于/>载波峰值T_pd到/>载波峰值T_pd区间时，第二开关管和第三开关管保持60度导通，第一开关管和第四开关管导通角度范围是0到60度。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

所述控制方法在三电平逆变器的控制单元中实现，通过依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节产生PWM控制信号；

扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节和PWM生成环节之间的信号流程为：

扇区判断环节，采集转子位置信号H_A，输出扇区标识S_e到所述调制波计算环节；

载波生成环节，采集转子位置信号H_A，输出三相载波T_r到PWM生成环节，其中的三相载波T_r包含T_ra、T_rb、T_rc三路信息，T_ra为A相载波，T_rb为B相载波，T_rc为C相载波；

调制波计算环节，采集直流母线正半电压U_dcP，采集直流母线负半电压U_dcN，采集直流电流I_dc，输入参考功率指令P_ref，输入扇区判断环节输出的扇区标识S_e，输出A相调制波CP_a、B相调制波CP_b、C相调制波CP_c到PWM生成环节；

PWM生成环节，包含A相PWM生成、B相PWM生成、C相PWM生成三个模块，其中A相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的A相调制波CP_a，输入载波生成环节输出的A相载波T_ra，输出A相PWM信号S_pwma；B相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的B相调制波CP_b，输入载波生成环节输出的B相载波T_rb，输出B相PWM信号S_pwmb；C相PWM生成模块输入调制波计算环节输出的C相调制波CP_c，输入载波生成环节输出的C相载波T_rc，输出C相PWM信号S_pwmc。

3.根据权利要求2所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

通过依次执行扇区判断环节、载波生成环节、调制波计算环节、PWM生成环节产生PWM控制信号的调制方法为：

步骤1：在控制单元中执行扇区判断环节，在扇区判断环节中，根据A相转子位置H_Aa、B相转子位置H_Ab、C相转子位置H_Ac，生成扇区标识S_e；

步骤2：在控制单元中执行载波生成环节，在载波生成环节中，采用计数器A、计数器B、计数器C产生三相载波信号T_ra、T_rb、T_rc；

步骤3：在控制单元执行调制波计算环节，调制波计算环节进行功率控制和中点电压控制，功率控制输出功率环输出PL_out，中点电压控制输出中点电压环输出UNL_out；调制波计算环节求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4，求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4，根据参考功率指令P_ref和扇区标识S_e，将求解的4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4或4路发电模式调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4分配给A相调制波CP_a、B相调制波CP_b和C相调制波CP_c；

步骤4：在控制单元中执行PWM生成环节，PWM生成环节包含A相PWM生成、B相PWM生成、C相PWM生成三个模块，根据输入的三相调试波CP_a、CP_b、CP_c和三相载波T_ra、T_rb、T_rc，产生三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc；

步骤5：PWM生成环节产生的三相PWM信号S_pwma、S_pwmb、S_pwmc输出到三电平逆变器的三个桥臂，控制对应的开关管通断。

4.根据权利要求3所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

步骤3中求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4的计算方法包括：

在调制波计算环节中，根据功率环输出PL_out和中点电压环输出UNL_out采用公式(1)求解4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4；

求解的同时，对公式(1)求解的4路电动模式通用调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为

5.根据权利要求3所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

步骤3中求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4的计算方法包括：

采用公式(2)求解4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4；

求解的同时，对公式(2)求解的4路发电模式调制波幅值进行限幅，最小限幅为0，最大限幅为

6.根据权利要求3所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

步骤3中从4路电动模式通用调制波幅值CP_M1、CP_M2、CP_M3、CP_M4到三相调制波CP_a、CP_b、CP_c的分配赋值方法包括：

在电动模式时，采用最大120度导通模式，在1、2扇区，允许A相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_a1、CP_a2，在3、4扇区，允许B相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_b1、CP_b2，在5、6扇区，允许C相上管导通，将CP_M1、CP_M2分别赋值给CP_c1、CP_c2；在4、5扇区，允许A相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_a3、CP_a4，在6、1扇区，允许B相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_b3、CP_b4；在2、3扇区，允许C相下管导通，将CP_M3、CP_M4分别赋值给CP_c3、CP_c4，未提及的调制波赋值为0，不允许导通，其中，第一开关管和第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管。

7.根据权利要求3所述的无刷直流电机三电平逆变器控制方法，其特征在于，

步骤3中从4路发电模式通用调制波幅值CP_G1、CP_G2、CP_G3、CP_G4到三相调制波CP_a、CP_b、CP_c的分配赋值方法包括：

在发电模式时，采用最大60度导通模式，在1扇区，允许A相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_a3、CP_a4，在3扇区，允许B相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_b3、CP_b4；在5扇区，允许C相下管导通，将CP_G3、CP_G4分别赋值给CP_c3、CP_c4；在4扇区，允许A相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_a1、CP_a2，在6扇区，允许B相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_b1、CP_b2；在2扇区，允许C相上管导通，将CP_G1、CP_G2分别赋值给CP_c1、CP_c2，未提及的调制波赋值为0，不允许导通，其中，第一开关管和第二开关管统称上管，第三开关管和第四开关管统称下管。