CN116155067A - 基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置 - Google Patents

基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置 Download PDF

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CN116155067A CN202310415519.5A CN202310415519A CN116155067A CN 116155067 A CN116155067 A CN 116155067A CN 202310415519 A CN202310415519 A CN 202310415519A CN 116155067 A CN116155067 A CN 116155067A
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Abstract

本发明提供了一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置，利用开绕组电机特性，对各相参考电压同步进行调整而不会影响有效合成电压的特点，设计了定向调整量；根据零序环流的极性，对各相参考电压最大值或者最小值，进行调整，使得最大值或者最小值达到系统调制范围的极限。本方法利用零序环流极性，定性地对各相参考电压进行同步调节，在实现对零序环流抑制的同时，还极大地降低了单位控制周期内的开关切换次数，实现电气设备效率的提升。

Description

基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置
技术领域
本申请涉及开关频率优化技术领域，具体公开了一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置。
背景技术
功率器件的开关损耗对于电气设备效率的影响巨大，而开关损耗又与单位时间内的功率器件切换次数成正比，因此降低单位时间内的功率开关切换次数，是一种十分有效的降低开关损耗、提升系统效率的方法。
在如图1所示的共直流母线开绕组永磁同步电机驱动系统中，存在着零序环流回路，在系统零序电压以及永磁体谐波磁链对应的反电动势作用下，系统中会不可避免地产生零序环流。该零序回路的等效电路图如图2所示。零序电流会造成电磁转矩出现脉动，对电机驱动系统控制性能造成不良影响。为了消除该影响，需要对零序环流进行抑制。但现有的环流抑制技术，普遍采用共模分量调节的改进脉冲宽度调制（Pulse width modulation,PWM）方式实现。该调制过程中开绕组电机系统中变流器各桥臂状态在单位控制周期需经历由关到开再到关的切换过程，增加了开关损耗，降低了系统运行效率。
为了降低零序环流抑制过程中的开关损耗，现有技术方案提出了利用三相坐标系下参考电压极性的单侧嵌位调制策略。具体技术路线如下：
Figure SMS_1
，
通过控制结构得到参考电压
Figure SMS_3
、/>
Figure SMS_5
以及为抑制零序环流所需的零轴参考电压/>
Figure SMS_8
后，通过坐标变换将α-β-0轴系下的参考电压变换至a-b-c三相静止坐标系下的参考电压
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、/>
Figure SMS_6
以及/>
Figure SMS_9
。随后，根据/>
Figure SMS_10
、/>
Figure SMS_2
以及/>
Figure SMS_7
的极性，结合开绕组电机系统双侧独立供电的特性，求取得到了各桥臂的导通时间，分别如下：
Figure SMS_11
，
其中sgn(y)是极性判别函数，其定义如下：
Figure SMS_12
，
上式中，任意x相两侧桥臂的导通时间tx1与tx2始终有一侧等于0，因此该桥臂在单位控制周期内不存在开关切换动作，由此降低了零序环流抑制过程中的开关损耗。以
Figure SMS_13
＞0、/>
Figure SMS_14
＞0、/>
Figure SMS_15
＜0对应的调制序列如图3所示，可以看到，该技术可以将单位控制周期内的总切换次数抑制至6次。
针对该问题，本发明拟提出一种新的开关频率优化控制方法。
发明内容
为解决上述现有技术的缺点，本发明提出一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型、方法及装置。
本发明提出的技术方案是：
一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，开绕组电机系统中变流器各桥臂占空比如下：
Figure SMS_16
，
其中dx1、dx2分别为x相绕组对应变流器1和变流器2桥臂占空比（x为a，b或c），Udc为直流母线电压，
Figure SMS_17
为x相参考电压，/>
Figure SMS_18
为电压修正量，sgn(y)是极性判别函数，其定义如下：
Figure SMS_19
。
在可能的一个设计中，
Figure SMS_20
、/>
Figure SMS_21
及/>
Figure SMS_22
处于[-Udc,Udc]。
在可能的一个设计中，定义三相参考电压
Figure SMS_24
、/>
Figure SMS_27
及/>
Figure SMS_30
的最小值与最大值分别为min(/>
Figure SMS_23
,/>
Figure SMS_26
,/>
Figure SMS_29
)和max(/>
Figure SMS_31
,/>
Figure SMS_25
,/>
Figure SMS_28
)，修正方式如下：
Figure SMS_32
，
其中：△u为修正量，i0为系统零序环流。
在可能的一个设计中，系统零序电压u0可表示为：
Figure SMS_33
，
参考电压修正量即为零序电压分量。
在可能的一个设计中，参考电压
Figure SMS_34
、/>
Figure SMS_35
如下：
Figure SMS_36
，
其中
Figure SMS_37
、/>
Figure SMS_38
分别为α、β轴的参考电压，/>
Figure SMS_39
、/>
Figure SMS_40
及/>
Figure SMS_41
分别为a、b、c三相参考电压。
在可能的一个设计中，任意相电压ux(x=a,b,c)的模型可表示为：
Figure SMS_42
，
其中：Sx1和Sx2分别为x相绕组对应变流器1和变流器2桥臂的开关状态，当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。
本发明还提供一种基于零序环流抑制的开关频率优化方法，包括步骤： 构建如前述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，按照开绕组电机系统中变流器各桥臂占空比公式：
Figure SMS_43
，设置开绕组电机系统中变流器各桥臂，即可实现对系统开关频率的优化。
本发明还提供一种电机的开关频率优化控制装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的开关频率优化方法。
本发明还提供一种控制系统，包括前述的开关频率优化控制装置。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行前述的开关频率优化方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明利用开绕组电机特性，对各相参考电压同步进行调整而不会影响有效合成电压的特点，设计了定向调整量；根据零序环流的极性，对各相参考电压最大值或者最小值，进行调整，使得最大值或者最小值达到系统调制范围的极限；本发明达到开绕组电机系统电压调制上限或者下限的相电压对应桥臂，在控制周期内的开关状态始终保持不变，利用该特点来实现对开关切换次数的优化。
本发明的优点是可以将共直流母线开绕组永磁同步电机驱动系统在单位控制周期内的开关切换动作次数降为4次，优于目前已知的最低6次开关切换动作，实现系统开关损耗的进一步下降。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中共直流母线开绕组永磁同步电机驱动系统结构图；
图2为现有技术中零序回路的等效电路图；
图3为现有技术中调制序列示意图；
图4为本发明基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型实施例中的控制结构示意图；
图5为本发明基于零序环流抑制的开关频率优化控制方法实施例中的调制序列示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
实施例：
本实施例公开了一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，在图1所示的共直流母线开绕组永磁同步电机驱动系统中，为实现对转矩的精准调节，需要在同步坐标系下对d、q轴电流进行闭环调节。为此，采用如图4所示的控制结构，其中：
Figure SMS_44
、/>
Figure SMS_45
、id、iq、△ud、△uq、分别为d、q轴的参考电流、实际电流、前馈电压，/>
Figure SMS_46
、/>
Figure SMS_47
分别为α、β轴的参考电压，Sa1、Sb1、Sc1及Sa2、Sb2、Sc2分别为两侧变流器的开关驱动信号。
为实现对开关切换频率的优化设计，将参考电压
Figure SMS_48
、/>
Figure SMS_49
转换至三相a-b-c静止坐标系，如下：/>
Figure SMS_50
，
由于开绕组电机系统的特点，任意相电压ux(x=a,b,c)的模型可表示为：
Figure SMS_51
，
其中：Sx1和Sx2分别为x相绕组对应变流器1和变流器2桥臂的开关状态，当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。
由上式可知，任意相电压ux的范围为：
－Udc≦Ux≦Udc，
因此a-b-c静止坐标系下的参考电压
Figure SMS_52
、/>
Figure SMS_53
及/>
Figure SMS_54
范围也处于[-Udc,Udc]。
此外，由上述相电压模型可知，当ux取值处于上极限Udc和下极限-Udc时，对应Sx1和Sx2在单位控制周期内的状态始终为1、0和0、1，即此时两侧变流器中相应桥臂的状态不变，无需开关切换，由此可实现对开关频率的优化。
定义三相参考电压
Figure SMS_56
、/>
Figure SMS_58
及/>
Figure SMS_61
的最小值与最大值分别为min(/>
Figure SMS_55
，/>
Figure SMS_60
,/>
Figure SMS_62
)和max(/>
Figure SMS_63
，/>
Figure SMS_57
,/>
Figure SMS_59
)。在共直流母线开绕组永磁同步电机驱动系统中，为了避免零序环流对系统控制效果造成的影响，除了需要考虑常规α-β轴系或者d-q轴系下的参考电压调制外，还需要额外考虑零轴参考电压的调制问题。为此，需要根据零序环流的极性，对系统参考电压进行修正。修正方式如下：
Figure SMS_64
，
其中：△u为修正量，i0为系统零序环流。
此时的系统零序电压u0可表示为：
Figure SMS_65
，
可见，参考电压修正量即为零序电压分量。
从上式可以看到：当i0为负数时，此时的修正量△u为一正数，因此系统的零序电压u0也为正数，从而对i0起到抑制作用；反之，当i0为正数时，系统的零序电压u0为负数，对i0起到抑制作用。由此即可实现对零序环流i0的抑制。
此时的开绕组电机系统中变流器各桥臂占空比设置如下：
Figure SMS_66
。
本发明还提供一种基于零序环流抑制的开关频率优化方法，包括以下步骤，按照上式设置开绕组电机系统中变流器各桥臂，即可实现对系统开关频率的优化。
例如，假定零序环流i0小于零，
Figure SMS_67
、/>
Figure SMS_71
及/>
Figure SMS_74
分别为0.3Udc、0.4Udc以及-0.7Udc，则其中最大值max(/>
Figure SMS_69
，/>
Figure SMS_70
,/>
Figure SMS_73
)与最小值min(/>
Figure SMS_75
，/>
Figure SMS_68
,/>
Figure SMS_72
)分别为0.4Udc以及-0.7Udc。由于i0小于零，因此参考电压修正量△u为：
Figure SMS_76
，
因此开绕组电机系统中变流器各桥臂的占空比分别为：
Figure SMS_77
，
与以上占空比相对应的调制序列如图5所示，由以上调制序列可知，该发明在单位控制周期内仅需4次开关切换动作，优于目前已知的最低6次开关切换动作。
本发明还提供一种电机的开关频率优化控制装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的开关频率优化方法。
本发明还提供一种控制系统，包括前述的开关频率优化控制装置。
根据本公开的实施例的调制方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的开关频率优化方法。
计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器（ROM）、随机存取可编程只读存储器（PROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、随机存取存储器（RAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）、卡式存储器（诸如，多媒体卡、安全数字（SD）卡或极速数字（XD）卡）、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行计算机程序。 在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。 本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。 结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、电池仓控制板、微电池仓控制板、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。 结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从该存储介质读取信息和能向该存储介质写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。 在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、中控计算机、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，开绕组电机系统中变流器各桥臂占空比如下：
Figure QLYQS_1
，
其中dx1、dx2分别为x相绕组对应变流器1和变流器2桥臂占空比，其中，x为a，b或c，Udc为直流母线电压，
Figure QLYQS_2
为x相参考电压，/>
Figure QLYQS_3
为电压修正量，sgn(y)是极性判别函数，其定义如下：
Figure QLYQS_4
。
2.如权利要求1所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，
Figure QLYQS_5
、
Figure QLYQS_6
及/>
Figure QLYQS_7
处于[-Udc,Udc]。
3.如权利要求1或2所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，定义三相参考电压
Figure QLYQS_10
、/>
Figure QLYQS_13
及/>
Figure QLYQS_15
的最小值与最大值分别为min(/>
Figure QLYQS_9
,/>
Figure QLYQS_12
,/>
Figure QLYQS_14
)和max(/>
Figure QLYQS_16
,/>
Figure QLYQS_8
,/>
Figure QLYQS_11
)，修正方式如下：
Figure QLYQS_17
，
其中：△u为修正量，i0为系统零序环流。
4.如权利要求3所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，系统零序电压u0可表示为：
Figure QLYQS_18
，参考电压修正量即为零序电压分量。
5.如权利要求1、2或4任一项所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，参考电压
Figure QLYQS_19
、/>
Figure QLYQS_20
如下：/>
Figure QLYQS_21
，
其中
Figure QLYQS_22
、/>
Figure QLYQS_23
分别为α、β轴的参考电压，/>
Figure QLYQS_24
、/>
Figure QLYQS_25
及/>
Figure QLYQS_26
分别为a、b、c三相参考电压。
6.如权利要求5所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，其特征在于，任意相电压ux的模型可表示为：
Figure QLYQS_27
，
其中：x=a,b,c；Sx1和Sx2分别为x相绕组对应变流器1和变流器2桥臂的开关状态，当上管导通、下管关断时为1，当上管关断、下管导通时为0。
7.一种基于零序环流抑制的开关频率优化方法，其特征在于，还包括步骤： 构建如权利要求1-6任一项所述的基于零序环流抑制的开关频率优化控制模型，按照开绕组电机系统中变流器各桥臂占空比公式：
Figure QLYQS_28
，设置开绕组电机系统中变流器各桥臂，即可实现对系统开关频率的优化。
8.一种电机的开关频率优化控制装置，其特征在于，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现如权利要求7所述的开关频率优化方法。
9.一种控制系统，其特征在于，包括权利要求8所述的开关频率优化控制装置。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求7所述的开关频率优化方法。
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