CN117792191A - 一种绕组开放式电机的双模式调制策略及驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绕组开放式电机的双模式调制策略及驱动系统，当电机转速n＜＝nN，控制器采用中间六边形调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述中间六边形调制模式的空间电压矢量幅值为对应的线性最大调制系数为1；当电机转速n＞nN，控制器切换为最大范围调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述最大范围调制模式的空间电压矢量幅值为为4U_dc/3，对应的线性最大调制系数为可以抑制共模电压的产生，从而抑制零序电流，减小零序电流导致的损耗，以及零序电流对驱动系统性能影响，同时可以提高直流母线电压利用率，扩大转速范围。

Description

一种绕组开放式电机的双模式调制策略及驱动系统

技术领域

本发明涉及一种永磁电机驱动系统，尤其涉及一种绕组开放式电机的双模式调制策略及驱动系统。

背景技术

Takahashi I首次提出绕组开放式异步电机结构，绕组开放式拓扑在感应电机、永磁无刷电机领域得到关注与应用。绕组开放式结构是将电机绕组中性点打开，两端各接一个逆变器。绕组开放式永磁无刷电机可以有效拓宽电机转速运行范围，同时具有电压利用率高、器件承受电压低、输出电压波形好、输出谐波小等优势。

然而绕组开放式电机驱动系统调制策略合成电压空间矢量的同时，存在零序电流回路，系统存在零序电压产生零序电流的问题，电流谐波畸变率较高，导致电机损耗增大和系统性能降低。选择部分合成电压空间矢量范围，不产生零序电压的矢量，不产生零序电流，会降低母线电压利用率低，导致电机调速范围减小。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种绕组开放式电机的双模式调制策略及驱动系统，能够减小零序电流导致的损耗，以及零序电流对驱动系统性能影响，同时不降低母线电压利用率，保持较宽调速范围。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种绕组开放式电机的双模式调制策略，包括：当电机转速n≤n_N，控制器采用中间六边形调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行；所述中间六边形调制模式的空间电压矢量幅值为对应的线性最大调制系数为1；采用中间六边形调制模式，空间电压合成不会产生共模电压，因而不会产生零序电压造成零序电流，抑制零序电流导致的损耗。

当电机转速n＞n_N，控制器切换为最大范围调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行；所述最大范围调制模式的空间电压矢量幅值为为4U_de/3，对应的线性最大调制系数为采用最大范围调制模式提高了母线电压利用率，扩大转速范围。

具体的，绕组开放式电机的双模式调制策略还包括：

通过位置传感器采集位置信号，通过电流检测模块采集三相电流，通过电压检测模块采集直流母线电压；

输入控制器的位置信号通过位置及速度计算模块，输出得到转子位置角度θ、计算得到电机实时转速n；

使用i_d ^*＝0的矢量控制策略，将给定的d轴调节电流i_d ^*与坐标变换模块输出的d轴电流i_d做差，得到d轴电流差值Δi_d，并将d轴电流差值Δi_d输入至d轴电流调节模块中；

将控制器给定的转速n^*与位置及速度计算模块输出的转速n做差，得到转速差值Δn，将转速差值Δn输入至转速调节模块；

将转速调节模块输出的q轴调节电流i_q ^*与坐标变换模块输出的q轴电流i_q做差，得到q轴电流差值Δi_q，并将q轴电流差值Δi_q输入至q轴电流调节模块中；

在零序电流抑制回路，将给定的i₀ ^*与坐标变换模块输出的零序电流i₀做差，得到零序电流差值Δi₀，并将零序电流差值Δi₀输入至混合控制器模块中；

将d轴电流调节器模块输出u_d ^*、q轴电流调节器模块输出u_q ^*及混合控制器模块输出u₀ ^*，以及位置及速度计算模块输出的转子位置角θ，共同输入到dq0/αβ0模块中；将dq0/αβ0模块输出的电压u_α、u_β、u₀输入到SVPWM模块，SVPWM模块分别控制第一标准两电平逆变器、第二标准两电平逆变器，驱动电机运行。

其中所述混合控制器模块包括：将零序电流差值Δi₀输入至二阶广义积分器，将基波电角频率ω₀作为二阶广义积分器的同步参考频率，得到抑制输出u_r；将零序电流差值Δi₀输入至滤波器，得到动态响应输出u_p；将抑制输出u_r与动态响应输出u_p相加后除以直流母线电压U_dc，得到标幺后的零序电压输出u₀ ^*。

抑制输出的表达式为：

u_r＝f(s)Δi₀

其中，f(s)为二阶广义积分器的传递函数。

二阶广义积分器的传递函数表达式为：

其中S为复变量；ω₀为基波电角频率，k为阻尼系数。

动态响应输出的计算公式为：

u_p＝K_pΔi₀

其中k_p为比例增益。

本发明提出一种绕组开放式电机的驱动系统，包括两个两电平逆变器、绕组开放式永磁无刷电机、供电电源、电机控制器、位置传感器、电流传感器以及电压传感器，所述电机控制器分别通过位置传感器、电流传感器与绕组开放式永磁无刷电机连接，所述供电电源电压输出端通过电压传感器与所述电机控制器连接，所述电机控制器的信号输出端与两个两电平逆变器的输入端连接，两个两电平逆变器的输出端均与所述绕组开放式永磁无刷电机连接，当电机转速n≤n_N，控制器采用中间六边形调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述中间六边形调制模式的空间电压矢量幅值为对应的线性最大调制系数为1；当电机转速n＞n_N，控制器切换为最大范围调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述最大范围调制模式的空间电压矢量幅值为为4U_dc/3，对应的线性最大调制系数为/>

其中，所述电机控制器包括位置及速度计算模块、坐标变换模块、dq0/αβ0模块、无共模电压SVPWM模块、转速调节模块、d轴电流调节模块、q轴电流调节模块与混合控制器模块。

所述电流传感器输出端与所述坐标变换模块输入端连接，所述坐标变换模块输出端分别与d轴电流调节模块、q轴电流调节模块、混合控制器模块输入端连接；电压传感器输出端分别与所述d轴电流调节模块、q轴电流调节模块输入端连接；转速调节模块与所述q轴电流调节模块输入端连接；位置传感器输出端与位置及速度计算模块输入端连接，位置及速度计算模块输出端分别与转速调节模块、混合控制器模块、dq0/αβ0模块输入端连接；所述dq0/αβ0模块输出端与无共模电压SVPWM模块输入端连接，所述无共模电压SVPWM模块的信号输出端分别与两个两电平逆变器的输入端连接。

所述两电平逆变器为三桥臂结构，每桥臂由两个IGBT开关器件及分别与IGBT开关器件并联的反向二极管组成。

有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：本发明采用的双模式调制策略，当车辆高速运行时，需要电机在额定转速以上运行，切换最大范围调制模式，可以提高直流母线电压利用率，扩大转速范围。当车辆中低速运行时，需要电机在额定转速以下中、低速范围运行，切换中间六边形调制模式，可以抑制共模电压的产生，从而抑制零序电流，减小零序电流导致的损耗，以及零序电流对驱动系统性能影响。本发明采用的双模式调制策略开绕组电机驱动系统，不需要增加额外的硬件设备，通过软件调制策略实现，不增加额外的成本。

附图说明

图1本发明采用的双模式调制策略绕组开放式电机驱动系统结构图；

图2本发明采用的双模式调制策略绕组开放式电机矢量控制系统框图；

图3本发明采用的混合控制器结构图；

图4双逆变器的空间电压矢量分布图；

图5本发明采用的最大范围调制空间电压合成矢量图；

图6本发明采用的中间六边形调制空间电压合成矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的绕组开放式电机驱动系统，结构如图1所示，包括第一标准两电平逆变器1、第二标准两电平逆变器2、绕组开放式电机3、直流供电电源4、电机控制器5、位置传感器6、电流传感器7、母线电压传感器8。

其中，直流供电电源4同时给两个标准两电平逆变器1和2供电；绕组开放式电机将传统电机的中性点打开，引出6个接线端子分别为a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂，a₁a₂、b₁b₂、c₁c₂分别为电机A相、B相、C相相绕组的两端输出端子；标准两电平逆变器1和2均为三桥臂结构，每个桥臂由两个IGBT开关器件(S₁～S₆，S’₁～S’₆)及分别并联的反向二极管组成，绕组开放式电机输出端子a₁、b₁、c₁分别接标准两电平逆变器1的三个桥臂的输出端，输出端子a₂、b₂、c₂分别接标准两电平逆变器2的三个桥臂的输出端；位置传感器6用于检测电机实时的转子位置；使用电流传感器7用于检测三相电流i_a、i_b、i_c；使用母线电压传感器8用于采集母线电压U_dc。

电机控制器5将位置传感器6输出的位置信号、电流传感器7检测的三相相电流i_a～i_c、电压传感器8检测的母线电压U_dc作为输入，并通过控制策略合成12路PWM信号，用于对两台逆变器1、2分别进行驱动控制，内部框图如图2所示。控制系统包含位置及速度计算模块9、坐标变换模块10(abc/dq0模块)、dq0/αβ0模块14，SVPWM模块15、转速调节模块11、d轴电流调节模块13、q轴电流调节模块12、混合控制器模块16。

如图2所示，本实施方式基于i_d ^*＝0的双闭环矢量控制，并在其基础上抑制零序电流，具体包括如下步骤(各步骤间没有严格的先后顺序)：

步骤一，通过位置传感器6采集位置信号，通过电流传感器7采集三相相电流实时值，通过电压传感器8采集直流母线电压U_dc，并将信号输入到控制器5中。

步骤二，输入控制器的位置信号通过位置及速度计算模块9，输出得到转子电角度θ、同时测得电机实时转速n。

步骤三，使用i_d ^*＝0的控制策略，将给定的i_d ^*与坐标变换模块10输出的i_d做差，得到Δi_d，并将其输入至d轴电流调节模块13中调节。

同时，将控制器给定的转速n^*与转速传感器检测模块9输出的转速n做差，得到Δn，将其输入至转速调节模块11调节。

转速调节模块11的输出为q轴电流给定i_q ^*，将其与坐标变换模块10输出的i_q做差，得到Δi_q，并将其输入至q轴电流调节模块12中调节，q轴电流调节模块12为一个PI环节，同时具有限幅和标幺作用，q轴电流调节模块12输出的u_q ^*范围限制在0～1。

在零序电流抑制回路，将给定的i₀ ^*与坐标变换模块10输出的i₀做差，得到Δi₀，并将其输入至混合控制器模块16中，混合控制器模块的内部结构框图如图3所示。

如图3所示，将Δi₀作为输入与f(s)构成的正反馈相乘，将ω₀作为f(s)的同步参考频率，得到抑制输出u_r，表达式为：

u_r＝f(s)Δi₀

f(s)为二阶广义积分器，用于调节零序谐波分量，表达式为：

其中，S为复变量；ω₀为基波电角频率。

在上述零序电流调节进行的同时，将i₀与k_p相乘，得到动态响应输出u_p，计算公式为：

u_p＝K_pΔi₀

k_p为比例增益，用于提高抑制方法的动态响应。

将f(s)输出的u_r与kp输出的u_p相加，并与输入到控制器的U_dc作商，得到标幺后的零序电压输出u₀ ^*，标幺后的u₀ ^*输出范围为0～1。这样就可形成零轴电流闭环，不断产生零序电压输出u₀ ^*补偿反电势3k次谐波。

将d轴电流调节器模块13输出的u_d ^*、q轴电流调节器模块12输出的u_q ^*及混合控制调节器模块16输出的u₀ ^*，以及位置及速度计算模块9输出的转子位置角θ，共同输入到dq0/αβ0模块14中，dq0/αβ0模块14连接SVPWM模块。由于两个标准两电平逆变器1和2使用12个IGBT开关器件，所以需要控制器输出12路PWM波，驱动逆变器1和2运行。开绕组电机三相绕组两端的电压可以表示为：

u_a1a2＝u_a1o-u_a2o

u_b1b2＝u_b1o-u_b2o

u_c1c2＝u_clo-u_c2o

具体的空间矢量分布图如图4所示，在两相静止坐标系αβ0下，绕组开放式永磁电机系统结构一共可以产生64个矢量，除去冗余项，在空间上只能产生18个非零空间矢量和1个零矢量。零矢量位于原点O，其他18个非零矢量分别位于3个等边六边形ABCDEF、HJLNQS和GIKMPR的顶点，矢量幅值分别为2U_dc/3，和4U_dc/3。对应的线性最大调制系数分别为：/>和/>

其中HJLNQS及O处在任意时刻均不会产生共模电压，因而不会产生零序电压造成零序电流，其他的空间矢量会产生共模电压，导致零序电流。

电机处于最大范围调制模式运行，最大范围调制产生的空间电压矢量分布图如图5中的GIKMPR所示。

电机处于中间六边形调制模式运行，中间六边形调制产生的空间电压矢量分布图如图6中的HJLNQS所示。

SVPWM调制模块15输出的输出12路PWM波，PWM1-6、PWM7-12分别输入到两个两电平逆变器1和2中，用于驱动12个开关器件，从而驱动电机运行。

步骤四：电机转速信号n输入控制器模块5，电机额定转速设置为n_N。

当车辆在中低速运行时，电机转速n＜＝n_N，控制器采用中间六边形调制模式，系统采用中间六边形调制策略控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行；空间电压合成不会产生共模电压，因而不会产生零序电压造成零序电流，抑制零序电流导致的损耗。

当车辆高速运行时，电机转速n＞n_N，控制器切换为最大范围调制模式，系统采用最大范围调制策略控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行；提高了母线电压利用率，扩大转速范围。

以上步骤根据系统电流采样频率不断重复，使得绕组开放式电机在双模式调制策略驱动下运行。

Claims (10)

1.一种绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于，包括：

当电机转速n≤n_N，控制器采用中间六边形调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述中间六边形调制模式的空间电压矢量幅值为对应的线性最大调制系数为1；

当电机转速n＞n_N，控制器切换为最大范围调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述最大范围调制模式的空间电压矢量幅值为为4U_dc/3，对应的线性最大调制系数为

2.根据权利要求1所述的绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于：该策略还包括：

通过位置传感器采集位置信号，通过电流检测模块采集三相电流，通过电压检测模块采集直流母线电压；

输入控制器的位置信号通过位置及速度计算模块，输出得到转子位置角度θ、计算得到电机实时转速n；

使用i_d ^*＝0的矢量控制策略，将给定的d轴调节电流i_d ^*与坐标变换模块输出的d轴电流i_d做差，得到d轴电流差值Δi_d，并将d轴电流差值Δi_d输入至d轴电流调节模块中；

将控制器给定的转速n^*与位置及速度计算模块输出的转速n做差，得到转速差值Δn，将转速差值Δn输入至转速调节模块；

将转速调节模块输出的q轴调节电流i_q ^*与坐标变换模块输出的q轴电流i_q做差，得到q轴电流差值Δi_q，并将q轴电流差值Δi_q输入至q轴电流调节模块中；

在零序电流抑制回路，将给定的i₀ ^*与坐标变换模块输出的零序电流i₀做差，得到零序电流差值Δi₀，并将零序电流差值Δi₀输入至混合控制器模块中；

将d轴电流调节器模块输出u_d ^*、q轴电流调节器模块输出u_q ^*及混合控制器模块输出u₀ ^*，以及位置及速度计算模块输出的转子位置角θ，共同输入到dq0/αβ0模块中；将dq0/αβ0模块输出的电压u_α、u_β、u₀输入到SVPWM模块，SVPWM模块分别控制第一标准两电平逆变器、第二标准两电平逆变器，驱动电机运行。

3.根据权利要求2所述的绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于：所述混合控制器模块包括：将零序电流差值Δi₀输入至二阶广义积分器，将基波电角频率ω₀作为二阶广义积分器的同步参考频率，得到抑制输出u_r；将零序电流差值Δi₀输入至滤波器，得到动态响应输出u_p；将抑制输出u_r与动态响应输出u_p相加后除以直流母线电压U_dc，得到标幺后的零序电压输出u₀ ^*。

4.根据权利要求3所述的绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于：抑制输出的表达式为：

u_r＝f(s)Δi₀

其中，f(s)为二阶广义积分器的传递函数。

5.根据权利要求4所述的绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于：二阶广义积分器的传递函数表达式为：

其中S为复变量；ω₀为基波电角频率，k为阻尼系数。

6.根据权利要求3所述的绕组开放式电机的双模式调制策略，其特征在于：动态响应输出的计算公式为：

u_p＝K_pΔi₀

其中k_p为比例增益。

7.一种绕组开放式电机的驱动系统，包括两个两电平逆变器、绕组开放式永磁无刷电机、供电电源、电机控制器、位置传感器、电流传感器以及电压传感器，所述电机控制器分别通过位置传感器、电流传感器与绕组开放式永磁无刷电机连接，所述供电电源电压输出端通过电压传感器与所述电机控制器连接，所述电机控制器的信号输出端与两个两电平逆变器的输入端连接，两个两电平逆变器的输出端均与所述绕组开放式永磁无刷电机连接，其特征在于：当电机转速n≤n_N，控制器采用中间六边形调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述中间六边形调制模式的空间电压矢量幅值为对应的线性最大调制系数为1；当电机转速n＞n_N，控制器切换为最大范围调制模式控制两个标准两电平逆变器，驱动绕组开放式电机运行，所述最大范围调制模式的空间电压矢量幅值为为4U_dc/3，对应的线性最大调制系数为/>

8.根据权利要求7所述的绕组开放式电机的驱动系统，其特征在于：所述电机控制器包括位置及速度计算模块、坐标变换模块、dq0/αβ0模块、无共模电压SVPWM模块、转速调节模块、d轴电流调节模块、q轴电流调节模块与混合控制器模块。

9.根据权利要求8所述的绕组开放式电机的驱动系统，其特征在于：所述电流传感器输出端与所述坐标变换模块输入端连接，所述坐标变换模块输出端分别与d轴电流调节模块、q轴电流调节模块、混合控制器模块输入端连接；电压传感器输出端分别与所述d轴电流调节模块、q轴电流调节模块输入端连接；转速调节模块与所述q轴电流调节模块输入端连接；位置传感器输出端与位置及速度计算模块输入端连接，位置及速度计算模块输出端分别与转速调节模块、混合控制器模块、dq0/αβ0模块输入端连接；所述dq0/αβ0模块输出端与无共模电压SVPWM模块输入端连接，所述无共模电压SVPWM模块的信号输出端分别与两个两电平逆变器的输入端连接。

10.根据权利要求7所述的绕组开放式电机的驱动系统，其特征在于：所述两电平逆变器为三桥臂结构，每桥臂由两个IGBT开关器件及分别与IGBT开关器件并联的反向二极管组成。