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基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法技术

技术编号:20369003 阅读:47 留言:0更新日期:2019-02-16 19:31
本发明专利技术公开了一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法,该方法将电机运行所需瞬时功率解耦为有功功率和无功功率,并分别由飞跨电容型双逆变器中电源供电的主逆变器和电容供电的补偿逆变器提供,使主逆变器和补偿逆变器分别运行在单位功率因数状态和无功补偿状态,避免了传统功率分配算法中所必须使用的三角函数和反三角函数,降低了控制方法的复杂度,提高了开绕组电机系统运行性能。针对双逆变器交流侧的电压电流相位关系,本发明专利技术还公开了一种混合不连续PWM调制策略,较大地降低了双逆变器的开关损耗,提高了开绕组电机驱动系统效率。

Instantaneous Power Decoupling Control Method for Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Hybrid Discontinuous PWM

The invention discloses an instantaneous power decoupling control method for open-winding permanent magnet synchronous motor based on hybrid discontinuous PWM. The method decouples the instantaneous power required for motor operation into active power and reactive power, and is provided by the main inverter powered by power supply and the compensation inverter powered by capacitor respectively in the flying-span capacitor dual-inverters, so that the main inverter and the compensation inverters operate separately. In the state of unit power factor and reactive power compensation, the trigonometric function and inverse trigonometric function which must be used in traditional power allocation algorithm are avoided, the complexity of control method is reduced, and the operation performance of open-winding motor system is improved. Aiming at the voltage and current phase relationship of the AC side of the dual inverters, the invention also discloses a hybrid discontinuous PWM modulation strategy, which greatly reduces the switching loss of the dual inverters and improves the efficiency of the drive system of the open-winding motor.

【技术实现步骤摘要】
基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法
本专利技术属于电机控制
,具体涉及一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法。
技术介绍
相比感应电机,永磁同步电机效率高、高功率因数、高功率密度及宽调速范围等优点,在数控机床、电动汽车、风力发电、船舰推进及航空航天等领域中获得广泛应用。虽然永磁同步电机具有宽的调速范围,但是随着转速的升高,反电动势也逐渐增加。为了保持反电势与逆变器端电压之间的平衡,需要较高的逆变器直流母线电压。采用过调制技术可以提高直流电压利用率,但过调制会导致定子电流畸变,从而引起转矩脉动和绕组发热问题。提高逆变器直流母线电压可以克服过调制缺点从而使逆变器仍然处在线性调制范围内,但通常受限于应用场合的供电电压。在逆变器前级增加升压变换器,能够提高直流母线电压,但所用升压电感会增加驱动装置体积和重量,而且级联变换器结构也恶化了系统效率。采用阻抗源逆变器代替传统逆变器,能够实现单级升压,但阻抗源网络的高压电容同样会增加装置体积,而且其启动冲击回路也容易损坏逆变桥。此外,基于升压变换器和阻抗源网络的升压拓扑不但会导致逆变器功率器件承受高电压应力,增加桥臂故障率,而且还会增加开关损耗,降低系统效率。开绕组结构是在不改变电机本体电磁设计与机械结构的基础上,仅将电机绕组的中性点打开并串接一个逆变器,构成双逆变器供电的新型电机驱动拓扑。根据双逆变器供电方式的不同,可分为单电源共母线、双电源隔离母线和混合电源供电三种拓扑结构。单电源共母线供电方式仅需要一个直流电源,具有结构简单、成本低,但电机相绕组中存在零序回路,产生的零序电流会增加游标电机的推力脉动和功率损耗。双电源隔离母线供电方式使双逆变器相互隔离,不存在零序电流问题,但隔离双电源的使用增加了系统成本和复杂度。混合电源供电方式是指一侧逆变器的直流母线采用电源供电,另一侧逆变器的直流母线采用电解电容供电,从而构成飞跨电容型双逆变器驱动系统。该驱动拓扑既避免了双电源供电方式的高成本,也抑制了单电源供电方式的零序电流。由于电容侧逆变器只能提供无功功率,而永磁电机在高速运行时也只需要进行无功功率补偿,因此飞跨电容型双逆变器拓扑结构特别适合于永磁同步电机的高性能驱动控制。近几年,随着国内外学者对飞跨电容型双逆变器驱动开绕组电机研究的深入,其电机主逆变器及补偿逆变器之间功率流协调控制问题也受到越来越多的重视。文献1(“Aalgorithmforsupplyvoltageboostinginanopen-endedinductionmachineusingadualinvertersystemwithafloatingcapacitorbridge”,J.Ewanchuk,etal,IEEETransactionsonPowerelectronics,2013,28(3):1348–1357)将主逆变器和补偿逆变器视为两个独立驱动单元,通过控制双逆变器输出电压矢量的夹角,达到提升电机端电压和扩展高速运行范围的效果,但低速运行时主逆变器仍然需要提供部分无功功率。而且主逆变器和补偿逆变器均采用传统的空间矢量PWM调制,因此双逆变器的开关损耗较大。文献2(“Hybridmodulationofdual-inverterforopen-endpermanentmagnetsynchronousmotor”,Y.Lee,etal,IEEETransactionsonPowerelectronics,2015,30(6):3286–3299)提出了一种混合PWM调制策略,主逆变器采用六步PWM调制而补偿逆变器采用空间矢量PWM调制,提高了主逆变器的直流母线电压利用率,同时也降低了主逆变器的开关损耗,但六步PWM调制的采用导致主逆变器仍然需要提供部分无功功率。此外,上述方法都是将定子电压矢量分解为与定子电流矢量方向相同的主逆变器有功矢量和正交的补偿逆变器无功矢量来实现飞跨电容型双逆变器的协调控制。该矢量相位控制算法需使用三角函数计算电压电流矢量的相位,存在计算量大和实现复杂的缺点。因此,探索一种既能实现开绕组电机功率快速解耦又能降低双逆变器开关损耗的高性能控制策略和调制技术,是电机控制
亟待解决的工程应用问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是,针对现有控制技术的不足,提出一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法,能够将电机有功和无功快速解耦并分别由主逆变器和补偿逆变器提供,同时降低双逆变器的开关损耗,提高开绕组驱动系统效率。具体地说,本专利技术是采取以下的技术方案来实现的:一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法,包括如下步骤:(1)检测开绕组电机系统中的三相定子电流ia、ib和ic、转子位置角θe,主逆变器直流母线电压Udc和补偿逆变器飞跨电容电压Ucap;(2)根据转子位置角θe对三相abc静止坐标系下的定子电流ia、ib和ic进行abc/dq坐标变换,得到两相dq旋转坐标系下的定子电流id和iq;(3)根据给定电机转速ωeref和由转子位置角θe计算所得的电机实际转速ωe,二者相减后经PI1速度控制器输出q轴给定电流iqref;d轴给定电流idref等于0;(4)将d轴给定电流idref和定子电流id相减后经PI2电流控制器输出d轴给定电压udref;将q轴给定电流iqref和定子电流iq相减后经PI3电流控制器输出q轴给定电压uqref;(5)将直流母线电压Udc和飞跨电容电压Ucap相减后经PI4电压控制器输出飞跨电容电流Icap,飞跨电容电压Ucap和电流Icap相乘后得到补偿逆变器的损耗功率Ploss2;(6)根据d轴定子电流id、q轴定子电流iq和损耗功率Ploss2,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP和q轴损耗给定电压uq2refP;(7)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、d轴定子电流id和q轴定子电流iq,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴无功给定电压ud2refQ和q轴无功给定电压uq2refQ;(8)根据补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP、d轴无功给定电压ud2refQ、q轴损耗给定电压uq2refP和q轴无功给定电压uq2refQ,计算补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref;(9)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref,计算主逆变器的d轴给定电压ud1ref和q轴给定电压uq1ref;(10)根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的主逆变器给定电压ud1ref和uq1ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref;根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的补偿逆变器给定电压ud2ref和uq2ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua2ref、ub2ref和uc2ref;(11)根据主逆变器三相给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref和补偿逆变器三相给定电压ua2ref、ub2ref本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)检测开绕组电机系统中的三相定子电流ia、ib和ic、转子位置角θe,主逆变器直流母线电压Udc和补偿逆变器飞跨电容电压Ucap;(2)根据转子位置角θe对三相abc静止坐标系下的定子电流ia、ib和ic进行abc/dq坐标变换,得到两相dq旋转坐标系下的定子电流id和iq;(3)根据给定电机转速ωeref和由转子位置角θe计算所得的电机实际转速ωe,二者相减后经PI1速度控制器输出q轴给定电流iqref;d轴给定电流idref等于0;(4)将d轴给定电流idref和定子电流id相减后经PI2电流控制器输出d轴给定电压udref;将q轴给定电流iqref和定子电流iq相减后经PI3电流控制器输出q轴给定电压uqref;(5)将直流母线电压Udc和飞跨电容电压Ucap相减后经PI4电压控制器输出飞跨电容电流Icap,飞跨电容电压Ucap和电流Icap相乘后得到补偿逆变器的损耗功率Ploss2;(6)根据d轴定子电流id、q轴定子电流iq和损耗功率Ploss2,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP和q轴损耗给定电压uq2refP;(7)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、d轴定子电流id和q轴定子电流iq,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴无功给定电压ud2refQ和q轴无功给定电压uq2refQ;(8)根据补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP、d轴无功给定电压ud2refQ、q轴损耗给定电压uq2refP和q轴无功给定电压uq2refQ,计算补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref;(9)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref,计算主逆变器的d轴给定电压ud1ref和q轴给定电压uq1ref;(10)根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的主逆变器给定电压ud1ref和uq1ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref;根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的补偿逆变器给定电压ud2ref和uq2ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua2ref、ub2ref和uc2ref;(11)根据主逆变器三相给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref和补偿逆变器三相给定电压ua2ref、ub2ref和uc2ref,采用混合不连续PWM调制策略,得到主逆变器中六个IGBT的开关信号S1~S6和补偿逆变器中六个IGBT的开关信号S7~S12,开关信号S1~S6和S7~S12经驱动放大后分别对主逆变器和补偿逆变器的IGBT进行通断控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混合不连续PWM的开绕组永磁同步电机瞬时功率解耦控制方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)检测开绕组电机系统中的三相定子电流ia、ib和ic、转子位置角θe,主逆变器直流母线电压Udc和补偿逆变器飞跨电容电压Ucap;(2)根据转子位置角θe对三相abc静止坐标系下的定子电流ia、ib和ic进行abc/dq坐标变换,得到两相dq旋转坐标系下的定子电流id和iq;(3)根据给定电机转速ωeref和由转子位置角θe计算所得的电机实际转速ωe,二者相减后经PI1速度控制器输出q轴给定电流iqref;d轴给定电流idref等于0;(4)将d轴给定电流idref和定子电流id相减后经PI2电流控制器输出d轴给定电压udref;将q轴给定电流iqref和定子电流iq相减后经PI3电流控制器输出q轴给定电压uqref;(5)将直流母线电压Udc和飞跨电容电压Ucap相减后经PI4电压控制器输出飞跨电容电流Icap,飞跨电容电压Ucap和电流Icap相乘后得到补偿逆变器的损耗功率Ploss2;(6)根据d轴定子电流id、q轴定子电流iq和损耗功率Ploss2,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP和q轴损耗给定电压uq2refP;(7)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、d轴定子电流id和q轴定子电流iq,采用瞬时功率解耦控制方法计算补偿逆变器的d轴无功给定电压ud2refQ和q轴无功给定电压uq2refQ;(8)根据补偿逆变器的d轴损耗给定电压ud2refP、d轴无功给定电压ud2refQ、q轴损耗给定电压uq2refP和q轴无功给定电压uq2refQ,计算补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref;(9)根据d轴给定电压udref、q轴给定电压uqref、补偿逆变器的d轴给定电压ud2ref和q轴给定电压uq2ref,计算主逆变器的d轴给定电压ud1ref和q轴给定电压uq1ref;(10)根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的主逆变器给定电压ud1ref和uq1ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref;根据转子位置角θe对两相dq旋转坐标系下的补偿逆变器给定电压ud2ref和uq2ref进行dq/abc坐标变换,得到三相abc静止坐标系下的给定电压ua2ref、ub2ref和uc2ref;(11)根据主逆变器三相给定电压ua1ref、ub1ref和uc1ref和补偿逆变器三相给定电压ua2ref、ub2ref和uc2ref,采用混合不连续PWM调制策略,得到主逆变器中六个IGBT的开关信号S1~S6和补偿逆变器中六个IGBT的开关信号S7~S12,开关信号S1...

【专利技术属性】
技术研发人员:许德志赵文祥徐亮陈前
申请(专利权)人:江苏大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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