基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，所述方法包括以下步骤：通过虚拟三相扩展将单相零序电流扩展为三相各差120°电角度的三相交流信号；再通过虚拟坐标变换将扩展出的三相交流信号转换成同步旋转坐标系下的dq两相直流信号；基于等效的离散域内开绕组永磁电机模型，并通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中；在离散域中设计dq轴电流控制器和零序电流控制器，分别实现对dq轴电流和零序电流的精确控制。本发明专利技术消除了数字实现过程中使用近似方法带来的控制精度误差，在实现开绕组永磁电机电流控制和共模电压抑制的同时提升控制系统的动态响应和鲁棒性。

Zero-sequence Current Suppression Method for Open-winding Permanent Magnet Motor Based on Extended Virtual Three-phase

【技术实现步骤摘要】
基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法
本专利技术涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法。
技术介绍
开绕组电机作为一种新型电机，并不改变原电机的本体电磁设计与机械结构，而是将常规三相电机Y型连接的定子绕组中性点打开，构成具有双端口的开放式绕组结构。开绕组结构电机不但可以继承传统电机的基本性能，并且由于绕组中性点打开之后各相电机绕组之间的约束关系不再存在、各相绕组独立，还可以在一定程度上提高电机本体结构的可靠性和电机驱动系统的容错能力。此外，开放式绕组的两个端口分别连接变换器，通过对连接于两个端口变流器的协调控制，并且将功率按照特定需求分配到两个变流器上，可以较好的地满足大功率电机系统对变换器的需求。除了在大功率应用场合之外，基于开绕组结构中两个变流器可独立、灵活控制的特点，在电动汽车、电动舰船以及可再生能源发电等场合中也有大量应用。因此开绕组电机控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。目前，开绕组永磁同步电机驱动系统因兼具传统永磁同步电机高功率密度、高效率、高性能的特点和开绕组电机的优点已经成为电机系统发展的新方向。根据开放式绕组两端所接变流器供电方式的不同，开绕组永磁电机驱动系统可分为单电源供电的共直流母线型和双电源供电的隔离型两种拓扑结构。与隔离型结构相比，共直流母线型结构因其较低的成本和较小的体积得到广泛应用。然而在此拓扑结构中，直流母线、变流器与电机绕组之间形成回路，当变流器输出电压含有共模分量时会在回路中产生零序电流，增加电机损耗，降低系统性能并且对电机轴和开关器件造成危害。因此在开绕组电机的控制过程中，对共模电压的抑制是至关重要的一步。目前开绕组永磁电机应用中多采用矢量控制，该方法通过重新分配两个变流器的零矢量作用时间，达到理想的共模电压抑制效果。使用这种方法来获得理想的抑制效果时，需要添加一个零序电流控制器，其输出为参考电压信号，此信号用于调制过程中以获得零矢量的作用时间。同时，因为零序电流为一个频率为三倍基波频率的交流信号，在避免设计更加复杂的控制系统的前提下，为了实现使用一般的PI控制器对零序电流的无静差跟踪控制，需要将以交流信号形式存在的零序电流转化为可直接控制的直流信号。一般情况下，在开绕组电机系统中，用于抑制零序电流的线性控制器都设计在连续时域中，然后为了实现对开绕组电机系统的数字控制，通常采用Euler或Tustin近似方法，对线性控制器进行离散化。但是，这种近似方法的应用给控制过程带来了误差，降低了控制精度。并且在空间矢量脉冲宽度调制的应用过程中，控制信号给入和电压矢量输出之间存在时间间隔，考虑到这段时间间隔时，控制器的设计也相应变的更为复杂。此外，当电机运行时的基波频率与采样频率的比值过高或者电流控制器的带宽整定的过小时，控制器性能将会恶化、无法达到预期的电流控制效果，甚至会导致系统无法正常运行。因此，为了提高控制器的控制性能，获得动态响应更快、鲁棒性能更强的控制系统，则基于离散的电机模型、使用零极点配置方法、直接在离散域中设计电流控制器显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，本专利技术克服了传统的在连续时域内设计的线性控制器在低开关频率情况下控制性能不足的缺点，消除了数字实现过程中使用近似方法带来的控制精度误差，在实现开绕组永磁电机电流控制和共模电压抑制的同时提升控制系统的动态响应和鲁棒性，详见下文描述：一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，所述方法包括以下步骤：通过虚拟三相扩展将单相零序电流扩展为三相各差120°电角度的三相交流信号；再通过虚拟坐标变换将扩展出的三相交流信号转换成同步旋转坐标系下的dq两相直流信号；基于等效的离散域内开绕组永磁电机模型，并通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中；在离散域中设计dq轴电流控制器和零序电流控制器，分别实现对dq轴电流和零序电流的精确控制。其中，所述等效的离散域内开绕组永磁电机模型包括：零散域内的零序电流方程，具体为：i0(k+1)＝Φ0i0(k)+Γs,0u0(k)+Γψ,0ψf3其中，i0(k)和u0(k)分别为kTs时刻的零序电流和零序电压，ψf3为三次转子磁链，Φ0、Γs,0和Γψ,0均为方程系数。进一步地，所述等效的离散域内开绕组永磁电机模型还包括：开绕组永磁电机中定子电流在离散域的表达式，具体为：is(k+1)＝Φdqis(k)+Γs,dqus(k)+Γψ,dqψf式中，is(k)和us(k)分别为kTs时刻的定子电流和定子电压，ψf为定子磁链，Φdq、Γs,dq和Γψ,dq均为方程系数。其中，所述通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中具体为：分别加入状态变量u0(k+1)，us(k+1)，将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中，得到考虑了延迟补偿之后的系统状态方程。进一步地，所述考虑了延迟补偿之后的系统状态方程具体为：其中，i0(k+1)和u0(k+1)分别为(k+1)Ts时刻的零序电流和零序电压，u′ref,0(k)为kTs时刻零序电流控制器输出的电压命令，Γ0为考虑了延迟补偿之后的参数；is(k+1)和us(k+1)分别为(k+1)Ts时刻的定子电流和定子电压，u′s,ref(k)为kTs时刻dq轴电流控制器输出的电压命令，Γdq为考虑了延迟补偿之后的参数。其中，所述零序电流控制器仅使用电机参数Rs和Ls以及期望的带宽α0三个参数。进一步地，所述零序电流控制器对应的的控制律为：u′ref,0(k)＝kp,0e0(k)+ki,0I0(k)-ka,0i0(k)-kb,0u0(k)式中，u'ref,0(k)为kTs时刻电流控制器的输出电压；u0(k)为kTs时刻转子坐标系下输出给电机的电压，kp,0为比例增益；ki,0为积分增益；ka,0和kb,0为状态反馈增益。其中，离散域内的dq轴电流控制器的控制律表示为：式中，is,ref(z)为定子电流参考值，kp,dq为比例增益；ki,dq为积分增益；ka,dq和kb,dq为状态反馈增益，is(z)为定子电流，u′s,ref(z)为dq轴电流控制器输出的电压命令。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术采用离散域内直接设计电流控制器的方法，基于等效的离散域内开绕组永磁电机模型，考虑了数字实现和SVPWM过程中带来的时间延迟，实现对dq轴电流和零序电流的精确控制；2、本专利技术相较于传统的连续域中设计的线性控制器，可以实现更好的零序电流抑制效果，在低开关频率条件下，依旧可以精准稳定控制，增强了系统可靠性。附图说明图1为共直流母线型开绕组永磁电机系统的结构图；图中，开绕组电机绕组两端分别接变流器Ⅰ和变流器Ⅱ，双变流器共同连接在直流侧电源udc两端。图2为零序等效电路图；其中，u10，u20分别为变流器Ⅰ和变流器Ⅱ产生的共模电压；i0为零序电流；Rs为定子电阻；L0为零序等效电感；e0为电机产生的三次反电动势。图3为扩展后的三相零序电路图；图中，将图2中的原零序回路作为虚拟三相扩展后A相，继而分别扩展出滞后A相1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过虚拟三相扩展将单相零序电流扩展为三相各差120°电角度的三相交流信号；再通过虚拟坐标变换将扩展出的三相交流信号转换成同步旋转坐标系下的dq两相直流信号；基于等效的离散域内开绕组永磁电机模型，并通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中；在离散域中设计dq轴电流控制器和零序电流控制器，分别实现对dq轴电流和零序电流的精确控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过虚拟三相扩展将单相零序电流扩展为三相各差120°电角度的三相交流信号；再通过虚拟坐标变换将扩展出的三相交流信号转换成同步旋转坐标系下的dq两相直流信号；基于等效的离散域内开绕组永磁电机模型，并通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中；在离散域中设计dq轴电流控制器和零序电流控制器，分别实现对dq轴电流和零序电流的精确控制。2.根据权利要求1所述的一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，其特征在于，所述等效的离散域内开绕组永磁电机模型包括：零散域内的零序电流方程，具体为：i0(k+1)＝Φ0i0(k)+Γs,0u0(k)+Γψ,0ψf3其中，i0(k)和u0(k)分别为kTs时刻的零序电流和零序电压，ψf3为三次转子磁链，Φ0、Γs,0和Γψ,0均为方程系数。3.根据权利要求2所述的一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，其特征在于，所述等效的离散域内开绕组永磁电机模型还包括：开绕组永磁电机中定子电流在离散域的表达式，具体为：is(k+1)＝Φdqis(k)+Γs,dqus(k)+Γψ,dqψf式中，is(k)和us(k)分别为kTs时刻的定子电流和定子电压，ψf为定子磁链，Φdq、Γs,dq和Γψ,dq均为方程系数。4.根据权利要求2所述的一种基于扩展虚拟三相的开绕组永磁电机零序电流抑制方法，其特征在于，所述通过添加状态变量将数字实现和空间矢量脉冲宽度调制过程中带来的时间延迟考虑进电机模型之中具体为：分别加入状态变量u0(k+1)，us(k+1)，将数字实现和空间矢量脉冲宽度调...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋战锋，胡思雨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12