一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法，该方法应用电压切割法在准确输出系统所需有功功率的同时降低了开关损耗，保持电容电压稳定；相比SVPWM开关损耗降低至原来的1/2，较大程度地提高了系统效率。同时，本发明专利技术控制调节逆变器在提供无功的同时还起到补偿主逆变器低开关频率引起的谐波的作用，实现了开绕组电机的高效高性能控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法
本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法。
技术介绍
随着全球环境污染和能源危机的加剧，电动机正逐渐取代内燃机等传统燃料机械在运输牵引中的地位，成为具有高效率高性能的新型驱动系统，促进了以电动汽车、船舶电力推进、高速铁路为代表的电力牵引技术的蓬勃发展。永磁同步电机以其高功率密度、高功率因数以及高运行效率等优势得到了广泛应用，这很大程度得益于转子永磁体无需电励磁。虽然永磁同步电机在基速以下具有极高的功率因数和效率，但反电势随着转速升高而增加，由于受到逆变器输出容量的限制，必须通过弱磁控制实现永磁同步电机的高速运行，导致转矩和效率下降。因此提高逆变器的直流母线电压有利于提高系统效率和稳定性，双逆变器开绕组永磁同步电机拓扑结构就是其中一种获得高直流母线电压的方式。如图1所示，开绕组永磁同步电机系统是在传统单逆变器驱动电机控制系统基础上，不改变原电机的本体电磁设计与机械结构，仅将常规三相定子绕组中点打开形成两端开放式绕组，在绕组的另一端再串接一个逆变器(调节逆变器)而形成。考虑成本问题，部分学者对一侧逆变器直流母线接电源另一侧仅接电容的有效电源条件混合驱动拓扑结构进行了分析研究。文献1(“Dual-invertercontrolstrategyforhigh-speedoperationofEVinductionmotors”,JunhaKimet.al,IEEETransactionsonIndustrialelectronics,2014,51(2):312-320)利用主逆变器提供异步电机高速运行时的无功功率，获得了极为宽广的恒功率区。文献2(“DualInverterStrategyforHighSpeedOperationofHEVPermanentMagnetSynchronousMotor”,JoonSungParket.al,IndustryApplicationsConference,2006,1:488-494.)在理论上分析了混合逆变器同样能较大幅度地提高永磁同步电机高速时的转矩和功率容量，但并未给出仿真或实验验证。文献3(“ExtensionoftheOperatingRegionofanIPMMotorUtilizingSeriesCompensation”,DiPanet.al,IEEETransactionsonIndustryApplications,2014,50(1):539-548)引入电力系统串联补偿概念，将调节逆变器与电机视为一个整体进行控制，拓宽了电机运行范围，增大了输出转矩。文献4(“AMethodforSupplyVoltageBoostinginanOpen-EndedInductionMachineUsingaDualInverterSystemWithaFloatingCapacitorBridge”,JeffreyEwanchuket.al,IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,28(3):1348-1357)则将主逆变器和调节逆变器视为两个独立的逆变器，研究了通过改变两者输出电压矢量的夹角，以达到提升电机端部供电电压的目的。然而上述文献均采用空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，SVPWM)方式对两个逆变器进行控制。由于SVPWM控制策略下，逆变器开关管进行斩波动作，开关频率高，损耗大，影响系统效率。为此文献5(“HybridModulationofDualInverterforOpen-EndPermanentMagnetSynchronousMotor”,YongjaeLeeet.al,2014)提出六步调制策略以降低逆变器的开关频率和损耗，但由于该调制策略下为保持电机运行稳定要求较高的电容电压，同样增加了损耗。因此，亟需探索一种无需提高电容电压，又能降低系统损耗的控制方法，以保证开绕组电机的高效高性能运行。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法，能够保持电容电压稳定，降低开关损耗得以减少，从而使系统效率得以提高。一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法，包括如下步骤：(1)采集系统中主逆变器的直流母线电压Vdc、调节逆变器的直流母线电压Vcap、电机的三相定子电流ia～ic和转子位置角θr，进而计算出电机的转速ω；(2)利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行Park变换，得到d-q旋转坐标系下的定子电流矢量Idq，并计算定子电流矢量Idq相对于d轴的夹角β；对三相定子电流ia～ic进行Clark变换，得到α-β静止坐标系下的定子电流矢量Iαβ，并计算定子电流矢量Iαβ相对于α轴的夹角θi；(3)根据给定的电机转速ω*和实际的电机转速ω，确定电机对应d轴和q轴的电流参考量id*和iq*；(4)根据定子电流矢量Idq以及电流参考量id*和iq*，确定电机对应d轴和q轴的电压参考量Vd*和Vq*，进而利用夹角β对电压参考量Vd*和Vq*进行坐标变换，得到电机的有功电压参考量Vactive*和无功电压参考量Vreactive*；(5)使给定的电容电压参考量Vcap*减去直流母线电压Vcap，进而对相减结果进行PI调节从得到电容充电电压参考量VCIactive*；(6)根据有功电压参考量Vactive*、电容充电电压参考量VCIactive*和夹角θi，利用电压切割法确定主逆变器的有效电压矢量及其作用时间Tx以及主逆变器的输出电压矢量VMIαβ；(7)利用有效电压矢量的作用时间Tx确定主逆变器的三相开关信号S1a～S1c；(8)根据有功电压参考量Vactive*、无功电压参考量Vreactive*、电容充电电压参考量VCIactive*、输出电压矢量VMIαβ和夹角θi，确定调节逆变器的调制电压矢量VCIαβ，进而通过SVPWM技术得到调节逆变器的三相开关信号S2a～S2c；(9)利用三相开关信号S1a～S1c和S2a～S2c经驱动后分别对主逆变器和调节逆变器中的功率开关器件进行开关控制。所述的步骤(3)中确定电机对应d轴和q轴的电流参考量id*和iq*，具体过程如下：首先，使给定的电机转速ω*减去实际的电机转速ω得到转速误差Δω，进而对转速误差Δω进行PI调节得到电流参考幅值Is*；然后，根据最大转矩电流比原理通过以下算式计算出电流参考幅值Is*的MTPA(最大转矩电流比)角γMTPA：其中：ψf为电机的永磁磁链，Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感；最后，根据所述的MTPA角γMTPA和电流参考幅值Is*通过以下关系式确定电流参考量id*和iq*：所述的步骤(4)中确定电机对应d轴和q轴的电压参考量Vd*和Vq*，具体过程为：首先，使电流参考量id*减去定子电流矢量Idq的d轴分量id，并对相减结果进行PI调节，进而将PI调节的输出结果加上d轴电压补偿量，即得到电机对应d轴的电压参考量Vd*；然后，使电流参考量iq*减去定子电流矢量Idq的q轴分量iq，并对相减结果进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法，包括如下步骤：(1)采集系统中主逆变器的直流母线电压Vdc、调节逆变器的直流母线电压Vcap、电机的三相定子电流ia～ic和转子位置角θr，进而计算出电机的转速ω；(2)利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行Park变换，得到d‑q旋转坐标系下的定子电流矢量Idq，并计算定子电流矢量Idq相对于d轴的夹角β；对三相定子电流ia～ic进行Clark变换，得到α‑β静止坐标系下的定子电流矢量Iαβ，并计算定子电流矢量Iαβ相对于α轴的夹角θi；(3)根据给定的电机转速ω*和实际的电机转速ω，确定电机对应d轴和q轴的电流参考量id*和iq*；(4)根据定子电流矢量Idq以及电流参考量id*和iq*，确定电机对应d轴和q轴的电压参考量Vd*和Vq*，进而利用夹角β对电压参考量Vd*和Vq*进行坐标变换，得到电机的有功电压参考量Vactive*和无功电压参考量Vreactive*；(5)使给定的电容电压参考量Vcap*减去直流母线电压Vcap，进而对相减结果进行PI调节从得到电容充电电压参考量VCIactive*；(6)根据有功电压参考量Vactive*、电容充电电压参考量VCIactive*和夹角θi，利用电压切割法确定主逆变器的有效电压矢量及其作用时间Tx以及主逆变器的输出电压矢量VMIαβ；(7)利用有效电压矢量的作用时间Tx确定主逆变器的三相开关信号S1a～S1c；(8)根据有功电压参考量Vactive*、无功电压参考量Vreactive*、电容充电电压参考量VCIactive*、输出电压矢量VMIαβ和夹角θi，确定调节逆变器的调制电压矢量VCIαβ，进而通过SVPWM技术得到调节逆变器的三相开关信号S2a～S2c；(9)利用三相开关信号S1a～S1c和S2a～S2c经驱动后分别对主逆变器和调节逆变器中的功率开关器件进行开关控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电压切割法的开绕组永磁同步电机系统控制方法，包括如下步骤：(1)采集系统中主逆变器的直流母线电压Vdc、调节逆变器的直流母线电压Vcap、电机的三相定子电流ia～ic和转子位置角θr，进而计算出电机的转速ω；(2)利用转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行Park变换，得到d-q旋转坐标系下的定子电流矢量Idq，并计算定子电流矢量Idq相对于d轴的夹角β；对三相定子电流ia～ic进行Clark变换，得到α-β静止坐标系下的定子电流矢量Iαβ，并计算定子电流矢量Iαβ相对于α轴的夹角θi；(3)根据给定的电机转速ω*和实际的电机转速ω，确定电机对应d轴和q轴的电流参考量id*和iq*；(4)根据定子电流矢量Idq以及电流参考量id*和iq*，确定电机对应d轴和q轴的电压参考量Vd*和Vq*，进而利用夹角β对电压参考量Vd*和Vq*进行坐标变换，得到电机的有功电压参考量Vactive*和无功电压参考量Vreactive*；(5)使给定的电容电压参考量Vcap*减去直流母线电压Vcap，进而对相减结果进行PI调节从得到电容充电电压参考量VCIactive*；(6)根据有功电压参考量Vactive*、电容充电电压参考量VCIactive*和夹角θi，利用电压切割法确定主逆变器的有效电压矢量及其作用时间Tx以及主逆变器的输出电压矢量VMIαβ，具体过程如下：6.1使有功电压参考量Vactive*与电容充电电压参考量VCIactive*相加得到主逆变器的有功电压参量VMIactive*；6.2利用夹角θi根据以下关系确定主逆变器的有效电压矢量：若θi∈[-π/6,π/6)，则主逆变器的有效电压矢量＝V1(100)，其所对应的三相开关信号分别为1、0、0，即表示主逆变器A相上桥臂的功率开关器件导通，B相和C相下桥臂的功率开关器件导通；若θi∈[π/6,π/2)，则主逆变器的有效电压矢量＝V2(110)，其所对应的三相开关信号分别为1、1、0，即表示主逆变器A相和B相上桥臂的功率开关器件导通，C相下桥臂的功率开关器件导通；若θi∈[π/2,5π/6)，则主逆变器的有效电压矢量＝V3(010)，其所对应的三相开关信号分别为0、1、0，即表示主逆变器B相上桥臂的功率开关器件导通，A相和C相下桥臂的功率开关器件导通；若θi∈[5π/6,7π/6)，则主逆变器的有效电压矢量＝V4(011)，其所对应的三相开关信号分别为0、1、1，即表示主逆变器B相和C相上桥臂的功率开关器件导通，A相下桥臂的功率开关器件导通；若θi∈[7π/6,3π/2)，则主逆变器的有效电压矢量＝V5(001)，其所对应的三相开关信号分别为0、0、1，即表示主逆变器C相上桥臂的功率开关器件导通，A相和B相下桥臂的功率开关器件导通；若θi∈[3π/2,11π/6)，则主逆变器的有效电压矢量＝V6(101)，其所对应的三相开关信号分别为1、0、1，即表示主逆变器A相和C相上桥臂的功率开关器件导通，B相下桥臂的功率开关器件导通；6.3根据以下算式计算主逆变器有效电压矢量的作用时间Tx：其中：Ts为主逆变器中功率开关器件的开关周期，θVMI为主逆变器有效电压矢量的位置角；6.4利用所述的作用时间Tx根据以下关系确定主逆变器的输出电压矢量VMIαβ：若主逆变器的有效电压矢量＝V1(100)，则VMIα＝(2Vdc/3)*(Tx/Ts)，VMIβ＝0；若主逆变器的有效电压矢量＝V2(110)，则VMIα＝(Vdc/3)*(Tx/Ts)，若主逆变器的有效电压矢量＝V3(010)，则VMIα＝-(Vdc/3)*(Tx/Ts)，若主逆变器的有效电压矢量＝V4(011)，则VMIα＝-(2Vdc/3)*(Tx/Ts)，VMIβ＝0；若主逆变器的有效电压矢量＝V5(001)，则VMIα＝-(Vdc/3)*(Tx/Ts)，若主逆变器的有效电压矢量＝V6(101)，则VMIα＝(Vdc/3)*(Tx/Ts)，其中：VMIα和VMIβ分别为输出电压矢量VMIαβ在α-β静止坐标系下的α轴分量和β轴分量；(7)利用有效电压矢量的作用时间Tx确定主逆变器的三相开关信号S1a～S1c；(8)根据有功电压参考量Vactive*、无功电压参考量Vreactive*、电容充电电压参考量VCIactive*、输出电压矢量VMIαβ和夹角θi，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丹，林斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33