一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法技术

本发明专利技术提出一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，在模型预测转矩控制中，采用共模电压为0的基本电压矢量对双电机进行控制，减少了系统的共模电压，采用电压矢量合成的方法，实现了在一个周期内零序平面等效电压幅值为0，同时，根据零序电流PI调节器的输出值调整两个用以合成的基本电压矢量的合成时间占比，以控制系统由于各种非线性所引起的零序电流，改善了系统的稳态运行性能；本发明专利技术可以在实现两台电机电磁转矩和定子磁链精准控制的同时，减少系统的共模电压，抑制系统的零序电流。

【技术实现步骤摘要】
一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法
本专利技术涉及电机控制
，尤其是一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法。
技术介绍
与传统的单台逆变器控制单台电机不同，多相电机串联系统实现了单台逆变器同时控制多台电机，其节约了驱动系统的成本和体积，且易于实现能量的回馈制动，在对驱动系统功率密度要求较高的多电飞机、轨道交通和电动汽车等领域有着较大的应用优势。在多相电机串联系统中，六相串联三相双永磁同步电机驱动系统是一种常用的结构。把六相电机AD、BE、CF相绕组的出线端分别并联后，与三相电机U、V、W相绕组串联，这样六相电机的功率电流分量在与三相电机绕组的连接处由于相位相反相互抵消，对三相电机无影响。三相电机的功率电流均分到并联的六相电机相位相反的两相绕组中，对六相电机无影响。这种绕组连接方式实现了两台电机之间的解耦控制。六相逆变器可以输出64种电压矢量，这令传统的基于开关矢量表的六相串联三相双永磁同步电机驱动系统直接转矩控制策略的开关矢量表十分庞大，并且滞环比较器的控制方法给两台电机带来较大的转矩脉动和电流脉动。共模电压普遍存在于使用脉宽调制驱动的电机控制系统中。在实际控制系统中，较大的共模电压可能会在定子节点处击穿绝缘油膜形成轴承电流从而烧毁电机。高频变化的共模电压也会导致电机绕组绝缘的劣化、对周围元器件造成电磁干扰等问题。由共模电压带来的电机发热、机械噪声、共振等问题也会对电机运行造成不良影响。在六相串联三相双永磁同步电机系统中，系统有着5个自由度，控制两台电机的转矩和磁链总计需要4个自由度。在系统中，若不对最后1个自由度进行有效的控制(最后1个自由度所在平面也称为零序平面)，则该自由度会导致较大的零序电流。较大的零序电流会导致绕组电流的畸变、两台电机的损耗增大等问题。针对上面三个问题，本专利技术针对六相串联三相双永磁同步电机驱动系统提出了一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，实现两台电机电磁转矩和定子磁链精准控制的同时，减少系统的共模电压，抑制系统的零序电流。
技术实现思路
本专利技术提出一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，可以在实现两台电机电磁转矩和定子磁链精准控制的同时，减少系统的共模电压，抑制系统的零序电流。本专利技术采用以下技术方案。一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，用于对双电机串联系统进行优化控制，所述双电机串联系统的串联方式为把六相电机AD、BE、CF相绕组的出线端分别并联后再与三相电机U、V、W相绕组串联；所述双电机串联系统以六相逆变器驱动并形成六相串联三相双永磁同步电机系统；所述六相电机为六相永磁同步电机，所述三相电机为三相永磁同步电机；设六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的静止坐标系分别为α1β1和α2β2平面(也称α1β1和α2β2坐标系)，六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的同步旋转坐标系分别为d1q1和d2q2平面(也称d1q1和d2q2坐标系)，A～F分别为六相电机各相绕组轴线，U～W分别为三相电机各相绕组轴线；θr1为d1轴和α1轴之间的夹角即六相电机转子旋转电角度，ωr1为六相电机转子旋转电角速度，us1、is1、ψs1、ψf1分别为六相电机的定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，δ1为六相电机定子磁链矢量和六相电机转子磁链矢量之间的夹角；θr2为d2轴和α2轴之间的夹角即三相电机转子旋转电角度，ωr2为三相电机转子旋转电角速度。us2、is2、ψs2、ψf2分别为三相电机的定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，δ2为三相电机定子磁链矢量和三相电机转子磁链之间的夹角；所述六相逆变器的输出电压为uAO～uFO分别为六相逆变器A～F输出端即六相电机A～F相绕组输入端到三相电机中性点O的电压，isA～isF为六相电机的相电流，Rs1、Rs2为六相电机、三相电机各相绕组的电阻，ψsA～ψsF为六相电机各相定子磁链，ψsU～ψsW为三相电机各相定子磁链；六相串联三相双永磁同步电机系统中，三相电机绕组节点为O点，UDC为系统直流母线电压，O＇点是直流母线电压的中点，系统中六相电机的绕组出线端直接连接到三相电机绕组的进线端，使所述双电机串联系统的共模电压为三相电机绕组定子节点处的共模电压，即O与O＇之间的电压差uoo＇，有所述双电机串联系统的数学模型可通过恒功率变换矩阵T6由ABCDEF自然坐标系变换到α1β1α2β2o1o2静止坐标系；所述恒功率变换矩阵T6表述为α1β1、α2β2、o1o2坐标系下的磁链模型以如下公式表述为：其中，Lsσ1为六相电机相绕组的自漏感，Lsm1＝(Ldm1+Lqm1)/2，Lrs1＝(Ldm1-Lqm1)/2，Ldm1、Lqm1分别为六相电机相绕组主磁通直轴和交轴电感；Lsσ2为三相电机相绕组的自漏感，Lsm2＝(Ldm2+Lqm2)/2，Lrs2＝(Ldm2-Lqm2)/2，Ldm2、Lqm2为三相电机相绕组主磁通直轴和交轴电感；α1β1、α2β2、o1o2坐标系下的电压模型为:六相电机和三相电机的电磁转矩分别为：Te1＝p1(ψsα1iβ1-ψsβ1iα1)(公式9)Te2＝p2(ψsα2iβ2-ψsβ2iα2)(公式10)双电机串联系统的坐标系变换符合六相平面变换矩阵R(θr1)和三相平面变换矩阵R(θr2)；所述双电机串联系统在d1q1、d2q2坐标系下的磁链模型为：其中，Ld1＝Lsσ1+3Lsm1+3Lrs1为六相平面d轴电感，Lq1＝Lsσ1+3Lsm1-3Lrs1为六相平面q轴电感；Ld2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2+3Lrs2为三相平面d轴电感，Lq2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2-3Lrs2为三相平面q轴电感；所述双电机串联系统在d1q1、d2q2坐标系下的电压模型分别如下：六相电机和三相电机运行时的电磁转矩分别为：Te1＝p1(ψsd1iq1-ψsq1id1)(公式17)Te2＝p2(ψsd2iq2-ψsq2id2)(公式18)由公式15和公式16可得，当施加不同的电压矢量作用于系统时，d1q1、d2q2坐标系下定子磁链的变化值为：则下一周期d1q1、d2q2坐标系下定子磁链为：其中，Ts为控制周期；则可得下一周期六相平面和三相平面的磁链幅值为：由公式13、公式14、公式17及公式18可得，六相电机和三相电机下一周期转矩分别可用公式表述为六相电机输入端到三相电机中性点的电压还可以表示为：通过T6矩阵，可以把公式27变换到α1β1α2β2o1o2静止坐标系中：所述控制方法包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，用于对双电机串联系统进行优化控制，其特征在于：所述双电机串联系统的串联方式为把六相电机AD、BE、CF相绕组的出线端分别并联后再与三相电机U、V、W相绕组串联；所述双电机串联系统以六相逆变器驱动并形成六相串联三相双永磁同步电机系统；/n所述六相电机为六相永磁同步电机，所述三相电机为三相永磁同步电机；/n设六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的静止坐标系分别为α1β1和α2β2平面(也称α1β1和α2β2坐标系)，六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的同步旋转坐标系分别为d1q1和d2q2平面(也称d1q1和d2q2坐标系)，A～F分别为六相电机各相绕组轴线，U～W分别为三相电机各相绕组轴线；θ

【技术特征摘要】
1.一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，用于对双电机串联系统进行优化控制，其特征在于：所述双电机串联系统的串联方式为把六相电机AD、BE、CF相绕组的出线端分别并联后再与三相电机U、V、W相绕组串联；所述双电机串联系统以六相逆变器驱动并形成六相串联三相双永磁同步电机系统；
所述六相电机为六相永磁同步电机，所述三相电机为三相永磁同步电机；
设六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的静止坐标系分别为α1β1和α2β2平面(也称α1β1和α2β2坐标系)，六相永磁同步电机和三相永磁同步电机的同步旋转坐标系分别为d1q1和d2q2平面(也称d1q1和d2q2坐标系)，A～F分别为六相电机各相绕组轴线，U～W分别为三相电机各相绕组轴线；θr1为d1轴和α1轴之间的夹角即六相电机转子旋转电角度，ωr1为六相电机转子旋转电角速度，us1、is1、ψs1、ψf1分别为六相电机的定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，δ1为六相电机定子磁链矢量和六相电机转子磁链矢量之间的夹角；θr2为d2轴和α2轴之间的夹角即三相电机转子旋转电角度，ωr2为三相电机转子旋转电角速度；us2、is2、ψs2、ψf2分别为三相电机的定子电压矢量、定子电流矢量、定子磁链矢量、转子磁链矢量，δ2为三相电机定子磁链矢量和三相电机转子磁链之间的夹角；
所述六相逆变器的输出电压为



uAO～uFO分别为六相逆变器A～F输出端即六相电机A～F相绕组输入端到三相电机中性点O的电压，isA～isF为六相电机的相电流，Rs1、Rs2为六相电机、三相电机各相绕组的电阻，ψsA～ψsF为六相电机各相定子磁链，ψsU～ψsW为三相电机各相定子磁链；
六相串联三相双永磁同步电机系统中，三相电机绕组节点为O点，UDC为系统直流母线电压，O＇点是直流母线电压的中点，系统中六相电机的绕组出线端直接连接到三相电机绕组的进线端，使所述双电机串联系统的共模电压为三相电机绕组定子节点处的共模电压，即O与O＇之间的电压差uoo＇，有



所述双电机串联系统的数学模型可通过恒功率变换矩阵T6由ABCDEF自然坐标系变换到α1β1α2β2o1o2静止坐标系；
所述恒功率变换矩阵T6表述为



α1β1、α2β2、o1o2坐标系下的磁链模型以如下公式表述为：









其中，Lsσ1为六相电机相绕组的自漏感，Lsm1＝(Ldm1+Lqm1)/2，Lrs1＝(Ldm1-Lqm1)/2，Ldm1、Lqm1分别为六相电机相绕组主磁通直轴和交轴电感；Lsσ2为三相电机相绕组的自漏感，Lsm2＝(Ldm2+Lqm2)/2，Lrs2＝(Ldm2-Lqm2)/2，Ldm2、Lqm2为三相电机相绕组主磁通直轴和交轴电感；
α1β1、α2β2、o1o2坐标系下的电压模型为:









六相电机和三相电机的电磁转矩分别为：
Te1＝p1(ψsα1iβ1-ψsβ1iα1)(公式9)
Te2＝p2(ψsα2iβ2-ψsβ2iα2)(公式10)
双电机串联系统的坐标系变换符合六相平面变换矩阵R(θr1)和三相平面变换矩阵R(θr2)；






所述双电机串联系统在d1q1、d2q2坐标系下的磁链模型为：






其中，Ld1＝Lsσ1+3Lsm1+3Lrs1为六相平面d轴电感，Lq1＝Lsσ1+3Lsm1-3Lrs1为六相平面q轴电感；Ld2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2+3Lrs2为三相平面d轴电感，Lq2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2-3Lrs2为三相平面q轴电感；
所述双电机串联系统在d1q1、d2q2坐标系下的电压模型分别如下：






六相电机和三相电机运行时的电磁转矩分别为：
Te1＝p1(ψsd1iq1-ψsq1id1)(公式17)
Te2＝p2(ψsd2iq2-ψsq2id2(公式18)
由公式15和公式16可得，当施加不同的电压矢量作用于系统时，d1q1、d2q2坐标系下定子磁链的变化值为：






则下一周期d1q1、d2q2坐标系下定子磁链为：






其中，Ts为控制周期；
则可得下一周期六相平面和三相平面的磁链幅值为：






由公式13、公式14、公式17及公式18可得，六相电机和三相电机下一周期转矩分别可用公式表述为






六相电机输入端到三相电机中性点的电压还可以表示为：



通过T6矩阵，可以把公式27变换到α1β1α2β2o1o2静止坐标系中：





2.根据权利要求1所述的一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下内容；
A、降低两台电机电磁转矩脉动和实现定子磁链的精准控制，以改善两台电机稳态运行特性；
B、降低系统的共模电压，提升系统的可靠性和减少对周围环境的干扰；
C、通过对零序电流的主动控制，来降低绕组电流的畸变和系统的损耗。


3.根据权利要求2所述的一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，其特征在于：为降低系统共模电压和减少系统的控制运算时间，采用共模电压为0的20个电压矢量对系统进行模型预测转矩控制；
当所述双电机串联系统的漏电感小，且所选20个基本电压矢量在零序平面的电压幅值不为0时，采用电压矢量合成的方法令逆变器在一个周期内输出的两个基本电压矢量在零序平面的等效电压幅值为0以抑制零序电流；
当采用电压矢量合成的方法合成的电压矢量在每个周期内在零序平面的等效电压幅值为0也不能完全消除零序电流的存在时，在对双电机串联系统的控制中加入零序电流PI调节器，根据零序电流PI调节器的输出，用以调整合成的两个基本电压矢量合成时间占比，以抑制系统的零序电流。


4.根据权利要求3所述的一种降低共模电压的双电机串联驱动控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤；
步骤S1、根据公式29，选择令系统共模电压为0的20个基本电压矢量对双电机串联系统进行控制，所选择的基本电压矢量编号为：7、11、13、14、19、21、22、25、26、28、35、37、38、41、42、44、49、50、52、56；
步骤S2、利用公式2中的T6矩阵，将六相电流isA～isF变换为α1β1α2β2o1o2坐标系中的电流iα1iβ1iα2iβ2io1io2，以(公式100)表述为



其中，io1、io2为两个零序电流，由于三相电机中性点不引出，故io1恒为0；
步骤S3、利用公式11六相平面变换矩阵R(θr1)将α1β1坐标系下的电流iα1iβ1变换到d1q1旋转坐标系下的电流id1iq1,利用公式12三相平面变换矩阵R(θr2)将α2β2坐标系下的电流iα2iβ2变换到d2q2旋转坐标系下的电流id2iq2；以(公式101)表述为






其中，θr1为六相电机转子旋转电角度，θr2为三相电机转子旋转电角度；
步骤S4、根据公式13得到d1q1坐标系下的六相平面定子磁链ψsd1ψsq1，根据公式14得到d2q2坐标系下的三相平面定子磁链ψsd2ψsq2；以公式(102)表述为






其中，Ld1＝Lsσ1+3Lsm1+3Lrs1，Lq1＝Lsσ1+3Lsm1-3Lrs1，Lsσ1为六相电机相绕组漏电感，Lsm1＝(Ldm1+Lqm1)/2，Lrs1＝(Ldm1-Lqm1)/2，Ldm1、Lqm1分别为六相电机相绕组主磁路的直、交轴电感；Ld2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2+3Lrs2，Lq2＝Lsσ1+2Lsσ2+3Lsm2-3Lrs2，Lsσ2为三相电机相绕组漏电感，Lsm2＝(Ldm2+Lqm2)/2，Lrs1＝(Ldm2-Lqm2)/2，Ld...

【专利技术属性】
技术研发人员：周扬忠，潘斌，钟天云，屈艾文，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35