基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及方法与流程

本发明属于电机系统及控制领域，特别涉及一种开绕组永磁同步电机驱动系统的变换器拓扑结构及控制方法。
背景技术：
：开绕组结构电机是将传统三相交流电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有任何改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后传统各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性，并且其两个端口可以分别连接变换器，通过两端口的变换器可以协调控制各变换器承担一半的功率，并且两端口的变换器在相同绕组电流纹波的条件下，降低其开关频率，很好地满足了大功率电机系统的变换器的需求，因此开绕组结构及其控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。开绕组结构电机通常与双逆变器组成驱动系统，双逆变器分别连接在开绕组电机的两个端口，双逆变器可以分别采用各自的电源供电，即双电源供电方式，通过设置两侧电源的电压等级，可以方便实现三电平、四电平的调制方式，有效抑制驱动电机绕组的电流谐波，在此基础上，将两侧逆变器扩展为三电平、五电平、七电平等等，可以衍生出多种类型的多电平开绕组电机驱动，极大地丰富了开绕组电机的研究内容。另外，为降低驱动系统的成本并减小驱动系统的复杂程度，还可以将双逆变器的直流侧并联，即电源供电方式，该拓扑结构也可以看作电机三相绕组分别连接一套H桥变换器，每相绕组可以独立控制，使得驱动系统的可靠性大幅提高，相比较单电源供电方式，系统的成本有了大幅缩减，但是共直流母线的连接方式，使得开绕组结构电机内部存在零序通路，因此其零序电流的抑制及双逆变器的矢量调制技术等成为研究热点。可见开绕组结构由于其双端口的特性使其具有极大的灵活性，辅以合适的功率变换器能够具备优良的驱动性能。目前，永磁同步电机作为电机驱动系统首选高功率密度、高效率、高性能结构类型电机，开绕组结构永磁同步电机结合相应的功率变换器能够构成具备优良特性的驱动系统，然而，现有的适合开绕组结构电机的双逆变器及其衍生的多电平逆变器拓扑结构，虽然能够很好地实现驱动控制功能，但是超过12个开关器件的变换器拓扑，大大增加了驱动系统的成本，并且控制系统的复杂程度也较高，因此针对开绕组永磁同步电机驱动系统，研究一种简化的变换器拓扑结构及其控制技术成为推广其应用领域的重要途径。技术实现要素：本发明的目的，在开绕组永磁同步电机与单电源供电的双逆变器拓扑构成的驱动系统的基本工作原理基础上，提供一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统及方法，其成本低，调速性能好。为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、五桥臂变换器、控制模块及直流电源，其中，五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器和4开关单相变换器的直流侧均并联连接直流电源，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组A相连；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′与左端绕组B相连；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′与左端绕组C相连；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组B′与左端绕组C相连；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′与4开关单相变换器的输出端相连，右端绕组C′连接左端绕组A；控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对五桥臂变换器的控制。上述6开关三相变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，4开关单相变换器包含相互并联的第四与第五桥臂，各桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，定义上桥臂与下桥臂的连接点为该桥臂的中点，第一至第五桥臂的直流侧均并联连接直流电源，开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC分别连接第一至第三桥臂的中点，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′C′有如下6种连接方式：①开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组A；②开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组B；③开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组C；④开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组C；⑤开绕组永磁同步电机的右端绕组B′C′分别连接第四、第五桥臂的中点，而右端绕组A′连接左端绕组B；⑥开绕组永磁同步电机的右端绕组A′B′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组C′连接左端绕组A。上述上桥臂和下桥臂均采用反并联二极管的IGBT开关。一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动方法，包括如下内容：采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息，获得电机转子转速反馈值，将给定转速与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值；采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值，电流环给定与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生十路PWM信号，控制五桥臂变换器中6开关三相变换器和4开关单相变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。上述五桥臂变换器中各桥臂的驱动信号具有如下限制：(1)各桥臂中的上、下桥臂的驱动信号存在严格的约束关系，上、下桥臂不能够同时开通；(2)各桥臂驱动信号存在严格的约束关系，根据开绕组永磁同步电机右端绕组的连接方式，有如下6种情况：①第一桥臂驱动信号独立，第二桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第三桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；②第二桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第三桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；③第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；④第三桥臂驱动信号独立，第一桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；⑤第二桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第一桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同；⑥第一桥臂驱动信号独立，第三桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第二桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同。针对开绕组永磁同步电机右端绕组的第①种连接方式，上述SVPWM调制的具体过程是：(1)定义每个桥臂的开关状态：上桥臂开、下桥臂关为1状态，上桥臂关、下桥臂开为0状态；(2)由每个桥臂的2种开关状态，定义6开关三相变换器的8种开关组合：第一桥臂0状态、第二桥臂0状态、第三桥臂0状态为V10，第一桥臂0状态、第二桥臂0状态、第三桥臂1状态为V11，第一桥臂0状态、第二桥臂1状态、第三桥臂0状态为V12，第一桥臂0状态、第二桥臂1状态、第三桥臂1状态为V13，第一桥臂1状态、第二桥臂0状态、第三桥臂0状态为V14，第一桥臂1状态、第二桥臂0状态、第三桥臂1状态为V15，第一桥臂1状态、第二桥臂1状态、第三桥臂0状态为V16，第一桥臂1状态、第二桥臂1状态、第三桥臂1状态为V17；当第一桥臂为0状态时，定义4开关单相变换器的4种开关组合：第五桥臂0状态、第四桥臂0状态为V20，第五桥臂0状态、第四桥臂1状态为V21，第五桥臂1状态、第四桥臂0状态为V40，第五桥臂1状态、第四桥臂1状态为V50；当第一桥臂为1状态时，定义4开关单相变换器的4种开关组合：第五桥臂0状态、第四桥臂0状态为V22，第五桥臂0状态、第四桥臂1状态为V23，第五桥臂1状态、第四桥臂0状态为V46，第五桥臂1状态、第四桥臂1状态为V57；6开关三相变换器和4开关单相变换器的所有可能的开关组合有8×4＝32种，根据其在电机绕组端合成矢量长度将其划为4类：1)V10和V20作用，V11和V21作用，V16和V26作用，V17和V27作用，该四种状态定义为双逆变器合成的零矢量；2)V10和V21作用，V10和V24作用，V10和V25作用，V11和V20作用，V11和V25作用，V12和V20作用，V13和V20作用，V12和V21作用，V14和V26作用，V14和V27作用，V15和V27作用，V16和V22作用，V16和V27作用，V17和V22作用，V17和V23作用，V17和V26作用，该16种状态定义为双逆变器合成的小矢量；3)V11和V24作用，V12和V21作用，V12和V24作用，V13和V25作用，V14和V22作用，V15和V23作用，V15和V26作用，V16和V23作用，该8种状态定义为双逆变器合成的中矢量；4)V12和V25作用，V13和V24作用，V14和V23作用，V15和V22作用，该4种状态定义为双逆变器合成的大矢量；(3)根据上述各桥臂开关组合状态和对应开绕组永磁同步电机各相绕组的合成电压矢量，绘制作用于开绕组永磁同步电机绕组的合成电压空间矢量图；(4)依据合成电压矢量产生对三相绕组产生的零序电压为零的原则，提出不产生零序电压的电压矢量；(5)根据确定的开绕组永磁同步电机驱动时各个扇区作用的电压矢量，并计算获得每个扇区各相邻电压矢量的作用时间，对应获得6开关三相变换器和4开关单相变换器中各桥臂的PWM信号；(6)对6开关三相变换器和4开关单相变换器的各个桥臂设置死区时间，防止每相桥臂的直通。采用上述方案后，本发明相比较传统双逆变器的开绕组电机驱动系统，在传统三相变换器的基础上去掉了一个桥臂，可以将其等效为一个6开关三相变换器和一个4开关单相变换器并联，将4开关单相变换器所缺失的那个相(B相)用6开关三相变换器的A相桥臂代替，仍旧作三相输出，构成右三相功率输出端口。相比较传统的两台变换器的独立控制，五桥臂的各个桥臂之间存在更为严格的约束关系：桥臂1的导通方式独立，桥臂2的导通方式与桥臂4的导通方式相同，桥臂3的导通方式与桥臂5的导通方式相同。所述的驱动方法将采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息、绕组电流信号送入控制器，构成速度外环和电流内环驱动控制模块，在五桥臂变换器合成的17种电压矢量中剔除产生零序电压的分量抑制开绕组电机中的零序电流，并实现变换器的SVPWM调制。相比较传统开绕组电机驱动系统采用的双三相逆变器拓扑，其功率变换器成本可以削减16.7％，但是具备同等的调速性能。附图说明图1是本发明驱动系统的结构图；图2是本发明驱动方法的控制框图；图3是6开关三相变换器的矢量图；图4(a)是第一桥臂为0时4开关单相变换器的矢量图；图4(b)是第一桥臂为1时4开关单相变换器的矢量图；图5是作用于开绕组永磁同步电机的合成电压空间矢量图；图6是选用的电压矢量与坐标系示意图；图7是6开关三相变换器和4开关单相变换器的SVPWM信号示意图；其中，(a)-(f)分别表示区间1～6的SVPWM信号。具体实施方式以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。如图1所示，本发明提供一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、五桥臂变换器、控制模块及直流电源，其中，控制模块包括控制器及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，下面分别介绍。所述的五桥臂变换器包含相互并联的6开关三相变换器和4开关单相变换器，6开关三相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC相连，4开关单相变换器的输出端与开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′相连，右端绕组B′与左端绕组A相连，具体来说，6开关三相变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，4开关单相变换器包含相互并联的第四与第五桥臂，各桥臂均包含相互串联的上桥臂和下桥臂，定义上桥臂与下桥臂的连接点为该桥臂的中点，同时作为变换器的输出端，其中，第一桥臂包含上桥臂IGBT开关T10和下桥臂IGBT开关T11，第二桥臂包含上桥臂IGBT开关T20和下桥臂IGBT开关T21，第三桥臂包含上桥臂IGBT开关T30和下桥臂IGBT开关T31，第四桥臂包含上桥臂IGBT开关T40和下桥臂IGBT开关T41，第五桥臂包含上桥臂IGBT开关T50和下桥臂IGBT开关T51，各IGBT开关均反并联二极管，第一至第五桥臂的直流侧并联连接直流电源Udc，而开绕组永磁同步电机的左端绕组ABC分别连接第一至第三桥臂的中点，开绕组永磁同步电机的右端绕组A′C′分别连接第五、第四桥臂的中点，而右端绕组B′连接左端绕组A，也即第一桥臂的中点。电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制器(本实施例中采用AD5435)，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出十路PWM信号，分别驱动10个IGBT开关，将直流电源转换为三相交流电驱动开绕组永磁同步电机。配合图2所示，基于以上驱动系统，本发明还提供一种基于五桥臂变换器的开绕组永磁同步电机驱动方法，包括如下内容：利用位置信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息θ，经过微分环节获得电机转子转速反馈值ω，将给定转速ω*与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值iq*；利用电流信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流iA,B,C，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值id、iq，将速度环输出的iq*与id＝0分别与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值Ud、Uq，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值Uα、Uβ，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生十路PWM信号，分别驱动五桥臂变换器的各个IGBT，控制变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。本发明实现的关键技术在于五桥臂变换器与开绕组永磁同步电机的协调控制，即上述控制模块中SVPWM调制技术的具体实现过程为：(1)首先，各桥臂中的上、下桥臂的驱动信号存在严格的约束关系，上、下桥臂不能够同时开通，否则变换器的桥臂短路；因此，借鉴传统三相桥式变换器的开关函数定义方式，定义每个桥臂的开关状态：上桥臂开、下桥臂关为1状态，上桥臂关、下桥臂开为0状态。表1所示为以第一桥臂为例的组合状态。表1五桥臂变换器的第一桥臂开关组合第一桥臂开关状态T10T11001110(2)五桥臂变换器由一个6开关三相变换器和一个4开关单相变换器并联，由每个桥臂的2种开关状态，定义6开关三相变换器的8种开关组合：第一桥臂0状态、第二桥臂0状态、第三桥臂0状态为V10，第一桥臂0状态、第二桥臂0状态、第三桥臂1状态为V11，第一桥臂0状态、第二桥臂1状态、第三桥臂0状态为V12，第一桥臂0状态、第二桥臂1状态、第三桥臂1状态为V13，第一桥臂1状态、第二桥臂0状态、第三桥臂0状态为V14，第一桥臂1状态、第二桥臂0状态、第三桥臂1状态为V15，第一桥臂1状态、第二桥臂1状态、第三桥臂0状态为V16，第一桥臂1状态、第二桥臂1状态、第三桥臂1状态为V17。由于4开关单相变换器缺失的桥臂由第一桥臂替代，因此当第一桥臂为0状态时，定义4开关单相变换器的4种开关组合：第五桥臂0状态、第四桥臂0状态为V20，第五桥臂0状态、第四桥臂1状态为V21，第五桥臂1状态、第四桥臂0状态为V40，第五桥臂1状态、第四桥臂1状态为V50；当第一桥臂为1状态时，定义4开关单相变换器的4种开关组合：第五桥臂0状态、第四桥臂0状态为V22，第五桥臂0状态、第四桥臂1状态为V23，第五桥臂1状态、第四桥臂0状态为V46，第五桥臂1状态、第四桥臂1状态为V57。如图3和图4所示。综上，各桥臂驱动信号存在严格的约束关系，第一桥臂驱动信号独立，第二桥臂驱动信号与第四桥臂驱动信号相同，第三桥臂驱动信号与第五桥臂驱动信号相同。因此，6开关三相变换器(INV1)和4开关单相变换器(INV2)的所有可能的开关组合有8×4＝32种，根据其在电机绕组端合成矢量长度将其划为4类：1)V10和V20作用，V11和V21作用，V16和V26作用，V17和V27作用，该4种状态下，开绕组永磁同步电机的三相绕组的两端分别连接电源正、负端，该四种状态定义为双逆变器合成的零矢量；2)V10和V21作用，V10和V24作用，V10和V25作用，V11和V20作用，V11和V25作用，V12和V20作用，V13和V20作用，V12和V21作用，V14和V26作用，V14和V27作用，V15和V27作用，V16和V22作用，V16和V27作用，V17和V22作用，V17和V23作用，V17和V26作用，该16种状态定义为双逆变器合成的小矢量；3)V11和V24作用，V12和V21作用，V12和V24作用，V13和V25作用，V14和V22作用，V15和V23作用，V15和V26作用，V16和V23作用，该8种状态定义为双逆变器合成的中矢量；4)V12和V25作用，V13和V24作用，V14和V23作用，V15和V22作用，该4种状态定义为双逆变器合成的大矢量。具体可参考表2所示。表2各桥臂开关组合类型从以上确定合适于五桥臂变换器驱动开绕组永磁同步电机的开关组合有V10和V20作用或V11和V21作用或V16和V26作用或V17和V27作用或V11和V24作用，V11和V20作用或V17和V26作用，V10和V25作用或V12和V20作用或V13和V21作用，V10和V24作用或V13和V20作用或V11和V25作用，V14和V27作用或V16和V22作用或V17和V23作用，V14和V26作用或V15和V27作用或V17和V23作用，V10和V21作用或V16和V27作用，V12和V21作用，V13和V25作用或V12和V24作用，V14和V22作用或V15和V23作用，V15和V26作用，V16和V23作用，V10和V20作用，V17和V27作用，V12和V25作用，V13和V24作用，V15和V22作用，合计17种。(3)根据上述各桥臂开关组合状态和对应开绕组永磁同步电机各相绕组的合成电压矢量，绘制如图5所示的作用于开绕组永磁同步电机绕组的合成电压空间矢量图；(4)本驱动系统中，开绕组永磁同步电机存在零序回路，为抑制开绕组永磁同步电机中合成电压矢量产生的零序电压分量，减小电机三相绕组中产生的零序电流对电机效率的影响，依据合成电压矢量产生对三相绕组产生的零序电压为零的原则，提出不产生零序电压的电压矢量。选择合成电压矢量中不产生零序电压分量有00000、00110、11001、11111、00101、01010、01001、01111、10000、10110、10101、11010，分别定义为V00、V01、V06、V07、V1、V2、V′3、V3、V4、V′4、V5、V6，本系统中存在4个零电压矢量V00、V01、V06、V07，为简化算法选用V00和V07，分别定义为V0和V7。其中V1～V6的矢量长度均为设定如图6所示第一至第六的扇区和新ηγ坐标，将α、β坐标系顺时针旋转30°，构成η、γ坐标系，对应关系为：对处于各个扇区的给定电压矢量Vref可以由V1～V6以及零矢量进行合成，计算获得每个扇区各相邻电压矢量的作用时间如下表所示：表3相应区间对应的矢量作用时间区间123456TXZ(2)Y(4)-Z(4)-X(1)X(2)-Y(1)TYY(6)-X(5)X(6)Z(3)-Y(3)-Z(5)其中：其中，X、Y、Z为各个区间内导通矢量的作用时间，TS为开关周期，Vγ和Vη分别为控制器给出的γ轴和η轴的电压大小，Vdc为直流母线电压。(5)根据计算得到各个区间内V0～V7作用时间，获得6开关三相变换器和4开关单相变换器上桥臂TX0和下桥臂TX1的占空比(X＝1～5)，上、下桥臂的驱动信号互补，由此获得各IGBT开关的SVPWM信号如图7所示，对6开关三相变换器和4开关单相变换器的各个桥臂设置死区时间，防止每相桥臂的直通。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。当前第1页1 2 3