本发明属于电机控制领域，涉及双电机五桥臂逆变器驱动电路及其直接转矩控制方法。
背景技术：
双电机驱动系统因为具有低压大功率输出，高功率密度、适于容错运行等优点，近年来应用广泛。传统的多电机驱动系统中最常用的控制结构是每台三相电机均由一个三相六开关逆变器独立控制，而采用五桥臂逆变器驱动双三相电机系统可以节省两个功率器件，有效降低多电机驱动系统的硬件成本。目前尚无相关控制技术的记载。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双电机五桥臂逆变器驱动电路及其直接转矩控制方法，具有可靠性高、响应快速以及精度高等优点。
为了实现上述目的，本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路包括具有第一逆变器桥臂、第二逆变器桥臂、第三逆变器桥臂、第四逆变器桥臂及第五逆变器桥臂的五桥臂逆变器，所述的五桥臂逆变器连接第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机；所述第一星型绕组三相电机的第一相绕组与第一逆变器桥臂的中点a相连，第一星型绕组三相电机的第二相绕组与第二逆变器桥臂的中点b相连，第一星型绕组三相电机的第三相绕组与第三逆变器桥臂的中点c相连；所述第二星型绕组三相电机的第一相绕组与第四逆变器桥臂的中点x相连，第二星型绕组三相电机的第二相绕组与第五逆变器桥臂的中点y相连，第二星型绕组三相电机的第三相绕组与第三逆变器桥臂的中点c相连；所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机连接电流传感器，电流传感器将检测到的三相电流ia、ib、ic和iu、iv、iw，连同电压传感器检测到的直流母线电压vdc一起送到转矩和磁链估计单元，转矩和磁链估计单元计算得到两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2，利用定子磁链幅值ψs1、ψs2计算得到两个电机的转子位置角θ1、θ2，结合转子位置角计算得到两个电机的转子转速ω1、ω2；第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机的给定参考转速ω1*、ω2*与实际转子转速ω1、ω2之间的转速误差eω1、eω2经过转速pi控制器得到两个电机的参考转矩te1*、te2*；将参考转矩te1*、te2*和参考定子磁链幅值ψs1*和ψs2*与两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2比较后得到两个电机的转矩误差et1、et1和磁链误差eψ1、eψ2，输入转矩滞环控制器与磁链滞环控制器得到两个电机的转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2；通过两个电机的转子位置角θ1、θ2、转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2在开关选择表中选择两个电机对应的两个六开关电压源型逆变器的六个开关触发信号δ1m、δ2m，m＝1,2,3,4,5,6。
所述的第一逆变器桥臂、第二逆变器桥臂、第三逆变器桥臂、第四逆变器桥臂及第五逆变器桥臂并联后与公共的直流电源相连，每个桥臂都由两个功率开关管串联而成。
所述的五桥臂逆变器采用igbt或mosfet功率开关管。
所述的第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机均采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或者三相交流异步电机。
本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路的直接转矩控制方法，包括以下步骤：
步骤一、将第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机的开关表输出信号sa1、sb1、sc1和sa2、sb2、sc2、电流传感器检测到的三相电流ia、ib、ic和iu、iv、iw以及电压传感器检测到的直流母线电压vdc一起送到转矩和磁链估计单元；转矩和磁链估计单元得到两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2，利用定子磁链幅值ψs1、ψs2得到两个电机的转子位置角θ1、θ2，结合转子位置角得到两个电机的转子转速ω1、ω2；
步骤二、第一星型绕组三相电机与第二星型绕组三相电机的给定参考转速ω1*、ω2*与实际转子转速ω1、ω2之间的转速误差eω1、eω2经过转速pi控制器得到两个电机的参考转矩te1*、te2*；设定两个电机的参考定子磁链幅值ψs1*和ψs2*为两个电机转子磁链值；将参考转矩te1*、te2*和参考定子磁链幅值ψs1*和ψs2*与转矩和磁链估计单元计算得到的两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2进行比较，得到两个电机的转矩误差et1、et1和磁链误差eψ1、eψ2，将转矩误差et1、et1和磁链误差eψ1、eψ2输入转矩滞环控制器与磁链滞环控制器得到两个电机的转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2；通过两个电机的转子位置角θ1、θ2、转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2在开关选择表中选择两个电机对应的两个六开关电压源型逆变器的六个开关触发信号δ1m、δ2m，m＝1,2,3,4,5,6；
步骤三、利用两个六开关电压源型逆变器的开关触发信号δ1m、δ2m经过计算得到五桥臂逆变器的十个开关触发信号sk，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10：
其中，⊙代表与逻辑；
利用生成的五桥臂逆变器十个开关触发信号实现对两个电机的控制。
所述的五桥臂逆变器经过pwm生成单元生成逆变器桥臂上十个开关的实际触发信号对两个电机进行控制。
转速误差eω1、eω2经转速pi控制器得到两个电机的参考转矩te1*、te2*的计算公式如下：
式中，k1、k2为正值比例常数，k3、k4为正值积分常数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：两个星型绕组三相电机的各三相绕组依次连接到五桥臂逆变器的五个桥臂中点，通过直接转矩控制方法获得两个电机各自的转矩和磁链误差，误差信号经过转矩滞环控制器与磁链滞环控制器得到两个电机转矩控制信号和磁链控制信号，通过两个电机的转子位置角、转矩控制信号和磁链控制信号在开关选择表中选择两个电机对应的两个六开关电压源型逆变器的六个开关触发信号，实现对两个三相电机的有效控制。本发明适用于各种双三相电机五桥臂逆变器驱动系统，实现简单，适用范围广。
附图说明
图1本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路的结构示意图；
图2本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路的直接转矩控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路包括具有第一逆变器桥臂l1、第二逆变器桥臂l2、第三逆变器桥臂l3、第四逆变器桥臂l4及第五逆变器桥臂l5的五桥臂逆变器，五桥臂逆变器连接第一星型绕组三相电机m1与第二星型绕组三相电机m2。
每个桥臂都由两个功率开关管串联而成，第一逆变器桥臂l1、第二逆变器桥臂l2、第三逆变器桥臂l3、第四逆变器桥臂l4及第五逆变器桥臂l5并联后与公共的直流电源相连，正极是vdc，负极是gnd。五个逆变器桥臂与两个电机的连接方式如下：
第一星型绕组三相电机m1：
第一相绕组a与第一逆变器桥臂l1的中点a相连；
第二相绕组b与第二逆变器桥臂l2的中点b相连；
第三相绕组c与第三逆变器桥臂l3的中点c相连；
第二星型绕组三相电机m2：
第一相绕组u与第四逆变器桥臂l4的中点x相连；
第二相绕组v与第五逆变器桥臂l5的中点y相连；
第三相绕组w与第三逆变器桥臂l3的中点c相连；
双三相电机五桥臂逆变器驱动系统中，每个逆变器桥臂的组成如下：
第一逆变器桥臂l1由第一功率开关管t1与第二功率开关管t2组成；
第二逆变器桥臂l2由第三功率开关管t3与第四功率开关管t4组成；
第三逆变器桥臂l3由第五功率开关管t5与第六功率开关管t6组成；
第四逆变器桥臂l4由第七功率开关管t7与第八功率开关管t8组成；
第五逆变器桥臂l5由第九功率开关管t9与第十功率开关管t10组成。
第一逆变器桥臂l1中，第一功率开关管t1与第二功率开关管t2的公共连接中点为a；第二逆变器桥臂l2中，第三功率开关管t3与第四功率开关管t4的公共连接中点为b；第三逆变器桥臂l3中，第五功率开关管t5与第六功率开关管t6的公共连接中点为c；第四逆变器桥臂l4中，第七功率开关管t7与第八功率开关管t8的公共连接中点为x；第五逆变器桥臂l5中，第九功率开关管t9与第十功率开关管t10的公共连接中点为y。
功率开关管均采用igbt或mosfet等功率器件。第一星型绕组三相电机m1与第二星型绕组三相电机m2采用三相永磁同步电机、三相无刷直流电机或者三相交流异步电机等。
参见图2，本发明双电机五桥臂逆变器驱动电路的直接转矩控制方法为：
将第一星型绕组三相电机m1与第二星型绕组三相电机m2的开关表输出信号sa1、sb1、sc1和sa2、sb2、sc2、电流传感器将检测到两个电机的三相电流ia、ib、ic和iu、iv、iw、电压传感器将检测到直流母线电压vdc信号一起送到转矩和磁链估计单元。由转矩和磁链估计单元可以估计得到两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2，利用定子磁链幅值ψs1、ψs2可以计算得到两个电机的转子位置角θ1、θ2，再利用转子位置角进一步计算得到两个电机的转子转速ω1、ω2。第一星型绕组三相电机m1与第二星型绕组三相电机m2给定参考转速ω1*、ω2*与实际转子转速ω1、ω2经过计算后得到转速误差eω1、eω2,转速误差eω1、eω2经过转速pi控制器得到两个电机的参考转矩te1*、te2*。设定两个电机的参考定子磁链幅值ψs1*和ψs2*都为两个电机转子磁链值。将参考转矩te1*、te2*和参考定子磁链幅值ψs1*和ψs2*与转矩和磁链估计单元计算得到的两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2经过计算后得到两个电机的转矩误差et1、et2和磁链误差eψ1、eψ2，再输入到两个滞环控制器后得到两个电机的转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2。通过两个电机的转子位置角θ1、θ2、转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2可以开关选择表中选择两个电机对应的两个六开关电压源型逆变器的六个开关触发信号δ1m、δ2m，m＝1,2,3,4,5,6。最后利用两个逆变器的开关触发信号δ1m、δ2m经过计算整理得到五桥臂逆变器十个开关触发信号。
具体步骤如下：
步骤一：系统进行初始化。
将两个电机的开关表输出信号sa1、sb1、sc1和sa2、sb2、sc2、电流传感器将检测到两个电机的三相电流ia、ib、ic和iu、iv、iw、电压传感器将检测到直流母线电压vdc信号一起送到转矩和磁链估计单元。由转矩和磁链估计单元估计得到两个电机转矩te1、te2和定子磁链幅值ψs1、ψs2，利用定子磁链幅值ψs1、ψs2计算得到两个电机的转子位置角θ1、θ2，再利用转子位置角进一步计算得到两个电机的转子转速ω1、ω2。转矩和磁链估计方法、转子转速和位置角计算方法在很多文献和专利中都有介绍，在此不再说明。
步骤二：计算两个电机的两相旋转坐标系下的给定参考电流iq1*、iq2*。两个电机m1、m2的给定参考转速ω1*、ω2*与实际转速ω1、ω2经过速度调节模块后得到转速误差eω1、eω2：
转速误差eω1、eω2经过转速pi控制器得到给定参考转矩te1*、te2*：
式中，k1、k2为正值比例常数，k3、k4为正值积分常数。
步骤三：定义两个电机的给定参考磁链幅值为ψs1*、ψs2*：
式中，ψf1、ψf2为转子磁链常数。
两个电机的参考磁链幅值为ψs1*、ψs2*、参考转矩te1*、te2*和它们估计值te1、te2和ψs1、ψs2各自计算误差后得到两个电机的对应的转矩误差et1、et1和磁链误差eψ1、eψ2：
经过四个滞环控制器得到转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2：
式中，ε为一个较小的正值常数。
步骤四：通过两个电机的转子位置角θ1、θ2、转矩控制信号φ1、φ2和磁链控制信号τ1、τ2可以开关选择表中选择两个电机对应的两个六开关电压源型逆变器的六个开关触发信号δ1m、δ2m，m＝1,2,3,4,5,6。开关选择表在很多文献和专利中都有介绍，在此不再说明。
步骤五：利用两个逆变器的开关触发信号δ1m、δ2m经过计算整理得到五桥臂逆变器十个开关触发信号sk，k＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10：
其中，⊙代表与逻辑。
根据以上步骤，利用生成的五桥臂逆变器十个功率开关触发信号就可以实现对两个电机m1、m2的有效控制。