共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的改进直接转矩控制方法与流程

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的改进直接转矩控制方法。

背景技术：

共直流母线型开绕组永磁同步电机是一种将传统y接永磁同步电机的定子绕组两端打开形成开放式绕组并由一个直流电源同时向两端供电的新型结构，这种电机结构简单，能产生丰富的电压矢量进而提高电压等级同时降低系统容错度。由于零序回路闭合，电压矢量和转子磁链谐波产生零序电压会引起零序电流，零序电流会导致电流谐波增加，电机温升和系统损耗，所以有必要讨论并采取合适的方法抑制零序电流。

文献《yijiezhouandhengnian,“zero-sequencecurrentsuppressionstrategyofopen-windingpmsgsystemwithcommondcbusbasedonzerovectorredistribution,”ieee.trans.ind.electron.,vol.62,no.6,pp.3399–3408,june.2015.》通过分析零电压矢量的作用位置以及持续时间对逆变器产生零序电压的影响，利用零电压矢量实现对零序回路零序电流的抑制。但是这种控制策略是基于矢量控制的改进方法，系统的开关频率较高，控制步骤复杂；与矢量控制相比，直接转矩控制无需磁场定向，同步旋转坐标变换，控制方法简单直观。

直接转矩控制将系统的电磁转矩和定子磁链作为控制目标，根据实际值与给定值的误差大小，选取最优电压矢量直接控制系统运行，因此系统模块无需电流控制环，具有更为快速的动态响应效果。文献《k.v.p.kumarandt.v.kumar,"improviseddirecttorquecontrolstrategiesofopenendwindingpmsmfedwithmulti-levelinversion,"2018ieeeinternationalconferenceonindustrialtechnology(icit),lyon,2018,pp.425-430.》实现了直接转矩控制策略在开绕组永磁同步电机上的应用，然而由于系统采样两个独立电源供电，零序回路保持开路，无需考虑零序电流抑制。目前尚未有文献设计基于直接转矩控制的共直流母线型开绕组永磁同步电机系统策略研究，故为了抑制零序电流，需在常规直接转矩控制的基础上进行相应调整从而改善系统运行性能。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的改进直接转矩控制方法，通过选择产生零序电压为零的6个电压矢量作为基本电压矢量并根据磁链、转矩误差确定每个采样周期的最佳电压矢量，同时引入零电压矢量根据零序回路环的给定零序电压确定零电压矢量的作用位置和作用时间，实现对共直流母线型开绕组永磁同步电机的直接转矩控制。

一种共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的改进直接转矩控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电机的三相定子电流ia～ic、三相定子电压ua～uc、转子位置角θr以及转速ωr；

(2)分别对三相定子电流ia～ic以及三相定子电压ua～uc进行坐标变换，得到αβ坐标系下电机定子电流的α轴分量iα和β轴分量iβ以及电机定子电压的α轴分量uα和β轴分量uβ；

(3)根据上述信息计算出电机的定子磁链幅值|ψs|、零序电流i0、电磁转矩te以及αβ坐标系下电机定子磁链的α轴分量ψα和β轴分量ψβ；

(4)根据α轴分量ψα和β轴分量ψβ确定定子磁链所处扇区secn，进而计算出电机的电磁转矩误差δte和定子磁链误差δ|ψs|；

(5)根据电磁转矩误差δte和磁链误差δ|ψs|判断期望转矩及期望磁链的变化趋势，进而根据定子磁链所处扇区secn从六组基本电压矢量v1～v6中选择一组作为最佳电压矢量；

(6)在下一控制周期内按最佳电压矢量的开关逻辑对逆变器inv1和inv2施加控制，在此基础上选择其中一台逆变器对其作用零电压矢量，即在下一控制周期的前t0/2时段和后t0/2时段内对该逆变器按零电压矢量的开关逻辑施加控制，t0为零电压矢量的作用时长；

逆变器inv1和inv2对电机分别产生极性相反的零序电压，其中产生正零序电压的逆变器为逆变器inv1，产生负零序电压的逆变器为逆变器inv2。

进一步地，所述步骤(3)中零序电流i0的计算表达式为i0＝(ia+ib+ic)/3。

进一步地，所述步骤(3)中定子磁链幅值|ψs|的计算表达式为

进一步地，所述步骤(3)中电磁转矩te的计算表达式如下：

其中：np为电机极对数，ψ3f为电机转子三次谐波磁链。

进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算αβ坐标系下电机定子磁链的α轴分量ψα和β轴分量ψβ；

ψα＝∫(uα-rsiα)dt

ψβ＝∫(uβ-rsiβ)dt

其中：rs为电机定子电阻，t表示时间。

进一步地，所述步骤(4)中确定定子磁链所处扇区secn的标准为：首先，确定定子磁链矢量ψs在αβ坐标系中与α轴的夹角为θ，ψs＝ψα+jψβ，j为虚数单位；

若θ∈[0，π/3)，即判定定子磁链所处扇区secn为第3扇区；

若θ∈[π/3，2π/3)，即判定定子磁链所处扇区secn为第1扇区；

若θ∈[2π/3，π)，即判定定子磁链所处扇区secn为第5扇区；

若θ∈[π，4π/3)，即判定定子磁链所处扇区secn为第4扇区；

若θ∈[4π/3，5π/3)，即判定定子磁链所处扇区secn为第6扇区；

若θ∈[5π/3，2π)，即判定定子磁链所处扇区secn为第2扇区。

进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算电机的电磁转矩误差δte和定子磁链误差δ|ψs|；

δ|ψs|＝|ψs|^ref-|ψs|

其中：为电磁转矩参考值，|ψs|^ref为定子磁链参考值。

进一步地，所述电磁转矩参考值为给定的电角速度参考值ωr^ref与实际转速ωr的误差经pi(比例积分)控制后得到，所述定子磁链参考值|ψs|^ref为电机转子基波磁链值。

进一步地，所述步骤(5)中判断期望转矩及期望磁链变化趋势的标准为：若电磁转矩误差δte大于给定阈值则期望转矩上升，否则期望转矩下降；若定子磁链误差δ|ψs|大于给定阈值则期望磁链上升，否则期望磁链下降。

进一步地，所述步骤(5)中选择最佳电压矢量的标准如下：

当定子磁链所处扇区secn为第3扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v2；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v3；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v6；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v5；

当定子磁链所处扇区secn为第1扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v3；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v4；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v1；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v6；

当定子磁链所处扇区secn为第5扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v4；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v5；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v2；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v1；

当定子磁链所处扇区secn为第4扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v5；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v6；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v3；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v2；

当定子磁链所处扇区secn为第6扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v6；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v1；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v4；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v3；

当定子磁链所处扇区secn为第2扇区情况下：

若期望转矩上升、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v1；

若期望转矩上升、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v2；

若期望转矩下降、期望磁链上升，则最佳电压矢量为v5；

若期望转矩下降、期望磁链下降，则最佳电压矢量为v4；

其中：v1所对应的两组三相开关信号分别为1、0、0和0、0、1，即表示逆变器inv1的a相上桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相下桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂的功率开关器件导通；v2所对应的两组三相开关信号分别为0、1、0和0、0、1，即表示逆变器inv1的a相下桥臂、b相上桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相下桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂的功率开关器件导通；v3所对应的两组三相开关信号分别为0、1、0和1、0、0，即表示逆变器inv1的a相下桥臂、b相上桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相上桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通；v4所对应的两组三相开关信号分别为0、0、1和1、0、0，即表示逆变器inv1的a相下桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相上桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通；v5所对应的两组三相开关信号分别为0、0、1和0、1、0，即表示逆变器inv1的a相下桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相下桥臂、b相上桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通；v6所对应的两组三相开关信号分别为1、0、0和0、1、0，即表示逆变器inv1的a相上桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通，逆变器inv2的a相下桥臂、b相上桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通。

进一步地，所述步骤(6)中选择逆变器对其作用零电压矢量的具体过程为：首先，使给定的零序电流参考值i0^ref与实际零序电流i0的误差经pr(比例谐振)控制后得到零序电压参考值u0^ref，i0^ref＝0；若u0^ref大于0则对逆变器inv2作用零电压矢量，否则对逆变器inv1作用零电压矢量，零电压矢量所对应的三相开关信号为0、0、0，即表示被作用逆变器的a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的功率开关器件导通；零电压矢量的作用时长t0的表达式如下：

其中：ts为开关控制周期，vdc为直流母线电压。

本发明的优点在于：为了抑制逆变器产生的零序电压，选择不产生零序电压的电压矢量作为最优电压矢量；为了抑制转子三次谐波磁链产生的零序电压，通过在最优电压矢量中引入零电压矢量，实现更深程度的对共直流母线型开绕组永磁同步电机的零序电流抑制。因此，本发明控制思想简单，实施难度小，动态响应速度快，能够有效抑制零序电流，同时计算量低，系统负担小。

附图说明

图1为共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的结构示意图。

图2为6个基本电压矢量及扇区示意图。

图3为本发明改进直接转矩控制方法的控制框图。

图4(a)和图4(b)分别为引入零电压矢量后逆变器inv1和inv2的开关状态示意图。

图5(a)和图5(b)分别为引入零电压矢量前后稳态运行时电机的仿真波形示意图。

图6(a)和图6(b)分别为引入零电压矢量前后动态运行时电机的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，在共直流母线型开绕组永磁同步电机系统中，电机的三相定子两端分别接两个三相六开关的逆变器inv1和inv2，sa1～sc2表示6个桥臂开关状态，当s＝1表示开关上桥臂导通，下桥臂关断；当s＝0表示开关下桥臂导通，上桥臂关断。

如图2所示，选择两个逆变器所能产生的6个合成矢量作为选择的基本电压矢量，v1～v6的逆变器开关状态sa1、sb1、sc1、sa2、sb2、sc2分别为：100001、010001、010100、001100、001010、100010。

如图3所示，本发明共直流母线型开绕组永磁同步电机系统的改进直接转矩控制方法，包括如下步骤：

(1)利用编码器测得共直流母线型开绕组永磁同步电机的转子电角度θr和转子电角速度ωr，利用电流电压传感器采集三相定子电流ia～ic，三相定子电压ua～uc。

(2)经过静止坐标变换模块1将三相定子电流ia～ic，三相定子电压ua～uc作为输入得到αβ0轴下的定子电流iα、iβ、i0和定子电压uα、uβ、u0，具体计算公式如下：

(3)定子磁链在αβ轴下的值ψα,ψβ和定子磁链幅值|ψs|由定子磁链计算模块2得到，具体计算公式如下：

ψα＝∫(uα-rsiα)dt

ψβ＝∫(uβ-rsiβ)dt

(4)定子磁链所处扇区由定子磁链计算模块2得到，其扇区判断方法在表1中罗列出：

表1

(5)电磁转矩te由电磁转矩计算模块3得到，具体计算公式如下：

(6)给定电磁转矩量te^ref根据电机给定电角速度ωr^ref与实际电角速度ωr的误差由比例积分pi控制器得到，结合磁链给定量|ψs|^ref计算出电机的转矩误差δte和磁链误差δ|ψs|，|ψs|^ref采用电机转子基波磁链值。

δ|ψs|＝|ψs|^ref-|ψs|

再根据电磁转矩误差δte和磁链误差δ|ψs|由滞环控制器模块5和6输出期望变化情况，即当电磁转矩误差δte(定子磁链误差δ|ψs|)大于某个确定值，则期望转矩(磁链)上升，之后若电磁转矩误差(定子磁链误差δ|ψs|)小于某个确定值后，期望转矩(磁链)下降；进而从六个基本电压矢量中确定最优电压矢量，其最优电压矢量判断方法在表2中罗列出：

表2

(7)给定零序电压u0^ref根据电机给定零序电流i0^ref＝0与实际零序电流i0的误差由比例谐振pr控制器得到，零电压矢量作用时间t0由时间计算模块4得到，具体计算公式如下：

零电压矢量引入方式如图4(a)和图4(b)所示，零电压矢量在每个控制周期的开始与结束各作用一半的t0时间。当u0^ref>0，零电压矢量插入逆变器inv2中(如图4(b)所示)，否则插入逆变器inv1中(如图4(a)所示)。

为验证本发明改进直接转矩控制在共直流母线型开绕组永磁同步电机系统中的有效性，以下通过matlab仿真平台进行仿真验证研究，仿真参数如表3所示。系统的控制周期设置为100μs。

表3

图5(a)和图5(b)表示引入零电压矢量前后电机以500rpm运行的速度稳态运行时的仿真波形，波形从上到下分别是定子磁链幅值、电磁转矩、定子电流和零序电流，可以看到在引入零电压矢量后电机零序电流得到有效控制，定子电流也较为正弦。

图6(a)和图6(b)表示引入零电压矢量前后电机在500rpm运行的速度下电机负载从0nm增加到2nm时的动态仿真波形，波形从上到下分别是电机速度，电磁转矩和零序电流，可以看到在引入零电压矢量后，电机的动态运行性能没有下降，零序电流仍然具有良好的抑制效果。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。