一种电机的过调制控制方法及其装置与流程

本发明涉及电机调制技术，特别是指一种电机的过调制控制方法及其装置。

背景技术：

通常逆变器的输出电压会受到直流母线电压大小的限制，恒定母线电压情况下，其利用率将会影响弱磁区内电机的转矩与功率输出，例如在电动汽车的驱动系统中，通常直流母线电压不高，同时因为存在电源内阻，随着输出功率的增大，直流母线电压还会减小，这种状况对高速弱磁下电机的高功率输出非常不利。而合理采用过调制算法可提高直流电压利用率，扩展电机的稳定运行范围。

在两电平三相逆变系统中，基本电压矢量构成的正六边形区域为空间矢量脉宽调制(svpwm)的电压空间内切圆内的区域为线性调制区。但是为了进一步提高电压利用率，可以使输出电压矢量扩展到内切圆之外六边形之内。过调制技术有明显的优点：提高直流母线电压利用率，从而提高逆变器输出的基波电压，提高速度输出范围，提高带载能力。尤其在六步模式下，可以将输出的最大基波电压提高10.27％(在svpwm的条件下)。但是也会带来一些问题，电流谐波含量变大，转矩脉动和噪声大等。与此同时，传统的holtz双模式过调制存在不能使输出的基波电压完全等于需求的基波值，缺乏严格的理论证明等缺陷。而传统的bolognani单模式过调制在相同的调制深度时，输出的谐波较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种以角度对为控制目标的基于空间矢量脉宽调制技术，对电机的过调制控制方法及其装置。

基于上述目的本发明提供的电机的过调制控制方法，包括以下步骤：

采集电机反馈转速与给定转速的误差信号和电流反馈信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，得到调制比mi并计算出调制比mi，其中，uref为调制波基波即f(θh，θr)，udc为直流母线电压；

所述调制比mi与角度对(θh，θr)一一对应，根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值；

根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需电压矢量以及相应的占空比，将电压矢量以及相应的占空比输入到dsp控制器中进行处理，然后dsp控制器输出数字信号到逆变器中，得到逆变器六路驱动信号。

该方法中所述坐标变换包括以下步骤：

采集电机反馈转速与给定转速的误差信号和电流反馈信号，根据电机反馈转速与给定转速的误差信号，得到d、q轴坐标系下的参考电流反馈信号id^*、iq^*；

根据获取到的所述参考电流反馈信号id^*、iq^*与所述电流反馈信号相比较得到d、q坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*；

根据获取到的所述参考电压信号ud^*、uq^*得到指令电压信号uα^*、uβ^*；

根据指令电压信号uα^*、uβ^*，得到调制比mi并计算出调制比mi，判断调制比mi的值，当调制比mi小于1，则用传统空间矢量脉宽调制方法得到逆变器六路开关信号，否则依序进行接下来步骤。

该方法中所述参考电流反馈信号id^*、iq^*是将电机反馈转速的误差信号通过pi调节器，来得到d、q轴坐标系下的参考电流反馈信号id^*、iq^*。

该方法中所述参考电压信号id^*、iq^*与所述电流反馈信号相比较后，同样通过pi调节器，来得到d、q坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*。

该方法中所述指令电压信号ud^*、uq^*通过坐标变换公式(1)，得到指令电压信号uα^*、uβ^*，所述公式(1)为：

其中，θ为电压矢量与α轴的夹角。

该方法中所述指令电压信号uα^*、uβ^*，经过svpwm，根据公式(2)，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，并计算调制比mi，所述公式(2)为：

其中,udc为直流母线电压，

该方法中所述调制比mi的范围为1-1.1027，当调制比mi＝1.1027时，基波电压为

该方法中当调制比mi在1-1.1027范围之间，角度对(θh，θr)的函数轨迹为六边形及六边形内圆弧；当调制比mi等于1.1027时，角度对(θh，θr)的函数轨迹为六边形。

基于上述目的，本发明同时公开了一种电机的过调制控制方法的装置，所述装置包括：

永磁同步电机：用于获取电机的给定转速、电机反馈转速与给定转速的误差信号和电流反馈信号；

逆变器：提供所述永磁同步电机的三相输入电能；

信号获取及坐标变换模块：用于获取指令电压信号uα^*、uβ^*；

调制运算模块：将得到的指令电压信号uα^*、uβ^*进行过调制算法，指令电压信号uα^*、uβ^*经过信号调理电路后进入dsp控制器变换为数字信号；

脉冲输出模块：所述dsp控制器将所述数字信号输出为六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到所述逆变器的六个开关管的最终驱动信号。

该装置中所述信号获取及坐标变换模块包括：

电流反馈信号获取模块：根据电机反馈转速与给定转速的误差信号，获取d、q轴坐标系下的参考电流反馈信号id^*、iq^*；

电压信号获取模块：根据参考电流反馈信号id^*、iq^*与所述电流反馈信号相比较来获取d、q轴坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*；

指令电压信号获取模块：根据参考电压信号ud^*、uq^*变换为两相静止坐标系下的指令电压信号uα^*、uβ^*。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种电机的过调制控制方法，通过采集电机给定转速和机反馈转速的误差信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，定义调制比mi并计算出调制比mi，再根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值，根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需电压矢量以及相应的占空比，最后得到逆变器六路驱动信号。相对于bolognani单模式过调制方法，解决了在相同的调制深度时，输出谐波较大的问题；相对holtz双模式过调制方法，有了严格的理论证明，并解决了转矩脉动大，存在噪声等问题；不需要分区，只需要控制住角度对(θh，θr)，便可实现过调制，原理简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理图；

图2是本发明实施例的方法原理图；

图3是本发明实施例中过调制的矢量轨迹；

图4是本发明实施例中调制比m1为1.08-1.1027范围之间的仿真结果图；

图5是本发明实施例中电机运行在六步模式下的实验波形；

图6为本发明实施例中的结构框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

针对传统的过调制方法存在的电流谐波含量变大、转矩脉动和噪声大等问题，本发明提出的解决方法是使用一种电机的过调制控制方法，只需得到角度对(θh，θr)的数值信息，便可以决定要输出的基波大小，即可实现过调制，原理简单，操作方便。

本发明提供的电机的过调制控制方法，包括以下步骤：

采集电机反馈转速与给定转速的误差信号和电流反馈信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到调制比mi并计算出调制比mi，其中，uref为调制波基波即f(θh，θr)，udc为直流母线电压；

所述调制比mi与角度对(θh，θr)一一对应，根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值；

根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需电压矢量以及相应的占空比，将电压矢量以及相应的占空比输入到dsp控制器中进行处理，然后dsp控制器输出数字信号到逆变器中，得到逆变器六路驱动信号。

本发明提供的一种电机的过调制控制方法，通过采集电机给定转速和机反馈转速的误差信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，定义调制比mi并计算出调制比mi，再根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值，根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需电压矢量以及相应的占空比，最后得到逆变器六路驱动信号。相对于bolognani单模式过调制方法，解决了在相同的调制深度时，输出谐波较大的问题；相对holtz双模式过调制方法，有了严格的理论证明，并解决了转矩脉动大，存在噪声等问题；不需要分区，只需要控制住角度对(θh，θr)，便可实现过调制，原理简单，操作方便。

下面对本发明较佳实现方式进行详细说明。在以下实施例中，电机采用的是永磁同步电机，本发明用永磁同步电机做了实验验证了本方法的正确性，同样地可以移植到其他电机上。

请参阅图1，该方法中所述坐标变换包括以下步骤：

根据永磁同步电机给定转速与永磁同步电机反馈转速的误差信号和电流反馈信号，其中永磁同步电机的给定转速是固定不会变化的，而永磁同步电机实时反馈的误差信号(与给定转速之间的误差数值)是变化的，根据这两个值得到d、q轴坐标系下的参考电流反馈信号id^*、iq^*；

根据之前获取到的所述参考电流反馈信号id^*、iq^*与所述电流反馈信号相比较得到d、q坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*，其中参考电压信号ud^*、uq^*是经过pi调节器得到d、q坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*的，pi调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制；

根据之前获取到的所述参考电压信号ud^*、uq^*变换为两相静止坐标系下的指令电压信号uα^*、uβ^*，其中参考电压信号ud^*、uq^*也是通过pi调节器，经过两相静止坐标系下的信号获取及坐标变换公式(1)，所述公式(1)为：

其中，θ为电压矢量与α轴的夹角，得到指令电压信号uα^*、uβ^*；

根据指令电压信号uα^*、uβ^*，得到调制比mi并计算出调制比mi，其中，uref为调制波基波即f(θh，θr)，udc为直流母线电压；判断调制比mi的值，当调制比mi小于1，则用传统空间矢量脉宽调制方法得到逆变器六路开关信号，否则依序进行接下来步骤。这里提到的传统空间矢量脉宽调制方法为holtz双模式方法和bolognani单模式过调制方法；

当调制比mi不小于1，则经过空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation)，svpwm的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成pwm波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。将得到的指令电压信号uα^*、uβ^*经过过调制算法，采集到的指令电压信号uα^*、uβ^*经过信号调理电路后再进入dsp控制器变换为数字信号，dsp控制器即dsp(digitalsignalprocess)芯片即数字信号处理技术，dsp芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。根据公式(2)，所述公式(2)为：

其中，udc为直流母线电压，进而得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)；

所述调制比mi与角度对(θh，θr)一一对应，根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值，通过调制比mi的函数轨迹，便可得到过调制后的角度对(θh，θr)的函数轨迹，然后在所求角度范围内保持顶角位置矢量，然后其他角度作用的电压矢量为六边形边的一段，过调制的整个范围就是从起点到终点(0,0)的过程，最终可得到

然后根据获取到的角度对(θh，θr)的值，计算电机所需电压矢量以及相应的占空比，然后得到逆变器六路开关管的驱动信号。

该方法中所述调制比mi的范围为1-1.1027，当调制比mi＝1.1027时，基波电压为

该方法中当调制比mi在1-1.1027范围之间，角度对(θh，θr)的函数轨迹为六边形及六边形内圆弧；当调制比mi等于1.1027时，角度对(θh，θr)的函数轨迹为六边形，即所谓的六步模式。

请参阅图2，只需得到角度对(θh，θr)的数值信息，便可以决定要输出的基波大小。

请参阅图3，为本发明过调制后的角度对(θh，θr)的函数轨迹，该轨迹类似正弦的轨迹，是从轨迹起点到终点(0,0)的过程。

请参阅图4，为调制比mi为1.08-1.1027的仿真结果图，其中通道1表示速度，通道2为电磁转矩，通道3为a相电流，通道4为a相电压，从仿真结果可以看出即使不进行弱磁，本发明仍然可以很好提高基波电压从而提高转速。

请参阅图5，为电机运行在六步模式下的实验波形，此状态下调制比mi＝1。通道1，2分别为给定的转速与实际的转速，通道3为相电压，通道4为电机相电流。无论仿真还是实验都与理论分析一致。

本发明提供的一种电机的过调制控制方法，通过采集电机给定转速和机反馈转速的误差信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，定义调制比mi并计算出调制比mi，再根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值，根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需三段电压矢量以及相应的占空比，最后得到逆变器六路驱动信号。相对于bolognani单模式过调制方法，解决了在相同的调制深度时，输出谐波较大的问题；相对holtz双模式过调制方法，有了严格的理论证明，并解决了转矩脉动大，存在噪声等问题；不需要分区，只需要控制住角度对(θh，θr)，便可实现过调制，原理简单，操作方便。

基于上述目的，本发明同时公开了一种电机的过调制控制方法的装置，

请参照图6，所述装置包括：

永磁同步电机1：用于获取电机的给定转速、电机反馈转速与给定转速的误差信号和电流反馈信号；

逆变器2：提供所述永磁同步电机的三相输入电能；

信号获取及坐标变换模块3：用于获取指令电压信号uα^*、uβ^*；

调制运算模块4：将得到的指令电压信号uα^*、uβ^*进行过调制算法，指令电压信号uα^*、uβ^*经过信号调理电路后进入dsp控制器变换为数字信号；

脉冲输出模块5：所述dsp控制器将所述数字信号输出为六路开关脉冲，然后经过驱动电路后得到所述逆变器的六个开关管的最终驱动信号。

该装置中所述信号获取及坐标变换模块包括：

电流反馈信号获取模块31：根据电机反馈转速与给定转速的误差信号，获取d、q轴坐标系下的参考电流反馈信号id^*、iq^*；

电压信号获取模块32：根据参考电流反馈信号id^*、iq^*与所述电流反馈信号相比较获取d、q轴坐标系下的参考电压信号ud^*、uq^*；

指令电压信号获取模块33：根据参考电压信号ud^*、uq^*变换为两相静止坐标系下的指令电压信号uα^*、uβ^*。

本发明提供的一种电机的过调制控制方法，通过采集电机给定转速和机反馈转速的误差信号，通过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换得到电机的指令电压信号uα^*、uβ^*，经过空间矢量脉宽调制svpwm，得到角度对(θh，θr)的二元函数f(θh，θr)，定义调制比mi并计算出调制比mi，再根据调制比mi的值，得到角度对(θh，θr)的值，根据角度对(θh，θr)的值，计算电机所需三段电压矢量以及相应的占空比，最后得到逆变器六路驱动信号。相对于bolognani单模式过调制方法，解决了在相同的调制深度时，输出谐波较大的问题；相对holtz双模式过调制方法，有了严格的理论证明，并解决了转矩脉动大，存在噪声等问题；不需要分区，只需要控制住角度对(θh，θr)，便可实现过调制，原理简单，操作方便。

本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。