一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统及其控制方法

摘要

本发明公开一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统，三相九开关变换器包含相互并联的3相桥臂，每相桥臂均包含顺序连接的上管、中管和下管，上管和中管构成上三相功率输出端口，中管和下管构成下三相功率输出端口；三相九开关变换器的直流侧并联连接直流电源，上、下三相功率输出端口分别与开绕组永磁同步电机的ABC三相绕组的两端相连，并使开绕组永磁同步电机的任一相绕组两端连接不同的桥臂；分别采集开绕组永磁同步电机的电流信号和电压信号，送入控制模块实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对三相九开关变换器的控制。此系统成本低，调速性能好。本发明还公开一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统的控制方法。

说明书

技术领域

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 统及其控制方法。

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协调控制，可以使各变换器承担一 半的功率，并且两端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、五电平的调制方 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的零序通路，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 其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。

发明内容

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，提供一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统 及其控制方法，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：

一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、三相 九开关变换器、控制器及直流电源，其中，三相九开关变换器包含相互并联的第 一至第三桥臂，每相桥臂均包含顺序连接的上管、中管和下管，且3相桥臂的上 管和中管共同构成三相九开关变换器的上三相功率输出端口，3相桥臂的中管和 下管共同构成三相九开关变换器的下三相功率输出端口；3相桥臂的直流侧并联 连接直流电源，而上、下三相功率输出端口分别与开绕组永磁同步电机的ABC三 相绕组的两端abc、a′b′c′相连，并使开绕组永磁同步电机的任一相绕组两端连 接不同的桥臂；控制器包括控制模块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模块，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM 信号，实现对三相九开关变换器的控制。

上述三相九开关变换器与开绕组永磁同步电机的连接方式是：开绕组永磁同 步电机A相绕组的a端连接于第一桥臂的上管和中管之间，a′端连接于第二桥臂 的中管和下管之间，B相绕组的b端连接于第二桥臂的上管和中管之间，b′端连 接于第三桥臂的中管和下管之间，C相绕组的c端连接于第三桥臂的上管和中管 之间，c′端连接于第一桥臂的中管和下管之间。

上述第一至第三桥臂的所有上管、中管和下管均采用反并联二极管的IGBT 开关。

一种基于前述低成本开绕组永磁同步电机驱动系统的控制方法，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 调制后产生九路PWM信号，控制三相九开关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。

上述三相九开关变换器中各相桥臂的上、中、下管驱动信号存在如下的约束 关系：

Ⅰ.上、中、下管不能够同时开通；

Ⅱ.上、中、下管不能够同时关断；

Ⅲ.上、中、下管不能仅有单管开通；

Ⅳ.上、中、下管必须有两管同时开通。

上述SVPWM调制的具体过程是：

(1)基于约束关系，三相九开关变换器的每相桥臂的开关组合有3种，分 别定义上管关、中管开、下管开为桥臂的0开关状态，上管开、中管关、下管开 为桥臂的1开关状态，上管开、中管开、下管关为桥臂的2开关状态；

(2)根据每相桥臂的3种开关状态，获得三相九开关变换器的所有可能的 开关组合为27种，根据其开关的组合类型将其划为3类：

1)三相桥臂的上管均开通、三相桥臂的中管均开通、三相桥臂的下管均开 通，该3种状态下，开绕组永磁同步电机的一端短接电源正端或者负端，或者三 相绕组的两端分别连接电源正、负端，该三种状态定义为三相九开关变换器的零 矢量；

2)三相桥臂中仅有两种开关状态的组合3种：0、1状态组合，1、2状态， 0、2状态组合，其中0、1状态组合下，三相九开关变换器的每个桥臂的下管均 开通，其组成类型有001、010、100、011、101、110共6种，等效为开绕组永 磁同步电机的a′、b′、c′端短接构成中性点并连接电源负端；1、2状态组合下， 其组合类型有112、121、211、122、212、221共6种，三相九开关变换器每相 桥臂的上管均开通，等效为开绕组同步电机的a、b、c端短接构成中性点并连接 电源正端；0、2状态组合下，其组合类型有002、020、200、022、202、220共 6种，三相九开关变换器每相桥臂的中管均开通，三相电机绕组构成三角形回路 连接方式；

3)三相桥臂分别有三种开关状态组合共6种：012、021、102、120、201、 210，其中012、120、201组合方式，开绕组永磁同步电机的两相绕组短接，021、 102、210组合方式下，三相电机绕组同时工作；

(3)确定合适于三相九开关变换器驱动开绕组永磁同步电机的开关组合有 002、020、200、022、202、220、021、102、210合计9种；

(4)根据三相九开关变换器的开关方式，绘制作用在开绕组永磁同步电机 的三相绕组上的电压矢量图，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，提出产生零序电压的电压矢量；

(5)根据确定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，对应获得三相九开关变换器的各管 的PWM信号；

(6)对三相九开关变换器的中管设置死区时间，其占空比为上管占空比减 去2倍的死区时间，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，三相 九开关变换器与开绕组电机具有良好的匹配性，传统九开关变换器驱动的双输出 端口具有较好的独立控制特性，即上下功率输出端口既可以输出相同频率的三相 交流电，也可以输出不同频率形式的电能，分别给两台电机或者不同的负载供电， 因此其开关管的PWM信号产生方式较为特殊，通常上下功率端口分别采用不同的 调制波与相同载波相交截获得上、下管的斩波PWM信号，对应中管驱动信号为上 下管驱动信号的异或值，避免了桥臂直通现象的产生，并且上下功率输出端口的 调制波还需要满足不能重叠的要求，以实现输出端口独立控制的功能。而本系统 中，三相九开关变换器的上下输出功率端口分别连接开绕组永磁同步电机的两个 端口，相比较传统的两台电机的独立控制，开绕组结构电机两个端口之间存在更 为严格的约束关系。所述的控制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系统，在四桥 臂紧凑型变换器合成的27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25％，但是具备较好的调 速性能。

附图说明

图1是本发明驱动系统的结构图；

图2是本发明控制方法的控制框图；

图3是三相九开关变换器合成电压空间矢量图；

图4是电压矢量合成示意图；

图5是三相九开关变换器的SVPWM信号示意图。

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，本发明提供一种低成本开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开 绕组永磁同步电机、三相九开关变换器、控制器及直流电源，其中，控制器包括 控制模块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。

所述三相九开关变换器包含有相互并联的3相桥臂，每相桥臂均包含顺序连 接的上管、中管和下管，且3相桥臂的上管和中管共同构成三相九开关变换器的 上三相功率输出端口，3相桥臂的中管和下管共同构成三相九开关变换器的下三 相功率输出端口，其中，第一桥臂包含上管S_1u、中管S_1m和下管S_1d，第二桥臂包 含上管S_2u、中管S_2m和下管S_2d，第三桥臂包含上管S_3u、中管S_3m和下管S_3d，所有 上管、中管和下管均采用反并联二极管的IGBT开关。三相九开关变换器中3相 桥臂的直流侧并联连接直流电源U_dc，而上、下三相功率输出端口分别与开绕组 永磁同步电机的ABC三相绕组的两端abc、a′b′c′相连，并使开绕组永磁同步电 机的任一相绕组两端连接不同的桥臂，即若A相的a端连接第一桥臂，则a′端 只能连接第二桥臂或第三桥臂，如在本实施例中，A相绕组的a端连接于第一桥 臂的S_1u和S_1m之间，另一端a′端连接于第二桥臂的S_2m和S_2d之间，B相绕组的b 端连接于第二桥臂的S_2u和S_2m之间，b′端连接于第三桥臂的S_3m和S_3d之间，C相 绕组的c端连接于第三桥臂的S_3u和S_3m之间，c′端连接于第一桥臂的S_1m和S_1d之 间。

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 制模块(本实施例中采用DSP)，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出九 路PWM信号，分别驱动9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，本发明还提供一种低成本开绕组永磁同 步电机驱动系统的控制方法，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i_q^*；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i_A,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i_d、i_q，将电流环给定的 i_q^*与i_d^*＝0分别与反馈值作差后经过PI调节器输出，增加耦合分量获得d、q轴 电压值U_d、U_q，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值U_α、U_β，合成旋转电压 矢量，经SVPWM调制后产生九路PWM信号，分别驱动三相九开关变换器的各个 IGBT，控制三相九开关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三相九开关变换器与开绕组永磁同步电机的协 调控制，即上述控制系统中SVPWM调制技术的具体实现过程为：

(1)针对三相九开关变换器的每相桥臂的开关数为3，即每相桥臂的可能 开关组合有2³＝8种，但是结合开绕组永磁同步电机的两端绕组分别连接三相九 开关变换器的上、下三相功率输出端口，因此各相桥臂的上、中、下管驱动信号 存在如下严格的约束关系：

Ⅰ.上、中、下管不能够同时开通，否则变换器的桥臂短路；

Ⅱ.上、中、下管不能够同时关断，否则开绕组永磁同步电机的两相绕组端 部开路；

Ⅲ.上、中、下管不能仅有单管开通，否则开绕组永磁同步电机的一相绕组 短路开路；

Ⅳ.上、中、下管必须有两管同时开通，以保证开绕组永磁同步电机三相绕 组的端部接电源正端或者负端。

基于以上约束关系，每相桥臂的开关组合仅有3种，并分别定义为如表1所 示1、2、3，桥臂开关状态0：p相桥臂的上管关、中管开、下管开；桥臂开关 状态1：p相桥臂的上管开、中管关、下管开；桥臂开关状态2：p相桥臂的上管 开、中管开、下管关，p＝1,2,3。即每个桥臂都必须存在两个管子同时开通状态。

表1三相九开关变换器的p相桥臂开关组合

桥臂开关状态 S_puS_pmS_pd0 0 1 1 1 1 0 1 2 1 1 0

(2)由每相桥臂的3种开关状态，可以计算得到三相九开关变换器存在3³＝27 种开关组合状态，根据每相桥臂的开关组合类型可以划归为三大类，如表2所示， 分别为：1)三相仅有一种开关状态；2)三相桥臂仅有两种开关状态；3)三相 桥臂有三种开关状态，对应分析其合成电压矢量。具体为：

1)三相桥臂的中、下管均开通000、三相桥臂的上、下管均开通111、三相 桥臂的上、中管均开通222，共三种开关组合状态，在这三种桥臂的开关状态下， 开绕组永磁同步电机的一端短接电源正端或者负端，或者三相绕组的两端分别连 接电源正、负端，将该三种开关状态组合定义为三相九开关变换器的零矢量；

2)三相桥臂中仅有两种开关状态的组合类型3种，即仅有0、1状态组合， 1、2状态或0、2状态组合类型，合计18种桥臂开关组合状态，其中0、1状态 组合下，三相九开关变换器的每个桥臂的下管均开通，其组成类型有001、010、 100、011、101、110共6种开关组合状态，等效为开绕组永磁同步电机的a′、b ′、c′端短接构成中性点并连接电源负端，不适合开绕组永磁同步电机驱动控制； 1、2状态组合下，其组合类型有112、121、211、122、212、221共6种开关组 合状态，三相九开关变换器的每个桥臂的上管均开通，等效为开绕组永磁同步电 机的a、b、c端短接构成中性点并连接电源正端，也不适合开绕组永磁同步电机 驱动控制；0、2状态组合下，其组合类型有002、020、200、022、202、220共 6种组合状态，三相九开关变换器的每个桥臂的中管均开通，三相电机绕组构成 三角形回路连接方式；

3)三相桥臂分别有三种开关状态组合类型共6种，分别为012、021、102、 120、201、210，其中012、120、201组合方式，开绕组永磁同步电机的两相绕 组短接，不适合开绕组永磁同步驱动，021、102、210组合方式下，三相电机绕 组同时工作。

具体可参考表2所示。

表2三相九开关变换器的各桥臂开关组合类型

(3)根据上述三相九开关变换器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3所示的作用于开绕组永磁同步电机 绕组的三相九开关变换器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002、020、200、022、202、220、000、111、222，分别定义为V1、V2、 V4、V3、V5、V6、V0、V7、V8，其中V1～V6的矢量长度均为设定如图4 所示1～6的扇区，对处于扇区1的给定电压矢量V_ref可以由V4、V6进行合成， 计算各电压矢量的作用时间为：

其中，T₄为矢量V4在一个开关周期内作用的时间，T₆为矢量V6在一个开 关周期内作用的时间，T为开关周期，T₀为零矢量作用的时间。

(5)根据计算得到的V4、V6作用时间，获得三相九开关变换器中的上管 S_pu和下管S_pd的占空比，上、下管的驱动信号互补，但是本驱动系统中存在3个 零矢量V0、V7、V8，为简化调制算法，本驱动系统中采用V0、V8作为零矢量， 实现SVPWM驱动的合成，但是桥臂防止直通的死区设置区别于传统三相桥式变换 器，利用三相九开关变换器的中管设置死区，可以有效防止变换器的桥臂直通。 在上述V1～V6电压矢量作用下，变换器桥臂的上管S_pu和中管S_pm的控制逻辑相 同，在中断驱动的占空比信号中插入死区t_d，其开关时间对应为T₄-2t_d或者 T₆-2t_d，由此获得各开关管的SVPWM信号如图5所示，其中下管S_1d、S_2d、S_3d的 占空比与上管S_1u、S_2u、S_3u互补，即可实现三相九开关变换器的SVPWM调制功能。

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。