五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略

摘要

本发明公开了一种五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略，正常六桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制运行时需要对电压矢量进行修正，采用修正后的虚拟矢量进行直接转矩控制可以抑制谐波电流，当六桥臂逆变器一相桥臂故障后，采用五桥臂逆变器驱动双三相电机容错系统直接转矩控制运行时，需要对电压矢量重新进行修正，传统双三相电机缺相运行时的直接转矩控制通常需要重新进行定子磁链分区和开关表设计，而采用本发明公开的五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制策略，其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致，其差别只是五桥臂运行时其中六个虚拟矢量的幅值有所减少，因此比较易于实现。

说明书

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略。

背景技术

随着电力电子变换技术和控制理论的快速发展，多相(相数>3)电机驱动系统凭借其低压大功率输出、低转矩脉动、适于容错运行等优势而被国内外学者广泛研究；在众多不同类型的多相电机中，六相电机由于和传统三相电机具有紧密的联系而得到了更多的关注。由60°相带角三相电机裂相后得到的不对称六相电机(相移30°双三相电机)由于转矩脉动更小而具有更大的应用优势。双三相永磁同步电机将多相电机技术应用于永磁同步电机，使得双三相永磁同步电机同时具有永磁同步电机和多相电机的优点。直接转矩控制技术是在矢量控制技术之后发展起来的，直接转矩控制采用Bang-Bang控制(滞环控制)，通过控制逆变器的开关状态来获得转矩的高动态性能。相比于矢量控制技术，它不仅摒弃了传统的解耦思想，取消了旋转坐标变换，减弱了系统对电机参数的依赖性，同时具有控制结构简单，运算处理过程简单，不需要单独的PWM调制器等优点。针对双三相永磁同步电机，其正常运行时的直接转矩控制已经得到充分的研究，目前研究的重点是故障运行时的直接转矩控制策略，六相电压型逆变器一相故障时，常用双三相电机缺相情况下的直接转矩控制通常需要重新进行定子磁链分区和开关表设计，而本发明提出的五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制，其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致，其差别只是五桥臂运行时其中六个虚拟电压矢量的幅值有所减少，因此比较易于实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略，解决了现有技术中存在的六相电压型逆变器一相故障时需要重新进行定子磁链分区和开关表设计的问题。

本发明所采用的技术方案是，五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略，具体按照以下步骤实施：

步骤1、绘制六相逆变器在α-β与z₁-z₂子平面的电压矢量；定义α-β子平面同一方向上的大矢量和中矢量合成的新矢量为虚拟矢量v_-virtual，绘制六相逆变器在α-β子平面的虚拟矢量；

步骤2、当六桥臂逆变器驱动双三相电机系统发生一相桥臂缺相故障时，系统变为五桥臂运行，绘制五桥臂逆变器在α-β与z₁-z₂子平面的电压矢量图，与步骤1六相逆变器电压矢量相比寻找双三相电机五桥臂运行时发生变化的虚拟矢量；

步骤3、在保证z₁-z₂子平面谐波电压为零的条件下，以α-β子平面在任意幅角下能够合成幅值为0.408U_dc的电压矢量为前提，利用双三相电机系统双零序注入PWM策略中的均值零序注入连续脉宽调制策略，以及各相极电压与相占空比间关系得到各虚拟矢量对应的PWM波形，进而得到虚拟矢量所含基本矢量及其所占比例；

步骤4、将步骤3中包含零矢量的4个虚拟矢量的零矢量作用时间按相应比例分配给其余四个基本矢量，得到其修正后的最大幅值为|v_max|＝0.471的最大幅值虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例，以v₁₁**_-virtual为例，绘制其在α-β，z₁-z₂子平面的合成矢量，并得到五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制策略采用的α-β子平面12个虚拟矢量。

本发明的特点还在于，

步骤1中每一个电压矢量用一个八进制数表示，与其对应的二进制数与开关函数一致，从高位到低位依次为S_A、S_B、S_C、S_D、S_E、S_F，每个子平面包含60个有效矢量和4个零矢量00、07、70、77；设控制周期为T_s，为了使z₁-z₂子平面谐波电压为零，大矢量v_L的作用时间为中矢量v_M的作用时间为

步骤2中假设C相或者F相发生故障，则C相和F相共用一个桥臂，因此S_C和S_F必须保持一致，此时电压矢量的个数与正常六相逆变器相比减少一半，变为32个，包含30个有效矢量和2个零矢量00、77，双三相电机五桥臂运行时电压矢量与正常六桥臂运行时电压矢量相比，五桥臂运行时v_1-virtual、v_2-virtual、v_3-virtual、v_7-virtual、v_8-virtual和v_9-virtual这6个虚拟矢量同方向上的大矢量和中矢量都依旧存在，因此，这6个虚拟矢量与双三相电机正常运行时一致；其余6个虚拟矢量则无法合成。

步骤3中双三相电机五桥臂运行时各相极电压表示为：

式(1)中T_6s为双三相电机的静止变换阵：

式(1)中u_o1和u_o2通过式(3)、(4)和(5)计算得到：

u_o＝(u_omin+u_omax)/2(4)

式中u_omin和u_omax分别表示u_o的极小值和极大值，u_max、u_mid、u_min分别表示三相相电压的最大值，中间值和最小值；

此时参考电压表示为[γcosθ γsinθ 0 0 00]^T，其中：γ为参考电压矢量的幅值，θ表示α-β子平面参考电压矢量与α轴的夹角，假定五桥臂运行时的虚拟矢量与正常六桥臂运行时的方向一致，以虚拟矢量v_11-virtual为例，此时γ＝0.408，θ＝-15°，即此时参考电压为V＝[0.408cos(-15°)>T，通过式(1)求得此时五桥臂运行时的各相极电压，而极电压与相占空比之间存在如下关系：

U_x*＝(D_x-0.5)U_dc((6)

其中：x表示A，B，C，D，E，F；D_x表示相占空比；U_dc为直流母线电压；

利用此式可得到各相桥臂的占空比，进而得到各虚拟矢量对应的PWM波形。

步骤4中虚拟矢量的零矢量作用时间按相应比例分配给其余四个基本矢量，则有：

其中：D₀＝0.133，D₀为零矢量(v₀₀(v₇₇))的占空比，得到|v_max|＝0.471，因此4个重新修正的虚拟矢量v₀**_-virtual、v₄**_-virtual、v₆**_-virtual和v₁₀**_-virtual达到的最大幅值为|v_max|＝0.471。

本发明的有益效果是，五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略，提高了系统的容错控制能力，保证系统的正常运行，当六相电压型逆变器一相故障时，传统双三相电机缺相情况下的直接转矩控制通常需要重新进行定子磁链分区和开关表设计，而本发明所用定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致，实现起来更加容易。

附图说明

图1是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统拓扑结构图；

图2(a)是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面的电压矢量图；

图2(b)是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统在z₁-z₂子平面的电压矢量图；

图3是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面上的虚拟矢量图；

图4是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统拓扑结构图；

图5(a)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面的电压矢量图；

图5(b)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统在z₁-z₂子平面的电压矢量图；

图6是双三相电机系统双零序注入PWM策略实现框图；

图7是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统以虚拟电压矢量v₁₁*_-virtual为例的PWM波形图；

图8(a)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统以虚拟电压矢量v₁₁*_-virtual为例在α-β子平面的矢量合成图；

图8(b)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统以虚拟电压矢量v₁₁*_-virtual为例在z₁-z₂子平面的矢量合成图；

图9是五桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面上虚拟矢量图；

图10是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制原理框图；

图11(a)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制系统的转速变化曲线图；

图11(b)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制系统的电磁转矩变化曲线图；

图11(c)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制系统的六相电流变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制策略，具体按照以下步骤实施：

步骤1、图1为六桥臂逆变器驱动双三相电机系统拓扑结构图，双三相永磁同步电机与三相永磁同步电机直接转矩控制的基本原理相同，在定子磁链ψ_s的幅值保持不变的条件下，通过选择合适的电压矢量来改变其转矩角δ，以此来获得快速的转矩响应。与传统的三相电机相比，六相逆变器系统具有64个基本电压矢量，为直接转矩控制电压矢量的选取提供了更多的选择。六相逆变器α-β与z₁-z₂子平面的电压矢量如图2所示，图2(a)是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面的电压矢量图；图2(b)是六桥臂逆变器驱动双三相电机系统在z₁-z₂子平面的电压矢量图；每一个电压矢量用一个八进制数表示，与其对应的二进制数与开关函数一致，从高位到低位依次为S_A，S_B，S_C，S_D，S_E，S_F，每个子平面包含60个有效矢量和4个零矢量00，07，70，77。正常双三相电机六桥臂运行时其基本电压矢量在z₁-z₂子平面的幅值并不为0，由于双三相电机z₁-z₂子平面的谐波阻抗仅由定子电阻和漏感组成，很低的谐波电压就可以产生大量的谐波电流，增加系统损耗，长时间运行会对电机造成损坏，故在矢量控制中通过采用四维电流矢量控制来抑制谐波电流，而在直接转矩控制中通常采用修正后的虚拟矢量进行控制从而来抑制谐波电流，因此双三相电机直接转矩运行时必须对电压矢量进行修正。定义α-β子平面同一方向上的大矢量和中矢量合成的新矢量为虚拟矢量v_-virtual，设控制周期为T_s，为了使z₁-z₂子平面谐波电压为零，大矢量v_L的作用时间为中矢量v_M的作用时间为α-β子平面的12个虚拟矢量如图3所示；

步骤2、当六桥臂逆变器驱动双三相电机系统发生一相桥臂缺相故障时，系统采用五桥臂运行。图4为五桥臂逆变器驱动双三相电机系统拓扑结构图，对于五桥臂逆变器驱动的双三相电机系统，假设C相或者F相发生故障，则C相和F相共用一个桥臂，因此S_C和S_F必须保持一致，此时电压矢量的个数与正常六相逆变器相比减少一半，变为32个，包含30个有效矢量和2个零矢量00，77。五桥臂运行时逆变器电压矢量如图5所示，图5(a)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统在α-β子平面的电压矢量图；图5(b)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统在z₁-z₂子平面的电压矢量图；与正常六桥臂运行逆变器电压矢量图(图3)相比，双三相电机五桥臂运行时v_1-virtual、v_2-virtual、v_3-virtual、v_7-virtual、v_8-virtual和v_9-virtual这6个虚拟矢量同方向上的大矢量和中矢量都依旧存在，因此这6个虚拟矢量与双三相电机正常运行时一致；其余6个虚拟矢量则无法合成，因此需对v_0-virtual，v_4-virtual，v_5-virtual，v_6-virtual，v_10-virtual，v_11-virtual6个虚拟电压矢量进行重新修正；

步骤3、五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的最大线性调制比为m＝0.408，因此在保证z₁-z₂子平面谐波电压为零的条件下，α-β子平面在任意幅角下可以合成幅值为0.408U_dc的电压矢量；

图6为双三相电机系统双零序注入PWM策略实现框图，根据图6双三相电机五桥臂运行时各相极电压(逆变器输出端与母线中点间电压)可以表示为：

式(1)中T_6s为双三相电机的静止变换阵：

u_o1和u_o2可以通过式(3)、(4)和(5)计算得到：

u_o＝(u_omin+u_omax)/2(4)

式中u_omin和u_omax分别表示u_o的极小值和极大值，u_max、u_mid、u_min分别表示三相相电压的最大值，中间值和最小值。

由于修正后的虚拟矢量需要保证z₁-z₂子平面谐波电压为零，此时参考电压可以表示为[γcosθ γsinθ 0 0 0 0]^T。其中：γ为参考电压矢量的幅值，θ表示α-β子平面参考电压矢量与α轴的夹角。为了便于控制，假定五桥臂运行时的虚拟矢量与正常六桥臂运行时的方向一致，以虚拟矢量v_11-virtual为例，此时γ＝0.408，θ＝-15°，即此时参考电压为V＝[0.408cos(-15°)>T，通过式(1)可求得此时五桥臂运行时的各相极电压，而极电压与相占空比之间存在如下关系：

U_x*＝(D_x-0.5)U_dc(6)

其中：x表示A，B，C，D，E，F；D_x表示相占空比；U_dc为直流母线电压。

利用此式可得到各相桥臂的占空比，进而得到各虚拟矢量对应的PWM波形。以v₁₁*_-virtual为例(五桥臂虚拟矢量)，γ＝0.408，θ＝-15°，其所得PWM波形如图7所示。由图7可知：v₁₁*_-virtual由v₄₀、v₄₄、v₅₅、v₇₅4个基本矢量合成，各个基本电压矢量所占比例分别为：0.317，0.183，0.183，0.317；采用同样方法可以得到其余5个五桥臂虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例，6个需要重新修正的五桥臂虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例如表1所示。

表1.需要重新修正的五桥臂虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例

由表1可以看出虚拟矢量v₅*_-virtual和v₁₁*_-virtual不含零矢量，而v₀*_-virtual、v₄*_-virtual、v₆*_-virtual和v₁₀*_-virtual4个虚拟矢量对应的基本矢量中存在相同比例的零矢量(v₀₀(v₇₇))，零矢量的存在表明系统没有实现最大的直流母线电压利用率，因此通过减小零矢量的作用时间可进一步提高这4个虚拟矢量的幅值，当零矢量作用时间为零时对应该虚拟矢量的幅值达到最大为|v_max|。

步骤4、将表1中虚拟矢量的零矢量作用时间按相应比例分配给其余四个基本矢量，则有：

其中：D₀＝0.133，D₀为零矢量(v₀₀(v₇₇))的占空比，可以得到|v_max|＝0.471，因此4个重新修正的虚拟矢量v₀**_-virtual、v₄**_-virtual、v₆**_-virtual和v₁₀**_-virtual可以达到的最大幅值为|v_max|＝0.471。此时6个修正后的最大幅值虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例如表2所示。

表2.最大幅值虚拟矢量对应的基本矢量及其所占比例

由表2可知：零矢量作用时间为零后的各虚拟矢量均分别由4个非零基本矢量合成，以v₁₁^**_-virtual为例，其在α-β，z₁-z₂子平面的合成矢量如图8所示。图8(a)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统以虚拟电压矢量v₁₁*_-virtual为例在α-β子平面的矢量合成图；图8(b)是本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统以虚拟电压矢量v₁₁*_-virtual为例在z₁-z₂子平面的矢量合成图；由此得到本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制策略采用的α-β子平面12个虚拟矢量如图9所示；

步骤5、图10为五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制原理框图，其中：定子磁链估算采用反电势积分算法的电压模型：

式中：t为采样周期，为定子磁链角。

表3为分区后的开关表，表中电压矢量v₀、v₂…v₁₁为本发明五桥臂逆变器驱动双三相电机系统的α-β子平面12个虚拟矢量。表中F_ψ和F_T分别为定子磁链和转矩控制信号，当观测值小于给定值时，需要增加该变量，F_ψ＝1；当观测值大于给定值时，需要减小该变量，F_ψ＝0。

表3.开关表

为了验证本发明的效果，在Matlab/Simulink平台上搭建五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制模型，并进行仿真分析。参考转速为50r/min，电机初始负载转矩为5N·m，0.05s时负载转矩突变为12N·m；图11(a)为转速变化曲线图，图11(b)为电磁转矩变化曲线图，图11(c)为六相电流的变化曲线图。仿真结果表明，本发明能够实现五桥臂逆变器驱动双三相电机系统直接转矩控制，电机动静态控制性能良好。

与常用双三相电机一相缺相情况下的直接转矩控制策略相比，采用本发明提出的五桥臂逆变器驱动双三相电机直接转矩控制，其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致，其差别只是五桥臂运行时其中六个虚拟电压矢量的幅值有所减少，因此比较易于实现。