双三相永磁同步电机可变循环SVPWM调制方法及系统

双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法及系统
技术领域
1.本发明属于双三相电机svpwm调制技术，具体涉及一种双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法及系统。


背景技术：

2.随着一些应用领域对电机调速系统功率等级和可靠性要求的不断增加，传统三相电机的局限性逐渐凸显，多相电机逐渐得到学术界和工业界的广泛关注和研究。多相电机由于具有优异的运行容错性、较低的转矩脉动等优势被广泛应用于舰船推进、航空航天等领域。同时，随着电力电子技术和现代控制理论的高速发展，交流传动系统已广泛采用电力电子变换器进行电机控制，电机相数不再受电网供电相数的限制。但是，双三相pmsm定子绕组中通常含有大量的谐波电流，并且以5次、7次、11次、13次为主。谐波电流会对传动系统产生不良影响，如增加系统损耗、引起转矩脉动、降低设备电磁电容性能等，严重影响了交流传动系统的性能。而且，当同一绕组任意多相同时动作时，由于死区的影响，功率器件会产生续流，可能导致输出线电压产生误电压，其值为直流母线电压，电流thd增大，增加了系统损耗。因此，抑制谐波电流是双三相pmsm交流传动系统迫切需要解决的问题之一。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法及系统，本发明能够避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断，降低了电机电流谐波，还可降低系统损耗。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法，包括：
6.1)根据双三相永磁同步电机α-β平面上的定子两相参考电压矢量计算参考矢量在α-β平面的空间角度θ；
7.2)根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断，确定参考矢量所在的扇区n；
8.3)根据参考矢量所在的扇区n，基于可变循环策略选择可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4；
9.4)根据定子两相参考电压矢量开关周期ts以及选择的电压矢量v1～v4进行电压矢量时间计算，得到电压矢量作用时间t0～t4，其中t0为零电压矢量的作用时间，t1～t4分别为电压矢量v1～v4的作用时间；
10.5)对电压矢量v1～v4进行排序，得到各相开通和关断时间t
com1
～t
com12
；
11.6)根据各相开关通断时间t
com1
～t
com12
生成六相逆变器pwm控制信号。
12.可选地，步骤1)中根据双三相永磁同步电机定子两相参考电压矢量计算参考矢量在α-β平面的空间角度θ的函数表达式为：
[0013][0014]
上式中，为双三相永磁同步电机的定子两相参考电压矢量，pi表示π。
[0015]
可选地，步骤2)包括：根据双三相逆变器输出的α-β平面和x-y平面的64个空间电压矢量分布，选择大矢量v
l
和中矢量vm将α-β平面分为24扇区，选择小矢量vs和中矢量vm将x-y平面分为24扇区，并根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断并确定参考矢量所在的扇区n。
[0016]
可选地，所述根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断并确定参考矢量所在的扇区n的函数表达式为：
[0017][0018]
上式中，floor为取整函数，θ为参考矢量的空间角度，pi表示π。
[0019]
可选地，步骤3)包括：若参考矢量所在的扇区n的值在3、4、7、8、11、12、15、16、19、20、23、24中时，选择三个大矢量v
l
和一个中矢量vm作为可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4；若参考矢量所在的扇区n的值在1、2、5、6、9、10、13、14、17、18、21、22中时，选择两个大矢量v
l
、一个中大矢量v
ml
和一个中矢量vm作为可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4。
[0020]
可选地，步骤4)中进行电压矢量时间计算的函数表达式为：
[0021][0022]
t0＝t
s-(t1 t2 t3 t4)，
[0023]
上式中，t0为零电压矢量的作用时间，tk为作用在第k个电压矢量上的时间，为作用在第k个电压矢量上的时间，表示第k个电压矢量分别在α轴、β轴、x轴、y轴上的投影，为双三相永磁同步电机α-β平面上的定子两相参考电压矢量，为双三相永磁同步电机x-y平面上的定子两相参考电压矢量，ts为开关周期，k＝1,2,3,4。
[0024]
可选地，步骤5)中对电压矢量进行排序包括：根据开关损耗最小原则，采用连续调制方法，且所有的开关器件在一个开关周期内仅动作一次，使开关器件保持相同的开关频
率；根据开关脉冲对称原则保持开关序列的对称性，零电压矢量选择v00和v77，且保持在一个开关周期内电压矢量的pwm波形对称。
[0025]
可选地，步骤6)包括：以锯齿波为载波，根据各相开关通断时间t
com1
～t
com12
为调制波，经过比较输出六相逆变器pwm控制信号。
[0026]
此外，本发明还提供一种双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法的步骤。
[0027]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施所述双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法的步骤。
[0028]
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
[0029]
1、本发明方法包括计算参考矢量在α-β平面的空间角度θ并进行扇区判断，确定参考矢量所在的扇区n，基于可变循环策略选择可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4；进行电压矢量时间计算，得到电压矢量作用时间，进行排序，得到各相开通和关断时间并生成六相逆变器pwm控制信号。而本发明能够避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断，降低了电流谐波。
[0030]
2、若同一绕组任意多相同时动作，由于死区的影响，功率器件可能会产生续流，导致输出线电压产生误电压(其值为直流母线电压)、电流thd增大，从而增加了系统损耗；而本发明能够避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断，因此可降低系统损耗。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例方法的控制原理示意图。
[0032]
图2为本发明实施例中双三相永磁同步电机控制框图。
[0033]
图3为本发明实施例中双三相电压源逆变器供电的双三相电机系统图。
[0034]
图4为本发明实施例中α—β和x—y平面的电压矢量图。
[0035]
图5为本发明实施例中u、v两相误差电压分析图。
[0036]
图6为本发明实施例中参考电压矢量位于扇区1和3时的可变循环svpwm矢量选择图。
[0037]
图7为本发明实施例中参考电压矢量位于扇区1和3时的可变循环svpwm开关序列图。
[0038]
图8为本发明实施例中电机的a、b两相线电压图。
具体实施方式
[0039]
如图1所示，本实施例双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法包括：
[0040]
1)根据双三相永磁同步电机α-β平面上的定子两相参考电压矢量计算参考矢量在α-β平面的空间角度θ；
[0041]
2)根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断，确定参考矢量所在的扇区n；
[0042]
3)根据参考矢量所在的扇区n，基于可变循环策略选择可避免双三相永磁同步电
机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4；三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断时由于死区的影响，功率器件可能会产生续流，导致输出线电压产生误电压，电流thd增大，而本实施例基于可变循环策略选择可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4能够避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断，降低了电流谐波。
[0043]
4)根据定子两相参考电压矢量开关周期ts以及选择的电压矢量v1～v4进行电压矢量时间计算，得到电压矢量作用时间t0～t4，其中t0为零电压矢量的作用时间，t1～t4分别为电压矢量v1～v4的作用时间；
[0044]
5)对电压矢量v1～v4进行排序，得到各相开通和关断时间t
com1
～t
com12
；
[0045]
6)根据各相开关通断时间t
com1
～t
com12
生成六相逆变器pwm控制信号。
[0046]
图2为双三相永磁同步电机控制框图，整个系统输入为电机的转速，外环为速度环，内环为电流环，本实施例方法即为图2中的“可变循环svpwm”模块，经过pi控制器和换算得到的双三相永磁同步电机α-β平面上的定子两相参考电压矢量双三相永磁同步电机x-y平面上的定子两相参考电压矢量作为图2中的“可变循环svpwm”模块的输入，根据可变循环svpwm调制策略，输出六相电压源逆变器的控制信号s
abc
和s
uvw
，从而驱动双三相永磁同步电机正常运行。图3为双三相永磁同步电机的双三相电压源逆变器供电的双三相电机系统图，左边为双三相永磁同步电机结构图，两套绕组相差30
°
；右边为六相电压源逆变器，中性点相互隔离。
[0047]
本实施例中，步骤1)中根据双三相永磁同步电机定子两相参考电压矢量计算参考矢量在α-β平面的空间角度θ的函数表达式为：
[0048][0049]
上式中，为双三相永磁同步电机的定子两相参考电压矢量，pi表示π。
[0050]
如图4所示，本实施例步骤2)包括：根据双三相逆变器输出的α-β平面和x-y平面的64个空间电压矢量分布，选择大矢量v
l
和中矢量vm将α—β平面分为24扇区，选择小矢量vs和中矢量vm将x—y平面分为24扇区，并根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断并确定参考矢量所在的扇区n。图4中，左图选择大矢量和中矢量将α—β平面分为24扇区；右图为选择小矢量和中矢量将x—y平面分为24扇区。
[0051]
双三相永磁同步电机在自然坐标系下的物理量可以分解到3个正交解耦的子空间中：其中基波和12k
±
1(k＝1,2,3,
…
)次谐波被分解到α—β平面，参与电机的能量转换；6k
±
1(k＝1,3,5,
…
)次谐波被分解到x—y平面，不参与电机能量转换；6k
±
3(k＝1,3,5,
…
)次谐波被分解到o1—o2平面，该平面分量为零。α—β平面和x—y平面有64个电压矢量，其中包括60个有效矢量和4个零矢量，对应的电压矢量可以由下式表示：
[0052][0053]
上式中，v
α-β
为α—β平面电压矢量，v
x-y
为x—y平面电压矢量，sa,sb,sc,su,sv,sw分别代表双三相永磁同步电机的a,b,c,u,v,w相上桥臂开关状态，1表示开通状态，0表示关断状态，u
dc
为直流母线电压，有效矢量可以分为4组，其中大矢量v
l
＝0.644u
dc
，中大矢量v
ml
＝0.471u
dc
，中矢量vm＝0.333u
dc
，小矢量vs＝0.173u
dc
。
[0054]
本实施例中，所述根据参考矢量的空间角度θ进行扇区判断并确定参考矢量所在的扇区n的函数表达式为：
[0055][0056]
上式中，floor为取整函数，θ为参考矢量的空间角度，pi表示π。
[0057]
以第二套绕组u、v两相为例，同一绕组两相同时开通或者关断时，在死区的影响下，功率器件发生续流，可能导致输出线电压产生误电压，电流的四种情况如图5所示，规定电流从变流器流向电机为正，电流从电机流向变流器为负。
[0058]
当绕组u、v两相同时开通时，如图5中a)所示，iu》0,iv《0条件下，电流从直流电源的负极经过变流器u相下桥臂二极管流入电机的第二套定子绕组，然后经过变流器v相上桥臂二极管流入直流电源正极，即在u、v两相产生一个负的母线电压；如图5中b)所示，iu《0,iv》0条件下，电流从直流电源的负极经过变流器v相下桥臂二极管流入电机的第二套定子绕组，然后经过变流器u相上桥臂二极管流入直流电源正极，即在u、v两相产生一个正的母线电压。当u、v两相同时关断时，情况和同时开通时相似；
[0059]
当u、v两相同时开通时，如图5中c)所示，iu》0,iv》0条件下，电流从直流电源的负极经过变流器u和v相下桥臂二极管流入电机的第二套定子绕组，然后经过变流器w相上桥臂流入直流电源正极，即在u、v两相不会产生一个值为母线电压的误差电压；如图5中d)所示，iu《0,iv《0条件下，电流从直流电源的负极经过变流器w相下桥臂二极管流入电机的第二套定子绕组，然后经过变流器u和v相上桥臂流入直流电源正极，即在u、v两相不会产生一个值为母线电压的误差电压。当u、v两相同时关断时，情况也和同时开通时相似。
[0060]
其中，任意x相和y相的线电压u
xy
为：
[0061][0062]
上式中，u
xy
为x相和y相的线电压，u
dc
为直流母线电压，i
x
为x相电流，iy为y相电流，x＝a,b,c或者u,v,w；y＝a,b,c或者u,v,w；x≠y。
[0063]
本实施例中，步骤3)包括：
[0064]
若参考矢量所在的扇区n的值在3、4、7、8、11、12、15、16、19、20、23、24中时，选择三
个大矢量v
l
和一个中矢量vm作为可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4；
[0065]
若参考矢量所在的扇区n的值在1、2、5、6、9、10、13、14、17、18、21、22中时，选择两个大矢量v
l
、一个中大矢量v
ml
和一个中矢量vm作为可避免双三相永磁同步电机中同一绕组在相同时刻同时关断的电压矢量v1～v4。
[0066]
本实施例中，步骤4)中进行电压矢量时间计算的函数表达式为：
[0067][0068]
t0＝t
s-(t1 t2 t3 t4)，
[0069]
上式中，t0为零电压矢量的作用时间，tk为作用在第k个电压矢量上的时间，为作用在第k个电压矢量上的时间，表示第k个电压矢量分别在α轴、β轴、x轴、y轴上的投影，为双三相永磁同步电机α-β平面上的定子两相参考电压矢量，为双三相永磁同步电机x-y平面上的定子两相参考电压矢量，ts为开关周期，k＝1,2,3,4。
[0070]
本实施例中，步骤5)中对电压矢量进行排序包括：根据开关损耗最小原则，采用连续调制方法，且所有的开关器件在一个开关周期内仅动作一次，使开关器件保持相同的开关频率；根据开关脉冲对称原则保持开关序列的对称性，零电压矢量选择v00和v77，且保持在一个开关周期内电压矢量的pwm波形对称。本实施例采用连续调制方法，且所有的开关器件在一个开关周期内仅动作一次，即开关器件保持相同的开关频率。本实施例遵守在一个开关周期内pwm波形对称原则，保持开关序列的对称性，双三相永磁同步电机的svpwm调制波形在一个开关周期内是否基于中心对称会对电流谐波产生影响，非对称的pwm会引入偶次谐波，并且很难在硬件上实现抑制。本实施例中，对电压矢量进行排序结果如表1、图6和与7所示。
[0071]
表1：24个扇区的电压矢量进行排序结果表。
[0072][0073][0074]
在表1中，每一个扇区的矢量排列结果中的两位数字表示一个基础电压矢量，例如第一个扇区“00-04-44-45-65-77-65-45-44-04-00”分别使用v00、v04、v44、v45、v64、v77六个基础电压矢量，遵守在一个开关周期内pwm波形对称原则，保持开关序列的对称性，可抑制偶次谐波的影响。图6所示为第一扇区和第三扇区矢量的选择，在第一扇区α-β平面选择的是三个大矢量和一个中矢量，对应x-y平面为三个小矢量和一个中矢量；在第三扇区α-β平面选择的是两个大矢量、一个中大矢量和一个中矢量，对应x-y平面为两个小矢量、一个中大矢量和一个中矢量。图7为第一扇区和第三扇区矢量排序图，采用连续调制方法，且所有的开关器件在一个开关周期内仅动作一次；保持开关序列的对称性，零矢量选择00和77；避免同一绕组任意多相同时动作。
[0075]
本实施例中，步骤6)包括：以锯齿波为载波，根据各相开关通断时间t
com1
～t
com12
为调制波，经过比较输出六相逆变器pwm控制信号。图8为采用本实施例方法输出的线电压波形图，通过图8可以看出在死区的影响下，本实施例方法线电压没有误差电压产生。
[0076]
此外，本实施例还提供一种双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述双三相永磁同步电机可变循环svpwm调制方法的步骤。
[0077]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施前述双三相永磁同步电机可
变循环svpwm调制方法的步骤。
[0078]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。