CN107070361B - 一种降低六相电动机共模电压的svpwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，涉及多相电动机的控制技术领域。该方法利用六相电动机控制中电压矢量冗余的特点，进行降低共模电压SVPWM控制策略的电压矢量选择，在众多的矢量中选择合适的四个有效电压矢量，同时对影响共模电压幅值变化较大的零电压矢量进行处理。本发明提供的一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，在保证谐波没有增加的情况下能在很大程度上降低定子节点处的共模电压。

Description

一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法

技术领域

本发明涉及多相电动机的控制技术领域，尤其涉及一种降低六相电动机共模电压的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，即空间矢量脉宽调制)控制方法。

背景技术

电动机已经广泛的应用于生产生活的各个方面，随着人们对产品以及生活质量要求的不断提高，对于作为生活生产工具的电动机有了更高的要求。多相电动机拥有转动脉动小、适用于低压大功率、谐波小、容错性能好、噪声小节约能源等优点越来越受到人们的关注。目前多相电机多用于航空航天、精密医疗器械、军事、船舶舰艇等对电动机的可靠性、控制精度要求较高的领域，不过随着其他行业的兴起，多相电机将会更广泛的进入到人们的生活中，特别是现在的轨道交通和即将普及的电动汽车领域，多相电机肯定会扮演者越来越重要的角色。

在多相电动机的控制方面，通常使用的是直流电源供电，使用控制信号对逆变器的输出脉冲进行控制。在这个过程中，在电动机定子节点上的电压就是各相电压幅值的平均值，以三相电动机为例，节点处的电压为由于控制信号控制开关管作用的矢量不同、通断时间不同，u_a+u_b+u_c不再为0，节点处电压就会一直变化。这样面临的一个矛盾是如果要降低谐波则使用的逆变器的开关管频率就很高，但是会导致定子节点处电压变化快，共模电压增大。如果共模电压达到击穿轴承上的绝缘油膜的程度就会产生轴承电流，减小电动机的寿命，并且这种情况存在于各种电机上。而对于传统的多相电机控制上面临的另一个问题是，采用的方法是相邻最大四矢量控制方法，根据研究发现，这种方法在一个PWM周期内很难实现，而且在一个周期内，定子节点处电压变化多次，如果使用频率较大的变频器就会产生较大的共模电压。而对于传统的以相邻两矢量的多相永磁电动机的控制，谐波平面电压矢量合成电压矢量大，会产生较大的谐波。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，根据共模电压产生的原理，使节点处共模电压大幅度降低，能够在一个PWM周期内对称实现没有增加谐波。

一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据对六相同步电动机谐波的分析，将所有电压矢量分成一个含有机电能量转换的αβ基波空间和只有谐波的(z1z2)、(o102)空间；

步骤2：将具有机电能量转换的αβ基波空间分成12个扇区，在每一个扇区内选择四个有效电压矢量，具体选择方法如下：

步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的两个最大电压矢量作为该扇区的第一个电压矢量和第二个电压矢量；

步骤2.2：根据第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时两个独立定子节点处电压的变化情况，选择该扇区的第三个电压矢量和第四个电压矢量，具体方法为：

步骤2.2.1：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第一个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第一个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第一个定子节点处共模电压幅值仍保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第一个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第一个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量；

步骤2.2.2：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第二个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第二个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第二个定子节点处共模电压幅值仍旧保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第二个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第二个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量；

步骤2.2.3：在步骤2.2.1和步骤2.2.2中选出的所有符合条件的电压矢量中选出方向相反的若干电压矢量组合；再从该若干电压矢量组合中选择出母线电压利用率最高的一组电压矢量组合，该组合即为包含第三个电压矢量和第四个电压矢量的组合；

步骤3：根据伏秒平衡原理计算四个电压矢量的作用时间，如果没有过调制，计算出零电压矢量的作用时间；

步骤4：将零电压矢量的作用时间进行如下处理，得到最终的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间：将步骤3计算得到的零电压矢量的作用时间按照第三个电压矢量和第四个电压矢量的幅值大小反比例分成两部分，然后将这两部分作用时间分别加到在步骤3计算得到的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间中。

进一步地，所述电压矢量类型分为A型和B型，采用如下方法进行定义：

首先定义V_xy表示电压矢量，其中，x代表第一个节点上的开关组合，y代表第二个节点上的开关组合，且x和y的数值取值为1、2、…、6，并用数值对应的三位二进制编码表示节点开关组合的开关状态，即用1和0分别代表逆变器上桥臂的通和断，0代表断开，1代表导通；

当节点开关组合的开关状态存在两个1时，即为011、101或110作用时，该节点平均电压为u_dc/6，把这三种组合称为A型；当节点开关组合的开关状态存在两个0时，即为001、010或100作用时，该节点平均电压为-u_dc/6，把这三种组合称为B型，其中u_dc为母线侧电压。

进一步地，步骤2.2.1的具体方法为：

判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第一个节点处的开关组合是A型还是B型，如果都为A型或者都为B型，则在选定的第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第一个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第一个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合都为A型；

步骤2.2.2的具体方法为：

判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第二个节点处的开关组合是A型还是B型，如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点处的开关组合都为A型或者都为B型，则选择第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合都为A型。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，能使节点处共模电压得到大幅度的降低，能够在一个PWM周期内对称实现没有增加谐波。在相同频率的逆变器作用时，共模电压的幅值降低很多；并且在允许一定共模电压存在时，可以提高逆变器频率以进一步降低谐波。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机线圈空间分布图；

图2为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机逆变器连接图；

图3为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机电压矢量在αβ空间的分布图；

图4为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机电压矢量在z1z2空间的分布图；

图5为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机两个节点处共模电压的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以双Y移30°六相永磁同步电动机为例，对本发明作进一步描述。

双Y移30°六相永磁同步电动机的定子线圈的空间结构图如图1所示，拥有两套定子线圈，在空间上相隔30°角，定子在空间上的绕组分布，A相与B相和C相相差120°，A相和D相相差30°，E相和B相相差30°，F相和C相相差30°。

如图2所示，是逆变器与电动机的连接图，电动机的定子线圈有两套独立的绕组，两套定子绕组有两个独立的节点，ABC为第一套绕组，节点为N，DEF为第二套绕组，节点为N’。根据对双Y移30°六相永磁同步电动机谐波的分析，可以将所有矢量分成一个含有机电能量转换的αβ基波空间和只有谐波的(z1z2)、(o1o2)空间，对于双Y移30°六相永磁同步电动机的结构优势，不存在(o1o2)谐波空间，αβ空间和(z1z2)空间的分布分别如图3和图4所示。六相电动机可供选择的矢量为2⁶＝64个，在这64个矢量中，有4个零电压矢量，还有60个有效电压矢量，分成了四组，其中有幅值为0.644u_dc的12个最大矢量；幅值为0.471u_dc的12个中电压矢量；幅值为0.333u_dc的24个基本电压矢量和幅值为0.1725u_dc的12个最小电压矢量，u_dc是母线侧电压。

定义V_xy表示电压矢量，其中，x代表第一个节点N上的开关组合，y代表第二个节点N’上的开关组合，且x和y的取值为1、2、…、6，用三位二进制数表示开关组合的开关状态。用0和1代表逆变器上桥臂的通断，0代表断开，1代表导通。例如V₁₁中第一个1代表第一个节点处桥臂通断情况为001，第二个1代表第二个节点处桥臂通断情况为001，V₁₂中的1代表的是第一个节点处桥臂通断情况为001，2代表的是第二个节点处桥臂通断情况为010，以此类推。

扇区的定义：根据最大的相邻12个电压两两矢量围成的区间成为一个扇区，其中[-π/12π/12]为第一扇区，按逆时针[π/12π/4]为第二扇区，以此类推。对于任意一个扇区，采用的都是四矢量八段对称方式实现。

为了方便介绍节点处电压变化情况，需要对开关管作用时节点电压做定义，当为1时，逆变器上桥臂导通，节点电压为当为0时，逆变器上桥臂关断，节点电压为当节点开关组合的开关状态存在两个1时，即为011、101或110作用时，节点平均电压为把这三种组合称为A型组合；当节点开关组合的开关状态存在两个0时，即为001、010或100作用时，节点平均电压为把这三种组合称为B型组合。

双Y移30°六相电动机具有电压矢量冗余的特点，从众多的电压矢量中重新选出适合于降低共模电压的有效作用矢量，给出电压矢量选择的方法。零电压矢量的存在是产生共模电压的主要原因之一，在有零电压矢量存在时，在节点处电压跳变时电压变化幅值会很大，因此采用的方法是选择方向相反的电压矢量共同作用等效零电压矢量；为了不提高谐波分量，同时降低损耗，采用一个周期内四矢量八段对称的矢量排列方法。其中选择电压矢量的原则是：(1)使用TMS320f28335控制芯片能够在一个PWM周期内实现；(2)选择的电压矢量中有两个方向相反的电压矢量用于合成零电压矢量；(3)在一个PWM周期内开关次数尽可能的少以保证损耗最小；(4)在符合要求的电压矢量组合中选出母线电压利用率较高的矢量组合。

下面以第三扇区为例具体介绍降低共模电压的SVPWM控制方法，其他扇区采用相同的方法，本实施例的方法如下所述。

步骤1：在第三扇区选择四个有效电压矢量，分别为第一个电压矢量、第二个电压矢量、第三个电压矢量和第四个电压矢量，具体选择方法如下。

步骤1.1：在第三扇区内选择相邻的两个最大电压矢量作为该扇区的第一个电压矢量和第二个电压矢量。

本实施例中，选择的两个矢量为V₆₄和V₆₆。

步骤1.2：根据第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时两个独立定子节点处电压的变化情况，选择该扇区的第三个电压矢量和第四个电压矢量，具体方法如下。

步骤1.2.1：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第一个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第一个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第一个定子节点处共模电压幅值仍保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第一个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第一个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量。

具体为，判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第一个节点处的开关组合是A型还是B型。如果都是A型或者都为B型，则在选定的第三个和第四个电压矢量中第一个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量的第一个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个和第四个电压矢量的第一个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量的第一个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个和第四个电压矢量的第一个节点的开关组合都为A型。这样第三个和第四个电压矢量的第一个节点的开关组合就是A型(V_3y、V_5y、V_6y)或者B型(V_1y、V_2y、V_4y)。

本实施例中，发现V₆₄和V₆₆这两个矢量的第一个节点在这两个电压矢量作用时为两个A型组合，所以在需要选择第三个和第四个电压矢量中第一个节点都选择两个A型组合，即有V_3y、V_5y、V_6y，其中的y表示第二个节点上的开关组合。

步骤1.2.2：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第二个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第二个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第二个定子节点处共模电压幅值仍旧保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第二个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第二个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量。

具体为，判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第二个节点处的开关组合是A型还是B型。为了达到最大限度的降低共模电压，如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量的第二个节点开关组合都为A型或者都为B型，则选择第三个和第四个电压矢量的第二个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量的第二个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个和第四个电压矢量的第二个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量的第二个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个和第四个电压矢量的第二个节点的开关组合都为A型。

本实施例中，对第三个和第四个电压矢量的第二个节点矢量作用组合选择，需要根据已经选定的V₆₄和V₆₆选择，由于第二个节点上是由4变到6，即是从B型变到A型，所以第二个节点的选择都为A型，所以剩余的第三和第四两个电压矢量的组合从(V₃₃、V₃₅、V₃₆、V₅₃、V₅₅、V₅₆、V₆₃、V₆₅、V₆₆)中选择。

步骤1.2.3：在步骤1.2.1和步骤1.2.2中选出的所有符合条件的电压矢量中选出方向相反、母线电压利用率最高的电压矢量组合，该组合即为包含第三个电压矢量和第四个电压矢量的组合。

根据上两步可以得到第三个和第四个电压矢量有9种开关组合，选出满足选择原则(2)即两个方向相反的电压矢量，这样得到的结果有4种。再根据选择原则(4)，从4种结果中得到母线电压利用率最大的矢量。本实施例中，根据选择原则(2)，可供选择的组合是V₃₃-V₅₆，V₃₃-V₆₅，V₃₆-V₅₅，V₆₃-V₅₅，根据分析，这四种都满足原则(2)。根据选择原则(4)，在谐波平面分析，为了使得合成谐波为0的同时母线利用率最大，能够选择的矢量组合是V₃₆和V₅₅。所以最终的电压矢量作用顺序为V₆₄-V₆₆-V₃₆-V₅₅经过分析，这种组合方式可以使用DSP在工程上进行实现。

步骤3：根据伏秒平衡原理计算四个电压矢量的作用时间，如果没有过调制，计算出零电压矢量的作用时间。

步骤4：将零电压矢量的作用时间进行如下处理，得到最终的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间：将计算得到的零电压矢量的作用时间按照第三个电压矢量和第四个电压矢量的幅值大小反比例分成两部分，然后将这两部分作用时间分别加到在计算得到的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间中，得到最终的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间。

根据以上得到的四个电压矢量及其作用时间，采用四矢量八段对称式的排列方式将所选择的四个电压矢量进行排列，并且分析两个定子节点处的电压变化情况。

本实施例方法得到的最终电压矢量作用顺序以及两个节点处电压跳变情况如图5所示。可以看出在一个PWM周期内，节点N处电压一直为保持不变，而在节点N’处电压仅变化了两次，变化的幅值为分析可知，节点处的共模电压降低了很多。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据对六相同步电动机谐波的分析，将所有电压矢量分成一个含有机电能量转换的αβ基波空间和只有谐波的z1z2、o1o2空间；

步骤2：将具有机电能量转换的αβ基波空间分成12个扇区，在每一个扇区内选择四个有效电压矢量，具体选择方法如下：

步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的两个最大电压矢量作为该扇区的第一个电压矢量和第二个电压矢量；

步骤2.2：根据第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时两个独立定子节点处电压的变化情况，选择该扇区的第三个电压矢量和第四个电压矢量，具体方法为：

步骤2.2.1：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第一个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第一个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第一个定子节点处共模电压幅值仍保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第一个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第一个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量；

步骤2.2.2：当第一个电压矢量和第二个电压矢量作用时，分析第二个定子节点处共模电压幅值的变化情况，如果在第二个定子节点处共模电压幅值保持不变，则选择出使第二个定子节点处共模电压幅值仍旧保持不变的电压矢量类型的若干电压矢量，如果第二个定子节点处共模电压幅值发生变化，则按照变化后的共模电压幅值情况选择出使第二个定子节点处共模电压幅值保持为变化后的共模电压幅值的电压矢量类型的若干电压矢量；

步骤2.2.3：在步骤2.2.1和步骤2.2.2中选出的所有符合条件的电压矢量中选出方向相反的若干电压矢量组合；再从该若干电压矢量组合中选择出母线电压利用率最高的一组电压矢量组合，该组合即为包含第三个电压矢量和第四个电压矢量的组合；

步骤3：根据伏秒平衡原理计算四个电压矢量的作用时间，如果没有过调制，计算出零电压矢量的作用时间；

步骤4：将零电压矢量的作用时间进行如下处理，得到最终的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间：将步骤3计算得到的零电压矢量的作用时间按照第三个电压矢量和第四个电压矢量的幅值大小反比例分成两部分，然后将这两部分作用时间分别加到在步骤3计算得到的第三个电压矢量和第四个电压矢量的作用时间中。

2.根据权利要求1所述的一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，其特征在于：所述电压矢量类型分为A型和B型，采用如下方法进行定义：

首先定义V_xy表示电压矢量，其中，x代表第一个节点上的开关组合，y代表第二个节点上的开关组合，且x和y的数值取值为1、2、…、6，并用数值对应的三位二进制编码表示节点开关组合的开关状态，即用1和0分别代表逆变器上桥臂的通和断，0代表断开，1代表导通：

当节点开关组合的开关状态存在两个1时，即为011、101或110作用时，该节点平均电压为u_dc/6，把这三种组合称为A型；当节点开关组合的开关状态存在两个0时，即为001、010或100作用时，该节点平均电压为--u_dc/6，把这三种组合称为B型，其中u_dc为母线侧电压。

3.根据权利要求2所述的一种降低六相电动机共模电压的SVPWM控制方法，其特征在于：所述步骤2.2.1的具体方法为：

判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第一个节点处的开关组合是A型还是B型，如果都为A型或者都为B型，则在选定的第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第一个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第一个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第一个节点的开关组合都为A型；

步骤2.2.2的具体方法为：

判断第一个电压矢量和第二个电压矢量在第二个节点处的开关组合是A型还是B型，如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点处的开关组合都为A型或者都为B型，则选择第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合也都为A型或者都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点的开关组合从A型变到B型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合都为B型；如果从第一个电压矢量到第二个电压矢量在第二个节点的开关组合从B型变到A型，则确定第三个电压矢量和第四个电压矢量在第二个节点的开关组合都为A型。