CN108206651B - 一种九开关逆变器双电机驱动***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种九开关逆变器双电机驱动***及其控制方法，包括两个三相永磁同步电机、三相九开关逆变器、PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元、永磁同步电机电流检测传感器、霍尔传感器和直流供电电源，PI控制器一端与直流供电电源连接，另一端依次经过参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元和三相九开关逆变器分别与两个三相永磁同步电机连接，永磁同步电机电流检测传感器和霍尔传感器分别与位置与转速比较器和参考电流发生器连接。本发明使二个永磁同步电机能够同步运行，该控制拓扑结构及其控制方法通过减少功率开关管的数量来降低九开关逆变器驱动双永磁同步电机的功率损耗。

Description

一种九开关逆变器双电机驱动***及其控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机***控制技术领域，具体涉及一种九开关逆变器双电机驱动***拓扑结构及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术及永磁同步电机控制理论的不断完善，采用逆变器驱动永磁同步电机的控制方法得到广泛应用。特别是具有高剩磁密度、高磁能积和线性退磁曲线等优异性能的钦铁稀土永磁材料的出现和相应的工艺技术的发展，不仅降低了永磁同步电机的生产成本，而且提升了永磁同步电机的工作性能。永磁式同步电动机结构简单、功率密度高、重量轻、运行可靠。传统的双永磁同步电机的控制方法是两组三相六开关逆变器并联的拓扑结构，能够实现永磁同步电机的同步控制，然而，两组三相六开关逆变器一共采用了十二个功率开关管，驱动电路所需的能量多，功率损耗大；并且二个永磁同步电机独立工作，控制策略复杂繁琐，不便于联动控制。
故单电源控制的多相逆变器驱动双永磁同步电机及其控制策略势在必行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种九开关逆变器双电机驱动***及其控制方法，使二个永磁同步电机能够同步运行，该控制拓扑结构及其控制方法通过减少功率开关管的数量来降低九开关逆变器驱动双永磁同步电机的功率损耗。
本发明采用以下技术方案：
一种九开关逆变器双电机驱动***，包括两个三相永磁同步电机、三相九开关逆变器、PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元、永磁同步电机电流检测传感器、霍尔传感器和直流供电电源，PI控制器一端与直流供电电源连接，另一端依次经过参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元和三相九开关逆变器分别与两个三相永磁同步电机连接，永磁同步电机电流检测传感器和霍尔传感器分别与位置与转速比较器和参考电流发生器连接；
三相九开关逆变器包括第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2和第三逆变器桥臂L3，第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2和第三逆变器桥臂L3的一端分别与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接，另一端并联后与公共直流电源相接，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2均与霍尔传感器和电流传感器连接，根据PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制功率开关管的开关状态，结合三相电动机电枢绕组中两相电压为正极性一相电压为负极性或两相电压为负极性一相电压为正极性生成六种电路拓扑结构驱动双永磁同步电机运行。
具体的，逆变器桥臂L1由第一功率开关管T1、第四功率开关管T4和第七功率开关管T7串联组成，逆变器桥臂L2由第二功率开关管T2、第五功率开关管T5和第八功率开关管T8串联组成，逆变器桥臂L3由第三功率开关管T3、第六功率开关管T6和第九功率开关管T9串联组成，三相永磁同步电机M1具有独立的三相电枢绕组A、B、C；三相永磁同步电机M2具有独立的电枢绕组U、V、W。
进一步的，逆变器桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点x点，功率开关管T4与功率开关管T7的中点为节点a点；逆变器桥臂L2中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点y点，功率开关管T5与功率开关管T8的中点为节点b点；逆变器桥臂L3中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点z点，功率开关管T6与功率开关管T9的中点为节点c点。
进一步的，三相永磁同步电机M1第三电枢绕组C连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的上功率开关管T1和中功率开关管T4之间的点节点x，三相永磁同步电机M2的第一电枢绕组U连接于三相九开关逆变器的第一逆变器桥臂的中功率开关管T4和下功率开关管T7之间的节点a点；
三相永磁同步电机M1第二电枢绕组B连接于三相九开关逆变器的第二逆变器桥臂的上功率开关管T2和中功率开关管T3之间的点节点y，三相永磁同步电机M2第二电枢绕组V连接于三相九开关逆变器第二逆变器桥臂的中功率开关管T5和下功率开关管T8之间的节点b点；
三相永磁同步电机M1第一电枢绕组A连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的上功率开关管T3和中功率开关管T6之间的点节点z，三相永磁同步电机M2第三电枢绕组W连接于三相九开关逆变器第三逆变器桥臂的中功率开关管T6和下功率开关管T9之间的节点c点。
具体的，六种工作模式具体如下：
工作模式I，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，当三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T4、T5、T6、T8、T9处于导通状态，功率开关管T2、T3、T7处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通负电；
工作模式II，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，当三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T4、T5、T6、T7、T9处于导通状态，功率开关管T1、T3、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通负电；
工作模式III，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，三相九开关逆变器中的功率开关管T3、T4、T5、T6、T7、T8处于导通状态，功率开关管T1、T2、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通负电；
工作模式IV，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负，三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T2、T4、T5、T6、T9处于导通状态，功率开关管T3、T7、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通正电；
工作模式V，三相九开关逆变器中的功率开关管L1、T3、T4、T5、T6、T8处于导通状态，功率开关管T2、T7、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通正电。电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负。
工作模式VI，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负，三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T3、T4、T5、T6、T7处于导通状态，功率开关管T1、T8、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通正电。
一种九开关逆变器双电机驱动***的控制方法，包括以下步骤：
S1、***进行初始化，永磁同步电机M1的电流传感器采集反馈电流到电流调节模块产生电流信号；将霍尔传感器采集到的永磁同步电机M1的霍尔信号送到位置与转速单元中，解析得到电机转子的位置信号θ和速度信号ωn；
S2、将参考速度ω*和步骤S1反馈速度信号ωn经过速度比较器后得到速度误差ew，速度误差ew经过PI控制器通过线性组合得到总参考电流
Figure BDA0001553511900000041
S3、总参考电流
Figure BDA0001553511900000042
与霍尔元件解析得到的永磁同步电机M1转子位置信号θ输入参考电流发生器，转换成永磁同步电机M1的三相参考电流
Figure BDA0001553511900000043
S4、将步骤S3的三相电流信号Ia、Ib、Ic通过反馈与三相参考电流
Figure BDA0001553511900000051
经电流比较器，得到滞环控制器控制信号ea、eb、ec，分别送到滞环控制器1、滞环控制器2、滞环控制器3中，得到滞环控制器输出信号HC1、HC2、HC3，分别产生PWMA、PWMB、PWMC三组输出信号；
S5、将步骤S4PWMA、PWMB、PWMC三组输出信号输入到PWM脉冲生成单元，脉冲宽生成单元将三组PWMA、PWMB、PWMC信号解析为九个功率开关管的触发脉冲，分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关，使三相九开关逆变器处于不同的拓扑结构驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式。
具体的，步骤S2中，速度误差ew具体为：
ew＝ω*-ωn
其中，ω*为参考速度，ωn为反馈速度信号。
具体的，步骤S3中，
Figure BDA0001553511900000052
经参考电流发生器产生的三相参考电流
Figure BDA0001553511900000053
具体为：
Figure BDA0001553511900000054
其中，
Figure BDA0001553511900000055
为经PI控制器合成的参考电流。
具体的，步骤S4中，滞环控制器1、滞环控制器2、滞环控制器3的输出具体如下：
Figure BDA0001553511900000056
Figure BDA0001553511900000057
Figure BDA0001553511900000058
其中，ea、eb、ec为滞环控制器输入控制信号；HC1、HC2、HC3为滞环控制器输出信号。
具体的，HC1＝1，滞环控制器1的选择模块将驱动信号110输入PWMA，HC1＝0，滞环控制器1的选择模块将驱动信号011输入PWMA；
HC2＝1，滞环控制器2的选择模块将驱动信号110输入PWMB，HC2＝0，滞环控制器2的选择模块将驱动信号011输入PWMB；
HC3＝1，滞环控制器3的选择模块将驱动信号110输入PWMC，HC3＝0，滞环控制器3的选择模块将驱动信号011输入PWMC。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种九开关逆变器双电机驱动***，三相九开关逆变器的第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2和第三逆变器桥臂L3的一端分别与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接，另一端并联后与公共直流电源相接，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2均与霍尔传感器和电流传感器连接，根据PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制功率开关管的开关状态，结合三相电动机电枢绕组中两相电压为正极性一相电压为负极性或两相电压为负极性一相电压为正极性生成六种电路拓扑结构驱动双永磁同步电机运行，九开关逆变器双电机控制在确保两个永磁同步电机按照工作要求同步运行的前提下，减少了三个功率开关器，降低了逆变器驱动***的功率消耗；同时二个永磁同步电机在同步运行时工作性质完全一致，因而只需检测其中任意电机的转速信号和电流信号，减少了一个转速传感器和电流传感器，简化了逆变器电机控制***的的电路结构，在提升***稳定性的同时减少了经济成本。
进一步的，传统的三相单电机驱动***及其控制方法需要六个功率开关管，进而驱动及控制双电机至少需要十二个功率开关管。但九开关逆变器双电机驱动***，通过每个逆变器桥臂设置三个功率开关管的方法，目的是使双电机工作时能够共用一组功率开关管，不仅有利于双电机的驱动及其控制，还减少了***总的功率开关的数量，从而降低了***总的功率消耗，提升了经济效益。
进一步的，两个电机的三个电枢绕组分别与九开关逆变器的三个桥臂相连接，目的使三个桥臂正常驱动两个电机。这样的连接能够减少桥臂数量，简化结构并且具有良好的控制效果。
进一步的，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正产生三种工作模式，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负产生三种工作模式，经逆变器的桥臂进行扩展，通过共用一组功率开关管可实现三相九开关逆变器驱动双永磁同步电机，该控制策略减少了功率开关管的数量，且使二个永磁同步电机产生级联现象，在实际应用中不仅功耗低且控制策略简单易行。
本发明还公开了一种九开关逆变器双电机驱动***的控制方法，转速传感器和电流传感器分别将永磁同步电机M1的霍尔信号和三相电流信号采集到主控单元中并解析为电机转子的位置信号和速度信号，由于两个永磁同步电机工作状态相同，故只需采集永磁同步电机M1的信号，从而减少了一组传感器，提升***稳定性的同时降低了成本；然后将解析的信号分别送到参考电流发生器和速度比较器，将得到的速度误差经过PI控制器通过线性组合得到总参考电流；再与霍尔元件解析得到的永磁同步电机M1转子位置信号输入参考电流发生器，转换成永磁同步电机M1的三相参考电流，三相参考电流和电流传感器出来的反馈电流经电流比较器得到滞环控制器控制信号分别送到三个滞环控制器输出产生PWMA、PWMB、PWMC三组输出信号；将三组输出信号输入到PWM脉冲生成单元，脉冲宽生成单元将三组PWMA、PWMB、PWMC信号解析为九个功率开关管的触发脉冲，分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关，使三相九开关逆变器处于不同的拓扑结构驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式，采用三相九开关逆变器驱动双永磁同步电机，减少了***中功率开关管的数量，不仅使***结构更加合理清晰，易于控制，还降低了***的功率消耗，提升了经济效益，具有更好的实用价值。
进一步的，计算得到三相参考电流，目的是可以获取三个分量相位差120°的三相电流。这种控制方法简单易行，拥有较强的通用性，可以得到效果良好的电流控制信号。
进一步的，设置滞环控制器1～3的目的是对经电流比较器出来的电流信号进行滞环控制，滞环控制器不需要载波，控制方法容易实现，电流响应迅速，跟踪误差较小，通过设置环宽大小可将误差设定在一定范围内。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的等效拓扑结构图；
图2为本发明驱动***控制策略结构图；
图3为本发明驱动***控制策略流程图；
图4为本发明双永磁同步电机同步运行第一类等效电阻结构图；
图5为本发明双永磁同步电机同步运行第二类等效电阻结构图；
图6为本发明双永磁同步电机各电枢绕组矢量关系图；
图7为本发明驱动***PWM控制策略结构图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种九开关逆变器双电机驱动***，给定参考信号输入PI控制器，经PI整定后送入参考电流发生器，参考电流发生器经公式计算得到三个参考电流分量，三个参考电流分别与三个反馈电流经过电流比较器分别送入相应的滞环控制器中，通过滞环控制产生滞环信号送入PWM产生单元，通过PWM调制驱动三相九开关逆变器，进一步驱动两个永磁同步电机(PMSM)，其中永磁同步电机(PMSM)M1设有反馈电路，通过反馈将霍尔信号送入位置与转速解析单元，位置与转速解析单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号和速度信号后分别送到参考电流发生器和速度比较器中，将比较器出来的电流和速度信号送入相应的PI控制器中，从而构成闭环控制***。其中，三相九开关逆变器包括逆变器桥臂L1、逆变器桥臂L2、逆变器桥臂L3、永磁同步电机M1、永磁同步电机M2和直流供电电源Uab；第一逆变器桥臂L1、第二逆变桥臂L2和第三逆变桥臂L3并联后与公共的直流电源相连；公共直流电源用于为第一、第二、第三逆变桥臂L1、L2、L3供电，其正极为Uab，负极为GND。
逆变器桥臂L1由第一功率开关管T1、第四功率开关管T4和第七功率开关管T7串联组成，逆变器桥臂L2由第二功率开关管T2、第五功率开关管T5和第八功率开关管T8串联组成，逆变器桥臂L3由第三功率开关管T3、第六功率开关管T6和第九功率开关管T9串联组成。逆变器桥臂L1、逆变器桥臂L2、逆变器桥臂L3并联构成三相九开关逆变器。且第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9均采用IGBT或MOSFET类型。
双永磁同步电机是由三相永磁同步电机M1、三相永磁同步电机M2构成，三相永磁同步电机M1具有独立的三相电枢绕组A、B、C；三相永磁同步电机M2具有独立的电枢绕组U、V、W。
逆变器桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点x点，功率开关管T4与功率开关管T7的中点为节点a点；逆变器桥臂L2中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点y点，功率开关管T5与功率开关管T8的中点为节点b点；逆变器桥臂L3中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点z点，功率开关管T6与功率开关管T9的中点为节点c点。
三相永磁同步电机M1第三电枢绕组C连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的上功率开关管T1和中功率开关管T4之间的点节点x，三相永磁同步电机M2的第一电枢绕组U连接于三相九开关逆变器的第一逆变器桥臂的中功率开关管T4和下功率开关管T7之间的节点a点；
三相永磁同步电机M1第二电枢绕组B连接于三相九开关逆变器的第二逆变器桥臂的上功率开关管T2和中功率开关管T3之间的点节点y，三相永磁同步电机M2第二电枢绕组V连接于三相九开关逆变器第二逆变器桥臂的中功率开关管T5和下功率开关管T8之间的节点b点；
三相永磁同步电机M1第一电枢绕组A连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的上功率开关管T3和中功率开关管T6之间的点节点z，三相永磁同步电机M2第三电枢绕组W连接于三相九开关逆变器第三逆变器桥臂的中功率开关管T6和下功率开关管T9之间的节点c点。
总体的工作原理如下：
参见图2，当本发明双永磁同步电机处于同步运行的正常工作状态时，可按相同的运行规律启动、制动和反相。在***稳点运行的过程中，三相九开关逆变器可以根据PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制功率开关管的开关状态，产生不同的电路拓扑结构，每种拓扑结构对应双永磁同步电机的一种工作模式，每种工作模式所表示的工作状态都能驱动双永磁同步电机运行，双永磁同步电机在运行过程中实时将运行过程中的电流信息和转速信息通过霍尔元件和电流传感器反馈给转速比较单元、参考电流发生器和电流比较单元。
由PWM脉冲宽度调制器产生不同的控制信号，快速调整双永磁同步电机控制策略和实现三相九开关逆变器的重构，每种重构形式对应双永磁同步电机的一种控制策略，每种控制策略对应一种电机的工作模式。两个永磁同步电机工作状态完全相同，基于三相电动机的工作原理，可知三相电动机的电枢绕组中的电压只有两种极性形式，即两相电压为正极性一相电压为负极性或两相电压为负极性一相电压为正极性。对应永磁同步电机的三相绕组，可知双永磁同步电机一共有六种控制策略，即三相九开关逆变器有六种重构形式。每种重构形式对应双永磁同步电机的一种工作模式，分别如下所述：
工作模式I，三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T4、T5、T6、T8、T9处于导通状态，功率开关管T2、T3、T7处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通负电。电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正。
工作模式II，当三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T4、T5、T6、T7、T9处于导通状态，功率开关管T1、T3、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通负电。电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正。
工作模式III，三相九开关逆变器中的功率开关管T3、T4、T5、T6、T7、T8处于导通状态，功率开关管T1、T2、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通负电。电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正。
工作模式IV，三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T2、T4、T5、T6、T9处于导通状态，功率开关管T3、T7、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通正电。电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负。
工作模式V，三相九开关逆变器中的功率开关管L1、T3、T4、T5、T6、T8处于导通状态，功率开关管T2、T7、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通正电。电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负。
工作模式VI，三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T3、T4、T5、T6、T7处于导通状态，功率开关管T1、T8、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通正电。电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负。
各功率开关(T1～T9)逻辑状态及永磁同步电机M1和永磁同步电机M2的工作状态如表1：
表1双永磁同步电机工作状态和各功率开关(T1～T9)逻辑状态
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9
状态I 1 0 0 1 1 1 0 1 1
状态II 0 1 0 1 1 1 1 0 1
状态III 0 0 1 1 1 1 1 1 0
状态IV 1 1 0 1 1 1 0 0 1
状态V 1 0 1 1 1 1 0 1 0
状态VI 0 1 1 1 1 1 1 0 0
注：1表示导通，0表示关断。
三相九开关逆变器在确保两个永磁同步电机M1和M2处于同步运行的过程时，一共有六种拓扑结构，分别产生永磁同步电机的六种工作模式。可将六种工作模式下永磁同步电机的绕组等效图分为两类，参见图4和参见图5，第一类包含工作模式I、工作模式II、工作模式III；第二类包含工作模式IV、工作模式V、工作模式VI，假设两个永磁同步电机电磁绕组的电阻值均相等，则各工作模式下相电压和相电流如下：
表2双永磁同步电机各工作状态和节点电压关系
Figure BDA0001553511900000131
负号(-)表示电压极性为负。
表3双永磁同步电机各工作状态和绕组电流关系
Figure BDA0001553511900000132
负号(-)电流流出，无符号表示电流流入。
参见图6，三相九开关逆变器驱动的双永磁同步电机在正常运行过程中，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W的电压特性相同，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V的电压特性相同，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组W的电压特性相同。每种工作模式下各电枢绕组中的相位角是固定不变的，其量化关系如下所述：
Figure BDA0001553511900000141
式中uA、uB、uC为三相输入电压；iA、iB、iC为三相电流；eA、eB、eC为三相电动势；R1为永磁同步电机M1定子绕组每相电阻；L1为永磁同步电机M1定子绕组各相漏磁通所对应的电感。
本发明中总的控制策略如下：
请参阅图2和图3所示，根据工作要求给定参考输入转速信号w*，参考输入转速信号w*和永磁同步电机的反馈转速wn经转速比较器做差后产生PI控制器的输入信号ew，ew经PI控制器的比例P和积分I线性组合构成控制量
Figure BDA0001553511900000142
控制量
Figure BDA0001553511900000143
经过参考电流发生器得到三相电流信号
Figure BDA0001553511900000144
三相电流信号
Figure BDA0001553511900000145
和永磁同步电机的三相电流反馈信号Ia、Ib、Ic经电流比较器比较后产生滞环控制器的控制信号ea、eb、ec，三个滞环控制器的控制产生三组PWM所需的触发脉冲，三组触发脉冲所产生的九路控制信号控制三相九开关逆变器九个功率开关管的开关状态，驱动双永磁同步电机同步运行。双永磁同步电机外接有电流传感器和转速传感器，通过反馈构成闭环控制***，所产生的误差信号能实时反馈双永磁同步电机的运行状态，确保九开关逆变器双电机控制***能够长期稳定运行。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图所示，本发明一种九开关逆变器双电机驱动***的控制方法，包括以下步骤：
S1、***进行初始化，永磁同步电机M1的转速传感器和电流传感器分别将永磁同步电机M1的霍尔信号和三相电流信号采集到主控单元中；主控单元将霍尔信号解析为电机转子的位置信号θ和速度信号ωn后分别送到参考电流发生器和速度比较器中。
S2、参考速度ω*和反馈速度信号ωn经过速度比较器后得到速度误差ew，其数学描述为：ew＝ω*-ωn，速度误差ew经过PI控制器的比例(P)和积分(I)通过线性组合得到总参考电流
Figure BDA0001553511900000151
S3、总参考电流
Figure BDA0001553511900000152
与霍尔元件解析得到的永磁同步电机M1转子位置信号θ输入参考电流发生器，转换成三相参考电流
Figure BDA0001553511900000153
得到的三相参考电流分别是：
Figure BDA0001553511900000154
式中，
Figure BDA0001553511900000155
为经PI控制器合成的参考电流；
Figure BDA0001553511900000156
为
Figure BDA0001553511900000157
经参考电流发生器产生的三相电流。
S4、永磁同步电机M1电枢绕组上的三相电流信号Ia、Ib、Ic通过反馈与三相参考电流
Figure BDA0001553511900000158
Figure BDA0001553511900000159
经电流比较器，根据计算公式：
Figure BDA00015535119000001510
得到滞环控制器控制信号ea、eb、ec，滞环控制器控制信号ea、eb、ec分别送到滞环控制器1、滞环控制器2、滞环控制器3中，滞环控制器的输出可用如下公式描述：
Figure BDA0001553511900000161
Figure BDA0001553511900000162
Figure BDA0001553511900000163
式中，ea、eb、ec为滞环控制器输入控制信号；HC1、HC2、HC3为滞环控制器输出信号；
参见图6，滞环控制器的输出脉冲是一种二值选择信号，Eci＞ε(i＝a,b,c)时，Hci＝1(i＝1,2,3)输出110；Eci<ε(i＝a,b,c)时，Hci＝0(i＝1,2,3)输出011。输出信号值110和011在***初始化过程中预先设定。
三个滞环控制器产生的三组输出信号分别产生PWMA、PWMB、PWMC。HC1＝1，滞环控制器1的选择模块将驱动信号110输入PWMA，HC1＝0，滞环控制器1的选择模块将驱动信号011输入PWMA；HC2＝1，滞环控制器2的选择模块将驱动信号110输入PWMB，HC2＝0，滞环控制器2的选择模块将驱动信号011输入PWMB；HC3＝1，滞环控制器3的选择模块将驱动信号110输入PWMC，HC3＝0，滞环控制器3的选择模块将驱动信号011输入PWMC。
其数学表达可用如下函数关系式描述：
Figure BDA0001553511900000164
Figure BDA0001553511900000165
Figure BDA0001553511900000166
S5、PWMA、PWMB、PWMC驱动信号输入到PWM脉冲生成单元，脉冲宽生成单元将三组PWMA、PWMB、PWMC信号解析为九个功率开关管的触发脉冲，分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关。功率开关管的触发脉冲PWM1～PWM9分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关T1～T9，其中PWM147、PWM258、PWM369信号解析的状态信息的可表示为如下表3：
表3:PWMA、PWMB、PWMC输入与PWM1～PWM9输出的对应关系
Figure BDA0001553511900000171
完成了以上五个步骤，便产生了触发三相九开关逆变器九个功率开关的触发脉冲，PWM1～PWM9触发脉冲分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关管T1～T9，T1～T9处于不同的开关状态时可使三相九开关逆变器处于不同的拓扑结构，驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式。
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种九开关逆变器双电机驱动***控制方法，其特征在于，九开关逆变器双电机驱动***包括两个三相永磁同步电机、三相九开关逆变器、PI控制器、参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元、永磁同步电机电流传感器、霍尔传感器和直流供电电源，PI控制器一端与直流供电电源连接，另一端依次经过参考电流发生器、滞环控制器、PWM脉冲生成单元和三相九开关逆变器分别与两个三相永磁同步电机连接，永磁同步电机电流传感器和霍尔传感器分别与位置与转速比较器和参考电流发生器连接；
三相九开关逆变器包括第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2和第三逆变器桥臂L3，第一逆变器桥臂L1、第二逆变器桥臂L2和第三逆变器桥臂L3的一端分别与三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2连接，另一端并联后与公共直流电源相接，三相永磁同步电机M1和三相永磁同步电机M2均与霍尔传感器和电流传感器连接，根据PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制功率开关管的开关状态，结合三相电动机电枢绕组中两相电压为正极性一相电压为负极性或两相电压为负极性一相电压为正极性生成六种电路拓扑结构驱动双永磁同步电机运行，逆变器桥臂L1由第一功率开关管T1、第四功率开关管T4和第七功率开关管T7串联组成，逆变器桥臂L2由第二功率开关管T2、第五功率开关管T5和第八功率开关管T8串联组成，逆变器桥臂L3由第三功率开关管T3、第六功率开关管T6和第九功率开关管T9串联组成，三相永磁同步电机M1具有独立的三相电枢绕组A、B、C；三相永磁同步电机M2具有独立的电枢绕组U、V、W；
逆变器桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点x点，功率开关管T4与功率开关管T7的中点为节点a点；逆变器桥臂L2中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点y点，功率开关管T5与功率开关管T8的中点为节点b点；逆变器桥臂L3中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点z点，功率开关管T6与功率开关管T9的中点为节点c点，三相永磁同步电机M1第三电枢绕组C连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的第一功率开关管T1和第四功率开关管T4之间的节点x点，三相永磁同步电机M2的第一电枢绕组U连接于三相九开关逆变器的第一逆变器桥臂的第四功率开关管T4和第七功率开关管T7之间的节点a点；
三相永磁同步电机M1第二电枢绕组B连接于三相九开关逆变器的第二逆变器桥臂的第二功率开关管T2和第五功率开关管T5之间的节点y点，三相永磁同步电机M2第二电枢绕组V连接于三相九开关逆变器第二逆变器桥臂的第五功率开关管T5和第八功率开关管T8之间的节点b点；
三相永磁同步电机M1第一电枢绕组A连接于三相九开关逆变器的第三逆变器桥臂的第三功率开关管T3和第六功率开关管T6之间的节点z点，三相永磁同步电机M2第三电枢绕组W连接于三相九开关逆变器第三逆变器桥臂的第六功率开关管T6和第九功率开关管T9之间的节点c点；
六种工作模式具体如下：
工作模式I，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，当三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T4、T5、T6、T8、T9处于导通状态，功率开关管T2、T3、T7处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通负电；
工作模式II，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，当三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T4、T5、T6、T7、T9处于导通状态，功率开关管T1、T3、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通负电；
工作模式III，电枢绕组极性属于两相电压为负一相电压为正，三相九开关逆变器中的功率开关管T3、T4、T5、T6、T7、T8处于导通状态，功率开关管T1、T2、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通正电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通负电；
工作模式IV，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负，三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T2、T4、T5、T6、T9处于导通状态，功率开关管T3、T7、T8处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组A和永磁同步电机M2的电枢绕组W通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组B、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组V通正电；
工作模式V，三相九开关逆变器中的功率开关管T1、T3、T4、T5、T6、T8处于导通状态，功率开关管T2、T7、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U、电枢绕组W通正电，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负；
工作模式VI，电枢绕组极性属于两相电压为正一相电压为负，三相九开关逆变器中的功率开关管T2、T3、T4、T5、T6、T7处于导通状态，功率开关管T1、T8、T9处于关断状态时，永磁同步电机M1的电枢绕组C和永磁同步电机M2的电枢绕组U通负电，永磁同步电机M1的电枢绕组A、电枢绕组B和永磁同步电机M2的电枢绕组V、电枢绕组W通正电；
所述驱动***控制方法包括以下步骤：
S1、***进行初始化，永磁同步电机M1的电流传感器采集反馈电流到电流调节模块产生三相电流信号，位置信号θ和反馈速度信号ωn；将霍尔传感器采集到的永磁同步电机M1的霍尔信号送到位置与转速比较器中，解析得到电机转子的位置信号θ和反馈速度信号ωn；
S2、将参考速度ω*和步骤S1中的反馈速度信号ωn经过速度比较器后得到速度误差ew，速度误差ew经过PI控制器通过线性组合得到总参考电流
Figure FDA0002520814310000031
S3、总参考电流
Figure FDA0002520814310000032
与霍尔元件解析得到的永磁同步电机M1转子位置信号θ输入参考电流发生器，转换成永磁同步电机M1的三相参考电流
Figure FDA0002520814310000033
S4、将步骤S1的三相电流信号Ia、Ib、Ic通过反馈与三相参考电流
Figure FDA0002520814310000041
经电流比较器，得到滞环控制器输入控制信号ea、eb、ec，分别送到滞环控制器1、滞环控制器2、滞环控制器3中，得到滞环控制器输出信号HC1、HC2、HC3，分别产生PWMA、PWMB、PWMC三组输出信号，滞环控制器1、滞环控制器2、滞环控制器3的输出具体如下：
Figure FDA0002520814310000042
Figure FDA0002520814310000043
Figure FDA0002520814310000044
其中，ea、eb、ec为滞环控制器输入控制信号；HC1、HC2、HC3为滞环控制器输出信号，HC1＝1，滞环控制器1的选择模块将驱动信号110输入PWMA，HC1＝0，滞环控制器1的选择模块将驱动信号011输入PWMA；
HC2＝1，滞环控制器2的选择模块将驱动信号110输入PWMB，HC2＝0，滞环控制器2的选择模块将驱动信号011输入PWMB；
HC3＝1，滞环控制器3的选择模块将驱动信号110输入PWMC，HC3＝0，滞环控制器3的选择模块将驱动信号011输入PWMC；
S5、将步骤S4中的PWMA、PWMB、PWMC三组输出信号输入到PWM脉冲生成单元，PWM脉冲生成单元将三组PWMA、PWMB、PWMC信号解析为九个功率开关管的触发脉冲，分别对应三相九开关逆变器的九个功率开关管，使三相九开关逆变器处于不同的拓扑结构驱动双永磁同步电机处于不同的工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种九开关逆变器双电机驱动***控制方法，其特征在于，步骤S2中，速度误差ew具体为：
ew＝ω*-ωn
其中，ω*为参考速度，ωn为反馈速度信号。
3.根据权利要求1所述的一种九开关逆变器双电机驱动***控制方法，其特征在于，步骤S3中，
Figure FDA0002520814310000051
经参考电流发生器产生的三相参考电流
Figure FDA0002520814310000052
具体为：
Figure FDA0002520814310000053
其中，
Figure FDA0002520814310000054
为经PI控制器合成的总参考电流。
4.一种九开关逆变器双电机驱动***，其特征在于，利用权利要求1所述的九开关逆变器双电机驱动***控制方法。
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