CN111464082A - 兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机svpwm控制方法 - Google Patents

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Abstract

兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，包括以下步骤：步骤1：利用空间矢量解耦对六相电机进行坐标变换，将六相电机的电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间；步骤2：将参与机电能量转换的α‑β基波子空间分成12个大扇区，在每一个扇区内选择五个有效电压矢量；步骤3：根据伏秒平衡原理计算步骤2中每一个扇区内五个有效电压矢量的前四个电压矢量的作用时间；步骤4：将步骤3中零电压矢量的作用时间平均分配给第二个电压矢量和第五个电压矢量，然后得到新的五个矢量作用时间。本发明能使结点处共模电压得到大幅度的降低，并且保证了较低的逆变器开关频率，从而具有较低的开关损耗，较高的母线电压利用率以及谐波、转矩性能。

Description

兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法
技术领域
本发明涉及多相电机控制技术领域，具体是一种降低双Y移30度六相电机开关损耗和共模干扰的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，即空间矢量脉宽调制)调制方法。
背景技术
近些年来，随着一些领域对于调速***的要求越来越高，传统三相交流传动***逐渐显现出其固有的局限性，而伴随着电力电子技术的不断发展，高性能多相电机变频调速***的实现成为可能，应用的范围迅速扩大，特别是需要高可靠性、大功率、低噪声等领域，如宇航、船舶潜艇的动力***、核电站水冷***和电动汽车等领域。多相电机通过提高相数，在每一相仍输出相同功率的同时成倍地提升了***的总功率；每相绕组之间的相位差更小，从而具有更接近正弦的磁势分布，因此多相电机的电磁转矩脉动较小；无论是多相电机还是多相驱动控制***，随着相数增加，***的冗余度也更大，从而为***的高可靠性设计提供了可能。
定子绕组星形结点相隔离的双Y移30°六相电机常用的控制方法为四矢量SVPWM控制方法，此方法会使逆变器的开关频率过高，增加开关损耗，影响逆变器的寿命。另外，电机与对应的逆变器所组成的***会产生共模电压，该共模电压可用定子绕组星形结点与变流器直流母线中点之间的电压来衡量，就是各相电压幅值的平均值。共模电压会给***带来漏电流、绕组绝缘劣化、轴电压、电磁干扰等不利影响，因此需要对其进行抑制。目前抑制共模电压的方法大都以三相电机为主，对多相电机的研究则较少。现有方案对六相电机的共模电压进行了良好的抑制，但是z1-z2谐波分量子空间的电压矢量和难以保持为零，谐波电流较大，对开关损耗的考虑不足；而还有一些控制方法较为复杂，而且仅考虑了开关损耗问题，而没有抑制共模电压的问题。现有的抑制共模电压的调制方法很难实现逆变器开关频率、谐波性能、直流电压利用率的平衡。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种兼备低开关损耗和低共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其目的是解决以往所存在的问题，通过不使用零矢量调制，减少了电压矢量切换次数，降低了逆变器的开关频率；另外使结点处的共模电压有效减小，并且电机的电流响应、磁链轨迹、电磁转矩和转速性能不变。
技术方案：兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1：利用空间矢量解耦对六相电机进行坐标变换，将六相电机的电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间，即参与机电能量转换的α-β基波子空间、不参与机电能量转换的z1-z2谐波分量子空间和o1-o2零序分量子空间；
步骤2：将参与机电能量转换的α-β基波子空间分成12个大扇区，在每一个扇区内选择五个有效电压矢量；
步骤3：根据伏秒平衡原理计算步骤2中每一个扇区内五个有效电压矢量的前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：将步骤3中零电压矢量的作用时间平均分配给第二个电压矢量和第五个电压矢量，然后得到新的五个矢量作用时间。
步骤2中在每一个扇区内选择五个有效电压矢量的具体选择方法如下：
步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的四个最大电压矢量作为该扇区的第一、二、三、四个电压矢量，排列顺序为顺时针方向；
步骤2.2：选择与第二个电压矢量相对的最大电压矢量为该扇区的第五个电压矢量。
所述步骤3的具体方法为：
定义Vn为选取的电压矢量，Tn为电压矢量作用时间，其中n＝0，1，2，3，4，Ts为周期，满足伏秒平衡方程：
Figure BDA0002452970180000021
以此计算出前四个矢量作用时间以及零电压矢量的作用时间。
所述步骤4的具体步骤为：
将步骤3中计算出的零电压矢量作用时间分配给第二个及第五个电压矢量：
Figure BDA0002452970180000031
与原来的第一个电压矢量、第三个电压矢量和第四个电压矢量一起，得出最终五个电压矢量的作用时间为：
Figure BDA0002452970180000032
优点效果：
兼备低开关损耗和低共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1：利用空间矢量解耦对一双Y移30度六相电机进行坐标变换，将电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间，即参与机电能量转换的α-β基波子空间，不参与机电能量转换的z1-z2谐波分量子空间和o1-o2零序分量子空间；
步骤2：将参与机电能量转换的α-β基波子空间分成12个大扇区，在每一个扇区内选择五个有效电压矢量，具体选择方法如下：
步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的四个最大电压矢量作为该扇区的第一、二、三、四个电压矢量，排列顺序为顺时针方向；
步骤2.2：选择与第二个电压矢量相对的最大电压矢量为该扇区的第五个电压矢量；
步骤3：根据伏秒平衡原理计算前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平均分配给第二个电压矢量和第五个电压矢量，然后得到新的五个矢量作用时间。
所述步骤2的具体方法为：
定义Vn为选取的电压矢量，Tn为电压矢量作用时间，其中n＝0，1，2，3，4，Ts为周期，满足伏秒平衡方程：
Figure BDA0002452970180000033
以此计算出前四个矢量作用时间以及零电压矢量的作用时间。然后分配零电压矢量作用时间给第二个及第五个电压矢量：
Figure BDA0002452970180000041
与原来的第一个电压矢量、第三个电压矢量和第四个电压矢量一起，得出最终五个电压矢量的作用时间为：
Figure BDA0002452970180000042
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，能使结点处共模电压得到大幅度的降低，并且保证了较低的逆变器开关频率，从而具有较低的开关损耗，较高的母线电压利用率以及谐波、转矩性能。
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α-β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电压矢量扇区划分；
图6为本发明实施例提供的双Y移30°六相永磁同步电动机一个PWM周期的开关时序图；
图7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结点处共模电压的变化情况。
具体实施方式
兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其特征在于:包括以下步骤：
步骤1：利用空间矢量解耦对六相电机进行坐标变换，将六相电机电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间，即参与机电能量转换的α-β基波子空间、不参与机电能量转换的z1-z2谐波分量子空间和o1-o2零序分量子空间；
步骤2：将参与机电能量转换的α-β基波子空间分成12个大扇区，在每一个扇区内选择五个有效电压矢量；
步骤3：根据伏秒平衡原理计算步骤2中每一个扇区内五个有效电压矢量的前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：将步骤3中零电压矢量的作用时间平均分配给第二个电压矢量和第五个电压矢量，然后得到新的五个矢量作用时间。
步骤2中在每一个扇区内选择五个有效电压矢量的具体选择方法如下：
步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的四个最大电压矢量作为该扇区的第一、二、三、四个电压矢量，排列顺序为顺时针方向；
步骤2.2：选择与第二个电压矢量相对的最大电压矢量为该扇区的第五个电压矢量。
所述步骤3的具体方法为：
定义Vn为选取的电压矢量，Tn为电压矢量作用时间，其中n＝0，1，2，3，4，Ts为周期，满足伏秒平衡方程：
Figure BDA0002452970180000051
以此计算出前四个矢量作用时间以及零电压矢量的作用时间。
步骤4的具体步骤为：
将步骤3中计算出的零电压矢量作用时间分配给第二个及第五个电压矢量：
Figure BDA0002452970180000052
与原来的第一个电压矢量、第三个电压矢量和第四个电压矢量一起，得出最终五个电压矢量的作用时间为：
Figure BDA0002452970180000053
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，从定子绕组的分布可以看出，定子绕组由两套常规的三相绕组ABC和DEF组成，每套绕组都是Y形连接，相应的每套Y形绕组内在空间上互差120°，两套三相绕组对应相之间的夹角为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结点，ABC为第一套绕组，结点为N，DEF为第二套绕组，结点为N’。采用空间矢量解耦方法对一双Y移30度六相电机进行坐标变换，将电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间，即参与机电能量转换的α-β基波子空间，不参与机电能量转换的z1-z2谐波分量子空间和o1-o2零序分量子空间，由于双Y移30°六相永磁同步电动机两套绕组之间的中性点互相隔离，o1-o2子空间不会产生电流。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0.644udc的12个最大矢量；幅值为0.471udc的12个中电压矢量；幅值为0.333udc的24个基本电压矢量和幅值为0.1725udc的12个最小电压矢量，其中udc是直流母线侧电压。
定义Vxy表示电压矢量，其中x代表第一个结点N上的开关组合，y代表第二个结点N’上的开关组合，且x和y的取值为0、1、2、…、6、7，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代表关断，1代表导通。例如V11中第一个1代表第一个结点处桥臂通断情况为001，第二个1代表第二个结点处桥臂通断情况为001，V12中的1代表的是第一个结点处桥臂通断情况为001，2代表的是第二个结点处桥臂通断情况为010，以此类推。
扇区的定义：如图5所示，根据12个最大电压矢量两两围成的区间成为一个大扇区，其中[-π/12π/12]为第一个大扇区，按逆时针[π/12π/4]为第二个大扇区，以此类推。对于任意一个小扇区，采用的都是五矢量九段对称方式实现。
为了方便介绍结点处电压变化情况，需要对开关管作用时结点电压做定义，当开关状态为7时，即通断情况为111，逆变器上桥臂导通，结点电压为udc/2，当开关状态为0时，即通断情况为000，逆变器上桥臂关断，结点电压为-udc/2。当结点开关组合为3、5、6时，即开关状态存在两个1，为011、101或110作用时，结点平均电压为udc/6，当结点开关组合为1、2、4时，即开关状态存在两个1，为001、010或100作用时，结点平均电压为-udc/6。
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，在结点处电压跳变时电压变化幅值非常大，因此采用的方法是选择方向相反的电压矢量共同作用结合周期可变的方式进行无零矢量调制。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)选择的电压矢量既能保证在α-β子空间合成参考电压矢量，还能保证在z1-z2子平面矢量和为零；(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)PWM调制波形对称化以降低谐波。
下面以第I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：根据需要合成的参考电压矢量角度，判定在第一个扇区；
步骤2：根据扇区选择使用的电压矢量；
步骤2.1：选择相邻的四个最大电压矢量作为该扇区的第一、二、三、四个电压矢量，排列顺序为顺时针方向，即V64，V44，V45，V55；
步骤2.2：选择与第二个电压矢量相对的最大电压矢量为该扇区的第五个电压矢量，即与V44相对的V33；
步骤3：根据伏秒平衡原理：
Figure BDA0002452970180000071
以此计算出前四个矢量作用时间以及零电压矢量的作用时间。然后分配零电压矢量作用时间给第二个及第五个电压矢量：
Figure BDA0002452970180000072
最终五个电压矢量的作用时间为：
Figure BDA0002452970180000073
根据以上得到的五个电压矢量及其作用时间，采用五矢量九段对称式的排列方式将所选择的五个电压矢量进行排列，并且分析逆变器的开关次数以及两个定子结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逆变器的开关情况如图6所示。可以看出在一个PWM周期内，六桥臂逆变器一共开关14次，开关频率很低。两个结点处电压跳变情况如图7所示。结点N处电压仅变化了四次，变化的幅值为udc/3，而在结点N’处电压仅变化了两次，变化的幅值为udc/3，分析可知，结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。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其特征在于:包括以下步骤：
步骤1：利用空间矢量解耦对六相电机进行坐标变换，将六相电机的电压矢量分别映射到3个彼此正交的子空间，即参与机电能量转换的α-β基波子空间、不参与机电能量转换的z1-z2谐波分量子空间和o1-o2零序分量子空间；
步骤2：将参与机电能量转换的α-β基波子空间分成12个大扇区，在每一个扇区内选择五个有效电压矢量；
步骤3：根据伏秒平衡原理计算步骤2中每一个扇区内五个有效电压矢量的前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：将步骤3中零电压矢量的作用时间平均分配给第二个电压矢量和第五个电压矢量，然后得到新的五个矢量作用时间。
2.根据权利要求1所述的兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其特征在于：
步骤2中在每一个扇区内选择五个有效电压矢量的具体选择方法如下：
步骤2.1：在每一个扇区内选择相邻的四个最大电压矢量作为该扇区的第一、二、三、四个电压矢量，排列顺序为顺时针方向；
步骤2.2：选择与第二个电压矢量相对的最大电压矢量为该扇区的第五个电压矢量。
3.根据权利要求1所述的兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
定义Vn为选取的电压矢量，Tn为电压矢量作用时间，其中n＝0，1，2，3，4，Ts为周期，满足伏秒平衡方程：
Figure FDA0002452970170000011
以此计算出前四个矢量作用时间以及零电压矢量的作用时间。
4.根据权利要求1所述的兼备低开关损耗和共模干扰的六相电机SVPWM控制方法，其特征在于：
所述步骤4的具体步骤为：
将步骤3中计算出的零电压矢量作用时间分配给第二个及第五个电压矢量：
Figure FDA0002452970170000021
与原来的第一个电压矢量、第三个电压矢量和第四个电压矢量一起，得出最终五个电压矢量的作用时间为：
T1′＝T1,
Figure FDA0002452970170000022
T3′＝T3,T4′＝T4,
Figure FDA0002452970170000023
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