一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法

摘要

本发明提供一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法，涉及多相电机控制技术领域。构造了虚拟电压矢量和等效零电压矢量，对参考电压矢量进行合成。抑制了低次谐波电流，将共模电压的幅值降低至直流母线电压的1/6。有效的减少了电机定子铜耗和轴承电流的产生。通过优化电压矢量的作用顺序，使得在一个控制周期内每一相的开关器件只改变两次，利于数字实现。

权利要求

1.一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括：

步骤1：把六相电压源逆变器的64个基本电压矢量映射到含有机电能量转换的α‑β空间和只有谐波分量的x‑y空间、o1‑o2空间中；并按下式计算出α‑β空间和x‑y空间的电压分布：j30°

其中，a＝e ；s表示逆变器的开关函数，si＝1代表上桥臂导通而下桥臂关断，si＝0则代表上桥臂关端而下桥臂导通，i代表逆变器的A、B、C、U、V、W相；Udc表示逆变器直流母线电压；Vαβ和Vxy为α‑β空间和x‑y空间的幅值；将64个基本电压矢量根据幅值不同分为四组：G1、G2、G3和G4，四组电压矢量的幅值如下所示：步骤2：选择α‑β空间中同一方向上幅值为G1和G2的两个基本电压矢量来合成12个虚拟电压矢量；通过分配两个基本电压矢量的作用时间，使两个基本电压矢量在一个控制周期内的x‑y空间的电压分量为零，如下式所示：其中，T1是幅值为G1的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，T2是幅值为G2的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，|VVαβ|是合成的虚拟电压矢量后在α‑β空间的幅值，|VVxy|是合成的虚拟电压矢量在x‑y空间的幅值；

将公式(2)的基本电压幅值带入到公式(3)中，计算出两个基本电压矢量的作用时间和合成的虚拟电压矢量的幅值，计算结果如下所示：步骤3：利用虚拟电压矢量和等效零电压矢量作为控制集对参考电压矢量进行合成；

所述合成为，根据伏秒平衡原理，计算两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间如下:式中：|Vref|代表的是参考电压矢量的幅值，|VV|为虚拟电压矢量的幅值为0.597Udc，T1、T2、T0分别为两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间，θ代表的是参考电压矢量所在扇区的第一个虚拟电压矢量与其夹角；

步骤4：合成与零矢量作用效果相同的等效零矢量；

所述等效零矢量利用在α‑β空间内，两个幅值相同、方向相反的小电压矢量作用相同时间来合成；则六个基本电压矢量作用时间如式(6)计算：式中：Tx1、Tx2、Tx3、Tx4、Tx5、Tx6分别代表是第一个小电压矢量、第一个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的大电压矢量、第一个虚拟电压矢量的大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个小电压矢量作用时间的一半；Tz代表等效零电压矢量的作用时间；

步骤5：对一个周期内所使用的基本电压矢量的作用顺序进行优化；

所述优化为，在一个控制周期内，每一相的开关器件变化只有两次，而且在一个扇区内ABC或UVW绕组在一个扇区内开关器件同时切换只有两次。

说明书

一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多相电机控制技术领域，尤其涉及一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法。

背景技术

[0002] 由于双三相电机比三相电机具有一些更好的特点，近些年被广泛研究，包括容错能力好，转矩脉动低、功率密度高、效率高等，这些优势加速了双三相电机在安全、关键和大功率场合的普及。如运用在电动汽车、航空航天、机车牵引等领域。

[0003] 双三相电机的谐波阻抗较小，较小的谐波电压就会产生较大的谐波电流，且不对称的PWM波形也会导致谐波电流的增大，低次谐波电流会增加电机的定子铜耗。谐波电流一直是多相系统研究学者拟解决的关键问题。更重要的，于双三相系统而言，随着逆变器的增加，其PWM策略更加复杂。在一个控制周期内，每一相开关变化多次这种情况，数字实现很困难。而且同一绕组上的三相开关同时动作会导致电机端子过电压情况的产生。另外，多相系统的共模电压也是不可忽视的问题。逆变器离散的工作模式会产生电磁干扰和不良的机械振动，影响附近电气设备的正常运行。共模电压还会产生轴承电流，会损害电机轴承，大大缩短电机的使用年限。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法。该方法在每个控制周期内，每一相的开关只改变两次，利于DSP等数字实现。在抑制了低次谐波电流的同时，也减少了共模电压的产生。

[0005] 为解决上述技术的问题，本发明所采取的技术方案是：

[0006] 一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1：把六相电压源逆变器的64个基本电压矢量映射到含有机电能量转换的α‑β空间和只有谐波分量的x‑y空间、o1‑o2空间中；并按下式计算出α‑β空间和x‑y空间的电压分布：

[0008]

[0009] 其中，a＝ej30°；s表示逆变器的开关函数，si＝1代表上桥臂导通而下桥臂关断，si＝0则代表上桥臂关端而下桥臂导通，i代表逆变器的A、B、C、U、V、W相；Udc表示逆变器直流母线电压；Vαβ和Vxy为α‑β空间和x‑y空间的幅值；将64个基本电压矢量根据幅值不同分为四组：G1、G2、G3和G4，四种电压矢量的幅值如下所示：

[0010]

[0011] 步骤2：选择α‑β空间中同一方向上幅值为G1和G2的两个基本电压矢量来合成12个虚拟电压矢量；通过分配两个基本电压矢量的作用时间，使两个基本电压矢量在一个控制周期内的x‑y空间的电压分量为零，如下式所示：

[0012]

[0013] 其中，T1是幅值为G1的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，T2是幅值为G2的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，|VVαβ|是合成的虚拟电压矢量后在α‑β空间的幅值，|VVxy|是合成的虚拟电压矢量在x‑y空间的幅值；

[0014] 将公式(2)的基本电压幅值带入到公式(3)中，计算出两个基本电压矢量的作用时间和合成的虚拟电压矢量的幅值，计算结果如下所示：

[0015]

[0016] 步骤3：利用虚拟电压矢量和等效零电压矢量作为控制集对参考电压矢量进行合成；

[0017] 根据伏秒平衡原理，两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间计算如下:

[0018]

[0019] 式中：|Vref|代表的是参考电压矢量的幅值，|VV|为虚拟电压矢量的幅值为0.597Udc，T1、T2、T0分别为两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间，θ代表的是参考电压矢量所在扇区的第一个虚拟电压矢量与其夹角；

[0020] 步骤4：合成与零矢量作用效果相同的等效零矢量；所述等效零矢量利用在α‑β空间内，两个幅值相同、方向相反的小电压矢量作用相同时间来合成；

[0021] 则六个基本电压矢量作用时间如式(6)计算：

[0022]

[0023] 式中：Tx1、Tx2、Tx3、Tx4、Tx5、Tx6分别代表是第一个小电压矢量、第一个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的大电压矢量、第一个虚拟电压矢量的大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个小电压矢量作用时间的一半。Tz代表等效零电压矢量的作用时间。

[0024] 步骤5：对一个周期内所使用的基本电压矢量的作用顺序进行优化；

[0025] 所述优化为，在一个控制周期内，每一相的开关器件变化只有两次，而且在一个扇区内ABC或UVW绕组在一个扇区内开关器件同时切换只有两次。

[0026] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

[0027] 本发明提出了一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法，在轻负载的条件下，所提算法的低次谐波抑制能力远优于相邻两矢量SVPWM算法；相较于最大四矢量SVPWM算法，五次谐波电流含量增加了2％左右。在中至重载的条件下，所提方法的低次谐波抑制能力与最大四矢量SVPWM算法几乎相同；相较于相邻两矢量SVPWM算法与最大四矢量SVPWM算法，所提方法将共模电压从0.5Udc降低到0.16Udc，降低了67.65％。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例提供的α‑β空间的电压矢量分布图；

[0029] 图2为本发明实施例提供的x‑y空间的电压矢量分布图；

[0030] 图3为本发明实施例提供的虚拟电压矢量合成矢量示意图；

[0031] 图4为本发明实施例提供的虚拟电压矢量的空间分布图；

[0032] 图5为本发明实施例提供的参考电压矢量的合成图；

[0033] 图6为本发明实施例提供的合成参考电压矢量所利用的基本电压矢量图；

[0034] 图7为本发明实施例提供的等效零电压矢量选择方法流程图；

[0035] 图8为本发明实施例提供的基本电压矢量的切换顺序图。

具体实施方式

[0036] 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。

[0037] 一种双三相电机虚拟空间电压矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：

[0038] 本实施例所用电机额定功率为28KW，额定转速3000r/min，极对数为4，直流电压为350V。

[0039] 步骤1：根据空间解耦矩阵，把六相电压源逆变器的64个基本电压矢量映射到含有机电能量转换的α‑β空间和只有谐波分量的x‑y空间、o1‑o2空间中；其中α‑β空间的电压矢量在电机运行过程中会产生电磁转矩，而x‑y空间的电压矢量会产生谐波不会产生电磁转矩，并按下式计算出α‑β空间和x‑y空间的电压分布：

[0040]

[0041] 其中，a＝ej30°；s表示逆变器的开关函数，si＝1代表上桥臂导通而下桥臂关断，si＝0则代表上桥臂关端而下桥臂导通，i代表逆变器的A、B、C、U、V、W相；Udc表示逆变器直流母线电压；Vαβ和Vxy为α‑β空间和x‑y空间的幅值；将64个基本电压矢量根据幅值不同分为四组：G1、G2、G3和G4，如图1(α‑β空间)、图2(x‑y空间)所示。四种电压矢量的幅值如下所示：

[0042]

[0043] 步骤2：选择α‑β空间中同一方向上幅值为G1和G2的两个基本电压矢量来合成12个虚拟电压矢量；通过分配两个基本电压矢量的作用时间，使两个基本电压矢量在一个控制周期内的x‑y空间的电压分量为零，如下式所示：

[0044]

[0045] 其中，T1是幅值为G1的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，T2是幅值为G2的基本电压矢量在一个控制周期内的作用时间，|VVαβ|是合成的虚拟电压矢量后在α‑β空间的幅值，|VVxy|是合成的虚拟电压矢量在x‑y空间的幅值；

[0046] 将公式(2)的基本电压幅值带入到公式(3)中，计算出两个基本电压矢量的作用时间和合成的虚拟电压矢量的幅值，计算结果如下所示：

[0047]

[0048] 按照步骤1、步骤2可以利用了24个基本电压矢量(G1组和G2组)来合成12个幅值相同的虚拟电压矢量，如图3、图4所示，这些虚拟电压矢量在α‑β空间上幅值为0.597Udc，在x‑y空间上幅值为零。即具有谐波电流抑制能力。

[0049] 步骤3：利用虚拟电压矢量和等效零电压矢量作为控制集对参考电压矢量进行合成；

[0050] 当参考电压矢量落入某一扇区内，参考电压矢量利用所在扇区两侧的虚拟电压矢量和等效零矢量来合成，合成参考电压矢量示意图如图5所示(以参考电压矢量落入第二扇区为例)；根据伏秒平衡原理，两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间计算如下:Vref由VV1与VV2以及等效零电压矢量合成，VV1与VV2以及等效零矢量VV0的作用时间计算如下：

[0051]

[0052] 式中：|Vref|代表的是参考电压矢量的幅值，|VV|为虚拟电压矢量的幅值为0.597Udc，T1、T2、T0分别为两个虚拟电压矢量和等效零矢量的作用时间，θ代表的是参考电压矢量所在扇区的第一个虚拟电压矢量与其夹角；

[0053] 步骤4：为了抑制共模电压，借鉴三相系统共模电压的抑制策略，引入无零矢量的核心思想。合成与零矢量作用效果相同的等效零矢量；所述等效零矢量利用在α‑β空间内，两个幅值相同、方向相反的小电压矢量作用相同时间来合成；

[0054] 所提方法使用到两个虚拟电压矢量(每个虚拟电压矢量由一个大电压矢量和中大电压矢量构成)和一个等效零矢量(两个小电压矢量构成)。即当参考电压矢量落入某一扇区时，利用到的基本电压矢量是两个大电压矢量、两个中大电压矢量和两个小电压矢量。

[0055] 等效零电压矢量的合成利用在基波平面内幅值相同和方向相反的小矢量(图1中的G4)，作用相同时间来实现。参考电压矢量落入不同扇区引入的等效零电压矢量如表1所示:

[0056] 表1不同扇区的等效零电压矢量

[0057]

[0058] 图6为当参考电压矢量落入第二扇区时，利用到的基本电压矢量分别为V44、V46、V64、V65、V42、V35。等效零电压矢量的合成为V42和V35。如图7所示，V42和V35作用相同的时间来合成等效零电压矢量。则六个基本电压矢量作用时间如式(6)计算：

[0059]

[0060] 式中：Tx1、Tx2、Tx3、Tx4、Tx5、Tx6分别代表是第一个小电压矢量、第一个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的大电压矢量、第一个虚拟电压矢量的大电压矢量、第二个虚拟电压矢量的中大电压矢量、第二个小电压矢量作用时间的一半。Tz代表等效零电压矢量的作用时间。

[0061] 步骤5：为了便于数字实现，对一个周期内所使用的基本电压矢量的作用顺序进行优化。不对称PWM波形会增加谐波电流含量；而且对于一个控制周期内某一相开关器件变化多次的问题，DSP等数字实现较为困难。因此所述优化为，在一个控制周期内，每一相的开关器件变化只有两次，而且在一个扇区内ABC或UVW绕组在一个扇区内开关器件同时切换只有两次，减少了电机端子过电压情况的发生；所提方法最小化了开关频率和总开关次数。保证了所有控制周期内开关频率固定及PWM波形对称。

[0062] 不对称PWM波形会增加谐波含量；而且对于一个控制周期内某一相开关器件变化多次的问题，DSP等数字实现较为困难。以第二扇区为例，电压矢量的切换顺序如图8所示。在一个扇区内ABC绕组在一个扇区内开关器件同时切换只有两次；在一个控制周期中，每一相的开关器件改变两次。且保证所有控制周期内开关频率固定及PWM波形对称；最小化了开关频率和总开关次数。12个扇区的矢量切换顺序如表2所示。

[0063] 表2不同扇区的矢量切换顺序

[0064]

[0065]

[0066] 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。