[發(fā)明專利]三相四橋臂永磁同步電動機控制系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310160197.0
• 申請日: 2013-05-03
• 公開（公告）號: CN103199790A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 高晗瓔;劉端增;李偉力;王貴成;宋宏明;徐冰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14
• 代理公司: 哈爾濱東方專利事務所 23118
• 代理人: 陳曉光

1.一種三相四橋臂永磁同步電動機控制系統(tǒng)，其組成包括:主電路，其特征是:??所述的主電路的220V單相交流輸入與單相整流電路連接，所述的單相整流電路與四橋臂逆變器連接，所述的四橋臂逆變器通過橋臂A、橋臂B、橋臂C、橋臂D與永磁同步電動機連接，所述的橋臂A、橋臂B、橋臂C與電流采樣電路連接，所述的永磁同步電動機與光電碼盤。

2.根據(jù)權利要求1所述的三相四橋臂永磁同步電動機控制系統(tǒng)，其特征是:?所述的光電碼盤與控制電路的QEP單元連接，所述的QEP單元與PI控制器D連接，所述的電流采樣電路與A/D模塊連接，所述的A/D模塊、所述的QEP單元通過坐標變換分別與PI控制器A、PI控制器B、PI控制器C連接，所述的PI控制器D與速度控制器連接，所述的速度控制器與所述的PI控制器A連接，所述的PI控制器A、PI控制器B、PI控制器C共同與電流控制器連接，所述的電流控制器與3D-SVPWM控制連接，所述的3D-SVPWM控制與光電隔離驅動電路連接，所述的光電隔離驅動電路與所述的四橋臂逆變器連接。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的三相四橋臂永磁同步電動機控制系統(tǒng)，其特征是:數(shù)碼顯示管與SPI單元連接，上位機與SCI單元連接，鍵盤與I/O單元B連接，故障檢測單元與I/O單元A連接。

4.一種三相四橋臂永磁同步電動機控制方法，其特征是:?

（1）永磁同步電機的工作方法：

式中???????????????????????????????????????????????為三相定子繞組通電流合成矢量、為永磁體磁鏈，為與軸的夾角，為軸與相軸的夾角;

ABC坐標系到坐標系的變換（Clarke變換）為

???????????????????(1)

對應的逆變換（Clarke^-1變換）為

???????????????????(2)

坐標系到坐標系的變換（Park變換）為

????????????????????(3)

對應的逆變換（Park^-1變換）為

????????????????????(4)

式中，q_r為電角度；

系統(tǒng)采用凸裝式永磁同步電動機，可認為交直軸等效電感相等，即L_q=L_d，這樣PMSM的電壓方程為

????????????????????(5)

式中，i_X、u_X、e_X分別為相電流、相對直流側中點的電壓、相感應電動勢(X可以是A、B、C中的一個)；u_N為電動機中性點對第四橋臂中點的電壓；r為定子電阻，L和M為定子繞組自感和互感，中線電流i_N為

?????????????????????????(6)

利用坐標變換，將PMSM的電壓方程(5)變換到dq0坐標系中，有

??????????????(7)

???????????????????????(8)

????????????????(9)

電磁轉矩為

?????????????????????????(10)

運動方程為

??????????????????????(11)

式(7)到(11)中，L_dq為d、q軸的等效電感；ω_r為電角速度；y_PM為轉子永磁體磁鏈；L₀為零軸電感；J為轉動慣量；P_n為極對數(shù)；

（2）四橋臂逆變控制的工作方法：

由于選用了i_d=0的矢量控制方案，具體實現(xiàn)過程如下：首先，檢測電動機轉子位置和定子繞組電流；利用轉子位置計算電動機轉速，經(jīng)速度控制器輸出電流轉矩分量的參考值i_q^*，同時給定電流勵磁分量i_d^*=0；并對定子繞組電流進行坐標變換得到反饋分量i_q和i_d，經(jīng)電流控制器輸出參考電壓空間矢量d、q軸分量u_d^*和u_q^*；最后通過SVPWM模塊產(chǎn)生6路PWM輸出信號，經(jīng)三相三橋臂逆變器功率放大后驅動永磁同步電機，最終實現(xiàn)轉速、電流雙閉環(huán)控制；

三相四橋臂逆變器是在三相三橋臂的基礎上增加了一個與電動機中性點相連的橋臂，從而多了一個可以控制的中線電流，而由式（1）、（6）可以得到零軸電流與之間的關系為

?????????????????????????????(12)

所以，只要控制零軸電流就可以對中線電流進行間接控制；

由式（2）、（4）可知

????????(13)

在正常運行情況下，中線電流為零，這樣只需要控制零軸電流為零即可，即

?????????????????????????(14)

?????????????(15)

?????????????(16)

當某相發(fā)生缺相故障時，這里假設A相發(fā)生斷路故障（B、C相發(fā)生斷路故障時情況與之相同），此時有=0，由于永磁同步電機的電磁轉矩取決于i_d、i_q的大小，此時，為保證與正常運行時有著相同的驅動特性，必須產(chǎn)生與故障前一致的i_d、i_q，這里需要作補償，因此不再等于0；

把=0代入式（13），可以得到

???????????????????????????(17)

?????????????(18)

??????????????(19)

通過式（7）和（17）得到

??????????(20)

依據(jù)式（17）或（20），可以采用兩種方式配置達到轉矩補償?shù)哪康模床捎昧爿S電流補償閉環(huán)控制方式，滿足式（17）的要求；或采用式（20），采用零軸電壓開環(huán)控制方式，實現(xiàn)零軸電壓u₀的輸出，這樣就可以達到故障容錯的目的，并且無需修改任何硬件電路；

本專利采用零軸電流補償閉環(huán)控制方式，由于采用的是i_d=0控制，可以簡化式（17）得到

??????????????????????????(21)

所以，故障狀態(tài)下只需要依照式（21）進行零軸電流的補償。

5.上述的三相四橋臂永磁同步電動機控制系統(tǒng)工作方法，其特征是:?給定轉速與反饋轉速通過速度控制器得到電流轉矩分量的給定值i_q^*，采樣的相電流i_A、i_B、i_C經(jīng)過Clarke、Park變換，得到dq0旋轉坐標系中i_d、i_q、i₀，與電流給定i_q^*、i_d^*、i₀^*進行比較，其中i_d^*、i₀^*的給定值都為0，而在單相故障的情況下i₀^*需要加入補償值i_qsinq_r，然后經(jīng)過PI控制器獲得u_d^*、u_q^*、u₀^*，再經(jīng)過Park^-1變換、Clarke^-1變換、3D-SVPWM的調制、功率放大驅動四橋臂逆變器的8個功率開關管，最終構成三相四橋臂永磁同步電動機速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。