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专利名称：一种双三相开绕组永磁电机的控制系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410671422.5

专利申请（专利权）人：淮阴工学院
权利人地址：江苏省淮安市经济技术开发区枚乘东路1号

专利发明（设计）人：张慰聪,张涛,姚俊永,张秋虎,司绪祥,王宝健,叶小婷,武莎莎,张晨,鲁庆,莫丽红

专利摘要：本发明公开一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，采用一个九相逆变器与两个三相逆变器来实现对双三相开绕组永磁电机的控制。将两个开绕组电机的内三相引出，由九相逆变器控制，外三相由两台三相逆变器分别控制。其中，九相逆变器由两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成，并采用SVPWM控制，使H桥电容器电压有效地维持在所需的不对称电平，并设计公共H桥的开关状态。与现有技术相比，本发明中的H桥在发生任何故障时，九相逆变器都能够在五电平或三电平模式下工作，提升了双开绕组永磁电机系统的可靠性；并且由于逆变器相数的增加，可以为驱动系统提供更加多样化的调制模式，同时改善了电机运行的平稳性和效率。

主权利要求：
1.一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，其特征在于，控制系统的结构包括：
两个开绕组电机的外三相分别为A'1、B'1、C'1相和A'2、B'2、C'2相；两个开绕组电机的内三相分别为A1、B1、C1相和A2、B2、C2相；
将两个开绕组电机的外三相A'1、B'1、C'1相与A'2、B'2、C'2相分别连接两个传统的三相逆变器，采用SVPWM控制法，实现对开绕组电机外三相的独立控制；
将双开绕组电机的内三相对应相互联结，即A1相与A2相，B1相与B2相，C1相与C2相相互连接，由一个九相逆变器控制；
九相逆变器由含有两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成，其中两个三相两电平电压源逆变器的A、B相分别连接两个浮动电容连接的H桥，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥；
连接两个三相两电平电压源逆变器的A、B相的两个浮动电容连接的H桥的输出端分别连接于双开绕组电机的内三相相互联结的A1与A2之间、B1与B2间连接，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥的输出端连接于双开绕组电机的内三相相互联结的C1与C2之间。
2.根据权利要求1所述的一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，其特征在于，五个浮动电容连接的H桥的电容器的选取由开关频率、所允许的最大纹波以及相电流峰值共同决定：其中，Cap为电容器电容，I为相电流峰值，T为开关频率，ΔUP为电容电压的峰峰值。
3.根据权利要求1所述的一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，其特征在于，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥的桥臂的开关状态，通过对权重函数的设计，来确定其开关状态：*
其中，Wf1为开绕组电机1的权重函数值，Wf2为开绕组电机2的权重函数值；Te1为开绕组*电机1的电磁转矩预测值，Te2为开绕组电机2的电磁转矩预测值；Te1为开绕组电机1的电磁*转矩实测值，Te2为开绕组电机2的电磁转矩实测值；ψ为开绕组电机的磁链预测值；ψm1为开绕组电机1的磁链实测值，ψm2为开绕组电机2的磁链实测值；λ是权重系数，λ∈(0,1)，λ越大，表示磁链越重要，权重函数值越大，表明磁悬浮力的实际值与参考值之间的误差越大，为了减小磁悬浮力的实际值与参考值之间的最大误差，需要减小权重函数的最大值。
4.根据权利要求1所述的一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统通过实现电容器电压的平衡来实现九相逆变器对双绕组电机的A1、B1、C1、A2、B2、C2相控制，具体如下：(1)确定九相逆变器的电压水平等级；
(2)确定不同电压等级的计算方法。
5.根据权利要求4所述的一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，其特征在于，所述九相逆变器产生15个电压电平：+7Vd/8,+6/8,+5Vd/8,+4Vd/8,+3Vd/8,+2Vd/8,+1Vd/8,0,?Vd/
8,?2Vd/8,?3Vd/8,?4Vd/8,?5Vd/8,?6Vd/8,?7Vd/8，Vd为逆变器电源电压，利用9个冗余电压来平衡电容器电压，根据不同电压等级的计算方法，选择开关状态组合，在每个电压等级、负载电流的任何方向上平衡电容器电压，而不受功率因数的影响。 说明书 : 一种双三相开绕组永磁电机的控制系统技术领域[0001] 本发明属于电机控制领域，具体涉及一种双三相开绕组永磁电机的控制系统。背景技术[0002] 开绕组电机因其优异的性能和灵活的控制方式，在工业自动化、新能源汽车、家用电器、能源及再生能源、高端装备制造、节能环保以及电子控制系统等多个市场领域都有广泛的应用，并且随着技术的不断进步和市场的进一步拓展，其应用前景将越来越广阔。[0003] 相较于三相电机，开绕组电机通常具有更强的容错能力。因为在多相系统中，即使有一相或几相出现故障，通过采用适当的控制策略，电机仍然可以在降功率的情况下继续运行，而无需停机。并且由于相数的增加，基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减。佣沟米芈龆玫接呕，提高了电机的运行效率。多相系统可以使用低功率等级的器件实现大功率调速，特别适合于电力舰船推进系统、电力机车牵引系统等供电电压受限的大功率应用场合。[0004] 因此，对开绕组电机的控制设计尤为重要。对于双开绕组电机系统，采用4个三相逆变器控制，不仅增加了成本，其控制系统的容错率还大大降低。[0005] 多电平逆变器中较高的dv/dt会导致电机端子处的过电压，从而对电机绝缘产生应力。高共模dv/dt还会导致对地高频泄漏电流和感应轴电压。通过增加多电平逆变器中电压电平的数量，可以降低dv/dt，因此，这些问题可以在很大程度上得到缓解。增加逆变器输出中的电平数，也能显著降低电机中的转矩脉动。然而，业界不愿意去增加更高的电平数，因为它增加了组件的数量，使系统体积庞大，系统也变得复杂。[0006] 本发明提出的含有两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成的九相逆变器，实现了双开绕组永磁电机的控制。在不大幅增加元件数量的情况下，增加逆变器输出电压的电平数，同时又不影响控制系统的可靠性。发明内容[0007] 发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种双三相开绕组永磁电机的模型控制系统，采用一个九相逆变器与两个三相逆变器相结合，控制双开绕组永磁电机。[0008] 技术方案：本发明一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，控制系统的结构包括：[0009] 将两个开绕组电机的外三相A'1、B'1、C'1相与A'2、B'2、C'2相分别连接两个传统的三相逆变器，采用SVPWM控制法，实现对开绕组电机外三相的独立控制；[0010] 将双开绕组电机的内三相对应相互联结，即A1与A2，B1与B2，C1与C2相互连接，由一个九相逆变器控制；[0011] 九相逆变器由含有两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成，其中两个三相两电平电压源逆变器的A、B相分别连接两个浮动电容连接的H桥，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥。[0012] 进一步地，连接两个三相两电平电压源逆变器的A、B相的两个浮动电容连接的H桥的输出端分别连接于双开绕组电机的内三相相互联结的A1与A2之间、B1与B2间连接，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥的输出端连接于双开绕组电机的内三相相互联结的C1与C2之间。[0013] 进一步地，五个浮动电容连接的H桥的电容器的选取由开关频率、所允许的最大纹波以及相电流峰值共同决定：[0014][0015] 其中，Cap为电容器电容，I为相电流峰值，T为开关频率，ΔUP为电容电压的峰峰值。[0016] 进一步地，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥的桥臂的开关状态，通过对权重函数的设计，来确定其开关状态：[0017][0018] 其中，Wf1为开绕组电机1的权重函数值，Wf2为开绕组电机2的权重函数值；Te1*为开*绕组电机1的电磁转矩预测值，Te2 为开绕组电机2的电磁转矩预测值；Te1为开绕组电机1的*电磁转矩实测值，Te2为开绕组电机2的电磁转矩实测值；ψ为开绕组电机的磁链预测值；ψm1为开绕组电机1的磁链实测值，ψm2为开绕组电机2的磁链实测值；λ是权重系数，λ∈(0,1)，λ越大，表示磁链越重要，权重函数值越大，表明磁悬浮力的实际值与参考值之间的误差越大，为了减小磁悬浮力的实际值与参考值之间的最大误差，需要减小权重函数的最大值。[0019] 进一步地，所述控制系统通过实现电容器电压的平衡来实现九相逆变器对双绕组电机的A1、B1、C1、A2、B2、C2相控制，具体如下：[0020] (1)确定九相逆变器的电压水平等级；[0021] (2)确定不同电压等级的计算方法。[0022] 进一步地，所述九相逆变器产生15个电压电平：+7Vd/8,+6/8,+5Vd/8,+4Vd/8,+3Vd/8,+2Vd/8,+1Vd/8,0,?Vd/8,?2Vd/8,?3Vd/8,?4Vd/8,?5Vd/8,?6Vd/8,?7Vd/8，Vd为逆变器电源电压，利用9个冗余电压来平衡电容器电压，根据不同电压等级的计算方法，选择开关状态组合，在每个电压等级、负载电流的任何方向上平衡电容器电压，而不受功率因数的影响。[0023] 有益效果：[0024] 本发明采用一个九相逆变器与两个三相逆变器相结合，控制双开绕组永磁电机，当H桥发生任何故障的情况下，九相逆变器都能够在五电平或三电平模式下工作，增加了控制系统的容错率；由于九相逆变器的相数相较于三项逆变器，其相数增加，可以为驱动系统提供更加多样化的调制模式，同时改善了电机运行的平稳性和效率。附图说明[0025] 图1是本申请实施例中双三相开绕组驱动系统拓扑图；[0026] 图2是本申请实施例中双三相开绕组永磁电机的转速波形图；[0027] 图3是本申请实施例中双三相开绕组永磁电机的转矩波形图。具体实施方式[0028] 下面结合附图对本发明做进一步说明。[0029] 本发明公开了一种双三相开绕组永磁电机的控制系统，具体如下：[0030] 图1为本发明中的双三相开绕组驱动系统拓扑图，双开绕组永磁电机的外三相(A'1、B'1、C'1、A'2、B'2、C'2)分别连接着两个三相逆变器，控制A1、B1、C1、A2、B2、C2相的九相逆变器由两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成。Vs1与Vs2为隔离的直流电压源，CA1、CB1、CC1、CA2、CB2为电容器。[0031] 先将两个开绕组电机的A'1、B'1、C'1相与A'2、B'2、C'2相分别连接两个传统的三相逆变器，采用SVPWM控制法，实现对开绕组电机外三相的独立控制。[0032] 再将双开绕组电机的内三相(A1、B1、C1、A2、B2、C2)相互联结，即A1与A2，B1与B2，C1与C2相互连接，由一个九相逆变器控制。[0033] 九相逆变器拓扑结构由两个三相两电平电压源逆变器和五个浮动电容连接的H桥组成。其中两个三相两电平电压源逆变器的A、B相分别连接两个浮动电容连接的H桥，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥。连接两个三相两电平电压源逆变器的A、B相的两个浮动电容连接的H桥的输出端分别连接于双开绕组电机的内三相相互联结的A1与A2之间、B1与B2间连接，两个三相两电平电压源逆变器的C相共用一个浮动电容连接的H桥的输出端连接于双开绕组电机的内三相相互联结的C1与C2之间。[0034] 这种拓扑结构，使得系统在整个调制范围内，全功率额定值下，H桥发生任何故障的情况下，九相逆变器都能够在五电平或三电平模式下工作。[0035] 五个浮动电容连接的H桥的电容器的选取由开关频率、所允许的最大纹波以及相电流峰值共同决定：[0036][0037] 其中，Cap为电容器电容，I为相电流峰值，T为开关频率，ΔUP为电容电压的峰峰值。[0038] 通过对权重函数的设计，来确定公共H桥的状态：[0039][0040] 其中，Wf1为开绕组电机1的权重函数值，Wf2为开绕组电机2的权重函数值；Te1*为开*绕组电机1的电磁转矩预测值，Te2 为开绕组电机2的电磁转矩预测值；Te1为开绕组电机1的*电磁转矩实测值，Te2为开绕组电机2的电磁转矩实测值；ψ为开绕组电机的磁链预测值；ψm1为开绕组电机1的磁链实测值，ψm2为开绕组电机2的磁链实测值；λ是权重系数，λ∈(0,1)。λ越大，表示磁链越重要。权重函数值越大，表明磁悬浮力的实际值与参考值之间的误差越大。为了减小磁悬浮力的实际值与参考值之间的最大误差，需要减小权重函数的最大值。[0041] 通过实现电容器电压的平衡来实现九相逆变器对双绕组电机的A1、B1、C1、A2、B2、C2相控制。[0042] 该拓扑结构的九相逆变器可以产生15个电压电平(+7Vd/8,+6/8,+5Vd/8,+4Vd/8,+3Vd/8,+2Vd/8,+1Vd/8,0,?Vd/8,?2Vd/8,?3Vd/8,?4Vd/8,?5Vd/8,?6Vd/8,?7Vd/8,)，Vd为逆变器电源电压，其中只有九个冗余电压电平被使用。因此，只需选择适当的开关状态组合，就能在每个电压等级、负载电流的任何方向上平衡电容器电压，而不受功率因数的影响。[0043] 在实现不同电压水平时，必须确保相关的电容器上的电压保持平衡。产生这些电压电平的方法有多种，利用九个冗余电压来平衡电容器电压。[0044] 本发明实施例表1为A相产生中电压等级(+3Vd/8,+2Vd/8,+1Vd/8,?Vd/8,?2Vd/8,?3Vd/8,)的计算方法：[0045][0046][0047] 在产生这些电压电平中的任何一个电平时，都可以根据电流方向，通过适当选择产生方法来平衡相关电容器上的电压。[0048] 表2为A相9个电压电平的开关状态：[0049][0050][0051] B、C相的9个电压电平的开关状态与A相的开关状态计算方法一致。通过对九相逆变器的设计，实现对双开绕组电机的控制。[0052] 图2、3分别为双三相开绕组永磁电机的转速与转矩波形图。在0.3秒时，给定减速度从1200r/min突变到1625r/min，可以看到双三相开绕组永磁电机的转速与转矩都具有良好的调控与稳态性能。[0053] 上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2024-05-27

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118573069B