本發(fā)明屬于電機控制，涉及一種雙三相開繞組永磁同步電機控制系統(tǒng)及其諧波電流抑制方法。該系統(tǒng)和方法適用于要求具備高可靠性、高安全性、高效率的各類高端裝備的電機控制系統(tǒng)。

背景技術：

1、雙三相永磁同步電機相比于傳統(tǒng)三相永磁同步電機，具有控制自由度多、容錯性能好等優(yōu)勢，是當今電機系統(tǒng)技術的研究熱點和發(fā)展趨勢。采用開繞組技術將傳統(tǒng)的中性點打開，每相繞組之間互相隔離，故障相不會直接影響到其它正常相繞組，有利于故障隔離，進一步提高了電機系統(tǒng)的容錯能力。雙三相開繞組永磁同步電機結合了多相永磁電機和開繞組結構的優(yōu)勢，在高性能電機控制領域具有廣闊的應用前景。

2、雙三相開繞組永磁同步電機由于相數多，控制自由度增加，具有基波、諧波和零序三個子空間，且諧波含量豐富。由于零序子空間和諧波子空間的漏感較低，使得較小的諧波電壓會產生較大的低頻諧波電流，增加了電機的損耗，影響系統(tǒng)效率。特別是開繞組拓撲結構將傳統(tǒng)星型連接方式的中性點打開，導致電機磁勢的三次諧波分量無法抵消，從而在相電流中產生較大的三次諧波電流，嚴重影響電機的穩(wěn)態(tài)運行性能。因此如何有效抑制零序子空間下的三次諧波電流是雙三相開繞組電機系統(tǒng)在工程應用中亟待解決的關鍵技術問題。

3、目前已有的雙三相永磁同步電機諧波抑制方法，都是針對雙繞組星型連接拓撲結構展開研究。相關方法僅考慮了在基波子空間和諧波子空間下的調制策略，均無法解決零序子空間下的諧波電流抑制問題，難以直接應用于雙三相開繞組永磁同步電機系統(tǒng)。另一方面，其他針對開繞組電機諧波抑制的相關研究成果，所研究對象均非雙三相永磁同步電機，其矢量空間模型差異甚大，不具備在雙三相開繞組電機系統(tǒng)應用的可行性。而現(xiàn)有的公開文獻均未有雙三相開繞組永磁同步電機矢量空間建模，以及構建包含基波、諧波、零序三個子空間解耦控制集的相關工作。此外，在解決雙三相開繞組永磁同步電機的諧波電流抑制問題，保證穩(wěn)態(tài)運行性能的基礎上，如何提高系統(tǒng)電流環(huán)響應的動態(tài)特性，也是雙三相開繞組電機系統(tǒng)在工程應用中實現(xiàn)性能提升的關鍵。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提出一種雙三相開繞組永磁同步電機控制系統(tǒng)，含有：一個雙三相開繞組永磁同步電機、一個轉速控制器、一個零共模電壓矢量控制集、一個模型預測電流控制器、一個解耦多環(huán)控制器、一個開關序列重組模塊、兩個六相逆變器。該控制結構框圖如圖1所示。

2、所述雙三相開繞組永磁同步電機各相繞組電氣隔離，相互獨立，每相繞組的兩端各與一個六相逆變器的半橋相連；

3、所述轉速控制器的輸入為轉速參考給定值ωe*和轉子角速度ωe，其中ωe*由外部給定輸入；所述轉速控制器用于實現(xiàn)對轉速參考給定值的無差跟蹤，得到并輸出交軸電流參考給定量iq*；

4、所述零共模電壓矢量控制集用于生成所述模型預測電流控制器遍歷尋優(yōu)所需虛擬電壓矢量，通過選取共模電壓為零的電壓矢量合成虛擬電壓矢量，滿足虛擬電壓矢量在零序子空間的分量為0；其中，所述零共模電壓矢量控制集包括基波子空間虛擬電壓矢量和諧波子空間虛擬電壓矢量，兩個子空間相互正交，滿足基波子空間虛擬電壓矢量在諧波子空間的投影為0，以及諧波子空間虛擬電壓矢量在基波子空間的投影為0；

5、所述模型預測電流控制器的輸入為經vsd坐標變換得到的基波子空間直交軸電流id(k)和iq(k)、直軸電流參考給定量id*，以及所述轉速控制器輸出的交軸電流參考給定量iq*；所述模型預測電流控制器根據參考模型對所述零共模電壓矢量控制集內各虛擬電壓矢量的控制效果進行2步預測，遍歷尋優(yōu)得到最優(yōu)虛擬電壓矢量，并輸出的作用時間topt；

6、所述解耦多環(huán)控制器的輸入為六相電流ia、ib、ic、id、ie和if、諧波子空間各次諧波電流的參考給定值id5*、id7*、iq5*和iq7*以及零序子空間各次諧波電流的參考給定值id3*、id9*、iq3*和iq9*；所述解耦多環(huán)控制器用于實現(xiàn)各階次諧波電流的零輸入無差跟蹤，分別輸出諧波子空間兩相鄰虛擬電壓矢量v1、v2的作用時間t1、t2和零序子空間兩相鄰大零矢量v3、v4的作用時間t3、t4；

7、所述開關序列重組模塊的輸入為所述解耦多環(huán)控制器輸出的v1、v2的作用時間t1、t2和v3、v4的作用時間t3、t4，以及所述模型預測電流控制器輸出的最優(yōu)虛擬電壓矢量作用時間topt，重組開關序列實現(xiàn)中心對稱化，并輸出至對應的六相逆變器。

8、本發(fā)明的一種雙三相開繞組永磁同步電機控制系統(tǒng)及其諧波電流抑制方法，包括以下步驟：

9、s1.搭建雙三相開繞組永磁同步電機控制系統(tǒng)，包括：一個雙三相開繞組永磁同步電機、一個轉速控制器、一個零共模電壓矢量控制集、一個模型預測電流控制器、一個解耦多環(huán)控制器、一個開關序列重組模塊、兩個六相逆變器；

10、s2.搭建雙三相開繞組永磁同步電機，使得電機各相相互獨立，相與相之間電氣隔離；其中，以a相為基準，b相滯后a相120°，c相滯后a相240°，d相滯后a相30°，e相滯后a相150°，f相滯后a相270°；

11、s3.構建轉速控制器；所述轉速控制器包含一個減法器和一個轉速調節(jié)器asr；所述減法器用于實現(xiàn)轉速參考給定值ωe*與轉子角速度ωe的相減運算，得到轉速誤差；上述誤差經所述轉速調節(jié)器，得到的交軸電流參考給定量iq*；

12、s4.構建模型預測電流控制器；所述模型預測電流控制器含有：一個一步預測模塊、一個模型預測模塊、一個遍歷尋優(yōu)模塊和一個作用時間計算模塊；

13、s5.構建解耦多環(huán)控制器；所述解耦多環(huán)控制器含有：一個vsd坐標變換，一個諧波子空間旋轉變換、一個零序子空間旋轉變換、八個減法器、八個電流調節(jié)器acr、一個諧波子空間旋轉反變換、一個零序子空間旋轉反變換、一個諧波子空間矢量調制模塊和一個零序子空間矢量調制模塊；

14、s6.構建開關序列重組模塊，用于獲得中心對稱化的開關序列。

15、所述雙三相開繞組永磁同步電機的定子繞組電壓方程的數學表達式為：

16、

17、其中，ud、id和ld分別為d軸的電壓、電流和電感，uq、iq和lq分別為q軸的電壓、電流和電感，ux、ix分別為x軸的電壓、電流，uy、iy分別為y軸的電壓、電流，uo1、io1分別為o1軸的電壓、電流，uo2、io2分別為o2軸的電壓、電流，l0為定子繞組漏自感平均值，rs為電機繞組電阻，θ為電角度，ωe為轉子角速度，λf為基波磁鏈，λ3f為三次諧波磁鏈。

18、所述的零共模電壓矢量控制集按以下步驟獲得：

19、s1.根據雙三相開繞組永磁同步電機的開關狀態(tài)，將基波子空間的基本電壓矢量按兩套繞組產生的不同共模電壓進行分組，每套繞組產生的共模電壓為：

20、

21、其中，sx1為abc三相逆變器1的開關狀態(tài)；sx2為abc三相逆變器2的開關狀態(tài)；s’x1為def逆變器1的開關狀態(tài)；s’x2為def三相逆變器2的開關狀態(tài)；ung1為abc三相在逆變器1中產生的共模電壓；ung2為abc三相在逆變器2中產生的共模電壓；u’ng1為def三相在逆變器1中產生的共模電壓；u’ng2為def三相在逆變器2中產生的共模電壓；udc為母線電壓；

22、s2.在雙三相開繞組永磁同步電機的兩個六相逆變器中，分別選擇具有相同共模電壓的矢量滿足如下表達式，得到包含72個非零電壓矢量和9個零電壓矢量的基波子空間簡化矢量集：

23、

24、s3.根據電壓幅值的不同，將簡化矢量集中的非零電壓矢量分為四層，每層由12個電壓矢量組成，相鄰電壓矢量的相位差為30°，如圖3(a)所示。

25、s4.將基波子空間的簡化電壓矢量集映射到諧波子空間，得到諧波子空間的簡化電壓矢量集，如圖3(b)所示。

26、s5.將基波子空間中每個同一方向上的最外層和次外層簡化電壓矢量進行組合，在一個控制周期中分別分配固定的作用時間，使其滿足基波子空間矢量疊加，諧波子空間矢量和為零的原則，合成得到基波子空間下12個幅值相同、相鄰矢量相位差為30°的虛擬電壓矢量。該基波子空間虛擬電壓矢量的幅值|vvαβ|滿足如下表達式：

27、

28、式中，tl和tm分別為基波子空間最外層和次外層的電壓矢量在一個控制周期中作用時間，ts為控制周期；udc為直流母線電壓；vvxy為所述簡化電壓矢量在諧波子空間的矢量和。

29、s6.將諧波子空間中每個同一方向上的最外層和次外層簡化電壓矢量進行組合，在一個控制周期中分別分配固定的作用時間，使其滿足諧波子空間矢量疊加，基波子空間矢量和為零的原則，合成得到諧波子空間下12個幅值相同、相鄰矢量相位差為30°的虛擬電壓矢量。該諧波子空間虛擬電壓矢量的幅值|vv’xy|滿足如下表達式：

30、

31、式中，t’l和t’m分別為諧波子空間最外層和次外層的電壓矢量在一個控制周期中作用時間，ts為控制周期；udc為直流母線電壓；vv’αβ為所述簡化電壓矢量在基波子空間的矢量和。

32、s7.由步驟s5得到的基波子空間虛擬電壓矢量和步驟s6得到的諧波子空間虛擬電壓矢量構成所述的零共模電壓矢量控制集。

33、本發(fā)明控制結構中，所述模型預測電流控制器含有：一個一步預測模塊、一個模型預測模塊、一個遍歷尋優(yōu)模塊和一個作用時間計算模塊。所述模型預測電流控制器的輸入為經vsd坐標變換得到的基波子空間直交軸電流id(k)和iq(k)、直軸電流參考給定量id*以及轉速控制器輸出的交軸電流參考給定量iq*。

34、上述在模型預測電流控制器中，所述一步預測模塊輸入為k時刻的d、q軸電流id(k)、iq(k)和d、q軸電壓ud(k)、uq(k)，通過預測模型輸出得到k+1時刻的d、q軸電流id(k+1)和iq(k+1)，具體表達式為：

35、

36、所述模型預測模塊的輸入為上述k+1時刻的d、q軸電流id(k+1)和iq(k+1)，通過在所述零共模電壓矢量控制集中枚舉所述虛擬電壓矢量ud(k+1)、uq(k+1)，得到不同電壓矢量作用下的預測電流id(k+2)和iq(k+2)，具體表達式為：

37、

38、所述遍歷尋優(yōu)模塊的輸入為上述預測模型輸出的k+2時刻的d、q軸電流預測值id(k+2)和iq(k+2)，以及直軸電流參考給定量id*和轉速控制器輸出的交軸電流參考給定量iq*，通過多輸入單輸出的方差價值函數遍歷尋優(yōu)得到使代價函數最小的最優(yōu)零共模電壓矢量，上述價值函數的表達式為：

39、

40、所述作用時間計算模塊的輸入是使代價函數最小的最優(yōu)零共模電壓矢量，根據無差拍控制的原則，得到最優(yōu)虛擬電壓矢量的作用時間topt，上述最優(yōu)虛擬電壓矢量的作用時間計算的表達式為：

41、

42、其中，sd、sq為最優(yōu)虛擬電壓矢量作用時id、iq的斜率；sd0、sq0為零矢量作用時id、iq的斜率。

43、本發(fā)明控制結構中，所述解耦多環(huán)控制器含有：一個vsd坐標變換，一個諧波子空間旋轉變換、一個零序子空間旋轉變換、八個減法器、八個電流調節(jié)器(acr)、一個諧波子空間旋轉反變換、一個零序子空間旋轉反變換、一個諧波子空間矢量調制模塊和一個零序子空間矢量調制模塊。所述解耦多環(huán)控制器的輸入為六相電流ia、ib、ic、id、ie和if、諧波子空間各次諧波電流的參考給定值id5*、id7*、iq5*和iq7*以及零序子空間各次諧波電流的參考給定值id3*、id9*、iq3*和iq9*。

44、所述vsd坐標變換的輸入為六相定子電流ia、ib、ic、id、ie、if，輸出為基波子空間的id和iq，諧波子空間的ix和iy，以及零序子空間的io1和io2。所述vsd坐標變換將上述六相定子電流映射到上述基波子空間、諧波子空間、零序子空間，滿足如下表達式：

45、

46、所述諧波子空間旋轉變換的輸入為ix和iy，分別通過ej-5θ和ej7θ的旋轉變換，得到5次旋轉坐標系下的直交軸電流id5、iq5和7次旋轉坐標系下的直交軸電流id7和iq7。所述諧波子空間旋轉變換滿足如下表達式：

47、

48、所述零序子空間旋轉變換的輸入為io1和io2，分別通過ej-3θ和ej9θ的旋轉變換，得到3次旋轉坐標系下的直交軸電流id3、iq3和9次旋轉坐標系下的直交軸電流id9、iq9。所述零序子空間旋轉變換滿足如下表達式：

49、

50、所述八個減法器分別實現(xiàn)諧波子空間和零序子空間的各次諧波直交軸電流的參考給定值與反饋值的相減運算，得到相應的誤差信號。上述誤差信號經所述電流調節(jié)器(acr)，分別得到上述5次旋轉坐標系下的直交軸控制電壓ud5、uq5，上述7次旋轉坐標系下的直交軸控制電壓ud7、uq7，上述3次旋轉坐標系下的直交軸控制電壓ud3、uq3和上述9次旋轉坐標系下的直交軸控制電壓ud9、uq9。

51、所述諧波子空間旋轉反變換的輸入為直流控制電壓ud5、uq5、ud7、uq7，通過諧波子空間旋轉反變換ej5θ、ej-7θ，得到諧波子空間參考電壓矢量在x軸、y軸的分量ux、uy。所述諧波子空間旋轉反變換滿足如下表達式：

52、

53、所述零序子空間旋轉反變換的輸入為直流控制電壓ud3、ud9、uq3和uq9，通過零序子空間旋轉反變換ej3θ、ej-9θ，得到零序子空間參考電壓矢量在o1、o2軸的分量uo1、uo2。所述零序子空間旋轉反變換滿足如下表達式：

54、

55、所述諧波子空間矢量調制模塊的輸入為諧波子空間參考電壓矢量在x軸和y軸分量ux、uy，通過在權利要求4所述零共模電壓矢量控制集的諧波子空間中，選取與諧波子空間參考電壓矢量相近的2個相鄰虛擬電壓矢量v1、v2，并根據如下表達式計算兩相鄰虛擬電壓矢量v1、v2的作用時間t1和t2：

56、

57、其中，v1x、v1y分別為v1在x、y軸上分量，v2x、v2y分別為v2在x、y軸上分量，ts為控制周期。

58、所述零序子空間矢量調制模塊含有一個簡化零電壓矢量控制集，該簡化零電壓矢量控制集由零序子空間中的4個大零矢量(v77-v00、v07-v70、v00-v77、v70-v07)構成，如圖5所示。所述零序子空間矢量調制模塊的輸入為零序子空間參考電壓矢量在o1、o2軸的分量uo1、uo2，通過在上述簡化零電壓矢量控制集的4個大零矢量中，選取零序子空間參考電壓矢量相近的2個相鄰矢量v3、v4，并根據如下表達式計算兩相鄰大零矢量的作用時間t3和t4：

59、

60、其中，v3o1、v3o2分別為v3在o1、o2軸上分量，v4o1、v4o2分別為v4在o1、o2軸上分量，ts為控制周期。

61、本發(fā)明控制結構中，所述的開關序列重組模塊通過以下步驟獲得中心對稱化的開關序列：

62、s1.輸入三個子空間所選電壓矢量的作用時間topt、t1和t2以及t3和t4。

63、s2.將基波子空間和諧波子空間電壓矢量作用時間按如下約束條件確定，使各子空間所選電壓矢量的作用時間重組在一個控制周期ts內：

64、

65、s3.根據脈寬調制等效輸出的原理，輸出為中心對稱化的開關序列。

66、本發(fā)明技術方案，具有如下優(yōu)勢：

67、1.本發(fā)明適用于雙三相開繞組電機控制系統(tǒng)，電機系統(tǒng)的控制自由度多，具有控制靈活、高容錯性等特點，采用開繞組拓撲結構，進一步提高系統(tǒng)可靠性，更加利于故障隔離。

68、2.本發(fā)明構建了零共模電壓矢量控制集，可實現(xiàn)雙三相開繞組電機的零共模電壓驅動，避免了矢量調制時在零序子空間產生的電壓諧波。

69、3.所設計的零共模電壓矢量控制集簡化了基波子空間電壓矢量，大幅減少了預測控制的枚舉次數，有效提高了模型預測控制算法的執(zhí)行效率。

70、4.所設計的零共模電壓矢量控制集通過占空比合成基波子空間的虛擬電壓矢量，依據諧波子空間矢量和為零的原則，避免了基波子空間調制在諧波子空間產生的電壓諧波。

71、5.所設計的零共模電壓矢量控制集通過占空比合成諧波子空間的虛擬電壓矢量，并依據基波子空間矢量和為零的原則，避免了諧波子空間調制在對基波子空間的影響。

72、6.構建了簡化零電壓矢量控制集，該控制集僅由零矢量構成，直接避免了零序子空間調制過程中對基波子空間和諧波子空間的影響。

73、7.本發(fā)明針對基波子空間采用占空比調制的有限集模型預測電流控制，有效提高了基波子空間電流環(huán)的動態(tài)特性。通過在dq坐標系下對d、q軸電流進行解耦控制，并計算電壓矢量的作用時間實現(xiàn)占空比調制，在高動態(tài)響應的同時兼顧了基波子空間電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)特性。

74、8.本發(fā)明提出的解耦多環(huán)控制器，通過對諧波子空間的5、7次諧波電流和零序子空間的3、9次諧波電流進行閉環(huán)反饋控制，實現(xiàn)了對各次諧波電流零輸入的無差調節(jié)，有效抑制了因電機反電勢空間諧波導致的3、5、7、9次諧波電流，改善了雙三相開繞組電機相電流的thd，提高了電機的運行效率。

75、9.所設計的解耦多環(huán)控制器采用空間矢量調制技術，利用無差拍的原則計算各子空間電壓矢量的作用時間，實現(xiàn)了對各次諧波電壓的無差調制，提高了雙三相開繞組電機各次諧波電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)性能。

76、10.本發(fā)明通過重組開關序列，將開關序列中心對稱化，有利于降低開關器件的開關頻率，減少開關損耗，有效提升系統(tǒng)效率。