一種電機驅動器拓撲及控制算法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電機驅動器拓撲及控制算法，所述電機驅動器拓撲包括3n相電機、驅動器和控制器，所述n≥1且n為正整數(shù)，所述3n相電機通過驅動器連接電源，所述控制器通過驅動器控制3n相電機的工作狀態(tài)，所述驅動器采用橋式結構，所述橋式結構為n個三相橋式逆變電路，當n﹥1時，所述n個三相橋式逆變電路上、下串聯(lián)連接，所述3n相電機為n套三相繞組結構；所述控制算法為通過三相電機的空間矢量脈寬調制(SVPWM)算法控制3n相電機的工作狀態(tài)。本發(fā)明的效果是能夠驅動多相電機、結構簡單、控制算法簡便、系統(tǒng)可靠性高。
【專利說明】
一種電機驅動器拓撲及控制算法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電機驅動與控制領域，具體涉及一種電機驅動器拓撲及控制算法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)電機驅動拓撲為單級橋式結構，這種拓撲特點是電機每相繞組各自獨立，互 不影響，冗余性得到有效體現(xiàn)，且可靠性高，適用于低壓大功率應用場合。但是這種拓撲結 構中每個功率開關管承受全部直流母線電壓，對器件本身性能要求較高，增加了系統(tǒng)的硬 件成本，功率器件的價格隨著電壓的升高呈指數(shù)形增長，這無疑給用戶帶來沉重的經濟負 擔。
[0003] 空間矢量脈寬調制技術源于三相電機調速控制系統(tǒng)，并被廣泛應用于各類脈寬調 制逆變電源中。該算法具有母線電壓利用率高，開關器件損耗小等優(yōu)點。
[0004] 在現(xiàn)有的技術中采用電壓空間矢量控制方法基本電壓矢量數(shù)目繁多，造成計算過 程繁瑣，增加控制難度。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、計算簡便、系統(tǒng)可靠性高的控制策略，尤其適 合大電流應用場合。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是：
[0007] -種電機驅動器拓撲，包括3η相電機、驅動器和控制器，所述η多1且η為正整數(shù)，所 述3η相電機通過驅動器連接市電，所述控制器通過驅動器控制3η相電機的工作狀態(tài)，所述 驅動器采用橋式結構，所述橋式結構為η個三相橋式逆變電路，當η>1時，所述η個三相橋式 逆變電路串聯(lián)連接，所述3η相電機為η套三相繞組結構。
[0008] 所述三相橋式逆變電路包括6個功率開關管，所述6個功率開關管組成三個橋臂， 所述每個橋臂控制電機的一相定子繞組。
[0009] 所述η套三相繞組結構的第一套空間結構分布為0°、120°、240°，第二套三相繞組 結構比第一套三相繞組結構滯后ai°，第三套三相繞組結構比第二套三相繞組結構滯后 a2°，……，第η套三相繞組結構比第(n-1)套三相繞組結構滯后an-f。
[0010] 所述ai°、a2°、......、an-1° 角度范圍大于0° 小于 120°，所述ai°、a2°、......、an-1° 在同 一電機內的度數(shù)是確定的。
[0011] 通過三相電機的空間矢量脈寬調制(SVPmO算法控制3n相電機工作狀態(tài)。
[0012] 所述控制算法包括以下步驟：
[0013] 1)確定參考電壓矢量:給定正弦信號作為參考電壓矢量。
[0014] 2)扇區(qū)判斷:分別由參考電壓矢量〇]。1，1]{!1)，〇]。 2，1]{!2)~〇^，1]&1)計算出合成電壓 矢量所在扇區(qū)。
[0015] 3)比較值計算：由合成電壓矢量所在扇區(qū)，根據(jù)公式計算出比較值Ta、Tb、T c。
[0016] 4)空間矢量脈寬調制波生成:利用載波和調制波相比較生成脈寬調制波。
[0017] 所述參考電壓矢量的具體實現(xiàn)方式為：
[0018] 給定η套正弦信號〇]。1，1]{!1)，〇]〇12，1]{!2》"〇^，1] &1)作為輸入電壓矢量，其頻率相同， Uca初始相位為0° ,1?初始相位比Ual滯后90°，Ua2，Uf!2初始相位分別比Uc^Um滯后 ai°，Ua3，Uf!3 初始相位分別比Ua2，Uf!2滯后a2°，……，^，.初始相位分別比U a(n-υ，Umn-1)滯后an-，具體 表達式如下：
[0020] 其中，co=2Jif，f為電源頻率。
[0021] 所述扇區(qū)判斷的具體實現(xiàn)方式為：
[0022] 以第一套三相繞組為例，對Ua和1?進行標么化，即對Ua和1?除以
得到新的仏
和Ue。然后設立三個判斷扇區(qū)的變量Va、Vb、V。， 后利用其計 算S值：
[0023] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0024] 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可確定扇區(qū)號。
[0026]所述比較值計算的具體實現(xiàn)方式為：
[0027]比較值Ta、Tb、Tc的計算:首先根據(jù)標么化后的Ua和Ue計算K a、Kb、Kc的值，令

[0034]所述空間矢量脈寬調制波的具體實現(xiàn)方式為:利用載波和調制波相比較來生成空 間矢量脈寬調制波，載波為^^[，所述空間矢量脈寬調制波選擇等腰三角波進行比較。 [0035]確定參考電壓矢量所在扇區(qū)，對于第二套三相繞組，U a、Uf!相位加上ai°，然后進行 扇區(qū)判斷，對于第三套三相繞組，υα、υ?!相位加上( ai°+a2°)，然后進行扇區(qū)判斷，……，對于 第η套三相繞組，Ua、Uf!相位加上
，然后進行扇區(qū)判斷。
[0036]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：可以驅動多相電機、結構簡單、控制算法簡便、 系統(tǒng)可靠性高。
【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明的電機控制系統(tǒng)框圖 [0038]圖2是三相電機空間繞組分布示意圖
[0039] 圖3是六相電機空間繞組分布示意圖
[0040] 圖4新型η級橋式驅動拓撲
[0041 ]圖5三相橋式逆變電路 [0042] 圖6上下橋式逆變電路
[0043]圖7脈寬調制(PTOO波生成原理
【具體實施方式】
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明包括3η相電機、驅動器和控制器，所述η多1且η為正整數(shù)，所述 3η相電機通過驅動器連接市電，所述控制器通過驅動器控制3η相電機的工作狀態(tài)，所述驅 動器采用橋式結構，所述橋式結構為η個三相橋式逆變電路，當η>1時，所述η個三相橋式逆 變電路串聯(lián)連接，所述3η相電機為η套三相繞組結構。
[0045] 所述控制器包括控制芯片和外圍電路，所述外圍電路包括第一直流電源、晶振、復 位電路、模數(shù)轉換模塊和寄存器模塊;所述驅動器包括反相器互鎖電路、功率開關管驅動電 路、逆變器電路、第二直流電源和第三直流電源，其中反相器互鎖電路的作用是防止同一橋 臂上下兩個功率開關管同時開通燒壞功率器件。
[0046]如圖2所示，當η = 1時，為三相電機，三相分別為A、Β、C，三相繞組空間結構為0°、 120°、240°。
[0047] 如圖3所示，當n = 2時，為六相電機，六相分別為A、B、C、D、E、F，此時有2套三相繞 組，第一套三相繞組A、B、C與圖2相同，第二套三相繞組D、E、F分別比第一套三相繞組相對應 的A、B、C相滯后ai。，第二套三相繞組D、E、F空間分布為ai°、（120+&1)°、（240+ ai)° ;
[0048] 依次類推，當n>2時，3n相電機第η套三相繞組比第(n-1)套滯后an-。
[0049] 所述ai°、a2°、......、an-1° 角度范圍大于0° 小于 120°，所述ai°、a2°、......、an-1° 在同 一電機內的度數(shù)是確定的。
[0050] 所述三相橋式逆變電路包括6個功率開關管，所述6個功率開關管組成三個橋臂， 所述每個橋臂控制電機的一相定子繞組。
[0051] 如圖4所示，η級橋式驅動拓撲包括6n個功率開關管，每級橋式結構包含6個功率開 關管，所述6個功率開關管驅動一套三相繞組，每級中上下2個功率開關管組成一個橋臂，驅 動電機的一相繞組。
[0052]如圖5所示，當n=l時，3n相電機為3相電機，所述η級橋式驅動拓撲為三相橋式逆 變電路，所述三相橋式逆變電路包括6個功率開關管，所述6功率開關管組成三個橋臂，所述 功率開關管U1和U4組成一個橋臂，所述功率開關管U2和U5組成一個橋臂，所述功率開關管 U3和U6組成一個橋臂，（U1，U4)、（U2，U5)、（U3，U6)組成三個橋臂分別控制三相電機ABC三個 繞組，電機采用星型接法。
[0053]如圖6所示，當n = 2時，3n相電機為6相電機，驅動拓撲變?yōu)樯舷聵蚴侥孀冸娐?，?時〇]1，1]4)、〇]2，1]5)、〇]3，1]6)組成上面三個橋臂控制第一套三相繞組48(：;〇]7，1]10)、（1]8， U11)、（U9，U12)組成下面三個橋臂控制第二套三相繞組DEFA相電機包含2套三相繞組，驅 動拓撲為2級橋式結構，每一級橋式結構驅動一套三相繞組，每套三相繞組均為星型接法， 接出2個中性點。
[0054]控制算法采用矢量分類技術并借鑒三相電機空間矢量脈寬調制波(SVPWM)控制方 法，使用η套空間矢量脈寬調制波(SVPWM)信號分別控制η套三相繞組，具體實現(xiàn)步驟如下： [0055] (1)確定參考電壓矢量:給定正弦信號作為參考電壓矢量。
[0056]給定η套正弦信號〇]。1，1]{!1)，〇]。2，1] {!2)~〇^，1]&1)作為輸入電壓矢量，其頻率相同， Uca初始相位為0° ,1?初始相位比Ual滯后90°，Ua2，Uf!2初始相位分別比Uc^Um滯后 ai°，Ua3，Uf!3 初始相位分別比Ua2，Uf!2滯后a2°，……，^，.初始相位分別比U a(n-υ，Umn-1)滯后an-，具體 表達式如下：
[0058] 其中，co=2Jif，f為電源頻率。
[0059] (2)扇區(qū)判斷：分別由參考電壓矢量〇]。1，1]{!1)，（1]。 2，1]{!2) - 〇^，1]{!11)計算出合成電 壓矢量所在扇區(qū)。
[0060] 以第一套三相繞組為例，對Ua和Ue進行標么化，即對Ua和Ue除以
得到新的仏
和Ue。然后設立三個判斷扇區(qū)的變量Va、Vb、V( 后利用其計 算S值：
[0061 ] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0062] 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可確定扇區(qū)號。
[0064] (3)比較值計算：由合成電壓矢量所在扇區(qū)，根據(jù)公式計算出比較值Ta、Tb、Tc。
[0065] 比較值^工的計算:首先根據(jù)標么化后的仏和哚計算^^的值力

[0072] (4)空間矢量脈寬調制波生成:利用載波和調制波相比較生成脈寬調制(PWM)波。 [0073]載波為1、1^、1'。，調制波選擇等腰三角波，生成原理如圖7所示，為降低開關損耗， 在每個脈寬調制(PWM)周期功率開關管均只開通關斷一次。
[0074]上述(2)中需要確定參考電壓矢量所在扇區(qū)，對于第二套三相繞組，Ua、Uf!相位加上 ai°然后進行扇區(qū)判斷，對于第三套三相繞組，UhUii相位加上（ai°+a2°)然后進行扇區(qū)判 斷，……，對于第η套三相繞組，Ua、Ue相位加上
[0075] 當η = 1時，3n相電機為3相電機，三相電機空間矢量脈寬調制（SVPWM)控制方法實 現(xiàn)步驟如下：
[0076] (1)給定1套正弦信號(Uca，^)作為輸入電壓矢量，其頻率相同，Uca初始相位為0°， Ufil初始相位比Ual滯后90°，具體表達式如下：
[0078] 其中，co=2Jif，f為電源頻率。
[0079] (2)扇區(qū)判斷，對Ual和1?進行標么化，即對Ual和Um除以
得到新的Ual和版。
然后設立三個判斷扇區(qū)的變量V a、V b、V ( ，后利用其計算S 值：
[0080] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0081 ] 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可確定扇區(qū)號。
[0083] (3)比較值Ta、Tb、Tc的計算:首先根據(jù)標么化后的U al和Um計算Ka、Kb、Kc的值，令
[0090] (4)利用載波和調制波相比較生成脈寬調制(PWM)波，載波為Ta、T b、T。，調制波選擇 等腰三角波，生成原理如圖7所示，為降低開關損耗，在每個脈寬調制(PWM)周期功率開關管 均只開通關斷一次。
[0091] 當n = 2時，3n相電機為6相電機，此時有2套三相繞組，故需使用2套空間矢量脈寬 調制波(SVPWM)信號控制6相電機，具體實現(xiàn)步驟如下：
[0092] (1)給定2套正弦信號(1]。1，1]{!1)，〇]〇12，1] {!2)作為輸入電壓矢量，其頻率相同，1]〇11初始 相位為0°，1^初始相位比Uca滯后90°，Ua2，Uf!2初始相位分別比υα1，υΜ滯后ai°，具體表達式如 下：
[0094] 其中，co=2Jif，f為電源頻率。[0095] (2)扇區(qū)判斷，
[0096] 1)對于第一套三相繞組，對Ual和1?進行標么化，即對Ual和Um除以
：得到新
的Ual和Um。然后設立三個判斷扇區(qū)的變量Va、Vb、V。，令 |后利 用其計算S值：
[0097] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0098] 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可確定扇區(qū)號。
[0100] 2)對于第二套三相繞組，首先將Ua2、Uf!2相位加上 ai°，然后對υα2和Uf!2進行標么化， 即對Ua2和Ite除以
得到新的Ua2和Ite。然后設立三個判斷扇區(qū)的變量Va、V b、V。，令
，后利用其計算S值：
[0101 ] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0102] 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可確定扇區(qū)號。
[0104] ⑶分別計算兩套比較值Ta、Tb、Tc:根據(jù)標么化后的Ua和1?計算K a、Kb、Kc的值，令

[0111] (4)分別生成兩套脈寬調制(PWM)波，利用載波和調制波來生成脈寬調制(PWM)波， 載波為1、1^、1'。，調制波選擇等腰三角波，生成原理如圖7所示，為降低開關損耗，在每個脈 寬調制(PWM)周期功率開關管均只開通關斷一次。
[0112] 工作過程:根據(jù)控制算法編寫控制程序，將控制程序下載到控制器中，在控制器中 生成空間矢量脈寬調制（SVPWM)信號，空間矢量脈寬調制（SVPWM)信號控制驅動器，驅動器 驅動3n相電機工作。
【主權項】
1. 一種電機驅動器拓撲，包括3η相電機、驅動器和控制器，所述η多1且η為正整數(shù)，所述 3η相電機通過驅動器連接電源，所述控制器通過驅動器控制3η相電機的工作狀態(tài)，其特征 在于:所述驅動器采用橋式結構，所述橋式結構為η個三相橋式逆變電路，當η>1時，所述η個 三相橋式逆變電路上、下串聯(lián)連接，所述3η相電機為η套三相繞組結構。2. 根據(jù)權利要求1所述的電機驅動器拓撲，其特征在于:所述三相橋式逆變電路包括6 個功率開關管，所述6個功率開關管組成三個橋臂，所述每個橋臂控制電機的一相定子繞 組。3. 根據(jù)權利要求1所述的電機驅動器拓撲，其特征在于:所述η套三相繞組結構的第一 套空間結構分布為0°、120°、240°，第二套三相繞組結構比第一套三相繞組結構滯后 ai°，第 三套三相繞組結構比第二套三相繞組結構滯后a2°，……，第η套三相繞組結構比第(n-1)套 三相繞組結構滯后ani。4. 根據(jù)權利要求3所述的電機驅動器拓撲，其特征在于:所述ai°、a2°、……角度范 圍大于0°小于120°，所述ai°、a2°、......、an-i°在同一電機內的度數(shù)是確定的。5. 根據(jù)權利要求1-4任意一項所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于:通 過三相電機的空間矢量脈寬調制算法控制3n相電機的工作狀態(tài)。 所述控制算法包括以下步驟： (1) 確定參考電壓矢量:給定正弦信號作為參考電壓矢量。 (2) 扇區(qū)判斷：分別由參考電壓矢量(Ua1 ,Um)，（Ua2，Uf!2)···(Uc^Ufin)計算出合成電壓矢 量所在扇區(qū)。 (3) 比較值計算：由合成電壓矢量所在扇區(qū)，根據(jù)公式計算出比較值Ta、Tb、Tc。 (4) 空間矢量脈寬調制波生成:利用載波和調制波相比較生成脈寬調制波。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于:所述參考電壓 矢量的具體實現(xiàn)方式為： 給定η套正弦信號〇]。1，1]{!1)，〇]〇12，1]{!2)"_〇^，1] &1)作為輸入電壓矢量，其頻率相同，1]〇11初 始相位為0° ,Um初始相位比Ual滯后90°，Ua2，Uf!2初始相位分別比UaUm滯后 ai°，Ua3，Uf!3初始 相位分別比Ua2，Uf! 2滯后a2°，……，1^，1]&1初始相位分別比1]'1)，1] {!(11-1)滯后311-1°，具體表達 式如下：其中，ω = 2Jif，f為電源頻率。7. 根據(jù)權利要求5所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于:所述扇區(qū)判斷 的具體實現(xiàn)方式為： 以第一套三相繞組為例，對Ua和Ufi進行標么化，即對Ua和Ufi險得到新的Ua和Uf!。然后設立三個判斷扇區(qū)的變量 ，后利用其計算S 值： S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+s Ign(Va) 式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果x>0，sign(x) = l;如果1〈0,81811(1)=0。然后利用3值 即可確宙扇岡號"8. 根據(jù)權利要求5所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于:所述比較值計 算的具體實現(xiàn)方式為： 比較值Ta、Tb、Tc的計算:首先根據(jù)標么化后的Ua和Ue計算K a、Kb、Kc的值，令若在第5扇β9. 根據(jù)權利要求5所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于:所述空間矢量 脈寬調制波的具體實現(xiàn)方式為:利用載波和調制波相比較來生成空間矢量脈寬調制波，載 波為1 3、1^、1'。，所述空間矢量脈寬調制波選擇等腰三角波進行比較。10. 根據(jù)權利要求7所述的一種電機驅動器拓撲的控制算法，其特征在于：確定參考電 壓矢量所在扇區(qū)，對于第二套三相繞組，Uc^U e相位加上m°，然后進行扇區(qū)判斷，對于第三套 三相繞組，Ua、Uf!相位加上(ai°+a 2°)，然后進行扇區(qū)判斷，……，對于第η套三相繞組，Ua、Uf!相 位；f悉后進行扇區(qū)判斷。
【文檔編號】H02P27/08GK106026823SQ201610451156
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】王松, 郭榮生, 李曉坤, 邢燕斌, 考永貴, 周寶森
【申請人】山東大學（威海）