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开放式绕组三相PMSM控制仿真研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.79M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 开放式绕组三相 PMSM 控制仿真研究 郑萍，杨康，刘勇* （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150080） 5 摘要：开绕组电机将中性点打开，每相绕组两端分别引出，由两个逆变器供电。开绕组电机 系统具有功率输出能力强、能产生多电平调制效果、容错能力强的特点。本文对抑制开放式 绕组三相永磁同步电机共母线双逆变器系统中共模电压的问题进行研究，采用不产生共模电 压差的 SVPWM 方法来抑制电机零序电流的大小。同时，对开放式绕组三相永磁同步电机 双逆变器系统的容错控制进行研究，分析了发生某一桥臂单个开关器件故障后的空间矢量分 布情况，利用剩余电压矢量进行 SVPWM 调制 关键词：开放式绕组；共母线；共模电压；空间矢量调制 中图分类号：TM351 10 15 Research on Open-Winding Three Phase PMSM Drive System ZHENG Ping, YANG Kang, LIU Yong 20 25 (School of electrical engineering and Automation，HIT Harbin 150080 China) Abstract: In this pape, the open-winding three phase permanent magnet synchronous motor drive system is researched. A new SVPWM control strategy which can eliminate the common-mode voltage between two inverters is proposed. Based on vector decomposition criteria, in a modulation period, the synthetic vector generated by the dual-inverter is composed of two synthetic vector generated by seperated inverters. Common-mode voltage can be eliminated through choosing specific voltage vectors which have switch state redudancy. The seperated synthetic vectors lead the synthetic vector of dual-inverter specific angle. With no additional devices, the open-winding PMSM motor drive system single switch fault-tolerant operation is achieved, and simulation verify the fault-tolerant control strategy is effective. Key words: open-winding ; SVPWM; common-mode voltage; fault-tolerant 30 0 引言 电动汽车、风力发电等新能源领域的迅速崛起，对电机及其控制系统也提出了更高的要 求。在新能源汽车领域，电池电压等级受到限制，如何提高电机系统输出功率能力是电动汽 车需要解决的问题；同时，车用电机系统需要具备一定的容错能力，在电机系统出现故障时 能够使车辆系统继续运行，保障乘车人安全。近年来，在电动汽车和风力发电领域，开放式 35 绕组电机系统引起一些美国、印度和韩国等国学者的关注。开放式绕组电机结构最早于 1989 年由日本学者 Isao Takahashi 提出[1]。相比于传统三相星接电机，开绕组电机将中性点打开， 每相绕组两端分别引出。开绕组电机系统具有功率输出能力强、能产生多电平调制效果、容 错能力强的特点。因此，在电动汽车和风力发电等功率输出和安全性要求较高的场合，开绕 组电机系统具有很好的应用前景。 40 1 系统结构与数学模型 1.1 逆变器拓扑结构 开放式电机通常由两个两电平逆变器供电，也有学者在开放式绕组异步电机的控制系统 作者简介：郑萍(1969-),女,教授,研究方向为电机及驱动控制技术. E-mail: zhengping@hit.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 中采用双三电平或者更高电平逆变器供电的结构[2-3]。双逆变器的拓扑结构形式主要有共母 线和独立母线两种。共母线拓扑结构与独立母线结构相比，节省了一套电源，但双逆变器输 45 出端存在共模电压，引起电机系统轴电流、占用逆变器容量等问题。本文主要针对共母线两 电平逆变器供电结构，其结构如图 1 所示.从 SVPWM 调制的角度研究如何消除逆变器端共 模电压。同时也对该结构系统容错控制方法进行研究。 50 图 1 共母线双逆变器拓扑结构 Fig. 1 Dual-inverter fed by single power supply 1.2 开放式绕组 PMSM 数学模型 开放式绕组三相 PMSM 电机绕组两端引出分别接到两侧逆变器，其供电形式与传统三 相永磁同步电机不同。开放式绕组永磁同步电机三相绕组电压方程为： (1) 55 磁链方程为： 通过坐标变换可以得到在 坐标系下的电压方程和磁链方程为： 60 转矩方程为： (2) (3) (4) (5) 为三相静止坐标系下电压、电流和磁链的值。 为在 坐标系下的分量。 为定子电阻， 为转子电角速度， 为永磁体基波产生的磁 65 链。 - 2 - dcU21T22T23T24T25T26T11T13T12T14T15T16T11D13D15D12D14D16D21D22D23D24D25D26Do1INV2INV1a2a1b2b1c2c121212aaaabbbbccccuuiuuRipuuicoscos120cos120aaaaabacbbabbbcbmcabccccciLLLLLLiLLLi0dq12120dddddqdqqqqqmuuuiRpLLLRpLuuui000dddmqqqiLLi3()2emqdqdqTpILLIIk()kkuikabc，，，，mmmmuidq，，（，）0dqRm
    中国科技论文在线 2 双逆变器空间矢量调制 2.1 双逆变器空间矢量分布 http://www.paper.edu.cn 双逆变器系统共可产生 64 种开关状态，输出 19 个电压矢量，其中包括 18 个非零电压 矢量和 1 个零电压矢量，电压矢量分布如图 2 所示。可见，双逆变器拓扑结构输出的电压矢 70 量分布与传统三电平逆变器电压矢量分布一致，因此双逆变器拓扑结构可认为是一种多电平 逆变器结构。双逆变器输出的电压矢量由两个逆变器输出电压矢量叠加而成： 其中， ， 为双逆变器合成电压矢量。 (6) 75 图 2 空间电压矢量分布 Fig. 2 Distribution of space voltage vetor 各桥臂的开关状态用 (k=a1,a2,b1,b2,c1,c2)表示，其中： 这样一共可产生 种开关状态，每个开关状态对应一个合成的开关矢量。 为零矢量， 80 其他开关矢量均为非零电压矢量。各个开关状态与电压矢量的对应关系如表 1 所示。 表 1 开关状态表 Table1. Switch State Table 状态 矢量 电压矢量幅值 开关组合 1 2 3 4 5 OA OB OC OD OE (100111)(100000)(111011) (000011)(110010)(101001) (110111)(110000)(100101) (010011)(111001)(000001) (010111)(010000)(110100) (011001)(000101)(111101) (011000)(011111)(010110) (001101)(000100)(111100) (001000)(001111)(011010) (101100)(000110)(111110) - 3 - 2/34/312121223jjrefaabbccVVVeVe12refrefrefVVVrefV(5-36-2)Q，，，(52)P，(63)R，OBC(1-52-4)H，，，(3-52-6)J，，，(3-14-6)L，，，(5-14-2)N，，，(1-36-4)S，，，(2-5)I，17，27，38，47，57，67，18，74，84，23，65，(14)G，ADFE28，16，34，75，85，37，21，45，76，86，(3-6)K，(41)M，48，56，32，71，81，58，43，61，72，82，68，54，12，73，83，1122，，3344，，7788，，5566，，78，87，kS0()1()kS上桥臂关闭，下桥臂导通上桥臂导通，下桥臂关闭62640Udc2/3Udc2/3Udc2/3Udc2/3Udc2/3U
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 OF OG OH OI OJ OK OL OM ON OP OQ OR OS 19 O 0 (101000)(101111)(100110) (001011)(000010)(111010) (100011) (100001)(110011) (110001) (110101)(010001) (010100) (010100)(011101) (011100) (001100)(011110) (001110) (101110)(001010) (101010) (100010)(101011) (100100)(110110)(010010) (011011)(001001)(101101) (111111)(000000)(111000) (000111) 85 定义零序电压 为两逆变器输出共模电压差，即： 双逆变器输出的共模电压差如表 2 所示： 表 2 共模电压差值 Table2. Common mode voltage (7) 8-7， 8-4， 8-6， 8-2， 5-7， 3-7， 1-7， 8-5， 8-3， 5-4， 3-4， 8-1， 5-6， 5-2， 3-6， 3-2， 4-7， 1-4， 1-6， 1-2， 6-7， 2-7， 0 5-5，,5-3， 3-5，,3-3， 4-4，,5-1， 3-1，,4-6， 4-2，,1-5， 1-3，,6-4， 2-4，,1-1， 6-6，,6-2， 2-6，,2-2， 7-7，,8-8， 5-8， 3-8， 4-5， 4-3， 4-1， 1-8， 6-5， 6-3， 2-5， 2-3， 7-4， 6-1， 2-1， 7-6， 7-2， 4-8， 6-8， 2-8， 7-5， 7-3， 7-1， 7-8， 可以看出不同的电压矢量组合会产生不同的共模电压差值，一共有 ， ， 90 和 0 七种状态。选择产生共模电压差为零的电压矢量组合，可使双逆变器输出共模 电压差为零，减小零序电流的大小。 - 4 - dc2/3Udc4/3Udc23/3Udc4/3Udc23/3Udc4/3Udc23/3Udc4/3Udc23/3Udc4/3Udc23/3Udc4/3Udc23/3UoUa1112o221=--3oobocoabocoUUUUUUU（）dcV2/3dcV/3dcV/3dcV2/3dcVdcVdcV2/3dcV/3dcV
    中国科技论文在线 2.2 双逆变器 SVPWM 原理 http://www.paper.edu.cn 在所有的电压矢量组合中，存在 12 种非零电压矢量开关组合 6 种零电压矢量开关组合， 其产生的共模电压差值等于零。这十二种开关组合可以产生矢量 ， ， ， ， ， 95 六种非零电压空间矢量，围成六边形 区域（图 3 a 虚线部分）。以开关组合（1， 5，）合成电压矢量 为例，逆变器 1 输出共模电压值为： 逆变器 2 输出共模电压值为： 100 (8) (9) (10) 虽然各自逆变器产生的共模电压值不为零，但对于双逆变器系统整体来说，其共模电压 差值为零，零序电压的消除会减弱零序电流的大小，减小对逆变器容量的占用，降低相电流 大小。 在六边形 电压矢量空间中进行 SVPWM 调制，虽然使得系统产生的共模电压 105 差为零，但其可以输出的最大电压矢量幅值减小为 ，与在六边形 中进行调制相 比，母线电压利用率会减少 15%。 端点位于六边形 的电压空间矢量其开关状态存在冗余，可选择不同的开关组合 进行调制。将开关状态分为两种组合方式： （1） 2-4，， 3-5，， 4-6，， 5-1，， 6-2，， 1-3， （2） 1-5，， 2-6，， 3-1，， 4-2，， 5-3，， 6-4， 110 以选择组合（1）进行调制为例。当参考电压矢量 位于电压矢量 （1-3，）和 （2-4，）之间时，可以看出在一个 PWM 周期内，电压矢量 由逆变器 1 输出电压矢量 （+--）和逆变器 2 输出电压矢量 （-+-）合成；电压矢量 由逆变器 1 输出电压矢量 （++-）和逆变器 2 输出电压矢量 （-++）。从单个逆变器角度来看，对于逆变器 1，电 115 压矢量 1（+--）和 2（++-）在 扇区合成矢量 ，对于逆变器 2，电压矢量 3，（-+-） 和 4，（-++）在第 扇区合成矢量 。 a 双逆变器电压矢量分布 - 5 - OHOJOLONOQOSHJLNQSOHdc110033OdcVUV2dc10033dcOVUV120OOOUUUHJLNQSdcVGIKMPRHJLNQSrefVOSOHOSOA，OC，OHOBOD，OAB1refVOAB，，2refVO(1-52-4)H，，，(3-52-6)J，，，(3-14-6)L，，，(5-14-2)N，，，(5-36-2)Q，，，(1-36-4)S，，，IMPRG123456refVK
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 120 b 逆变器 1 输出电压矢量 c 逆变器 2 输出电压矢量 图 3 逆变器输出电压矢量分布 Fig. 3 Space voltage vector generated by inverters 因此，对于综合矢量 可以将其分解到两个逆变器各自的电压矢量空间。这样就需要 确定 与 和 间的大小和相位关系。从图 3 可以看出， 由电压矢量 和 合 125 成。以电压矢量 为例，它由逆变器 1 输出矢量 1（+--）和逆变器 2 输出矢量 3，（-+-） 共同作用而成。以 轴为起始位置，电压矢量 相位滞后逆变器 1 输出矢量 1（+--） ， 逆变器 2 输出电压 3，（-+-）超前电压矢量 。电压矢量 幅值为 1（+--）和 3，（-+-） 的 倍。对于电压矢量 也符合此规律。因此，可以将综合电压矢量 分解为两个幅值 为 、相位相差 的电压矢量 和 ，再由两个逆变器分别合成。 130 与 和 间的关系可表示为： (11) 2.3 开放式绕组三相 PMSM 矢量控制仿真 对开放式绕组三相 PMSM 矢量控制进行仿真，采用抑制共模电压差的 SVPWM 方法。 电机给定转速 ，母线电压 ，负载转矩 。电机 ， 135 ， ， 。系统矢量控制的仿真框图如图 4.1 所 示。图 5a、5b 为电压和电流波形。图 6 和图 7 为采用消除共模电压差 SVPWM 方法和没有 采用消除共模电压方法时共模电压的波形。可以看出，采用消除共模电压差的 SVPWM 方 法后，共模电压幅值由 减小为 左右，可以有效减小双逆变器输出共模电压的大小。 140 图 4 矢量控制仿真框图 - 6 - refVrefV1refV2refVrefVOSOHOSOS30OS120OS3OHrefV3/3refV1201refV2refVrefV1refV2refV12612632131313refrefrefjrefrefjrefrefVVVVVeVVe1000rpm150dcVV2.mN0.35R0.001604dLmH0.008358qLmH0.14mWb5V0V
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Fig. 4 Diagram of vector control system simulation 145 a voltage waveform b current waveform 图 5 三相电压、电流波形 Fig. 5 Three phase voltage and current waveform 图 6 采用消除共模电压 SVPWM 方法共模电压波形 Fig. 6 Common-mode voltage generated by dual-inverter using CMV eliminated SVPWM strategy 150 图 7 未采用消除共模电压 SVPWM 方法共模电压波形 Fig. 7 Common-mode voltage generated by dual-inverter using common SVPWM strategy 3 开放式绕组三相 PMSM 双逆变器容错控制方法 3.1 双逆变器故障分析 155 对于逆变器的容错拓扑结构，主要采用冗余和拓扑重构的形式。目前被广泛研究的有双 绕组冗余拓扑、逆变器桥臂冗余、开关冗余、三相四桥臂冗余、四开关两相冗余和 H 桥等 拓扑机构[4-6]。本文主要对单电源供电的双逆变器系统的容错方法进行研究。双逆变器拓扑 结构输出电压矢量多，灵活选择电压空间矢量可以实现故障时一定的电压输出能力。在不需 要额外的硬件措施下，可实现电机驱动系统的容错运行。 160 对于双逆变器输出的电压空间矢量，除了矢量 ， ， ， ， 和 外， 其余电压空间矢量均含有冗余的开关状态，如图 8 所示。 - 7 - 00.050.10.150.20.25-80-60-40-2002040608000.050.10.150.20.25-30-20-100102030405000.050.10.150.20.250.30.35-0.500.511.522.533.5x 10-600.050.10.150.20.250.30.35-20-15-10-5051015OGOIOKOMOPOR
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 8 开关状态冗余 Fig. 8 Switch state redundancy 165 当某一个开关器件出现故障时，在将其隔离后，双逆变器系统输出的电压空间矢量分布 会产生变化。双逆变器系统中只有一个开关管发生故障时，以 发生故障为例，故障后双 逆变器输出的电压矢量分布如图 9 所示。红色圆点标记的电压矢量为 故障后双逆变器不 能输出的电压空间矢量。 170 图 9 A 相 故障后电压矢量分布 Fig. 9 Space vector after A phase fault 可以看出当 A 相桥臂上管 发生故障后，电压空间矢量 ， ， ， 和 将 不能够输出。通过分析还可以得到，当 发生故障后，会得到同样的电压空间矢量分布情 况。 175 而如果 或者 发生故障时，蓝色圆点标记的电压空间矢量将无法输出。综合上面两 种情况，当与 A 相绕组连接的两个桥臂中发生单管故障时，剩余可利用的电压矢量空间为 围成的菱形区域。 当与 B 相连接的两个桥臂中发生单管故障时，双逆变器可以输出的电压空间矢量如图 10 所示。当 或者 发生故障时，蓝色圆点标记的电压空间矢量无效；当 或者 发生 180 故障时，红色圆点标记处的电压空间矢量无效。可利用的电压矢量空间为 围成 的菱形区域。同理，可以看出与 C 相相关的某一开关管故障后，可利用的电压矢量空间为 菱形区域。 - 8 - (5-36-2)Q，，，(52)P，(63)R，OBC(1-52-4)H，，，(3-52-6)J，，，(3-14-6)L，，，(5-14-2)N，，，(1-36-4)S，，，(2-5)I，17，27，38，47，57，67，18，74，84，23，65，(14)G，ADFE28，16，34，75，85，37，21，45，76，86，(3-6)K，(41)M，48，56，32，71，81，58，43，61，72，82，68，54，12，73，83，1122，，3344，，7788，，5566，，78，87，11T11TBAFEDCOJQ11T11TOIOHOGOSOR22T12T21TABJCDEQF13T24T14T23TAHBCDNEFABCLDEFS
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