一种电机驱动器拓扑及控制算法
【专利摘要】本发明提供一种电机驱动器拓扑及控制算法，所述电机驱动器拓扑包括3n相电机、驱动器和控制器，所述n≥1且n为正整数，所述3n相电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制3n相电机的工作状态，所述驱动器采用桥式结构，所述桥式结构为n个三相桥式逆变电路，当n﹥1时，所述n个三相桥式逆变电路上、下串联连接，所述3n相电机为n套三相绕组结构；所述控制算法为通过三相电机的空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法控制3n相电机的工作状态。本发明的效果是能够驱动多相电机、结构简单、控制算法简便、系统可靠性高。
【专利说明】
一种电机驱动器拓扑及控制算法
技术领域
[0001] 本发明属于电机驱动与控制领域，具体涉及一种电机驱动器拓扑及控制算法。
【背景技术】
[0002] 传统电机驱动拓扑为单级桥式结构，这种拓扑特点是电机每相绕组各自独立，互 不影响，冗余性得到有效体现，且可靠性高，适用于低压大功率应用场合。但是这种拓扑结 构中每个功率开关管承受全部直流母线电压，对器件本身性能要求较高，增加了系统的硬 件成本，功率器件的价格随着电压的升高呈指数形增长，这无疑给用户带来沉重的经济负 担。
[0003] 空间矢量脉宽调制技术源于三相电机调速控制系统，并被广泛应用于各类脉宽调 制逆变电源中。该算法具有母线电压利用率高，开关器件损耗小等优点。
[0004] 在现有的技术中采用电压空间矢量控制方法基本电压矢量数目繁多，造成计算过 程繁琐，增加控制难度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种结构简单、计算简便、系统可靠性高的控制策略，尤其适 合大电流应用场合。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种电机驱动器拓扑，包括3η相电机、驱动器和控制器，所述η多1且η为正整数，所 述3η相电机通过驱动器连接市电，所述控制器通过驱动器控制3η相电机的工作状态，所述 驱动器采用桥式结构，所述桥式结构为η个三相桥式逆变电路，当η>1时，所述η个三相桥式 逆变电路串联连接，所述3η相电机为η套三相绕组结构。
[0008] 所述三相桥式逆变电路包括6个功率开关管，所述6个功率开关管组成三个桥臂， 所述每个桥臂控制电机的一相定子绕组。
[0009] 所述η套三相绕组结构的第一套空间结构分布为0°、120°、240°，第二套三相绕组 结构比第一套三相绕组结构滞后ai°，第三套三相绕组结构比第二套三相绕组结构滞后 a2°，……，第η套三相绕组结构比第(n-1)套三相绕组结构滞后an-f。
[0010] 所述ai°、a2°、......、an-1° 角度范围大于0° 小于 120°，所述ai°、a2°、......、an-1° 在同 一电机内的度数是确定的。
[0011] 通过三相电机的空间矢量脉宽调制(SVPmO算法控制3n相电机工作状态。
[0012] 所述控制算法包括以下步骤：
[0013] 1)确定参考电压矢量:给定正弦信号作为参考电压矢量。
[0014] 2)扇区判断:分别由参考电压矢量〇]。1，1]{!1)，〇]。 2，1]{!2)~〇^，1]&1)计算出合成电压 矢量所在扇区。
[0015] 3)比较值计算：由合成电压矢量所在扇区，根据公式计算出比较值Ta、Tb、T c。
[0016] 4)空间矢量脉宽调制波生成:利用载波和调制波相比较生成脉宽调制波。
[0017] 所述参考电压矢量的具体实现方式为：
[0018] 给定η套正弦信号〇]。1，1]{!1)，〇]〇12，1]{!2》"〇^，1] &1)作为输入电压矢量，其频率相同， Uca初始相位为0° ,1?初始相位比Ual滞后90°，Ua2，Uf!2初始相位分别比Uc^Um滞后 ai°，Ua3，Uf!3 初始相位分别比Ua2，Uf!2滞后a2°，……，^，.初始相位分别比U a(n-υ，Umn-1)滞后an-，具体 表达式如下：
[0020] 其中，co=2Jif，f为电源频率。
[0021] 所述扇区判断的具体实现方式为：
[0022] 以第一套三相绕组为例，对Ua和1?进行标么化，即对Ua和1?除以
得到新的仏
和Ue。然后设立三个判断扇区的变量Va、Vb、V。， 后利用其计 算S值：
[0023] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0024] 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可确定扇区号。
[0026]所述比较值计算的具体实现方式为：
[0027]比较值Ta、Tb、Tc的计算:首先根据标么化后的Ua和Ue计算K a、Kb、Kc的值，令
[0034]所述空间矢量脉宽调制波的具体实现方式为:利用载波和调制波相比较来生成空 间矢量脉宽调制波，载波为^^[，所述空间矢量脉宽调制波选择等腰三角波进行比较。 [0035]确定参考电压矢量所在扇区，对于第二套三相绕组，U a、Uf!相位加上ai°，然后进行 扇区判断，对于第三套三相绕组，υα、υ?!相位加上( ai°+a2°)，然后进行扇区判断，……，对于 第η套三相绕组，Ua、Uf!相位加上
，然后进行扇区判断。
[0036]本发明具有的优点和积极效果是：可以驱动多相电机、结构简单、控制算法简便、 系统可靠性高。
【附图说明】
[0037]图1是本发明的电机控制系统框图 [0038]图2是三相电机空间绕组分布示意图
[0039] 图3是六相电机空间绕组分布示意图
[0040] 图4新型η级桥式驱动拓扑
[0041 ]图5三相桥式逆变电路 [0042] 图6上下桥式逆变电路
[0043]图7脉宽调制(PTOO波生成原理
【具体实施方式】
[0044] 如图1所示，本发明包括3η相电机、驱动器和控制器，所述η多1且η为正整数，所述 3η相电机通过驱动器连接市电，所述控制器通过驱动器控制3η相电机的工作状态，所述驱 动器采用桥式结构，所述桥式结构为η个三相桥式逆变电路，当η>1时，所述η个三相桥式逆 变电路串联连接，所述3η相电机为η套三相绕组结构。
[0045] 所述控制器包括控制芯片和外围电路，所述外围电路包括第一直流电源、晶振、复 位电路、模数转换模块和寄存器模块;所述驱动器包括反相器互锁电路、功率开关管驱动电 路、逆变器电路、第二直流电源和第三直流电源，其中反相器互锁电路的作用是防止同一桥 臂上下两个功率开关管同时开通烧坏功率器件。
[0046]如图2所示，当η = 1时，为三相电机，三相分别为A、Β、C，三相绕组空间结构为0°、 120°、240°。
[0047] 如图3所示，当n = 2时，为六相电机，六相分别为A、B、C、D、E、F，此时有2套三相绕 组，第一套三相绕组A、B、C与图2相同，第二套三相绕组D、E、F分别比第一套三相绕组相对应 的A、B、C相滞后ai。，第二套三相绕组D、E、F空间分布为ai°、（120+&1)°、（240+ ai)° ;
[0048] 依次类推，当n>2时，3n相电机第η套三相绕组比第(n-1)套滞后an-。
[0049] 所述ai°、a2°、......、an-1° 角度范围大于0° 小于 120°，所述ai°、a2°、......、an-1° 在同 一电机内的度数是确定的。
[0050] 所述三相桥式逆变电路包括6个功率开关管，所述6个功率开关管组成三个桥臂， 所述每个桥臂控制电机的一相定子绕组。
[0051] 如图4所示，η级桥式驱动拓扑包括6n个功率开关管，每级桥式结构包含6个功率开 关管，所述6个功率开关管驱动一套三相绕组，每级中上下2个功率开关管组成一个桥臂，驱 动电机的一相绕组。
[0052]如图5所示，当n=l时，3n相电机为3相电机，所述η级桥式驱动拓扑为三相桥式逆 变电路，所述三相桥式逆变电路包括6个功率开关管，所述6功率开关管组成三个桥臂，所述 功率开关管U1和U4组成一个桥臂，所述功率开关管U2和U5组成一个桥臂，所述功率开关管 U3和U6组成一个桥臂，（U1，U4)、（U2，U5)、（U3，U6)组成三个桥臂分别控制三相电机ABC三个 绕组，电机采用星型接法。
[0053]如图6所示，当n = 2时，3n相电机为6相电机，驱动拓扑变为上下桥式逆变电路，此 时〇]1，1]4)、〇]2，1]5)、〇]3，1]6)组成上面三个桥臂控制第一套三相绕组48(：;〇]7，1]10)、（1]8， U11)、（U9，U12)组成下面三个桥臂控制第二套三相绕组DEFA相电机包含2套三相绕组，驱 动拓扑为2级桥式结构，每一级桥式结构驱动一套三相绕组，每套三相绕组均为星型接法， 接出2个中性点。
[0054]控制算法采用矢量分类技术并借鉴三相电机空间矢量脉宽调制波(SVPWM)控制方 法，使用η套空间矢量脉宽调制波(SVPWM)信号分别控制η套三相绕组，具体实现步骤如下： [0055] (1)确定参考电压矢量:给定正弦信号作为参考电压矢量。
[0056]给定η套正弦信号〇]。1，1]{!1)，〇]。2，1] {!2)~〇^，1]&1)作为输入电压矢量，其频率相同， Uca初始相位为0° ,1?初始相位比Ual滞后90°，Ua2，Uf!2初始相位分别比Uc^Um滞后 ai°，Ua3，Uf!3 初始相位分别比Ua2，Uf!2滞后a2°，……，^，.初始相位分别比U a(n-υ，Umn-1)滞后an-，具体 表达式如下：
[0058] 其中，co=2Jif，f为电源频率。
[0059] (2)扇区判断：分别由参考电压矢量〇]。1，1]{!1)，（1]。 2，1]{!2) - 〇^，1]{!11)计算出合成电 压矢量所在扇区。
[0060] 以第一套三相绕组为例，对Ua和Ue进行标么化，即对Ua和Ue除以
得到新的仏
和Ue。然后设立三个判断扇区的变量Va、Vb、V( 后利用其计 算S值：
[0061 ] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0062] 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可确定扇区号。
[0064] (3)比较值计算：由合成电压矢量所在扇区，根据公式计算出比较值Ta、Tb、Tc。
[0065] 比较值^工的计算:首先根据标么化后的仏和哚计算^^的值力
[0072] (4)空间矢量脉宽调制波生成:利用载波和调制波相比较生成脉宽调制(PWM)波。 [0073]载波为1、1^、1'。，调制波选择等腰三角波，生成原理如图7所示，为降低开关损耗， 在每个脉宽调制(PWM)周期功率开关管均只开通关断一次。
[0074]上述(2)中需要确定参考电压矢量所在扇区，对于第二套三相绕组，Ua、Uf!相位加上 ai°然后进行扇区判断，对于第三套三相绕组，UhUii相位加上（ai°+a2°)然后进行扇区判 断，……，对于第η套三相绕组，Ua、Ue相位加上
[0075] 当η = 1时，3n相电机为3相电机，三相电机空间矢量脉宽调制（SVPWM)控制方法实 现步骤如下：
[0076] (1)给定1套正弦信号(Uca，^)作为输入电压矢量，其频率相同，Uca初始相位为0°， Ufil初始相位比Ual滞后90°，具体表达式如下：
[0078] 其中，co=2Jif，f为电源频率。
[0079] (2)扇区判断，对Ual和1?进行标么化，即对Ual和Um除以
得到新的Ual和版。
然后设立三个判断扇区的变量V a、V b、V ( ，后利用其计算S 值：
[0080] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0081 ] 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可确定扇区号。
[0083] (3)比较值Ta、Tb、Tc的计算:首先根据标么化后的U al和Um计算Ka、Kb、Kc的值，令
[0090] (4)利用载波和调制波相比较生成脉宽调制(PWM)波，载波为Ta、T b、T。，调制波选择 等腰三角波，生成原理如图7所示，为降低开关损耗，在每个脉宽调制(PWM)周期功率开关管 均只开通关断一次。
[0091] 当n = 2时，3n相电机为6相电机，此时有2套三相绕组，故需使用2套空间矢量脉宽 调制波(SVPWM)信号控制6相电机，具体实现步骤如下：
[0092] (1)给定2套正弦信号(1]。1，1]{!1)，〇]〇12，1] {!2)作为输入电压矢量，其频率相同，1]〇11初始 相位为0°，1^初始相位比Uca滞后90°，Ua2，Uf!2初始相位分别比υα1，υΜ滞后ai°，具体表达式如 下：
[0094] 其中，co=2Jif，f为电源频率。[0095] (2)扇区判断，
[0096] 1)对于第一套三相绕组，对Ual和1?进行标么化，即对Ual和Um除以
：得到新
的Ual和Um。然后设立三个判断扇区的变量Va、Vb、V。，令 |后利 用其计算S值：
[0097] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0098] 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可确定扇区号。
[0100] 2)对于第二套三相绕组，首先将Ua2、Uf!2相位加上 ai°，然后对υα2和Uf!2进行标么化， 即对Ua2和Ite除以
得到新的Ua2和Ite。然后设立三个判断扇区的变量Va、V b、V。，令
，后利用其计算S值：
[0101 ] S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+sign(Va)
[0102] 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = 1;如果x〈0，sign(x) =0。然后利用 S值即可确定扇区号。
[0104] ⑶分别计算两套比较值Ta、Tb、Tc:根据标么化后的Ua和1?计算K a、Kb、Kc的值，令
[0111] (4)分别生成两套脉宽调制(PWM)波，利用载波和调制波来生成脉宽调制(PWM)波， 载波为1、1^、1'。，调制波选择等腰三角波，生成原理如图7所示，为降低开关损耗，在每个脉 宽调制(PWM)周期功率开关管均只开通关断一次。
[0112] 工作过程:根据控制算法编写控制程序，将控制程序下载到控制器中，在控制器中 生成空间矢量脉宽调制（SVPWM)信号，空间矢量脉宽调制（SVPWM)信号控制驱动器，驱动器 驱动3n相电机工作。
【主权项】
1. 一种电机驱动器拓扑，包括3η相电机、驱动器和控制器，所述η多1且η为正整数，所述 3η相电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制3η相电机的工作状态，其特征 在于:所述驱动器采用桥式结构，所述桥式结构为η个三相桥式逆变电路，当η>1时，所述η个 三相桥式逆变电路上、下串联连接，所述3η相电机为η套三相绕组结构。2. 根据权利要求1所述的电机驱动器拓扑，其特征在于:所述三相桥式逆变电路包括6 个功率开关管，所述6个功率开关管组成三个桥臂，所述每个桥臂控制电机的一相定子绕 组。3. 根据权利要求1所述的电机驱动器拓扑，其特征在于:所述η套三相绕组结构的第一 套空间结构分布为0°、120°、240°，第二套三相绕组结构比第一套三相绕组结构滞后 ai°，第 三套三相绕组结构比第二套三相绕组结构滞后a2°，……，第η套三相绕组结构比第(n-1)套 三相绕组结构滞后ani。4. 根据权利要求3所述的电机驱动器拓扑，其特征在于:所述ai°、a2°、……角度范 围大于0°小于120°，所述ai°、a2°、......、an-i°在同一电机内的度数是确定的。5. 根据权利要求1-4任意一项所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于:通 过三相电机的空间矢量脉宽调制算法控制3n相电机的工作状态。 所述控制算法包括以下步骤： (1) 确定参考电压矢量:给定正弦信号作为参考电压矢量。 (2) 扇区判断：分别由参考电压矢量(Ua1 ,Um)，（Ua2，Uf!2)···(Uc^Ufin)计算出合成电压矢 量所在扇区。 (3) 比较值计算：由合成电压矢量所在扇区，根据公式计算出比较值Ta、Tb、Tc。 (4) 空间矢量脉宽调制波生成:利用载波和调制波相比较生成脉宽调制波。6. 根据权利要求5所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于:所述参考电压 矢量的具体实现方式为： 给定η套正弦信号〇]。1，1]{!1)，〇]〇12，1]{!2)"_〇^，1] &1)作为输入电压矢量，其频率相同，1]〇11初 始相位为0° ,Um初始相位比Ual滞后90°，Ua2，Uf!2初始相位分别比UaUm滞后 ai°，Ua3，Uf!3初始 相位分别比Ua2，Uf! 2滞后a2°，……，1^，1]&1初始相位分别比1]'1)，1] {!(11-1)滞后311-1°，具体表达 式如下：其中，ω = 2Jif，f为电源频率。7. 根据权利要求5所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于:所述扇区判断 的具体实现方式为： 以第一套三相绕组为例，对Ua和Ufi进行标么化，即对Ua和Ufi險得到新的Ua和Uf!。然后设立三个判断扇区的变量 ，后利用其计算S 值： S = 4sign(Vc)+2sign(Vb)+s Ign(Va) 式中，sign(x)是符号函数，如果x>0，sign(x) = l;如果1〈0,81811(1)=0。然后利用3值 即可确宙扇冈号"8. 根据权利要求5所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于:所述比较值计 算的具体实现方式为： 比较值Ta、Tb、Tc的计算:首先根据标么化后的Ua和Ue计算K a、Kb、Kc的值，令若在第5扇β9. 根据权利要求5所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于:所述空间矢量 脉宽调制波的具体实现方式为:利用载波和调制波相比较来生成空间矢量脉宽调制波，载 波为1 3、1^、1'。，所述空间矢量脉宽调制波选择等腰三角波进行比较。10. 根据权利要求7所述的一种电机驱动器拓扑的控制算法，其特征在于：确定参考电 压矢量所在扇区，对于第二套三相绕组，Uc^U e相位加上m°，然后进行扇区判断，对于第三套 三相绕组，Ua、Uf!相位加上(ai°+a 2°)，然后进行扇区判断，……，对于第η套三相绕组，Ua、Uf!相 位；f悉后进行扇区判断。
【文档编号】H02P27/08GK106026823SQ201610451156
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】王松, 郭荣生, 李晓坤, 邢燕斌, 考永贵, 周宝森
【申请人】山东大学（威海）