本发明属于电机系统及控制领域，特别涉及一种开绕组永磁同步电机驱动系统及其控制方法。
背景技术：
：开绕组结构电机是将传统三相交流电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有任何改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后传统各相电机绕组之间的约束关系不再存在，各相绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性，并且其两个端口可以分别连接变换器，通过两端口的变换器协调控制，可以使各变换器承担一半的功率，并且两端变换器在相同绕组电流纹波的条件下，降低其开关频率，很好地满足了大功率电机系统的变换器的需求，因此开绕组结构及其控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。开绕组结构电机通常与双逆变器组成驱动系统，双逆变器分别连接在开绕组电机的两个端口，双逆变器可以分别采用各自的电源供电，即双电源供电方式，通过设置两侧电源的电压等级，可以方便实现三电平、四电平、五电平的调制方式，有效抑制驱动电机绕组的电流谐波，在此基础上，将两侧逆变器扩展为三电平、五电平、七电平等等，可以衍生出多种类型的多电平开绕组电机驱动，极大地丰富了开绕组电机的研究内容。另外，为降低驱动系统的成本并减小驱动系统的复杂程度，还可以将双逆变器的直流侧并联，即电源供电方式，该拓扑结构也可以看作电机三相绕组分别连接一套H桥变换器，每相绕组可以独立控制，使得驱动系统的可靠性大幅提高，相比较单电源供电方式，系统的成本有了大幅缩减，但是共直流母线的连接方式，使得开绕组结构电机内部存在的零序通路，因此其零序电流的抑制及双逆变器的矢量调制技术等成为研究热点。可见开绕组结构由于其双端口的特性使其具有极大的灵活性，辅以合适的功率变换器能够具备优良的驱动性能。目前，永磁同步电机作为电机驱动系统首选高功率密度、高效率、高性能结构类型电机，开绕组结构永磁同步电机结合相应的功率变换器能够构成具备优良特性的驱动系统，然而，现有的适合开绕组结构电机的双逆变器及其衍生的多电平逆变器拓扑结构，虽然能够很好地实现驱动控制功能，但是超过12个开关器件的变换器拓扑，大大增加了驱动系统的成本，并且控制系统的复杂程度也较高，因此针对开绕组永磁同步电机驱动系统，研究其简化的变换器拓扑结构及其控制技术成为推广其应用领域的重要途径。技术实现要素：本发明的目的，在开绕组永磁同步电机与单电源供电的双逆变器拓扑构成的驱动系统的基本工作原理基础上，提供一种开绕组永磁同步电机驱动系统及其控制方法，其成本低，调速性能好。为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、三相九开关变换器、控制器及直流电源，其中，三相九开关变换器包含相互并联的第一至第三桥臂，每相桥臂均包含顺序连接的上管、中管和下管，且3相桥臂的上管和中管共同构成三相九开关变换器的上三相功率输出端口，3相桥臂的中管和下管共同构成三相九开关变换器的下三相功率输出端口；3相桥臂的直流侧并联连接直流电源，而上、下三相功率输出端口分别与开绕组永磁同步电机的ABC三相绕组的两端abc、a′b′c′相连，并使开绕组永磁同步电机的任一相绕组两端连接不同的桥臂；控制器包括控制模块及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制模块，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出PWM信号，实现对三相九开关变换器的控制。上述三相九开关变换器与开绕组永磁同步电机的连接方式是：开绕组永磁同步电机A相绕组的a端连接于第一桥臂的上管和中管之间，a′端连接于第二桥臂的中管和下管之间，B相绕组的b端连接于第二桥臂的上管和中管之间，b′端连接于第三桥臂的中管和下管之间，C相绕组的c端连接于第三桥臂的上管和中管之间，c′端连接于第一桥臂的中管和下管之间。上述第一至第三桥臂的所有上管、中管和下管均采用反并联二极管的IGBT开关。一种基于前述开绕组永磁同步电机驱动系统的控制方法，包括如下内容：采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息，获得电机转子转速反馈值，将给定转速与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值；采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值，电流环给定与反馈值作差后经过PI调节器输出d、q轴电压值，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生九路PWM信号，控制三相九开关变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。上述三相九开关变换器中各相桥臂的上、中、下管驱动信号存在如下的约束关系：Ⅰ.上、中、下管不能够同时开通；Ⅱ.上、中、下管不能够同时关断；Ⅲ.上、中、下管不能仅有单管开通；Ⅳ.上、中、下管必须有两管同时开通。上述SVPWM调制的具体过程是：(1)基于约束关系，三相九开关变换器的每相桥臂的开关组合有3种，分别定义上管关、中管开、下管开为桥臂的0开关状态，上管开、中管关、下管开为桥臂的1开关状态，上管开、中管开、下管关为桥臂的2开关状态；(2)根据每相桥臂的3种开关状态，获得三相九开关变换器的所有可能的开关组合为27种，根据其开关的组合类型将其划为3类：1)三相桥臂的上管均开通、三相桥臂的中管均开通、三相桥臂的下管均开通，该3种状态下，开绕组永磁同步电机的一端短接电源正端或者负端，或者三相绕组的两端分别连接电源正、负端，该三种状态定义为三相九开关变换器的零矢量；2)三相桥臂中仅有两种开关状态的组合3种：0、1状态组合，1、2状态，0、2状态组合，其中0、1状态组合下，三相九开关变换器的每个桥臂的下管均开通，其组成类型有001、010、100、011、101、110共6种，等效为开绕组永磁同步电机的a′、b′、c′端短接构成中性点并连接电源负端；1、2状态组合下，其组合类型有112、121、211、122、212、221共6种，三相九开关变换器每相桥臂的上管均开通，等效为开绕组同步电机的a、b、c端短接构成中性点并连接电源正端；0、2状态组合下，其组合类型有002、020、200、022、202、220共6种，三相九开关变换器每相桥臂的中管均开通，三相电机绕组构成三角形回路连接方式；3)三相桥臂分别有三种开关状态组合共6种：012、021、102、120、201、210，其中012、120、201组合方式，开绕组永磁同步电机的两相绕组短接，021、102、210组合方式下，三相电机绕组同时工作；(3)确定合适于三相九开关变换器驱动开绕组永磁同步电机的开关组合有002、020、200、022、202、220、021、102、210合计9种；(4)根据三相九开关变换器的开关方式，绘制作用在开绕组永磁同步电机的三相绕组上的电压矢量图，依据合成电压矢量产生对三相绕组产生的零序电压为零的原则，提出产生零序电压的电压矢量；(5)根据确定开绕组永磁同步电机驱动时各个扇区作用的电压矢量，并计算获得每个扇区各相邻电压矢量的作用时间，对应获得三相九开关变换器的各管的PWM信号；(6)对三相九开关变换器的中管设置死区时间，其占空比为上管占空比减去2倍的死区时间，防止每相桥臂的直通。采用上述方案后，本发明相比较传统双逆变器的开绕组电机驱动系统，三相九开关变换器与开绕组电机具有良好的匹配性，传统九开关变换器驱动的双输出端口具有较好的独立控制特性，即上下功率输出端口既可以输出相同频率的三相交流电，也可以输出不同频率形式的电能，分别给两台电机或者不同的负载供电，因此其开关管的PWM信号产生方式较为特殊，通常上下功率端口分别采用不同的调制波与相同载波相交截获得上、下管的斩波PWM信号，对应中管驱动信号为上下管驱动信号的异或值，避免了桥臂直通现象的产生，并且上下功率输出端口的调制波还需要满足不能重叠的要求，以实现输出端口独立控制的功能。而本系统中，三相九开关变换器的上下输出功率端口分别连接开绕组永磁同步电机的两个端口，相比较传统的两台电机的独立控制，开绕组结构电机两个端口之间存在更为严格的约束关系。所述的控制方法将采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息、绕组电流信号送入控制器，构成速度外环和电流内环驱动控制系统，在四桥臂紧凑型变换器合成的27种电压矢量中剔除产生零序电压的分量抑制开绕组电机中的零序电流，并实现变换器的SVPWM调制。相比较传统开绕组电机驱动系统采用的双三相逆变器拓扑，其功率变换器成本可以削减25％，但是具备较好的调速性能。附图说明图1是本发明驱动系统的结构图；图2是本发明控制方法的控制框图；图3是三相九开关变换器合成电压空间矢量图；图4是电压矢量合成示意图；图5是三相九开关变换器的SVPWM信号示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。如图1所示，本发明提供一种开绕组永磁同步电机驱动系统，包括开绕组永磁同步电机、三相九开关变换器、控制器及直流电源，其中，控制器包括控制模块及分别与之连接的电流信号采集模块、位置信号采集模块和驱动模块，下面分别介绍。所述三相九开关变换器包含有相互并联的3相桥臂，每相桥臂均包含顺序连接的上管、中管和下管，且3相桥臂的上管和中管共同构成三相九开关变换器的上三相功率输出端口，3相桥臂的中管和下管共同构成三相九开关变换器的下三相功率输出端口，其中，第一桥臂包含上管S1u、中管S1m和下管S1d，第二桥臂包含上管S2u、中管S2m和下管S2d，第三桥臂包含上管S3u、中管S3m和下管S3d，所有上管、中管和下管均采用反并联二极管的IGBT开关。三相九开关变换器中3相桥臂的直流侧并联连接直流电源Udc，而上、下三相功率输出端口分别与开绕组永磁同步电机的ABC三相绕组的两端abc、a′b′c′相连，并使开绕组永磁同步电机的任一相绕组两端连接不同的桥臂，即若A相的a端连接第一桥臂，则a′端只能连接第二桥臂或第三桥臂，如在本实施例中，A相绕组的a端连接于第一桥臂的S1u和S1m之间，另一端a′端连接于第二桥臂的S2m和S2d之间，B相绕组的b端连接于第二桥臂的S2u和S2m之间，b′端连接于第三桥臂的S3m和S3d之间，C相绕组的c端连接于第三桥臂的S3u和S3m之间，c′端连接于第一桥臂的S1m和S1d之间。电流信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电流信号，位置信号采集模块用于采集开绕组永磁同步电机的电压信号，且前述电流、电压信号均送入控制模块(本实施例中采用DSP)，实现转速电流双闭环控制，由驱动模块输出九路PWM信号，分别驱动9个IGBT开关，将直流电源转换为三相交流电驱动开绕组永磁同步电机。配合图2所示，基于以上驱动系统，本发明还提供一种开绕组永磁同步电机驱动系统的控制方法，包括如下内容：利用位置信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的转子位置信息θ，经过微分环节获得电机转子转速反馈值ω，将给定转速ω*与反馈转速作差后经过PI调节器后获得电机q轴电流给定值iq*；利用电流信号采集模块采集开绕组永磁同步电机的三相绕组电流iA,B,C，结合转子位置信息经ABC-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值id、iq，将电流环给定的iq*与id*＝0分别与反馈值作差后经过PI调节器输出，增加耦合分量获得d、q轴电压值Ud、Uq，通过dq-αβ变换得到α、β轴电压值Uα、Uβ，合成旋转电压矢量，经SVPWM调制后产生九路PWM信号，分别驱动三相九开关变换器的各个IGBT，控制三相九开关变换器驱动开绕组永磁同步电机实现转速、电流双闭环控制。本发明实现的关键技术在于三相九开关变换器与开绕组永磁同步电机的协调控制，即上述控制系统中SVPWM调制技术的具体实现过程为：(1)针对三相九开关变换器的每相桥臂的开关数为3，即每相桥臂的可能开关组合有23＝8种，但是结合开绕组永磁同步电机的两端绕组分别连接三相九开关变换器的上、下三相功率输出端口，因此各相桥臂的上、中、下管驱动信号存在如下严格的约束关系：Ⅰ.上、中、下管不能够同时开通，否则变换器的桥臂短路；Ⅱ.上、中、下管不能够同时关断，否则开绕组永磁同步电机的两相绕组端部开路；Ⅲ.上、中、下管不能仅有单管开通，否则开绕组永磁同步电机的一相绕组短路开路；Ⅳ.上、中、下管必须有两管同时开通，以保证开绕组永磁同步电机三相绕组的端部接电源正端或者负端。基于以上约束关系，每相桥臂的开关组合仅有3种，并分别定义为如表1所示1、2、3，桥臂开关状态0：p相桥臂的上管关、中管开、下管开；桥臂开关状态1：p相桥臂的上管开、中管关、下管开；桥臂开关状态2：p相桥臂的上管开、中管开、下管关，p＝1,2,3。即每个桥臂都必须存在两个管子同时开通状态。表1三相九开关变换器的p相桥臂开关组合桥臂开关状态SpuSpmSpd001111012110(2)由每相桥臂的3种开关状态，可以计算得到三相九开关变换器存在33＝27种开关组合状态，根据每相桥臂的开关组合类型可以划归为三大类，如表2所示，分别为：1)三相仅有一种开关状态；2)三相桥臂仅有两种开关状态；3)三相桥臂有三种开关状态，对应分析其合成电压矢量。具体为：1)三相桥臂的中、下管均开通000、三相桥臂的上、下管均开通111、三相桥臂的上、中管均开通222，共三种开关组合状态，在这三种桥臂的开关状态下，开绕组永磁同步电机的一端短接电源正端或者负端，或者三相绕组的两端分别连接电源正、负端，将该三种开关状态组合定义为三相九开关变换器的零矢量；2)三相桥臂中仅有两种开关状态的组合类型3种，即仅有0、1状态组合，1、2状态或0、2状态组合类型，合计18种桥臂开关组合状态，其中0、1状态组合下，三相九开关变换器的每个桥臂的下管均开通，其组成类型有001、010、100、011、101、110共6种开关组合状态，等效为开绕组永磁同步电机的a′、b′、c′端短接构成中性点并连接电源负端，不适合开绕组永磁同步电机驱动控制；1、2状态组合下，其组合类型有112、121、211、122、212、221共6种开关组合状态，三相九开关变换器的每个桥臂的上管均开通，等效为开绕组永磁同步电机的a、b、c端短接构成中性点并连接电源正端，也不适合开绕组永磁同步电机驱动控制；0、2状态组合下，其组合类型有002、020、200、022、202、220共6种组合状态，三相九开关变换器的每个桥臂的中管均开通，三相电机绕组构成三角形回路连接方式；3)三相桥臂分别有三种开关状态组合类型共6种，分别为012、021、102、120、201、210，其中012、120、201组合方式，开绕组永磁同步电机的两相绕组短接，不适合开绕组永磁同步驱动，021、102、210组合方式下，三相电机绕组同时工作。具体可参考表2所示。表2三相九开关变换器的各桥臂开关组合类型(3)根据上述三相九开关变换器各桥臂开关组合状态和对应开绕组永磁同步电机各相绕组的合成电压矢量，绘制如图3所示的作用于开绕组永磁同步电机绕组的三相九开关变换器合成电压空间矢量图；(4)本驱动系统中，开绕组永磁同步电机存在零序回路，为抑制开绕组永磁同步电机中合成电压矢量产生的零序电压分量，减小电机三相绕组中产生的零序电流对电机效率的影响，依据合成电压矢量产生对三相绕组产生的零序电压为零的原则，提出不产生零序电压的电压矢量。选择合成电压矢量中不产生零序电压分量有002、020、200、022、202、220、000、111、222，分别定义为V1、V2、V4、V3、V5、V6、V0、V7、V8，其中V1～V6的矢量长度均为设定如图4所示1～6的扇区，对处于扇区1的给定电压矢量Vref可以由V4、V6进行合成，计算各电压矢量的作用时间为：其中，T4为矢量V4在一个开关周期内作用的时间，T6为矢量V6在一个开关周期内作用的时间，T为开关周期，T0为零矢量作用的时间。(5)根据计算得到的V4、V6作用时间，获得三相九开关变换器中的上管Spu和下管Spd的占空比，上、下管的驱动信号互补，但是本驱动系统中存在3个零矢量V0、V7、V8，为简化调制算法，本驱动系统中采用V0、V8作为零矢量，实现SVPWM驱动的合成，但是桥臂防止直通的死区设置区别于传统三相桥式变换器，利用三相九开关变换器的中管设置死区，可以有效防止变换器的桥臂直通。在上述V1～V6电压矢量作用下，变换器桥臂的上管Spu和中管Spm的控制逻辑相同，在中断驱动的占空比信号中插入死区td，其开关时间对应为T4-2td或者T6-2td，由此获得各开关管的SVPWM信号如图5所示，其中下管S1d、S2d、S3d的占空比与上管S1u、S2u、S3u互补，即可实现三相九开关变换器的SVPWM调制功能。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。当前第1页1 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