一种Quasi-Z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法与流程

本发明涉及电机驱动及控制技术领域，具体涉及一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法。

背景技术

quasi-z源间接矩阵变换器结合了quasi-z源变换器和间接矩阵变换器的优点，在交流调速系统中体现出了独特的优势：1)输入侧不需要额外的lc滤波器，大大简化了系统的硬件结构；2)允许变换器中同一桥臂的两个开关管同时导通，而不损坏器件，降低了系统控制的复杂度，提高了系统的安全性；3)具有泵升电网电压的功能，改善电压增益，扩展了交流电机传动系统的调速范围；4)对电网电压跌落具有一定的穿越能力，即抗电网电压跌落干扰的功能，提高了交流电机调速系统的稳定性。因此，quasi-z源间接矩阵变换器在交流电机调速领域具有很好的应用前景。

quasi-z源间接矩阵变换器输入整流级的电流矢量调制比mi和输出逆变级的电压矢量调制比mo直接影响quasi-z源间接矩阵变换器的电压特性、系统损耗和谐波畸变率等。直通占空比d不仅决定了quasi-z源网络的运行性能、功率器件的电压或电流应力，还关系到整个系统的电压增益和损耗：数值较大的d将产生大的电压增益，但是将会导致较大的损耗。而且，当系统需要一定的增益时，d与mi、mo具有多种不同的组合。因此，如何设计mi、mo和d，实现系统的优化运行，对电机调速系统具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法，用以解决quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中mi、mo和d的设计问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法，所述电机控制方法包括：对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化并得到电机控制优化算法；计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益，并与临界值比较；根据比较结果设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值并控制变换器中开关管的通断；其中，临界值为传统矩阵变换器的最大增益值，d为直通占空比，mi为输入整流级的电流矢量调制比，mo为输出逆变级的电压矢量调制比。

进一步地，所述计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益的方法包括：实时采集quasi-z源间接矩阵变换器的三相输出电流和电机转速，通过转速闭环控制和转矩闭环控制分别得到变换器输出相电压的d、q轴分量，分别平方求和后得到变换器输出相电压幅值uom；实时采集三相电源输入电压，通过abc/dq坐标变换得到电源输入相电压的d、q轴分量，分别平方求和后得到电源输入相电压幅值uin；根据公式g＝uin/uom计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益；其中，g为quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益，uin为电源输入相电压幅值，uom为变换器输出相电压幅值。

进一步地，所述设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值的方法包括：若quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益小于或等于临界值，令直通占空比d为零，并通过变换器电压增益模型的优化算法得到mi的值，此时，quasi-z间接矩阵变换器等同于传统间接矩阵变换器，quasi-z源网络发挥滤波器的功能；若quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益大于临界值，直通占空比d不为零，根据变换器电压增益模型的优化算法计算d、mi和mo的值。

进一步地，所述对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化的方法包括：

由quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型得到电压增益公式：

其中，g为quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益，uin为电源输入相电压幅值，uom为变换器输出相电压幅值，为quasi-z源网络输出相电压与输出相电流的夹角，mi为输入整流级的电流矢量调制比，mo为输出逆变级的电压矢量调制比，

检测quasi-z源网络输出电压得到相位角，依此来控制间接矩阵变换器的输入电流相位角，使quasi-z源网络输出相电压和输出相电流具有同相位，即令

为了减小因直流母线电压过高导致的电压应力和损耗，将输出逆变级的电压矢量调制比最大化，即mo＝1，此时，电压增益公式转化为：

当quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益小于或等于临界值，即g≤h时，直通占空比d＝0，此时有：

当g>h时，quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需要升压，由于mi+d≤1，为保证直通占空比d最小，令：

mi＝1-d；

根据转化后的电压增益公式可得最小直通占空比计算公式：

进一步地，通过所述对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化的方法得到的变换器电压增益模型的优化算法包括：

当g≤h时，mo＝1，d＝0，quasi-z源网络不升压，仅作滤波器使用，quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益和输入整流级的电流矢量调制比的关系式为：

当g>h时，mo＝1，quasi-z源网络需要升压，最小直通占空比计算公式为：

quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益和输入整流级的电流矢量调制比的关系式为：

进一步地，所述设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值并控制变换器中开关管的通断的方法包括：将电机d轴电压期望值和电机q轴电压期望值分别平方求和后求根得到变换器输出相电压幅值uom；变换器输出相电压幅值uom与电源输入相电压幅值uin一起送入优化算法模块；计算得到实时优化的直通占空比d、输入整流级的电流矢量调制比mi；直通占空比d、输入整流级的电流矢量调制比mi与pll锁相环得到的θin一起构成整流级的给定调制信号，提供给整流级调制算法模块；整流级调制算法模块根据整流级的给定调制信号结合矢量控制方法控制整流级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}的双向开关管的通断；令输出逆变级的电压矢量调制比mo＝1，并结合逆变级相位角θo一起构成逆变级的给定调制信号，提供给逆变级调制算法模块；逆变级调制算法模块根据逆变级的给定调制信号结合矢量控制方法控制逆变级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}的单向开关管的通断。

进一步地，所述电机d轴电压期望值由d轴电流控制算法模块根据d轴参考电流与d轴测定电流id的比较值计算得出；及所述电机q轴电压期望值由q轴电流控制算法模块根据q轴参考电流与q轴测定电流iq的比较值计算得出。

进一步地，所述q轴参考电流由速度调节器根据电机参考角速度与电机测定角速度ωr的比较值计算得出，所述电机测定角速度ωr由转子位置和速度传感器实时测定电机得来。

进一步地，所述d轴测定电流id和所述q轴测定电流iq由三相电流传感器实时测定变换器三相输出电流ia、ib、ic并分别经abc/dq电流坐标变换模块的坐标变换运算得出。

进一步地，所述电源输入相电压幅值uin根据电源三相输入电压ua、ub、uc依次经abc/dq电压坐标变换模块的坐标变换运算得出。

本发明具有如下优点：

本发明公开了一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法，首先通过控制实现quasi-z源网络输出的单位功率因数运行，并将逆变级调制比最大化；然后计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益，并与临界值比较，若所需电压增益不大于临界值，则令直通占空比为零，quasi-z源网络起滤波器的作用；若所需电压增益大于临界值，选取能满足quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的最小直通占空比，为系统升压。本发明提供的优化运行方案，具有良好的电压跟随特性，无论输入电压如何变化，quasi-z源间接矩阵变换器总能给电机提供“恰到好处”的输出电压，使电机性能不受输入端干扰的影响，而且输出电压不冗余、不浪费，交流调速系统效率高、器件的应力低。

附图说明

图1为本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的流程图。

图2为本发明公开的电机控制方法的quasi-z源间接矩阵变换器全范围优化运行曲线示意图。

图3为本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的优化算法的实现流程图。

图4为本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电机驱动控制原理框图。

图5为本发明公开的quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统的电路拓扑图。

图6为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电机转速仿真波形示意图。

图7为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电机转矩仿真波形示意图。

图8为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电机相电流仿真波形示意图。

图9为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电源电压仿真波形示意图。

图10为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的电源输入电流波形示意图。

图11为采用本发明公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的直流母线电压仿真波形示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参考图1，本实施例公开的一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法包括：对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化并得到电机控制优化算法；计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益，并与临界值比较；根据比较结果设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值并控制变换器中开关管的通断；其中，临界值为传统矩阵变换器的最大增益值，d为直通占空比，mi为输入整流级的电流矢量调制比，mo为输出逆变级的电压矢量调制比。本实施例中公开的上述一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法是个循环过程，每次根据比较结果设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值并控制变换器中开关管的通断后，返回至计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益，并与临界值比较。

进一步地，在研究中发现，直通占空比d的大小对升压因子和系统损耗有较大的影响。数值较大的d将产生大的升压因子，这对输入电压不足的情况尤其重要。但是，数值较大的d还会导致大的损耗，quasi-z源网络电感电流和电容电压的纹波也大，从这个角度讲，在实现相同的电压增益条件下，应使d尽可能的小。所以，本实施例中的对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行的优化是实现直通占空比d最小化。

因此，对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化的方法中首先由quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型得到电压增益公式：

其中，g为quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益，uin为电源输入相电压幅值，uom为变换器输出相电压幅值，为quasi-z源网络输出相电压与输出相电流的夹角，mi为输入整流级的电流矢量调制比，mo为输出逆变级的电压矢量调制比，h为传统矩阵变换器的最大增益，也为优化算法中的临界值。

在quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中，如果系统的电压增益将大打折扣。为此，在优化算法中，检测quasi-z源网络输出电压得到相位角，依此来控制间接矩阵变换器的输入电流相位角，使quasi-z源网络输出相电压和输出相电流具有同相位，实现的目的。

另外，通过改变输出逆变级的电压矢量调制比mo的大小，可以实现对负载电压的调节，其对应关系为(其中mo∈[0,1]，为直流母线电压峰值)。当mo<1时，直流母线电压会有冗余，由于高的电压将导致大的电压应力和高的损耗，所以希望直流母线电压满足逆变使用即可，并不希望有冗余。因此，在优化算法中，将mo最大化，即mo＝1。此时调压的功能转移到整流级，通过调节mi和d实现调节负载电压的目的。

为了减小因直流母线电压过高导致的电压应力和损耗，将输出逆变级的电压矢量调制比最大化，即mo＝1，此时，电压增益公式转化为：

当quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益小于或等于临界值，即g≤h时，直通占空比d＝0，此时有：

当g>h时，quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需要升压，由于mi+d≤1，为保证直通占空比d最小，令：

mi＝1-d；

根据转化后的电压增益公式可得最小直通占空比计算公式：

进一步地，通过所述对quasi-z源间接矩阵变换器电压增益模型进行优化的方法得到的变换器电压增益模型的优化算法包括：

当g≤h时，mo＝1，d＝0，quasi-z源网络不升压，仅作滤波器使用，quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益和输入整流级的电流矢量调制比的关系式为：

当g>h时，mo＝1，quasi-z源网络需要升压，最小直通占空比计算公式为：

quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益和输入整流级的电流矢量调制比的关系式为：

quasi-z源间接矩阵变换器的增益曲线如图2所示。可见，g＝h为两函数曲线的临界分界点，g≤h时，运行曲线为line-a，当g>h时，运行曲线为line-b。

在quasi-z源间接矩阵变换器双闭环电机矢量控制中，将图2优化运行曲线融入整个quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统，其不仅适用于永磁同步电机的矢量控制，而且适用于感应电机的矢量控制。具体实现如图3。当系统要求的电压增益(升压比)g小于或等于h时，系统的quasi-z源网络不升压，仅作滤波器使用，令直通占空比d＝0，则mi＝g/h；当系统要求的升压比g大于h时，根据优化曲线得d＝(h-g)/(h-2g)，mi＝1-d。和矢量控制结合后，得到图4所示的电机驱动控制。这里以永磁同步电机为例，其原理同样适用于感应电机。

进一步地，参考图3和4，所述计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益的方法包括：实时采集quasi-z源间接矩阵变换器的三相输出电流和电机转速，通过转速闭环控制和转矩闭环控制分别得到变换器输出相电压的d、q轴分量，分别平方求和后得到变换器输出相电压幅值uom；实时采集三相电源输入电压，通过abc/dq坐标变换得到电源输入相电压的d、q轴分量，分别平方求和后得到电源输入相电压幅值uin；根据公式g＝uin/uom计算quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统电压增益；其中，g为quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益，uin为电源输入相电压幅值，uom为变换器输出相电压幅值。

进一步地，参考图3和4，所述设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值的方法包括：若quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益小于或等于临界值，令直通占空比d为零，并通过变换器电压增益模型的优化算法得到mi的值，此时，quasi-z间接矩阵变换器等同于传统间接矩阵变换器，quasi-z源网络发挥滤波器的功能；若quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统需求的电压增益大于临界值，直通占空比d不为零，根据变换器电压增益模型的优化算法计算d、mi和mo的值。

进一步地，参考图4，所述设定quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统中的d、mi及mo的值并控制变换器中开关管的通断的方法包括：将电机d轴电压期望值和电机q轴电压期望值分别平方求和后求根得到变换器输出相电压幅值uom；变换器输出相电压幅值uom与电源输入相电压幅值uin一起送入优化算法模块，电源输入相电压幅值uin根据电源三相输入电压ua、ub、uc依次经abc/dq电压坐标变换模块的坐标变换运算得出；计算得到实时优化的直通占空比d、输入整流级的电流矢量调制比mi；直通占空比d、输入整流级的电流矢量调制比mi与pll锁相环得到的θin一起构成整流级的给定调制信号，提供给整流级调制算法模块；整流级调制算法模块根据整流级的给定调制信号结合矢量控制方法控制整流级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}的双向开关管的通断；令输出逆变级的电压矢量调制比mo＝1，并结合逆变级相位角θo一起构成逆变级的给定调制信号，提供给逆变级调制算法模块；逆变级调制算法模块根据逆变级的给定调制信号结合矢量控制方法控制逆变级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}的单向开关管的通断。

进一步地，参考图4，电机d轴电压期望值由d轴电流控制算法模块根据d轴参考电流与d轴测定电流id的比较值计算得出；及电机q轴电压期望值由q轴电流控制算法模块根据q轴参考电流与q轴测定电流iq的比较值计算得出。所述q轴参考电流由速度调节器根据电机参考角速度与电机测定角速度ωr的比较值计算得出，所述电机测定角速度ωr由转子位置和速度传感器实时测定电机得来。所述d轴测定电流id和所述q轴测定电流iq由三相电流传感器实时测定变换器三相输出电流ia、ib、ic并分别经abc/dq电流坐标变换模块的坐标变换运算得出。

图5为本发明公开的quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统的电路拓扑图。参考图5，本实施例中上述quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统主要包括quasi-z源网络、整流级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}和逆变级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}，quasi-z源网络由电感la1、la2、lb1、lb2、lc1和lc2、电容ca1、ca2、cb1、cb2、cc1和cc2及quasi-z源网络开关sx，x∈{a,b,c}连接形成，其中，sx，x∈{a,b,c}包括双向开关管sa、sb和sc，整流级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}包括双向开关管sap、sbp、scp、san、sbn和scn，逆变级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}包括单向开关管sap、sbp、scp、san、sbn和scn。电源三相输入电压ua、ub、uc经quasi-z源网络转化为quasi-z源网络三相输出电压u′a、u′b、u′c，quasi-z源网络三相输出电压u′a、u′b、u′c再依次经整流级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}和逆变级开关sxy，x∈{a,b,c}，y∈{p,n}输入电机m。

图6至图11是利用matlab/simulink软件对本发明所提一种quasi-z源间接矩阵变换器优化运行的电机控制方法的仿真结果。运行工况为：输入电源电压维持相电压220v，在0.6s时电压跌落15％，并维持到1.2s，开关频率为10khz，quasi-z源网络电感为2mh，电容为100μf。在0-0.4s电机空载运行，0.4s后负载转矩为26nm，在0.8s时提供反向负载–26nm，维持到1.2s。整个运行过程中，转速闭环给定为1430r/min。

0.6s-0.8s期间，由于电源电压跌落15％，quasi-z源网络启动升压作用，导致直流环节电压升高，见图11。尽管电源电压有较大的跌落，如图9，但是并没有影响到电机运行，见图6、7和8。可见，电机转速、电流和转矩没有变化。但是，由于负载功率恒定，电源电压跌落导致其输入电流升高，见图10。

在0.8s-1.2s期间，电机转速没变，但是电机负载转矩变负，使得电机由电动变为发电状态，向电网传送发电功率，在此期间尽管电网电压跌落，但是无需quasi-z源网络升压，所以d＝0，直流环节电压没有升高，见图11。该测试验证了所提出的quasi-z源间接矩阵变换器及其优化运行的电机控制方法，表明所提出的quasi-z源间接矩阵变换器交流调速系统可以实现四象限运行和能量双向流动，而且系统对输入电压干扰具有很强的抑制能力。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。