[发明专利]三相四桥臂永磁同步电动机控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种三相四桥臂永磁同步电动机控制系统，其组成包括:主电路，其特征是:  所述的主电路的220V单相交流输入与单相整流电路连接，所述的单相整流电路与四桥臂逆变器连接，所述的四桥臂逆变器通过桥臂A、桥臂B、桥臂C、桥臂D与永磁同步电动机连接，所述的桥臂A、桥臂B、桥臂C与电流采样电路连接，所述的永磁同步电动机与光电码盘。

2.根据权利要求1所述的三相四桥臂永磁同步电动机控制系统，其特征是: 所述的光电码盘与控制电路的QEP单元连接，所述的QEP单元与PI控制器D连接，所述的电流采样电路与A/D模块连接，所述的A/D模块、所述的QEP单元通过坐标变换分别与PI控制器A、PI控制器B、PI控制器C连接，所述的PI控制器D与速度控制器连接，所述的速度控制器与所述的PI控制器A连接，所述的PI控制器A、PI控制器B、PI控制器C共同与电流控制器连接，所述的电流控制器与3D-SVPWM控制连接，所述的3D-SVPWM控制与光电隔离驱动电路连接，所述的光电隔离驱动电路与所述的四桥臂逆变器连接。

3.根据权利要求1或2所述的三相四桥臂永磁同步电动机控制系统，其特征是:数码显示管与SPI单元连接，上位机与SCI单元连接，键盘与I/O单元B连接，故障检测单元与I/O单元A连接。

4.一种三相四桥臂永磁同步电动机控制方法，其特征是: 

（1）永磁同步电机的工作方法：

式中                                               为三相定子绕组通电流合成矢量、为永磁体磁链，为与轴的夹角，为轴与相轴的夹角;

ABC坐标系到坐标系的变换（Clarke变换）为

                   (1)

对应的逆变换（Clarke^-1变换）为

                   (2)

坐标系到坐标系的变换（Park变换）为

                    (3)

对应的逆变换（Park^-1变换）为

                    (4)

式中，q_r为电角度；

系统采用凸装式永磁同步电动机，可认为交直轴等效电感相等，即L_q=L_d，这样PMSM的电压方程为

                    (5)

式中，i_X、u_X、e_X分别为相电流、相对直流侧中点的电压、相感应电动势(X可以是A、B、C中的一个)；u_N为电动机中性点对第四桥臂中点的电压；r为定子电阻，L和M为定子绕组自感和互感，中线电流i_N为

                         (6)

利用坐标变换，将PMSM的电压方程(5)变换到dq0坐标系中，有

              (7)

                       (8)

                (9)

电磁转矩为

                         (10)

运动方程为

                      (11)

式(7)到(11)中，L_dq为d、q轴的等效电感；ω_r为电角速度；y_PM为转子永磁体磁链；L₀为零轴电感；J为转动惯量；P_n为极对数；

（2）四桥臂逆变控制的工作方法：

由于选用了i_d=0的矢量控制方案，具体实现过程如下：首先，检测电动机转子位置和定子绕组电流；利用转子位置计算电动机转速，经速度控制器输出电流转矩分量的参考值i_q^*，同时给定电流励磁分量i_d^*=0；并对定子绕组电流进行坐标变换得到反馈分量i_q和i_d，经电流控制器输出参考电压空间矢量d、q轴分量u_d^*和u_q^*；最后通过SVPWM模块产生6路PWM输出信号，经三相三桥臂逆变器功率放大后驱动永磁同步电机，最终实现转速、电流双闭环控制；

三相四桥臂逆变器是在三相三桥臂的基础上增加了一个与电动机中性点相连的桥臂，从而多了一个可以控制的中线电流，而由式（1）、（6）可以得到零轴电流与之间的关系为

                             (12)

所以，只要控制零轴电流就可以对中线电流进行间接控制；

由式（2）、（4）可知

        (13)

在正常运行情况下，中线电流为零，这样只需要控制零轴电流为零即可，即

                         (14)

             (15)

             (16)

当某相发生缺相故障时，这里假设A相发生断路故障（B、C相发生断路故障时情况与之相同），此时有=0，由于永磁同步电机的电磁转矩取决于i_d、i_q的大小，此时，为保证与正常运行时有着相同的驱动特性，必须产生与故障前一致的i_d、i_q，这里需要作补偿，因此不再等于0；

把=0代入式（13），可以得到

                           (17)

             (18)

              (19)

通过式（7）和（17）得到

          (20)

依据式（17）或（20），可以采用两种方式配置达到转矩补偿的目的，即采用零轴电流补偿闭环控制方式，满足式（17）的要求；或采用式（20），采用零轴电压开环控制方式，实现零轴电压u₀的输出，这样就可以达到故障容错的目的，并且无需修改任何硬件电路；

本专利采用零轴电流补偿闭环控制方式，由于采用的是i_d=0控制，可以简化式（17）得到

                          (21)

所以，故障状态下只需要依照式（21）进行零轴电流的补偿。

5.上述的三相四桥臂永磁同步电动机控制系统工作方法，其特征是: 给定转速与反馈转速通过速度控制器得到电流转矩分量的给定值i_q^*，采样的相电流i_A、i_B、i_C经过Clarke、Park变换，得到dq0旋转坐标系中i_d、i_q、i₀，与电流给定i_q^*、i_d^*、i₀^*进行比较，其中i_d^*、i₀^*的给定值都为0，而在单相故障的情况下i₀^*需要加入补偿值i_qsinq_r，然后经过PI控制器获得u_d^*、u_q^*、u₀^*，再经过Park^-1变换、Clarke^-1变换、3D-SVPWM的调制、功率放大驱动四桥臂逆变器的8个功率开关管，最终构成三相四桥臂永磁同步电动机速度、电流双闭环控制系统。