阅读说明：本技术 一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法 (Nine-phase half-turn coil generator vector control device and control method ) 是由 刘金凤 刘蓝田 何佳伟 曲鑫 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法,涉及九相半匝线圈发电机矢量控制领域。本发明针解决现有技术中的电机控制基本采用谐波抑制的方式进行控制,不能对谐波加以利用的问题。本发明的子空间分离单元,用以接收九相半匝线圈发电机的相电压,对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间；扇区判断单元,用以判断参考电压矢量所处的扇区；工作状态时间单元,用以计算个各子空间各工作状态作用时间；开关顺序单元,用以根据所述换向时间得到调制波。本发明将谐波加以利用,输出带有稳定特定次数谐波的电压电流,实现含有齿谐波的模块化整流组件的矢量控制。(The invention discloses a nine-phase half-turn coil generator vector control device and a nine-phase half-turn coil generator vector control method, and relates to the field of nine-phase half-turn coil generator vector control. The invention aims to solve the problem that the motor control in the prior art is basically controlled in a harmonic suppression mode and cannot utilize harmonics. The subspace separation unit is used for receiving phase voltage of a nine-phase half-turn coil generator, and separating a harmonic subspace and a harmonic subspace after coordinate transformation and curve fitting are carried out on the phase voltage; a sector judgment unit for judging a sector in which the reference voltage vector is located; the working state time unit is used for calculating the action time of each working state of each subspace; and the switching sequence unit is used for obtaining a modulation wave according to the commutation time. The invention utilizes the harmonic wave, outputs the voltage current with stable specific harmonic wave, and realizes the vector control of the modularized rectifying component containing the tooth harmonic wave.)

一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及九相半匝线圈发电机矢量控制领域，特别是涉及一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法。

背景技术

随着电力电子器件、微处理器技术及控制理论的发展，多相电机的低压大功率和容错性能好的优势使其特别适合电压受限制的应用场合。由于定子绕组匝数越多，感应电动势越高，因此很难实现较低电压下九相半匝线圈发电机的高速运行。本文采用每相只有半匝线圈的九相永磁同步九相半匝线圈发电机，能够有效降低相电压，实现低压大功率输出。其九相整流系统的控制方式和谐波分析利用是本文的研究重点。

目前多相九相半匝线圈发电机整流方式普遍采用的控制技术包括基于载波的多相PWM技术、最大矢量SVPWM技术、空间矢量多维SVPWM技术。基于载波的PWM的缺点是动态响应过程慢、不能准确计算整流模块的功率开关在每个采样周期内的导通时间。相对基于载波的PWM而言，SVPWM能够使功率开关器件的性能达到更佳状态。目前许多学者对多相电机系统中的谐波进行了研究。通过选取不同的空间矢量可以消除谐波对系统的干扰。对电动机注入三次、五次谐波证明一定的谐波可以提供电机功率密度。另外在定子绕组中加入电抗器消除九相半匝线圈发电机特定次数谐波来达到保留有用谐波的目的。也有学者在混合励磁电机方面对谐波的利用做出了尝试。总之，目前的研究报道主要集中在谐波的抑制上，而在具有整流模块的发电系统中，整流对于交流侧谐波的利用却鲜有研究。

在中国发明专利CN110034713A和CN110011582A中公开了两种永磁同步电机的矢量控制方法。前者从电机本体角度入手，利用永磁同步电机定子电压数学模型求解出定子电流时间导数的数学模型，进而得到高频定子电流差模型中包含的转子位置，从而根据转子位置控制永磁同步电机实现矢量控制。而后者则从系统的角度出发，通过闭环反馈环节采集静止坐标系下的三相电流信号，经过变换处理后得到d-q坐标系下的电流分量i_q、i_d，将给定的电机转速ω^*与电机转速ω作差后,获得速度偏差,将速度偏差作为重复自抗扰控制器的输入，得到电流给定值i_q ^*；将i_q ^*-i_q、i_d ^*＝0分别作为q轴和d轴电流环PI控制器的输入量,从而平稳地控制电机。

以上两种方式均可实现对电机的控制，但都有着明显的缺陷。从电机本体角度对含有大量谐波的九相半匝线圈发电机进行控制时，其数学模型将变得极其复杂，计算相当复杂。而从系统角度出发，传统的电压环和电流环又无法对大量的谐波准确地采样分析。本文采用的基于半匝线圈技术的九相半匝线圈发电机区别于传统发电机。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法，将谐波加以利用，输出带有稳定特定次数谐波的电压电流，实现含有齿谐波的模块化整流组件的矢量控制。

本发明一方面提供了一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置，包括控制器、九相整流器和九相半匝线圈发电机，包括：

子空间分离单元，用以接收九相半匝线圈发电机的相电压，对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间；

扇区判断单元，判断各子空间的参考电压矢量所处的扇区；

工作状态时间单元，用以计算个各子空间各工作状态作用时间；

开关顺序单元，用以根据所述换向时间得到调制波。

进一步的，所述子空间分离单元包括：

坐标变换模块，对所述三相电压坐标变换至dq坐标系；

曲线拟合模块，将电压波形拟合后分离出其谐波成分，并将所述谐波成分的子空间分别经clarke变换投影至α-β子空间，进而得到谐波子空间和基波子空间。

进一步的，所述扇区判断单元包括：

扇区变量归算模块，建立ABCDEFGHI九相坐标系，使A轴与两相静止正交坐标系β轴重合，基波子空间生成九个变量Bj，j＝0，1，…，8；

扇区判断模块，根据变量Bj确定空间矢量所在的扇区；

顺序输出模块，将扇区输出顺序重新排序。

进一步的，所述工作状态时间单元包括：

中间变量模块，计算各工作状态作用时间的中间变量；

中心化处理模块，接收所述中间变量，移相后得到各工作状态的持续时间。

进一步的，所述开关控制单元包括时间转换模块和顺序切换模块。

本发明第二方面提供了一种九相半匝线圈发电机矢量控制方法，包括如下步骤：

接收九相半匝线圈发电机的相电压，对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间；

判断各子空间的参考电压矢量所处的扇区；

计算个各子空间各工作状态作用时间；

根据所述换向时间得到调制波。

进一步的，对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间包括：

对所述三相电压坐标变换至dq坐标系；

将电压波形拟合后分离出其谐波成分，并将所述谐波成分的子空间分别经clarke变换投影至α-β子空间，进而得到谐波子空间和基波子空间。

进一步的，判断参考电压矢量所处的扇区，包括：

建立ABCDEFGHI九相坐标系，使A轴与两相静止正交坐标系β轴重合，基波子空间生成九个变量Bj，j＝0，1，…，8；

根据变量Bj确定空间矢量所在的扇区；

将扇区输出顺序重新排序。

进一步的，计算个各子空间各工作状态作用时间，包括：

计算各工作状态作用时间的中间变量；

接收所述中间变量，移相后得到各工作状态的持续时间。

如上所述，本发明提供的一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置及控制方法，具有如下效果：

本发明利用九相半匝线圈发电机产生的优质谐波电压矢量和九相SVPWM法将基波和谐波子空间的控制信号单独合成并最终组合，解决了传统闭环控制对含有谐波的信号无法准确采样的缺陷。

附图说明

图1为本发明具体实施例的九相半匝线圈发电机矢量控制装置的整体结构框图；

图2为本发明具体实施例的子空间分离单元结构框图；

图3为本发明具体实施例的扇区判断单元结构框图；

图4为本发明具体实施例的工作状态时间单元结构框图；

图5为本发明具体实施例的开关顺序单元结构框图；

图6为本发明具体实施例的九相整流器拓扑电路原理图；

图7为本发明具体实施例的九相半匝线圈发电机矢量控制方法流程图；.

图8为本发明具体实施例的基波和各谐波的矢量分布图，图8a为α₁-β₁子空间对应的电压矢量分布，图8b为α₃-β₃子空间对应的电压矢量分布，图8c为α₅-β₅子空间对应的电压矢量分布，图8d为α₇-β₇子空间对应的电压矢量分布；

图9为本发明具体实施例的扇区划分示意图；

图10为本发明具体实施例搭建的模型示意图；

图11为本发明具体实施例的18扇区顺序输出图；

图12为本发明具体实施例的中间变量波形图；

图13为本发明具体实施例的调制波信号波形图；

图14为本发明具体实施例的负载突变仿真输出波形图；

图15为本发明具体实施例的仿真所得i₁、i₃、i₅、i₇在相应的d-q坐标系下的轨迹图；

图16为本发明具体实施例的仿真系统输出电流、电压波形图，图16a为系统输出电流波形，图16b为系统输出电压波形；

图17为本发明具体实施例的传统整流系统模型图；

图18为本发明具体实施例的九相整流系统FFT变换与THD分析结果图；

图19为本发明具体实施例的三三相整流系统FFT变换与THD分析结果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本实施例的一种九相半匝线圈发电机矢量控制装置，包括控制器、九相整流器和九相半匝线圈发电机，包括子空间分离单元100、扇区判断单元200、工作状态时间单元300、开关顺序单元400和自然采样单元500，其中，子空间分离单元100，用以接收九相半匝线圈发电机的相电压，对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间；扇区判断单元200用以判断参考电压矢量所处的扇区；工作状态时间单元300用以计算个各子空间各工作状态作用时间；开关顺序单元400用以根据所述换向时间得到调制波。

如图2所示，本实施例中子空间分离单元100用以将子空间分离，进行后续的计算，其包括坐标变换模块101和曲线拟合模块102，其中，坐标变换模块101，用以对所述三相电压坐标变换至dq坐标系；曲线拟合模块102，用以将电压波形拟合后分离出其谐波成分，并将所述谐波成分的子空间分别经clarke变换投影至α-β子空间，进而得到谐波子空间和基波子空间。

空间矢量调控的第一步是判断α-β决定的空间电压矢量所处的扇区，本实施例的扇区判断单元200如图3所示，包括扇区变量归算模块201、扇区判断模块202和顺序输出模块203，其中扇区变量归算模块，用以建立ABCDEFGHI九相坐标系，使A轴与两相静止正交坐标系β轴重合，基波子空间生成九个变量B_j，j＝0，1，…，8；扇区判断模块，用以根据变量Bj确定空间矢量所在的扇区；顺序输出模块，用以将扇区输出顺序重新排序并输出。

本实施例的工作状态时间单元300如图4所示，包括中间变量模块301和中心化处理模块302，其中中间变量模块，在每个扇区内，根据相邻的两个电压矢量和零矢量合成每个扇区内的期望电压矢量，得到所述期望电压矢量对应的两条相邻电压矢量作用时间，该作用时间为中间变量；中心化处理模块，接收所述中间变量，移相后得到各工作状态的持续时间，并且具有防止过调制的作用。

本实施例所述开关控制单元400如图5所示，包括时间转换模块401和顺序切换模块402，所述时间转换模块将所述时间转换模块401通过工作状态的持续时间得到开关管工作时间，顺序切换模块402用以将信号转换成调制波信号。

如图7所示，本实施例一种九相半匝线圈发电机矢量控制方法，包括如下步骤：

S1、接收九相半匝线圈发电机的相电压，对所述相电压进过坐标变换和曲线拟合后分离出谐波子空间和谐波子空间；

本步骤具体包括如下步骤：

S11、对所述三相电压坐标变换至dq坐标系；

S12、将电压波形拟合后分离出其谐波成分，并将所述谐波成分的子空间分别经Clarke变换投影至α-β子空间，进而得到谐波子空间和基波子空间。

本实施例中的九相永磁同步电机陈胜的电流主要由基波、三次、五次和七次谐波构成，更高次的谐波含量很低，可以忽略不计，本实施例的九相整流器工有2⁹＝512个工作状态，其余510个工作状态对应着不同的非零电压矢量，基波矢量和谐波矢量投影至α-β子空间中得到基波电压矢量、三次谐波电压矢量、五次谐波电压矢量和七次谐波电压矢量如下：

式中，U_dc为直流母线电压，γ＝e^j2π/9,e^jx＝cosx+jsinx；

定义开关函数

根据基波电压矢量、三次谐波电压矢量、五次谐波电压矢量和七次谐波电压矢量得到四个子空间电压矢量分布图如图8所示。在α₁-β₁，α₅-β₅和α₇-β₇子空间内工作状态(000000000)和(111111111)与零矢量对应，在α₃-β₃子空间只存在零矢量和36个非零电压矢量。把512个工作状态在各α-β子空间对应的电压矢量全部用来合成期望输出电压矢量是不切实际的，本实施例将除(000000000)和(111111111)外其余工作状态分为四组，分别为{1_on-8_off}，{2_on-7_off}，{3_on-6_off}和{4_on-5_off}，大括号内数字表示上桥臂导通或断开的桥臂数目。根据相邻导通桥臂合成幅值最大矢量的原理，分别从{1_on-8_off}，{2_on-7_off}，{3_on-6_off}和{4_on-5_off}四组工作状态中选择18个幅值最大的工作状态{1_on-8_off}_max、{2_on-7_off}_max、{3_on-6_off}_max和{4_on-5_off}_max，每个子空间有72个工作状态，所述72个工作状态在各子空间对应的电压矢量来合成期望输出电压矢量，这72个矢量在空间中分布在18个方向。因此各子空间被72个工作状态对应的电压矢量划分为18个扇区。

S2、判断各子空间的参考电压矢量u_1ref、u_3ref、u_5ref、u_7ref所处的扇区；

S21、在基波的α-β子空间内将电压矢量划分为18个扇区，以以0°～20°作为第一扇区，按照逆时针顺序编号，建立ABCDEFGHI九相坐标系，使A轴与两相静止正交坐标系β轴重合，基波子空间生成九个变量B_j，j＝0，1，…，8，B_j为u_α1和u_β1在九相坐标系的投影；

S22、根据变量Bj确定空间矢量所在的扇区；

引入函数sgn(x)，且

定义扇区判断值P：

根据P值得到参考电压矢量所在的扇区。

S23、将扇区输出顺序重新排序。

本实施例采用simulink中的一个switch元件将原本的输出顺序改变使其1到18顺序输出，目的是简化后续计算，降低模型搭建难度。

S3、计算个各子空间各工作状态作用时间；

S31、所述工作状态包括非零工作状态和零工作状态，本实施例中8个非零工作状态的作用时间分别为t_i，(i＝1，2，…，8)，零工作状态作用时间分别为t₀和t₉，根据伏秒平衡原理得到各工作状态作用时间的中间变量t_x和t_y，所述中间变量t_x和t_y为电压矢量在每个扇区分解成u_x和u_y的作用时间，如下式所示；

式中，T_s为九相整流器的开关周期；u_x1、u_x2、u_x3、u_x4、u_y1、u_y2、u_y3、u_y4分别为各子空间内期望电压矢量u_vref(ν＝1，3，5，7)在其所处扇区两个边界的投影值为：

式中，θ_ν(ν＝1，3，5，7)为α_v-β_v子空间内期望电压矢量u_νref与第一扇区起始边的夹角；

设四个常量K_j(j＝1，2，3，4)，令K₁＝sin(π/9)，K₂＝sin(2π/9)，K₃＝sin(3π/9)，K₄＝sin(4π/9)。{1_on-8_off}_max、{2_on-7_off}_max、{3_on-6_off}_max和{4_on-5_off}_max在各α-β子空间对应的电压矢量幅值如表1所示。

表1四组工作状态在各α-β子空间对应电压矢量的幅值

子空间	{1<sub>on</sub>-8<sub>off</sub>}<sub>max</sub>	{2<sub>on</sub>-7<sub>off</sub>}<sub>max</sub>	{3<sub>on</sub>-6<sub>off</sub>}<sub>max</sub>	{4<sub>on</sub>-5<sub>off</sub>}<sub>max</sub>
					α<sub>1</sub>-β<sub>1</sub>	U<sub>E</sub>	U<sub>H</sub>	U<sub>I</sub>	U<sub>L</sub>
α<sub>3</sub>-β<sub>3</sub>	U<sub>E</sub>	U<sub>E</sub>	U<sub>M</sub>	U<sub>E</sub>
					α<sub>5</sub>-β<sub>5</sub>	U<sub>E</sub>	U<sub>A</sub>	U<sub>D</sub>	U<sub>C</sub>
α<sub>7</sub>-β<sub>7</sub>	U<sub>E</sub>	U<sub>G</sub>	U<sub>F</sub>	U<sub>B</sub>

表中U_A,U_B,…,U_M为个工作状态所对应相电压，其中：

U_A＝K₁/K₄*U_E；U_B＝K₁/K₂*U_E；U_C＝K₂/K₄*U_E；U_D＝K₃/K₄*U_E；U_F＝K₃/K₂*U_E；U_G＝K₄/K₂*U_E；U_H＝K₂/K₁*U_E；U_I＝K₃/K₁*U_E；U_L＝K₄/K₁*U_E；U_M＝0,U_E＝2/9*U_d。

本实施例中九相半匝线圈发电机含有较复杂的谐波对开关时间的计算造成影响，所以将各子空间的情况分别计算，如表2所示。

表2各子空间各工作状态作用时间

零工作状态的作用时间之和为：

两个零工作状态的作用时间没有唯一解，因此存在一个自由度。根据表1可知本文采用零矢量分散的实现方法，即将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、尾各放一份，在中间放两份。

S32、接收所述中间变量，移相后得到各工作状态的持续时间。本实施例采用扇区判断坐标变换的反变换过程实现，所述移相是指现有技术中常用的数学中三角函数的移相方式。

S4、根据所述换向时间得到调制波；当电压空间矢量处于某个扇区时，此时整流器开关管对电压的控制是通过改变此扇区两条边所对应的工作状态持续时间t_x、t_y来完成。

具体包括如下步骤：

S41、中间变量t_x、t_y通过下式得到矢量切换点t_jon(j＝1,2,......,9)；

上式结合表2得到开关管的切换顺序。为了确定调制系数的最大值防止过调制，引入了调制约束，特别地，切换模式中涉及的工作状态和零矢量的配置须是非必负的，所以本实施例结合上述条件得到调制约束为：t₁+t₂+t₃+t₄+t₅+t₆+t₇+t₈≤1；

结合所述调制约束得到约束条件：

上述条件为满足电压空间矢量落在α1-β1子空间的第一扇区时，将此过程扩展到α1-β1子空间上的所有18扇区，得到如图8所示的18边正多边形，期望空间电压矢量u_1ref被限制在所述18边多边形内，在这种情况下，最大电压幅值对应于在极限多边形内接的圆的半径。

S42、经过顺序切换得到调制波，输入到自然采样单元，所述自然采样将载波与调制波比较，产生最终的开关管控制信号。本实施所述顺序切换得到调制波的过程以及生成开关管控制信号的过程可以采用现有技术中的程序或方法实现，由于该部分不是本申请的重点，本申请不再赘述。

本实施例的由于基波与谐波同时存在时，由于各子空间的期望空间电压矢量u_1ref、u_3ref、u_5ref、u_7ref旋转速度不同，同一时刻它们分别处在不同的扇区，实际电压波形的每一个波峰是由三个不同相的电压叠加而成，因此在对于由半匝线圈电机产生的特殊电压波形，我们将各空间对应的开关顺序分别计算后经过逻辑电路得到最后的晶闸管开关信号。

为了对本实施例进行进一步验证，本实施例进行建模验证，模型如图10所示，本实施例首先在Ansoft Maxwell中建立的三相永磁同步九相半匝线圈发电机模型，得到交流电压输出结果，然后，将其运行结果导入到Simulink中来作为整流系统的输入端，电机的九相分别用九个受控电流源来表示，作为系统的电源输入。由于半匝线圈发电机的电压中3次谐波成分较少，所以扇区判断模块输出了三个值，分别代表基波，5次、和7次谐波的扇区信息；

所述模型扇区判断单元仿真结果如图11所示，18个扇区在对应的时间里可以有序循环输出。工作状态作用时间单元输出结果如图12所示，该结果为u_vref在每个扇区所对应的两条相邻电压矢量作用时间t_x、t_y，开关顺序控制单元输出的调制波信号如图13所示。

当系统负载发生突变时，图14所示为仿真系统输出电压电流波形，图14a为负载突增时输出电流波形，图14b为负载突减时输出电流波形，当负载突增或突减时系统反应迅速，动态响应强。

图15所示为仿真计算得到的空间电流矢量i₁、i₃、i₅、i₇在相应的d-q坐标系下的轨迹。图15a为空间电流矢量i₁在dq坐标系下的轨迹，图15b为空间电流矢量i₃在dq坐标系下的轨迹，图15c为空间电流矢量i₅在dq坐标系下的轨迹，图15d为空间电流矢量i₇在dq坐标系下的轨迹，四组空间电流矢量的幅值由大到小，而且沿着圆形轨道匀速运动。

图16为仿真系统最终整流得到的电流及电压波形，由图分析可知系统经过0.001秒即可达到稳定，稳定值为1000A/5V。直流脉动频率高达4000Hz，相对于传统直流电大大提高了系统稳定性，同时减小了对滤波电容的要求。

为进一步说明本实施例的效果，搭建与之对比的传统整流系统如图17。首先将发电机中性点分离构成不对称的结构，其输出九相电可分成三组常规三相电，再对其分别整流，最后将三个直流电并联以达到最终的目标，这个过程简称三三相整流。

三三相整流将原本的九相分开控制，矢量选取不够灵活，并且电压空间的分离过于复杂计算量要远大于本文所述九相矢量控制算法。同时三三相整流控制策略每个周期Mosfet换向6次，九相控制策略每个周期换向18次，而特种发电机系统的开关频率高达54次，三三相整流控制策略开关频率较低，导致直流侧脉动频率低，脉动幅值较大，输出失真率高。图18、19为三三相整流系统与九相整流系统的FFT变换与THD分析结果图。

综上可见，本发明对于九相半匝线圈发电机的SVPWM整流控制方法，通过基波和谐波子空间的灵活运用，协调并优化72矢量和18扇区的综合应用，不仅实现了对含有谐波的电源电压的控制，并大大提高了系统响应速度及直流侧脉动频率，减小了对滤波电容的需求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。