CN110277942A - 简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制*** - Google Patents

Abstract

一种简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，控制***装置包括：永磁同步电机、三相整流电路、辅助电源模块、两电平逆变电路，DSP核心控制板分别连接电压检测电路、电源驱动电路、功率驱动电路、电流检测电路、旋转变压器和多位LED显示电路，电压检测电路和功率隔离驱动电路分别连接在逆变电路，逆变电路连接永磁同步电机，永磁同步电机分别连接电压检测电路、电流检测电路和旋转变压器。与现有的永磁同步电机控制器，采用更少的IGBT模块数量实现了三电平的输出，在负载下仍能维持电机的稳定运行，其稳态谐波畸变率低，减小输出端电压变化率，减小转矩脉动，负载突变条件下动态响应速度快。

Description

简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***

技术领域：

本发明涉及一种简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***。

背景技术：

随着科技的不断进步，我国提出加快实现工业自动化的进程。永磁同步电机作为一种高效的执行机构，具有多种优点，例如在工控领域、电力传动领域有着不可替代的地位。传统的两电平电机控制器通常输出端存在高次谐波，对电机的运行产生影响，因此采用多电平形式。虽然多电平逆变器降低了输出端的电压谐波和变化率，但是却使功率开关管数量增加，造成了成本的增加，同时也使控制方式变得困难。

发明内容：

本发明的目的是提供一种简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，其组成包括：DSP核心控制板和旋转变压器电路，所述的DSP核心控制板通过线路分别与电流检测电路、电源驱动电路、功率驱动电路、电压检测电路、LED显示电路和所述的旋转变压器电路连接，所述的电源驱动电路与辅助电源模块连接，所述的电源辅助模块分别与所述的逆变电路和三相整流电路连接，所述的功率驱动电路与逆变电路连接，所述的逆变电路分别连接所述的电压检测电路和永磁同步电机连接，所述的永磁同步电机与所述的旋转变压器电路连接，其中，所述旋转变压器电路包括旋转变压器激励电路和旋转变压器信号接收电路，所述的逆变电路采用两电平逆变电路，所述的永磁同步电机控制***采用直接转矩控制策略，利用基于滑模控制的直接转矩控制。

所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，所述的三相整流电路包括整流模块电路，所述的整流模块电路包括二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，其中，D1和D2、D3和D4、D5和D6先两两串联然后分别并联。

所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，所述的辅助电源模块包括辅助电源模块电路，所述的辅助电源模块电路包括电容C1和C2，IGBT模块SA1、SA2、SA3和SA4，其中，C1和C2串联连接，SA1和SA2串联之后在与C1并联连接，SA3和SA4串联之后在与C2并联连接。

所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，所述的逆变电路包括逆变模块电路，所述逆变模块电路包括IGBT模块VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6，所述VT1和VT4串联、VT3和VT6串联、VT5和VT2串联，然后互相并联，所述的永磁同步电机分别连接在VT1和VT4之间、VT3和VT6之间、VT5和VT2之间。

所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***的控制方法，该方法包括如下步骤：

（1）通过按键设置相应的电机转速，对380V的工频交流电进行整流处理，形成电压为537V的直流母线电压。将母线电压通入电容C1和电容C2两端。DSP输出2路PWM信号，通过电源驱动电路，使电源辅助模块开始输出电压，给逆变模块供电。电机的转矩是通过扭矩传感器反馈给DSP；电机的转子位置经过旋转变压器输出，经过调理电路后在反馈给DSP；

（2）当电机的转速大于设定转速时，电流检测电路和电压检测电路将检测到的电流和电压经过处理后，发送给DSP，DSP接收到电压和电流信号，进行CLARK变换，转成相应的αβ坐标系下的电流及电压值，合成相应的磁链。根据磁链和转矩的滑模控制器输出，使磁链和转矩减小，通过空间电压矢量的调制，使功率驱动电路输出的PWM发生变化，改变逆变电路开关管的工作状态，使电机减速转动，达到设置的转速稳定运行，电机减速过程结束；

（3）当电机的转速小于设定转速时，电流检测电路和电压检测电路将检测到的电流和电压经过处理后，发送给DSP，DSP接收到电压和电流信号，进行CLARK变换，转成相应的αβ坐标系下的电流及电压值，合成相应的磁链。根据磁链和转矩的滑模控制器输出，使磁链和转矩增加，通过空间电压矢量的调制，使功率驱动电路输出的PWM发生变化，改变逆变电路开关管的工作状态，使电机加速转动，达到设置的转速稳定运行，电机加速过程结束。

本发明的有益效果：

1.本发明采用直接转矩的控制方式，减少了计算过程。

本发明改变了传统的三电平拓扑，减少了功率开关管的数量。

本发明提出了滑模控制的直接转矩控制，解决传统直接转矩控制存在的转矩脉动的问题。

、本发明采用旋转变压器电路作为有位置传感方式，实现了对永磁同步电机转子位置的精确判断。

本发明的采用永磁同步电机作为被控制元件，采用转矩、磁链双闭环控制策略，以及直接转矩控制策略，使本发明具有较好的静态特性；采用直接位置检测方法得到转子位置信息，通过旋转变压器电路实现转子位置的实时检测。永磁同步电机控制***采用直接转矩控制策略，利用基于滑模控制的直接转矩控制，解决传统直接转矩控制存在的转矩脉动的问题。同时永磁同步电机控制***采用空间电压矢量调制SVPWM对逆变电路进行控制；采用七段式SVPWM，包括3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量，3段零矢量分别位于PWM波的开始、中间和结尾，在每个扇区均以000零矢量开始和结束，111零矢量插在中间，它们的作用时间相同，这样保证每个PWM波输出只能是功率管开关一次。

附图说明：

附图1控制***结构框图；

附图2控制***主拓扑图；

附图3 电源驱动电路；

附图4 功率驱动电路；

附图5 旋转变压器激励电路；

附图6 旋转变压器信号接收电路；

附图7 电流检测电路；

附图8 电压检测电路；

附图9 ***软件主程序结构图；

附图10 A/D转换中断服务子程序流程图；

附图11 故障保护子程序流程图；

具体实施方式：

实施例1：

DSP采用TI公司C2000系列的TMS320F28335作为主控芯片。TMS320F28335指令周期低至6.67ns，具备多达56个复用I/O口，同时包含16个12位A/D中断，3 个32 位CPU定时器，支持空闲模式、备用模式和暂停模式，能够满足本发明的设计要求，包含有供电电路、复位电路以及SRAM 扩展电路的TMS320F28335 最小***。

如图3所示，电源驱动电路的主芯片选用TLP250，为TLP250前端加入74LS04反相器，将整体信号逻辑变为正逻辑。R220为1kΩ电阻，该电阻阻值主要根据光耦的光电传输比决定。光耦右侧设计负压关断电路，用20V供电电源以及一个5.1V稳压管产生+15V与-5V的IGBT开启电压以及关断电压，以起到提高IGBT的关断速度的作用，电阻R222为驱动电阻，驱动电阻的取值根据IGBT的驱动电流取，典型值为50~100Ω。L1为发光二极管，使得能够直观的看到驱动信号的变化。

如图4所示，功率驱动电路选用的是2SD315A集成驱动模块。该模块具有很强的驱动能力，具备隔离功能，输出最大电流达15A，是由15V电源模块提供，逻辑电平是5~15V，模块本身带有过流保护功能。该驱动模块具有工作选择模式MOD端口。当MOD端口接高电平，同时RC1与RC2必须接地，此时模块工作于直接模式，两路输出相互独立；当MOD端口接低电平，模块工作于半桥模式，此时死区时间由RC1和RC2外接的RC串联决定。同时，VL是识别信号，决定信号电平幅值。SO1与SO2端口是故障输出端口，内部采用集电极开路输出，需要外接上拉电阻。

如图5所示，旋转变压器激励电路包括电阻R2、R1、R3、R4、R5 和R6，电容C1、C4、C2和C3，运算放大器LM1 和LM2，型号为LM358，R2 分别连接R1、R3 和C1，C1 连接地线，R3 分别连接C4 和LM1 的负极，R1 分别连接C4、LM1 和R4，LM1 分别连接+5V 电源、地线，LM1正极连接Vref端点，R4 分别连接LM2 正极和C2，C2 连接地线，LM2 分别连接VCC 端点、地线和端点Vout，LM2 负极分别连接R5、R6 和C3，R6 并联C3，R6 连接端点Vout。

如图6所示，旋转变压器信号接收电路包括电阻R11、R12、R13、R14 和R15，电容C11、C12 和C13，运算放大器LM3 和LM4，型号为LM358，R12 分别连接R11、C11 和LM3 的负极，R11 并联C11，LM3 分别连接+5V 电源、端点Vref和地线，R11 分别连接LM3 和R13,R13分别连接C12、R14 和R15，C12 连接地线，R14 分别连接C13 和LM4 的负极，R15 分别连接C13、LM4 和端点Vout，LM4 分别连接VCC 端点、地线和Vref端点。

如图7所示，电流检测电路包括闭环霍尔电流传感器CHB-50SF、电阻R36、电阻R37、电容C12、运算放大器U6A、电阻R38、电阻R39、电阻R40、运算放大器U7A、电阻R42、运算放大器U7B、电阻R44、电阻R41、二极管D5、二极管D6、电容C13；运算放大器的型号均为LM358，R36为采样电阻，取值25Ω，由于CHB-50SF 的匝数比为1:1000，限制原边交流电流在-60A 及+60A 之间，则副边最大电流为60mA，此时电压值为-1.5V~+1.5V。采用电压可编程的产生1.5V 直流偏置，经过包含有两个集成运算放大器的LM358 组成的加法器电路，将最终的电压控制在0~3V 之间，检测电流范围为-60A~+60A，0V 对应-60A、3V 对应+60A。加法器电路电阻均为10k，无源低通滤波器电阻阻值均为10k，电容均为103。D5、D6 为起保护作用的钳位二极管，型号选用IN4148。

如图8所示，电压检测电路包括电阻R25、闭环霍尔电压传感器CHV-25P/600、电阻R26、电阻R27、电容C10、运算放大器U2A、电阻R28、电阻R32、运算放大器U2B、电阻R34、二极管D3、二极管D4 和电容C11；本发明限制直流母线电压低于800V，取R25 为80k，则电压为800V 时的原边电流为10mA。由于CHV-25P/600 的匝数比为2500:1000，所以副边感应电流最大值为25mA，取副边电阻为100Ω，则电压最大值为2.5V。故在本发明中直流侧电压范围0~800V，副边电压范围为0~2.5V。其余部分元件取值参考电流检测电路。

实施例2：

***的软件部分包括主程序、A/D转换子程序、故障保护子程序、捕获中断子程序、T1周期中断子程序。

（1）主程序

如图10所示，***进入主程序入口，对DSP控制芯片内部初始化，包括I/O口的初始化、中断向量表初始化、变量初始化、A/D初始化，程序复位，配置完成后等待中断。

（2）A/D转换中断服务子程序

图11为A/D转换中断服务子程序流程图，该子程序目的是对采样的模拟信号转化成小信号，DSP对转换结果读取后，进行电流和电压进行CLARKE变换，对相应的磁链和转矩进行控制。

（3）保护中断子程序

保护中断子程序，该部分保证***安全、可靠运行，当DSP检测到过压、过流、短路等故障信号时，DSP进入保护中断，封锁PWM脉冲，设置故障标志，等待。

Claims (5)

1.一种简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，其组成包括：DSP核心控制板和旋转变压器电路，其特征是：所述的DSP核心控制板通过线路分别与电流检测电路、电源驱动电路、功率驱动电路、电压检测电路、LED显示电路和所述的旋转变压器电路连接，所述的电源驱动电路与辅助电源模块连接，所述的电源辅助模块分别与所述的逆变电路和三相整流电路连接，所述的功率驱动电路与逆变电路连接，所述的逆变电路分别连接所述的电压检测电路和永磁同步电机连接，所述的永磁同步电机与所述的旋转变压器电路连接，其中，所述旋转变压器电路包括旋转变压器激励电路和旋转变压器信号接收电路，所述的逆变电路采用两电平逆变电路，所述的永磁同步电机控制***采用直接转矩控制策略，利用基于滑模控制的直接转矩控制。

2.根据权利要求1所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，其特征是：所述的三相整流电路包括整流模块电路，所述的整流模块电路包括二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，其中，D1和D2、D3和D4、D5和D6先两两串联然后分别并联。

3.根据权利要求1或2所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，其特征是：所述的辅助电源模块包括辅助电源模块电路，所述的辅助电源模块电路包括电容C1和C2，IGBT模块SA1、SA2、SA3和SA4，其中，C1和C2串联连接，SA1和SA2串联之后在与C1并联连接，SA3和SA4串联之后在与C2并联连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***，其特征是：所述的逆变电路包括逆变模块电路，所述逆变模块电路包括IGBT模块VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6，所述VT1和VT4串联、VT3和VT6串联、VT5和VT2串联，然后互相并联，所述的永磁同步电机分别连接在VT1和VT4之间、VT3和VT6之间、VT5和VT2之间。

5.一种权利要求1—4之一所述的简化的三电平逆变器驱动永磁同步电机控制***的控制方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

（1）通过按键设置相应的电机转速，对380V的工频交流电进行整流处理，形成电压为537V的直流母线电压。将母线电压通入电容C1和电容C2两端。DSP输出2路PWM信号，通过电源驱动电路，使电源辅助模块开始输出电压，给逆变模块供电；电机的转矩是通过扭矩传感器反馈给DSP；电机的转子位置经过旋转变压器输出，经过调理电路后在反馈给DSP；

（2）当电机的转速大于设定转速时，电流检测电路和电压检测电路将检测到的电流和电压经过处理后，发送给DSP，DSP接收到电压和电流信号，进行CLARK变换，转成相应的αβ坐标系下的电流及电压值，合成相应的磁链。根据磁链和转矩的滑模控制器输出，使磁链和转矩减小，通过空间电压矢量的调制，使功率驱动电路输出的PWM发生变化，改变逆变电路开关管的工作状态，使电机减速转动，达到设置的转速稳定运行，电机减速过程结束；

（3）当电机的转速小于设定转速时，电流检测电路和电压检测电路将检测到的电流和电压经过处理后，发送给DSP，DSP接收到电压和电流信号，进行CLARK变换，转成相应的αβ坐标系下的电流及电压值，合成相应的磁链。根据磁链和转矩的滑模控制器输出，使磁链和转矩增加，通过空间电压矢量的调制，使功率驱动电路输出的PWM发生变化，改变逆变电路开关管的工作状态，使电机加速转动，达到设置的转速稳定运行，电机加速过程结束。