級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統及其控制方法

級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統及其控制方法
【專利摘要】級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統及其控制方法，屬于電力電子控制【技術領域】的發明。它解決了現有新能源電動汽車上牽引電機輸出諧波多、輸出電能質量低，進而影響新能源電動汽車的安全性和舒適度的問題。在本發明中，摒棄了傳統的牽引電機驅動器的架構，提出了基于串聯級聯式和并聯級聯式多電平變換器的拓撲結構和控制技術，除了能夠實現電機的高性能驅動控制外，還解決了單一的直流電源供電問題，同時優化了控制方法，針對內嵌式永磁同步電機在低速、中速和高速過程中對電流諧波的不同要求，提出了更加合理的多電平電流波形輸出設計。本發明適用于新能源汽車等需要高效率，高性能輸出，單一電源提供能量來源的場合。
【專利說明】級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力電子控制【技術領域】，具體涉及一種級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統。
【背景技術】
[0002]目前,傳統的級聯式多電平變換器(CHB, Cascaded H-bridge converter)大量的應用于永磁同步電機的驅動控制電路中，其優勢在于能夠減少輸出電壓中的諧波和獲得更低的du/dt，能夠減小產生的共模電壓，降低電機的軸向壓力提高輸出功率，降低開關頻率，同時具有模塊化可擴展功能和更高的穩定性。但是傳統的級聯式多電平轉換器多采用若干個獨立直流電源供電，這就推高了成本，降低了效率，同時給設計帶來很大困難，特別是在新能源電動汽車/混合動力汽車這種只包含有一個電池組作為直流電源供電的情況下，如何提供其余的多個獨立直流電源就成了一個急需解決的問題。
[0003]在解決這個問題上，各國科學家多采用簡化級聯式多電平拓撲結構的辦法來實現其拓撲結構的最優化，最大限度的減少對獨立電源數量上的需求，同時尋求其他替代電源比如電池組、超級電容或燃料電池等的方法來實現多電源供電。但是，最優化后的拓撲結構仍然需要多個獨立的直流電源，同時這些替代電源在設計上并不適用于像新能源汽車類的單一電源工作環境。還有科學家采用多繞組曲折變壓器來實現供電需求，但是這種變壓器體積龐大，設計上困難，且工程成本比較高。現有的應用于新能源電動汽車上的級聯式多電平變換器輸出諧波多、輸出電能質量低，進而影響新能源電動汽車的舒適度。

【發明內容】

[0004]本發明是為解決現有新能源電動汽車上牽引電機輸出諧波多、輸出電能質量低，進而影響新能源電動汽車的安全性和舒適度的問題，而提出了級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統及其控制方法。
[0005]本發明提供了兩種級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，分別為:
[0006]第一種級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統為串聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括串聯驅動器、永磁同步電機、信號調理電路、DSP控制器、旋轉變壓器、解碼電路、人機接口、第一電流傳感器、第二電流傳感器、直流電源、電容、電阻Rl和電阻R2，
[0007]所述直流電源的正極同時與電容的一端、電阻Rl的一端和串聯驅動器的直流輸入電源正極端相連，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器的母線電壓信號輸入端相連，直流電源的負極同時與電容的另一端、電阻R2的另一端和串聯驅動器的直流輸入電源負極端相連；
[0008]所述串聯驅動器包括三相主H橋變換器、三相從H橋變換器和串聯三相變壓器，所述三相主H橋變換器的三個主H橋單元分別與串聯三相變壓器的三個原邊相連，串聯三相變壓器的三個副邊分別與三相從H橋變換器的三個不控整流輸入端相連，三相主H橋變換器的共發射極端即為串聯驅動器的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器的共集電極端即為串聯驅動器的直流輸入電源負極端，
[0009]所述串聯驅動器的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機的三相驅動信號輸入端相連，旋轉變壓器用于檢測永磁同步電機轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路的轉速信號輸入端，解碼電路的解碼信號輸出端與DSP控制器的解碼信號輸入端相連，第一電流傳感器用于采集永磁同步電機的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器用于采集永磁同步電機的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器的兩個調理信號輸入端相連，DSP控制器的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控制信號輸出端分別與串聯驅動器的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端相連，DSP控制器的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口的多個通信信號輸出/輸入端相連。
[0010]第二種級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統為并聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括并聯驅動器、永磁同步電機、信號調理電路、DSP控制器、旋轉變壓器、解碼電路、人機接口、第一電流傳感器、第二電流傳感器、直流電源、電容、電阻Rl和電阻R2，
[0011]所述直流電源的正極同時與電容的一端、電阻Rl的一端和并聯驅動器的直流輸入電源正極端連接，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器的母線電壓信號輸入端連接，直流電源的負極同時與電容的另一端、電阻R2的另一端和并聯驅動器的直流輸入電源負極端連接；
[0012]所述并聯驅動器包括三相主H橋變換器、三相從H橋變換器和并聯三相變壓器，所述三相主H橋變換器的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機的三相驅動信號輸入端連接，并聯三相變壓器的三個原邊分別與永磁同步電機定子的三相定子繞組并聯，并聯三相變壓器的三個副邊分別與三相從H橋變換器的三個不控整流輸入端連接，三相主H橋變換器的共發射極端即為并聯驅動器的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器的共集電極端即為并聯驅動器的直流輸入電源負極端，
[0013]所述永磁同步電機的電機轉速信號輸出端與旋轉變壓器的電機轉速信號輸入端連接，旋轉變壓器用于檢測永磁同步電機轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路的轉速信號輸入端，解碼電路的解碼信號輸出端與DSP控制器的解碼信號輸入端連接，第一電流傳感器用于采集永磁同步電機的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器用于采集集永磁同步電機的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器的兩個調理信號輸入端連接，DSP控制器的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控制信號輸出端分別與并聯驅動器的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端連接，DSP控制器的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口的多個通信信號輸出/輸入端連接。
[0014]基于上述第一種串聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法包括如下步驟:[0015]用于采集串聯驅動器輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟；
[0016]用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟；
[0017]用于通過第一電流傳感器和第二電流傳感器采集永磁同步電機的驅動電流的電流采集步驟；
[0018]用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟；
[0019]用于通過旋轉變壓器采集永磁同步電機的轉速的電機轉速采集步驟；
[0020]用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟；
[0021]用于控制三相主H橋變換器輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；
[0022]用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到三相變壓器的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟；
[0023]用于控制三相主H橋變換器和三相從H橋變換器同時工作,輸出五電平PWM波驅動串聯三相變壓器的精確控制步驟；
[0024]用于輸出停止信號控制串聯驅動器停止輸出驅動信號的停止步驟。
[0025]基于上述第二種并聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法包括如下步驟:
[0026]用于采集并聯驅動器輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟；
[0027]用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟；
[0028]用于通過第一電流傳感器和第二電流傳感器采集永磁同步電機的驅動電流的電流采集步驟；
[0029]用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟；
[0030]用于通過旋轉變壓器采集永磁同步電機的轉速的電機轉速采集步驟；
[0031]用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟；
[0032]用于控制三相主H橋變換器輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；
[0033]用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到三相變壓器的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟；
[0034]用于控制三相主H橋變換器和三相從H橋變換器同時工作,輸出五電平PWM波驅動并聯三相變壓器的精確控制步驟；
[0035]用于輸出停止信號控制并聯驅動器停止輸出驅動信號的停止步驟。
[0036]本發明采用驅動器與永磁同步電機相連，使應用于新能源電動汽車上的級聯式多電平變換器輸出諧波減少了 30%、輸出電能質量提高了 25%，進而使新能源電動汽車舒適。本發明可用于電動汽車/混合動力汽車等場合。【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為【具體實施方式】一所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的結構示意圖；
[0038]圖2為【具體實施方式】二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的結構示意圖；
[0039]圖3為本發明中串聯三相變壓器和并聯三相變壓器的磁場耦合原理示意圖；
[0040]圖4為【具體實施方式】一所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統中帶變壓器的單相級聯式多電平變換器拓撲結構圖；
[0041]圖5為【具體實施方式】二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統中帶變壓器的單相級聯式多電平變換器拓撲結構圖；
[0042]圖6為【具體實施方式】一所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統中串聯三相變壓器與永磁同步電機連接示意圖；
[0043]圖7為【具體實施方式】二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統中并聯三相變壓器與永磁同步電機連接示意圖；
[0044]圖8為【具體實施方式】九所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的工作過程流程圖；
[0045]圖9為【具體實施方式】十所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的工作過程流程圖。
【具體實施方式】
[0046]【具體實施方式】一、結合圖1說明本實施方式，本【具體實施方式】所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統為串聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括串聯驅動器1、永磁同步電機3、信號調理電路4、DSP控制器5、旋轉變壓器6、解碼電路7、人機接口 8、第一電流傳感器P、第二電流傳感器Q、直流電源VCC、電容CO、電阻Rl和電阻R2，
[0047]所述直流電源VCC的正極同時與電容CO的一端、電阻Rl的一端和串聯驅動器I的直流輸入電源正極端相連，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器5的母線電壓信號輸入端相連，直流電源VCC的負極同時與電容CO的另一端、電阻R2的另一端和串聯驅動器I的直流輸入電源負極端相連；
[0048]所述串聯驅動器I包括三相主H橋變換器a、三相從H橋變換器c和串聯三相變壓器b，所述三相主H橋變換器a的三個主H橋單元分別與串聯三相變壓器b的三個原邊相連，串聯三相變壓器b的三個副邊分別與三相從H橋變換器c的三個不控整流輸入端相連，三相主H橋變換器a的共發射極端即為串聯驅動器I的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器a的共集電極端即為串聯驅動器I的直流輸入電源負極端，
[0049]所述串聯驅動器I的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機3的三相驅動信號輸入端相連，旋轉變壓器6用于檢測永磁同步電機3轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路7的轉速信號輸入端，解碼電路7的解碼信號輸出端與DSP控制器5的解碼信號輸入端相連，第一電流傳感器P用于采集永磁同步電機3)的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路4的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器Q用于采集永磁同步電機3)的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路4的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路4的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器5的兩個調理信號輸入端相連，DSP控制器5的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控制信號輸出端分別與串聯驅動器I的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端相連，DSP控制器5的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口 8的多個通信信號輸出/輸入端相連。
[0050]本實施方式的特點為單電源供電，三相五電平電壓輸出，本實施方式采用串聯三相變壓器為從H橋單元供電，所述串聯三相變壓器是一種低成本高效率的能量傳輸設備，其磁場耦合示意圖如圖3所示，變壓器的磁芯為鐵氧體材料，原邊和副邊按照一定的比例對稱地纏繞多砸線圈。變壓器的原邊串聯在三相輸出主回路里，變壓器的副邊所產生的三相交流電通過整流后給從H橋單元供電。所述串聯三相變壓器屬于高頻變壓器，當輸出電壓頻率達到合適的值，即永磁同步電機轉速上升到一定的值后，變壓器即開始工作；電機轉子位置信號傳感器一般采用旋轉變壓器，其輸出繞組的電壓幅值與電機轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。這樣通過解碼電路可以計算出電機的轉子位置和此時的電機轉速。
[0051]本實施方式中，Ml為主H橋單元，它的供電來自直流電源，SI為從H橋單元，Ml和SI組成了傳統的單相級聯式多電平H橋單元。REl為不控整流器，變壓器的副邊輸出的高頻交流電通過REl整流成直流電源,給從H橋單元SI供電，如圖4所示。
[0052]本實施方式中，變壓器的初級線圈同永磁同步電機的定子繞組一起串聯在主回路里，兩者之間幾乎沒有磁場的耦合作用，如圖6所示。
[0053]【具體實施方式】二、結合圖2說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統為并聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括并聯驅動器2、永磁同步電機3、信號調理電路4、DSP控制器5、旋轉變壓器6、解碼電路7、人機接口 8、第一電流傳感器P、第二電流傳感器Q、直流電源VCC、電容CO、電阻RO和電阻Rl，
[0054]所述直流電源VCC的正極同時與電容CO的一端、電阻Rl的一端和并聯驅動器2的直流輸入電源正極端連接，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器5的母線電壓信號輸入端連接，直流電源VCC的負極同時與電容CO的另一端、電阻R2的另一端和并聯驅動器2的直流輸入電源負極端連接；
[0055]所述并聯驅動器2包括三相主H橋變換器a、三相從H橋變換器c和并聯三相變壓器d,所述三相主H橋變換器a的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機3的三相驅動信號輸入端連接，并聯三相變壓器d的三個原邊分別與永磁同步電機3定子的三相定子繞組并聯，并聯三相變壓器d的三個副邊分別與三相從H橋變換器c的三個不控整流輸入端連接，三相主H橋變換器a的共發射極端即為并聯驅動器2的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器a的共集電極端即為并聯驅動器2的直流輸入電源負極端，
[0056]所述永磁同步電機3的電機轉速信號輸出端與旋轉變壓器6的電機轉速信號輸入端連接，旋轉變壓器6用于檢測永磁同步電機3轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路7的轉速信號輸入端，解碼電路7的解碼信號輸出端與DSP控制器5的解碼信號輸入端連接，第一電流傳感器P用于采集永磁同步電機3的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路4的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器Q用于采集集永磁同步電機3的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路4的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路4的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器5的兩個調理信號輸入端連接，DSP控制器5的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控制信號輸出端分別與并聯驅動器2的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端連接，DSP控制器5的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口 8的多個通信信號輸出/輸入端連接。
[0057]本實施方式的特點為單電源供電，三相五電平電壓輸出，本實施方式采用并聯三相變壓器為從H橋單元供電，所述并聯三相變壓器是一種低成本高效率的能量傳輸設備，其磁場耦合示意圖如圖3所示，變壓器的磁芯為鐵氧體材料，原邊和副邊按照一定的比例對稱地纏繞多砸線圈。變壓器的原邊分別與永磁同步電機的三相定子繞組并聯，變壓器的副邊所產生的三相交流電通過整流后給從H橋單元供電。所述并聯三相變壓器屬于高頻變壓器，當輸出電壓頻率達到合適的值，即永磁同步電機轉速上升到一定的值后，變壓器即開始工作；電機轉子位置信號傳感器一般采用旋轉變壓器，其輸出繞組的電壓幅值與電機轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。這樣通過解碼電路可以計算出電機的轉子位置和此時的電機轉速。
[0058]本實施方式中，Ml為主H橋單元，它的供電來自直流電源，SI為從H橋單元，Ml和SI組成了傳統的單相級聯式多電平H橋單元。REl為不控整流器，變壓器的副邊輸出的高頻交流電通過REl整流成直流電源，給從H橋單元SI供電，如圖5所示。
[0059]本實施方式中，變壓器的初級線圈同永磁同步電機的三相定子繞組一起并聯在主回路里，兩者之間幾乎沒有磁場的耦合作用，如圖7所示。
[0060]【具體實施方式】三、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一或二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述DSP控制器5采用芯片型號為TMS320F2812的32位DSP芯片實現。
[0061]【具體實施方式】四、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一或二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述解碼電路7中采用型號為AD2S90或AD2S99的解碼芯片實現。
[0062]本實施方式中，AD2S90為AD公司生產的對感應同步器信號進行數字化處理的專用芯片，具有體積小、結構簡單、可靠性高、易于調試和輸出多種信號模式等優點。
[0063]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述串聯三相變壓器b包括磁芯、一次繞組和二次繞組，一次繞組和二次繞組均套在鐵芯上，
[0064]所述磁芯為型號為EE-43208的鐵氧體EI磁芯，磁芯質量WiF力0.026kg，表面面積 At 為 37.9cm2，
[0065]所述一次繞組選用匝數為9、型號為AWG22的線圈，
[0066]所述二次繞組選用匝數為38、型號為AWG28的線圈。
[0067]【具體實施方式】六、本【具體實施方式】與【具體實施方式】二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述并聯三相變壓器d包括磁芯、一次繞組和二次繞組，一次繞組和二次繞組均套在鐵芯上，
[0068]所述磁芯為型號為EE-43208的鐵氧體EI磁芯，磁芯質量WiF力0.026kg，表面面積 At 為 37.9cm2，
[0069]所述一次繞組選用匝數為90、型號為AWG22的線圈，
[0070]所述二次繞組選用匝數為36、型號為AWG28的線圈。
[0071]本發明中并聯三相變壓器和串聯三相變壓器的優選設計指標:
[0072](I)輸入電壓Vpline為30V，三線制。
[0073](2)輸出電壓 Vtjline 為 160V。
[0074](3)輸出電流有效值I。為3A。
[0075](4)輸入/輸出為Y/Y型。
[0076](5)系統電壓輸出為PWM型，三相頻率f為斬波頻率20KHz。
[0077](6)磁性材料為鐵氧體。
[0078]【具體實施方式】七、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一或二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q均采用型號為CHB-500S、且額定值為500A的電流傳感器實現。
[0079]【具體實施方式】八、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一或二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的區別在于，所述控制系統還包括嵌入在DSP控制器5內部的控制模塊，所述控制模塊由以下單元組成:
[0080]用于采集串聯驅動器I或并聯驅動器2輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集單元;
[0081]用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集單元，在判斷結果為否時輸出啟動信號給停止單元的電壓信號判斷單元；
[0082]用于通過第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q采集永磁同步電機3的驅動電流的電流采集單元；
[0083]用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時輸出啟動信號給電機轉速采集單元，在判斷結果為否時輸出啟動信號給停止單元的電流信號判斷單元；
[0084]用于通過旋轉變壓器6采集永磁同步電機3的轉速的電機轉速采集單元；
[0085]用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時輸出啟動信號給快速啟動驅動信號產生單元，在判斷結果為否時調用停止單元的電機轉速判斷單元；
[0086]用于控制三相主H橋變換器a輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生單元;
[0087]用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到串聯三相變壓器b或并聯三相變壓器d的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制單元，在判斷結果為否時發送啟動信號給快速啟動驅動信號產生單元的工作頻率判斷單元；
[0088]用于控制三相主H橋變換器a和三相從H橋變換器c同時工作,輸出五電平PWM波驅動串聯三相變壓器b或并聯三相變壓器d的精確控制單元；
[0089]用于輸出停止信號控制串聯驅動器I或并聯驅動器2停止輸出驅動信號的停止單
J Li ο
[0090]【具體實施方式】九、基于【具體實施方式】一所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法，所述方法包括如下步驟:
[0091]用于采集串聯驅動器I輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟；
[0092]用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟；
[0093]用于通過第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q采集永磁同步電機3的驅動電流的電流采集步驟；
[0094]用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟；
[0095]用于通過旋轉變壓器6采集永磁同步電機3的轉速的電機轉速采集步驟；
[0096]用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟；
[0097]用于控制三相主H橋變換器a輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；
[0098]用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到串聯三相變壓器b的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟；
[0099]用于控制三相主H橋變換器a和三相從H橋變換器c同時工作,輸出五電平PWM波驅動串聯三相變壓器b的精確控制步驟；
[0100]用于輸出停止信號控制串聯驅動器I停止輸出驅動信號的停止步驟。
[0101]【具體實施方式】十、基于【具體實施方式】二所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法，所述方法包括如下步驟:
[0102]用于采集并聯驅動器2輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟；
[0103]用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟；
[0104]用于通過第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q采集永磁同步電機3的驅動電流的電流采集步驟；
[0105]用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟；
[0106]用于通過旋轉變壓器6采集永磁同步電機3的轉速的電機轉速采集步驟；
[0107]用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟；
[0108]用于控制三相主H橋變換器a輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；
[0109]用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到并聯三相變壓器d的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟；
[0110]用于控制三相主H橋變換器a和三相從H橋變換器c同時工作,輸出五電平PWM波驅動并聯三相變壓器d的精確控制步驟；
[0111]用于輸出停止信號控制并聯驅動器2停止輸出驅動信號的停止步驟。[0112]如圖8所示，本發明所述的串聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的工作過程為:
[0113]步驟Al、DSP控制器5通過串聯驅動器I輸入端的母線電壓信號，判斷串聯驅動器I輸入端的母線電壓是否正常，如果判斷是，則執行步驟A2，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0114]步驟A2、第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q將采集串聯三相變壓器b副邊上的電流信號輸入到信號調理電路4，并通過信號調理電路4反饋到DSP控制器5，通過DSP控制器5判斷線電流是否正常，如果判斷是，則執行步驟A3，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0115]步驟A3、旋轉變壓器6將采集到的永磁同步電機3的轉子的位置信號轉化成電信號，通過解碼電路7解碼后反饋到DSP控制器5，通過DSP控制器5判斷永磁同步電機3的轉速是否正常，如果判斷是，則執行步驟A4，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0116]步驟A4、永磁同步電機3瞬間啟動，系統通過DSP控制器5控制三相主H橋變換器a輸出三電平方波信號，以實現永磁同步電機3的快速啟動，執行步驟A5 ；
[0117]步驟A5、待永磁同步電機3的轉速穩定時，判斷系統輸出的電壓頻率是否達到串聯三相變壓器b的工作頻率，如果是，則執行步驟A6，如果否，則執行步驟A4 ；
[0118]步驟A6、串聯三相變壓器b輸出三相交流電經整流后給三相從H橋變換器c供電，此時，三相主H橋變換器a和三相從H橋變換器c同時工作，系統輸出五電平PWM波實現對永磁同步電機3的精確控制；
[0119]步驟A7、DSP控制器5輸出停止信號到串聯驅動器1，通過控制串聯驅動器I來停止整個系統的運行。
[0120]如圖9所示，本發明所述的并聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統的工作過程為:
[0121]步驟B1、DSP控制器5通過并聯驅動器I輸入端的母線電壓信號，判斷并聯驅動器I輸入端的母線電壓是否正常，如果判斷是，則執行步驟A2，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0122]步驟B2、第一電流傳感器P和第二電流傳感器Q將采集并聯三相變壓器d副邊上的電流信號輸入到信號調理電路4，并通過信號調理電路4反饋到DSP控制器5，通過DSP控制器5判斷線電流是否正常，如果判斷是，則執行步驟A3，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0123]步驟B3、旋轉變壓器6將采集到的永磁同步電機3的轉子的位置信號轉化成電信號，通過解碼電路7解碼后反饋到DSP控制器5，通過DSP控制器5判斷永磁同步電機3的轉速是否正常，如果判斷是，則執行步驟A4，如果判斷否，則執行步驟A7 ；
[0124]步驟B4、永磁同步電機3瞬間啟動，系統通過DSP控制器5控制三相主H橋變換器a輸出三電平方波信號，以實現永磁同步電機3的快速啟動，執行步驟A5 ；
[0125]步驟B5、待永磁同步電機3的轉速穩定時，判斷系統輸出的電壓頻率是否達到并聯三相變壓器d的工作頻率，如果是，則執行步驟A6，如果否，則執行步驟A4 ；
[0126]步驟B6、并聯三相變壓器d輸出三相交流電經整流后給三相從H橋變換器c供電，此時，三相主H橋變換器a和三相從H橋變換器c同時工作，系統輸出五電平PWM波實現對永磁同步電機3的精確控制；
[0127]步驟B7、DSP控制器5輸出停止信號到并聯驅動器1，通過控制并聯驅動器I來停止整個系統的運行。
[0128]工作原理:控制器是整個系統的控制單元，控制器通過輸入的母線電壓、電流和轉速等模擬或數字信號，判斷整個系統的運行形態，對系統做出控制和調整。控制器輸出的24路開關控制信號控制主、從H橋驅動器中開關器件的導通和關斷，并可通過人機交互界面實現程序的修改、調試和固化。
[0129]緩沖保護電路主要針對母線電壓和電流，在母線和地之間并聯一個電容和電壓采樣電路，這樣通過采樣電路，母線電壓的情況可以反饋到控制器。當母線電壓過高或過低時，控制器停止整個系統運行，起到保護作用。
[0130]反饋信號包括電流和轉速兩個部分。通過兩個電流傳感器采集到的電流信號通過信號調理電路后反饋到控制器，可以實現對三相回路中線電流的檢測。電機的位置和轉速信號則通過旋轉變壓器和其解碼電路實現。旋轉變壓器和永磁同步電機的轉子連接在一起，將轉子的位置信號轉化成電信號，通過解碼后反饋到控制器。
[0131 ] 本系統在運行前需要檢測母線電壓信號、電流信號和轉子位置信號是否正常。啟動瞬間，系統通過控制主H橋變換器,輸出三電平方波信號，以實現電機的快速啟動。待電機轉速達到一定的范圍，系統輸出電壓頻率達到三相變壓器工作頻率時，變壓器輸出三相交流經整流后給從H橋變換器供電。系統輸出五電平PWM波實現對永磁同步電機的精確控制，系統的運行流程圖如圖5所示。
[0132]本發明的下優點:
[0133]1、節約能源，降低了主開關器件的開關損耗，提高了整個系統的工作效率。
[0134]表1:
[0135]
【權利要求】
1.級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述控制系統為串聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括串聯驅動器(I)、永磁同步電機(3)、信號調理電路(4)、DSP控制器(5)、旋轉變壓器(6)、解碼電路(7)、人機接口(8)、第一電流傳感器(P)、第二電流傳感器(Q)、直流電源(VCC)、電容(CO)、電阻Rl和電阻R2， 所述直流電源(VCC)的正極同時與電容(CO)的一端、電阻Rl的一端和串聯驅動器(I)的直流輸入電源正極端相連，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器(5)的母線電壓信號輸入端相連，直流電源(VCC)的負極同時與電容(CO)的另一端、電阻R2的另一端和串聯驅動器(I)的直流輸入電源負極端相連； 所述串聯驅動器(I)包括三相主H橋變換器(a)、三相從H橋變換器(c )和串聯三相變壓器(b)，所述三相主H橋變換器(a)的三個主H橋單元分別與串聯三相變壓器(b)的三個原邊相連，串聯三相變壓器(b)的三個副邊分別與三相從H橋變換器(c)的三個不控整流輸入端相連，三相主H橋變換器(a)的共發射極端即為串聯驅動器(I)的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器(a)的共集電極端即為串聯驅動器(I)的直流輸入電源負極端， 所述串聯驅動器(I)的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機(3)的三相驅動信號輸入端相連，旋轉變壓器(6)用于檢測永磁同步電機(3)轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路(7)的轉速信號輸入端，解碼電路(7)的解碼信號輸出端與DSP控制器(5)的解碼信號輸入端相連，第一電流傳感器(P)用于采集永磁同步電機(3)的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路(4)的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器(Q)用于采集永磁同步電機(3)的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路(4)的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路(4)的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器(5)的兩個調理信號輸入端相連，DSP控制器(5)的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控 制信號輸出端分別與串聯驅動器(I)的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端相連，DSP控制器(5)的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口(8)的多個通信信號輸出/輸入端相連。
2.級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述控制系統為并聯級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，它包括并聯驅動器(2)、永磁同步電機(3)、信號調理電路(4)、DSP控制器(5)、旋轉變壓器(6)、解碼電路(7)、人機接口(8)、第一電流傳感器(P)、第二電流傳感器(Q)、直流電源(VCC)、電容(CO)、電阻Rl和電阻R2， 所述直流電源(VCC)的正極同時與電容(CO)的一端、電阻Rl的一端和并聯驅動器(2)的直流輸入電源正極端連接，電阻Rl的另一端同時與電阻R2的一端和DSP控制器(5)的母線電壓信號輸入端連接，直流電源(VCC)的負極同時與電容(CO)的另一端、電阻R2的另一端和并聯驅動器(2)的直流輸入電源負極端連接； 所述并聯驅動器(2)包括三相主H橋變換器(a)、三相從H橋變換器(c)和并聯三相變壓器(d)，所述三相主H橋變換器(a)的三相逆變信號輸出端與永磁同步電機(3)的三相驅動信號輸入端連接，并聯三相變壓器(d)的三個原邊分別與永磁同步電機(3)定子的三相定子繞組并聯，并聯三相變壓器(d)的三個副邊分別與三相從H橋變換器(c)的三個不控整流輸入端連接，三相主H橋變換器(a)的共發射極端即為并聯驅動器(2)的直流輸入電源正極端，三相主H橋變換器(a)的共集電極端即為并聯驅動器(2)的直流輸入電源負極端，所述永磁同步電機(3)的電機轉速信號輸出端與旋轉變壓器(6)的電機轉速信號輸入端連接，旋轉變壓器(6)用于檢測永磁同步電機(3)轉子的旋轉速度，并將檢測到的信號發送給解碼電路(7)的轉速信號輸入端，解碼電路(7)的解碼信號輸出端與DSP控制器(5)的解碼信號輸入端連接，第一電流傳感器(P)用于采集永磁同步電機(3)的B相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路(4)的第一電流采樣信號輸入端，第二電流傳感器(Q)用于采集集永磁同步電機(3)的C相驅動電流信號，并將該電流信號輸入到信號調理電路(4)的第二電流采樣信號輸入端，信號調理電路(4)的兩個調理信號輸出端同時與DSP控制器(5)的兩個調理信號輸入端連接，DSP控制器(5)的12路主H橋開關控制信號輸出端和12路從H橋開關控制信號輸出端分別與并聯驅動器(2)的12路主H橋開關控制信號輸入端和12路從H橋開關控制信號輸入端連接，DSP控制器(5)的多個通信信號輸入/輸出端分別與人機接口(8)的多個通信信號輸出/輸入端連接。
3.根據權利要求1或2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述DSP控制器(5)采用芯片型號為TMS320F2812的32位DSP芯片實現。
4.根據權利要求1或2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述解碼電路(7)中采用型號為AD2S90或AD2S99的解碼芯片實現。
5.根據權利要求1所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述串聯三相變壓器(b)包括磁芯、一次繞組和二次繞組，一次繞組和二次繞組均套在鐵芯上， 所述磁芯為型號為EE-43208的鐵氧體EI磁芯，磁芯質量為0.026kg，表面面積At為 37.9cm2， 所述一次繞組選用匝數為9、型號為AWG22的線圈， 所述二次繞組選用匝數 為38、型號為AWG28的線圈。
6.根據權利要求2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述并聯三相變壓器(d)包括磁芯、一次繞組和二次繞組，一次繞組和二次繞組均套在鐵芯上， 所述磁芯為型號為EE-43208的鐵氧體EI磁芯，磁芯質量為0.026kg,表面面積At為 37.9cm2， 所述一次繞組選用匝數為90、型號為AWG22的線圈， 所述二次繞組選用匝數為36、型號為AWG28的線圈。
7.根據權利要求1或2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述第一電流傳感器(P)和第二電流傳感器(Q)均采用型號為CHB-500S、且額定值為500A的電流傳感器實現。
8.根據權利要求1或2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統，其特征在于，所述控制系統還包括嵌入在DSP控制器(5)內部的控制模塊，所述控制模塊由以下單元組成: 用于采集串聯驅動器(I)或并聯驅動器(2 )輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集單元; 用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集單元，在判斷結果為否時輸出啟動信號給停止單元的電壓信號判斷單元； 用于通過第一電流傳感器(P)和第二電流傳感器(Q)采集永磁同步電機(3)的驅動電流的電流采集單元； 用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時輸出啟動信號給電機轉速采集單元，在判斷結果為否時輸出啟動信號給停止單元的電流信號判斷單元； 用于通過旋轉變壓器(6)采集永磁同步電機(3)的轉速的電機轉速采集單元； 用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時輸出啟動信號給快速啟動驅動信號產生單元，在判斷結果為否時調用停止單元的電機轉速判斷單元； 用于控制三相主H橋變換器(a)輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生單兀；用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到串聯三相變壓器(b)或并聯三相變壓器(d)的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制單元，在判斷結果為否時發送啟動信號給快速啟動驅動信號產生單元的工作頻率判斷單元； 用于控制三相主H橋變換器(a)和三相從H橋變換器(c)同時工作,輸出五電平PWM波驅動串聯三相變壓器(b)或并聯三相變壓器(d)的精確控制單元； 用于輸出停止信號控制串聯驅動器(I)或并聯驅動器(2)停止輸出驅動信號的停止單元。
9.基于權利要求1所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 用于采集串聯驅動器(I)輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟； 用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟； 用于通過第一電流傳感器(P)和第二電流傳感器(Q)采集永磁同步電機(3)的驅動電流的電流采集步驟； 用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟； 用于通過旋轉變壓器(6)采集永磁同步電機(3)的轉速的電機轉速采集步驟； 用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟； 用于控制三相主H橋變換器(a)輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到串聯三相變壓器(b)的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟； 用于控制三相主H橋變換器(a)和三相從H橋變換器(c)同時工作,輸出五電平PWM波驅動串聯三相變壓器(b)的精確控制步驟； 用于輸出停止信號控制串聯驅動器(I)停止輸出驅動信號的停止步驟。
10.基于權利要求2所述的級聯式多電平變換器的永磁同步電機驅動控制系統實現永磁同步電機驅動控制的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 用于采集并聯驅動器(2 )輸入端的母線電壓信號的電壓信號采集步驟； 用于判斷采集的母線電壓是否正常，并在判斷結果為是時調用電流采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電壓信號判斷步驟； 用于通過第一電流傳感器(P)和第二電流傳感器(Q)采集永磁同步電機(3)的驅動電流的電流采集步驟； 用于判斷驅動電流是否正常，并在判斷結果為是時調用電機轉速采集步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電流信號判斷步驟； 用于通過旋轉變壓器(6)采集永磁同步電機(3)的轉速的電機轉速采集步驟； 用于判斷轉速是否正常，并在判斷結果為是時調用快速啟動驅動信號產生步驟，在判斷結果為否時調用停止步驟的電機轉速判斷步驟； 用于控制三相主H橋變換器(a)輸出三電平方波信號的快速啟動驅動信號產生步驟；用于判斷系統輸出的電壓頻率是否達到并聯三相變壓器(d)的工作頻率，并且在判斷結果為是時啟動精確控制步驟，在判斷結果為否時調用快速啟動驅動信號產生步驟的工作頻率判斷步驟； 用于控制三相主H橋變換器(a)和三相從H橋變換器(c)同時工作,輸出五電平PWM波驅動并聯三相變壓器(d)的精確控制步驟； 用于輸出停止信號控制并聯驅動器(2)停止輸出驅動信號的停止步驟。
【文檔編號】H02P6/08GK103532449SQ201310533610
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年6月28日
【發明者】吳海波, 王曉明 申請人:哈爾濱工業大學