基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統及方法。屬于級聯變頻 器控制領域。
【背景技術】
[0002] 交流變頻調速控制系統控制策略很多，區別也很大。控制對象包括頻率、電壓、電 流、磁通、轉矩、轉速、位置等，而每一控制對象又有許多控制策略。特別是隨著新控制理論 的應用，新的控制策略不斷出現，高性能的控制策略已使交流調速系統的性能達到或超過 直流調速系統。在傳統的永磁同步電機運動控制系統中，通常采用光電編碼器或者旋轉變 壓器來檢測轉子速度和位置，然而，傳感器增加了系統的成本，同時降低了系統的可靠性， 并且現有的對直流電機的控制需要濾波裝置和均壓電路，開關損耗大，諧波含量高，波形畸 變大，造成電機控制的穩定性差。
【發明內容】
[0003] 本發明是為了解決現有永磁同步電機運動控制系統復雜，可靠性差，并且對電機 的控制穩定性差的問題。現提供基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統及其控制方 法。
[0004] 基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統，它包括移相變壓器、電流采樣處 理電路、電流霍爾傳感器、電壓霍爾傳感器、DSP主控板、PffM分配板、信號隔離驅動單元、六 級聯三相逆變器和永磁同步電機，
[0005] DSP主控板包括第一減法器、第二減法器、第三減法器、速度控制器、派克變換模 塊、派克逆變換模塊、克拉克變換模塊、克拉克逆變換模塊、第一 PI控制器、第二PI控制器 和自適應觀測器，
[0006] 六級聯三相逆變器包括功率單元Al、功率單元A2、功率單元A3、功率單元A4、功率 單元A5、功率單元A6、功率單元B1、功率單元B2、功率單元B3、功率單元B4、功率單元B5、功 率單元B6、功率單元C1、功率單元C2、功率單元C3、功率單元C4、功率單元C5和功率單元 C6，
[0007] 功率單元Al的一端連接功率單元A2的一端，功率單元A2的另一端連接功率單元 A3的一端，功率單元A3的另一端連接功率單元A4的一端，功率單元A4的另一端連接功率 單元A5的一端，功率單元A5的另一端連接功率單元A6的一端，
[0008] 功率單元Bl的一端連接功率單元B2的一端，功率單元B2的另一端連接功率單元 B3的一端，功率單元B3的另一端連接功率單元M的一端，功率單元M的另一端連接功率 單元B5的一端，功率單元B5的另一端連接功率單元B6的一端，
[0009] 功率單元Cl的一端連接功率單元C2的一端，功率單元C2的另一端連接功率單元 C3的一端，功率單元C3的另一端連接功率單元C4的一端，功率單元C4的另一端連接功率 單元C5的一端，功率單元C5的另一端連接功率單元C6的一端，
[0010] 功率單元Al的另一端、功率單元Bl的另一端同時連接功率單元Cl的另一端，
[0011] 功率單元A6的另一端、功率單元B6的另一端和功率單元C6的另一端連接永磁同 步電機的三相交流信號輸入端，
[0012] 三相交流輸入端作為移相變壓器的輸入端，移相變壓器的三相交流信號輸出端均 連接每個功率單元的三相交流信號輸入端，
[0013] 功率單元A6的另一端和功率單元B6的另一端分別連接電流霍爾傳感器的逆變信 號輸入端和電壓霍爾傳感器的逆變信號輸入端，電流霍爾傳感器的電流信號輸出端連接電 流采樣處理電路的電流信號輸入端，電流采樣處理電路的電流信號輸出端i a，ib，i。連接克 拉克變換模塊的電流信號輸入端ia，ib，i。，電壓霍爾傳感器的電壓信號輸出端u a，ub，u。連接 克拉克變換模塊的電壓信號輸入端Ua, Ub, U。，
[0014] 克拉克變換模塊的兩相靜止坐標系下的電流信號輸出端i α, i e連接派克變換模塊 的兩相靜止坐標系下的電流信號輸入端i。，ie，
[0015] 克拉克變換模塊的兩相靜止坐標系下的電壓信號輸出端ua，Ufi連接派克變換模 塊的兩相靜止坐標系下的電壓信號輸入端U a，Ufi，
[0016] 派克變換模塊的電流信號輸出端id同時連接第二減法器的電流信號輸入端i ,和 自適應觀測器的電流信號輸入端id，
[0017] 派克變換模塊的電流信號輸出端iq同時連接第三減法器的電流信號輸入端i q和 自適應觀測器的電流信號輸入端iq，
[0018] 直軸電流給定信號 < 作為第三減法器的輸入端，第三減法器的電流信號輸出端連 接第二PI控制器的電流信號輸入端，第二PI控制器的q軸電壓給定信號輸出端，連接派 克逆變換模塊的q軸電壓給定信號輸入端<，派克逆變換模塊的靜止坐標第下β軸電壓 信號輸出端連接克拉克逆變換模塊的靜止坐標系下β軸電壓信號輸入端％ .
[0019] 派克變換模塊的電壓信號輸出端Ud連接自適應觀測器的電壓信號號輸入端u d，
[0020] 派克變換模塊的電壓信號輸出端Uq連接自適應觀測器的電壓信號輸入端u q，
[0021] 自適應觀測器的轉速信號輸出端ω連接第一減法器的轉速信號輸入端ω，自適 應觀測器的角度信號輸出端同時連接派克變換模塊的角度信號輸入端Θ JP派克逆變 換模塊的角度信號輸入端θ ρ
[0022] 速度參考值ω#作為第一減法器的轉速信號輸入端，
[0023] 第一減法器的轉速信號輸出端連接速度控制器的轉速信號輸入端，
[0024] 速度控制器的q軸電流給定信號輸出端^連接第三減法器的q軸電流給定信號輸 入端(;，
[0025] 第三減法器的電流信號輸出端連接第一 PI控制器的電流信號輸入端，
[0026] 第一 PI控制器的q軸電壓給定信號輸出端<連接派克逆變換模塊的q軸電壓給 定信號輸入端，
[0027] 派克逆變換模塊的靜止坐標系下α軸電壓*4輸出端連接克拉克逆變換模塊的靜 止坐標系下α軸電壓<，
[0028] 克拉克逆變換模塊的三相電壓數字參考信號uAraf、uBraf和U fref輸出端分別連接PffM 分配板的三相電壓數字參考信號輸入端uAraf、uBra#P u &(；f,
[0029] PffM分配板的三相PffM信號輸出端連接信號隔離驅動電路的三相PffM信號輸入端，
[0030] 信號隔離驅動電路的三相驅動信號輸出端連接各功率單元。
[0031] 基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統實現的矢量控制方法，它包括以下 內容，
[0032] 步驟一、移相變壓器將接收的三相交流電給六級聯三相逆變器，通過六級聯三相 逆變器逆變之后，驅動電機運轉，
[0033] 電機運行期間，由電流霍爾傳感器和電壓霍爾傳感器分別檢測電機的定子三相 電流信號i a，ib，i。和三相電壓信號u a，ub，u。，電機的定子三相電流信號ia，ib，i。經過電流 采樣處理電路10處理后，將處理后的電機的定子三相電流信號i a，ib，i。和三相電壓信號 ua，ub，u。經過克拉克變換模塊變換為兩相靜止坐標系下的電流i α，ie和兩相靜止坐標系下 的電壓Ua，Ufi，再經過派克變換模塊的變換得到dq坐標系下的兩路電流信號i q、id和兩路 電壓信號Uq、Ud，
[0034] 兩路電流信號iq、ijP兩路電壓信號U q、叫通過自適應觀測器的計算獲得電機轉 速ω和磁鏈角度Θ y該磁鏈角度^同時輸入到派克變換模塊和派克你逆變換模塊中，
[0035] 步驟二、步驟一獲得的電機轉速ω與輸入的轉速參考值在第一減法器中進行 運算后，輸出結果經過速度控制器進行比較，輸出給定的q軸電流，與派克變換模塊輸出的 一路電流信號i q在第三減法器中進行加法運算后，將結果輸出給第一 PI控制器，從而得到 給定的q軸電壓，同時，派克變換模塊輸出的另一路電流信號、與直軸給定電流同時輸 入到第二減法器中進行運算，輸出結果通過第二PI控制器的控制，獲得給定的的d軸電壓 // d，
[0036] 給定的q軸電壓和給定的的d軸電壓、同時通過派克逆變換模塊的變換分別得到 靜止坐標系下的a軸電壓沁和靜止坐標系下的β軸電壓％，再經過克拉克逆變換模塊 的變換輸出三相電壓數字參考信號uAraf、uBra#P u Craf，
[0037] 步驟三、步驟二獲得的三相電壓數字參考信號uAraf、uBraf和u &ef在FPGA中與PffM 分配板內的六路相位互差/6的三角波數字信號作比較，從而輸出三相移相式PffM信號， 每相移相式PWM信號有六對PWM序列，該信號經過信號隔離驅動電路的信號隔離，每相六對 PffM序列分別驅動六級聯三相逆變器，實現對電動機的矢量控制。
[0038] 本發明的有益效果為：本發明的高壓永磁同步電動機是一個多變量、非線性、強耦 合的被控對象，需引入坐標變換對它進行解耦，進而將三相交流電流解耦為勵磁分量和轉 矩分量，然后模仿直流電動機控制方法對其進行控制，使得該系統的穩定性強，
[0039] 采用自適應觀測器做為轉子速度和位置觀測器，來估算轉子速度和位置，同比現 有的采用傳感器的技術，降低了系統成本，并且六級連三相逆變器的每相由六個功率單元 級聯而成，由于各功率單元結構相同，易于模塊化設計和封裝；當某單元出現故障，可將其 旁路，其余單元可繼續運行，系統可靠性大大得到提高，通過PWM分配板對每一功率單元進 行PffM控制，各單元輸出波形疊加即可得多電平輸出，控制方法比鉗位型電路對各僑臂的 簡單，也易于擴展。
[0040] 本發明的優點：1、將高壓永磁同步電機數學模型轉化為直流電機等效模型，將定 子電流分解成兩個直流分量并分別控制，實現磁通和轉矩的解耦。
[0041] 2、采用載波調制的移相式PffM法控制功率單元，具有將級聯功率單元電壓輸出的 開關頻率和傳輸功率比單個單元輸出提高N倍等優點。
[0042] 3、采用無傳感器控制技術，可以在線估計電動機的速度和位置，從而省去了傳感 器，節省了控制系統的成本，同時提高了系統的應用環境。
【附圖說明】
[0043] 圖1為【具體實施方式】一所述的基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統的 系統整體結構框圖，
[0044] 圖2為【具體實施方式】一所述的基于無傳感器的高壓級聯變頻器矢量控制系統的 原理示意圖，
[0045] 圖3為永磁同步電機定、轉子參考坐標系，
[0046] 圖4為六級聯三相逆變器的拓撲結構圖，
[0047] 圖5為六級聯三相逆變器6kV拓撲結構圖，
[0048] 圖6為功率單元電路圖，
[0049] 圖7為一相單元的串聯電路圖，
[0050] 圖8為自適應觀測器的基本結構圖，
[0051] 圖9為自適應觀測器的原理示意圖，
[0052] 圖10為自適應觀測器估計轉子速度和位置框圖，
[0053] 圖11為電流采樣處理電路圖，
[0054] 圖12為一號電壓霍爾傳感器和電壓霍爾傳感器的電路圖，