專利名稱：永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種運(yùn)用矢量技術(shù)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)都是使用交直交變換器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)矢量控制。采用交直交變換器為了滿足網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，還需在整流側(cè)加入功率因數(shù)校正電路。但是加入單相的PFC環(huán)節(jié)后，一方面增大了變換器的體積重量，價(jià)格成本也相應(yīng)上升，另一方面不可避免會(huì)有變換器級(jí)聯(lián)問題的引入，而目前如何分析級(jí)聯(lián)變換器的穩(wěn)定性、可靠性還不夠成熟。而若采用三相的PFC技術(shù)，目前這方面的技術(shù)還不夠完善，且需要的功率管較多，成本高，可靠性低。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種利用矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)包括矩陣變換器主功率電路、矩陣變換器控制器、輸入濾波器和電壓檢測電路，其中，矩陣變換器主功率電路包括三個(gè)雙向開關(guān)模塊，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸出端與永磁同步電機(jī)的一相繞組連接，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸入端分別接入三相交流電源的一相；矩陣變換器控制器包括一個(gè)DSP和一個(gè)CPLD；輸入三相電壓的相區(qū)信號(hào)經(jīng)過電壓檢測電路再傳送至矩陣變換器控制器，依次經(jīng)過矩陣變換器控制器中的DSP和CPLD處理后產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)矩陣變換器主功率電路進(jìn)行控制。
為了本系統(tǒng)的工作安全，三相電壓經(jīng)過隔離降壓電路后再輸入電壓檢測電路。
矩陣變換器控制器與矩陣變換器主功率電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，其作用是驅(qū)動(dòng)放大矩陣變換器控制器的輸出信號(hào)，使其足以驅(qū)動(dòng)主功率電路的雙向功率開關(guān)模塊。
矩陣變換器控制器還包括延時(shí)電路，CPLD處理后產(chǎn)生控制信號(hào)經(jīng)延時(shí)電路延時(shí)后再傳輸至矩陣變換器主功率電路，以防止同一橋臂的直通現(xiàn)象。
矩陣變換器控制器還包括電流檢測器和速度角度檢測器，電流檢測器將矩陣變換器主功率電路的輸出電流信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP，速度角度檢測器將永磁同步電機(jī)的速度角度信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP。
矩陣變換器主功率電路與永磁同步電機(jī)之間設(shè)有過壓吸收裝置，目的是為防止在開關(guān)切換過程中產(chǎn)生高壓尖峰，在矩陣變換器主功率電路輸出端加入了過壓吸收，保證電路可靠運(yùn)行。
矩陣變換器控制器中設(shè)有過流保護(hù)裝置，其輸出端與CPLD連接，輸入端與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。
本發(fā)明的原理如下矩陣變換器的雙空間矢量調(diào)制是把矩陣變換器等效成具有虛擬直流的交直變換環(huán)節(jié)和直交變換環(huán)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)輸入電流和輸出電壓分別進(jìn)行空間矢量控制。虛擬的交直變換環(huán)節(jié)對(duì)輸入電流的空間矢量調(diào)制是為了得到正弦的輸入電流波形和高輸入功率因數(shù)，直交變換環(huán)節(jié)對(duì)輸出電壓的空間矢量調(diào)制是為了得到頻率和幅值可調(diào)的正弦電壓。
交直環(huán)節(jié)即為虛擬的整流器環(huán)節(jié)，采取空間矢量法，得到輸入電流與虛擬的直流電流之間的關(guān)系，將虛擬整流器的6個(gè)功率開關(guān)的9種有效的開關(guān)組合，映射到電流空間的9個(gè)靜止的空間電流矢量，其中包括6個(gè)非零矢量和3個(gè)零矢量。對(duì)于時(shí)域的三相瞬時(shí)輸入電流，可用派克變換映射為旋轉(zhuǎn)的電流空間矢量。而旋轉(zhuǎn)的電流空間矢量可以由6個(gè)非零的靜止矢量和3個(gè)零矢量脈寬調(diào)制合成。
直交環(huán)節(jié)即為逆變調(diào)制，類似于輸入電流的調(diào)制過程。
在三相矩陣變換器中，輸出電壓實(shí)際上都是有輸入電壓直接調(diào)制而成的，因此就有去除假想的直流環(huán)節(jié)，直接進(jìn)行交交矢量調(diào)制得到理想的交流輸出。由于輸入電流空間靜止矢量將輸入電流空間劃分為六個(gè)區(qū)域，輸出電壓空間也被劃分為六個(gè)區(qū)域，則任意時(shí)刻兩者存在36種組合情況。
本發(fā)明將雙空間矢量的矩陣變換器與永磁同步電機(jī)的矢量控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)的解耦控制，構(gòu)成了矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的永磁電機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。矩陣變換器—永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示速度給定信號(hào)nref與速度反饋信號(hào)nf相比較，其誤差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到交直電流的給定信號(hào)Iqref。為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，直軸電流給定Idref＝0。把靜止坐標(biāo)系下的三相電機(jī)電流變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的交直軸電流Iq、Id，分別與交直軸給定電流Iqref、Idref經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到給定的交直軸電壓Vqref、Vdref，然后經(jīng)過坐標(biāo)變換及空間矢量映射得到矩陣變換器輸出電壓的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
本發(fā)明的矢量控制系統(tǒng)的軟件部分包括DSP與CPLD軟件的設(shè)計(jì)。DSP軟件可分為主程序和中斷程序構(gòu)成，主程序負(fù)責(zé)控制量和系統(tǒng)的初始化，檢測軟件的起動(dòng)信號(hào)。中斷程序完成矢量控制和矩陣變換器的調(diào)制信號(hào)的計(jì)算。CPLD采用VHDL語言編寫，實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)的控制和保護(hù)。
CPLD控制信號(hào)譯碼功能的工作原理為對(duì)輸入電流和輸出電壓分別采用空間矢量調(diào)制，由于輸入電流矢量有6個(gè)相區(qū)，輸出電壓矢量也存在6個(gè)相區(qū)，這樣組合會(huì)存在36種組合狀態(tài)，可以得到譯碼的具體關(guān)系。而譯碼的工作在CPLD中完成。圖6所示為輸出電壓輸入電流均處于第一相區(qū)時(shí)轉(zhuǎn)換規(guī)律，其余的35種狀態(tài)也可類似推導(dǎo)，如下表所示當(dāng)電壓電流第一相區(qū)時(shí)開關(guān)譯碼表

3、有益效果本發(fā)明的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下(1)矩陣變換器采用雙空間矢量調(diào)制策略，不僅能夠保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，且實(shí)現(xiàn)了交交直接變換，避免了中間直流環(huán)節(jié)，減小了變換器的體積重量；(2)矩陣變換器能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的四象限工作；(3)體積小、成本低。
四

圖1是矩陣變換器主電路示意圖；圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖3是矩陣變換器控制器原理框圖；圖4是輸入電壓檢測電路及原理波形圖；圖5是輸出控制信號(hào)延時(shí)電路及原理波形圖；
圖6是CPLD控制信號(hào)譯碼示意圖。
五具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)施例的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)包括矩陣變換器主功率電路、矩陣變換器控制器、輸入濾波器和電壓檢測電路，其中，矩陣變換器主功率電路采用IXYS的雙向開關(guān)模塊(FI050-12BD)，包括三個(gè)雙向開關(guān)模塊，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸出端分別與永磁同步電機(jī)的一相繞組連接，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸入端分別接入三相交流電源的一相；矩陣變換器控制器包括一個(gè)DSP和一個(gè)CPLD，DSP采用TMS320LF2407，負(fù)責(zé)控制信號(hào)處理與計(jì)算，CPLD采用MACH4A5，其功能是實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到9個(gè)功率開關(guān)的調(diào)制波；輸入三相電壓相區(qū)信號(hào)經(jīng)過電壓檢測電路再傳送至矩陣變換器主功率電路中DSP的A/D轉(zhuǎn)換口，處理后輸入CPLD，經(jīng)CPLD進(jìn)行譯碼，處理后產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)矩陣變換器主功率電路進(jìn)行控制。為了本系統(tǒng)的工作安全，三相電壓經(jīng)過隔離降壓電路后再輸入電壓檢測電路。矩陣變換器控制器與矩陣變換器主功率電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路，其作用是驅(qū)動(dòng)放大矩陣變換器控制器的輸出信號(hào)，使其足以驅(qū)動(dòng)主功率電路的雙向功率開關(guān)模塊。
矩陣變換器控制器還包括延時(shí)電路，CPLD處理后產(chǎn)生控制信號(hào)經(jīng)延時(shí)電路延時(shí)后再傳輸至矩陣變換器主功率電路以防止同一橋臂的直通現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)電路由EXB841實(shí)現(xiàn)，延時(shí)電路如圖5(a)所示。
矩陣變換器控制器還包括電流檢測器和速度角度檢測器，電流檢測器將矩陣變換器主功率電路的輸出電流信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP，速度角度檢測器將永磁同步電機(jī)的速度角度信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP。
矩陣變換器主功率電路與永磁同步電機(jī)之間設(shè)有過壓吸收裝置，目的是為防止在開關(guān)切換過程中產(chǎn)生高壓尖峰，在矩陣變換器主功率電路輸出端加入了過壓吸收，保證電路可靠運(yùn)行。
矩陣變換器控制器中設(shè)有過流保護(hù)裝置，其輸出端與CPLD連接，輸入端與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。
本實(shí)施例中電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下表所示

權(quán)利要求
1.一種永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括矩陣變換器主功率電路、矩陣變換器控制器、輸入濾波器和電壓檢測電路，其中，矩陣變換器主功率電路包括三個(gè)雙向開關(guān)模塊，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸出端與永磁同步電機(jī)的一相繞組連接，每個(gè)雙向開關(guān)模塊的三個(gè)輸入端分別接入三相交流電源的一相；矩陣變換器控制器包括一個(gè)DSP和一個(gè)CPLD；輸入三相電壓的相區(qū)信號(hào)經(jīng)過電壓檢測電路再傳送至矩陣變換器控制器，依次經(jīng)過矩陣變換器控制器中的DSP和CPLD處理后產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)矩陣變換器主功率電路進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，三相電壓經(jīng)過隔離降壓電路后再輸入電壓檢測電路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，矩陣變換器控制器與矩陣變換器主功率電路之間設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路。
4.如權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，矩陣變換器控制器還包括延時(shí)電路，CPLD處理后產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)延時(shí)電路延時(shí)后再傳輸至矩陣變換器主功率電路。
5.如權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，矩陣變換器控制器還包括電流檢測器和速度角度檢測器，電流檢測器將矩陣變換器主功率電路的輸出電流信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP，速度角度檢測器將永磁同步電機(jī)的速度角度信號(hào)反饋至矩陣變換器控制器的DSP。
6.如權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，矩陣變換器主功率電路與永磁同步電機(jī)之間設(shè)有過壓吸收裝置。
7.如權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，矩陣變換器控制器中設(shè)有過流保護(hù)裝置，其輸出端與CPLD連接，輸入端與驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，它包括矩陣變換器主功率電路、矩陣變換器控制器、輸入濾波器和電壓檢測電路，原理如下矩陣變換器的雙空間矢量調(diào)制是把矩陣變換器等效成具有虛擬直流的交直變換環(huán)節(jié)和直交變換環(huán)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)輸入電流和輸出電壓分別進(jìn)行空間矢量控制。優(yōu)點(diǎn)如下(1)矩陣變換器采用雙空間矢量調(diào)制策略，不僅能夠保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，且實(shí)現(xiàn)了交交直接變換，避免了中間直流環(huán)節(jié)，減小了變換器的體積重量；(2)矩陣變換器能夠?qū)崿F(xiàn)能量雙向流動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的四象限工作；(3)體積小、成本低。
文檔編號(hào)H02P21/00GK1858988SQ20061004052
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者葛紅娟, 張紹, 蘇國慶, 周波, 王培強(qiáng), 劉佰華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)