CN104579110A - 一种高速永磁电机变频调速系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速永磁电机变频调速系统及方法，该系统包括L滤波器、二极管整流器、Z源逆变器、高速永磁同步电动机、控制器、驱动模块、电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、光电编码器测角度模块、过压过流保护模块。本发明将Z源逆变器引入高速永磁电机变频调速系统中，替代传统逆变器，实现对交流输出电压的灵活控制，从而提高调速系统的在电压降落故障时持续正常工作的能力，并利用Z源逆变器允许上下开关管直通的特点，解决了传统逆变器中因死区时间带来的电流谐波问题，提高了调速系统的可靠性和抗电磁干扰能力。

Description

一种高速永磁电机变频调速系统及方法

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种高速永磁电机变频调速系统及方法，具体地说，涉及一种基于电压型Z源逆变器的高速永磁电机变频调速系统及方法。

背景技术

现有由二极管整流器和传统电压型逆变器构成的高速电机调速系统，由于传统电压源逆变器自身拓扑结构的限制，在实际应用时存在许多局限性。首先，传统电压型逆变器为降压型逆变器，其输出电压比电网电压低，输出电压范围非常有限，在一定程度上限制了高速电机自身的过载运行能力和调速范围。其次，传统电压源逆变器自身不具备升压调控能力，在发生电网电压降落故障时调速系统将无法正常工作，需要借助辅助电路来提升电压源逆变器的输入电压，而新增的DC/DC辅助电路又将大幅增加传统交流调速系统的复杂度，增大了控制难度，同时系统的体积和成本也会增加。最后，由于直流侧的电容低阻特性限制，传统逆变器每相桥臂的上、下开关管不可以同时导通。否则，电容短路，开关管将因过流而损坏。为避免直通状态的发生，对逆变器控制必须加入死区时间，使开关管先关断、后导通。在实际应用中，电磁干扰可能会造成逆变桥开关管的误导通，使得桥臂进入直通状态，从而造成开关管的损坏。因此，它们的可靠性和抗电磁干扰能力较差。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种高速永磁电机变频调速系统及方法，将Z源逆变器引入高速永磁电机变频调速系统中，替代传统逆变器，实现对交流输出电压的灵活控制，从而提高调速系统的在电压降落故障时持续正常工作的能力，并利用Z源逆变器允许上下开关管直通的特点，解决了传统逆变器中因死区时间带来的电流谐波问题，提高了调速系统的可靠性和抗电磁干扰能力。

其技术方案如下：

一种高速永磁电机变频调速系统，包括L滤波器、二极管整流器、Z源逆变器、高速永磁同步电动机、控制器、驱动模块、电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、光电编码器测角度模块、过压过流保护模块，L滤波器与连接电网和二极管整流器，用于对并网电流进行滤波，降低并网电流的谐波含量；Z源逆变器分别与二极管整流器和高速永磁同步电动机连接，此处所述的Z源逆变器由Z源交叉网络和三相逆变桥和直流输入侧IGBT开关器件组成；此外Z源逆变器与电压电流霍尔检测模块和驱动模块相连，电压电流霍尔检测模块用于检测Z源逆变器交叉解耦电容电压和电感电流，驱动模块用于向Z源逆变器的三相逆变桥发送控制脉冲信号；高速永磁同步电动机模块与光电编码器、定子电流霍尔检测模块相连；光电编码器模块用于检测电机转速，定子电流霍尔检测模块用于将检测电机定子三相电流；控制器模块与定子电流霍尔检测模块、电压电流霍尔检测模块、光电编码器模块、驱动模块和过压过流保护模块相连，控制器采样定子电流和Z源网络电容电压及电感电流，并将光电编码器模块采样过来的信号经过处理转化成电机转速，并将这些采样信号用于控制器闭环控制，并通过驱动模块，将脉冲信号处理放大，从而用于逆变器的驱动控制；在此过程中，控制器将检测过压过流保护模块报送过来的故障保护信号，并对故障信号进行响应，从而保障系统的正常运行；过压过流保护模块与电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、驱动模块以及控制器相连，该模块对检测模块检测到的电流电压信号进行处理和判断，输出故障信息，并将故障信息输送给驱动模块及控制器做出相应的保护动作。

一种高速永磁电机变频调速方法，包括以下步骤：控制程序由程序入口启动，对FLASH脱机模式进行判断，若脱机运行，则执行RAM清零和程序搬移，然后对系统IO口、外设中断、中断向量表、FLASH、外设进行初始化，然后从EEPROM中读取功能设置参数，进行AD初始化，并启动AD，然后进行模拟输入，输出电流、输出电压的零漂校正，并对Timer0设置和启动，然后分别开放AD中断，PWM中断，CPUTimer0中断，EQEP2中断，然后程序将进入中断等待主循环，等待主中断及其它中断的到来，其中主中断是指PWM中断，在主中断中将进行实时运行参数修改和故障和运行标志检测等操作。

优选地，进入中断后首先进行过零中断和周期中断的切换，并对载频在线更新，接下来对电压电流AD采样值进行处理，根据指令执行是否校订零漂工作，然后对交流电流和电压将进行Clark变换，接下来执行基于Z源逆变器高速电机矢量控制操作，并将结果进行SVPWM调制输出，然后对PWM作用时间进行更新，进行Can通信查询和数据处理，最后进行中断开放处理，退出主中断。

进一步优选，所述Z源逆变器矢量控制的步骤为：

首先判断启动时磁极是否已经定向，如果未定向，则进行定向操作令I_d ^*＝0,I_q ^*＝0.2,D＝0.5，θ＝-90°持续作用100～300ms将磁极初始位置固定在和d轴重合的位置得到初始位置角θ(0)＝0；若已定向，则进行角度测量、速度测量，有测量到的电容电压和直通占空比计算出直流电压，然后有速度和直流电压峰值PI外环计算输出q轴电流和电感电流给定，d轴电流给定设置为0，并由电流内环PI输出dq轴电压给定V_d ^*，V_q ^*及直通占空比D，并将V_d ^*，V_q ^*电压进行反Park变换，连同直通占空比D送入SVPWM模块，此外占空比D计算输出还将送入直流电压计算模块，由电容电压和直通占空比D计算出直流电压瞬时值。

本发明的有益效果：

本发明在网侧采用二极管整流器，机侧采用传统电压型逆变器的高速永磁电机变频调速系统的基础上，去除机侧母线电容，引入Z源网络，从而构成基于电压型Z源逆变器的高速永磁电机新型变频调速系统，利用Z源逆变器由直通环节产生独特的升压/降压特性，解决高速电机在电网电压跌落时无法正常工作的问题，降低电网电压跌落和负载转矩突变对调速系统的影响，同时由于Z源逆变器允许逆变器上下管直通，无需死区，解决了传统逆变器因电磁干扰误导通而出现系统异常及死区时间导致电流谐波增加的问题，提高了系统的抗干扰性能和电流质量。

附图说明

图1为本发明高速永磁电机变频调速系统的结构图；

图2为基于Z源逆变器的高速永磁同步电机调速系统的硬件电路拓扑图；

图3为基于Z源逆变器的高速永磁同步电机调速系统的硬件电路原理图；

图4为本发明高速永磁电机变频调速系统制的整体框图；

图5为控制系统硬件连接图；

图6为控制程序主体结构流程图；

图7为主中断控制流程图；

图8为Z源逆变器矢量控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1系统整体结构构成

本发明为基于电压型Z源逆变器的高速永磁电机变频调速系统及其控制，所述的高速永磁电机变频调速系统包括由L滤波器、二极管整流器、Z源逆变器、高速永磁同步电动机、控制器、驱动模块、电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、光电编码器测角度模块、过压过流保护模块，如图1所示。L滤波器与连接电网和二极管整流器，用于对并网电流进行滤波，降低并网电流的谐波含量；Z源逆变器分别与二极管整流器和高速永磁同步电动机连接，此处所述的Z源逆变器由Z源交叉网络和三相逆变桥和直流输入侧IGBT开关器件组成。此外Z源逆变器与电压电流霍尔检测模块和驱动模块相连，电压电流霍尔检测模块用于检测Z源逆变器交叉解耦电容电压和电感电流，驱动模块用于向Z源逆变器的三相逆变桥发送控制脉冲信号。高速永磁同步电动机模块与光电编码器、定子电流霍尔检测模块相连。光电编码器模块用于检测电机转速，定子电流霍尔检测模块用于将检测电机定子三相电流。控制器模块与定子电流霍尔检测模块、电压电流霍尔检测模块、光电编码器模块、驱动模块和过压过流保护模块相连，控制器采样定子电流和Z源网络电容电压及电感电流，并将光电编码器模块采样过来的信号经过处理转化成电机转速，并将这些采样信号用于控制器闭环控制，并通过驱动模块，将脉冲信号处理放大，从而用于逆变器的驱动控制。在此过程中，控制器将检测过压过流保护模块报送过来的故障保护信号，并对故障信号进行响应，从而保障系统的正常运行。过压过流保护模块与电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、驱动模块以及控制器相连，该模块对检测模块检测到的电流电压信号进行处理和判断，输出故障信息，并将故障信息输送给驱动模块及控制器做出相应的保护动作。

2系统主电路分析

图2给出了基于Z源逆变器的高速永磁同步电机调速系统的硬件电路拓扑图，图中由交流电网、滤波电感L、二极管整流器、整流器电容处IGBT全控开关sw0、Z源网络、三相逆变桥和高速永磁电机构成，其中sw0、Z源网络和三相逆变桥一起构成了双向流动Z源网络，可通过对sw0开关状态进行控制，完全消除Z源逆变器的非正常工作状态，图中Z源网络两对电感、电容参数分别相等，三相滤波电感L参数相同，具有滤除电流谐波的功能，电容C有利于网侧输出直流电压的问题，同时为反向电流提供回路。对于sw0全控开关，在直通状态下关断，在非直通状态下导通，从而使得有源器件sw0中始终有输入电流(正电流或负电流)存在，保证Z源网络输出电流不小于负载电流的一半，避免电路进入非正常工作状态。如图3所示，S_D为直通脉冲，sw0的通断与直通脉冲波相反。

3控制系统设计

对于本专利提出的基于电压型Z源逆变器的高速永磁电机变频调速系统，其控制策略的设计从交流侧和直流侧两部分进行设计，交流侧采用基于转子磁链定向的高速电机空间矢量调制方法，采用转子磁链定向方式，定子三相电流通过三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到其d、q轴电流分量，并使d轴沿着转子磁链的方向，则交流电动机就等效成了由励磁电流分量I_d和转矩电流分量I_q分开控制的直流电动机。由于i_d＝0控制(即磁场定向控制)不存在电枢反应对永磁电动机的去磁问题，具有优异的转矩控制特性，因此采用此控制方法，在控制中令d轴电流给定i_d*＝0，构建由电机转速PI外环和dq轴电流内环的双闭环控制器，如图4所示，给定速度ω*与实际转速ω比较经PI调节器输出作为q轴电流给定I_q*，与q轴电流进行比较经电流内环PI输出作为q轴参考电压给定，转速环和电流内环均采用PI调节器，转速外环误差信号作为q轴电流内环参考值V_q ^*；d轴电流给定I_d ^*＝0，与实际电流I_d比较经电流内环PI调节器输出作为d轴电压参考值V_d ^*，V_d ^*、V_q ^*经过两相旋转坐标到两相静止坐标变换得到V_α ^*、V_β ^*，经SVPWM调制输出控制三相逆变桥，实现对电机转速的控制。

与传统三相逆变器相比，Z源逆变器其没有稳定的直流母线电压输入，需要通过对Z源网络中交叉电容电感的电压和电流进行控制，调节其直通占空比，从而实现对逆变器输入电压的调节，为此需要对直流侧控制进行设计。由于Z源逆变器输出电压仅受其输入直流峰值电压，而直流电压V_dc与电容电压V_C满足V_dc＝V_C/(1-D)，其中D为直通占空比，因此只需要对电容电压和进行采样控制，既可以对直流峰值电压进行调节，鉴于此，对系统直流侧采用逆变桥输入直流峰值电压和电感电流双闭环控制。电流内环采用P调节，提高系统的动态响应。电压外环选取V_C/(1-D)作为逆变桥输入直流峰值V_dc的参考值，电容电压与非直通状态占空比的比值作为其反馈量，对Z源网络进行控制。电压外环采用PI调节器，误差信号作为电流内环参考值，使得电感电流随输入电压变化而变化，稳定输出增加系统稳定性。

此外为了避免Z源网络进入非正常工作状态，Z源逆变器方案设计中在整流端直流输出侧设计有全控IGBT开关器件sw₀，方向是从逆变侧到整流侧反向连接。如前文所述，通过改进的SVPWM模块产生控制脉冲信号，在直通状态下关断，在非直通状态下导通，并通过驱动模块对开关状态进行控制。如图4给出系统控制的整体框图。

4控制系统软硬件设计

4.1硬件设计

控制系统选用DSP28335芯片作为主控芯片，采用高精度霍尔电压传感器进行电压电流采样，采用光电编码器进行角度采样，采用CONCEPT公司型号为1SD536F2的驱动模块对IGBT模块进行驱动，采用HITCH公司的触摸屏作为人机界面，通过基于MODBUS协议的CAN通信方式与DSP主控芯片通信，并设计有电压电流的硬件保护电路，硬件保护电路接收电压电流霍尔采样的值，对故障状态进行检测，故障发生时通过封锁脉冲，并将故障信号报送DSP主控制器，由主控制器进行相应保护操作，如图5给出控制系统硬件连接图。

4.2软件设计

程序中主要设置两个中断：PWM周期中断，用于生成PWM驱动脉冲，进行电机控制；1ms定时中断，用作管理程序定时控制。本来管理程序也可以在PWM中断中进行，管理程序和接口程序放在1ms中执行。

此外电流电压ad转换考虑用中断的方式进行数据处理，即AD开着不停的转换，在转换完成中断服务程序中将转换值累加，使用时取平均值即可，在载频比较低的场合，这样多次平均可以提高采样精度。

控制系统QEP利用中断进行M-T法测速，AD中断具有最高优先级，PWM中断次之，1ms定时中断最低。

如图6为控制程序主体结构流程图，控制程序由程序入口启动，对FLASH脱机模式进行判断，若脱机运行，则执行RAM清零和程序搬移，然后对系统IO口、外设中断、中断向量表、FLASH、外设进行初始化，然后从EEPROM中读取功能设置参数，进行AD初始化，并启动AD，然后进行模拟输入，输出电流、输出电压的零漂校正，并对Timer0设置和启动，然后分别开放AD中断，PWM中断，CPUTimer0中断，EQEP2中断，然后程序将进入中断等待主循环，等待主中断及其它中断的到来，其中主中断是指PWM中断，在主中断中将进行实时运行参数修改和故障和运行标志检测等操作。

图7给出主中断控制流程图进入中断后首先进行过零中断和周期中断的切换，并对载频在线更新，接下来对电压电流AD采样值进行处理，根据指令执行是否校订零漂工作，然后对交流电流和电压将进行Clark变换，接下来执行基于Z源逆变器高速电机矢量控制操作，并将结果进行SVPWM调制输出，然后对PWM作用时间进行更新，进行Can通信查询和数据处理，最后进行中断开放处理，退出主中断。

对于高速电机载波调制，转速一般在10000r/min以上，其定子电流频率较高，为保证控制精度同时充分考虑器件功耗载频设定为4～10k，对于功率较小的高速电机，可以适当提高载频，对于功率输出较大的电机，必要时需对变频器设计冷却装置。总体来看载频相对比较低，在调制时为了保证精度，全范围内采用经过改造的适用于Z源逆变器的4段式空间矢量调制，在SVPWM调制中引入直通环节，。在PWM计数的过零和到达周期值时都产生中断，分别计算上升段和下降段的比较值，使比较值更准确。4段式的缺点是每个PWM周期产生两次中断，运算量会增加1倍，这个缺点对于低载频而言没什么影响，因为PWM周期足够长，而且DSP 28335足够快。

即：每个PWM周期产生两次中断：计数器过零中断和周期中断，对于5K载频，每次中断的处理时间是100us以上。

速度调节一般是比电流调节慢，可以考虑10个或20个PWM周期进行一次速度调节。

图8给出了Z源逆变器矢量控制的流程图

首先判断启动时磁极是否已经定向，如果未定向，则进行定向操作令I_d ^*＝0,I_q ^*＝0.2,D＝0.5，θ＝-90°持续作用100～300ms将磁极初始位置固定在和d轴重合的位置得到初始位置角θ(0)＝0；若已定向，则进行角度测量、速度测量，有测量到的电容电压和直通占空比计算出直流电压，然后有速度和直流电压峰值PI外环计算输出q轴电流和电感电流给定，d轴电流给定设置为0，并由电流内环PI输出dq轴电压给定V_d ^*，V_q ^*及直通占空比D，并将V_d ^*，V_q ^*电压进行反Park变换，连同直通占空比D送入SVPWM模块，此外占空比D计算输出还将送入直流电压计算模块，由电容电压和直通占空比D计算出直流电压瞬时值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高速永磁电机变频调速系统，其特征在于，包括L滤波器、二极管整流器、Z源逆变器、高速永磁同步电动机、控制器、驱动模块、电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、光电编码器测角度模块、过压过流保护模块，L滤波器与连接电网和二极管整流器，用于对并网电流进行滤波，降低并网电流的谐波含量；Z源逆变器分别与二极管整流器和高速永磁同步电动机连接，此处所述的Z源逆变器由Z源交叉网络和三相逆变桥和直流输入侧IGBT开关器件组成；此外Z源逆变器与电压电流霍尔检测模块和驱动模块相连，电压电流霍尔检测模块用于检测Z源逆变器交叉解耦电容电压和电感电流，驱动模块用于向Z源逆变器的三相逆变桥发送控制脉冲信号；高速永磁同步电动机模块与光电编码器、定子电流霍尔检测模块相连；光电编码器模块用于检测电机转速，定子电流霍尔检测模块用于将检测电机定子三相电流；控制器模块与定子电流霍尔检测模块、电压电流霍尔检测模块、光电编码器模块、驱动模块和过压过流保护模块相连，控制器采样定子电流和Z源网络电容电压及电感电流，并将光电编码器模块采样过来的信号经过处理转化成电机转速，并将这些采样信号用于控制器闭环控制，并通过驱动模块，将脉冲信号处理放大，从而用于逆变器的驱动控制；在此过程中，控制器将检测过压过流保护模块报送过来的故障保护信号，并对故障信号进行响应，从而保障系统的正常运行；过压过流保护模块与电压电流霍尔检测模块、定子电流霍尔检测模块、驱动模块以及控制器相连，该模块对检测模块检测到的电流电压信号进行处理和判断，输出故障信息，并将故障信息输送给驱动模块及控制器做出相应的保护动作。

2.一种高速永磁电机变频调速方法，其特征在于，包括以下步骤：控制程序由程序入口启动，对FLASH脱机模式进行判断，若脱机运行，则执行RAM清零和程序搬移，然后对系统IO口、外设中断、中断向量表、FLASH、外设进行初始化，然后从EEPROM中读取功能设置参数，进行AD初始化，并启动AD，然后进行模拟输入，输出电流、输出电压的零漂校正，并对Timer0设置和启动，然后分别开放AD中断，PWM中断，CPUTimer0中断，EQEP2中断，然后程序将进入中断等待主循环，等待主中断及其它中断的到来，其中主中断是指PWM中断，在主中断中将进行实时运行参数修改和故障和运行标志检测的操作。

3.根据权利要求2所述的高速永磁电机变频调速方法，其特征在于，进入中断后首先进行过零中断和周期中断的切换，并对载频在线更新，接下来对电压电流AD采样值进行处理，根据指令执行是否校订零漂工作，然后对交流电流和电压将进行Clark变换，接下来执行基于Z源逆变器高速电机矢量控制操作，并将结果进行SVPWM调制输出，然后对PWM作用时间进行更新，进行Can通信查询和数据处理，最后进行中断开放处理，退出主中断。

4.根据权利要求3所述的高速永磁电机变频调速方法，其特征在于，所述Z源逆变器矢量控制的步骤为：

首先判断启动时磁极是否已经定向，如果未定向，则进行定向操作令I_d ^*＝0,I_q ^*＝0.2,D＝0.5，θ＝-90°持续作用100～300ms将磁极初始位置固定在和d轴重合的位置得到初始位置角θ(0)＝0；若已定向，则进行角度测量、速度测量，有测量到的电容电压和直通占空比计算出直流电压，然后有速度和直流电压峰值PI外环计算输出q轴电流和电感电流给定，d轴电流给定设置为0，并由电流内环PI输出dq轴电压给定V_d ^*，V_q ^*及直通占空比D，并将V_d ^*，V_q ^*电压进行反Park变换，连同直通占空比D送入SVPWM模块，此外占空比D计算输出还将送入直流电压计算模块，由电容电压和直通占空比D计算出直流电压瞬时值。