基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统及方法。属于级联变频 器控制领域。
【背景技术】
[0002] 交流变频调速控制系统控制策略很多，区别也很大。控制对象包括频率、电压、电 流、磁通、转矩、转速、位置等，而每一控制对象又有许多控制策略。特别是随着新控制理论 的应用，新的控制策略不断出现，高性能的控制策略已使交流调速系统的性能达到或超过 直流调速系统。在传统的永磁同步电机运动控制系统中，通常采用光电编码器或者旋转变 压器来检测转子速度和位置，然而，传感器增加了系统的成本，同时降低了系统的可靠性， 并且现有的对直流电机的控制需要滤波装置和均压电路，开关损耗大，谐波含量高，波形畸 变大，造成电机控制的稳定性差。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有永磁同步电机运动控制系统复杂，可靠性差，并且对电机 的控制稳定性差的问题。现提供基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统及其控制方 法。
[0004] 基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统，它包括移相变压器、电流采样处 理电路、电流霍尔传感器、电压霍尔传感器、DSP主控板、PffM分配板、信号隔离驱动单元、六 级联三相逆变器和永磁同步电机，
[0005] DSP主控板包括第一减法器、第二减法器、第三减法器、速度控制器、派克变换模 块、派克逆变换模块、克拉克变换模块、克拉克逆变换模块、第一 PI控制器、第二PI控制器 和自适应观测器，
[0006] 六级联三相逆变器包括功率单元Al、功率单元A2、功率单元A3、功率单元A4、功率 单元A5、功率单元A6、功率单元B1、功率单元B2、功率单元B3、功率单元B4、功率单元B5、功 率单元B6、功率单元C1、功率单元C2、功率单元C3、功率单元C4、功率单元C5和功率单元 C6，
[0007] 功率单元Al的一端连接功率单元A2的一端，功率单元A2的另一端连接功率单元 A3的一端，功率单元A3的另一端连接功率单元A4的一端，功率单元A4的另一端连接功率 单元A5的一端，功率单元A5的另一端连接功率单元A6的一端，
[0008] 功率单元Bl的一端连接功率单元B2的一端，功率单元B2的另一端连接功率单元 B3的一端，功率单元B3的另一端连接功率单元M的一端，功率单元M的另一端连接功率 单元B5的一端，功率单元B5的另一端连接功率单元B6的一端，
[0009] 功率单元Cl的一端连接功率单元C2的一端，功率单元C2的另一端连接功率单元 C3的一端，功率单元C3的另一端连接功率单元C4的一端，功率单元C4的另一端连接功率 单元C5的一端，功率单元C5的另一端连接功率单元C6的一端，
[0010] 功率单元Al的另一端、功率单元Bl的另一端同时连接功率单元Cl的另一端，
[0011] 功率单元A6的另一端、功率单元B6的另一端和功率单元C6的另一端连接永磁同 步电机的三相交流信号输入端，
[0012] 三相交流输入端作为移相变压器的输入端，移相变压器的三相交流信号输出端均 连接每个功率单元的三相交流信号输入端，
[0013] 功率单元A6的另一端和功率单元B6的另一端分别连接电流霍尔传感器的逆变信 号输入端和电压霍尔传感器的逆变信号输入端，电流霍尔传感器的电流信号输出端连接电 流采样处理电路的电流信号输入端，电流采样处理电路的电流信号输出端i a，ib，i。连接克 拉克变换模块的电流信号输入端ia，ib，i。，电压霍尔传感器的电压信号输出端u a，ub，u。连接 克拉克变换模块的电压信号输入端Ua, Ub, U。，
[0014] 克拉克变换模块的两相静止坐标系下的电流信号输出端i α, i e连接派克变换模块 的两相静止坐标系下的电流信号输入端i。，ie，
[0015] 克拉克变换模块的两相静止坐标系下的电压信号输出端ua，Ufi连接派克变换模 块的两相静止坐标系下的电压信号输入端U a，Ufi，
[0016] 派克变换模块的电流信号输出端id同时连接第二减法器的电流信号输入端i ,和 自适应观测器的电流信号输入端id，
[0017] 派克变换模块的电流信号输出端iq同时连接第三减法器的电流信号输入端i q和 自适应观测器的电流信号输入端iq，
[0018] 直轴电流给定信号 < 作为第三减法器的输入端，第三减法器的电流信号输出端连 接第二PI控制器的电流信号输入端，第二PI控制器的q轴电压给定信号输出端，连接派 克逆变换模块的q轴电压给定信号输入端<，派克逆变换模块的静止坐标第下β轴电压 信号输出端连接克拉克逆变换模块的静止坐标系下β轴电压信号输入端％ .
[0019] 派克变换模块的电压信号输出端Ud连接自适应观测器的电压信号号输入端u d，
[0020] 派克变换模块的电压信号输出端Uq连接自适应观测器的电压信号输入端u q，
[0021] 自适应观测器的转速信号输出端ω连接第一减法器的转速信号输入端ω，自适 应观测器的角度信号输出端同时连接派克变换模块的角度信号输入端Θ JP派克逆变 换模块的角度信号输入端θ ρ
[0022] 速度参考值ω#作为第一减法器的转速信号输入端，
[0023] 第一减法器的转速信号输出端连接速度控制器的转速信号输入端，
[0024] 速度控制器的q轴电流给定信号输出端^连接第三减法器的q轴电流给定信号输 入端(;，
[0025] 第三减法器的电流信号输出端连接第一 PI控制器的电流信号输入端，
[0026] 第一 PI控制器的q轴电压给定信号输出端<连接派克逆变换模块的q轴电压给 定信号输入端，
[0027] 派克逆变换模块的静止坐标系下α轴电压*4输出端连接克拉克逆变换模块的静 止坐标系下α轴电压<，
[0028] 克拉克逆变换模块的三相电压数字参考信号uAraf、uBraf和U fref输出端分别连接PffM 分配板的三相电压数字参考信号输入端uAraf、uBra#P u &(；f,
[0029] PffM分配板的三相PffM信号输出端连接信号隔离驱动电路的三相PffM信号输入端，
[0030] 信号隔离驱动电路的三相驱动信号输出端连接各功率单元。
[0031] 基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统实现的矢量控制方法，它包括以下 内容，
[0032] 步骤一、移相变压器将接收的三相交流电给六级联三相逆变器，通过六级联三相 逆变器逆变之后，驱动电机运转，
[0033] 电机运行期间，由电流霍尔传感器和电压霍尔传感器分别检测电机的定子三相 电流信号i a，ib，i。和三相电压信号u a，ub，u。，电机的定子三相电流信号ia，ib，i。经过电流 采样处理电路10处理后，将处理后的电机的定子三相电流信号i a，ib，i。和三相电压信号 ua，ub，u。经过克拉克变换模块变换为两相静止坐标系下的电流i α，ie和两相静止坐标系下 的电压Ua，Ufi，再经过派克变换模块的变换得到dq坐标系下的两路电流信号i q、id和两路 电压信号Uq、Ud，
[0034] 两路电流信号iq、ijP两路电压信号U q、叫通过自适应观测器的计算获得电机转 速ω和磁链角度Θ y该磁链角度^同时输入到派克变换模块和派克你逆变换模块中，
[0035] 步骤二、步骤一获得的电机转速ω与输入的转速参考值在第一减法器中进行 运算后，输出结果经过速度控制器进行比较，输出给定的q轴电流，与派克变换模块输出的 一路电流信号i q在第三减法器中进行加法运算后，将结果输出给第一 PI控制器，从而得到 给定的q轴电压，同时，派克变换模块输出的另一路电流信号、与直轴给定电流同时输 入到第二减法器中进行运算，输出结果通过第二PI控制器的控制，获得给定的的d轴电压 // d，
[0036] 给定的q轴电压和给定的的d轴电压、同时通过派克逆变换模块的变换分别得到 静止坐标系下的a轴电压沁和静止坐标系下的β轴电压％，再经过克拉克逆变换模块 的变换输出三相电压数字参考信号uAraf、uBra#P u Craf，
[0037] 步骤三、步骤二获得的三相电压数字参考信号uAraf、uBraf和u &ef在FPGA中与PffM 分配板内的六路相位互差/6的三角波数字信号作比较，从而输出三相移相式PffM信号， 每相移相式PWM信号有六对PWM序列，该信号经过信号隔离驱动电路的信号隔离，每相六对 PffM序列分别驱动六级联三相逆变器，实现对电动机的矢量控制。
[0038] 本发明的有益效果为：本发明的高压永磁同步电动机是一个多变量、非线性、强耦 合的被控对象，需引入坐标变换对它进行解耦，进而将三相交流电流解耦为励磁分量和转 矩分量，然后模仿直流电动机控制方法对其进行控制，使得该系统的稳定性强，
[0039] 采用自适应观测器做为转子速度和位置观测器，来估算转子速度和位置，同比现 有的采用传感器的技术，降低了系统成本，并且六级连三相逆变器的每相由六个功率单元 级联而成，由于各功率单元结构相同，易于模块化设计和封装；当某单元出现故障，可将其 旁路，其余单元可继续运行，系统可靠性大大得到提高，通过PWM分配板对每一功率单元进 行PffM控制，各单元输出波形叠加即可得多电平输出，控制方法比钳位型电路对各侨臂的 简单，也易于扩展。
[0040] 本发明的优点：1、将高压永磁同步电机数学模型转化为直流电机等效模型，将定 子电流分解成两个直流分量并分别控制，实现磁通和转矩的解耦。
[0041] 2、采用载波调制的移相式PffM法控制功率单元，具有将级联功率单元电压输出的 开关频率和传输功率比单个单元输出提高N倍等优点。
[0042] 3、采用无传感器控制技术，可以在线估计电动机的速度和位置，从而省去了传感 器，节省了控制系统的成本，同时提高了系统的应用环境。
【附图说明】
[0043] 图1为【具体实施方式】一所述的基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统的 系统整体结构框图，
[0044] 图2为【具体实施方式】一所述的基于无传感器的高压级联变频器矢量控制系统的 原理示意图，
[0045] 图3为永磁同步电机定、转子参考坐标系，
[0046] 图4为六级联三相逆变器的拓扑结构图，
[0047] 图5为六级联三相逆变器6kV拓扑结构图，
[0048] 图6为功率单元电路图，
[0049] 图7为一相单元的串联电路图，
[0050] 图8为自适应观测器的基本结构图，
[0051] 图9为自适应观测器的原理示意图，
[0052] 图10为自适应观测器估计转子速度和位置框图，
[0053] 图11为电流采样处理电路图，
[0054] 图12为一号电压霍尔传感器和电压霍尔传感器的电路图，