电机驱动系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电机驱动系统，包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU、谐波生成器以及谐波观测器；DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连；通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电流ia、ib，通过谐波观测器对永磁电机的转速ω

【技术实现步骤摘要】
电机驱动系统
总的而言本专利技术涉及电机，特别涉及一种电机驱动系统。
技术介绍
电动车辆，例如电动汽车，越来越受到人们的青睐。目前电动汽车的驱动一般采用蓄电池+永磁电机的模式，控制系统采用开环/闭环控制。对于开环控制而言，车辆(车速)不能精确的跟随给定，已逐步淘汰。在闭环控制中，当前一般采用速度闭环控制方式，其采用传统的PID调节器对给定速度与实际速度的偏差进行调节，根据调整结果控制逆变器的输出。这种控制方式，系统响应速度慢，调整过程中易出现超调，实际速度围绕设定值长时间振动，这样就造成在车辆提速过程中驾驶者感觉车速不稳定。永磁同步电机通常采用矢量控制，精确的转子位置必不可少。机械位置传感器能实现转子位置的高精度检测，但通常价格高昂，易受环境条件限制，而且存在增加电机转子转动惯量、增大系统体积及系统可靠性降低等缺点。除此之外，目前电动车辆一般采用斩波升压(boost)的方式对蓄电池的输出电压进行升压，这种方式开关管损耗大，功率因数低。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种电机驱动系统。一种电机驱动系统，包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU、谐波生成器以及谐波观测器；DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连；通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电流ia、ib，通过谐波观测器对永磁电机的转速ωm和转子位置进行观测；谐波生成器用于按照指令生成高次正弦谐波信号，并将生成的谐波信号注入q轴电压中；驱动系统采用转速外环、电流内环的双闭环结构，它包括Cark变换模块、Park变换模块、谐波生成器、分数阶PID调节器、电流调节器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器、谐波观测器包括HPF(高通滤波器)、极性判断模块和位置观测模块；HPF与Park变换模块的输出相连，极性判断模块和位置观测模块均与HPF相连，极性判断模块用于对转子极性进行判断，位置观测模块利用注入的谐波信号观测转子位置θ和实际转速ωm；转子位置θ发送给Park逆变换模块和Park变换模块的转子位置数据输入端；转速ωm发送至第一比较器的反向输入端，第一比较器的正向输入端与转速给定信号相连，第一比较器的输出端与分数阶PID调节器的输入端连接，分数阶PID调节器的输出端连接第二比较器的正向输入端，第二比较器的反向输入端与Park变换模块的q轴电流输出端相连，采用d轴电流恒零控制，即d轴电流给定值恒为零，这一给定值与第三比较器的正向输入端相连，第三比较器的反向输入端与Park变换模块的d轴电流输出端相连，第二比较器和第三比较器的输出端与电流调节器相连，电流调节器的输出端通过Park逆变换模块与脉冲宽度调制模块相连，脉冲宽度调制模块输出调制信号至逆变器，逆变器接收DC/DC变换单元的输出电压Vo；第二比较器对iq与进行比较，第三比较器对id与进行比较，第二比较器和第三比较器的比较结果送入电流调节器，通过电流调节器调节后得到dq轴坐标系下的q轴电压给定值和d轴电压给定值Park逆变换模块对和进行Park逆变换后，依次输出给脉冲宽度调制模块和逆变器，从而得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行；所述DC/DC变换单元包括DC/AC变换模块、AC/DC变换模块和高频变压器，DC/AC变换模块与高频变压器的原边相连，AC/DC变换模块与高频变压器的副边相连；DC/AC变换模块包括原边高频电能转换电路和原边高频谐振电路，电池通过原边高频电能转换电路和原边高频谐振电路与高频变压器的原边相连；AC/DC变换模块包括副边高频电能转换电路和副边高频谐振电路，高频变压器的副边通过副边高频谐振电路和副边高频电能转换电路与逆变器相连；所述电流调节器用于计算q轴电压给定值和d轴电压给定值第二比较器与第三比较器输出的偏差信号分别送入d轴PI调节器与q轴PI调节器，d轴PI调节器的输出电压为Ud，q轴PI调节器的输出电压为Uq，Ud、Uq、Vo送入电压极限环，得到和通过第四比较器对Uq与进行比较，得到偏差△Uq，△Uq经比例模块1/Kqp被送入q轴PI调节器中的积分模块，对△Uq进行PI调节，使得通过第五比较模块对Ud与进行比较，得到偏差△Ud，△Ud经比例模块1/Kdp被送入d轴PI调节器中的积分模块,对△Ud进行PI调节，使得本专利技术的有益效果是：采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，转速可以快速跟随给定，提高了系统响应速度；采用谐振软开关状态双向DC/DC变换器，改善了电能质量；通过采用分数阶PID使得系统具有了更大的调节范围，获得了比传统PID更好的控制品质及更强的鲁棒性；利用谐波注入法对电机转子位置角进行观测，从而取代了传统的机械位置传感器，降低了系统成本，提高了可靠性；电流环中加入了限幅与闭环反馈环节，保证了电机平稳运行，避免电机出现过调制。附图说明图1为本专利技术系统整体结构示意图；图2为本专利技术驱动系统的结构示意图；图3为DC/DC变换单元的结构示意图；图4为分数阶PID的结构示意图；图5为分数阶PID整定流程图；图6为电流调节单元的结构示意图；图7为本专利技术控制结果比较图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，使本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。首先结合附图1对本专利技术的系统结构做说明。本专利技术提供了一种电机驱动系统，系统包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU(主控单元)，谐波生成器以及谐波观测器等。DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连，通过永磁电机驱动车辆运行。通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电压ia、ib，通过谐波观测器对永磁电机的转速ωm和转子位置进行观测，这些信号被送入MCU，MCU根据这些检测信号分别向DC/DC变换单元和逆变器输出驱动信号G1、G2，从而调节DC/DC变换单元和逆变器的输出。整个系统由一块MCU处理器控制运行，各个部分协调运行，人机交换部分可采用LCD和按键实现(图中未示出)。MCU控制逆变器中IGBT的导通频率，从而实现永磁同步电机线圈磁场顺序变化驱动电机运转；谐波生成器用于按照指令生成高次正弦谐波信号，并将生成的谐波信号注入q轴电压中；电流检测电路通过实时检测电机线圈的相电流，并与MCU处理器中电机理论模型进行比较，实现电机的闭环控制，以及实现电机的过压、过流保护。下面对本专利技术中驱动系统的控制结构做详细介绍，请参阅图2。驱动系统采用转速外环、电流内环的双闭环结构，它包括Cark变换模块、Park变换模块、谐波生成器、分数阶PID调节器、电流调节器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器，谐波观测器包括HPF(高通滤波器)、极性判断模块和位置观测模块。其中，HPF与Park变换模块的输出相连，极性判断模块和位置观测模块均与HPF相连，极性判断模块用于对转子极性进行判断，位置观测模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电机驱动系统，其特征在于，包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU、谐波生成器以及谐波观测器；DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连；通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电流ia、ib，通过谐波观测器对永磁电机的转速ω

【技术特征摘要】
1.一种电机驱动系统，其特征在于，包括：DC/DC变换单元、逆变器、永磁电机、MCU、谐波生成器以及谐波观测器；DC/DC变换单元与电池相连，DC/DC变换单元的输出端连接逆变器，逆变器与永磁电机相连；通过电压传感器分别检测DC/DC变换单元的输入电压Vin和输出电压Vo，通过电流传感器检测逆变器的输出电流ia、ib，通过谐波观测器对永磁电机的转速ωm和转子位置进行观测；谐波生成器用于按照指令生成高次正弦谐波信号，并将生成的谐波信号注入q轴电压中；驱动系统采用转速外环、电流内环的双闭环结构，它包括Cark变换模块、Park变换模块、谐波生成器、分数阶PID调节器、电流调节器、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器、谐波观测器包括HPF(高通滤波器)、极性判断模块和位置观测模块；HPF与Park变换模块的输出相连，极性判断模块和位置观测模块均与HPF相连，极性判断模块用于对转子极性进行判断，位置观测模块利用注入的谐波信号观测转子位置θ和实际转速ωm；转子位置θ发送给Park逆变换模块和Park变换模块的转子位置数据输入端；转速ωm发送至第一比较器的反向输入端，第一比较器的正向输入端与转速给定信号相连，第一比较器的输出端与分数阶PID调节器的输入端连接，分数阶PID调节器的输出端连接第二比较器的正向输入端，第二比较器的反向输入端与Park变换模块的q轴电流输出端相连，采用d轴电流恒零控制，即d轴电流给定值恒为零，这一给定值与第三比较器的正向输入端相连，第三比较器的反向输入端与Park变换模块的d轴电流输出端相连，第二比较器和第三比较器的输出端与电流调节器相连，电流调节器的输出端通过Park逆变换模块与脉冲宽度调制模块相连，脉冲宽度调制模块输出调制信号至逆变器，逆变器接收DC/DC变换单元的输出电压Vo；第二比较器对iq与进行比较，第三比较器对id与进行比较，第二比较器和第三比较器的比较结果送入电流调节器，通过电流调节器调节后得到dq轴坐标系下的q轴电压给定值和d轴电压给定值Park逆变换模块对和进行Park逆变换后，依次输出给脉冲宽度调制模块和逆变器，从而得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行；所述DC/DC变换单元包括DC/AC变换模块、AC/DC变换模块和高频变压器，DC/AC变换模块与高频变压器的原边相连，AC/DC变换模块与高频变压器的副边相连；DC/AC变换模块包括原边高频电能转换电路和原边高频谐振电路，电池通过原边高频电能转换电路和原边高频谐振电路与高频变压器的原边相连；AC/DC变换模块包括副边高频电能转换电路和副边高频谐振电路，高频变压器的副边通过副边高频谐振电路和副边高频电能转换电路与逆变器相连；所述电流调节器用于计算q轴电压给定值和...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：齐桂杰，
类型：发明
国别省市：上海,31