基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统技术方案

本发明专利技术提供了基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路和箝位电路；主电路中双向开关矩阵电路由9个具有阻断能力和自关断能力的双向开关组成，通过RLC输入滤波器与三相交流电源相连，直接连接永磁同步电机。其控制方法为：矩阵变换器虚拟成等效的交‑直‑交结构后，对两级变换器进行PWM控制，虚拟整流侧基于前向BP神经网络算法预测设定功率因数值并代入矩阵变换器的双空间矢量调制算法中，控制矩阵变换器网测功率因数为1；虚拟逆变侧使输出电压空间矢量满足直接转矩控制要求。该系统是一种输入输出波形正弦化、能量双向流动、动静态性能良好、对电网无污染、高性能的绿色“交流调速系统”。

【技术实现步骤摘要】
基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统
本专利技术涉及高效永磁电机控制系统领域，尤其涉及一种基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统。
技术介绍
随着电力电子技术和电机控制技术的发展，交流电气传动系统在实践当中已有广泛的应用，如用在风机、电力机车和轻工机械等，其控制效果可与直流调速相媲美，并且还拥有直流调速系统没有的一系列优点。交流电气传动系统的执行电机一般为异步电动机、永磁同步电机和无刷直流电机。其中，永磁同步电机由于其转子为永磁体，没有复杂的电刷结构，且采用矢量控制或直接转矩控制可以使永磁同步电机调速系统的控制性能接近直流电机调速系统的性能指标，因此广泛应用于伺服控制及电气传动等场合。构成交流电气传动系统的除了执行电机外还包括变频装置，常见的变频装置主电路拓扑结构主要包括AC/DC/AC变换器(双PWM变换器和不控整流PWM变换器)及AC/AC变换器(主要是周波变换器)，其中，不控整流PWM变换器采用二极管不控整流，会造成输入电流发生畸变，使得输入电流波形非正弦，谐波增大，输入功率因数偏低，能量无法实现双向流动，且中间直流环节含有大电容；双PWM控制器整流和逆变均采用全控性器件，实现了输入电流输出电压正弦化，能量双向流动，实现高功率因数运行，但该结构仍需要中间直流储能电容；周波变换器由于没有中间直流环节，利用电网电压实现晶闸管的自然换流，实现了能量双向流动和四象限运行，但由于采用移相触发方式实现功率变换，使得电流电压波形畸变严重，输入功率因数较低。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术提供了一种基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，已解决现有技术不足。本专利技术的基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路以及箝位电路；主电路包括三相交流电源、RLC输入滤波器、双向开关矩阵电路以及永磁同步电机；检测电路包括输入电压检测模块、输出电压电流检测模块以及光电编码器，其中，输入电压检测模块用于进行输入相电压过零点检测，输出电压电流检测模块用于进行输出电流极性检测、输出电压大小检测和输出电流大小检测，而光电编码器用于对永磁同步电机的转速和转子初始位置进行检测；控制电路包括ARM模块和FPGA模块，以实现坐标变换、计算定子磁链、计算电磁转矩、输入电流扇区、输出电压扇区以及求出矢量作用时间和矢量分配情况的功能；驱动电路用于对控制电路中的FPGA输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动双向开关矩阵电路中的开关管；信号处理电路用于对输入电压检测模块及输出电压电流检测模块采集的信号进行限幅、滤波和比较整形；箝位电路用于保护双向开关矩阵电路中的开关管免遭过压损坏。优选地，箝位电路包括过压吸收电路模块和泄放电路模块；过压吸收电路模块包括第一电容、第二电容、第九电阻、第十电阻以及多个二极管；过压吸收电路模块和泄放电路模块用于在双向开关矩阵电路带感性负载时，通断切换双向开关矩阵电路中的开关管瞬间形成高压尖峰，通过高压尖峰能量对第一电容和第二电容进行充电以保护双向开关矩阵电路中的开关管；第九电阻和第十电阻为均压电阻。优选地，多个二极管包括6组二极管，6组二极管中的每一组包括两个串联的二极管，6组二极管并联连接于泄放电路模块的两端；第一电容的一端和第十电阻的一端M连接后与泄放电路模块的一端相连接，第一电容的另一端、第十电阻的另一端、第二电容的一端以及第九电阻的一端连接在一起，第二电容的另一端和第九电阻的另一端连接后与泄放电路模块的另一端N相连接。优选地，泄放电路模块包括第七电阻、第八电阻、第六电阻、第三电容、电压比较器、第一电阻、光耦合器、第二电阻、第四电容、第三电阻、稳压二极管、第四电阻、开关管、第五电阻和第一二极管；其中，电压比较器的型号为LM339，光耦合器的型号为TLP250，第八电阻和第六电阻为可变电阻，第四电容为电解电容，第五电阻为泄放电阻；第七电阻的一端和第五电阻的一端相连接后作为M端，第五电阻的另一端连接开关管的集电极；第七电阻的另一端连接第八电阻的一个固定端，第八电阻的另一个固定端作为N端；第八电阻的可调端连接至电压比较器的5引脚；电压比较器的3引脚接入+15V电压端、且与第六电阻的一个固定端相连接，第六电阻的另一个固定端连接至电压比较器的4引脚且接地，电压比较器的4引脚还与第六电阻的可调端相连接；第三电容接于电压比较器的5引脚与4引脚之间，电压比较器的12引脚接入-15V电压端；电压比较器的2引脚连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接光耦合器的3引脚，光耦合器的2引脚连接+5V电压；光耦合器的8引脚与第三电阻R3的一端连接后接入20V电压端，第三电阻的另一端连接稳压二极管的负极，稳压二极管的正极接地；光耦合器的6引脚连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接开关管的栅极，开关管的发射极连接N端；第四电阻接于开关管的栅极与发射极之间；光耦合器的5引脚与第四电容的负极相连后接地，第四电容的正极连接至开关管的发射极。优选地，当因短路保护而使得主电路的开关管全部关断时，泄放电路模块的母线电压MN迅速上升：当母线电压MN大于电路预设电压时，开关管导通，过压产生的能量通过第五电阻进行泄放，当母线电压MN降低到预设值以下时，开关管关断，系统恢复正常。优选地，在矩阵变换器双空间矢量调制的基础上，结合直接转矩控制，把双向开关矩阵电路和永磁同步电机视为一体，同时实现双向开关矩阵电路的空间矢量调制和永磁同步电机的直接转矩控制。优选地，对于虚拟整流侧，采用预测设定功率因数值的方法，将预测设定值引入到双向开关矩阵电路的算法中，以此来抵消由于引入RLC输入滤波器而造成网侧功率因数值降低的影响，使其网侧工作在单位功率因数下。优选地，对于虚拟逆变侧，永磁同步电机采用直接转矩控制策略，将转矩、磁链及磁链扇区分布状态码引入到双向开关矩阵电路的空间矢量调制算法中。优选地，采用基于前向BP神经网络的网测功率因数调节算法，来确定双向开关矩阵电路预测功率因数值。本专利技术的基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，在矩阵变换器-永磁同步电机直接转矩控制系统的基础上，采用前向BP神经网络算法预测设定功率因数值的方法，不但控制网测工作在单位功率因数，而且能够明显的减小磁链和转矩脉动，大大改善系统的动态特性，其具有如下有益效果：1、采用直接转矩控制直接控制电机的磁链和转矩，不需要繁琐的解耦运算，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算，信号处理过程简单化。2、在永磁同步电机控制系统中采用矩阵变换器，具有输入输出波形正弦化、输入端功率因数可调、能量可双向流动、无需体积大的储能元件、双向开关可以实现零电流切换以及实现一个整流级拖动多级逆变级等优点。3、采用矩阵变换器的双空间矢量调制方法，具有简化控制算法和最大的电压传输比且不需要外部的谐波补偿。4、采用前向BP神经网络作为预测设定功率因数的方法，前向BP神经网络算法具有非线性映射能力、自学习自适应能力、容错能力等特点，使得网测功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路以及箝位电路；所述主电路包括三相交流电源(11)、RLC输入滤波器(12)、双向开关矩阵电路(13)以及永磁同步电机(PMSM)(14)；所述检测电路包括输入电压检测模块(21)、输出电压电流检测模块(22)以及光电编码器(23)，其中，所述输入电压检测模块(21)用于进行输入相电压过零点检测，所述输出电压电流检测模块(22)用于进行输出电流极性检测、输出电压大小检测和输出电流大小检测，而所述光电编码器用于对永磁同步电机的转速和转子初始位置进行检测；所述控制电路包括ARM模块和FPGA模块，以实现坐标变换、计算定子磁链、计算电磁转矩、输入电流扇区、输出电压扇区以及求出矢量作用时间和矢量分配情况的功能；所述驱动电路用于对所述控制电路中的FPGA输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动双向开关矩阵电路(13)中的开关管；所述信号处理电路用于对所述输入电压检测模块(21)及所述输出电压电流检测模块(22)采集的信号进行限幅、滤波和比较整形；所述箝位电路用于保护双向开关矩阵电路(13)中的开关管免遭过压损坏。...

【技术特征摘要】
1.基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路以及箝位电路；所述主电路包括三相交流电源(11)、RLC输入滤波器(12)、双向开关矩阵电路(13)以及永磁同步电机(PMSM)(14)；所述检测电路包括输入电压检测模块(21)、输出电压电流检测模块(22)以及光电编码器(23)，其中，所述输入电压检测模块(21)用于进行输入相电压过零点检测，所述输出电压电流检测模块(22)用于进行输出电流极性检测、输出电压大小检测和输出电流大小检测，而所述光电编码器用于对永磁同步电机的转速和转子初始位置进行检测；所述控制电路包括ARM模块和FPGA模块，以实现坐标变换、计算定子磁链、计算电磁转矩、输入电流扇区、输出电压扇区以及求出矢量作用时间和矢量分配情况的功能；所述驱动电路用于对所述控制电路中的FPGA输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动双向开关矩阵电路(13)中的开关管；所述信号处理电路用于对所述输入电压检测模块(21)及所述输出电压电流检测模块(22)采集的信号进行限幅、滤波和比较整形；所述箝位电路用于保护双向开关矩阵电路(13)中的开关管免遭过压损坏。2.根据权利要求1所述的基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述箝位电路包括过压吸收电路模块和泄放电路模块；所述过压吸收电路模块包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)以及多个二极管；所述过压吸收电路模块和所述泄放电路模块用于在所述双向开关矩阵电路(13)带感性负载时，通断切换所述双向开关矩阵电路(13)中的开关管瞬间形成高压尖峰，通过高压尖峰能量对第一电容(C1)和第二电容(C2)进行充电以保护所述双向开关矩阵电路(13)中的开关管；所述第九电阻(R9)和所述第十电阻(R10)为均压电阻。3.根据权利要求2所述的基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述多个二极管包括6组二极管，所述6组二极管中的每一组包括两个串联的二极管，所述6组二极管并联连接于所述泄放电路模块的两端；所述第一电容(C1)的一端和所述第十电阻(R10)的一端连接后与所述泄放电路模块的一端(M)相连接，所述第一电容(C1)的另一端、所述第十电阻(R10)的另一端、所述第二电容(C2)的一端以及所述第九电阻(R9)的一端连接在一起，所述第二电容(C2)的另一端和所述第九电阻(R9)的另一端连接后与所述泄放电路模块的另一端(N)相连接。4.根据权利要求2或3所述的基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述泄放电路模块包括第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第六电阻(R6)、第三电容(C3)、电压比较器(LM339)、第一电阻(R1)、光耦合器(TLP250)、第二电阻(R2)、第四电容(C4)、第三电阻(R3)、稳压二极管(ZD5)、第四电阻(R4)、开关管(Q1)、第五电阻(R5)和第一二极管(D1)；其中，所述第八电阻(R8)和所述第六电阻(R6)为可变电阻，所述第四电容(C4)为电解电容，所述第五电阻(R5)为泄放电阻；所述第七电阻(R7)的一端和所述第五电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晗璎，刘珊珊，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23