一种高速永磁电机变频调速系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术将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。

【技术实现步骤摘要】
一种高速永磁电机变频调速系统及方法
本专利技术属于机电
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺陷，本专利技术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Id*＝0,Iq*＝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Vd*，Vq*及直通占空比D，并将Vd*，Vq*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。本专利技术的有益效果：本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术的技术方案作进一步详细地说明。1系统整体结构构成本专利技术为基于电压型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。光电编本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
2014.09.25 CN 20141049544471.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，张阳，黄晟，罗德荣，王辉，高剑，郭超，王家堡，廖武，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43