一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器制造技术

一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器，包括三个功率开关管、三个续流二极管、一个三路耦合电感、母线电压传感器、母线电流传感器、数字控制器、线反电动势过零点信号检测电路、三相桥式逆变器与高速电动机。直流电经功率开关管和续流二极管斩波后由三路耦合电感滤波，滤波后的直流电能由母线电压传感器和母线电流传感器检测后输入到三相桥式逆变器与高速电动机。数字控制器接收母线电压传感器、母线电流传感器输出的两路模拟信号和三路线反电动势过零点信号进行逻辑运算后输出三路PWM移相信号进行交错并联Buck变换器输出电能跟踪控制。本发明专利技术有效地解决了高速电动机控制用电力电子变换问题，对高速电动机控制研究有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速电动机控制的电力电子变换技术，特别是针对大功率高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器的电力电子变换装置和调制方法。
技术介绍
随着电动机的绿色节能需求，高速电动机因其高转速，高功率密度，小体积而成为电机方向的研究热点之一。高速电动机高速运行时，其相应的三相桥式逆变器开关管的工作频率高，续流二极管反向恢复时间长，而导致逆变器损耗大，效率低。为提高系统效率，直流电源先经过高频Buck变换器调制后送至三相桥式逆变器再与电动机绕组连接。但是对于高速大功率电动机，Buck变换器由于开关频率高，开关损耗大，导致电路效率和功率开关管使用寿命降低。且由于功率开关管的耐电压和过电流容量的限制，Buck变换器的功率等级难以满足大功率高速电动机控制系统的需求。为解决Buck变换器功率等级的问题，有学者提出将交错并联技术应用于Buck变换器的设计中。以专利200910234344.8为代表的多输入Buck直流变换器代替单输入Buck直流变换器。但该系统作为将多种新能源结合起来构成新能源联合供电系统，未针对高速电动机这一类感性负载进行斩波电路的优化设计，不能满足高速电动机控制系统电能调制需求。专利201210124755.3提出了一种用于高速大功率电动机控制电路用的无损缓冲电路，有利于降低开关管损耗。但该电路作为一个电力电子变换装置，未提出具有小电枢电感特点的大功率高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器的调制方法。由于高速电动机控制系统用电力电子变换具有电流大、频率高、动态响应快的特点。文献通常从磁性元件设计、控制电路设计、移相控制等方面进行开关电源设计，不能满足具有小电枢电感特点的高速电动机这类感性负载需求，且未提供高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器的调制方法。因此，现有的交错并联Buck变换器不能满足大功率高速电动机高速运行时高效率电力电子变换的需求，不能解决高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器的调制问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：解决现有的高速电动机控制系统电力电子变换的需求。提出一种针对高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器的硬件装置和调制方法，该方法可以降低高速电动机控制系统损耗，提高运行效率。本专利技术的技术解决方案是：一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器。包括三个功率开关管(1)、三个续流二极管(2)、一个三路耦合电感(3)、母线电压传感器(4)、母线电流传感器(5)、数字控制器(6)、线反电动势过零点信号检测电路(7)、三相桥式逆变器与高速电动机(8)。直流电经功率开关管(1)和续流二极管(2)斩波后由三路耦合电感(3)滤波，经滤波后的直流电压由母线电压传感器(4)检测，并与母线电流传感器(5)串联后输入到三相桥式逆变器与高速电动机(8)。母线电压传感器(4)输出电压模拟信号和母线电流传感器(5)输出电流模拟信号共两路模拟信号送入数字控制器(6)的AD转换接口进行模数转换。数字控制器(6)采用主DSP和从DSP结构；数字控制器(6)从DSP的CAP接口捕获线反电动势过零点信号检测电路(7)输出的三路过零点信号。数字控制器(6)主DSP的PWM接口向三个功率开关管(1)输出三路相同占空比、相同频率的移相PWM信号，实现三个功率开关管(1)依次分别导通，进而实现三相桥式逆变器与高速电动机(8)直流母线电压和电流调制。所述的数字控制器(6)依据母线电压传感器(4)、母线电流传感器(5)和线反电动势过零点信号检测电路(7)的反馈信号，采用电压电流闭环控制和速度闭环控制进行交错并联Buck变换器输出电流和电压跟踪控制。所述的三路耦合电感采用高频铁基非晶磁芯结构，磁芯呈120°星形排布。三个等电感量线圈L1、L2和L3分别绕在三个磁芯上呈星形排布，公共点抽头为LM。该三路耦合电感共有四个抽头L1、L2、L3和LM，该四个抽头在同一平面内，其中，L1、L2和L3三个抽头依次相差120°呈星形，且该星形结构的公共点抽头为LM。安装时需固定可靠且保证良好通风散热，接线时注意其三个线圈抽头L1、L2和L3可以任意接线，但其公共点抽头LM为输出端，只可作为交错并联Buck变换器的输出端。采用所述的交错并联Buck变换器，实现交错并联Buck变换器的调制方法，包括以下步骤：步骤一，数字控制器(6)初始化，即完成程序和数据存储器空间的分配。步骤二，控制模式选择。数字控制器(6)从DSP芯片的CAP接口捕获反电动势过零点信号检测电路(7)输出的三路过零点信号，根据过零点信号频率计算出电机当前转频。假设数字控制器(6)所计算得到的电动机当前转频为f，所设定的电动机额定转频为fn，数字控制器(6)判断f和fn之间的倍数关系进行控制模式选择。如果f≥0.1*fn，则交错并联Buck变换器采用恒压输出模式，否则，采用恒流输出模式。在交错并联Buck变换器恒流输出模式中，数字控制器(6)执行电流闭环控制模块，控制逆变器母线电流。步骤三，恒流输出模式和恒压输出模式选择。在交错并联Buck变换器恒流输出模式中，数字控制器(6)执行电流闭环控制模块。数字控制器(6)主DSP芯片实时检测逆变器母线电流，并判断母线电流检测值是否等于母线电流设定值。如果检测值不等于设定值，则同时调节功率开关管(1)的占空比，根据所接收到的三路相同占空比、相同频率的移相PWM信号，进行逆变器母线电流控制。如果检测母线电流值等于设定值，则数字控制器(6)进入步骤四，执行速度闭环控制模块。在交错并联Buck变换器恒压输出模式中，数字控制器(6)执行电压闭环控制模块，控制逆变器母线电压。在电压闭环控制模块中，数字控制器(6)主DSP芯片实时检测逆变器母线电压，并判断母线电压检测值是否等于母线电压设定值。如果检测值不等于设定值，则调节功率开关管(1)的占空比，进行逆变器母线电压控制。如果检测母线电压值等于设定值，则数字控制器(6)进入步骤四，执行速度闭环控制模块。步骤四，速度闭环控制模块。在速度闭环控制模块中，数字控制器(6)的从DSP芯片CAP接口捕获三路线反电动过零点信号，并根据过零点信号频率计算出电动机当前转频f。步骤五，调节完成或者重新选择控制模式。假设电动机给定转频为fref，从DSP芯片对比f与fref之间的倍数关系判断交错并联Buck变换器调节是否成功。如果f≤0.1％*fref，则表明交错并联Buck变换器调节成功。否则，数字控制器(6)返回到步骤二，根据f与0.1*fn之间的数值大小关系重新进行交错并联Buck变换器控制模式选择，再次进行电流闭环控制或者电压闭环控制。本专利技术的原理是：本专利技术介绍了一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器。本专利技术利用功率开关管、续流二极管和三路耦合电感实现电力电子变换装置；三路功率开关管的通断采用三路高频PWM移相信号进行控制。续流二极管采用三路快恢复二极管组成。数字控制器接收母线电压反馈信号、母线电流反馈信号和三路线反电动势过零点信号进行数字运算后，输出三路高频PWM移相控制信号实时调制交错并联Buck变换器进行母线电流和母线电压跟踪控制；从而实现了高速电动机用高效率电力电子变换。首先，数字控制器输出三路高频PWM移相控制信号控制三路交错并联Buck变换器直流电压进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器，其特征在于：包括三个功率开关管(1)、三个续流二极管(2)、一个三路耦合电感(3)、母线电压传感器(4)、母线电流传感器(5)、数字控制器(6)、线反电动势过零点信号检测电路(7)、三相桥式逆变器与高速电动机(8)；直流电经功率开关管(1)和续流二极管(2)斩波后由三路耦合电感(3)滤波，经滤波后的直流电压由母线电压传感器(4)检测，并与母线电流传感器(5)串联后输入到三相桥式逆变器与高速电动机(8)；母线电压传感器(4)输出电压模拟信号和母线电流传感器(5)输出电流模拟信号共两路模拟信号送入数字控制器(6)的AD转换接口进行模数转换；数字控制器(6)采用主DSP和从DSP结构；数字控制器(6)从DSP的CAP接口捕获线反电动势过零点信号检测电路(7)输出的三路过零点信号；数字控制器(6)主DSP的PWM接口向三个功率开关管(1)输出三路相同占空比、相同频率的移相PWM信号，实现三个功率开关管(1)依次分别导通，进而实现三相桥式逆变器与高速电动机(8)直流母线电压和电流调制。

【技术特征摘要】
1.一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器，其特征在于：包括三个功率开关管(1)、三个续流二极管(2)、一个三路耦合电感(3)、母线电压传感器(4)、母线电流传感器(5)、数字控制器(6)、线反电动势过零点信号检测电路(7)、三相桥式逆变器与高速电动机(8)；直流电经功率开关管(1)和续流二极管(2)斩波后由三路耦合电感(3)滤波，经滤波后的直流电压由母线电压传感器(4)检测，并与母线电流传感器(5)串联后输入到三相桥式逆变器与高速电动机(8)；母线电压传感器(4)输出电压模拟信号和母线电流传感器(5)输出电流模拟信号共两路模拟信号送入数字控制器(6)的AD转换接口进行模数转换；数字控制器(6)采用主DSP和从DSP结构；数字控制器(6)从DSP的CAP接口捕获线反电动势过零点信号检测电路(7)输出的三路过零点信号；数字控制器(6)主DSP的PWM接口向三个功率开关管(1)输出三路相同占空比、相同频率的移相PWM信号，实现三个功率开关管(1)依次分别导通，进而实现三相桥式逆变器与高速电动机(8)直流母线电压和电流调制。2.根据权利要求1所述的高速电动机控制用交错并联Buck变换器，其特征在于：所述的数字控制器(6)依据母线电压传感器(4)、母线电流传感器(5)和线反电动势过零点信号检测电路(7)的反馈信号，采用电压电流闭环控制和速度闭环控制进行交错并联Buck变换器输出电流和电压跟踪控制。3.根据权利要求1所述的高速电动机控制用交错并联Buck变换器，其特征在于：所述的三路耦合电感采用高频铁基非晶磁芯结构，磁芯呈120°星形排布；三个等电感量线圈L1、L2和L3分别绕在三个磁芯上呈星形排布，公共点抽头为LM；该三路耦合电感共有四个抽头L1、L2、L3和LM，该四个抽头在同一平面内，其中，L1、L2和L3三个抽头依次相差120°呈星形，且该星形结构的公共点抽头为LM；安装时需固定可靠且保证良好通风散热，接线时注意其三个线圈抽头L1、L2和L3可以任意接线，但其公共点抽头LM为输出端，只可作为交错并联Buck变换器的输出端。4.采用权利要求1所述的高速电动机控制用交错并联Buck变换器，实现交错并联Buck变换器的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，数字控...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑世强，何延昭，刘刚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11