无速度传感器电机驱动系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无速度传感器电机驱动系统，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】
无速度传感器电机驱动系统
总的而言本专利技术涉及电机，特别涉及一种无速度传感器电机驱动系统。
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无速度传感器电机驱动系统。一种无速度传感器电机驱动系统，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变换单元采用半有源桥DC-DC变换器，由输入侧和输出侧构成；输入侧用于将输入的直流电压变换为高频交流方波电压，通过变压器将电能从原边传递至副边；输出侧用于实现对变压器副边的交流电压进行整形，实现额定电压输出；输入侧由四个可控开关管组成全桥电路，输出侧由两个可控开关管和两个二极管以及输出电容成，输入侧和输出侧由变压器连接；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；采用半有源桥DC/DC变换器，降低了DC/DC变换器中存在的无功功率，减小开关管的损耗，提高了DC/DC变换器的可靠性；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DC/DC变换单元工作流程图；图5为分数阶PID的结构示意图；图6为分数阶PID整定流程图；图7为电流调节单元的结构示意图；图8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)，角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和转子位置进行检测，这些检测信号被送入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；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、谐波观测器、角生成器、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，极性判断模块用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无速度传感器电机驱动系统，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】
1.一种无速度传感器电机驱动系统，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变换单元采用半有源桥DC-DC变换器，由输入侧和输出侧构成；输入侧用于将输入的直流电压变换为高频交流方波电压，通过变压器将电能从原边传递至副边；输出侧用于实现对变压器副边的交流电压进行整形，实现额定电压输出；输入侧由四个可控开关管组成全桥电路，输出侧由两个可控开关管和两个二极管以及输出电容成，输入侧和输出侧由变压器连接；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...

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