基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法技术方案

本发明专利技术基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法属于高效永磁电机控制系统领域；该装置包括三相交流电源、RLC滤波器、矩阵变换器、永磁同步电机、控制电路、驱动电路、输入电压电流检测电路、输出电压电流检测电路、信号处理电路、AC/DC电路和电源；三相交流电源依次连接RLC滤波器、矩阵变换器和永磁同步电机，三相交流电源和RLC滤波器之间依次连接输入电压电流检测电路和信号处理电路，矩阵变换器和永磁同步电机之间依次连接输出电压电流检测电路、信号处理电路和控制电路；该方法包括基于滑模观测器的双空间矢量脉宽调制方法，通过给定矩阵变换器的功率因数值，调节网侧工作在单位功率因数，本发明专利技术有效的解决了电机不平衡的技术问题。

Position vector control system and method for permanent magnet motor based on Matrix Converter

The invention has no control system and method of position vector belongs to the field of high efficiency permanent magnet motor permanent magnet motor control system based on matrix converter; the device comprises a three-phase AC power supply, RLC filter, matrix converter, permanent magnet synchronous motor, control circuit, drive circuit, input voltage and current detection circuit, current detection circuit, the output voltage the signal processing circuit, AC/DC circuit and power; three-phase AC power supply are connected to RLC filter, the matrix converter He Yongci between synchronous motor, three-phase AC power supply and RLC filter connected to the input voltage and current detection circuit and signal processing circuit, the output voltage and current detection circuit, signal processing circuit and the control circuit are connected between the matrix converter He Yongci synchronous motor the method includes; double space vector PWM method based on sliding mode observer, the Given the power factor of the matrix converter, the grid side works in the unit power factor. The invention effectively solves the technical problem of the imbalance of the motor.

【技术实现步骤摘要】
基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法
本专利技术一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法属于高效永磁电机控制系统领域。
技术介绍
矩阵变换器是一种交-交功率变换装置，具有能量可双向流动、输入输出电流为正弦、输入电流畸变率低、无中间直流储能环节、功率因数为1等优点，很适合用于驱动永磁同步电机，组成矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统。但由于矩阵变换器直接变换的特性，在采用空间矢量调制策略时，电网电压扰动会直接影响矩阵变换器的输出。电压不平衡是一种常见的电网电压扰动，会导致矩阵变换器的输出电压和电流中含有低次谐波，对矩阵变换器馈电的电机驱动系统，将造成电机转矩、转速出现波动；电机本身参数摄动也会影响电流环响应，进而影响电机转矩、转速输出。永磁同步电机具有功率密度高、调速范围广、体积小、重量轻等优点，在民用、工业和军事等领域得到了广泛的应用。但针对永磁同步电机的控制需要获得电机转子的位置和转速信息，目前应用比较普遍的是光电编码器和旋转变压器等装置，而这些装置的使用不但增加了系统的体积和成本，降低了系统的可靠性，最重要的是目前还没有一种单一的无传感器技术能过适用于在各种运行条件下有效的控制电机。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法，深入研究了抑制电网电压扰动对系统输出影响的控制策略，提出在矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统电流控制器设计中引入滑模变结构控制器，取代传统的前馈补偿控制与PI控制结合的方式，以提高系统对电网扰动和电机参数摄动的鲁棒性，同时，通过构造滑模观测器观测电机的反电动势，从反电动势中直接或间接的估算出转子位置和速度，简化系统控制结构，节省成本。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括三相交流电源、RLC滤波器、矩阵变换器、永磁同步电机、控制电路、驱动电路、输入电压电流检测电路、输出电压电流检测电路、信号处理电路、AC/DC电路和电源；所述三相交流电源依次连接RLC滤波器、矩阵变换器和永磁同步电机，所述三相交流电源和RLC滤波器之间依次连接输入电压电流检测电路和信号处理电路，所述矩阵变换器和永磁同步电机之间依次连接输出电压电流检测电路、信号处理电路和控制电路，所述控制电路连接驱动电路，所述电源依次通过AC/DC电路给驱动电路、信号处理电路和控制电路供电。一种在所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统上实现的所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制方法，具体步骤如下：步骤a、检测交流永磁同步电机(4)三相定子电流iu、iv和iw，经Clark变换得到两相静止直角坐标系的两相定子电流iα和iβ，在经Park变换得到两相旋转坐标系下id和iq；检测矩阵变换器输出的三相电压Uu、Uv和Uw经Clark变换，输出两相直角坐标系下的Uα和Uβ，将iα、iβ和Uα、Uβ送入滑模观测器中进行运算；步骤b、永磁同步电机两相静止坐标系下的定子电压Uα和Uβ通过电压重构获得与符号函数sign输出量和作为滑模观测器模型的输入，滑模观测器模型输出定子电流观测值和和分别减定子实际电流iα和iβ，差值和作为符号函数的输入，经其处理后输出两相静止坐标系下的反电动势估算值和在经过角度计算模块获得转子位置经角速度计算模块求导获得角速度步骤c、将得到的转子转速的估算值乘以相应数值估算出转子的转速将估算出的转子转速与给定转速做差，差值经PI速度调节器后输出q轴的参考电流与步骤a中的Iq进行做差，差值经PI调节后输出q轴参考电压将d轴参考电流与步骤a中得到的Id做差，差值经PI调节后的得到d轴的参考电压将得到的和经park反变换后，输出两相静止坐标系下的和步骤d、检测矩阵变换器的永磁同步电机输入侧三相电压UR、US、UT，经Clark变换得到输入两相静止坐标系下的Uiα和Uiβ，采经BP神经算法得到的矩阵变换器功率因数预测值Q和步骤c中得到的和经转化，得到输出线电压矢量uoα和uoβ，及输入相电流矢量iiα和iiβ，将得到的输出线电压矢量及输入相电流矢量分别进行扇区号判断和占空比计算，将得到的占空比进行联合后，根据区间分配矢量和作用时间，最后进行脉冲分配。有益效果：本专利技术基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统与方法，采用多层神经网络的反相传播学习算法预测设定功率因数值的方法，控制网侧工作在单位功率因数，同时，无位置传感器加入，不但提高系统对电网抗扰动能力和电机参数摄动的鲁棒性，而且简化系统控制结构，节省成本。具体如下：采用无位置传感器，不但提高系统对电网扰动能力和电机参数摄动的鲁棒性，而且简化系统控制结构，节省成本。采用矩阵变换器的双空间矢量脉宽调制方法，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。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神经网络算法具有自适应能力，使得网测功率因数更接近于单位功率因数，精度更高。采用ARM为主控芯片，输出9路PWM，共36中开关状态，采用九段式脉宽调制策略，其中电压电流都在一扇区的驱动波形如图14所示，同DSP与FPGA相结合的方法比较来看，仅用ARM结构简单，成本小。附图说明图1是基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统结构简图。图2是基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制方法矢量控制图。图3是滑模观测器结构简图。图4a是虚拟逆变侧输出线电压的矢量调制图。图4b是输出线电压的矢量等效合成图。图5a是虚拟整流侧相电流空间矢量分析图。图5b是输入相电流等效矢量合成图图6是RLC滤波器电路图。图7a是基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统矢量X、Y、Z的合成图。图7b是基于矩阵变换器的永磁电机无位置矢量控制系统矢量Z的合成图。图8是输入电压电流波形图。图9是负载变化过程中转矩、转速波形图。图10是负载变化过程中id、iq波形图。图11是滑模观测器观测的转子转速与实际输出的转子转速。图12是滑模观测器观测的转子位置与实际输出的转子位置。图13是永磁同步电机三相定子电流图。图14是驱动波形图。图中：1三相交流电源、2RLC滤波器、3矩阵变换器、4永磁同步电机、5控制电路、6驱动电路、7输入电压电流检测电路8、输出电压电流检测电流、9信号处理电路、10AC/DC电路、11220v电源。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式作进一步详细描述。具体实施方式一一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括三相交流电源1、RLC滤波器2、矩阵变换器3、永磁同步电机4、控制电路5、驱动电路6、输入电压电流检测电路7、输出电压电流检测电路8、信号处理电路9、AC/DC电路10和220v电源11；所述三相交流电源1依次连接RLC滤波器2、矩阵变换器3和永磁同步电机4，所述三相交流电源1和RLC滤波器2之间依次连接输入电压电流检测电路7和信号处理电路9，所述矩阵变换器3和永磁同步电机4之间依次连接输出电压电流检测电路8、信号处理电路9和控制电路5，所述控制电路5连接驱动电路6，所述220v电源11依次通过AC/DC电路10给驱动电路6、信号处理电路9和控制电路5供电。检测电路主要包括输入相电压过零点检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括三相交流电源(1)、RLC滤波器(2)、矩阵变换器(3)、永磁同步电机(4)、控制电路(5)、驱动电路(6)、输入电压电流检测电路(7)、输出电压电流检测电路(8)、信号处理电路(9)、AC/DC电路(10)和220v电源(11)；所述控制电路(5)是ARM作为主控芯片，所述三相交流电源(1)依次连接RLC滤波器(2)、矩阵变换器(3)和永磁同步电机(4)，所述三相交流电源(1)和RLC滤波器(2)之间依次连接输入电压电流检测电路(7)和信号处理电路(9)，所述矩阵变换器(3)和永磁同步电机(4)之间依次连接输出电压电流检测电路(8)、信号处理电路(9)和控制电路(5)，所述控制电路(5)连接驱动电路(6)，所述220v电源(11)依次通过AC/DC电路(10)给驱动电路(6)、信号处理电路(9)和控制电路(5)供电。

【技术特征摘要】
1.一种基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括三相交流电源(1)、RLC滤波器(2)、矩阵变换器(3)、永磁同步电机(4)、控制电路(5)、驱动电路(6)、输入电压电流检测电路(7)、输出电压电流检测电路(8)、信号处理电路(9)、AC/DC电路(10)和220v电源(11)；所述控制电路(5)是ARM作为主控芯片，所述三相交流电源(1)依次连接RLC滤波器(2)、矩阵变换器(3)和永磁同步电机(4)，所述三相交流电源(1)和RLC滤波器(2)之间依次连接输入电压电流检测电路(7)和信号处理电路(9)，所述矩阵变换器(3)和永磁同步电机(4)之间依次连接输出电压电流检测电路(8)、信号处理电路(9)和控制电路(5)，所述控制电路(5)连接驱动电路(6)，所述220v电源(11)依次通过AC/DC电路(10)给驱动电路(6)、信号处理电路(9)和控制电路(5)供电。2.根据权利要求1所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，采用由输出频率转换为预测设定功率因数值的方法，将预测设定值引入到空间矢量脉宽调制控制算法中，使空间矢量脉宽调制控制算法的网侧工作在单位功率因数下。3.根据权利要求1所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统，其特征在于：采用基于多层神经网络的反相传播学习算法(BP)的网测功率因数调节，来确定矩阵变换器预测功率因数值，使系统自适应能力更强。4.一种在根据权利要求1所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制系统上实现的所述基于矩阵变换器的永磁电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤a、检测交流永磁同步电机(4)三相定子电流iu、iv和iw，...

【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