CN103532449B - 级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法 Download PDF

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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters

Abstract

级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法，属于电力电子控制技术领域的发明。它解决了现有新能源电动汽车上牵引电机输出谐波多、输出电能质量低，进而影响新能源电动汽车的安全性和舒适度的问题。在本发明中，摒弃了传统的牵引电机驱动器的架构，提出了基于串联级联式和并联级联式多电平变换器的拓扑结构和控制技术，除了能够实现电机的高性能驱动控制外，还解决了单一的直流电源供电问题，同时优化了控制方法，针对内嵌式永磁同步电机在低速、中速和高速过程中对电流谐波的不同要求，提出了更加合理的多电平电流波形输出设计。本发明适用于新能源汽车等需要高效率，高性能输出，单一电源提供能量来源的场合。

Description

级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统。
背景技术
目前，传统的级联式多电平变换器(CHB，CascadedH-bridgeconverter)大量的应用于永磁同步电机的驱动控制电路中，其优势在于能够减少输出电压中的谐波和获得更低的du/dt，能够减小产生的共模电压，降低电机的轴向压力提高输出功率,降低开关频率，同时具有模块化可扩展功能和更高的稳定性。但是传统的级联式多电平转换器多采用若干个独立直流电源供电，这就推高了成本，降低了效率，同时给设计带来很大困难，特别是在新能源电动汽车/混合动力汽车这种只包含有一个电池组作为直流电源供电的情况下，如何提供其余的多个独立直流电源就成了一个急需解决的问题。
在解决这个问题上，各国科学家多采用简化级联式多电平拓扑结构的办法来实现其拓扑结构的最优化，最大限度的减少对独立电源数量上的需求，同时寻求其他替代电源比如电池组、超级电容或燃料电池等的方法来实现多电源供电。但是，最优化后的拓扑结构仍然需要多个独立的直流电源，同时这些替代电源在设计上并不适用于像新能源汽车类的单一电源工作环境。还有科学家采用多绕组曲折变压器来实现供电需求，但是这种变压器体积庞大，设计上困难，且工程成本比较高。现有的应用于新能源电动汽车上的级联式多电平变换器输出谐波多、输出电能质量低，进而影响新能源电动汽车的舒适度。
发明内容
本发明是为解决现有新能源电动汽车上牵引电机输出谐波多、输出电能质量低，进而影响新能源电动汽车的安全性和舒适度的问题，而提出了级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统及其控制方法。
本发明提供了两种级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，分别为：
第一种级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统为串联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括串联驱动器、永磁同步电机、信号调理电路、DSP控制器、旋转变压器、解码电路、人机接口、第一电流传感器、第二电流传感器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2，
所述直流电源的正极同时与电容的一端、电阻R1的一端和串联驱动器的直流输入电源正极端相连，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器的母线电压信号输入端相连，直流电源的负极同时与电容的另一端、电阻R2的另一端和串联驱动器的直流输入电源负极端相连；
所述串联驱动器包括三相主H桥变换器、三相从H桥变换器和串联三相变压器，所述三相主H桥变换器的三个主H桥单元分别与串联三相变压器的三个原边相连，串联三相变压器的三个副边分别与三相从H桥变换器的三个不控整流输入端相连,三相主H桥变换器的共发射极端即为串联驱动器的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器的共集电极端即为串联驱动器的直流输入电源负极端，
所述串联驱动器的三相逆变信号输出端与永磁同步电机的三相驱动信号输入端相连，旋转变压器用于检测永磁同步电机转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路的转速信号输入端，解码电路的解码信号输出端与DSP控制器的解码信号输入端相连，第一电流传感器用于采集永磁同步电机的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器用于采集永磁同步电机的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路的第二电流采样信号输入端，信号调理电路的两个调理信号输出端同时与DSP控制器的两个调理信号输入端相连，DSP控制器的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与串联驱动器的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端相连，DSP控制器的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口的多个通信信号输出/输入端相连。
第二种级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统为并联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括并联驱动器、永磁同步电机、信号调理电路、DSP控制器、旋转变压器、解码电路、人机接口、第一电流传感器、第二电流传感器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2，
所述直流电源的正极同时与电容的一端、电阻R1的一端和并联驱动器的直流输入电源正极端连接，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器的母线电压信号输入端连接，直流电源的负极同时与电容的另一端、电阻R2的另一端和并联驱动器的直流输入电源负极端连接；
所述并联驱动器包括三相主H桥变换器、三相从H桥变换器和并联三相变压器，所述三相主H桥变换器的三相逆变信号输出端与永磁同步电机的三相驱动信号输入端连接，并联三相变压器的三个原边分别与永磁同步电机定子的三相定子绕组并联，并联三相变压器的三个副边分别与三相从H桥变换器的三个不控整流输入端连接,三相主H桥变换器的共发射极端即为并联驱动器的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器的共集电极端即为并联驱动器的直流输入电源负极端，
所述永磁同步电机的电机转速信号输出端与旋转变压器的电机转速信号输入端连接，旋转变压器用于检测永磁同步电机转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路的转速信号输入端，解码电路的解码信号输出端与DSP控制器的解码信号输入端连接，第一电流传感器用于采集永磁同步电机的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器用于采集集永磁同步电机的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路的第二电流采样信号输入端，信号调理电路的两个调理信号输出端同时与DSP控制器的两个调理信号输入端连接，DSP控制器的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与并联驱动器的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端连接，DSP控制器的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口的多个通信信号输出/输入端连接。
基于上述第一种串联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法包括如下步骤：
用于采集串联驱动器输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器和第二电流传感器采集永磁同步电机的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器采集永磁同步电机的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到三相变压器的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器和三相从H桥变换器同时工作，输出五电平PWM波驱动串联三相变压器的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制串联驱动器停止输出驱动信号的停止步骤。
基于上述第二种并联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法包括如下步骤：
用于采集并联驱动器输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器和第二电流传感器采集永磁同步电机的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器采集永磁同步电机的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到三相变压器的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器和三相从H桥变换器同时工作，输出五电平PWM波驱动并联三相变压器的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制并联驱动器停止输出驱动信号的停止步骤。
本发明采用驱动器与永磁同步电机相连，使应用于新能源电动汽车上的级联式多电平变换器输出谐波减少了30％、输出电能质量提高了25％，进而使新能源电动汽车舒适。本发明可用于电动汽车/混合动力汽车等场合。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的结构示意图；
图2为具体实施方式二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的结构示意图；
图3为本发明中串联三相变压器和并联三相变压器的磁场耦合原理示意图；
图4为具体实施方式一所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统中带变压器的单相级联式多电平变换器拓扑结构图；
图5为具体实施方式二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统中带变压器的单相级联式多电平变换器拓扑结构图；
图6为具体实施方式一所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统中串联三相变压器与永磁同步电机连接示意图；
图7为具体实施方式二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统中并联三相变压器与永磁同步电机连接示意图；
图8为具体实施方式九所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的工作过程流程图；
图9为具体实施方式十所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的工作过程流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本具体实施方式所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统为串联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括串联驱动器1、永磁同步电机3、信号调理电路4、DSP控制器5、旋转变压器6、解码电路7、人机接口8、第一电流传感器P、第二电流传感器Q、直流电源VCC、电容C0、电阻R1和电阻R2，
所述直流电源VCC的正极同时与电容C0的一端、电阻R1的一端和串联驱动器1的直流输入电源正极端相连，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器5的母线电压信号输入端相连，直流电源VCC的负极同时与电容C0的另一端、电阻R2的另一端和串联驱动器1的直流输入电源负极端相连；
所述串联驱动器1包括三相主H桥变换器a、三相从H桥变换器c和串联三相变压器b，所述三相主H桥变换器a的三个主H桥单元分别与串联三相变压器b的三个原边相连，串联三相变压器b的三个副边分别与三相从H桥变换器c的三个不控整流输入端相连,三相主H桥变换器a的共发射极端即为串联驱动器1的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器a的共集电极端即为串联驱动器1的直流输入电源负极端，
所述串联驱动器1的三相逆变信号输出端与永磁同步电机3的三相驱动信号输入端相连，旋转变压器6用于检测永磁同步电机3转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路7的转速信号输入端，解码电路7的解码信号输出端与DSP控制器5的解码信号输入端相连，第一电流传感器P用于采集永磁同步电机3)的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器Q用于采集永磁同步电机3)的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第二电流采样信号输入端，信号调理电路4的两个调理信号输出端同时与DSP控制器5的两个调理信号输入端相连，DSP控制器5的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与串联驱动器1的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端相连，DSP控制器5的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口8的多个通信信号输出/输入端相连。
本实施方式的特点为单电源供电，三相五电平电压输出，本实施方式采用串联三相变压器为从H桥单元供电，所述串联三相变压器是一种低成本高效率的能量传输设备，其磁场耦合示意图如图3所示，变压器的磁芯为铁氧体材料，原边和副边按照一定的比例对称地缠绕多砸线圈。变压器的原边串联在三相输出主回路里，变压器的副边所产生的三相交流电通过整流后给从H桥单元供电。所述串联三相变压器属于高频变压器，当输出电压频率达到合适的值，即永磁同步电机转速上升到一定的值后，变压器即开始工作；电机转子位置信号传感器一般采用旋转变压器，其输出绕组的电压幅值与电机转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。这样通过解码电路可以计算出电机的转子位置和此时的电机转速。
本实施方式中，M1为主H桥单元，它的供电来自直流电源，S1为从H桥单元，M1和S1组成了传统的单相级联式多电平H桥单元。RE1为不控整流器，变压器的副边输出的高频交流电通过RE1整流成直流电源，给从H桥单元S1供电，如图4所示。
本实施方式中，变压器的初级线圈同永磁同步电机的定子绕组一起串联在主回路里，两者之间几乎没有磁场的耦合作用，如图6所示。
具体实施方式二、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统为并联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括并联驱动器2、永磁同步电机3、信号调理电路4、DSP控制器5、旋转变压器6、解码电路7、人机接口8、第一电流传感器P、第二电流传感器Q、直流电源VCC、电容C0、电阻R0和电阻R1，
所述直流电源VCC的正极同时与电容C0的一端、电阻R1的一端和并联驱动器2的直流输入电源正极端连接，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器5的母线电压信号输入端连接，直流电源VCC的负极同时与电容C0的另一端、电阻R2的另一端和并联驱动器2的直流输入电源负极端连接；
所述并联驱动器2包括三相主H桥变换器a、三相从H桥变换器c和并联三相变压器d，所述三相主H桥变换器a的三相逆变信号输出端与永磁同步电机3的三相驱动信号输入端连接，并联三相变压器d的三个原边分别与永磁同步电机3定子的三相定子绕组并联，并联三相变压器d的三个副边分别与三相从H桥变换器c的三个不控整流输入端连接,三相主H桥变换器a的共发射极端即为并联驱动器2的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器a的共集电极端即为并联驱动器2的直流输入电源负极端，
所述永磁同步电机3的电机转速信号输出端与旋转变压器6的电机转速信号输入端连接，旋转变压器6用于检测永磁同步电机3转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路7的转速信号输入端，解码电路7的解码信号输出端与DSP控制器5的解码信号输入端连接，第一电流传感器P用于采集永磁同步电机3的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器Q用于采集集永磁同步电机3的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第二电流采样信号输入端，信号调理电路4的两个调理信号输出端同时与DSP控制器5的两个调理信号输入端连接，DSP控制器5的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与并联驱动器2的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端连接，DSP控制器5的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口8的多个通信信号输出/输入端连接。
本实施方式的特点为单电源供电，三相五电平电压输出，本实施方式采用并联三相变压器为从H桥单元供电，所述并联三相变压器是一种低成本高效率的能量传输设备，其磁场耦合示意图如图3所示，变压器的磁芯为铁氧体材料，原边和副边按照一定的比例对称地缠绕多砸线圈。变压器的原边分别与永磁同步电机的三相定子绕组并联，变压器的副边所产生的三相交流电通过整流后给从H桥单元供电。所述并联三相变压器属于高频变压器，当输出电压频率达到合适的值，即永磁同步电机转速上升到一定的值后，变压器即开始工作；电机转子位置信号传感器一般采用旋转变压器，其输出绕组的电压幅值与电机转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。这样通过解码电路可以计算出电机的转子位置和此时的电机转速。
本实施方式中，M1为主H桥单元，它的供电来自直流电源，S1为从H桥单元，M1和S1组成了传统的单相级联式多电平H桥单元。RE1为不控整流器，变压器的副边输出的高频交流电通过RE1整流成直流电源，给从H桥单元S1供电，如图5所示。
本实施方式中，变压器的初级线圈同永磁同步电机的三相定子绕组一起并联在主回路里，两者之间几乎没有磁场的耦合作用，如图7所示。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于，所述DSP控制器5采用芯片型号为TMS320F2812的32位DSP芯片实现。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于，所述解码电路7中采用型号为AD2S90或AD2S99的解码芯片实现。
本实施方式中，AD2S90为AD公司生产的对感应同步器信号进行数字化处理的专用芯片，具有体积小、结构简单、可靠性高、易于调试和输出多种信号模式等优点。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于，所述串联三相变压器b包括磁芯、一次绕组和二次绕组，一次绕组和二次绕组均套在铁芯上，
所述磁芯为型号为EE-43208的铁氧体EI磁芯，磁芯质量为0.026kg，表面面积At为37.9cm2，
所述一次绕组选用匝数为9、型号为AWG22的线圈，
所述二次绕组选用匝数为38、型号为AWG28的线圈。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于，所述并联三相变压器d包括磁芯、一次绕组和二次绕组，一次绕组和二次绕组均套在铁芯上，
所述磁芯为型号为EE-43208的铁氧体EI磁芯，磁芯质量为0.026kg，表面面积At为37.9cm2，
所述一次绕组选用匝数为90、型号为AWG22的线圈，
所述二次绕组选用匝数为36、型号为AWG28的线圈。
本发明中并联三相变压器和串联三相变压器的优选设计指标：
(1)输入电压Vpline为30V，三线制。
(2)输出电压Voline为160V。
(3)输出电流有效值Io为3A。
(4)输入/输出为Y/Y型。
(5)系统电压输出为PWM型，三相频率f为斩波频率20KHz。
(6)磁性材料为铁氧体。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于，所述第一电流传感器P和第二电流传感器Q均采用型号为CHB-500S、且额定值为500A的电流传感器实现。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的区别在于,所述控制系统还包括嵌入在DSP控制器5内部的控制模块，所述控制模块由以下单元组成：
用于采集串联驱动器1或并联驱动器2输入端的母线电压信号的电压信号采集单元；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集单元，在判断结果为否时输出启动信号给停止单元的电压信号判断单元；
用于通过第一电流传感器P和第二电流传感器Q采集永磁同步电机3的驱动电流的电流采集单元；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时输出启动信号给电机转速采集单元，在判断结果为否时输出启动信号给停止单元的电流信号判断单元；
用于通过旋转变压器6采集永磁同步电机3的转速的电机转速采集单元；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时输出启动信号给快速启动驱动信号产生单元，在判断结果为否时调用停止单元的电机转速判断单元；
用于控制三相主H桥变换器a输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生单元；
用于判断系统输出的电压频率是否达到串联三相变压器b或并联三相变压器d的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制单元，在判断结果为否时发送启动信号给快速启动驱动信号产生单元的工作频率判断单元；
用于控制三相主H桥变换器a和三相从H桥变换器c同时工作，输出五电平PWM波驱动串联三相变压器b或并联三相变压器d的精确控制单元；
用于输出停止信号控制串联驱动器1或并联驱动器2停止输出驱动信号的停止单元。
具体实施方式九、基于具体实施方式一所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法，所述方法包括如下步骤：
用于采集串联驱动器1输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器P和第二电流传感器Q采集永磁同步电机3的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器6采集永磁同步电机3的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器a输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到串联三相变压器b的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器a和三相从H桥变换器c同时工作，输出五电平PWM波驱动串联三相变压器b的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制串联驱动器1停止输出驱动信号的停止步骤。
具体实施方式十、基于具体实施方式二所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法，所述方法包括如下步骤：
用于采集并联驱动器2输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器P和第二电流传感器Q采集永磁同步电机3的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器6采集永磁同步电机3的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器a输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到并联三相变压器d的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器a和三相从H桥变换器c同时工作，输出五电平PWM波驱动并联三相变压器d的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制并联驱动器2停止输出驱动信号的停止步骤。
如图8所示，本发明所述的串联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的工作过程为：
步骤A1、DSP控制器5通过串联驱动器1输入端的母线电压信号，判断串联驱动器1输入端的母线电压是否正常，如果判断是，则执行步骤A2，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤A2、第一电流传感器P用于采集永磁同步电机3的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器Q用于采集永磁同步电机3的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第二电流采样信号输入端，并通过信号调理电路4反馈到DSP控制器5，通过DSP控制器5判断线电流是否正常，如果判断是，则执行步骤A3，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤A3、旋转变压器6将采集到的永磁同步电机3的转子的位置信号转化成电信号，通过解码电路7解码后反馈到DSP控制器5，通过DSP控制器5判断永磁同步电机3的转速是否正常，如果判断是，则执行步骤A4，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤A4、永磁同步电机3瞬间启动，系统通过DSP控制器5控制三相主H桥变换器a输出三电平方波信号，以实现永磁同步电机3的快速启动，执行步骤A5；
步骤A5、待永磁同步电机3的转速稳定时，判断系统输出的电压频率是否达到串联三相变压器b的工作频率，如果是，则执行步骤A6，如果否，则执行步骤A4；
步骤A6、串联三相变压器b输出三相交流电经整流后给三相从H桥变换器c供电，此时，三相主H桥变换器a和三相从H桥变换器c同时工作，系统输出五电平PWM波实现对永磁同步电机3的精确控制；
步骤A7、DSP控制器5输出停止信号到串联驱动器1，通过控制串联驱动器1来停止整个系统的运行。
如图9所示，本发明所述的并联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统的工作过程为：
步骤B1、DSP控制器5通过并联驱动器1输入端的母线电压信号，判断并联驱动器1输入端的母线电压是否正常，如果判断是，则执行步骤A2，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤B2、第一电流传感器P用于采集永磁同步电机3的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器Q用于采集集永磁同步电机3的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路4的第二电流采样信号输入端，并通过信号调理电路4反馈到DSP控制器5，通过DSP控制器5判断线电流是否正常，如果判断是，则执行步骤A3，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤B3、旋转变压器6将采集到的永磁同步电机3的转子的位置信号转化成电信号，通过解码电路7解码后反馈到DSP控制器5，通过DSP控制器5判断永磁同步电机3的转速是否正常，如果判断是，则执行步骤A4，如果判断否，则执行步骤A7；
步骤B4、永磁同步电机3瞬间启动，系统通过DSP控制器5控制三相主H桥变换器a输出三电平方波信号，以实现永磁同步电机3的快速启动，执行步骤A5；
步骤B5、待永磁同步电机3的转速稳定时，判断系统输出的电压频率是否达到并联三相变压器d的工作频率，如果是，则执行步骤A6，如果否，则执行步骤A4；
步骤B6、并联三相变压器d输出三相交流电经整流后给三相从H桥变换器c供电，此时，三相主H桥变换器a和三相从H桥变换器c同时工作，系统输出五电平PWM波实现对永磁同步电机3的精确控制；
步骤B7、DSP控制器5输出停止信号到并联驱动器1，通过控制并联驱动器1来停止整个系统的运行。
工作原理：控制器是整个系统的控制单元，控制器通过输入的母线电压、电流和转速等模拟或数字信号，判断整个系统的运行形态，对系统做出控制和调整。控制器输出的24路开关控制信号控制主、从H桥驱动器中开关器件的导通和关断，并可通过人机交互界面实现程序的修改、调试和固化。
缓冲保护电路主要针对母线电压和电流，在母线和地之间并联一个电容和电压采样电路，这样通过采样电路，母线电压的情况可以反馈到控制器。当母线电压过高或过低时，控制器停止整个系统运行，起到保护作用。
反馈信号包括电流和转速两个部分。通过两个电流传感器采集到的电流信号通过信号调理电路后反馈到控制器，可以实现对三相回路中线电流的检测。电机的位置和转速信号则通过旋转变压器和其解码电路实现。旋转变压器和永磁同步电机的转子连接在一起，将转子的位置信号转化成电信号，通过解码后反馈到控制器。
本系统在运行前需要检测母线电压信号、电流信号和转子位置信号是否正常。启动瞬间，系统通过控制主H桥变换器，输出三电平方波信号，以实现电机的快速启动。待电机转速达到一定的范围，系统输出电压频率达到三相变压器工作频率时，变压器输出三相交流经整流后给从H桥变换器供电。系统输出五电平PWM波实现对永磁同步电机的精确控制，系统的运行流程图如图5所示。
本发明的下优点：
1、节约能源，降低了主开关器件的开关损耗，提高了整个系统的工作效率。
表1：
通过以赛米控的两款产品SKM150MLI066T和SKM400GB12E4为例，比较分析三电平逆变器和两电平逆变器的整体的能量损耗情况，如表1所示。能够看出同功率输出条件下，三电平结构节省大约38.3％的耗能，节能优势比较明显。
2、降低了成本。
表2：
以英飞凌的两款产品F3150R07W2E3_B11和FF150R12ME3G为例，比较分析多电平逆变器和两电平逆变器的价格成本情况，如表2所示。能够看出由于多电平逆变器可以选择小功率等级的开关器件，因此带来成本的明显下降。
在本发明中，摒弃了传统的牵引电机驱动器的架构，提出了串联反馈式和并联反馈式的多电平变换器的拓扑，除了能够实现电机的高性能驱动控制外，还解决了单一的直流电源供电问题，同时优化了控制方法，针对内嵌式永磁同步电机在低速、中速和高速过程中对电流谐波的不同要求，提出了更加合理的多电平电流波形输出设计。
本发明提出的基于串联-级联式多电平变换器的拓扑结构和控制技术和基于并联-级联式多电平变换器的拓扑结构和控制技术，与传统的级联式多电平变换器相比较有以下优势：
1、在输出相同电平数量的情况下，本发明提出所设计的系统简化了拓扑结构，独立直流电源的使用数量减少到了一个，特别适用于新能源电动汽车/混合动力汽车类单一直流电源供电的工作环境。
2、通过主回路里串联的变压器的作用，整个系统输出的一部分能量用来反馈给从H桥单元供电，从而增加了能量配比的自由度。通过优化控制方法，可以针对内嵌式永磁同步电机在低速、中速和高速过程中对电流谐波的不同要求，提出了更加合理的多电平电流波形输出设计。从而能够提高整个系统的工作效率，实现电机的高性能运行。
3、节约能源，降低了主开关器件的开关损耗，提高了整个系统的工作效率。通过比较分析三电平逆变器和两电平逆变器的整体的能量损耗情况，在同功率输出条件下，三电平结构可以节省大约38.3％的耗能，节能优势比较明显。同时，由于多电平逆变器可以选择小功率等级的开关器件，因此带来成本的明显下降。
4、采用多电平的驱动器改善了输出电压的波形，因此给电动车系统带来的优势在于：在基频开关频率下能够产生更接近正弦的电压波形；基本消除电磁干扰和共模电压；使EV驾驶更加舒适安全，更大程度上实现线控。
5、由于并联级联式多电平变换器的原边与永磁同步电机的三相电枢并联，因此采用并联级联式多电平变换器的驱动控制系统与采用串联级联式多电平变换器的驱动控制系统在电机运行的性能方面拥有更高的优势。

Claims (10)

1.级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统为串联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括串联驱动器(1)、永磁同步电机(3)、信号调理电路(4)、DSP控制器(5)、旋转变压器(6)、解码电路(7)、人机接口(8)、第一电流传感器(P)、第二电流传感器(Q)、直流电源(VCC)、电容(C0)、电阻R1和电阻R2，
所述直流电源(VCC)的正极同时与电容(C0)的一端、电阻R1的一端和串联驱动器(1)的直流输入电源正极端相连，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器(5)的母线电压信号输入端相连，直流电源(VCC)的负极同时与电容(C0)的另一端、电阻R2的另一端和串联驱动器(1)的直流输入电源负极端相连；
所述串联驱动器(1)包括三相主H桥变换器(a)、三相从H桥变换器(c)和串联三相变压器(b)，所述三相主H桥变换器(a)的三个主H桥单元分别与串联三相变压器(b)的三个原边相连，串联三相变压器(b)的三个副边分别与三相从H桥变换器(c)的三个不控整流输入端相连,三相主H桥变换器(a)的共发射极端即为串联驱动器(1)的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器(a)的共集电极端即为串联驱动器(1)的直流输入电源负极端，
所述串联驱动器(1)的三相逆变信号输出端与永磁同步电机(3)的三相驱动信号输入端相连，旋转变压器(6)用于检测永磁同步电机(3)转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路(7)的转速信号输入端，解码电路(7)的解码信号输出端与DSP控制器(5)的解码信号输入端相连，第一电流传感器(P)用于采集永磁同步电机(3)的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路(4)的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器(Q)用于采集永磁同步电机(3)的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路(4)的第二电流采样信号输入端，信号调理电路(4)的两个调理信号输出端同时与DSP控制器(5)的两个调理信号输入端相连，DSP控制器(5)的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与串联驱动器(1)的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端相连，DSP控制器(5)的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口(8)的多个通信信号输出/输入端相连。
2.根据权利要求1所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述串联三相变压器(b)包括磁芯、一次绕组和二次绕组，一次绕组和二次绕组均套在铁芯上，
所述磁芯为型号为EE-43208的铁氧体EI磁芯，磁芯质量为0.026kg，表面面积At为37.9cm2，
所述一次绕组选用匝数为9、型号为AWG22的线圈，
所述二次绕组选用匝数为38、型号为AWG28的线圈。
3.级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统为并联级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，它包括并联驱动器(2)、永磁同步电机(3)、信号调理电路(4)、DSP控制器(5)、旋转变压器(6)、解码电路(7)、人机接口(8)、第一电流传感器(P)、第二电流传感器(Q)、直流电源(VCC)、电容(C0)、电阻R1和电阻R2，
所述直流电源(VCC)的正极同时与电容(C0)的一端、电阻R1的一端和并联驱动器(2)的直流输入电源正极端连接，电阻R1的另一端同时与电阻R2的一端和DSP控制器(5)的母线电压信号输入端连接，直流电源(VCC)的负极同时与电容(C0)的另一端、电阻R2的另一端和并联驱动器(2)的直流输入电源负极端连接；
所述并联驱动器(2)包括三相主H桥变换器(a)、三相从H桥变换器(c)和并联三相变压器(d)，所述三相主H桥变换器(a)的三相逆变信号输出端与永磁同步电机(3)的三相驱动信号输入端连接，并联三相变压器(d)的三个原边分别与永磁同步电机(3)定子的三相定子绕组并联，并联三相变压器(d)的三个副边分别与三相从H桥变换器(c)的三个不控整流输入端连接,三相主H桥变换器(a)的共发射极端即为并联驱动器(2)的直流输入电源正极端，三相主H桥变换器(a)的共集电极端即为并联驱动器(2)的直流输入电源负极端，
所述永磁同步电机(3)的电机转速信号输出端与旋转变压器(6)的电机转速信号输入端连接，旋转变压器(6)用于检测永磁同步电机(3)转子的旋转速度，并将检测到的信号发送给解码电路(7)的转速信号输入端，解码电路(7)的解码信号输出端与DSP控制器(5)的解码信号输入端连接，第一电流传感器(P)用于采集永磁同步电机(3)的B相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路(4)的第一电流采样信号输入端，第二电流传感器(Q)用于采集集永磁同步电机(3)的C相驱动电流信号，并将该电流信号输入到信号调理电路(4)的第二电流采样信号输入端，信号调理电路(4)的两个调理信号输出端同时与DSP控制器(5)的两个调理信号输入端连接，DSP控制器(5)的12路主H桥开关控制信号输出端和12路从H桥开关控制信号输出端分别与并联驱动器(2)的12路主H桥开关控制信号输入端和12路从H桥开关控制信号输入端连接，DSP控制器(5)的多个通信信号输入/输出端分别与人机接口(8)的多个通信信号输出/输入端连接。
4.根据权利要求1或3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述DSP控制器(5)采用芯片型号为TMS320F2812的32位DSP芯片实现。
5.根据权利要求1或3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述解码电路(7)中采用型号为AD2S90或AD2S99的解码芯片实现。
6.根据权利要求3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述并联三相变压器(d)包括磁芯、一次绕组和二次绕组，一次绕组和二次绕组均套在铁芯上，
所述磁芯为型号为EE-43208的铁氧体EI磁芯，磁芯质量为0.026kg，表面面积At为37.9cm2，
所述一次绕组选用匝数为90、型号为AWG22的线圈，
所述二次绕组选用匝数为36、型号为AWG28的线圈。
7.根据权利要求1或3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述第一电流传感器(P)和第二电流传感器(Q)均采用型号为CHB-500S、且额定值为500A的电流传感器实现。
8.根据权利要求1或3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括嵌入在DSP控制器(5)内部的控制模块，所述控制模块由以下单元组成：
用于采集串联驱动器(1)或并联驱动器(2)输入端的母线电压信号的电压信号采集单元；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集单元，在判断结果为否时输出启动信号给停止单元的电压信号判断单元；
用于通过第一电流传感器(P)和第二电流传感器(Q)采集永磁同步电机(3)的驱动电流的电流采集单元；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时输出启动信号给电机转速采集单元，在判断结果为否时输出启动信号给停止单元的电流信号判断单元；
用于通过旋转变压器(6)采集永磁同步电机(3)的转速的电机转速采集单元；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时输出启动信号给快速启动驱动信号产生单元，在判断结果为否时调用停止单元的电机转速判断单元；
用于控制三相主H桥变换器(a)输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生单元；
用于判断系统输出的电压频率是否达到串联三相变压器(b)或并联三相变压器(d)的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制单元，在判断结果为否时发送启动信号给快速启动驱动信号产生单元的工作频率判断单元；
用于控制三相主H桥变换器(a)和三相从H桥变换器(c)同时工作，输出五电平PWM波驱动串联三相变压器(b)或并联三相变压器(d)的精确控制单元；
用于输出停止信号控制串联驱动器(1)或并联驱动器(2)停止输出驱动信号的停止单元。
9.基于权利要求1所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
用于采集串联驱动器(1)输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器(P)和第二电流传感器(Q)采集永磁同步电机(3)的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器(6)采集永磁同步电机(3)的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器(a)输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到串联三相变压器(b)的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器(a)和三相从H桥变换器(c)同时工作，输出五电平PWM波驱动串联三相变压器(b)的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制串联驱动器(1)停止输出驱动信号的停止步骤。
10.基于权利要求3所述的级联式多电平变换器的永磁同步电机驱动控制系统实现永磁同步电机驱动控制的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
用于采集并联驱动器(2)输入端的母线电压信号的电压信号采集步骤；
用于判断采集的母线电压是否正常，并在判断结果为是时调用电流采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电压信号判断步骤；
用于通过第一电流传感器(P)和第二电流传感器(Q)采集永磁同步电机(3)的驱动电流的电流采集步骤；
用于判断驱动电流是否正常，并在判断结果为是时调用电机转速采集步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电流信号判断步骤；
用于通过旋转变压器(6)采集永磁同步电机(3)的转速的电机转速采集步骤；
用于判断转速是否正常，并在判断结果为是时调用快速启动驱动信号产生步骤，在判断结果为否时调用停止步骤的电机转速判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器(a)输出三电平方波信号的快速启动驱动信号产生步骤；
用于判断系统输出的电压频率是否达到并联三相变压器(d)的工作频率，并且在判断结果为是时启动精确控制步骤，在判断结果为否时调用快速启动驱动信号产生步骤的工作频率判断步骤；
用于控制三相主H桥变换器(a)和三相从H桥变换器(c)同时工作，输出五电平PWM波驱动并联三相变压器(d)的精确控制步骤；
用于输出停止信号控制并联驱动器(2)停止输出驱动信号的停止步骤。
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