CN106452280A - 一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明解决的技术问题是：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。
本发明的技术解决方案是：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。
本发明的原理是：本发明介绍了一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器。本发明利用功率开关管、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高频电能调制输出三相桥式逆变器直流母线电压U和直流母线电流I。数字控制器实时调节三路交错并联Buck变换器驱动信号占空比进行三相桥式逆变器直流母线电压和电流双闭环控制。三相桥式逆变器直流母线电压U和直流母线电流I分别经母线电压传感器和母线电流传感器实时检测并送入数字控制器的A/D转换接口进行模数转换，转换后的数字信号作为电压和电流闭环控制的反馈信号。
然后，数字控制器的CAP接口实时捕获线反电动势过零点信号检测电路输出的三路线反电动势过零点信号，并实时计算高速电动机当前转速，作为高速电动机用三路交错并联Buck变换器转速闭环控制调节反馈信号。
在高速电动机控制系统中，为提高系统的电能调制效率，采用三路交错并联Buck变换器。数字控制器输出三路高频移相调制信号，并实时调节调制占空比，完成三相桥式逆变器直流母线电压和直流母线电流调制，降低了电力电子变换损耗，提高了高速电动机控制系统工作效率。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明采用交错并联Buck变换器进行高速电动机用电力电子变换，区别于传统高速电动机用的单路Buck变换器，采用三路Buck变换器交错并联，使用了较低的功率开关管开关频率，并使每个功率开关管通过的电流幅值减小，因此降低了电力电子变换部分损耗，且保证了大功率高速电动机的电能调制需求。(2)本发明采用交错并联Buck变换器将一种电源通过三路Buck变换器交错导通实现高速电动机驱动系统所需直流母线电压和直流母线电流的分别控制。该发明中采用高频铁基非晶三路耦合电感，且在控制过程中，需要根据高速电动机的转速进行交错并联Buck变换器的输出电压和电流实时控制。区别于新能源联合供电系统的多种不同电源同时输入多个Buck变换器单元调制后同时或者单独向负载供电的控制特点。(3)本发明采用直流母线电流跟踪控制、直流母线电压跟踪控制和电动机线反电动势过零点信号检测进行交错并联Buck变换器实时调制，区别于常规开关电源用交错并联Buck变换器不适用于电机类感性负载。
附图说明
图1为本发明所述的高速电动机用交错并联Buck变换器；
图2为本发明所述的高速电动机控制系统的数字控制器图；
图3为本发明所述的高速电动机控制系统的数字控制器软件流程图；
图4为本发明所述的高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器输出电流与输出电压跟踪控制波形图，其中图4a为电流跟踪控制波形图，图4b为电压跟踪控制波形图；
图5为本发明所述的三路交错并联Buck变换器用三路耦合电感结构示意图。
具体实施方式
如图1所示为一种高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器，包括功率开关管1、续流二极管2、三路耦合电感3、母线电压传感器4、母线电流传感器5、三相桥式逆变器与高速电动机8、线反电动势过零点信号检测电路7、数字控制器6。直流电经功率开关管1移相斩波后分别由三路耦合电感3中相应的一路电感L1、L2或者L3滤波，且续流二极管2在功率开关管1关断时起续流作用。三路耦合电感3公共点抽头LM输出的斩波电压经电容滤波后输出直流电压U，U由母线电压传感器检测，U串联母线电流传感器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、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A/D转换接口进行模数转换。数字控制器6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根据母线电压模拟信号、母线电流模拟信号和线反电动势过零点信号进过内部软件控制代码运算，向功率开关管1输出三路PWM移相信号，控制交错并联Buck变换器主电路进行电力电子变换，实现高速电动机控制用电能调制。
如图2所示，数字控制器6采用主从DSP芯片TMS320F28335实现，两片DSP之间采用CAN总线通信。主DSP芯片功能上主要由CAN、A/D模块和PWM模块等组成，从DSP芯片功能上主要由CAN和CAP模块组成。主DSP芯片的A/D模块对母线电压传感器输出的一路母线电压反馈信号和母线电流传感器输出的一路电流反馈信号进行模数变换，模数变换后的数据作为主DSP芯片代码计算的数据。主DSP芯片的PWM模块经主DSP芯片寄存器设置和代码运算生成并输出三路PWM信号，用于交错并联Buck变换器主电路中功率开关管的调制信号。从DSP芯片的CAP模块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，作为从DSP芯片计算高速电动机转速的信号。主从DSP芯片之间的数据交换采用CAN总线协议进行通信。
如图3所示，软件流程包括电流闭环控制模块、电压闭环控制模块和速度闭环控制模块三个模块。
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(如何输入到数字控制器中？通过数字控制器的什么进行判断？)。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。在电流闭环控制模块中，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同占空比、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。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进行重新交错并联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。
如图4所示，高速电动机控制系统用交错并联Buck变换器输出电流与输出电压跟踪控制波形图，包括电流跟踪控制波形图和电压跟踪控制波形图。其中，图4a为电流跟踪控制波形图，包括电流跟踪控制给定波形、电流跟踪控制反馈波形和电流跟踪控制误差波形。图4b为电压跟踪控制波形图，包括电压跟踪控制给定波形、电压跟踪控制反馈波形和电压跟踪控制误差波形。在图4a中，电流跟踪控制给定波形在0.005s时刻从0A幅值上升到2A幅值，波形稳定时刻为0.01s。从图4a所示波形图可以看出电流跟踪控制反馈波形连续跟踪电流跟踪控制给定波形，且跟踪误差最大值不超过4×10-3A。在图4b中，电压跟踪控制给定波形在0s时刻从0V幅值上升到5V幅值，该电压值于稳定于0.005s时刻继续上升到10V幅值，波形稳定时刻为0.005s。从图4b所示波形图可以看出电压跟踪控制反馈波形连续跟踪电压跟踪控制给定波形，且跟踪误差最大值不超过0.1V。该跟踪控制波形图表明交错并联Buck变换器跟踪控制动态调整时间很短，且控制效果良好。采用本发明方法，可以实现高速电动机用三相桥式逆变器直流母线电压和直流母线电流跟踪控制。
如图5所示，三路交错并联Buck变换器用三路耦合电感结构示意图，包括三路耦合电感用高频铁基非晶磁芯结构，线圈连接方式和电流流向示意图。三路耦合电感用磁芯呈120°星形排布。三个线圈L1、L2和L3分别绕在三个磁芯上呈星形排布，公共点为LM，且三个电感量相等，即L1＝L2＝L3，且电感量反比于变换器功率开关管的开关频率，根据变换器工作截止频率确定电感量。三路交错并联电流IL1、IL2和IL3分别从三个绕组流向公共点输出为ILM。该三路耦合电感可以减小电感体积、降低成本，并减小电能纹波。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为抽头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变换器的输出端连接至母线电压传感器4和母线电流传感器5。

Claims (4)

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，控制三相桥式逆变器直流母线电流；
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。
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