CN107147347B - 变频驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种变频驱动系统，涉及变频驱动技术领域。该变频驱动系统通过采集电源输入电流、电源输入电压、母线电压、输入至电机的相电流等参数，并依据上述参数生成脉宽调制信号，接着驱动模块依据所述脉宽调制信号控制所述电机运转，从而使得，母线电压在幅度波动的情况下，电机仍然能够稳定运行；同时不需要使用传统的功率因数校正电路便能实现输入功率因数校正功能，最终使得外机主板的体积更小，重量更轻，使用寿命更长，成本更低。

Description

变频驱动系统

技术领域

本发明涉及变频驱动技术领域，具体而言，涉及一种变频驱动系统。

背景技术

压缩机是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，而压缩机工作需要电机的带动。

而在现有的驱动系统中，直流母线电压通常会有波动，而为保证电机可以稳定运行，大多是通过采用在直流端并联较大的电解电容的方案，而这会导致变频外机主板体积大，重量大，由于电解电容使用寿命短，导致控制整体寿命缩短，成本高；此外，由于使用大电解电容，导致上电瞬间存在较大的充电电流，需要设计充电控制电路，造成外机主板零部件多，成本高。

同时，为了保持输入电流谐波满足标准要求，必须使用功率因数校正电路，造成整个电路器件偏多，损耗偏大，拓扑结构复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变频驱动系统，以使得外机主板的体积更小，重量更轻，使用寿命更长。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种变频驱动系统，所述变频驱动系统包括：电路参数采集模块、驱动模块、控制模块以及电机，所述驱动模块、所述电路参数采集模块及所述控制模块依次电连接，所述驱动模块与所述控制模块及所述电机均电连接；

所述电路参数采集模块用于采集所述驱动模块中的电源输入电流、电源输入电压、母线电压以及输入至所述电机的相电流，并将所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压及所述相电流传输至所述控制模块；

所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值生成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

所述驱动模块用于依据所述脉宽调制信号控制所述电机运转。

进一步地，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压给定量及d轴电压给定量，并依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动单元。

进一步地，所述控制模块用于依据所述相电流及预设定的d轴电流参考量计算所述d轴电压给定量。

进一步地，所述控制模块用于通过算式u_d＝K_p1*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i1*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算所述d轴电压给定量，其中，K_i5为预设定的d轴电流参考量，i_d为d轴转矩电流，u_d为d轴电压给定量，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

进一步地，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算所述q轴电压给定量。

进一步地，所述控制模块用于依据所述相电流计算q轴转矩电流及依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算q轴转矩电流给定量；

并通过算式u_q＝K_p2*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i2*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算所述q轴电压给定量，其中，i_{q_Ref}为所述q轴转矩电流给定量，i_q为所述q轴转矩电流，u_q为所述q轴电压给定量，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数。

进一步地，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算母线电压参考值；

并通过算式i_{q_Ref_0}＝K_p3*(u_{dc_Ref}-u_dc)+K_i3*∫(u_{dc_Ref}-u_dc)dt计算所述q轴转矩电流参考量，其中，u_{dc_Ref}为所述母线电压参考值，u_dc为所述母线电压，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

进一步地，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算交流电参考值；

并通过算式U_{L_Ref}＝K_p4*(i_{ac_Ref}-i_ac)+K_i4*∫(i_{ac_Ref}-i_ac)dt计算电感电压参考值，其中，i_{ac_Ref}为所述交流电参考值，i_ac为所述电源输入电流，U_{L_Ref}为所述电感电压参考值，K_p4为预设定的第三比例系数，K_i4为预设定的第三积分系数。

进一步地，所述驱动模块包括整流电路、薄膜电容以及逆变电路，所述整流电路、所述薄膜电容以及所述逆变电路依次电连接。

进一步地，所述电路参数采集模块包括电源输入电流采集单元、电源输入电压采集单元、母线电压采集单元以及相电流采集单元，所述电源输入电流采集单元、所述电源输入电压采集单元以及所述母线电压采集单元分别与所述控制模块及驱动模块电连接，所述相电流采集单元与所述电机电连接；

所述电源输入电流采集单元用于采集所述电源输入电流，并将所述电源输入电流传输至所述控制模块；

所述电源输入电压采集单元用于采集所述电源输入电压，并将所述电源输入电压传输至所述控制模块；

所述母线电压采集单元用于采集所述母线电压，并将所述母线电压传输至所述控制模块；

所述相电流采集单元用于采集所述相电流，并将所述相电流传输至所述控制模块。

本发明实施例提供的一种变频驱动系统，通过采集电源输入电流、电源输入电压、母线电压、输入至电机的相电流等参数，并依据上述参数生成脉宽调制信号，接着驱动模块依据所述脉宽调制信号控制所述电机运转，从而使得，母线电压在幅度波动的情况下，电机仍然能够稳定运行；同时不需要使用传统的功率因数校正电路便能实现输入功率因数校正功能，最终使得外机主板的体积更小，重量更轻，使用寿命更长，成本更低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的变频驱动系统的电路结构框图。

图2示出了电路参数采集模块的功能模块图。

图3示出了驱动模块的电路结构框图。

图4示出了驱动模块的电路图。

图标：100-变频驱动系统；110-电路参数采集模块；112-电源输入电流采集单元；114-电源输入电压采集单元；116-母线电压采集单元；118-相电流采集单元；120-控制模块；130-驱动模块；132-电源电路；134-整流电路；136-薄膜电容；138-逆变电路；140-电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

请参阅图1，示出了本发明实施例提供的变频驱动系统100电路结构框图。该变频驱动系统100包括电路参数采集模块110、驱动模块130、控制模块120以及电机140，驱动模块130、电路参数采集模块110及控制模块120依次电连接，驱动模块130与控制模块120及电机140均电连接。

其中，电路参数采集模块110用于采集电源输入电流、电源输入电压、母线电压以及输入至电机140的相电流，并将电源输入电流、电源输入电压、母线电压、相电流传输至控制模块120。

请参阅图2，示出了电路参数采集模块110的功能模块图。电路参数采集模块110包括电源输入电流采集单元112、电源输入电压采集单元114、母线电压采集单元116以及相电流采集单元118。其中，电源输入电流采集单元112、电源输入电压采集单元114、母线电压采集单元116以及相电流采集单元118分别与控制模块120电连接。

电源输入电流采集单元112用于采集电源输入电流，并将电源输入电流传输至控制模块120。在一种优选的实施例中，电源输入电流采集单元112为霍尔电流传感器，与驱动模块130电连接。

电源输入电压采集单元114用于采集电源输入电压，并将电源输入电压传输至控制模块120。在一种优选的实施例中，电源输入电压采集单元114电压互感器，与驱动模块130电连接。

母线电压采集单元116用于采集母线电压，并将母线电压传输至控制模块120。

相电流采集单元118用于采集相电流，并将相电流传输至控制模块120。在一种优选的实施例中，相电流采集单元118也为霍尔电流传感器，与驱动模块130及电机140均电连接。

控制模块120用于依据电源输入电流、电源输入电压、母线电压、相电流及预设定的电机转速参考值生成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至驱动模块130。

具体地，控制模块120用于依据电源输入电流、电源输入电压、母线电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压给定量及d轴电压给定量，并依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至驱动单元。

其中，控制模块120用于依据相电流及预设定的d轴电流参考量计算d轴电压给定量，其过程如下：

首先通过u相电流i_u以及v相电流i_v计算w相电流i_w：

i_w＝-i_u-i_v

接着通过u相电流i_u、v相电流i_v以及w相电流i_w计算α轴电流及β轴电流，算式如下所示：

i_α＝i_u

则q轴转矩电流的计算公式为：

i_q＝i_βcosθ-i_αsinθ

d轴转矩电流的计算公式为：

i_d＝i_αcosθ+i_βsinθ

其中，θ为电机140转子永磁体磁链的角度，可通过传统的位置估算算法得出，其计算过程如下：

首先依据下述公式计算反电动势的d轴分量和q轴分量：

其中，估算角度与实际角度的误差的计算公式如下：

则电机140转子永磁体磁链的角度由以下算式计算：

θ(n)＝θ(n-1)+Δθ

最后，依据d轴转矩电流及预设定的d轴电流参考量计算d轴电压给定量：

u_d＝K_p1*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i1*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt

其中，i_{d_Ref}为预设定的d轴电流参考量，i_d为d轴转矩电流，u_d为d轴电压给定量，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

控制模块120还用于依据电源输入电流、电源输入电压、母线电压、相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴电压给定量，其过程如下：

首先，依据电机140转子永磁体磁链的角度计算电压转速实际值ω_r：

接着依据电压转速实际值及预设定的电机转速参考值计算交流输入电峰值参考值i_{ac_Ref_peak}：

i_{ac_Ref_peak}＝K_p5*(ω_{r_Ref}-ω_r)+K_i5*∫(ω_{r_Ref}-ω_r)dt

其中，ω_{r_Ref}为预设定的电机转速参考值，ω_r为电机转速实际值，K_p5为预设定的第五比例系数，K_i5为预设定的第五积分系数。

依据电源输入电流计算输入电流参考波形值：

i_{ac_waveform_Ref}＝|i_ac|

其中，i_ac为电源输入电流。

进一步地，依据交流输入电峰值参考值及输入电流参考波形值计算交流电参考值i_{ac_Ref}：

i_{ac_Ref}＝i_{ac_Ref_Peak}*i_{ac_waveform_Ref}

其中，i_{ac_Ref_peak}为交流输入电峰值参考值，i_{ac_waveform_Ref}为输入电流参考波形值。

接着，依据交流电参考值及电源输入电流计算电感电压参考值U_{L_Ref}：

U_{L_Ref}＝K_p4*(i_{ac_Ref}-i_ac)+K_i4*∫(i_{ac_Ref}-i_ac)dt

其中，i_{ac_Ref}为交流电参考值，i_ac为电源输入电流，K_p4为预设定的第四比例系数，K_i4为预设定的第四积分系数。

然后，依据电感电压参考值及电源输入电压计算母线电压参考值u_{dc_Ref}：

u_{dc_Ref}＝u_ac+u_{L_Ref}

其中，u_ac为所述电源输入电压，U_{L_Ref}为电感电压参考值。

同时，还依据母线电压参考值及母线电压计算q轴转矩电流参考量i_{q_Ref_0}：

i_{q_Ref_0}＝K_p3*(u_{dc_Ref}-u_dc)+K_i3*∫(u_{dc_Ref}-u_dc)dt

其中，u_dc为母线电压，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

进一步地，依据交流电参考值计算前馈补偿量i_{q_comp}：

i_{q_comp}＝K_p6*i_{ac_Ref}

其中，i_{ac_Ref}为交流电参考值，K_p6为预设定的第六比例系数。

然后，依据q轴转矩电流参考量及前馈补偿量计算q轴转矩电流给定量i_{q_Ref}：

i_{q_Ref}＝i_{q_Ref_0}+i_{q_comp}

其中，i_{q_comp}为前馈补偿量，i_{q_Ref_0}为q轴转矩电流参考量。

最后，依据q轴转矩电流给定量及q轴转矩电流计算q轴电压给定量u_q：

u_q＝K_p2*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i2*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt

其中，i_q为q轴转矩电流，在计算d轴转矩电流时对其进行了描述；K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数，i_{q_Ref}为q轴转矩电流给定量。

控制模块120还用于依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号，并将脉宽调制信号传输至驱动单元。

具体地，控制模块120实际上是通过控制输出至驱动电路的脉冲宽度，从而实现对于驱动电路的控制，从而进一步控制电机140。

因而，首先依据d轴电压给定量及q轴电压给定量计算电机140的三相输出脉宽，计算公式如下所示：

u_α＝u_d cosθ-u_q sinθ

u_β＝u_d sinθ+u_q cosθ

u_u＝u_α

接着依据三相输出脉宽计算电机140的三相上桥导通占空比，计算公式如下所示：

驱动模块130用于依据脉宽调制信号控制电机140运转。

请参阅图3，示出了驱动模块130的电路结构框图。驱动模块130包括电源电路132、整流电路134、薄膜电容136以及逆变电路138；其中，电源电路132、整流电路134、薄膜电容136以及逆变电路138依次电连接。

请参阅图4，示出了驱动模块130的电路图。其中，电源电路132为电路提供交流电；整流电路134用于将交流电变换为直流电；薄膜电容136用于过滤经整流电路134整流后仍然存在的交流电；逆变电路138与控制模块120电连接，用于在脉宽调制信号的控制下，输出电压至电机140，实现对电机140的控制。

综上所述，本发明实施例提供的一种变频驱动系统，通过采集电源输入电流、电源输入电压、母线电压、输入至电机的相电流等参数，并依据上述参数生成脉宽调制信号，接着驱动模块依据所述脉宽调制信号控制所述电机运转，从而使得，母线电压在幅度波动的情况下，电机仍然能够稳定运行；同时不需要使用传统的功率因数校正电路便能实现输入功率因数校正功能，最终使得外机主板的体积更小，重量更轻，使用寿命更长，成本更低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (7)

1.一种变频驱动系统，其特征在于，所述变频驱动系统包括：电路参数采集模块、驱动模块、控制模块以及电机，所述驱动模块、所述电路参数采集模块及所述控制模块依次电连接，所述驱动模块与所述控制模块及所述电机均电连接；

所述电路参数采集模块用于采集所述驱动模块中的电源输入电流、电源输入电压、母线电压以及输入至所述电机的相电流，并将所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压及所述相电流传输至所述控制模块；

所述控制模块用于依据所述相电流计算q轴转矩电流；

所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述母线电压、所述相电流及预设定的电机转速参考值计算q轴转矩电流给定量；

其中，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算交流电参考值；

所述控制模块用于依据所述交流电参考值计算前馈补偿量；

所述控制模块用于通过算式i_{q_Ref}＝i_{q_Ref_0}+i_{q_comp}计算q轴转矩电流给定量，其中，i_{q_Ref_0}为q轴转矩电流参考量，i_{q_comp}为所述前馈补偿量；

所述控制模块用于依据所述q轴转矩电流给定量及所述q轴转矩电流计算q轴电压给定量；

所述控制模块用于依据所述相电流及预设定的d轴电流参考量计算d轴电压给定量；

所述控制模块用于依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成脉宽调制信号，并将所述脉宽调制信号传输至所述驱动模块；

所述驱动模块用于依据所述脉宽调制信号控制所述电机运转。

2.如权利要求1所述的变频驱动系统，其特征在于，所述控制模块用于通过算式u_d＝K_p1*(i_{d_Ref}-i_d)+K_i1*∫(i_{d_Ref}-i_d)dt计算所述d轴电压给定量，其中，i_{d_Ref}为预设定的d轴电流参考量，i_d为d轴转矩电流，u_d为d轴电压给定量，K_p1为预设定的第一比例系数，K_i1为预设定的第一积分系数。

3.如权利要求1所述的变频驱动系统，其特征在于，所述控制模块用于通过算式u_q＝K_p2*(i_{q_Ref}-i_q)+K_i2*∫(i_{q_Ref}-i_q)dt计算所述q轴电压给定量，其中，i_{q_Ref}为所述q轴转矩电流给定量，i_q为所述q轴转矩电流，u_q为所述q轴电压给定量，K_p2为预设定的第二比例系数，K_i2为预设定的第二积分系数。

4.如权利要求1所述的变频驱动系统，其特征在于，所述控制模块用于依据所述电源输入电流、所述电源输入电压、所述相电流及所述预设定的电机转速参考值计算母线电压参考值；

并通过算式i_{q_Ref_0}＝K_p3*(u_{dc_Ref}-u_dc)+K_i3*∫(u_{dc_Ref}-u_dc)dt计算所述q轴转矩电流参考量，其中，u_{dc_Ref}为所述母线电压参考值，u_dc为所述母线电压，K_p3为预设定的第三比例系数，K_i3为预设定的第三积分系数。

5.如权利要求1所述的变频驱动系统，其特征在于，所述控制模块用于通过算式U_{L_Ref}＝K_p4*(i_{ac_Ref}-i_ac)+K_i4*∫(i_{ac_Ref}-i_ac)dt计算电感电压参考值，其中，i_{ac_Ref}为所述交流电参考值，i_ac为所述电源输入电流，U_{L_Ref}为所述电感电压参考值，K_p4为预设定的第四比例系数，K_i4为预设定的第四积分系数。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的变频驱动系统，其特征在于，所述驱动模块包括电源电路、整流电路、薄膜电容以及逆变电路，所述电源电路、所述整流电路、所述薄膜电容以及所述逆变电路依次电连接。

7.如权利要求1-5中任意一项所述的变频驱动系统，其特征在于，所述电路参数采集模块包括电源输入电流采集单元、电源输入电压采集单元、母线电压采集单元以及相电流采集单元，所述电源输入电流采集单元、所述电源输入电压采集单元以及所述母线电压采集单元分别与所述控制模块及驱动模块电连接，所述相电流采集单元与所述电机电连接；

所述电源输入电流采集单元用于采集所述电源输入电流，并将所述电源输入电流传输至所述控制模块；

所述电源输入电压采集单元用于采集所述电源输入电压，并将所述电源输入电压传输至所述控制模块；

所述母线电压采集单元用于采集所述母线电压，并将所述母线电压传输至所述控制模块；

所述相电流采集单元用于采集所述相电流，并将所述相电流传输至所述控制模块。