CN107482980B - 一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统 - Google Patents

一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统，包括两套三相逆变器、额外负载电路、驱动控制电路、采样反馈电路和两个额外并联桥臂及与其相对应的耦合电感。基于该控制系统，本发明提供了一种共模噪声抑制方法，在实现最大直流母线电压利用率的情况下，降低一般逆变器驱动电机时产生的共模电流和电磁干扰噪声，抑制其对电机绝缘和轴承等部件产生的持续损害的问题，由此解决逆变器驱动三相交流电机的共模噪声的技术问题。本发明可以选择小容量低成本的开关管组成额外桥臂，能够取得降低共模电流和抑制共模噪声，实现保护电机绕组和轴承绝缘，提高系统可靠性的有益效果。

Description

一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统
技术领域
本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统。
背景技术
随着现代电机与电力电子控制技术的发展，基于电力电子逆变器驱动的交流电机变频调速系统，已广泛应用于伺服和交通牵引领域。由于该系统的变频调速功能由脉宽调制技术结合逆变器的高速开关特性实现，电机的绕组端存在以高频脉冲序列为特征的共模电压。共模电压产生的共模电流沿电机绕组传导，通过电机绕组与机壳或者轴承之间的杂散电容传导到接地端，不但增加了系统的电磁干扰噪声，而且会对电机绝缘和轴承等部件形成持续的损害，是电机驱动中的主要问题之一。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统，其目的在于在实现最大的直流母线电压利用率的情况下，降低现有逆变器驱动电机时产生的共模电流和电磁干扰噪声，抑制其对电机绝缘和轴承等部件产生的持续损害的问题，由此解决逆变器驱动三相交流电机的共模噪声的技术问题。
本发明提出的一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统，包括驱动控制电路、采样反馈电路、两套相同的三相逆变器、两个额外并联桥臂、额外负载电路和四个相同耦合电感；其中：
两套三相逆变器所有桥臂并联接于同一个直流母线电源，各相桥臂中点分别通过三个耦合电感连接到外部三相电机，用于输出三相交流电流；
两个额外并联桥臂结构均与三相逆变器任一桥臂相同，并联接于相同的直流母线电源，其桥臂中点通过另一耦合电感连接到额外负载电路；所述额外并联桥臂用于输出高频电流，以抵消两套三相逆变器输出的共模噪声；
各三相逆变器的桥臂和各额外并联桥臂通过各臂的中点分别连接耦合电感的输入端；
所述耦合电感为三端电感，电感线圈中点为输出端，电感线圈两端相连(异名端)作为输入端，分别接所述并联三相逆变器和额外并联桥臂中点；
耦合电感输出端分别外接三相电机各相绕组和额外负载电路，用于将各相并联桥臂电流合并为一路，送入三相电机和额外负载电路；
所述额外负载电路包括一个电阻和一个电感，两者串联；所述电感的电感值与任一相电机绕组电感值相同；所述电阻的电阻值一般选择500-5000欧；额外负载电路的电阻值要远大于电机绕组的电阻值，从而限制流过额外负载的电路的低频电流；对于一般电压等级供电的逆变器系统，通常电阻可以选择几百到几千欧；所述额外负载电路一端接三相电机定子绕组中性点，另一端接额外并联桥臂对应的耦合电感输出端，用于提供高频电流通路；
所述采样反馈电路输入端接三相电机电流传感器和转子位置传感器的输出端,输出与驱动控制电路相连，用于采集电机定子绕组电流和转子位置信息并送入至所述驱动控制电路中，所述驱动控制电路用于控制逆变器各开关管动作。
基于所述驱动系统，本发明提出一种控制方法，包括下述步骤：
(1)通过所述驱动系统中设计的(即预先定义的)d轴和q轴电流控制器输出参考电压指令Vd、Vq和采样反馈电路中检测的转子实时角度θ，计算三相正弦电压指令va、vb和vc；所述d轴和q轴电流控制器在驱动系统中通过软件实现；
其中Vd为d轴电流控制器输出的参考电压指令，Vq为q轴电流控制器输出的参考电压指令；Vd、Vq通过采样电路检测a,b,c三相电流再经过上述坐标变换的计算获得；
(2)根据三相正弦电压指令va、vb和vc，计算共模信号Vcm、其中Vmax为va、vb和vc最大值，Vmin为va、vb和vc最小值；
(3)根据三相正弦电压指令va、vb和vc和所述共模信号Vcm，求空间矢量调制方法的三相电压指令Va、Vb和Vc：所述空间矢量调制方法是一种区别于正弦调制的方法，其调制波由于加入实时的零序分量，变为非正弦波，可以提高直流电压利用率，在逆变器中应用非常普遍；
(4)根据空间矢量调制方法的三相电压指令Va、Vb和Vc，计算所述额外桥臂的电压指令Ve：
Ve＝-(Va+Vb+Vc)；
(5)将三相电压指令Va、Vb、Vc和额外桥臂的电压指令Ve，与共同的驱动控制电路的两个等幅反相的三角载波作幅值比较；当任一相的电压指令的幅值大于三角载波的幅值时，相应相输出高电平的脉宽调制信号指令；当电压指令的幅值小于三角载波的幅值时，相应相输出低电平的脉宽调制信号指令，实现将幅值连续的电压指令变为只有高低电平两种状态的脉宽调制信号；
根据所述脉宽调制信号，控制并联三相逆变器和额外并联桥臂的开关管动作，在驱动三相交流电机的同时，实现共模噪声抑制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于增加了额外并联桥臂，使并联三相逆变器和额外并联桥臂组合的自由度更大，可以在不降低直流母线电压利用率的基础上，实现共模噪声的进一步抑制；另外额外并联桥臂流过的电流非常小，可以选择低容量的开关管，成本较低，能够取得下列降低共模电流和抑制共模噪声，实现保护电机绕组和轴承绝缘，提高系统可靠性的有益效果。
附图说明
图1是按照本发明实现的并联三相逆变器组合额外并联桥臂驱动三相电机的拓扑结构图；
图2是按照本发明实现的并联三相逆变器组合额外并联桥臂驱动三相电机控制框图；
图3是按照本发明实现的并联三相逆变器组合额外并联桥臂的脉宽调制信号算法流程图；
图4是按照本发明实现的并联三相逆变器组合额外并联桥臂的脉宽调制信号波形图；
图5是按照本发明实现的共模电流与并联三相逆变器的共模电流对比图；
图6是按照本发明实现的共模噪声与并联三相逆变器的共模噪声对比图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1—直流电源，2—直流母线电容，3—并联三相逆变器，4—额外并联桥臂，5—耦合电感，6—额外负载，7—三相交流电机，8—三相交流电机接地。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统，包括：连接于同一个直流母线电源的并联三相逆变器和额外的并联桥臂，连接对应并联桥臂的耦合电感，额外负载电路，以及逆变器的驱动控制电路及采样反馈电路。其中并联三相逆变器用于产生三相交流电流并输入到电机定子绕组中驱动电机工作；额外的并联桥臂用于产生高频电流抑制并联三相逆变器输出的共模噪声；耦合电感为三端电感，其中两个输入端连接对应的并联桥臂，输出端连接电机绕组或者额外负载电路，实现合并并联桥臂中电流的效果；额外负载电路由一个电阻和一个电感串联组成，其中一端接定子绕组中性点，另一端接额外并联桥臂对应的耦合电感输出端，用于提供高频电流通路；采样反馈电路输出与驱动控制电路相连，用于采集电机定子绕组电流和转子位置信息送入到驱动控制电路中；驱动控制电路用于产生脉宽调制信号，控制逆变器开关管的动作。
本发明的主要内容，是针对并联三相逆变器设计相应的硬件改进方案和对应的调制方法。硬件改进方案如上所述，加入额外并联桥臂和相应的耦合电感以及额外负载电路；调制方法的主要思路是在传统三相逆变器空间电压矢量调制方法的基础上，选择两个反相的三角载波与相同的三相电压指令作幅值比较，可以使并联三相逆变器实现共模电压峰值的抑制，但是共模电压仍然存在；此时根据剩余的共模电压脉冲在一个开关周期内的持续时间和位置，设计加入到并联逆变器系统中的额外并联桥臂的脉宽调制信号，用于抑制剩余的共模电压在电机中产生的共模噪声。
在控制方面，采用的三相交流电机控制方法为传统的矢量控制方法，其基本思路是通过驱动系统中设计的d轴和q轴电流控制器产生旋转坐标系下的参考电压矢量，然后通过参考电压矢量计算三相参考电压，同时推出额外并联桥臂的参考电压，再选择两个反相的三角载波与相同的三相电压和额外并联桥臂的参考电压指令作幅值比较，产生所需的脉宽调制信号用于控制逆变器的开关管动作。
为了更进一步的说明本发明提供的三相交流电机的共模噪声抑制方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，三相交流电机由并联三相逆变器和额外的并联桥臂驱动。标记1为直流电源，用于提供直流电流和直流电压；2为直流母线电容，用于稳定直流侧电压；3为并联型三相逆变器，用于将直流电转换为交流电供给三相交流电机；4为额外的并联桥臂，用于提供高频电流抑制并联三相逆变器作用于电机产生的共模噪声；5为耦合电感，用于连接对应并联桥臂实现电流合并输出；6为额外负载，一端连接耦合电感，一端连接于电机定子绕组中性点，用于提供高频电流通路；7为三相交流电机，用于实现电能到机械能的转化；8为三相交流电机接地，用于防止电机因故障或者绝缘损坏而导致漏电对设备线路或者人身触电危险。
如图2所示，三相交流电机采用传统的矢量控制方法。控制系统由内环(电流环)与外环(速度环)组成。速度环通过速度控制器调节参考速度与反馈速度之差得到转矩电流分量的指令值iqref，同样d轴电流的指令值idref也根据实际需要进行调节。参考电流在d-q坐标下与反馈电流比较，其中d-q坐标下的反馈电流为测量到的三相电流经过坐标变换得到，最后由d轴和q轴电流控制器进行调节，产生参考电压Vd，Vq。参考电压Vd，Vq输入到脉宽调制信号生成模块，产生并联逆变器的PWM信号(PWM1)用于驱动其对应的开关管动作，实现对电机的电流和速度的控制；同时产生额外并联桥臂的PWM信号(PWM2)抑制系统产生的共模噪声。电机的转子位置用于坐标变换，电机的转速用于速度环反馈，其中转子位置和转速可以由位置传感器得到。
如图3所示，并联三相逆变器组合额外并联桥臂的脉宽调制信号通过以下的算法流程生成。首先通过d轴和q轴电流控制输出的参考电压指令Vd，Vq和采样反馈电路中检测的转子位置信息θ计算三相正弦电压指令va，vb和vc
然后通过三相正弦电压指令va，vb和vc计算空间矢量调制方法所需的共模信号Vcm，其中Vmax为va，vb和vc最大值，Vmin为va，vb和vc最小值；然后通过在三相正弦电压指令中加入共模信号Vcm计算空间矢量调制方法的三相电压指令Va，Vb和Vc
然后通过空间矢量调制方法的三相电压指令Va，Vb和Vc计算额外桥臂的电压指令Ve Ve＝-(Va+Vb+Vc)；然后通过三相电压指令Va，Vb，Vc和额外桥臂的电压指令Ve与两个反相的三角载波进行幅值比较生成驱动并联三相逆变器组合额外并联桥臂的脉宽调制信号，实现上述逆变器的开关管控制和参考电压输出。
如图4所示，两种典型的针对并联三相逆变器组合额外并联桥臂拓扑结构的共模抑制算法产生的脉宽调制信号波形。G1A,G2A,G1B,G2B,G1C,G2C为驱动并联型三相逆变器上管的脉宽调制信号波形；G1extra,G2extra为驱动额外并联桥臂上管的脉宽调制信号波形；t1-t10为一个开关周期内所有时间分段的时间点，Ts为一个开关周期的时间。通过加入额外的并联桥臂产生的高频电压脉冲，使并联三相逆变器组合额外并联桥臂在一个桥臂进行开通时存在与之对应桥臂进行关断动作，保证高频的共模噪声得到抑制。
如图5所示，在相同工况下进行并联三相逆变器与并联三相逆变器组合额外并联桥臂的共模电流对比。可以看出相比并联三相逆变器，采用并联三相逆变器组合额外并联桥臂可以降低大约一半的共模电流，实现共模电流的抑制。
如图6所示，在相同工况下进行并联三相逆变器与并联三相逆变器组合额外并联桥臂的共模噪声对比。可以看出并联三相逆变器组合额外并联桥臂输出的共模噪声在低频段明显低于并联三相逆变器，其共模噪声的峰值衰减约有10dB，证明改进方案实现共模噪声抑制的有效性。
基于图5和图6的实验对比可以发现，通过采用本发明所述的实施方案，可以实现三相交流电机中共模电流和共模噪声的进一步抑制。本发明能够直接应用于三相交流电机驱动中，成本低，方法简单。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过驱动系统中设计的d轴和q轴电流控制器输出参考电压指令Vd、Vq和采样反馈电路中检测的转子实时角度θ，计算三相正弦电压指令va、vb和vc；
其中Vd为d轴电流控制器输出的参考电压指令，Vq为q轴电流控制器输出的参考电压指令；
(2)根据三相正弦电压指令va、vb和vc，计算共模信号Vcm，其中Vmax为va、vb和vc最大值，Vmin为va、vb和vc最小值；
(3)根据三相正弦电压指令va、vb和vc和所述共模信号Vcm，求空间矢量调制方法的三相电压指令Va、Vb和Vc：
(4)根据空间矢量调制方法的三相电压指令Va、Vb和Vc，计算额外桥臂的电压指令Ve：
Ve＝-(Va+Vb+Vc)；
(5)将三相电压指令Va、Vb、Vc和额外桥臂的电压指令Ve与共同的驱动控制电路的两个等幅反相的三角载波作幅值比较；当三相电压指令Va、Vb、Vc和额外桥臂的电压指令Ve中任一相的电压指令的幅值大于三角载波的幅值时，相应相的驱动控制电路输出高电平的脉宽调制信号指令；当其中任一相的电压指令的幅值小于三角载波的幅值时，相应相输出低电平的脉宽调制信号指令，实现将幅值连续的电压指令变为只有高低电平两种状态的脉宽调制信号；
根据所述脉宽调制信号，控制并联三相逆变器和额外并联桥臂动作，同时实现共模噪声抑制；
该方法应用的抑制共模噪声的三相交流电机驱动系统包括驱动控制电路、采样反馈电路、两套相同的三相逆变器、两个额外并联桥臂、额外负载电路和四个相同耦合电感；其中：
两套三相逆变器所有桥臂并联接于同一个直流母线电源，工作时各相桥臂中点分别通过三个耦合电感连接到外部三相电机，用于输出三相交流电流；
两个额外并联桥臂结构均与三相逆变器任一桥臂相同，并联接于相同的直流母线电源，工作时其桥臂中点通过另一耦合电感连接到额外负载电路；所述额外并联桥臂用于输出高频电流，以抵消两套三相逆变器输出的共模噪声；
各三相逆变器的桥臂和各额外并联桥臂通过各臂的中点分别连接耦合电感的输入端；
所述耦合电感为三端电感，电感线圈中点为输出端，电感线圈两端相连作为输入端，分别接所述并联三相逆变器和额外并联桥臂中点；
耦合电感输出端分别外接三相电机各相绕组和额外负载电路，用于将并联桥臂电流合并为一路，送入三相电机和额外负载电路；
所述额外负载电路包括一个电阻和一个电感，两者串联；所述电感的电感值与任一相电机绕组电感值相同；所述电阻的电阻值选择500-5000欧；所述额外负载电路一端接三相电机定子绕组中性点，另一端接额外并联桥臂对应的耦合电感输出端，用于提供高频电流通路；
所述采样反馈电路输入端接三相电机电流传感器和转子位置传感器的输出端,输出端与驱动控制电路相连，用于采集电机定子绕组电流和转子位置信息并送入至所述驱动控制电路中，所述驱动控制电路用于控制逆变器各开关管动作。
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