CN108649859A - 矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法，包括：NPC/H五电平变换器，所述NPC/H五电平变换器的输入端与三相电源连接；永磁同步电机，所述永磁同步电机与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接；控制组件，所述控制组件的输入端与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接，述控制组件的输出端与所述NPC/H五电平变换器的输入端连接。本发明的有益效果如下：采用防爆永磁同步电机作为矿用电机车的驱动电机，不仅具有很好的启动特性，还能够适应于工作条件恶劣的矿井环境；采用NPC/H五电平拓扑与永磁同步电机组成驱动系统，NPC/H五电平输出波形更接近于正弦波；采用旋转高频电压信号注入法，在永磁电机处于低速运行时，能够更准确地估计出转子位置。

Description

矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法

技术领域

本发明属于大功率交流调速领域，特别涉及一种基于NPC/H五电平变换器的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法。

背景技术

永磁同步电机驱动系统采用NPC/H五电平拓扑，输出波形更加接近于正弦波。无传感器矢量控制的核心是转子位置和转速估计，系统控制性能的好坏取决于状态估计的动静态性能。目前永磁同步电机矢量控制系统无传感器检测方法有：

1.基于模型参考自适应。这种方法在速度较低时估计准确性下降，其在零速和低速场合的应用也受到制约。

2.基于扩展卡尔曼滤波。这种方法计算量大，算法复杂。

3.基于人工智能检测方法。这种控制技术属于新领域，研究多停留在理论层面。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出了一种基于NPC/H五电平变换器的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，包括：NPC/H五电平变换器，所述NPC/H五电平变换器的输入端与三相电源连接；永磁同步电机，所述永磁同步电机与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接；控制组件，所述控制组件的输入端与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接，述控制组件的输出端与所述NPC/H五电平变换器的输入端连接。

优选地，所述控制组件包括：电压电流采样调理板，所述电压电流采样调理板的输入端与所述永磁同步电机的输出端连接；控制模块，所述控制模块的输入端与所述电压电流采样调理板的输出端连接；驱动模块，所述驱动模块的输入端与所述控制模块的输出端连接，所述驱动模块的输出端与所述NPC/H五电平变换器的输入端连接。

优选地，所述控制模块为DSP/FPGA控制模块。

优选地，所述驱动模块为PWM驱动模块。

优选地，在所述NPC/H五电平变换器的输入端与三相电源之间依次连接有隔离变压器、熔断器、电抗器、不可控整流桥及预充电电阻。

一种矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统的转子位置检测方法，包括如下步骤：

步骤1，获取永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的电流

步骤2，获取位置误差信号ε；

步骤3，调节位置误差信号ε趋近于零，实现永磁同步电机转子位置的检测。

优选地，步骤1包括：

在永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下，建立简化的高频电压方程，简化的高频电压方程为：

将上述两式转换成：

其中，L_d为永磁同步电机的dq坐标系下的d轴电感值，L_q为永磁同步电机的dq坐标系下的q轴电感值，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电流，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电流，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电压，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电流，t为时间；

建立永磁同步电机的两相静止d^rq^s坐标系下的电压的方程：

其中，ω_c为注入的高频电压信号的频率，V_c为注入的高频电压信号的幅值；j是复数，且j²＝-1。

将式(4)变换到永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系中，表达式变为：

其中，θ_s为永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的角度，θ_r为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的角度；

将式(5)代入式(3)中，获得响应的表达式为：

将式(6)变换到永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系中，表达式变为：

其中，为永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的电流，I_cp为正相序高频电流分量的复值，I_cn为负相序高频电流分量的复值。

优选地，步骤2包括：

通过低通滤波器滤掉高频分量得到负相序高频电流分量，表达式为：

其中，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下负相序高频电流，LPF()为低通滤波函数；

得到位置误差信号ε；

其中，为转子位置跟踪观测器得到的转子位置角；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下负相序高频电流；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下正相序高频电流；

通过矢量差乘法运算得到的位置误差信号ε的表达式：

其中，θ_r为转子位置角真实值，为转子位置角估测值。

优选地，

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)采用防爆永磁同步电机作为矿用电机车的驱动电机，不仅具有很好的启动特性，还能够适应于工作条件恶劣的矿井环境；

2)采用NPC/H五电平拓扑与永磁同步电机组成驱动系统，NPC/H五电平输出波形更接近于正弦波；

3)采用旋转高频电压信号注入法，在永磁电机处于低速运行时，能够更准确地估计出转子位置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明的驱动系统结构示意图；

图2为本发明的NPC/H五电平拓扑示意图；

图3为本发明的驱动系统控制结构框图示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实现本发明一种基于NPC/H五电平变换器的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统及其转子位置检测方法，实现该驱动系统部件具体连接方式如下：

一、由三相电源1和隔离变压器2相连、隔离变压器2与熔断器3相连、熔断器3与电抗器4相连。电抗器4提供了三相交流电压。

二、电抗器4与不可控整流桥5相连，实现了整流过程。

三、不可控整流桥5与预充电电阻6相连，预充电电阻6与NPC/H五电平变换器7相连，预充电电阻6为NPC/H五电平变换器7提供了直流电压。

四、NPC/H五电平变换器7和永磁同步电机8相连，为永磁同步电机8供电。

五、永磁同步电机8与电压电流采样调理板9相连，采集相应的电压和电流信号。

六、电压电流采样调理板9与控制模块10相连，将采集的电压电流信号传送到控制模块10，完成相关算法计算。

七、控制模块10与驱动模块11相连，驱动模块11与NPC/H五电平变换器7相连，驱动模块11为NPC/H五电平变换器7提供PWM驱动信号。

当永磁同步电机处于低速运行时，采用旋转高频电压信号注入法来估计转子的位置，实现该方法的步骤如下：

步骤1、建立旋转转子d^rq^r坐标系下的高频电压方程简化为：

(1)和(2)可写成：

其中，L_d为永磁同步电机的dq坐标系下的d轴电感值，L_q为永磁同步电机的dq坐标系下的q轴电感值，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电流，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电流，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电压，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电流，t为时间。

假设注入高频电压信号的频率为ω_c，幅值为V_c，将注入的高频电压矢量在两相静止d^sq^s坐标系中可以表示为：

其中，为d^sq^s坐标系下的电压，ω_c为注入的高频电压信号的频率，V_c为注入的高频电压信号的幅值；j是复数，且j²＝-1。

将式(4)变换到旋转转子坐标系中，表达式变为：

其中，θ_s为永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的角度，θ_r为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的角度。

将式(5)代入式(3)中得高频电流响应的表达式为：

其中，为d^rq^r坐标系下的电流，L_d与L_q是dq坐标系下的电感值，ω_c为高频电压信号的频率，V_c为高频电压信号的幅值，θ_r为旋转坐标系下的角度。

将式(6)变换到两相静止坐标系中，表达式变为：

其中，为d^sq^s坐标系下的电流，为d^rq^r坐标系下的电流，θ_r为旋转坐标系下的角度，ω_c为高频电压信号的频率，θ_r为旋转坐标系下的角度，I_cp与I_cn分别为正相序和负相序高频电流分量的复值。

步骤2、通过低通滤波器滤掉高频分量得到负序高频电流分量，其矢量表达式为：

其中，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下负相序高频电流，LPF()为低通滤波函数。

得到与矢量相位误差成正比的位置跟踪误差信号，其表达式为：

其中，为转子位置跟踪观测器得到的转子位置角；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下负相序高频电流；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下正相序高频电流。

通过矢量差乘法运算得到的位置误差信号ε的表达式：

其中，θ_r为转子位置角真实值，为转子位置角估测值。

步骤3、通过外差法或矢量叉乘法可以获得等效的位置误差信号。

步骤4、调节步骤3中位置跟踪误差信号ε趋近于零，就可以保证估计的转子位置角收敛于真实值θ_r，实现永磁同步电机转子位置的检测。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，其特征在于，包括：

NPC/H五电平变换器，所述NPC/H五电平变换器的输入端与三相电源连接；

永磁同步电机，所述永磁同步电机与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接；

控制组件，所述控制组件的输入端与所述NPC/H五电平变换器的输出端连接，述控制组件的输出端与所述NPC/H五电平变换器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，其特征在于，所述控制组件包括：

电压电流采样调理板，所述电压电流采样调理板的输入端与所述永磁同步电机的输出端连接；

控制模块，所述控制模块的输入端与所述电压电流采样调理板的输出端连接；

驱动模块，所述驱动模块的输入端与所述控制模块的输出端连接，所述驱动模块的输出端与所述NPC/H五电平变换器的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，其特征在于，所述控制模块为DSP/FPGA控制模块。

4.根据权利要求2所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，其特征在于，所述驱动模块为PWM驱动模块。

5.根据权利要求1所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统，其特征在于，在所述NPC/H五电平变换器的输入端与三相电源之间依次连接有隔离变压器、熔断器、电抗器、不可控整流桥及预充电电阻。

6.一种矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统的转子位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的电流

步骤2，获取位置误差信号ε；

步骤3，调节位置误差信号ε趋近于零，实现永磁同步电机转子位置的检测。

7.根据权利要求6所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统的转子位置检测方法，其特征在于，步骤1包括：

在永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下，建立简化的高频电压方程，简化的高频电压方程为：

将上述两式转换成：

其中，L_d为永磁同步电机的dq坐标系下的d轴电感值，L_q为永磁同步电机的dq坐标系下的q轴电感值，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电压，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的d^r轴电流，为永磁同步电机的d^rq^r坐标系下的q^r轴电流，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电压，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的电流，t为时间；

建立永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的电压的方程：

其中，ω_c为注入的高频电压信号的频率，V_c为注入的高频电压信号的幅值；j是复数，且j²＝-1。

将式(4)变换到永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系中，表达式变为：

其中，θ_s为永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的角度，θ_r为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下的角度；

将式(5)代入式(3)中，获得响应的表达式为：

将式(6)变换到永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系中，表达式变为：

其中，为永磁同步电机的两相静止d^sq^s坐标系下的电流，I_cp为正相序高频电流分量的复值，I_cn为负相序高频电流分量的复值。

8.根据权利要求7所述的矿用牵引防爆永磁同步电机驱动系统的转子位置检测方法，其特征在于，步骤2包括：

通过低通滤波器滤掉高频分量得到负相序高频电流分量，表达式为：

其中，为永磁同步电机的旋转转子d^rq^r坐标系下负相序高频电流，LPF( )为低通滤波函数；

得到位置误差信号ε；

其中，为转子位置跟踪观测器得到的转子位置角；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下负相序高频电流；是永磁同步电机的旋转转子dⁿqⁿ坐标系下正相序高频电流；

通过矢量差乘法运算得到的位置误差信号ε的表达式：

其中，θ_r为转子位置角真实值，为转子位置角估测值。