CN112542978B - 基于双向交错并联dc-dc逆变器的电机驱动系统 - Google Patents

基于双向交错并联dc-dc逆变器的电机驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双向交错并联DC‑DC逆变器的电机驱动系统,该系统在电流环和的基础上增加了母线电压环。其中,采集模块、电压环控制器、直流母线电压调节器;母线电压采集模块采集永磁同步电机的直流母线电压Uout;电压环控制器从速度环提取永磁同步电机转速采集值,与给定转速进行做差,差值输入电压控制模型;电压控制模型以总谐波畸变率THD最小为目标,产生母线电压控制目标Uref,输出给直流母线电压调节器;直流母线电压调节器将Uref和Uout差值为0为控制目标,产生逆变器中4个开关器件的控制信号;逆变器产生动态调节后的母线电压施加给功率驱动模块,驱动永磁同步电机。本发明能够减小电流纹波转矩,提高电机低速运行的精度和稳定性。

Description

基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域和永磁同步电机控制领域,具体一种基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统。
背景技术
近年来,随着电力电子技术、现代控制理论、微处理器技术和永磁材料性能的不断提高完善,交流永磁同步电机(PMSM)的应用越来越广。永磁同步电机具有高功率密度、高效率、损耗小、和结构简单等特点,被广泛应用于工业自动化、机器人等高精度的领域。
由于永磁同步电机运行工况较为复杂,其转速可能在较大范围内波动,而永磁同步电机运行过程中由于直流电压利用率与直流母线电压幅值成反比,电机电流纹波与加在电机输入端子上电压的瞬时值和电机反电动势之间的电压差值成正比,因此直流电压利用率和电机电流纹波与母线电压紧密相关,母线电压过高会引起电压利用率降低,过低会导致逆变器进入过调制状态,因此母线电压的选择是综合电机运行环境、驱动器硬件设计、控制算法等方面的技术问题。
传统的永磁同步电机驱动系统中采用固定直流母线电压的驱动方式,低速轻载运行时,由于逆变器调制度较小,开关期间的通断时间以及死区时间对 PWM输出波形的影响比高转速时更大,易体现出转矩脉动大、电机电流纹波大等问题,影响驱动系统输出的精度和平稳性。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统,使用交错并联DC-DC逆变器实现电机直流母线动态调节,尤其是在低转速工况下能够提升驱动系统调制度,以减小电流纹波转矩,提高电机低速运行的精度和稳定性。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的。
一种基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统,包括矢量脉宽调制模块SVPWM模块、功率驱动模块、电流环控制器和速度环控制器;SVPWM模块产生的控制量通过功率驱动模块驱动永磁同步电机;电流环控制器和速度环控制器分别形成电流环和速度环的控制回路;该系统还包括母线电压采集模块、电压环控制器、直流母线电压调节器;
母线电压采集模块,用于采集永磁同步电机的直流母线电压Uout,发送给直流母线电压调节器;
电压环控制器,用于从速度环提取永磁同步电机转速采集值V,与给定转速Vref进行做差,差值输入电压控制模型;电压控制模型以总谐波畸变率THD最小为目标,产生母线电压控制目标Uref,输出给直流母线电压调节器;
直流母线电压调节器,由控制器和双向交错并联DC-DC逆变器组成;控制器将Uref和Uout差值为0为控制目标,产生双向交错并联DC-DC逆变器中4个开关器件的控制信号施加到双向交错并联DC-DC逆变器中;双向交错并联DC- DC逆变器的输入为固定的市电母线电压U1,双向交错并联DC-DC逆变器在开关器件控制信号的调制下产生的输出电压为动态调节后的母线电压施加给功率驱动模块,驱动永磁同步电机。
优选地,所述电压环控制器采用模糊PID控制算法实现:计算Vref与V的差值E,以及E的差分EC,将E和EC模糊化后,利用模糊控制规则确定控制器的PID参数
Figure RE-GDA0002913471970000021
按照所确定的PID参数获得控制器输出的模糊值,经过清晰化得到输出量Uref
其中,
Figure RE-GDA0002913471970000022
的确定方式为:
Figure RE-GDA0002913471970000031
Figure RE-GDA0002913471970000032
Figure RE-GDA0002913471970000033
其中,kp、ki、kd为已知的PID参数初始值,Δkp、Δki、Δkd为通过模糊控制规则确定的PID参数变化量。
优选地,所述直流母线电压调节器的控制器部分中包括降压控制模块和升压控制模块;
所述降压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感串联的开关器件T3和T4进行控制;T3和T4分别指串联在电感L1、L2之后的开关器件;所述降压控制模块包括第一差值计算器、第一PI调节器、第一均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第二差值计算器、第二PI调节器、第一电流占空比转换模块、第一PWM模块组成;Uref和U1在第一差值计算器中做差后,差值经过第一PI调节器转换为电流,并由第一均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第二差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输出端采集的反馈电流做差,差值依次通过第二PI调节器、第一电流占空比转换模块、第一PWM模块处理后,产生开关器件T3和T4的控制信号;
所述升压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感并联的开关器件T1和T2进行控制;T1和T1分别指与电感L1、L2并联的开关器件;升压控制模块包括第三差值计算器、第三PI调节器、第二均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第四差值计算器、第四PI调节器、第二电流占空比转换模块、第二PWM模块组成;Uref和Uout在第三差值计算器中做差后,差值经过第三PI 调节器转换为电流,并由第二均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第四差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输入端采集的反馈电流做差,差值依次通过第四PI调节器、第二电流占空比转换模块、第二PWM模块处理后,产生T1和 T2的控制信号。
有益效果:
(1)本发明在常见的永磁同步电机电流转速双闭环控制中增加母线电压控制环节,以减小系统运行时的总谐波畸变率(THD)为控制目标,建立基于转速—电压最优模型的电压环控制器,根据转速实时调节母线电压,可以在能量效率保持较高的前提下,减小功率驱动模块的开关管死区时间对电机运行的影响。进而有效减小电机电流谐波引发的转矩脉动,改善电机的电流波形。从而提升电机运行的稳定性,提高控制精度。
(2)本发明采用基于双向交错并联DC-DC逆变器的直流母线电压调节器,双向的优点在于拓扑结构简单、成本低、开关元件的电应力较小、导通损耗小,同时可以实现能量的双向流动,能够提供较高的效率和较大的功率密度;交错并联变换器与基本的单相变换器相比优点是输出电压和输出电流的纹波更小,同时开关频率可以降低一半,适合高可靠性和快速瞬态响应的场合。
(3)采用模糊控制的方法建立电压环控制器,可以根据依THD最小理念建立的转速—电压最优模型来建立模糊规则,一方面可以对不同转速选择最优电压值进行电压控制以提升系统精度;另一方面电机运行工况种类较为多样,对于某些转速变化较为频繁的工况,采用模糊控制可以使电压在一定范围内保持稳定,减小电压控制过程对电机动态性能的影响,提升系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统示意图。
图2为逆变器降压工作模式下D<0.5的四种工作模态;
图3为逆变器降压工作模式下D=0.5的两种工作模态;
图4为逆变器降压工作模式下D>0.5的四种工作模态;
图5为逆变器升压工作模式下D<0.5的四种工作模态;
图6为逆变器升压工作模式下D=0.5的两种工作模态;
图7为逆变器升压工作模式下D>0.5的四种工作模态;
图8为直流母线电压调节器的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
交流永磁同步电机最终输出的瞬时转矩包括基本电磁转矩和齿槽转矩。本发明专注于解决电磁转矩引发的转矩脉动,这部分转矩脉动由两方面因素引起,一方面是定子电流谐波与转子磁场谐波相互作用产生的,另一方面是由交、直轴电感不相等而产生的磁阻转矩引起的。由于本发明将采用d轴电流Id=0控制,磁阻转矩为0。因此,本方法将从解决定子电流谐波产生的转矩脉动的角度来改善控制效果。
电势与定子电流相同次数的谐波相互作用产生电机的平均输出转矩,不同次数的谐波相互作用产生基波频率6的倍数次谐波转矩,这些谐波转矩会在极大程度上导致电机转矩平滑度降低,其中,5次、7次、11次、13次等谐波的作用尤其明显。即为引起电机转矩脉动的一个重要因素——纹波转矩。可以看出,反电势与电流的谐波是产生纹波转矩,造成转矩脉动的主要原因。而对定子电流进行谐波分析可以得出,逆变器死区效应和开关管的管压降的非线性特性是引发电流中含大量高次谐波的主要原因。因此引入谐波总畸变率
Figure RE-GDA0002913471970000051
Figure RE-GDA0002913471970000052
用于描述定子电流谐波的幅值,式中a1为基波分量,an为基频带谐波分量。根据基波分量与基频带谐波分量的数学特性可知,在线性调制范围内,随着直流母线电压Udc幅值减小,输出电压各次基频带谐波幅值也相应减小, THD随着直流母线电压Udc幅值减小而减小。因此由定子电流谐波产生的转矩脉动也随着直流母线电压Udc幅值减小而减小。
基于上述分析,本发明提供了一种基于双向交错并联DC-DC逆变器的交流永磁同步电机驱动系统,其基本思想是,在现有的基于电流环和速度环的控制系统中增加母线电压环,对提供给永磁同步电机的母线电压进行动态调节,使得母线电压的总谐波畸变率THD最小,从而减小电流纹波转矩,提高电机低速运行的精度和稳定性。
图1为本发明基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统,其包括矢量脉宽调制模块SVPWM模块、功率驱动模块、电流环控制器和速度环控制器,本实施例中,功率驱动模块采用智能功率IPM模块。它们组成了常规的基于电流环和速度环的控制系统。其中,速度环控制器和电流环控制器根据永磁同步电机的转速和电流信息产生相应控制量并通过SVPWM模块转换为脉宽调制控制量,SVPWM模块产生的脉宽调制控制量通过IPM转换为驱动信号驱动永磁同步电机;本发明在该常规系统的基础上增加了母线电压采集模块、电压环控制器和直流母线电压调节器,形成母线电压控制环节。
其中,母线电压采集模块,用于采集永磁同步电机的母线电压Uout,发送给直流母线电压调节器。
电压环控制器,用于从速度环提取永磁同步电机转速采集值V,与给定转速Vref进行做差,差值输入电压控制模型;电压控制模型是转速—电压的模型,其以总谐波畸变率THD最小为目标,产生母线电压控制目标Uref,输出给直流母线电压调节器;
直流母线电压调节器,由控制器和双向交错并联DC-DC逆变器组成;控制器将Uref和Uout差值为0为控制目标,产生双向交错并联DC-DC逆变器中4个开关器件的控制信号施加到交错并联DC-DC逆变器中;双向交错并联DC-DC 逆变器的输入为固定的母线电压U1,双向交错并联DC-DC逆变器在开关器件控制信号的调制下产生的输出电压为动态调节后的母线电压施加到所述IPM模块上,由IPM模块驱动永磁同步电机工作。
下面针对电压环控制器和直流母线电压调节器的设计原理和实现方式进行详细描述。
(一)直流母线电压调节器
本发明的直流母线电压调节器采用双向交错并联DC-DC逆变器实现母线电压调节。参见图2至图7,双向交错并联DC-DC逆变器包括直流电源U1、电感 L1、电感L2、开关电容C1、直流母线电容C2和四个开关器件T1、T2、T3、T4;所述四个开关器件T1、T2、T3、T4分别和对应的二极管Di1、Di2、Di3、Di4反向并联, U1的正极连接L1和L2的一端,L1的另一端连接T1的漏极和T3的源级,L2的另一端连接T2的漏极和T4的源级,T1和T2的源极均连接U1的负极,C2的一端连接T3与T4的漏极,另一端连接U1的负极,C2的两端为输出U2。这里的U2是提供给IPM模块的母线电压,即调整后的母线电压。其中,四个开关器件T1、T2、T3、T4均优选为绝缘栅双极型晶体管。
所述的双向交错并联DC-DC变流器可工作在升压boost和降压buck两种模式下,包括:
一、升压boost模式:变流器处在升压状态,直流储能电源U1放电,C0两端输出电压升高,场效应管T1、T2开通工作,T3、T4工作于同步整流状态,即利用 MOSFET电流可以双向流动的特性,在其体二极管导通的过程中,开通MOSFET 使电流从MOSFET流过,以减小二极管导通压降造成的损耗;
(1)当D<0.5时,由于开关管的导通时间较短,存在两路的续流二极管同时导通的情况。该状态下一个开关周期的电路各阶段如图2阶段1—4所示,
在阶段1中,开关管T1开通,电感L1被直流电源U1充电,开关管T2关断,Di4续流,电感L2向输出端输出能量
Figure RE-GDA0002913471970000081
其中,升压模式中,iL1为L1电感电流,iL2为L2电感电流,U1为输入电压,U2为输出电压,Δi1为超级电容的纹波,Av为电压增益,D为占空比,Ts为采样周期;
在阶段2中,开关管T1关断,电感L1向输出端输出能量,开关管T2关断,Di3和Di4续流,电感L2向输出端输出能量
Figure RE-GDA0002913471970000082
阶段3和阶段4重复阶段1和阶段2的过程,只是电感—开关管组有相应的变化。根据图2和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波和超级电容的纹波。以及电压增益
Figure RE-GDA0002913471970000083
(2)当占空比D=0.5时,电路只有两个阶段,开关管T1和T2轮流导通。该状态下的电路阶段过程如图3所示。
(3)当开关管导通占空比继续增加之至D>0.5之后,将会出现两个开关管同时导通的情况。该状态下一个开关周期的电路阶段如图4阶段1-4所示,
在阶段1中,两个开关管T1和T2都开通,电感L1和L2被直流电源U1充电。此阶段有
Figure RE-GDA0002913471970000091
在阶段2中,开关管T1继续导通,电感L1继续储能,开关管T2和T3关断,Di4续流,电感L2向输出端输出能量。此阶段有
Figure RE-GDA0002913471970000092
阶段3和阶段4重复阶段1和阶段2的过程,只是电感—开关管组有相应的变化。根据图4和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波和超级电容的纹波。以及电压增益
Figure RE-GDA0002913471970000093
二、降压buck模式:变流器处在降压状态,直流储能电源U1充电,C2两端输出电压降低,场效应管T3、T4开通工作,T1、T2工作于同步整流状态.同样根据占空比的不同可以分为三种状态:
(1)当D<0.5时,由于开关管的导通时间较短,存在两路的续流二极管同时导通的情况。该状态下一个开关周期的电路各阶段如图5阶段1-4所示,
在阶段1中,开关管T3开通,电感L1被直流电源U1充电,开关管T4关断,Di2续流,电感L2向输出端输出能量
Figure RE-GDA0002913471970000101
其中,在降压模式中,iL1为L1电感电流,iL2为L2电感电流,U1为输入电压, U2为输出电压,Δi1为超级电容的纹波,Av为电压增益,D为占空比,Ts为采样周期。
在阶段2中,开关管T3关断,电感L1向输出端输出能量,开关管T4关断,Di1和Di2续流,电感L2向输出端输出能量
Figure RE-GDA0002913471970000102
阶段3和阶段4重复阶段1和阶段2的过程,只是电感—开关管组有相应的变化。根据图5和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波和超级电容的纹波。以及电压增益
Figure RE-GDA0002913471970000103
(2)当占空比D=0.5时,电路只有两个阶段,开关管和轮流导通。该状态下的电路阶段过程如图6所示。
(3)当开关管导通占空比继续增加之至D>0.5之后,将会出现两个开关管同时导通的情况。该状态下一个开关周期的电路阶段如图7阶段1-4所示。
在阶段1中,两个开关管T3和T4都开通,电感L1和L2被直流电源U1充电。此阶段有
Figure RE-GDA0002913471970000111
在阶段2中,开关管T1继续导通,电感L1继续储能开关管T2和T3关断,Di4续流,电感L2向输出端输出能量。此阶段有
Figure RE-GDA0002913471970000112
阶段3和阶段4重复阶段1和阶段2的过程,只是电感—开关管组有相应的变化。根据图7和伏秒平衡原理分别可以求得电感电流的纹波和超级电容的纹波。以及电压增益
Figure RE-GDA0002913471970000113
进一步地,提出一种双向交错并联DC-DC逆变器的控制方案,基于该控制方案建立的控制器控制框图,如图8所示。针对逆变器在升压和降压时控制方法的不同,对两种工作模式分别建模。具体来说,直流母线电压调节器的控制器部分包括降压控制模块和升压控制模块。
所述降压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感串联的开关器件T3和T4进行控制;所述降压控制模块包括第一差值计算器、第一PI调节器、第一均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第二差值计算器、第二PI 调节器、第一Gid(电流占空比转换)模块、第一PWM模块组成;Uref和U1在第一差值计算器中做差后,差值经过第一PI调节器转换为电流,并由第一均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第二差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输出端采集的反馈电流做差,差值依次通过第二PI调节器、第一Gid模块、第一 PWM模块处理后,产生开关器件T3和T4的控制信号;
所述升压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感并联的开关器件T1和T2进行控制;升压控制模块包括第三差值计算器、第三PI调节器、第二均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第四差值计算器、第四PI调节器、第二Gid模块、第二PWM模块组成;Uref和Uout在第三差值计算器中做差后,差值经过第三PI调节器转换为电流,并由第二均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第四差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输入端采集的反馈电流做差,差值依次通过第四PI调节器、第二Gid模块、第二PWM模块处理后,产生T1和T2的控制信号。
通过对T1、T2、T3、T4的控制,使得DC-DC的输出电压被调整,始终跟随电压环控制器计算出来的给定直流母线电压Uref,也是令THD最小的电压。
(二)电压环控制器
本实施例中,电压环控制器确定给定直流母线电压Uref方式采用模糊PID控制方法。通过实际试验,这种方式能够获得更加准确的控制效果。
首先,获取电机实际转速V以及给定转速Vref。其中,给定转速Vref可以从外部获取,也可以从速度环控制器中提取。电机实际转速V可以从转速传感器获取,也可以从速度环控制器中提取。然后,计算Vref与V的差值E,以及E的差分EC,将E和EC模糊化后,对当前参数进行模糊整定,模糊PID控制器三个参数的整定方程分别为:
Figure RE-GDA0002913471970000131
Figure RE-GDA0002913471970000132
Figure RE-GDA0002913471970000133
其中,
Figure RE-GDA0002913471970000134
模糊PID控制器的PID参数,kp、ki、kd为已知的PID参数初始值,Δkp、Δki、Δkd为通过模糊控制规则确定的PID参数变化量,模糊控制规则参见下表1-表3。
表1:Δkp模糊PID控制规则
Figure RE-GDA0002913471970000135
表2:Δki模糊PID控制规则
Figure RE-GDA0002913471970000136
表3:Δkd模糊PID控制规则
Figure RE-GDA0002913471970000137
Figure RE-GDA0002913471970000141
其中,NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。
然后,对控制器的输出进行基于加权平均法的清晰化,对输出进行线性化后可得精确输出量Uref
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理,该描述中的部件形状,名称可以不同,不受限制。所以,本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换;而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案,均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于双向交错并联DC-DC逆变器的电机驱动系统,包括矢量脉宽调制模块SVPWM模块、功率驱动模块、电流环控制器和速度环控制器;SVPWM模块产生的控制量通过功率驱动模块驱动永磁同步电机;电流环控制器和速度环控制器分别形成电流环和速度环的控制回路;其特征在于,该系统还包括母线电压采集模块、电压环控制器、直流母线电压调节器;
母线电压采集模块,用于采集永磁同步电机的直流母线电压Uout,发送给直流母线电压调节器;
电压环控制器,用于从速度环提取永磁同步电机转速采集值V,与给定转速Vref进行做差,差值输入电压控制模型;电压控制模型以总谐波畸变率THD最小为目标,产生母线电压控制目标Uref,输出给直流母线电压调节器;
直流母线电压调节器,由控制器和双向交错并联DC-DC逆变器组成;控制器将Uref和Uout差值为0为控制目标,产生双向交错并联DC-DC逆变器中4个开关器件的控制信号施加到双向交错并联DC-DC逆变器中;交错并联DC-DC逆变器的输入为固定的市电母线电压U1,双向交错并联DC-DC逆变器在开关器件控制信号的调制下产生的输出电压为动态调节后的母线电压施加给功率驱动模块,驱动永磁同步电机;
所述电压环控制器采用模糊PID控制算法实现:计算Vref与V的差值E,以及E的差分EC,将E和EC模糊化后,利用模糊控制规则确定控制器的PID参数
Figure FDA0003682844960000011
按照所确定的PID参数获得控制器输出的模糊值,经过清晰化得到输出量Uref
其中,
Figure FDA0003682844960000012
的确定方式为:
Figure FDA0003682844960000013
Figure FDA0003682844960000014
Figure FDA0003682844960000015
其中,kp、ki、kd为已知的PID参数初始值,Δkp、Δki、Δkd为通过模糊控制规则确定的PID参数变化量;
用于确定Δkp、Δki、Δkd的模糊控制规则表分别为:
Figure FDA0003682844960000021
Figure FDA0003682844960000022
Figure FDA0003682844960000023
其中,NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述直流母线电压调节器的控制器部分中包括降压控制模块和升压控制模块;
所述降压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感串联的开关器件T3和T4进行控制;T3和T4分别指串联在电感L1、L2之后的开关器件;所述降压控制模块包括第一差值计算器、第一PI调节器、第一均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第二差值计算器、第二PI调节器、第一电流占空比转换模块、第一PWM模块组成;Uref和U1在第一差值计算器中做差后,差值经过第一PI调节器转换为电流,并由第一均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第二差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输出端采集的反馈电流做差,差值依次通过第二PI调节器、第一电流占空比转换模块、第一PWM模块处理后,产生开关器件T3和T4的控制信号;
所述升压控制模块用于对双向交错并联DC-DC逆变器中与电感并联的开关器件T1和T2进行控制;T1和T1分别指与电感L1、L2并联的开关器件;升压控制模块包括第三差值计算器、第三PI调节器、第二均流模块和两路处理通道,每路处理通道由第四差值计算器、第四PI调节器、第二电流占空比转换模块、第二PWM模块组成;Uref和Uout在第三差值计算器中做差后,差值经过第三PI调节器转换为电流,并由第二均流模块均流为两路,分别作为两个电感的给定电流,这两路分别进入一条处理通道;在每个处理通道中,第四差值计算器将输入的电感给定电流与从相应电感的输入端采集的反馈电流做差,差值依次通过第四PI调节器、第二电流占空比转换模块、第二PWM模块处理后,产生T1和T2的控制信号。
3.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述功率驱动模块采用智能功率模块IPM模块。
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CN106452280B (zh) * 2016-10-28 2018-01-26 北京航空航天大学 一种高速电动机控制用交错并联Buck变换器
JP7126910B2 (ja) * 2018-09-13 2022-08-29 澤藤電機株式会社 モータ制御装置及びモータ制御方法
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