CN114520601A - 一种三电平开源驱动器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平开源驱动器系统，涉及机电控制领域，包括信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板；所述EMC电磁兼容板用于减少和抑制三电平开源驱动器系统产生的电磁干扰；所述信号转接板用于采集的信号，将采集到的信号发送至三电平处理板；所述三电平处理板用于将采集的信号进行调理，所述三电平处理板包括第一采样信号调理模块、数字输入模块、数字输出模块、多路电源模块、编码器采集模块、保护模块和故障复位模块；具有电压变化率小，输出容量大、损耗小、低失真因子、输出谐波含量低、拓扑耐压高、输出电压信号的质量好和保护功能完善等优点。

Description

一种三电平开源驱动器系统
技术领域
本发明涉及机电控制领域，尤其涉及一种三电平开源驱动器系统。
背景技术
近年来，随着分布式新能源及高精度制造的迅速发展，促进了电机驱动技术在多种高精度制造和跟踪系统中的广泛应用，其应用场合包括：新能源发电系统、工业自动化系统及军事航天等领域。作为最常见和基础的控制和能源转换装置，电机驱动系统的跟踪精度、响应速度和抗干扰能力都对与其连接的电气设备起到至关重要的作用，因而对于现代电机驱动技术的高精度控制受到越来越多的关注，本发明提供一种三电平开源驱动器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有的电机电源驱动器存在损耗大、兼容性不足、稳定性低等问题，提供一种三电平开源驱动器系统解决上述问题，所述三电平开源驱动器系统包括：
信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板，所述信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板之间电性连接；
所述EMC电磁兼容板用于减少和抑制三电平开源驱动器系统产生的电磁干扰；
所述信号转接板用于采集的信号，将采集到的信号发送至三电平处理板；
所述三电平处理板用于将采集的信号进行调理，所述三电平处理板包括第一采样信号调理模块、数字输入模块、数字输出模块、多路电源模块、编码器采集模块、保护模块和故障复位模块，所述数字输入模块的输入端同时与所述采样信号调理模块和所述编码器采集模块电连接，输出端与所述数字输出模块电连接，所述多路电源模块用于给所述采样信号调理模块、所述数字输入模块、所述数字输出模块、所述编码器采集模块、所述保护模块和所述故障复位模块提供电源，所述采样信号调理模块用于对电流信号和电压信号进行采集，所述编码器采集模块与信号调理模块用于接收编码器发送的信息，所述保护模块用于防止电路过压过流及过温，所述故障复位模块用于回复电路设置状态；
所述三电平母线电容板用于平滑滤波，所述三电平母线电容板与所述三电平驱动板电连接；
所述三电平驱动板包括通用三相桥模块、功率模块和继电器模块，所述通用三相桥模块、所述功率模块和继电器模块电性连接，所述三电平驱动板用于将数字量信号转变成模拟量信号，并进行调理放大后传递给被控对象。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述第一采样信号调理模块包括第一电流采样模块、第一电压采样模块、第一霍尔电压传感器和第一霍尔电流传感器，所述第一霍尔电流传感器与所述第一电流采样模块电连接， 所述第一霍尔电压传感器与所述第一电压采样模块电连接，所述第一电流采样模块和所述第一电压采样模块采集的信号路数为4路。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述三电平母线电容板包括三个电容组，每个所述电容组均包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容正极与所述第三电容正极电连接， 第一电容负极同时与所述第三电容负极、第二电容正极和第四电容正极电连接，所述第三电容负极与所述第四电容正极电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极电连接，所述第一电容正极和所述第三电容正极均同时与所述三电平驱动板电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极均同时与所述三电平驱动板电连接。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述通三相桥模块的输入端用于与外部电源电连接，输出端与所述功率模块电连接，所述三相桥模块用于对外部电源进行整流。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述功率模块为IGBT模块。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述EMC电磁兼容板包括L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块，所述L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块依次电连接。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述三电平母线电容板还包括起始充电单元和均压单元，所述起始充电单元和所述均压单元依次与所述电容组电性连接，所述起始充电单元用于保护电路，所述均压单元用于防止母线电容上下两端的电压不平衡。
进一步地，本发明提供的一种三电平开源驱动器系统，其中，所述继电器模块用于防止三电平驱动板过流、过压和过温。
实施本发明，具有如下有益效果：本发明采用三电平开源驱动器提高了驱动器应用的电压等级，拓扑优势可获得更多阶的输出电压，使得输出波形更接近于正弦波，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大、损耗小、低失真因子、输出谐波含量低、拓扑耐压高、输出电压信号的质量好和保护功能完善。
附图说明
图1是本发明一种三电平开源驱动器系统的结构图；
图2是本发明一种三电平开源驱动器系统母线电容板的拓扑结构图；
图3是本发明一种三电平开源驱动器系统EMC电磁兼容板的拓扑结构图；
图4是本发明一种三电平开源驱动器系统在并网应用时的结构图。
其中附图标记对应应为：1-三项四线制非线性负载、2-PWM电流跟踪控制驱动电路和3-指令计算电流。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例
本发明所要解决的技术问题在于现有的电机电源驱动器存在损耗大、兼容性不足、稳定性低等问题，提供一种三电平开源驱动器系统解决上述问题，所述三电平开源驱动器系统包括：
信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板，所述信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板之间电性连接；
所述EMC电磁兼容板用于减少和抑制三电平开源驱动器系统产生的电磁干扰；
所述信号转接板用于采集的信号，将采集到的信号发送至三电平处理板；
所述三电平处理板用于将采集的信号进行调理，所述三电平处理板包括第一采样信号调理模块、数字输入模块、数字输出模块、多路电源模块、编码器采集模块、保护模块和故障复位模块，所述数字输入模块的输入端同时与所述采样信号调理模块和所述编码器采集模块电连接，输出端与所述数字输出模块电连接，所述多路电源模块用于给所述采样信号调理模块、所述数字输入模块、所述数字输出模块、所述编码器采集模块、所述保护模块和所述故障复位模块提供电源，所述采样信号调理模块用于对电流信号和电压信号进行采集，所述编码器采集模块与信号调理模块用于接收编码器发送的信息，所述保护模块用于防止电路过压过流及过温，所述故障复位模块用于回复电路设置状态；
所述三电平母线电容板用于平滑滤波，所述三电平母线电容板与所述三电平驱动板电连接；
所述三电平驱动板包括通用三相桥模块、功率模块和继电器模块，所述通用三相桥模块、所述功率模块和继电器模块电性连接，所述三电平驱动板用于将数字量信号转变成模拟量信号，并进行调理放大后传递给被控对象。
在一个具体的实施方式中，所述第一采样信号调理模块包括第一电流采样模块、第一电压采样模块、第一霍尔电压传感器和第一霍尔电流传感器，所述第一霍尔电流传感器与所述第一电流采样模块电连接， 所述第一霍尔电压传感器与所述第一电压采样模块电连接，所述第一电流采样模块和所述第一电压采样模块采集的信号路数为4路。
在一个具体的实施方式中，所述三电平母线电容板包括三个电容组，每个所述电容组均包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容正极与所述第三电容正极电连接， 第一电容负极同时与所述第三电容负极、第二电容正极和第四电容正极电连接，所述第三电容负极与所述第四电容正极电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极电连接，所述第一电容正极和所述第三电容正极均同时与所述三电平驱动板电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极均同时与所述三电平驱动板电连接。
在一个具体的实施方式中，所述通三相桥模块的输入端用于与外部电源电连接，输出端与所述功率模块电连接，所述三相桥模块用于对外部电源进行整流。
在一个具体的实施方式中，所述功率模块为IGBT模块。
在一个具体的实施方式中，所述EMC电磁兼容板包括L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块，所述L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块依次电连接。
在一个具体的实施方式中，所述三电平母线电容板还包括起始充电单元和均压单元，所述起始充电单元和所述均压单元依次与所述电容组电性连接，所述起始充电单元用于保护电路，所述均压单元用于防止母线电容上下两端的电压不平衡。
在一个具体的实施方式中，所述继电器模块用于防止三电平驱动板过流、过压和过温。
本实施例针对电机应用场合主要工作原理：开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP作为控制核心，下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理，再将指令送到开源驱动器进行处理：
1）、将采集的电流、电压、编码器等信号进行调理，及时处理故障保护及故障复位，间接控制数字输入输出信号等功能；
2）、将弱电的数字信号转变成模拟信号，并进行调理放大传递给被控对象；将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象，从而实现电源的电力变换功能，进一步实现调压调频调流调速等功能；从而可以实现比较复杂的控制算法（CLARKE、PARK、PID、滑模、神经网络、自适应、预测控制等复杂算法），实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPM、PIM、IGBT、碳化硅SIC为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击；功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电，经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机，功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程；整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路，驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统。
本实施例针对并网控制应用场合主要工作原理（参考说明书附图4）：开源驱动变器主要用于并网系统中，作为与电网互联的供输电设备，必须满足电网在允许的电压波动，频率偏移范围内正常工作；主要采用三电平IGBT模块作为逆变功率单元，利用dSPACE作为主控器，来实现用户所要达到的目的，通过三相变压器隔离升压并网，实现光电池最大功率跟踪控制和并网电流控制。开源驱动器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP控制器作为控制核心，下发指令送到DS1202信号转接系统或DS1007信号转接系统进行放大隔离与信号调理，再将指令送到开源逆变器进行处理：
1）、将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能，并馈送给主网，同时会监测各类故障信息，实时保证正常工作；
2）、根据反馈值跟踪直流源（光伏组件或者光伏模拟源）的最大功率输出（MPPT）；
3）、可将系统工作的所有信息上传至上位机监控；
4）、基于PWM的储能双向DC/DC直流母线电压控制；
5）、基于PWM的并离网切换控制；
6）、自然风模拟实验；
7）、永磁同步发电机带载实验；
8）、直驱\双馈风力发电仿真平台并网实验；
9）、 孤岛效应实验；
10）、光伏控制策略及编程实验；
实施本发明，具有如下有益效果：本发明采用三电平开源驱动器提高了驱动器应用的电压等级，拓扑优势可获得更多阶的输出电压，使得输出波形更接近于正弦波，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大、损耗小、低失真因子、输出谐波含量低、拓扑耐压高、输出电压信号的质量好和保护功能完善。
上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种三电平开源驱动器系统，其特征在于，包括信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板，所述信号转接板、三电平处理板、三电平驱动板、三电平母线电容板和EMC电磁兼容板之间电性连接；
所述EMC电磁兼容板用于减少和抑制三电平开源驱动器系统产生的电磁干扰；
所述信号转接板用于采集的信号，将采集到的信号发送至三电平处理板；
所述三电平处理板用于将采集的信号进行调理，所述三电平处理板包括第一采样信号调理模块、数字输入模块、数字输出模块、多路电源模块、编码器采集模块、保护模块和故障复位模块，所述数字输入模块的输入端同时与所述采样信号调理模块和所述编码器采集模块电连接，输出端与所述数字输出模块电连接，所述多路电源模块用于给所述采样信号调理模块、所述数字输入模块、所述数字输出模块、所述编码器采集模块、所述保护模块和所述故障复位模块提供电源，所述采样信号调理模块用于对电流信号和电压信号进行采集，所述编码器采集模块与信号调理模块用于接收编码器发送的信息，所述保护模块用于防止电路过压过流及过温，所述故障复位模块用于回复电路设置状态；
所述三电平母线电容板用于平滑滤波，所述三电平母线电容板与所述三电平驱动板电连接；
所述三电平驱动板包括通用三相桥模块、功率模块和继电器模块，所述通用三相桥模块、所述功率模块和继电器模块电性连接，所述三电平驱动板用于将数字量信号转变成模拟量信号，并进行调理放大后传递给被控对象。
2.根据权利要求1所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述第一采样信号调理模块包括第一电流采样模块、第一电压采样模块、第一霍尔电压传感器和第一霍尔电流传感器，所述第一霍尔电流传感器与所述第一电流采样模块电连接， 所述第一霍尔电压传感器与所述第一电压采样模块电连接，所述第一电流采样模块和所述第一电压采样模块采集的信号路数为4路。
3.根据权利要求2所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述三电平母线电容板包括三个电容组，每个所述电容组均包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容正极与所述第三电容正极电连接， 第一电容负极同时与所述第三电容负极、第二电容正极和第四电容正极电连接，所述第三电容负极与所述第四电容正极电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极电连接，所述第一电容正极和所述第三电容正极均同时与所述三电平驱动板电连接，所述第二电容负极和所述第四电容负极均同时与所述三电平驱动板电连接。
4.根据权利要求3所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述通三相桥模块的输入端用于与外部电源电连接，输出端与所述功率模块电连接，所述三相桥模块用于对外部电源进行整流。
5.根据权利要求4所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述功率模块为IGBT模块。
6.根据权利要求5所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述EMC电磁兼容板包括L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块，所述L滤波模块、第一LC滤波模块和第二LC滤波模块依次电连接。
7.根据权利要求3所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述三电平母线电容板还包括起始充电单元和均压单元，所述起始充电单元和所述均压单元依次与所述电容组电性连接，所述起始充电单元用于保护电路，所述均压单元用于防止母线电容上下两端的电压不平衡。
8.根据权利要求6和7任意一项所述的三电平开源驱动器系统，其特征在于，所述继电器模块用于防止三电平驱动板过流、过压和过温。
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