CN214045480U - 一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，包括主电路和控制电路，主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控整流桥和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接，三相半控整流桥的两个输出端之间串联母线电容和直流电源模块，三相半控整流桥的一个输出端与三相逆变桥的一个输入端之间串联制动IGBT；所述控制电路包括DSP控制板，以及分别与其连接的系统驱动模块、检测保护电路、直流供电电源和LCD显示存储单元。本实用新型实现了电压空间矢量的连续调节，有效减小了转矩和磁链的脉动，极大地提高了系统的控制性能，同时改进型积分器提高了定子磁链和转子位置角的检测精度。

Description

一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统

技术领域

本实用新型属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统。

背景技术

永磁同步电机因具有功率密度高、机械性能优良、易于维护等优点被广泛应用于工业控制等领域。当前直接转矩控制和矢量控制是永磁同步电机的两种高性能控制策略。空间矢量调制(SpaceVector Modulation，SVM)是在一个控制周期内，可通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调。直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)是基于定子磁场定向和空间电压矢量分析的方法，根据转矩偏差、磁链偏差及定子磁链的空间位置，按照一定的规则，从预制的开关表中选取合适的空间电压矢量对转矩、磁链进行直接控制；直接转矩控制由于其结构简单、转矩响应快、动态性能好的特点得到了广泛的关注，不过在常规直接转矩控制方式中，可供选择的电压矢量始终是八个基本电压空间矢量和零矢量，此种选择电压矢量的方法无法同时满足系统对转矩和磁链误差完全补偿的要求，因此导致开关频率变化、转矩脉动大、磁链脉动、起动和低速性能差等问题，限制了改方式的推广应用。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术中存在的直接转矩控制的永磁同步电机驱动器转矩脉动和磁链脉动等缺点而提出的，其目的是提供一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，包括主电路和控制电路，所述主电路包括依次连接的三相交流电源、三相半控整流桥和三相逆变桥，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机的三相连接，三相半控整流桥的两个输出端之间串联母线电容和直流电源模块，三相半控整流桥的一个输出端与三相逆变桥的一个输入端之间串联制动IGBT；

所述控制电路包括DSP控制板，以及分别与其连接的系统驱动模块、检测保护电路、直流供电电源和LCD显示存储单元；所述DSP控制板实现对三相半控整流桥的控制；所述系统驱动模块驱动三相半控整流桥、三相逆变桥和制动IGBT；所述直流供电电源为DSP控制板和LCD显示存储单元提供直流电源；所述LCD显示存储单元实现永磁同步电机参数的显示、调节和存储。

在上述技术方案中，所述主电路还包括预充电电路，所述预充电电路由相互连接的充电二极管和充电电阻组成。

在上述技术方案中，所述充电二极管的正端连接与三相交流电源的U 相，充电二极管的负端与充电电阻的一端连接，充电电阻的另一端与三相半控整流桥的输出端连接。

在上述技术方案中，所述三相半控整流桥由三个二极管D1～D3和三个可控硅G1～G3组成；可控硅G1～G3组成上桥臂，二极管D1～D3组成下桥臂；可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容的正极连接，二极管D1、D2、 D3的正极与母线电容的负极连接。

在上述技术方案中，所述三相逆变桥由六个可控硅Q1～Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。

在上述技术方案中，所述系统驱动模块包括制动驱动模块、三相半控整流桥驱动模块和三相逆变器PWM驱动模块。

在上述技术方案中，所述直流供电电源包括Ⅰ号直流模块、Ⅱ号直流模块和Ⅲ号直流模块，Ⅰ号直流模块将24V转换为+5V，Ⅱ号直流模块将24V转换为±15V，Ⅲ号直流模块将24V转换为+3.3V。

在上述技术方案中，所述检测保护电路包括检测电路和保护电路，检测电路将0～5V的信号变换为0～3V的信号。

在上述技术方案中，所述保护电路包括Ⅰ号或门、Ⅱ号或门和Ⅲ号或门，Ⅰ号或门的输入端连接电流和电压信号，Ⅱ号或门的输入端连接温度和控制信号，Ⅰ号或门和Ⅱ号或门的输出分别与Ⅲ号或门的两个输入端连接，Ⅲ号或门的输出端输出保护信号。

在上述技术方案中，所述LCD显示存储单元包括液晶显示屏、按键输入、通讯芯片和存储芯片，存储芯片与DSP控制板连接，通讯芯片一端与 DSP控制板连接，另一端连接液晶显示屏。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，采用空间矢量调制技术与直接转矩控制策略相结合，有效减少转矩和磁链的脉动，同时也使逆变器的开关频率变为恒定；采用改进磁链积分器的方法进行定子磁链估算，消除了转子初始位置偏差对定子磁链估计的影响，进一步提高了转子位置和定子磁链的检测精度。

附图说明

图1是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统的结构示意图；

图2是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中三相半控整流桥的电路图；

图3是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中三相逆变桥的电路图；

图4是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中系统驱动模块的连接示意图；

图5是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中直流供电电源的电路图；

图6是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中检测保护电路的检测电路的电路图；

图7是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中检测保护电路的保护电路的电路图；

图8是本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统中LCD显示存储单元的电路图。

其中：

1 三相交流电源 2 三相半控整流桥

3 三相逆变桥 4 永磁同步电机

5 母线电容 6 DSP控制板

7 制动IGBT 8 直流电源模块

9 充电二极管 10 充电电阻

11 系统驱动模块 12 检测保护电路

13 直流供电电源 14 LCD显示存储电路

15 Ⅰ号直流模块 16 Ⅱ号直流模块

17 Ⅲ号直流模块 18 运算放大器

19 Ⅰ号或门 20 Ⅱ号或门

21 Ⅲ号或门 22 存储芯片

23 通讯芯片。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统的技术方案。

如图1所示，一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，包括主电路和控制电路。

所述主电路包括依次连接的三相交流电源1、三相半控整流桥2和三相逆变桥3，三相逆变桥3的输出端与永磁同步电机4的三相连接，三相半控整流桥2的两个输出端之间串联母线电容5和直流电源模块8，三相半控整流桥2的一个输出端与三相逆变桥3的一个输入端之间串联制动IGBT7；

主电路中三相半控整流桥2在DSP控制板6和系统驱动模块11的控制下，将交流电转换为直流电。母线电容5用于稳定直流电压，三相逆变桥3 用于永磁同步电机4的矢量控制实现。系统改变了原有制动接触器的位置，同时采用制动IGBT7代替直流接触器，一旦故障，直接断开直流母线的正端，因此不需要制动电阻，不仅提高了反应速度，同时大大节约了成本减小了体积。

所述主电路还包括预充电电路，所述预充电电路由相互连接的充电二极管9和充电电阻10组成，充电二极管9的正端连接与三相交流电源1的U 相，充电二极管9的负端与充电电阻10的一端连接，充电电阻10的另一端与三相半控整流桥2的输出端连接。当变频器上电时，三相半控整流桥2处于关断状态，母线电容5通过预充电电路进行充电，当母线电容5两端的电压达到80％时，DSP控制板6控制三相半控整流桥2导通，对母线电容5 进行充电，同时将预充电电路短路。采用预充电电路后，大大简化了对三相半控整流桥2的控制程序，同时预充电电路采用单相半波整流结构，充电电流小，有效防止过流。

所述控制电路包括DSP控制板6，以及分别与其连接的系统驱动模块 11、检测保护电路12、直流供电电源13和LCD显示存储单元14；所述DSP 控制板6是系统的控制核心，用于三相半控整流桥控制、电压电流、温度等信号采集、三相逆变器PWM信号输出(脉冲宽度调制)、电机控制算法以及人机通讯等功能的实现；系统驱动模块11驱动三相半控整流桥2、三相逆变桥3以及制动IGBT7；直流供电电源13为DSP控制板6和LCD显示存储单元14提供直流电源；LCD显示存储单元14主要用于实现永磁同步电机参数的显示、调节和存储功能。

永磁同步电机控制系统的主电路和控制电路连接方式如图1所示，具体电路连接为：

三相交流电源1的U、V、W分别与三相半控整流桥2的1、2、3端连接，其中U相与充电二极管9的正端连接，充电二极管9的负端与充电电阻 10的一端连接，充电电阻10的另一端与三相半控整流桥2的4端连接。三相半控整流桥2的4端与母线电容5的正极、直流电源模块8的正端以及制动IGBT7的集电极连接。三相半控整流桥2的5端与母线电容5的负极、直流电源模块8的负端以及三相逆变桥3的2端连接。制动IGBT7的发射极与三相逆变桥3的1端连接。三相逆变桥3的3、4、5端分别与永磁同步电机4的A、B、C相连接。

如图2所示，所述三相半控整流桥的具体电路连接如下：

三相半控整流桥2由三个二极管D1～D3和三个可控硅G1～G3组成。上桥臂为可控硅G1、G2、G3，下桥臂为二极管为D1、D2、D3，其中可控硅 G1的正极与二极管D1的负极连接构成一个桥臂，可控硅G2的正极与二极管D2的负极连接构成一个桥臂，可控硅G3的正极与二极管D3的负极连接构成一个桥臂。可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容5的正极连接，二极管D1、D2、D3的正极与母线电容5的负极连接。

如图3所示，所述三相逆变桥3由六个可控硅Q1-Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成，其中可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接构成一个桥臂，可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接构成一个桥臂，可控硅Q5的发射极与可控硅 Q6的集电极连接构成一个桥臂。

如图4所示，所述系统驱动模块11包括制动驱动模块、三相半控整流桥驱动模块以及三相逆变器PWM驱动模块，其中制动驱动模块选用落木源公司的驱动芯片KP101进行驱动，控制充电IGBT7的通断。三相逆变器 PWM模块选用塞米控公司的SKHI22AH4R模块，该模块集成驱动和保护电路功能，无需光耦或变压器隔离，可直接将DSP的PWM信号连接到功率模块，方便应用。三相半控整流桥驱动模块采用集成了保护功能的可控硅触发电路，通过DSP对三相半控整流桥中的可控硅进行关断控制。

如图5所示，所述直流供电电源13为DSP控制板6和LCD显示存储单元14提供电源，首先采用直流电源模块8将母线电容5两端的直流电变为24V直流电，再通过直流供电电源13分别将24V转换为+5V、±15V以及+3.3V。直流电源模块8为宽范围的DC/DC转换模块，采用该模块代替原有的直流冗余模块(利用三相交流中的两相保证供电)，利用母线电容5为控制电路供电，提高了供电的可靠性；所述直流供电电源13包括Ⅰ号直流模块15、Ⅱ号直流模块16和Ⅲ号直流模块17，Ⅰ号直流模块15将24V转换为+5V，Ⅱ号直流模块16将24V转换为±15V，Ⅲ号直流模块17将24V 转换为+3.3V，其具体连接方式如下：

+24信号分别与电容DVC1、DVC2的正极以及Ⅰ号直流模块15的Vin 相连接，电容DVC1、DVC2的负极与GND、Ⅰ号直流模块15的GND相连接,+5V信号、电容DVC3的正极、DVR1的一端与Ⅰ号直流模块15的 Vout连接，电容DVC3的负极与DVR1的另一端与Ⅰ号直流模块15的0V连接。

+24信号分别与电容DVC4、DVC5的正极以及Ⅱ号直流模块16的Vin 相连接，电容DVC4、DVC5的负极与GND、Ⅱ号直流模块16的GND相连接,+15V信号、电容DVC6、DVC7的正极与Ⅱ号直流模块16的V+连接，电容DVC6、DVC7的负极与Ⅱ号直流模块16的0V连接。电容 DVC8、VC9的正极与Ⅱ号直流模块16的0V连接，-15V信号、电容 DVC8、DVC9的负极与Ⅱ号直流模块16的V-连接。

+24信号分别与电容DVC10、DVC11的正极以及Ⅲ号直流模块17的 Vin相连接，电容DVC10、DVC11的负极与GND、Ⅲ号直流模块17的 GND相连接,+3.3V信号、电容DVC12的正极与Ⅲ号直流模块17的Vout 连接，电容DVC12的负极与与GND连接。

如图6、7所示，所述检测保护电路12包括检测电路和保护电路，图6 为检测电路，主要用于检测电机温度、母线直流电压等信号，由于这些信号已经通过外部传感器变换为0-5V的模拟量，因此只需将0-5V的信号变换为0-3V即可，具体连接关系如下：

信号调理电路输出的信号Input与电阻R1、R2连接，电阻R2的另一端与GND连接，电阻R1的另一端与电阻R3、电容C1以及运算放大器18的正端连接。电阻R3、电容C1的另一端与GND连接。运算放大器18的负端与自身输出端连接，运算放大器18的输出端与电阻R4、电容C2、二极管D7的负极、二极管D8的正极连接。电容C2的另一端、二极管D7的正极与GND连接，二极管D8的负极与3.3V连接。

图7为保护电路，主要用于保护功能的实现。当发生故障时，直接断开制动IGBT7，断开与电机的连接，同时禁止三相逆变桥和三相半控整流桥，实现对主电路的保护，其具体连接关系如下：

电流信号CurFk、电压信号VolFk分别与Ⅰ号或门19的两个输入引脚连接，温度信号Tep、控制信号Ctrl分别与Ⅱ号或门20的两个输入引脚连接，Ⅰ号或门19和Ⅱ号或门20的输出分别与Ⅲ号或门21的两个输入引脚连接，Ⅲ号或门21的输出端输出保护信号Pro，同时与电阻R5连接。电阻 R5的另一端与发光二极管D6的正极连接，发光二极管D6的负极与GND 连接。保护信号Pro进入到系统驱动模块11中，一旦出现故障信号，便直接封锁逆变器、整流桥以及制动IGBT的驱动信号，实现系统的硬件保护功能。

如图8所示，所述LCD显示存储单元14集成了液晶显示屏、通讯、按键输入以及存储等单元，其连接方式如下：

存储芯片22的A0、A1、A2、VSS以及WP端与GND连接，VCC端与+5V连接，SCL、SDA端分别与DSP控制板6的GPIO33、GPIO32相连接。DSP控制板6的GPIO14、GPIO13分别与通讯芯片23的SCITX、 SCIRX端相连接。通讯芯片23的Tx+、Tx-、Rx+、Rx-端分别与LCD显示存储14的2、3、4、6端相连接。

本实用新型利用DSP28335控制板进行了软件编程，实现了控制算法并进行了电机试验，试验结果表明，直接转矩控制系统采用空间矢量调制技术技术后，实现了电压空间矢量的连续调节，有效减小了转矩和磁链的脉动，极大地提高了系统的控制性能，同时改进型积分器提高了定子磁链和转子位置角的检测精度。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括主电路和控制电路，

所述主电路包括依次连接的三相交流电源（1）、三相半控整流桥（2）和三相逆变桥（3），三相逆变桥（3）的输出端与永磁同步电机（4）的三相连接，三相半控整流桥（2）的两个输出端之间串联母线电容（5）和直流电源模块（8），三相半控整流桥（2）的一个输出端与三相逆变桥（3）的一个输入端之间串联制动IGBT（7）；

所述控制电路包括DSP控制板（6），以及分别与其连接的系统驱动模块（11）、检测保护电路（12）、直流供电电源（13）和LCD显示存储单元（14）；所述DSP控制板（6）实现对三相半控整流桥（2）的控制；所述系统驱动模块（11）驱动三相半控整流桥（2）、三相逆变桥（3）和制动IGBT（7）；所述直流供电电源（13）为DSP控制板（6）和LCD显示存储单元（14）提供直流电源；所述LCD显示存储单元（14）实现永磁同步电机（4）参数的显示、调节和存储。

2.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述主电路还包括预充电电路，所述预充电电路由相互连接的充电二极管（9）和充电电阻（10）组成。

3.根据权利要求2所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述充电二极管（9）的正端连接与三相交流电源（1）的U相，充电二极管（9）的负端与充电电阻（10）的一端连接，充电电阻（10）的另一端与三相半控整流桥（2）的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述三相半控整流桥（2）由三个二极管D1~ D3和三个可控硅G1~G3组成；可控硅G1~G3组成上桥臂，二极管D1~ D3组成下桥臂；可控硅G1、G2、G3的负极与母线电容（5）的正极连接，二极管D1、D2、D3的正极与母线电容（5）的负极连接。

5.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述三相逆变桥（3）由六个可控硅Q1~ Q6组成，上桥臂由可控硅Q1、Q3、Q5组成，下桥臂由可控硅Q2、Q4、Q6组成。

6.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述系统驱动模块（11）包括制动驱动模块、三相半控整流桥驱动模块和三相逆变器PWM驱动模块。

7.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述直流供电电源（13）包括Ⅰ号直流模块（15）、Ⅱ号直流模块（16）和Ⅲ号直流模块（17），Ⅰ号直流模块（15）将24V转换为+5V，Ⅱ号直流模块（16）将24V转换为±15V，Ⅲ号直流模块（17）将24V转换为+3.3V。

8.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述检测保护电路包括检测电路和保护电路，检测电路将0~5V的信号变换为0~3V的信号。

9.根据权利要求8所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述保护电路包括Ⅰ号或门（19）、Ⅱ号或门（20）和Ⅲ号或门（21），Ⅰ号或门（19）的输入端连接电流和电压信号，Ⅱ号或门（20）的输入端连接温度和控制信号，Ⅰ号或门（19）和Ⅱ号或门（20）的输出分别与Ⅲ号或门（21）的两个输入端连接，Ⅲ号或门（21）的输出端输出保护信号。

10.根据权利要求1所述的采用改进直接转矩控制技术的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述LCD显示存储单元（14）包括液晶显示屏、按键输入、通讯芯片（23）和存储芯片（22），存储芯片（22）与DSP控制板（6）连接，通讯芯片（23）一端与DSP控制板（6）连接，另一端连接液晶显示屏。

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