一種lcl濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統的製作方法
2023-10-04 02:18:09
專利名稱：一種lcl濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，屬電動機控制領域，用於實現新一代高速永磁同步電動機的高動態轉矩響應、平滑起動和平滑驅動控制。
背景技術：
高速三相永磁同步電動機轉速從幾萬轉到十幾萬轉，具有功率密度大、幾何尺寸小、重量輕、響應快等優點，可直接與高速機械設備連接，能有效提高系統效率，節能效果顯著。電磁軸承支承的高速永磁電機及其控制技術發展迅速，已在磁懸浮離心鼓風機、磁懸浮離心壓縮機、磁懸浮儲能飛輪和磁懸浮微汽輪發電機等「綠色」節能高速動力機械中得到應用，例如，美國Quantima基於高速三相永磁同步電動機的磁懸浮離心壓縮機額定功率300kff,系統節能最高可達25 %，德國PiIIer磁懸浮離心鼓風機的150kW高速三相永磁同步電動機最高轉速28500r/min，與經典的羅茨鼓風機相比系統效率提高12%。高速永磁電機及其控制技術作為一個國家工業化先進程度和科學技術發展水平的重要特徵和標誌，已引起美國、德國、瑞典、丹麥等世界各先進工業強國的極大關注。高速永磁電機普遍採用高頻、非正弦PWM逆變器供電，頻率可達幾千赫茲到幾萬赫茲，由於轉速高，高速三相永磁同步電動機需要在轉子的磁鋼外面加一個不導磁的金屬護套，PWM逆變器的開關過程在電機中產生的高頻交變磁場會在轉子護套中感應出一定量的渦流，導致鐵耗增加，並且產生較大的轉矩脈動和電磁幹擾。高速永磁電機的損耗密度較大，而散熱又比較困難。因此，要求電機繞組的電壓和電流為正弦波，以減小高次諧波的附加損耗，為此需要對永磁高速電機功率變換器的拓撲結構和控制策略進行深入研究。高速永磁電機的PAM調速方式，廣義上電感、電容也是起到濾波和能量傳遞的作用，但現有研究僅解決了電機電動運行的平滑驅動問題，對反接制動、回饋制動或能耗制動沒有提出解決方案。在逆變器輸出端與高速永磁電機之間加濾波器不僅可以濾除逆變器輸出的高次諧波，而且濾波器接外殼還可以濾除逆變器輸出的零序分量，抑制電機中性點對地的零序電壓經定子繞組與轉子和定子邊的寄生電容產生的電流，避免其對電機造成損害，並且能夠實現制動過程的平滑驅動。為抑制開關頻率輸出電流諧波，LCL濾波器在電壓源PWM控制逆變器中成為首選，它與L型或LC型濾波器相比，LCL濾波器對電流高頻分量具有更強的抑制能力，LCL的不同比例組合使濾波器在高頻段有不同的衰減特性，而低頻段增益與L型或LC型濾波器相同。顯然，LCL濾波器通過引入電容C，使高頻衰減顯著增強，有利於抑制開關紋波。但是濾波器的引入又帶來了新的問題LCL的引入使濾波器由一階系統變為三階系統，高速永磁電機調速範圍寬，由於濾波器的存在，會使電機電流產生相移，並且相移跟隨轉速變化，此時高速電機系統在非線性、參數攝動、負載擾動和未建模動態的綜合作用下，其魯棒性和轉矩、轉速的動態跟蹤精度難以保證。
發明內容
本發明解決的技術問題是克服了現有低速控制精度低的不足，提供一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，實現了高速永磁同步電動機的平滑起動和平滑驅動控制，大大提高了高速永磁同步電動機的轉矩動態響應性能。本發明的技術解決方案一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，其特徵在於包括由數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器、三相整流器、驅動隔離環節、三相橋智能功率模塊、LCL輸出電力濾波器、三相永磁同步電動機、+5V開關電源、+ 12V開關電源、+15V開關電源、增量式編碼器和電流檢測環節，當三相永磁同步電動機運行時，數位訊號處理器為核心的控制器從與三相永磁同步電動機相接的增量式軸角編碼器獲取速度反饋信號，數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器將速度反饋信號、電流反饋信號經過CLARK變換和PARK變換，將磁通和轉矩動態解耦後，將得到的勵磁電流分量和轉矩電流分量輸入到高動態協同控制器，高動態協同控制器輸出的控制量經過IPARK變換得到坐標系下的控制量，生成6路SVPWM調製信號，經過驅動隔離環節輸入到三相橋智能功率模塊，觸發相應的三相橋智能功率模塊的功率器件導通來調節帶LCL輸出電力濾波器的三相永磁同步電動機的轉速，由於LCL濾波器的引入，使得三相永磁同步電動機的繞組電流隨轉速變化產生幅值衰減和相位滯後，採用協同控制構造宏函數，如果同時可以保證引入控制量後的系統穩定，則系統必然可以使三相永磁同步電動機在額定電流驅動下，以最短時間沿流形高動態地快速收斂於平衡點，實現高動態速度控制和轉矩調節。三相橋智能功率模塊由三相整流器整流後的直流電壓供電，三相橋智能功率模塊由+15V開關電源供電，數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器和增量式編碼器由+5V開關電源供電，電流檢測環節由±12V開關電源供電。
本發明的原理是如圖2、3所示，數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器的數字I/O模塊和捕獲單元模塊對增量式編碼器的輸出信號進行捕獲，經運算和修正後作為轉速反饋信號，並與轉速參考信號相減，差值作為高動態協同控制算法的輸入量，同時將電流參考與經數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器的A/D模塊採樣得到的電流檢測環節的輸出信號值相減，差值也作為高動態協同控制算法的輸入量，經高動態協同控制算法的輸出量與數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器的SVPWM波形發生模塊的比較寄存器的值進行比較生成6路SVPWM信號，6路SVPWM信號，經過驅動隔離環節輸入到三相橋智能功率模塊，觸發相應的三相橋智能功率模塊的功率器件導通來調節帶LCL輸出電力濾波器的三相永磁同步電動機的轉速，實現高動態速度控制和轉矩調節。為了設計基於LCL輸出電力濾波器的三相永磁同步電動機高動態協同控制系統，需要建立系統的統一狀態空間模型。如圖4所示為LCL輸出濾波器加入三相永磁同步電動機控制系統中的結構。假定濾波電感是線性的，不考慮磁芯飽和，視主電路開關元器件為理想開關元件，忽略電路中的寄生電阻。U1為逆變器輸出電壓，U2 Sud^LCL濾波後的定子電壓，假定電機三相對稱，將LCL輸出濾波器和三相永磁同步電動機在dq參考坐標系中建模。定子電壓方程為
_ 3] U1 = RJ2 + y/x + OJmJy/^、1 J其中，U2 = [usd Usq]為定子電壓，i2 = [isd iSq]為定子電流，^s = [ ^Sd切J為定子磁鏈，Rs為電機的定子繞阻， 。為電機角速度，J=，j。
權利要求
1.一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，其特徵在於包括由數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)、三相整流器(2)、驅動隔離環節(3)、三相橋智能功率模塊(4)、LCL輸出電力濾波器(5)、三相永磁同步電動機(6)、+5V開關電源(7)、+ 12V開關電源(8)、+15V開關電源(9)、增量式編碼器(10)和電流檢測環節(11);數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)輸出的6路PWM信號經驅動隔離環節(3)輸入到三相橋智能功率模塊(4)，通過LCL輸出電力濾波器(5)驅動三相永磁同步電動機(6)，增量式編碼器(10)和電流檢測環節(11)的輸出信號輸入到數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(1)，電網輸入的三相動力電經過三相整流器(2)的輸出連接到三相橋智能功率模塊(4 )的直流母線電壓輸入端，+5V開關電源(7 )經電平轉換後為數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)供電，電流檢測環節(11)由±12V開關電源(8)供電，驅動隔離環節(3)由+15V開關電源(9)供電，增量式編碼器(10)由+5V開關電源(7)供電，三相橋智能功率模塊(4)由三相整流器(2)整流後的直流電壓供電；當三相永磁同步電動機運行時，數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)從與三相永磁同步電動機(6)相接的增量式軸角編碼器(10)獲取速度反饋信號，數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)將速度反饋信號、電流反饋信號經過數位訊號處理器高動態協同控制器(I)的CLARK變換和PARK變換，將磁通和轉矩動態解耦後，將得到的勵磁電流分量和轉矩電流分量輸入到高動態協同控制器，高動態協同控制器輸出的控制量經過I PARK變換得到坐標系下的控制量，生成6路SVPWM調製信號，經過驅動隔離環節(3)輸入到三相橋智能功率模塊(4)，觸發相應的三相橋智能功率模塊(4)的功率器件導通來調節帶LCL輸出電力濾波器(5)的三相永磁同步電動機(6 )的轉速，實現高動態速度控制和轉矩調節。
2.根據權利要求1所述的一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，其特徵在於所述數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)的數字I/O模塊和捕獲單元模塊對增量式編碼器(10)的輸出信號進行捕獲，經運算和修正後作為轉速反饋信號，並與轉速參考信號相減，差值作為高動態協同控制算法的輸入量，同時將電流參考與經數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)的A/D模塊採樣得到的電流檢測環節(11)的輸出信號值相減，差值也作為高動態協同控制算法的輸入量，經高動態協同控制算法的輸出量與數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器(I)的SVPWM波形發生模塊的比較寄存器的值進行比較生成6路SVPWM信號，6路SVPWM信號，經過驅動隔離環節(3)輸入到三相橋智能功率模塊(4)，觸發相應的三相橋智能功率模塊(4)的功率器件導通來調節帶LCL輸出電力濾波器(5)的三相永磁同步電動機(6)的轉速，實現高動態速度控制和轉矩調節。
全文摘要
一種LCL濾波的高速永磁同步電動機高動態協同控制系統，用於新一代磁懸浮壓縮機和磁懸浮儲能飛輪核心驅動機構——高速永磁同步電動機的高效率驅動控制，它主要由數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器、三相整流器、驅動隔離環節、三相橋智能功率模塊、LCL輸出電力濾波器、三相永磁同步電動機、+5V開關電源、±12V開關電源、+15V開關電源、增量式編碼器和電流檢測環節等組成。本發明通過LCL輸出電力濾波器抑制永磁同步電動機瞬態轉矩脈動，實現高速永磁同步電動機平滑驅動和平滑起動，同時，為了提高高速永磁同步電動機中高轉速段的轉矩動態響應，發明了一種以數位訊號處理器為核心的高動態協同控制器。
文檔編號H02P21/14GK103066915SQ201210564510
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者王志強, 劉佳, 蘇森 申請人:北京航空航天大學