[发明专利]基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统

摘要

本发明提供了基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路和箝位电路；主电路中双向开关矩阵电路由9个具有阻断能力和自关断能力的双向开关组成，通过RLC输入滤波器与三相交流电源相连，直接连接永磁同步电机。其控制方法为：矩阵变换器虚拟成等效的交‑直‑交结构后，对两级变换器进行PWM控制，虚拟整流侧基于前向BP神经网络算法预测设定功率因数值并代入矩阵变换器的双空间矢量调制算法中，控制矩阵变换器网测功率因数为1；虚拟逆变侧使输出电压空间矢量满足直接转矩控制要求。该系统是一种输入输出波形正弦化、能量双向流动、动静态性能良好、对电网无污染、高性能的绿色“交流调速系统”。

主权项

1.基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述基于矩阵变换器的永磁同步电机控制系统包括主电路、检测电路、控制电路、驱动电路、信号处理电路以及箝位电路；所述主电路包括三相交流电源(11)、RLC输入滤波器(12)、双向开关矩阵电路(13)以及永磁同步电机(PMSM) (14)；所述检测电路包括输入电压检测模块(21)、输出电压电流检测模块(22)以及光电编码器(23)，其中，所述输入电压检测模块(21)用于进行输入相电压过零点检测，所述输出电压电流检测模块(22)用于进行输出电流极性检测、输出电压大小检测和输出电流大小检测，而所述光电编码器用于对永磁同步电机的转速和转子初始位置进行检测；所述控制电路包括ARM模块和FPGA模块，以实现坐标变换、计算定子磁链、计算电磁转矩、输入电流扇区、输出电压扇区以及求出矢量作用时间和矢量分配情况的功能；所述驱动电路用于对所述控制电路中的FPGA输出的PWM信号进行放大以及隔离驱动双向开关矩阵电路(13)中的开关管；所述信号处理电路用于对所述输入电压检测模块(21)及所述输出电压电流检测模块(22)采集的信号进行限幅、滤波和比较整形；所述箝位电路用于保护双向开关矩阵电路(13)中的开关管免遭过压损坏；采用ARM与FPGA的联合控制，ARM为主，FPGA为辅，提高系统处理的实时性；所述箝位电路包括过压吸收电路模块和泄放电路模块；所述过压吸收电路模块包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)以及多个二极管；所述过压吸收电路模块和所述泄放电路模块用于在所述双向开关矩阵电路(13)带感性负载时，通断切换所述双向开关矩阵电路(13)中的开关管瞬间形成高压尖峰，通过高压尖峰能量对第一电容(C1)和第二电容(C2)进行充电以保护所述双向开关矩阵电路(13)中的开关管；所述第九电阻(R9)和所述第十电阻(R10)为均压电阻；所述多个二极管包括6组二极管，所述6组二极管中的每一组包括两个串联的二极管，所述6组二极管并联连接于所述泄放电路模块的两端；所述第一电容(C1)的一端和所述第十电阻(R10)的一端连接后与所述泄放电路模块的一端(M)相连接，所述第一电容(C1)的另一端、所述第十电阻(R10)的另一端、所述第二电容(C2)的一端以及所述第九电阻(R9)的一端连接在一起，所述第二电容(C2)的另一端和所述第九电阻(R9)的另一端连接后与所述泄放电路模块的另一端(N)相连接；所述泄放电路模块包括第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第六电阻(R6)、第三电容(C3)、电压比较器(LM339)、第一电阻(R1)、光耦合器(TLP250)、第二电阻(R2)、第四电容(C4)、第三电阻(R3)、稳压二极管(ZD5)、第四电阻(R4)、开关管(Q1)、第五电阻(R5)和第一二极管(D1)；其中，所述第八电阻(R8)和所述第六电阻(R6)为可变电阻，所述第四电容(C4)为电解电容，所述第五电阻(R5)为泄放电阻；所述第七电阻(R7)的一端和所述第五电阻(R5)的一端相连接后作为M端，所述第五电阻(R5)的另一端连接所述开关管(Q1)的集电极；所述第七电阻(R7)的另一端连接所述第八电阻(R8)的一个固定端，所述第八电阻(R8)的另一个固定端作为N端；所述第八电阻(R8)的可调端连接至所述电压比较器(LM339)的5引脚；所述电压比较器(LM339)的3引脚接入+15V电压端、且与所述第六电阻(R6)的一个固定端相连接，所述第六电阻(R6)的另一个固定端连接至所述电压比较器(LM339)的4引脚且接地，所述电压比较器(LM339)的4引脚还与所述第六电阻(R6)的可调端相连接；所述第三电容(C3)接于所述电压比较器(LM339)的5引脚与4引脚之间，所述电压比较器(LM339)的12引脚接入‑15V电压端；所述电压比较器(LM339)的2引脚连接所述第一电阻(R1)的一端，所述第一电阻(R1)的另一端连接所述光耦合器(TLP250)的3引脚，所述光耦合器(TLP250)的2引脚连接+5V电压；所述光耦合器(TLP250)的8引脚与所述第三电阻(R3)的一端连接后接入20V电压端，所述第三电阻(R3)的另一端连接所述稳压二极管(ZD5)的负极，所述稳压二极管(ZD5)的正极接地；所述光耦合器(TLP250)的6引脚连接所述第二电阻(R2)的一端，所述第二电阻(R2)的另一端连接所述开关管(Q1)的栅极，所述开关管(Q1)的发射极连接所述N端；所述第四电阻(R4)接于所述开关管(Q1)的栅极与发射极之间；所述光耦合器(TLP250)的5引脚与所述第四电容(C4)的负极相连后接地，所述第四电容(C4)的正极连接至所述开关管(Q1)的发射极；当因短路保护而使得所述主电路的开关管全部关断时，所述泄放电路模块的母线电压MN迅速上升：当所述母线电压MN大于电路预设电压时，所述开关管(Q1)导通，过压产生的能量通过所述第五电阻(R5)进行泄放，当所述母线电压MN降低到预设值以下时，所述开关管(Q1)关断，系统恢复正常。