直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构及采用该结构实现直流母线电压动态调节方法与流程
本发明属于高速电机主轴驱动控制领域。
背景技术：
高速电机是随着电力电子、材料科学及微电子等技术发展而衍生的高技术产品，在很多工业领域有重要的应用价值，与常规电机相比，高速电机的设计和运用在机械方面受到材料性能的制约：表面线速度和旋转角速度由于材料刚度和杨氏模量的限制，高速运行时较常规电机相比更加充分地发挥利用材料的物理性能，因此其与常规电机相比具有其它电机无可比拟的诸多优点：
(1)高速电机几何尺寸小，功率密度高，有效节约物理材料和工作空间；
(2)高速电机转子转动惯量小，转子动态响应能力高；
(3)在高速应用场合采用高速电机来代替“常规电机+齿轮箱”的结构使得原动机与负载直接相连，省去机械传动变速装置，缩小了设备整体体积、提高了系统效率和系统可靠性、减少了噪音和系统维护成本。
基于上述诸多优点，高速电机具有广阔的应用前景，在航空航天、高速机床加工、分布式发电、飞轮储能、燃气轮机、压缩机、真空离子泵等军事、科研、工业、民用领域应用越来越广泛，已成为国际电工领域的研究热点，各国大力发展、高度垄断的关键技术之一。不断发展、提高高速电机的性能和转速能够使得其满足不同的工作应用要求，替代掉原来的一些技术，为推进设备小型化、高集成度，全电化有着重要的意义和价值。
永磁同步电机的控制通常采用变频器供电，变频器是根据数字脉宽调制的方法对直流母线电压进行斩波来输出三相正弦电压波形来驱动电机，因此其输出电压和电流中含有一系列的谐波成分，这些谐波会对电机的运行特性以及本身性能造成很多不利的影响，如产生转子涡流损耗带来转子温升，转子振动及噪声。在高速电机中由于电机的运行频率较高，而电力电子功率器件的性能有限，因此其调制比相比于常规电机更小，所引起的谐波成分含量更多，转子的温升更加严重。此外，高速永磁同步电机的电气参数通常远小于常规永磁同步电机的电气参数，更加加剧了高速永磁同步电机中的谐波电流，给高速电机的热可靠性和运动控制性能带来了极大的挑战。由此可见常规电机的拓扑结构已经无法满足高速电机驱动控制的高性能需求，因此各个研究机构和研究学者针对高速电机专用的拓扑结构展开研究工作。
图1中提出一种适用于高速电机驱动控制的拓扑结构，其技术方案大概为：直流母线采用Buck电路进行直流母线电压调节，后侧所连接的三相半桥逆变器采用三项六状态工作模式，以电气频率依次进行切换导通，从而给电机施加方波电压，在无刷直流电机上产生方波电流，驱动电机的运行。
该方法能够有效额降低开关频率和电机上由于电流谐波引起的损耗，但是不足之处也显而易见：控制对象为无刷直流电机，其存在很大的转矩波动，如果采用同样的策略来进行永磁同步电机的控制，其施加的方波电压会产生谐波频谱丰富的电流谐波引起电机内的损耗急剧增加。此外，直流母线电压虽然可以通过调节电平等级来抑制电机中的损耗，然而并没有给出一个理想的规划直流母线电压的调节策略将电流谐波与直流母线电压直接联系起来。
技术实现要素：
本发明是为了解决现有逆变器拓扑结构使被控的高速电机存在很大转矩波动，在控制过程中施加的方波电压会产生谐波频谱丰富的电流谐波，从而引起电机内的损耗急剧增加的问题。本发明提供了一种直流母线电压可调的三相逆变器的拓扑结构及采用该结构实现直流母线电压动态调节方法。
直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构，它包括三相整流桥、直流母线支撑电容、直流母线输入电压检测模块、Buck-Boost调压电路、直流母线输出稳压电容、直流母线输出电压检测模块、三相半桥逆变电路、三相电流检测模块和驱动控制电路；
三相整流桥将接收的三相交流电或单相交流电转化为直流电压，该直流电压经直流母线支撑电容稳压后输入到Buck-Boost调压电路，Buck-Boost调压电路根据驱动控制电路输出的PAM控制信号，对其Buck-Boost调压电路输出的电压幅值进行调节；
Buck-Boost调压电路输出的电压经直流母线输出稳压电容稳压后，输入到三相半桥逆变电路，三相半桥逆变电路根据驱动控制电路输出的PWM控制信号，对被控高速永磁同步电机进行驱动控制；
直流母线输入电压检测模块，用于对三相整流桥输出的直流电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路；
直流母线输出电压检测模块，用于对Buck-Boost调压电路输出的电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路；
三相电流检测模块，用于对三相半桥逆变电路输出的三相电流进行检测，并将检测检测结果送至驱动控制电路；
驱动控制电路，用于根据接收的三相电流、三相整流桥输出的直流电压和Buck-Boost调压电路输出的电压生成PAM控制信号和PWM控制信号。
采用直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法，该调节方法的具体过程为：
首先，驱动控制电路实时检测三相整流桥输出的直流电压、Buck-Boost调压电路输出的电压和三相半桥逆变电路输出的三相电流ia，ib，ic；
其中，三相整流桥输出的电压为直流母线的输入电压udc_in，
Buck-Boost调压电路输出的电压为直流母线的输出电压udc_out；
其次，驱动控制电路根据外部给定指令转速ncmd，对接收的直流母线的输入电压udc_in、直流母线的输出电压udc_out及三相电流ia，ib，ic进行处理，使其生成PAM控制信号和PWM控制信号，且通过PAM控制信号对Buck-Boost调压电路进行闭环控制，从而对直流母线的输出电压udc_out进行动态调节，通过PWM控制信号对三相半桥逆变电路进行控制，从而驱动被控高速永磁同步电机，使其被控高速永磁同步电机在直流母线电压调节过程中的稳定运行。
所述的驱动控制电路根据外部给定指令转速ncmd，对接收的直流母线的输入电压udc_in、直流母线的输出电压udc_out及三相电流ia，ib，ic进行处理，使其生成PAM控制信号和PWM控制信号，且通过PAM控制信号对Buck-Boost调压电路进行闭环控制，从而对直流母线的输出电压udc_out进行动态调节，通过PWM控制信号对三相半桥逆变电路进行控制，从而驱动被控高速永磁同步电机，使其被控高速永磁同步电机在直流母线电压调节过程中的稳定运行的具体过程为：
步骤一：采用无传感器控制算法对三相半桥逆变电路输出的三相电流ia，ib，ic进行处理，获得电机转子转角θfdb和电机当前的实际转速nfdb；
步骤二：根据电机转子转角θfdb对三相半桥逆变电路输出的三相电流ia,ib,ic进行解耦计算，得到基于转子同步旋转坐标系的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
步骤三：根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq和外部给定指令转速ncmd生成直流母线的指令电压udc_cmd和内部指令转速ncmd_inner；
步骤四：根据步骤三获得的直流母线的指令电压udc_cmd对直流母线的输出电压udc_out进行电压PI调节，生成的PAM控制信号对直流母线的输出电压udc_out进行闭环控制，直至直流母线的输出电压udc_out等于直流母线的指令电压udc_cmd；
同时，利用步骤三获得的内部指令转速ncmd_inner对电机当前的实际转速nfdb进行速度PI调节，并根据速度PI调节的结果对d轴电流分量id和q轴电流分量iq进行双闭环电流PI调节，获得d轴电压分量ud和q轴电压分量uq，然后根据步骤一获得的电机转子转角θfdb对d轴电压分量ud和q轴电压分量uq进行坐标变换，获得两相静止坐标系下α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ，并根据直流母线的输出电压udc_out对α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ进行SVPWM调制，生成PWM控制信号，使其被控高速永磁同步电机在直流母线电压调节过程中的稳定运行，从而完成直流母线电压根据外部指令进行的动态调节。
所述的步骤三中根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq和外部给定指令转速ncmd生成直流母线的指令电压udc_cmd和内部指令转速ncmd_inner的具体过程为：
步骤三一：将获得的d轴电流分量id和q轴电流分量iq代入下述公式一，获得电机运行于外部给定指令转速ncmd时，期望施加到电机上的d轴电压ud_ideal和q轴电压uq_ideal；其中，
其中，Rs表示定子绕组电阻，Ld表示d轴等效电感，ωe表示外部给定指令转速ncmd所对应的转子电气角速度，Lq表示q轴等效电感，ψf表示永磁体磁链；
步骤三二：根据期望施加到电机上的d轴电压ud_ideal和q轴电压uq_ideal代入下述公式二，获得三相半桥逆变电路的期望输入电压udc_ideal，其中，
步骤三三：根据三相半桥逆变电路的期望输入电压udc_ideal，获得Buck-Boost调压电路的期望输出电压udc_real，其中，
udc_real＝udc_ideal×120％ (公式三)，
步骤三四：当期望输出电压udc_real的幅值大于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd等于直流母线的期望电压udc_real，内部指令转速ncmd_inner保持当前转速；
当期望输出电压udc_real的幅值小于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd保持当前电压，内部指令转速ncmd_inner等于外部给定指令转速ncmd；
当期望输出电压udc_real的幅值等于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd等于直流母线的期望电压udc_real，内部指令转速ncmd_inner等于外部给定指令转速ncmd。
所述的三相半桥逆变电路输出的电压信号的波形为正弦波。
本发明内容包括两个部分：拓扑结构和控制策略。拓扑结构包括了直流母线电压调节模块和三相半桥逆变模块。控制策略包括直流母线电压调节策略和采用无传感器控制策略的永磁同步电机控制策略。
三相交流电或单相交流电通过三相整流桥进行不可控整流得到波动的直流电压，通过直流母线输入直流母线支撑电容进行初步稳压，得到稳定的直流输入电压；直流输入电压输入到Buck-Boost调压电路，Buck-Boost调压电路根据输入的PAM控制信号对其输出电压进行调整，进而得到核心算法所期望的直流母线输出电压，并且直流母线输出电压通过直流母线支撑电容进行稳压、防止电压因为后端负载状态变化而发生突变；直流母线输入电压检测模块和直流母线输出电压检测模块分别对Buck-Boost调压电路的输入和输出电压进行检测和监控，其中直流母线输出电压是核心控制策略的控制对象，两个电压之前的对应关系是通过PAM控制信号来进行在线实时调整。
经过直流母线输出稳压电容稳压后的直流母线输出电压输入到三相半桥逆变电路，三相半桥逆变电路的每个桥臂可由两个全控型电力电子器件(IGBT、MOSFET)以及反向并联的反向恢复二极管构成，每个桥臂的中点通过电缆与被控高速永磁同步电机相连接，二者之间采用三相电流检测模块对被控高速永磁同步电机的输入电流进行检测，提供给驱动控制电路进行控制算法计算。
驱动控制电路得到的反馈信号包括：直流母线输入电压、直流母线输出电压、输入至被控高速永磁同步电机的三相电流，驱动控制信号包括：1个PAM控制信号和6个PWM控制信号，其中：PAM控制信号用于调制Buck-Boost调压电路的输出电压幅值，PWM控制信号用于控制三相半桥逆变电路的运行状态从而驱动高速永磁同步电机运行，这些信号都通过光耦实现电气隔离。
本发明带来的有益效果是，本发明提出了一种用于超高速永磁同步电机驱动控制用的具有直流母线电压调节功能的硬件拓扑结构以及与之相对应的直流母线电压在线动态调整控制策略。该发明对超高速永磁同步电机在一个较宽的调速运行范围内，都保持一个合理的直流母线电压，进而降低数字调制控制策略在电机中产生的谐波，对高速电机中的谐波进行了有效的抑制和削弱，从而降低谐波导致的损耗，确保高速电机的热稳定运行。本发明主要应用在在超高速永磁同步电机的直流母线上。
附图说明
图1为背景技术中采用Buck-Boost的直流母线电压可调的逆变器拓扑结构。
图2为本发明所述的直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构的原理示意图。
图3为采用直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法的原理示意图；
图4为具体实施方式四所述的步骤三中根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq和外部给定指令转速ncmd生成直流母线的指令电压udc_cmd和内部指令转速ncmd_inner的的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图2说明本实施方式，本实施方式所述的直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构，它包括三相整流桥1、直流母线支撑电容2、直流母线输入电压检测模块3、Buck-Boost调压电路4、直流母线输出稳压电容5、直流母线输出电压检测模块6、三相半桥逆变电路7、三相电流检测模块8和驱动控制电路9；
三相整流桥1将接收的三相交流电或单相交流电转化为直流电压，该直流电压经直流母线支撑电容2稳压后输入到Buck-Boost调压电路4，Buck-Boost调压电路4根据驱动控制电路9输出的PAM控制信号，对其Buck-Boost调压电路4输出的电压幅值进行调节；
Buck-Boost调压电路4输出的电压经直流母线输出稳压电容5稳压后，输入到三相半桥逆变电路7，三相半桥逆变电路7根据驱动控制电路9输出的PWM控制信号，对被控高速永磁同步电机10进行驱动控制；
直流母线输入电压检测模块3，用于对三相整流桥1输出的直流电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路9；
直流母线输出电压检测模块6，用于对Buck-Boost调压电路4输出的电压进行检测，并将检测结果送至驱动控制电路9；
三相电流检测模块8，用于对三相半桥逆变电路7输出的三相电流进行检测，并将检测检测结果送至驱动控制电路9；
驱动控制电路9，用于根据接收的三相电流、三相整流桥1输出的直流电压和Buck-Boost调压电路4输出的电压生成PAM控制信号和PWM控制信号。
本实施方式中，驱动控制电路9的控制策略主要针对两部分的硬件结构进行控制：Buck-Boost调压电路4和三相半桥逆变电路7驱动的被控高速永磁同步电机10，二者之间的关系为：Buck-Boost调压电路4为后侧三相半桥逆变电路7驱动提供直流母线电压，而被控高速永磁同步电机10的运行条件和状态通过控制策略决定了Buck-Boost调压电路4期望输出电压值；
Buck-Boost调压电路4首先检测直流母线输入电压幅值，根据电机运行状态给出期望输出电压的指令信号，通过调节PAM控制信号对直流母线输出电压进行闭环控制，使之跟踪期望电压指令；
三相半桥逆变电路7采用无传感器控制策略对被控高速永磁同步电机10进行驱动控制，三相电流检测模块8得到的三相电流信号，其三相电流信号不仅用于求解电流环闭环控制，而且从中还要提取出电机当前的转速、位置信号，用于整个控制系统的坐标变换、解耦以及速度环闭环控制，驱动控制电路9输出电压指令通过电流环解耦得到电压指令，电压指令通过电压调制算法和当前实时直流母线电压得到所需三相占空比以及6个桥臂的PWM控制信号，从而施加电压到高速永磁同步电机上，在电机绕组中产生正弦的电流波形来驱动电机。
直流母线支撑电容2用于对三相整流桥1输出的电压信号进行稳压，直流母线输出稳压电容5用于对Buck-Boost调压电路4输出的电压信号进行稳压。
三相半桥逆变电路7可由两个全控型电力电子器件(IGBT、MOSFET)以及反并联的反向恢复二极管构成。
控制对象为采用超高速永磁同步电机，其内部采用高磁能积的永磁体作为转子励磁材料，因此功率密度高，体积小，可靠性高，控制简单，但是在常规拓扑结构下所实施的控制策略会导致定子绕组中有大量的电流谐波，导致控制系统性能的恶化；而本发明的拓扑结构避免常规扑结构下所实施的控制策略会导致的缺陷。
具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法，该调节方法的具体过程为：
首先，驱动控制电路9实时检测三相整流桥1输出的直流电压、Buck-Boost调压电路4输出的电压和三相半桥逆变电路7输出的三相电流ia，ib，ic；
其中，三相整流桥1输出的电压为直流母线的输入电压udc_in，
Buck-Boost调压电路4输出的电压为直流母线的输出电压udc_out；
其次，驱动控制电路9根据外部给定指令转速ncmd，对接收的直流母线的输入电压udc_in、直流母线的输出电压udc_out及三相电流ia，ib，ic进行处理，使其生成PAM控制信号和PWM控制信号，且通过PAM控制信号对Buck-Boost调压电路4进行闭环控制，从而对直流母线的输出电压udc_out进行动态调节，通过PWM控制信号对三相半桥逆变电路7进行控制，从而驱动被控高速永磁同步电机10，使其被控高速永磁同步电机10在直流母线电压调节过程中的稳定运行。
具体实施方式三：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的采用直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法的区别在于，所述的驱动控制电路9根据外部给定指令转速ncmd，对接收的直流母线的输入电压udc_in、直流母线的输出电压udc_out及三相电流ia，ib，ic进行处理，使其生成PAM控制信号和PWM控制信号，且通过PAM控制信号对Buck-Boost调压电路4进行闭环控制，从而对直流母线的输出电压udc_out进行动态调节，通过PWM控制信号对三相半桥逆变电路7进行控制，从而驱动被控高速永磁同步电机10，使其被控高速永磁同步电机10在直流母线电压调节过程中的稳定运行的具体过程为：
步骤一：采用无传感器控制算法对三相半桥逆变电路7输出的三相电流ia，ib，ic进行处理，获得电机转子转角θfdb和电机当前的实际转速nfdb；
步骤二：根据电机转子转角θfdb对三相半桥逆变电路7输出的三相电流ia,ib,ic进行解耦计算，得到基于转子同步旋转坐标系的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
步骤三：根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq和外部给定指令转速ncmd生成直流母线的指令电压udc_cmd和内部指令转速ncmd_inner；
步骤四：根据步骤三获得的直流母线的指令电压udc_cmd对直流母线的输出电压udc_out进行电压PI调节，生成的PAM控制信号对直流母线的输出电压udc_out进行闭环控制，直至直流母线的输出电压udc_out等于直流母线的指令电压udc_cmd；
同时，利用步骤三获得的内部指令转速ncmd_inner对电机当前的实际转速nfdb进行速度PI调节，并根据速度PI调节的结果对d轴电流分量id和q轴电流分量iq进行双闭环电流PI调节，获得d轴电压分量ud和q轴电压分量uq，然后根据步骤一获得的电机转子转角θfdb对d轴电压分量ud和q轴电压分量uq进行坐标变换，获得两相静止坐标系下α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ，并根据直流母线的输出电压udc_out对α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ进行SVPWM调制，生成PWM控制信号，使其被控高速永磁同步电机10在直流母线电压调节过程中的稳定运行，从而完成直流母线电压根据外部指令进行的动态调节。
本实施方式中，其中，直流母线电压调节策略依据永磁同步电机的d-q轴转子磁场定向数学模型，根据估算反电势、所需转矩电流以及额定电压变化率来对确定所需直流母线的电压值，进而抑制绕组电流波动，减小转矩波动、电流谐波和电机损耗。
直流母线电压调节策略：
三相半桥逆变电路7的输入直流母线电压是Buck-Boost调压电路4的输出，但是其幅值是由根据被控高速永磁同步电机10的期望运行状态来进行确定的。
具体实施方式四：参见图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的采用直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法的区别在于，，所述的步骤三中根据d轴电流分量id、q轴电流分量iq和外部给定指令转速ncmd生成直流母线的指令电压udc_cmd和内部指令转速ncmd_inner的具体过程为：
步骤三一：将获得的d轴电流分量id和q轴电流分量iq代入下述公式一，获得电机运行于外部给定指令转速ncmd时，期望施加到电机上的d轴电压ud_ideal和q轴电压uq_ideal；其中，
其中，Rs表示定子绕组电阻，Ld表示d轴等效电感，ωe表示外部给定指令转速ncmd所对应的转子电气角速度，Lq表示q轴等效电感，ψf表示永磁体磁链；
步骤三二：根据期望施加到电机上的d轴电压ud_ideal和q轴电压uq_ideal代入下述公式二，获得三相半桥逆变电路7的期望输入电压udc_ideal，其中，
步骤三三：根据三相半桥逆变电路7的期望输入电压udc_ideal，获得Buck-Boost调压电路4的期望输出电压udc_real，其中，
udc_real＝udc_ideal×120％ (公式三)，
步骤三四：当期望输出电压udc_real的幅值大于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd等于直流母线的期望电压udc_real，内部指令转速ncmd_inner保持当前转速；
当期望输出电压udc_real的幅值小于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd保持当前电压，内部指令转速ncmd_inner等于外部给定指令转速ncmd；
当期望输出电压udc_real的幅值等于直流母线的输出电压udc_out的幅值时，使直流母线的指令电压udc_cmd等于直流母线的期望电压udc_real，内部指令转速ncmd_inner等于外部给定指令转速ncmd。
具体实施方式五：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二、三或四所述的采用直流母线电压可调的三相逆变器拓扑结构实现的直流母线电压动态调节方法的区别在于，所述的三相半桥逆变电路7输出的电压信号的波形为正弦波。
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