逆变器矢量控制系统的制作方法

本发明涉及电压空间矢量脉宽调制技术，尤其涉及一种逆变器矢量控制系统。
背景技术：
：电压空间矢量脉宽调制技术是以三相对称正弦波供电下三相电动机的定子理想磁链圆为基准，由三相桥式逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆。在追踪的过程中，三相桥式逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成脉宽调制(Pulse-WidthModulation；简称：PWM)波。现有技术中，采用二电平三相桥式逆变器，用二电平三相桥式将逆变器的八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，从而实现对三相电动机近似恒磁通变压变频调速。但是，在采用二电平三相桥式逆变器时，八种基本电压空间矢量的幅值只有母线电压幅值的2/3，直流母线电压的利用率不高。技术实现要素：本发明提供一种逆变器矢量控制系统，以提高直流母线电压的利用率。本发明提供一种逆变器矢量控制系统，包括：三相电动机、两个三相桥式逆变器和控制机构；所述三相电动机分别与两个所述三相桥式逆变器电连接，且与所述控制机构电连接；所述控制机构用于，根据所述三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定所述参考电压空间矢量所在的扇区，根据所述参考电压空间矢量所在的扇区确定所述两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值；并根据所述导通的阈值及所述扇区对应的开关组合对所述两个三相桥式逆变器中的相应开关器件进行控制。进一步地，所述控制机构包括：检测单元和中控元件，所述检测单元和所述中控元件电连接；所述检测单元，用于采集所述三相电动机的参数；所述中控元件，用于根据所述三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定所述参考电压空间矢量所在的扇区，根据所述参考电压空间矢量所在的扇区确定所述两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值；根据所述导通的阈值及所述扇区对应的开关组合对所述两个三相桥式逆变器中的相应开关器件进行控制。进一步地，所述控制机构还包括：确定单元，所述确定单元和所述中控元件电连接，所述确定单元用于确定8个基本电压空间矢量和与所述8个基本电压空间矢量分别对应的开关组合。进一步地，所述中控元件具体用于：确定第一坐标系与第二坐标系之间的坐标对应关系，所述第二坐标系为将所述第一坐标系以原点为中心点顺时针旋转30°而得到；确定所述参考电压空间矢量在所述第一坐标系中的坐标值；根据所述参考电压空间矢量在所述第一坐标系中的坐标值以及所述第一坐标系与第二坐标系之间的坐标对应关系，确定所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值；根据所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值确定所述参考电压空间矢量所在的扇区。进一步地，所述中控元件具体用于：根据公式确定所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值，其中，Uα为所述参考电压空间矢量在所述第一坐标系中的横坐标值，Uβ为所述参考电压空间矢量在所述第一坐标系下的纵坐标值。进一步地，所述中控元件具体用于：根据所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值、载波周期和直流母线电压确定所述扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间；根据所述扇区内相邻的基本电压空间矢量作用时间确定所述两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值。进一步地，所述中控元件具体用于：根据确定X、Y和Z，其中，Uγ和Uη表示所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值，T表示载波周期，Udc表示母线电压；根据每个扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间与X、Y和Z的映射关系，及X、Y和Z确定所述扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间。进一步地，所述中控元件具体用于：根据确定所述两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，其中，T1'＝T1/T，T2'＝T2/T，T1表示所述扇区内相邻的第一基本电压空间矢量的作用时间，T2表示所述扇区内相邻的第二基本电压空间矢量的作用时间。进一步地，所述三相电动机的定子绕组中性点的两端分别与一个所述三相桥式逆变器连接。本发明提供的逆变器矢量控制系统，通过设置三相电动机、两个三相桥式逆变器和控制机构，三相电动机分别与两个三相桥式逆变器电连接，且与控制机构电连接，控制机构用于根据三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，并根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对两个三相桥式逆变器的相应开关器件进行控制，本实施例中由于采用了三相电动机分别与两个三相桥式逆变器电连接，两个三相桥 式逆变器的输出形成的扇区中，基本电压空间矢量的幅值相较于二电平逆变器的基本电压空间矢量对直流母线电压的利用率高，因而，当参考电压空间矢量的幅值较大时，本实施例提供的逆变器矢量控制系统能够满足其幅值要求，从而，提高了直流母线电压的利用率。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例一结构示意图；图2为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例一中三相电动机和两个三相桥式逆变器的拓扑图；图3为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例二的结构示意图；图4为三相桥式逆变器102的基本电压空间矢量图；图5为三相桥式逆变器103的基本电压空间矢量图；图6为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例二中两个三相桥式逆变器合成输出的基本电压空间矢量及扇区分布图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、 方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。图1为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例一结构示意图。如图1所示，本实施例提供的逆变器矢量控制系统包括：三相电动机101、三相桥式逆变器102、三相桥式逆变器103和控制机构104。三相电动机101分别与三相桥式逆变器102和三相桥式逆变器103电连接，且与控制机构104电连接。控制机构104用于根据三相电动机101的参数确定参考电压空间矢量，确定参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定三相桥式逆变器102和三相桥式逆变器103中各桥臂开关导通的阈值，并根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对三相桥式逆变器102和三相桥式逆变器103的相应开关器件进行控制。具体地，本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，三相电动机101可以是三相异步电动机或者三相同步电动机。三相电动机101分别与三相桥式逆变器102和三相桥式逆变器103电连接。控制机构104和两个三相桥式逆变器连接。图2为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例一中三相电动机和两个三相桥式逆变器的拓扑图，如图2所示，三相电动机101的定子绕组中性点的两端分别与一个三相桥式逆变器连接，形成双逆变器矢量控制系统。三相桥式逆变器102和三相桥式逆变器103连接连个相互独立的直流电源105。每个三相桥式逆变器有3个桥臂，每个桥臂上有2个绝缘栅双极晶体管(Insulate-GateBipolarTransistor；简称：IGBT)，上桥臂IGBT导通时，该桥臂的开关状态为1，下桥臂IGBT导通时，则该桥臂的开关状态为0。不同的开关状态下输出的电压空间矢量不同，一个二电平三相桥式逆变器会有8种开关组合，对应8种基本电压空间矢量，在两相静止坐标系α-β坐标系中，对应6个扇区。在本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，两个三相桥式逆变器共有64种开关组合，从中选择对母线电压利用率较高的8种基本电压空 间矢量，其中包括2种零基本电压空间矢量和6个非零基本电压空间矢量，组成6个扇区。控制机构104根据三相电动机101的参数，可选的，这里的参数指的是三相电动机101的三相定子电流，经过克拉克(CLARKE)变换，由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，然后，基于转子磁场定向，再由两相静止坐标系经过帕克(PARK)变换，变换到两相旋转d-q坐标系，并使d轴沿着转子磁链方向旋转，得到交流电机励磁电流分量和转矩电流分量，经过PI调节得到参考的d轴电压分量和q轴电压分量，再经过反帕克变换得到两相静止坐标系上的参考电压空间矢量。控制机构104判断参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，并根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对两个三相桥式逆变器中的相应开关器件进行控制。本实施例中的控制机构104可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessor；简称DSP)、单片机或者ARM系列。由于本实施例中的基本电压空间矢量的幅值相较于二电平逆变器的基本电压空间矢量对直流母线电压的利用率高，因而，当参考电压空间矢量的幅值较大时，本实施例提供的逆变器矢量控制系统能够满足其幅值要求，从而，提高了直流母线电压的利用率。本实施例提供的逆变器矢量控制系统，通过设置三相电动机、两个三相桥式逆变器和控制机构，三相电动机分别与两个三相桥式逆变器电连接，且与控制机构电连接，控制机构用于根据三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，并根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对两个三相桥式逆变器的相应开关器件进行控制，本实施例中由于采用了三相电动机分别与两个三相桥式逆变器电连接，两个三相桥式逆变器的输出形成的扇区中，基本电压空间矢量的幅值相较于二电平逆变器的基本电压空间矢量对直流母线电压的利用率高，因而，当参考电压空间矢量的幅值较大时，本实施例提供的逆变器矢量控制系统能够满足其幅值要求，从而，提高了直流母线电压的利用率。图3为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例二的结构示意图。图3仅示出了控制机构的组成，本实施例提供的逆变器矢量控制系统在上述实施 例一的基础上，如图3所示，控制机构104具体包括：检测单元1041和中控元件1042，检测单元1041和中控元件1042电连接。检测单元1041用于采集三相电动机的参数。这里的参数可以是三相电动机运行过程中的三相定子电流。中控元件1042用于根据三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对两个三相桥式逆变器中的相应开关器件进行控制。控制机构104还包括：确定单元1043，确定单元1043和中控元件1042电连接，确定单元1043用于确定8个基本电压空间矢量和与8个基本电压空间矢量分别对应的开关组合。8个基本电压空间矢量中包括6个非零基本电压空间矢量和2个零基本电压空间矢量。具体确定过程如下：图4为三相桥式逆变器102的基本电压空间矢量图。图5为三相桥式逆变器103的基本电压空间矢量图。请同时参照图2、图4和图5，在两相静止坐标系α-β坐标系中，三相桥式逆变器102输出8个基本电压空间矢量：0、1、2、3、4、5、6和7，该8种基本电压空间矢量一一对应于8种不同的开关组合；三相桥式逆变器103输出8个基本电压空间矢量：0'、1'、2'、3'、4'、5'、6'和7'，该8种基本电压空间矢量也一一对应于8种不同的开关组合。双逆变器矢量控制系统的输入可以看作两个三相桥式逆变器的输出的叠加，Us＝Us1-Us2，其中，Us1是三相桥式逆变器102的输出，Us2是三相桥式逆变器103的输出。通过各个桥臂不同的开关组合可以得到64种开关组合对应的电压空间矢量，去掉相同的项以后，得到18个非零基本电压空间矢量和1个零基本电压空间矢量。表1为双逆变器基本电压空间矢量及开关组合对应表。表1双逆变器基本电压空间矢量及开关组合对应表如表1所示，举例来说，(00')(11')(22')(33')(44')(55')(66')(77')(07')(70')这10种电压空间矢量组合均可以输出零基本电压空间矢量，对应有10种开关组合，(15')(24')这2种电压空间矢量组合均可以输出OH基本电压空间矢量，对应2种开关组合。图6为本发明提供的逆变器矢量控制系统实施例二中两个三相桥式逆变器合成输出的基本电压空间矢量及扇区分布图。从表1所示的19个矢量中，选出6个非零基本电压空间矢量和2个零基本电压空间矢量。由于共模电压的存在会给三相电动机的正常运行带来不利的影响，例如，产生零序电流、轴电流及峰值电流等，因此，在基本电压空间矢量的选择上，尽量选择不产生共模电压的基本电压空间矢量。如图1所 示，当OO'为等电势时，不会产生共模电压，基于这样的原则，选择OS、OH、OJ、OL、ON和OQ作为非零基本电压空间矢量。对于每个不产生共模电压的非零基本电压空间矢量，都有两种开关组合可以选择，在本实施例中选择13'、24'、35'、46'、51'和62'组合合成OS、OH、OJ、OL、ON和OQ空间矢量，该6种电压空间矢量为非零基本电压空间矢量，采用组合00'和77合成零基本电压空间矢量。6种非零基本电压空间矢量构成一个正六边形，将其扇区标号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ，每个扇区由两个相邻的非零基本电压空间矢量组成。可以看到，该6种非零基本电压空间矢量的幅值为是一个二电平三相桥式逆变器矢量控制系统输出的幅值的倍。在确定了扇区之后，将传统的α-β坐标系顺时针旋转30°得到γ–η坐标系。中控元件1042具体用于：确定第一坐标系与第二坐标系之间的坐标对应关系，第二坐标系为将第一坐标系以远点为中心顺时针旋转30°而得到。第一坐标系指的是传统的α-β坐标系，第二坐标系指的是γ–η坐标系。根据第一坐标系和第二坐标系的旋转关系即可得到第一坐标系和第二坐标系的坐标对应关系。中控元件1042确定参考电压空间矢量在第一坐标系中的坐标值。具体地，检测单元1041采集到三相电动机的参数后，可选的，这里的参数可以是三相定子电流，中控元件1042通过CLARKE变换将其转换到α-β坐标系上，然后，基于转子磁场定向，再由两相静止坐标系经过PARK变换，变换到两相旋转d-q坐标系，并使d轴沿着转子磁链方向旋转，得到交流电机励磁电流分量和转矩电流分量，经过PI调节得到参考的d轴电压分量和q轴电压分量，再经过反帕克变换得到两相静止α-β坐标系上的参考电压空间矢量。即得到参考电压空间矢量在第一坐标系中的坐标值。中控元件1042根据参考电压空间矢量在第一坐标系中的坐标值以及第一坐标系与第二坐标系之间的坐标对应关系，确定参考电压空间矢量在第二 坐标系下的坐标值。具体地，根据公式确定参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值，其中，Uα为参考电压空间矢量在第一坐标系中的横坐标值，Uβ为所述参考电压空间矢量在第一坐标系下的纵坐标值。中控元件1042根据参考电压空间矢量在第二坐标系下的坐标值确定参考电压空间矢量所在的扇区。具体地，令定义N＝4sign(C)+2sign(B)+sign(A)，其中，sign(x)表示符号函数：当x<0时，sign(x)＝-1；当x＝0时，sign(x)＝0；当x>0时，sign(x)＝1。表2为N值与扇区对应关系表。表2N值与扇区对应关系表N值123456扇区号ⅡⅥⅠⅣⅢⅤ即在得到参考电压空间矢量在第二坐标系下的坐标值，根据其坐标值，计算出其N值，再根据N值与扇区的对应关系可以最终确定该参考电压空间矢量位于哪个扇区。在得到基本参考电压空间矢量位于哪个扇区之后，需要计算该扇区内相邻的两个非零基本电压空间矢量和零基本电压空间矢量各作用多长时间才能合成该参考电压空间矢量。中控元件1042根据参考电压空间矢量在第二坐标系下的坐标值、载波周期和直流母线电压确定扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间。具体地，中控元件1042具体用于，根据确定X、Y和Z。其中，Uγ和Uη表示所述参考电压空间矢量在所述第二坐标系下的坐标值，T表示载波周期，Udc表示直流母线电压。根据每个扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间与X、Y和Z的映射关系，及X、Y和Z确定扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间。表3为每个扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间与X、Y和Z的映射关系表。表3每个扇区内相邻的基本电压空间矢量的作用时间与X、Y和Z的映射关系表作用时间ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-XT1表示扇区内相邻的第一基本电压空间矢量的作用时间，T2表示扇区内相邻的第二基本电压空间矢量的作用时间。第一基本电压空间矢量表示的是组成扇区的两个非零基本电压空间矢量中距离第二坐标系中的γ轴角度较小的基本电压空间矢量，第二基本电压空间矢量表示的是组成扇区的两个非零基本电压空间矢量中距离第二坐标系中的γ轴角度较大的基本电压空间矢量。中控元件1042根据扇区内相邻的基本电压空间矢量作用时间确定两个相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值。具体地，T1+T2+T0＝T，其中，T0为零基本电压空间矢量的作用时间，针对电机控制的中控元件，例如，DSP芯片中，一般都有实现PWM功能的外设，中空元件的软件算法模块只需给PWM外设一些参数，就可以用硬件自动产生PWM开关信号。本实施例给出其中一种方法的比较阈值参数ta、tb和tc，以1为基准，ta、tb和tc与幅值为1的三角波比较，这里的三角波即是周期为T的载波，当三角波大于ta时，这个桥臂状态为1，即上管 导通，下管截止，同样tb和tc分别代表另两个桥臂的比较阈值，则可以推出确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值表达式，其中T1'＝T1/T，T2'＝T2/T。需要说明的是，本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，第二坐标系还可以为将第一坐标系以原点为中心点顺时针或逆时针旋转30°×M，M为正整数，此时，第一坐标系和第二坐标系之间的对应关系与上述方式中第一坐标系与第二坐标系之间的对应关系不同，其余实现原理类似。本实施例中的各桥臂开关器件还可以是可关断晶体管、场效应管或者电力晶体管等。本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，两个三相桥式逆变器可以是采用两个独立的直流电源分别供电，也可以采用一个共同的直流电源供电。本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，当一个三相桥式逆变器出现故障，可以关闭损坏的三相桥式逆变器，使用另外一个三相桥式逆变器独立工作，提高了系统工作的可靠性。本实施例提供的逆变器矢量控制系统中，所述控制机构包括：检测单元和中控元件，检测单元和中控元件电连接，检测单元用于采集三相电动机的参数，中控元件用于根据三相电动机的参数确定参考电压空间矢量，确定参考电压空间矢量所在的扇区，根据参考电压空间矢量所在的扇区确定两个三相桥式逆变器中各桥臂开关导通的阈值，根据导通的阈值及扇区对应的开关组合对两个三相桥式逆变器中的相应开关器件进行控制，控制机构还包括：确定单元，确定单元和中控元件电连接，确定单元用于确定8个基本电压空间矢量和与8个基本电压空间矢量分别对应的开关组合，在确定基本电压空间矢量时，采用不会产生共模电压的基本电压空间矢量，从而，降低了开关频率，减少了开关损耗，进一步提高了直流母线电压的利用率。另外，本实施例提供的逆变器矢量控制系统对三相桥式逆变器中各桥臂的开关器件的耐压能力减半，适用于高压场合；本实施例提供的逆变器矢量控制系统产生的 谐波小，可以减少滤波电抗器，既减小了器件体积，也减少了滤波功率损耗，节约成本。本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页1 2 3