CN102005960B - 用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法。逆变器包括主回路、第1编码器、第2编码器、电流检测电路、数字信号处理器、和驱动电路；主回路包括直流电源、滤波电容、9个开关元件及第1、第2电流互感器。本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法能够用一台逆变器同时对两部三相交流电机单独进行控制，由于逆变器中开关元件的数目为9个，比已有技术减少了3个，所以可以降低控制器的体积和驱动电路的数目，并且可以一片数字信号处理器实现脉宽调制信号的输出，因此能够有效降低成本。另外，本逆变器还具有结构设计合理、控制精度高、实用性强等优点。

Description

用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器及其控制方法，特别是涉及一种用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法。

背景技术

诸如轮毂电机驱动的电动车辆、工业机器人、矿山、电力机车等很多工业应用场合都需要实现二台或四台交流电机的独立控制。

交流电机通常是由一个AC供电的DC-AC逆变器来驱动。DC母线电压供给逆变器而转换成AC电压，用于驱动交流电机的每一相。交流电机一般采用三相结构。微型控制器或数字信号处理器是用于控制逆变器的典型元件，它们控制逆变器中作为功率器件的开关元件门极信号来给交流电机施加预定的驱动电压，一般采用脉宽调制(PWM)信号，采用的开关元件一般为IGBT或MOSFET。当需要单独控制两台交流电机时，目前常用的方法有两种：一种是为每台交流电机单独配置一台逆变器，即使用两台逆变器，其中每台逆变器都是三桥臂，每个桥臂中包含两个开关元件，总共需要12个开关元件。由于采用两台逆变器时控制器的体积较大，而且反并联二极管、驱动电路的数目较多，因此成本较高。另外一种方法是采用一台逆变器同时控制两台交流电机，此时逆变器为六桥臂，每个桥臂中包含两个开关元件，六桥臂分为两组，每组单独控制一台交流电机，虽然采用这种方法时因逆变器由两台合并成一台而能够减少逆变器机壳、散热器等部件的数量及成本，并且控制器的体积有所减小，但由于开关元件的数目并没有变化，而且反并联二极管、驱动电路的数目也未减少，因此成本仍然较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够有效降低成本的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器。

为了达到上述目的，本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器包括：主回路、第1编码器、第2编码器、电流检测电路、数字信号处理器和驱动电路；其中，主回路由直流电源、滤波电容器、由9个开关元件组成的三相桥臂以及第1、第2电流互感器组成，其具有两个三相功率输出端口，分别与第1三相电机和第2三相电机相连接；第1、第2电流互感器分别安装在上述两个三相功率输出端口上，并且其两个输出端口分别与电流检测电路的两个输入端口相连接，用于分别检测第1三相电机与第2三相电机的运行电流值；第1编码器和第2编码器分别安装在第1三相电机与第2三相电机的主轴上，其两个输出端口分别与数字信号处理器的两个输入端口相连接；电流检测电路为第1，第2电流互感器的输入接口电路，其两个输入端口分别与第1，第2电流互感器相连，两个输出端口分别与数字信号处理器的两个输入端口相接；数字信号处理器为逆变器的主控制器，其输出端口直接与驱动电路相连接；驱动电路为开关元件所需的门极驱动电路，连接在数字信号处理器与主回路之间。

所述的主回路包括：直流电源、滤波电容、9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH以及第1、第2电流互感器；其中滤波电容为功率型滤波电容器，其与直流电源并联后一起为直流母线提供稳定的直流电压；9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH共同组成三相桥臂，其中开关元件UL、UM、UH串联组成U相桥臂，开关元件VL、VM、VH串联组成V相桥臂，开关元件WL、WM、WH串联组成W相桥臂，并且U、V、W三相桥臂均直接并联在直流母线上；第1三相电机的三相绕组分别连接在开关元件UH与UM、VH与VM、WH与WM之间；第2三相电机的三相绕组分别连接在开关元件UL与UM、VL与VM、WL与WM之间；第1、第2电流互感器分别安装在主回路上两个三相功率输出端口与第1三相电机和第2三相电机的连接线上。

所述的开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH均为IGBT或MOSFET器件。

所述的数字信号处理器7的型号为TMS320F28335。

所述的第1编码器和第2编码器为光电式脉冲编码器。

本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在S1阶段中，首先将数字信号处理器的计数器设置为连续增减计数模式，产生三角波信号，并偏移为根据时间轴对称的信号作为载波信号，之后进入S2阶段；

2)在S2阶段中，先判断载波信号值是否大于零，当载波信号值大于零时进入S3阶段，否则进入S5阶段；

3)在S3阶段中，根据第1参考信号曲线公式求得第1参考信号的当前值，然后进入S4阶段；

4)在S4阶段中，首先将上述第1参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第1参考信号的当前值大于载波信号的当前值时，开关元件UH、VH、WH的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

5)在S5阶段中，根据第2参考信号曲线公式求得第2参考信号的当前值，然后进入S6阶段；

6)在S6阶段中，首先将上述第2参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第2参考信号的当前值小于载波信号的当前值时，开关元件UL、VL、WL的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

7)在S7阶段中，先将开关元件UH、VH、WH的驱动信号与开关元件UL、VL、WL的驱动信号分别求反，然后将两个求反后的信号进行逻辑“或”运算，所得到的结果即为开关元件UM、VM、WM的驱动信号。

本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器及其控制方法能够用一台逆变器同时对两部三相交流电机单独进行控制，由于逆变器中开关元件的数目为9个，比已有技术减少了3个，所以可以降低控制器的体积和驱动电路的数目，并且可以一片数字信号处理器实现脉宽调制信号的输出，因此能够有效降低成本。另外，本逆变器还具有结构设计合理、控制精度高、实用性强等优点。

附图说明

图1为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路主要结构示意图。

图2为图1示出的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路运行模式示意图。

图3为图2示出的INV1与INV2门极脉宽调制信号生成原理时序图。

图4为将图3中的第1载波信号与第2载波信号合并成一个完整的三角波信号时的载波信号与参考信号波形示意图。

图5为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的组成结构示意图。

图6为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器所采用的相应控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路主要结构示意图。如图1所示，本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路主要包括：直流电源E、滤波电容C和9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH；其中滤波电容C为功率型滤波电容器，其与直流电源E并联后一起为直流母线AR提供稳定的直流电压；9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH均为IGBT或MOSFET器件，共同组成三相桥臂，其中开关元件UL、UM、UH串联组成U相桥臂，开关元件VL、VM、VH串联组成V相桥臂，开关元件WL、WM、WH串联组成W相桥臂，并且U、V、W三相桥臂均直接并联在直流母线AB上；第1三相电机2的三相绕组分别连接在开关元件UH与UM、VH与VM、WH与WM之间；第2三相电机3的三相绕组分别连接在开关元件UL与UM、VL与VM、WL与WM之间。

由于采用了上述三桥臂九开关拓扑结构，在直流母线AB上每个桥臂都含有三个开关元件和两路输出。然而，要实现在一条直流母线上同时独立地驱动两部电机，就必须采用分时控制的运行模式，即通过9个开关元件开关动作的合理配合来实现第1三相电机2与第2三相电机3的分时控制。下面通过图2和图3来说明两部电机分时控制的相关原理和控制方法。

图2为图1示出的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路运行模式示意图。如图2所示，图中上部分为用于驱动第1三相电机2的模式1，模式1中桥臂的上部分称为INV1，图中下部分为用于驱动第2三相电机3的的模式2，模式2中桥臂的下部分称为INV2。INV1包括开关元件UM、VM、WM、UH、VH、WH，INV2包括开关元件UM、VM、WM、UL、VL、WL。

图3为图2示出的INV1与INV2门极脉宽调制信号生成原理时序图。如图3所示，用于脉宽调制的载波信号采用了独特的波形，其特点是：当对第1三相电机2进行脉宽调制信号的计算时，用于控制第2三相电机3的第2参考信号总是低于用于第2三相电机3控制的第2载波信号，当对第2三相电机3进行脉宽调制信号的计算时，用于控制第1三相电机2的第1参考信号总是高于用于第1三相电机2控制的第1载波信号。因此，当逆变器对第1三相电机2进行驱动时，开关元件UL，VL，WL处于“开”状态，当逆变器对第2三相电机3进行驱动时，开关元件UH，VH，WH处于“开”状态。另外，图3中的第1载波信号与第2载波信号在产生门极驱动信号时是可以合并的，合并后的载波信号是一个完整的三角波信号。

图4为将图3中的第1载波信号与第2载波信号合并成一个完整的三角波信号时的载波信号与参考信号波形示意图。如图4所示，当处于三角波的上半部分(即纵坐标大于零的部分)时，计算INV1的脉宽调制信号，当处于三角波的下半部分(即纵坐标小于零的部分)时，计算INV2的脉宽调制信号。令INV1的U相参考电压值为

INV2的U相参考电压值为

且

$V_{u1}^{\mathrm{ref}}=A_1\sin (2\mathrm{\π}{f}_{1}t+{\mathrm{\θ}}_1)$

$V_{u2}^{\mathrm{ref}}=A_2\sin (2\mathrm{\π}{f}_{2}t+{\mathrm{\θ}}_2)$

其中：A₁，A₂为幅值，f₁，f₂为频率，θ₁，θ₂为相位。

统一的调制率m为：

$m=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{E/2}$

其中：E为直流母线电压值。

当计算脉宽调制信号时，将第1偏移信号E/4加到第1参考信号上，将第2偏移信号-E/4加到第2参考信号上，从而第1参考信号和第2参考信号的调制率分别为：

$m_{1u}=\frac{V_{u1}^{\mathrm{ref}}+E/4}{E/2}=\frac{V_{u1}^{\mathrm{ref}}}{E/2}+\frac{1}{2}$

$m_{2u}=\frac{V_{u2}^{\mathrm{ref}}-E/4}{E/2}=\frac{V_{u2}^{\mathrm{ref}}}{E/2}-\frac{1}{2}$

由此可以得出结论：INV1和INV2的参考电压范围分别为：

$-E/4\≤V_{u1}^{\mathrm{ref}}\≤E/4$

$-E/4\≤V_{u2}^{\mathrm{ref}}\≤E/4$

图5为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的组成结构示意图。如图5所示，本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器包括：主回路1、第1编码器4、第2编码器5、电流检测电路6、数字信号处理器(DSP)7和驱动电路8；其中，主回路1采用了图1所示的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器主回路的拓扑结构，其由直流电源E、滤波电容器C、由9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH组成的三相桥臂以及第1、第2电流互感器CT1，CT2组成，其具有两个三相功率输出端口，分别与第1三相电机2和第2三相电机3相连接；第1、第2电流互感器CT1，CT2分别安装在上述两个三相功率输出端口上，其两个输出端口分别与电流检测电路6的两个输入端口相连接，用于分别检测第1三相电机2与第2三相电机3的运行电流值；第1编码器4和第2编码器5分别安装在第1三相电机2与第2三相电机3的主轴上，其两个输出端口分别与数字信号处理器7的两个输入端口相连接；电流检测电路6为第1，第2电流互感器CT1和CT2的输入接口电路，其上两个输入端口分别与第1，第2电流互感器CT1与CT2相连，两个输出端口分别与数字信号处理器7的两个输入端口相接；数字信号处理器7为逆变器的主控制器，通常采用高速数字信号处理器，由于其内部集成了脉宽调制信号生成单元，因此能够在软件的控制下通过计算生成脉宽调制信号，所生成的脉宽调制信号能够通过驱动电路8直接推动主回路1中开关元件工作，同时，作为主控制器，数字信号处理器7还负责完成整个逆变器的控制及运算；驱动电路8为开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH所需的门极驱动电路，连接在数字信号处理器7与主回路1之间。

所述的数字信号处理器7的型号为TMS320F28335。

所述的第1编码器4和第2编码器5为光电式脉冲编码器。

现将本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器工作过程进行说明：所述的数字信号处理器7通过第1编码器4、第2编码器5获得第1三相电机2和第2三相电机3的速度/位置信号，同时通过电流检测电路6获得第1三相电机2和第2三相电机3的运行电流信息，然后经过转换及运算而生成用于驱动主回路1上所有开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH的脉宽调制信号，并通过驱动电路8来推动主回路1进行工作，以此来对第1三相电机2和第2三相电机3进行单独的电流和转速闭环控制。

以上介绍了本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器其核心部分的构成原理以及具体电路组成，下面进一步说明本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的具体控制方法。

图6为本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器所采用的相应控制方法流程图，即依据图3和图2的原理生成相应脉宽调制信号的相关算法的程序流程图。

图6所示的流程图表示了在每个计算周期内，以固定的时间段为增量，根据载波(三角波)信号、第1参考信号和第2参考信号的相互关系，求出此时刻相应的脉宽调制信号值(即开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH的相应状态)的计算过程。如图6所示，本发明提供的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在S1阶段中，首先将数字信号处理器7的计数器设置为连续增减计数模式，产生三角波信号，并偏移为根据时间轴对称的信号作为载波信号，之后进入S2阶段；

2)在S2阶段中，先判断载波信号值是否大于零，当载波信号值大于零时进入S3阶段，否则进入S5阶段；

3)在S3阶段中，根据第1参考信号曲线公式求得第1参考信号的当前值，然后进入S4阶段；

4)在S4阶段中，首先将上述第1参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第1参考信号的当前值大于载波信号的当前值时，开关元件UH、VH、WH的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

5)在S5阶段中，根据第2参考信号曲线公式求得第2参考信号的当前值，然后进入S6阶段；

6)在S6阶段中，首先将上述第2参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第2参考信号的当前值小于载波信号的当前值时，开关元件UL、VL、WL的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

7)在S7阶段中，先将开关元件UH、VH、WH的驱动信号与开关元件UL、VL、WL的驱动信号分别求反，然后将两个求反后的信号进行逻辑“或”运算，所得到的结果即为开关元件UM、VM、WM的驱动信号。

Claims (6)

1.一种用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，其特征在于：所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器包括：主回路(1)、第1编码器(4)、第2编码器(5)、电流检测电路(6)、数字信号处理器(7)和驱动电路(8)；其中，主回路(1)由直流电源(E)、滤波电容器(C)、由9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH组成的三相桥臂以及第1、第2电流互感器(CT1，CT2)组成，其具有两个三相功率输出端口，分别与第1三相电机(2)和第2三相电机(3)相连接；第1、第2电流互感器(CT1，CT2)分别安装在上述两个三相功率输出端口上，其两个输出端口分别与电流检测电路(6)的两个输入端口相连接，用于分别检测第1三相电机(2)与第2三相电机(3)的运行电流值；第1编码器(4)和第2编码器(5)分别安装在第1三相电机(2)与第2三相电机(3)的主轴上，其两个输出端口分别与数字信号处理器(7)的两个输入端口相连接；电流检测电路(6)为第1，第2电流互感器(CT1，CT2)的输入接口电路，其上两个输入端口分别与第1，第2电流互感器(CT1，CT2)相连，两个输出端口分别与数字信号处理器(7)的两个输入端口相接；数字信号处理器(7)为逆变器的主控制器，其输出端口直接与驱动电路(8)相连接；驱动电路(8)为开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH所需的门极驱动电路，连接在数字信号处理器(7)与主回路(1)之间。

2.根据权利要求1所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，其特征在于：所述的主回路(1)包括：直流电源(E)、滤波电容(C)、9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH以及第1、第2电流互感器(CT1，CT2)；其中滤波电容(C)为功率型滤波电容器，其与直流电源(E)并联后一起为直流母线(AB)提供稳定的直流电压；9个开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH共同组成三相桥臂，其中开关元件UL、UM、UH串联组成U相桥臂，开关元件VL、VM、VH串联组成V相桥臂，开关元件WL、WM、WH串联组成W相桥臂，并且U、V、W三相桥臂均直接并联在直流母线(AB)上；第1三相电机(2)的三相绕组分别连接在开关元件UH与UM、VH与VM、WH与WM之间；第2三相电机(3)的三相绕组分别连接在开关元件UL与UM、VL与VM、WL与WM之间；第1、第2电流互感器(CT1)和(CT2)分别安装在主回路(1)上两个三相功率输出端口与第1三相电机(2)和第2三相电机(3)的连接线上。

3.根据权利要求2所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，其特征在于：所述的开关元件UL、VL、WL、UM、VM、WM、UH、VH、WH均为IGBT或MOSFET器件。

4.根据权利要求1所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，其特征在于：所述的数字信号处理器(7)的型号为TMS320F28335。

5.根据权利要求1所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器，其特征在于：所述的第1编码器(4)和第2编码器(5)为光电式脉冲编码器。

6.一种如权利要求1所述的用于双交流电机驱动的三桥臂九开关逆变器的控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在S1阶段中，首先将数字信号处理器(7)的计数器设置为连续增减计数模式，产生三角波信号，并偏移为根据时间轴对称的信号作为载波信号，之后进入S2阶段；

2)在S2阶段中，先判断载波信号值是否大于零，当载波信号值大于零时进入S3阶段，否则进入S5阶段；

3)在S3阶段中，根据第1参考信号曲线公式求得第1参考信号的当前值，然后进入S4阶段；

4)在S4阶段中，首先将上述第1参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第1参考信号的当前值大于载波信号的当前值时，开关元件UH、VH、WH的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

5)在S5阶段中，根据第2参考信号曲线公式求得第2参考信号的当前值，然后进入S6阶段；

6)在S6阶段中，首先将上述第2参考信号的当前值与载波信号的当前值进行比较，当第2参考信号的当前值小于载波信号的当前值时，开关元件UL、VL、WL的驱动信号有效，否则为无效，之后进入S7阶段；

7)在S7阶段中，先将开关元件UH、VH、WH的驱动信号与开关元件UL、VL、WL的驱动信号分别求反，然后将两个求反后的信号进行逻辑“或”运算，所得到的结果即为开关元件UM、VM、WM的驱动信号。

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