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一种使用优化间接矩阵转换器的PMSM驱动的有效控制方法
D.VENKATASUBRAMANIAN1 *，Dr.B.Shanthi2
1Ph.D学者，泰米尔纳德邦Annamalai大学电子与仪器工程系，印度
2Tamilnadu，Annamalai大学中央仪器服务实验室教授和InCharge，印度
*通讯：dvenkatsubbu@gmail.com
摘要：近年来电气行业由于其灵活性，对于这种电机控制运用非常普遍，可变频率资源是重要因素。 在本文中，我们开发了一种有效的控制方法，使用优化的间接矩阵转换器驱动PMSM系统。 在一般的矩阵变换器中，电压传输比受到限制不适用于电源电压低于负载电压的应用。 在文章里面提出了矩阵变换器拓扑结构，在常规电路中可以升压电压没有任何额外的组件。 它的控制方法完全不同于传统矩阵变换器。 本文提出的矩阵变换器控制方案是通过适当设计的控制回路进行控制。 得到的结果将证明拟议计划的成效。
1.简介
电力电子设备用于转换和控制从DC到DC，DC到AC，AC到DC和AC到AC的电力。发现的典型的电力电子设备包括许多消费电子产品如电视，PC和电池充电都是AC到DC转换器。二极管桥式整流器或可控整流器通常用于将AC转换为单向整流输出[1-2]。在大多数情况下，供应情况输入是不连续的和非正弦波导致功率因数和谐波不良。而且双转换器在传统的二极管桥式整流器中是不可能的。实现功率密度可靠性更高，考虑使用AC-AC转换的矩阵转换器，因为没有任何中间储能组件。传统的直接矩阵变换器它与m * n双向电源开关阵列相关联，用于连接m相源n相负载，在很短的时间内实现电压和电流转换。并且因为缺乏直流链路储能元件，矩阵变换器具有各种具有吸引力的特征，如高功率因数，正弦输入电流和紧凑设计等功能[3-5]
间接矩阵变换器或两级矩阵变换器是另一级矩阵变换器参考[6]。 间接矩阵变换器和直接矩阵变换器的功能是非常相似。 间接矩阵转换器包括前端电流源整流器和后端电压源逆变器。因此间接矩阵转换器开关的数量可以是减少[7]。 此外，通过采用零电流换向技术的复杂性换向问题可以简化，具有减少切换的额外优点。 并且在这种拓扑结构中，要在集成中使用多个输入和输出电源转换器。 尽管有这些有吸引力的好处，但是矩阵转换器还有许多未解决的问题，在行业中受到了很多关注[8,9]。
矩阵变换器的一个非常严重的缺点是电压传输比大约比线性调制区域低86％。 从而，矩阵变换器不适用于传统电机和分布式发电。 许多调制策略和不同的拓扑结构旨在提高电压转移比率。 提出了许多混合解决方案来获得单位电压传输比。 这些拓扑结合DC-DC降压 - 升压斩波器和矩阵转换器[10-11]。 然而，这些电路，控制方法都非常复杂。 Z源矩阵转换器是另一种获得降压 - 升压功能的解决方案，采用了一种新颖的阻抗网络将转换器主电路与电源耦合[12,13]。然而，还是有一些ZMC拓扑结构所存在的明显缺陷，例如在z电源网络中的不连续电流和需要更多的有源或无源组件。
这是一个很好的方法来提升电压而不添加任何更大的组件，这个想法优化的间接矩阵变换器在[14-16]中给出，其中功率流方向可以由矩阵转换器反转。 在优化的间接矩阵转换器中，传统的电压源级连接到3相输入源且传统电流源连接到负载。 因此，作为有源前端整流器的电压源控制整流器，为了提升输入电压，施加零电压矢量。该电流源逆变器（CSI）以与数字DC连接电压的方式调制电压，由最大输出线间电压决定。
在本文中，我们专注于硬件开发和优化间接矩阵转换器PMSM系统驱动的控制策略。 PMSM用于模拟发电机由矢量控制驱动器的单独单元控制。 优化的间接矩阵转换器可以产生优选的交流输出电压，因为其输出电压大于输入电压升压能力。 提出的带矢量控制的方法用于控制PMSM的速度， 得到的结果证明了这个方法更有效。
2.优化的间接矩阵转换器
通常，矩阵转换器已经是降压模式。 电压传输比在这种结构中的线性调制区域下方不能超过0.8。 在本文中，提出了间接矩阵变换器的逆、功率流。 在这种拓扑结构中，电压传输比超过1 / 0.8，称为优化间接矩阵转换器。 可以在反向矩阵转换器的情况下实现升压操作没有其他额外元素。
该拓扑由CSI和VSR组成，如图1所示。电容器位于输出侧，电感器位于输入侧。 源电感永远不应该被中断，因为开关由电流源供电。 输出端子不会短路因为短路负载的电容性质。 比较传统的间接矩阵转换器这些情况完全不同。 此外，几乎所有类型的控制技术都会使用传统的IMC。
连接到开关的三级电源被设为Vr，Vy和Vb，Va，Vc和Vb的和是三负载时间端子，滤波器连接在负载和开关之间。图片2解释了基本的增压操作。例如，双向开关的Srp，Syp，Sbp被控制开关激活。痛过电感Lr，Ly及Lb，相位R，电源的Y和B短路。短路中的电流在该形式内流动在磁场中，能量存储在电感器中。
开关San和Sbp都处于开通状态。随后，双向开关Srp和Srn由控制单元转动迫使电流流过过滤器并接通开关。 电感中的感应电动势使电容器上的总电压经过滤波器变得比源电压好。 由于滤波器上的电压超过了源电压，源电感器中节省的功率被作为电能被吸收到滤波器电容器上为升压斩波器工作。 这是开关由控制单元设置从源电感滤波电容的电流路径。 在某些时候时间，逆变器级应进行换向，而整流级零矢量则为用于合成输入电压参考矢
3.方案
图2显示了针对PMSM系统提出的优化间接矩阵转换器。 一种力量转换模块包括控制电动机的优化间接矩阵转换器速度并作为发电机连接执行。 电容滤波器抑制输出电流的波动，从而保持精确。 整个电力系统由控制单元调节，这是用FPGA和DSP实现的。
优化的矩阵转换器包含CSI和VSR，在直流线路中它们连接在一起。 双组态IGBT模块，由两个IGBT和反并联二极管组成，它用于配置逆变器和整流器级的部分。 降压斩波器和
升压斩波器用于配置逆变器级，其中包含一个钳位二极管。 PWM信号通过控制单元通过PWM驱动每个开关，并保护系统门驱动器故障信号被发送回控制板。
每侧有两个电流传感器（is,iy和ia,ib）用于控制电机电流和发电机。第三个（ib和ic）仅仅是另外两相的负和。 在此外，建立电压传感器（ebc和eab）来测量相间电压。第三个（eca）几乎是另外两个的负和 这些测量值用于操纵电机的位移角。
3.1控制单元
控制单元控制与FPGA，DSP和其他外设一起构成的系统电路，如图3所示。通过JTAG，DSP与PC通信。该正交编码器脉冲表示发电机和电动机的旋转角度。该控制器应由驱动18个开关来控制系统的电源模块，这意味着需要18个独立的PWM通道。 因此，使用了额外的FPGA通过32位数据总线与信号处理进行通信。 FPGA产生通过从DSP接收占空信息来获得相应的PWM信号。
数字信号处理从FPGA提供的同步信号。 ADC获得从DSP获得的此同步信号启动新的测量值和新的控制周期。另外PWM接口匹配PWM的电压电平信号和提供隔离，由于FPGA提供正逻辑3.3V PWM，但电源转换器还需要15 V PWM信号。 该板在等效时间执行保护和采样功能，从而获得来自FPGA的同步信号。然后，模拟信号变为12位数字信号并传输到DSP。 内控制板上的其他外围电路也有仪表，如隔离电路，a数字信号输入，以及控制磁性连接器的数字信号输出来源方。
3.2负载和保护
对永磁电机的需求在电动汽车，伺服系统，风力发电系统和工业机器人行业正在增加。 这是因为有许多优点，如根据单位体积高输出转矩，广泛的驱动范围，高效率等。输入RMC可以是可变电压频率发生器。 假设发电机将是永磁电机，可以完全独立的完成一次速度被一台主电机推动为风力涡轮机或燃气轮机。 一般来说这种角度和速度发电机通常由发电机特性及其运行参数识别。
在该系统中，表征涡轮机的感应电动机被馈送到通用逆变器上。该负载通常由不同的用户负载组成，包括加热器，照明和风扇。电机的参考负载转矩由D / A转换器板的装置转换为相应的模拟信号，并发送到调节扭矩的负载电机驱动器感应电动机。负载被馈送到该系统中的通用逆变器。在矩阵中转换器BBC的大型直流链路电容器由小型滤波器代替。过滤器是需要将线电流的谐波失真减小到令人满意的水平，并将其定义为负载和MC之间的接口。此功能可避免在每个PWM周期内的输出电压转换器发生根本变化，并阻止非必要谐波电流流入负载。电容滤波器用作该系统中的输出滤波器。它组成了星形连接中的三个电容器。这个值没有经过选择，相当于它的选择实验室内可用的那些。
应保护MC免受可能破坏其半导体器件的过电流和过电压的影响。通常的保护电路包括一个连接的电容器两个二极管桥的所有输出和所有输入线。这可以保护开关不受来自输入侧交流线路以及输出端的浪涌的影响。只有六个二极管用于保护该系统中的交换机。原理是优化矩阵转换器允许在反并联二极管期间从负载或DC续流电流或从整流器级获得源电流的自然续流，如同a标准VSI。由于钳位电压，每次开关操作都会增加电容，所以需要放电电容器能量。一旦钳位电压超过一个预先选定的水平，有效的能量去除方式是通过使用二次回路电容。为了在这里释放钳位能量，我们使用了与电阻并联的电阻钳位电容器。 22uF是选定的钳位电容。
4.实验
本文设计的系统由C-filter，MG set，控制板和电源组成转换器。 电动机和发电机的实验稳态波形如图4.所示。 VSR侧和发电机侧的线间电压如图4（a）所示。电动机侧和发电机侧的相电流和相电压如图所示分别如图4（c）和（b）所示。 相电流实际上与相电压同相它通常是正弦的。 电动机侧和CSI侧的相电流如图4（d）所示。 电机和CSI之间的电容滤波器可以平滑切割和切割基本成分显然得到认可。
电机速度阶跃响应，由参考速度的变化范围从600开始转速至1400转/分钟。 基于控制器的驱动系统能够注意到命令速度快，可忽略不计的过冲和非常接近零的稳态误差。 图5显示电动机侧和发电机侧的相电流和线间电压也是如此。当发电机电压从74 V变化到108 V时，发电机侧电压增加，发电机侧电流将减少。 电机侧的电流和电压值是由于电机负载和电机速度分别固定在6 Nm和1000 rpm，因此保持恒定。
发电机侧频率从30 Hz改为45 Hz。 发电机侧的电压比电机侧的电压短，电压传输比分别为1.8和2.7。 效率与电机侧电流THD之间和相互关系相同的电动机电流，电压传输比如图6所示。在电压传输比低时转换器效率越高，因为所提出的矩阵中的半导体低损耗转换器。 此外，从这个分析，看起来所提出的系统可以实现THD效率高。 电机侧和电机侧的相电流和线间电压，当负载转矩在3到18 Nm之间变化时，如图7所示。发电机侧负载转矩增加电流也增加。 发电机侧电压短于电动机侧电压，1.4是电压传输比。
- 结论
本文的研究已经对间接的应用产生了现有的结果矩阵转换器。 在本文中，提出了一个优化间接的系统用于PMSM系统驱动的矩阵转换器。 所提出的矩阵变换器的控制设计
并简要解释了系统硬件组件。 验证效率并提出系统操作，进行了许多实验。 系统用于评估永磁同步电动机系统的优化间接矩阵变换器的一系列电气和机械特性。 得到的结果证明了这一点可以在未来的应用程序中实际实现。
参考文献
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4. Kolar, J. W, Schafmeister, F, Round, S. D and Ertl, H. (2007). Novel three-phase AC–AC sparse matrix converters, Power Electronics, IEEE Tra
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资料编号：[2174]
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