本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)，特別是一種混合電平永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在工礦企業(yè)中，礦用牽引電機(jī)車是必不可少的運(yùn)輸工具，礦用牽引電機(jī)車性能的好壞在很大程度上影響著工礦企業(yè)的效益。礦用牽引電機(jī)車根據(jù)供電方式的不同可以分為兩類，分別是蓄電池式和架線式。大部分企業(yè)中，礦用牽引電機(jī)車的工作環(huán)境十分惡劣，主要原因有以下幾點(diǎn)：

2、首先，軌道條件差。通常為了節(jié)省材料，工礦企業(yè)為礦山牽引電機(jī)車鋪設(shè)的軌道為窄軌。一方面，這些軌道大部分都鋪設(shè)在山上或地下，無法保證軌道平整，且軌道的道岔等相關(guān)設(shè)備較為簡陋；另一方面，軌道的維護(hù)較為復(fù)雜繁瑣，一般企業(yè)中的軌道得不到很好的維護(hù)，因此礦用電機(jī)車在運(yùn)行中容易出現(xiàn)打滑、脫軌等現(xiàn)象。

3、其次，礦用電機(jī)車的供電可靠性低且電能質(zhì)量差。對于較為常見的架線式電機(jī)車，由于架空線路設(shè)備簡單且機(jī)車軌道鋪設(shè)高低不平，導(dǎo)致電機(jī)車的受電弓與架空線之間頻繁跳動(dòng)，接觸不良。對于蓄電池式電機(jī)車，在運(yùn)行過程中尤其是機(jī)車重載運(yùn)行時(shí)，車載電源的電壓跌落較為明顯，無法穩(wěn)定的為電機(jī)車提供優(yōu)質(zhì)電能。

4、最后，為了節(jié)省成本，導(dǎo)致礦用電機(jī)車的結(jié)構(gòu)十分簡單。一方面，工礦企業(yè)為礦用電機(jī)車鋪設(shè)的軌道大多為直線，這就使得礦用電機(jī)車無需設(shè)置轉(zhuǎn)向架等裝置，只需要簡單的輪對、齒輪箱以及牽引電機(jī)，再加上輪對、齒輪箱等設(shè)備加工精度較低，設(shè)備之間的一致性較差，導(dǎo)致電機(jī)車的傳動(dòng)性能并不十分理想。另一方面，機(jī)車所拉車斗之間的連接裝置簡陋，導(dǎo)致機(jī)車與車斗的碰撞沖擊大。

5、由于以上原因造成礦用電機(jī)車運(yùn)行環(huán)境惡劣，所以需要通過設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)來提高礦用電機(jī)車的控制性能。

6、礦用電機(jī)車作為運(yùn)送貨物的運(yùn)輸工具，其中最重要的一個(gè)部件就是牽引電機(jī)。起初，因?yàn)橹绷鳡恳妱?dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性、較強(qiáng)的過載能力等優(yōu)點(diǎn)，礦用牽引電機(jī)車的動(dòng)力主要由直流牽引電動(dòng)機(jī)提供，這一時(shí)期直流電機(jī)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域具有不可撼動(dòng)的地位。直流電機(jī)的調(diào)速方法主要有兩種：串電阻調(diào)速和直流斬波調(diào)速。串電阻調(diào)速控制策略是通過在電機(jī)電樞上串聯(lián)相應(yīng)的電阻，改變直流電機(jī)電樞兩端的電壓，從而調(diào)節(jié)直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，這種方法電路簡單、操作容易，但是由于電樞電阻增大，會(huì)導(dǎo)致電能損耗增大，所以效率明顯降低。雖然直流調(diào)速系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，但另一方面直流調(diào)速存在直流電機(jī)造價(jià)高、維修復(fù)雜、容易產(chǎn)生電火花等問題。隨著電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等相關(guān)學(xué)科突飛猛進(jìn)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)憑借效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)逐步取代了直流電機(jī)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的霸主地位。永磁同步牽引機(jī)車具有利用率高的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)成本比直流電機(jī)車也更低。因此，永磁同步電機(jī)作為礦用牽引機(jī)車越來越受到追捧。

7、隨著永磁同步電機(jī)在礦用牽引機(jī)車上的不斷應(yīng)用，電機(jī)相關(guān)的控制系統(tǒng)也在不斷發(fā)展進(jìn)步，早前用于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中的逆變設(shè)備主要為兩電平逆變器，控制技術(shù)為脈寬調(diào)制技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制。但是礦用牽引車工作場景極為復(fù)雜，需要開發(fā)大功率、高電壓以及抗干擾強(qiáng)的永磁同步電機(jī)控制裝置。近年來，基于三電平逆變器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在高電壓大功率場景中應(yīng)用廣泛。與兩電平逆變器相比較，三電平逆變器結(jié)構(gòu)中的每一相的功率開關(guān)管承受的電壓更小、開關(guān)損耗更低，同時(shí)三電平逆變器具有更小的電壓thd和dv/dt、輸出的電壓波形更加接近正弦波。目前，典型的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有npc型逆變器、飛跨電容型(flying?capacitor，fc)逆變器和具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)h橋型(cascaded?h-bridge，chb)逆變器等等。t型三電平逆變器是npc型逆變器的改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，t型三電平逆變器與npc型相比，每相橋臂少用了兩個(gè)箝位二極管，減少了損耗，可以提高逆變效率，而且可以改善npc型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中開關(guān)管的開關(guān)損耗分布不均問題。

8、當(dāng)前，基于t型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)控制已經(jīng)有許多深入的研究。面對t型三電平逆變器存在的中點(diǎn)電壓波動(dòng)問題和共模電壓問題，一些研究人員使用模型預(yù)測控制對永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的共模電壓進(jìn)行抑制，平衡中點(diǎn)電壓，也有一些研究人員提出了一種可在全調(diào)制比和全功率因數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)共模電壓抑制和中點(diǎn)電位平衡的調(diào)制方法。在t型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)方面，一些研究人員提出一種兩步預(yù)測mptc改進(jìn)策略，改進(jìn)策略可以很好地實(shí)現(xiàn)對磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和中點(diǎn)電位的控制的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)兩步預(yù)測mptc計(jì)算量大的問題。

9、雖然當(dāng)前對三電平逆變器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)有許多深入的研究，但是仍然存在一些問題，一是t型三電平逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)完整的t型三電平逆變器需要使用12個(gè)igbt功率開關(guān)管，每個(gè)橋臂均為“t”字型連接，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，容錯(cuò)率低；二是三電平逆變器永磁同步電機(jī)控制算法復(fù)雜，三電平控制系統(tǒng)需要控制12個(gè)igbt功率開關(guān)管的開關(guān)，算法極為復(fù)雜；三是三電平逆變器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力弱，礦用牽引車工作在礦山中，容易受到強(qiáng)干擾，傳統(tǒng)的光電編碼器式速度傳感器容易受到干擾，導(dǎo)致電機(jī)的速度測量不準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問題在于，提供一種混合電平永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中針對三電平逆變器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，算法難度高，抗干擾能力弱的問題。

2、本發(fā)明公開了一種混合電平永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括永磁同步電機(jī)模塊、矢量控制模塊、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊、零序分量模塊以及混合電平逆變器；

3、所述永磁同步電機(jī)模塊包括一個(gè)永磁電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)礦用牽引機(jī)車；

4、所述矢量控制模塊包括轉(zhuǎn)速控制子模塊、電流控制子模塊、坐標(biāo)變換子模塊以及正弦脈寬調(diào)制子模塊，所述轉(zhuǎn)速控制子模塊與所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊電連接，用于比較所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊的預(yù)測值和參考值并輸出控制信號，所述電流控制子模塊與所述永磁同步電機(jī)模塊連接，用于比較所述永磁同步電機(jī)的測量值和參考值并輸出控制信號，所述坐標(biāo)變換子模塊分別與電流控制子模塊、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊和正弦脈寬調(diào)制子模塊相連接，用于在自然坐標(biāo)系、靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，所述正弦脈寬調(diào)制子模塊與所述混合電平逆變器連接，用于控制混合電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)。

5、所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊與轉(zhuǎn)速控制子模塊、坐標(biāo)變換子模塊連接，用于對所述永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度和磁極的位置進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)所述永磁同步電機(jī)的無感控制；

6、所述零序分量模塊與正弦脈寬調(diào)制子模塊相連接，用于對所述混合電平逆變器的中點(diǎn)電壓進(jìn)行平衡；

7、所述混合電平逆變器與所述永磁同步電機(jī)連接，用于控制所述永磁同步電機(jī)的正常運(yùn)行。

8、優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)速控制子模塊包括轉(zhuǎn)速比較子單元、轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器。

9、所述轉(zhuǎn)速比較子單元和所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊連接，用于比較所述永磁同步電機(jī)估計(jì)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速；

10、所述速度pi調(diào)節(jié)器和所述轉(zhuǎn)速比較子單元電連接，用于根據(jù)估計(jì)轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速的誤差輸出所述永磁同步電機(jī)的參考電流?？蛇x地，所述參數(shù)獲取單元包括轉(zhuǎn)速比較子單元、pi調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩計(jì)算子單元、測量計(jì)算子單元以及轉(zhuǎn)矩比較單元；

11、優(yōu)選地，所述電流控制子模塊包括電流比較子單元、電流pi調(diào)節(jié)器。

12、所述電流比較子單元和所述永磁同步電機(jī)連接，用于比較所述永磁同步電機(jī)的實(shí)際電流和參考電流；

13、所述電流pi調(diào)節(jié)器和所述電流比較子單元連接，用于根據(jù)實(shí)際電流和參考電流的誤差輸出電流控制信號。

14、優(yōu)選地，所述坐標(biāo)變換子模塊分為三個(gè)不同形式的坐標(biāo)變換，形式一將電機(jī)的三相電流和三相電壓信號由自然坐標(biāo)系變換到靜止坐標(biāo)系，用于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法模塊的計(jì)算，形式二將靜止坐標(biāo)系的電流值變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，用于電流比較子單元的輸入，形式三將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓值變換到靜止坐標(biāo)系，用于正弦脈寬調(diào)制子模塊的輸入。

15、優(yōu)選地，所述混合電平逆變器與所述永磁同步電機(jī)連接，用于控制所述永磁同步電機(jī)的正常運(yùn)行，混合電平逆變器右側(cè)共有10個(gè)igbt功率元件構(gòu)成，前兩個(gè)橋臂均由4個(gè)igbt功率元件構(gòu)成，呈現(xiàn)“t”型連接，第三橋臂由2個(gè)igbt功率元件構(gòu)成，呈“1”字型連接，左側(cè)由直流電源以及兩個(gè)電容值完全相等的電解電容與右側(cè)連接。

16、優(yōu)選地，所述正弦脈寬調(diào)制子模塊中包括一個(gè)坐標(biāo)變換子模塊以及一種針對所述混合電平逆變器的脈寬調(diào)制算法，坐標(biāo)變換子模塊形式為將靜止坐標(biāo)系的電壓值轉(zhuǎn)換到自然坐標(biāo)系，注入零序分量后得到三相調(diào)制信號，針對所述混合電平逆變器的脈寬調(diào)制算法要求調(diào)制信號前兩相不變，將第三相調(diào)制信號平移。

17、優(yōu)選地，所述零序分量模塊與正弦脈寬調(diào)制子模塊相連接，由于混合電平逆變器結(jié)構(gòu)的特殊性，零序分量模塊的輸出受到前兩個(gè)橋臂的電流以及調(diào)制電壓的影響，所述零序分量模塊用于對所述混合電平逆變器的中點(diǎn)電壓進(jìn)行平衡。

18、優(yōu)選地，所述混合電平逆變器包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂，所述永磁同步電機(jī)的三相繞組包括第一端子、第二端子以及第三端子。

19、其中所述永磁同步電機(jī)的第一端子和所述第一橋臂電連接，所述第二端子和所述第二橋臂電連接，所述第三端子和所述第三橋臂電連接。

20、本發(fā)明還提供一種控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

21、s1、獲取所述永磁同步電機(jī)的實(shí)際速度、磁極位置、三相電流值以及三相電壓值；

22、s2、獲取所述混合電平逆變器的兩個(gè)電解電容的電壓值；

23、s3、根據(jù)步驟s1中獲取的實(shí)際速度，參考速度進(jìn)行比較，兩者的誤差值輸入速度pi控制器中，從而輸出q軸電流控制參考信號，d軸電流參考信號設(shè)置為0；

24、s4、根據(jù)步驟s1中獲取的磁極位置和三相電流值，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到d軸電流實(shí)際值和q軸電流實(shí)際值，d軸電流實(shí)際值和d軸電流參考信號進(jìn)行比較，兩者的誤差值輸入d軸電流pi控制器中，從而輸出d軸電壓信號，q軸電流實(shí)際值和q軸電流參考信號進(jìn)行比較，兩者的誤差值輸入q軸電流pi控制器中，從而輸出q軸電壓信號；

25、s5、根據(jù)步驟s4中獲取的d軸電壓信號和q軸電壓信號和步驟s1中獲取的磁極位置，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到α軸電壓信號和β軸電壓信號；

26、s6、根據(jù)步驟s5中獲取的α軸電壓信號和β軸電壓信號，兩者在正弦脈寬調(diào)制子模塊中先經(jīng)過坐標(biāo)變換到自然坐標(biāo)系，得到a軸、b軸和c軸上的電壓值，自然坐標(biāo)系的電壓值與零序分量模塊的輸出相加后作為電機(jī)調(diào)制信號，a軸、b軸的電壓值為所述混合電平逆變器的第一橋臂、第二橋臂的調(diào)制信號，c軸的電壓值先將其平移后再作為所述混合電平逆變器的第三橋臂的調(diào)制信號；

27、s7、根據(jù)步驟s6中獲取第一橋臂和第二橋臂調(diào)制信號，步驟s1第一相和第二相電流值，步驟s2中獲取的兩個(gè)電解電容的電壓值，將這些數(shù)據(jù)代入零序分量計(jì)算公式可得到零序分量注入值，所述零序分量注入值將注入所述混合電平逆變器的第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂的調(diào)制信號，用于平衡所述混合電平逆變器的中點(diǎn)電壓；

28、s8、根據(jù)步驟s6和s7得到的調(diào)制信號，通過載波層疊pwm和兩電平spwm的硬件實(shí)現(xiàn)方式控制混合電平逆變器中的功率器件的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。

29、優(yōu)選地，所述獲取永磁同步電機(jī)的實(shí)際速度、磁極位置的方法包括：

30、s1、根據(jù)獲取的三相電流值和三相電壓值經(jīng)過坐標(biāo)變換到靜止坐標(biāo)系，得到α軸電流、β軸電流、α軸電壓、β軸電壓；

31、s2、根據(jù)得到的α軸電流、β軸電流、α軸電壓、β軸電壓，作為擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的輸入，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法根據(jù)所述永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合輸入條件，預(yù)估出所述永磁同步電機(jī)的實(shí)際速度、磁極位置；

32、s3、根據(jù)所述擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的速度估計(jì)可以應(yīng)用在復(fù)雜的工作環(huán)境中，并且抗噪聲能力比較強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。

33、優(yōu)選地，所述混合電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相t型逆變器主電路由10個(gè)igbt功率元件構(gòu)成，第一橋臂和第二橋臂均有4個(gè)功率開關(guān)管，每個(gè)橋臂的4個(gè)功率開關(guān)管呈現(xiàn)“t”字型連接，第三橋臂有2個(gè)功率開關(guān)管，第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂分別連接電機(jī)的u相、v相和w相，三個(gè)橋臂連接和兩個(gè)電容值完全相等的電解電容連接。

34、優(yōu)選地，所述混合電平逆變器使用零序分量注入方法對逆變器的中點(diǎn)電壓進(jìn)行平衡，中點(diǎn)電壓平衡問題指的是三電平逆變器直流端的兩個(gè)電容因充放電所導(dǎo)致的兩個(gè)電容相連的中點(diǎn)上電位的波動(dòng)。對于所述混合電平逆變器來說，第一橋臂和第二橋臂的功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)會(huì)影響中點(diǎn)電壓波動(dòng)。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

36、相比傳統(tǒng)使用的t型三電平逆變器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，本發(fā)明一方面，將t型三電平逆變器改為混合電平逆變器，減少了兩個(gè)功率開關(guān)管數(shù)量，降低了逆變器的制造成本；另一方面，針對混合電平逆變器使用了新型的中點(diǎn)零序分量注入算法和新的脈寬調(diào)制算法對中點(diǎn)電壓和混合電平逆變器進(jìn)行控制；最后使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對電機(jī)的速度和磁極位置進(jìn)行估計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。