專利名稱：用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于矩陣式變換器控制技術(shù)，具體涉及一種用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法及其裝置。

背景技術(shù)：
矩陣式變換器是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的交交直接變換器，它具有傳統(tǒng)交直交變頻器無法比擬的優(yōu)點省去了中間的直流環(huán)節(jié)；輸出電壓低次諧波含量少；輸出頻率不受輸入頻率影響；能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行。
三相—三相矩陣式變換器因由9個雙向功率開關(guān)SaA、SaB、SaC、SbA、SbB、SbC、ScA、ScB、ScC呈矩陣狀排列組成而得名，三相輸入電壓為Ua、Ub和Uc，三相輸出電壓為UA、UB和UC，其電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，SaA為連接輸入a相與輸出A相的雙向功率開關(guān)，SaB連接輸入a相與輸出B相的雙向功率開關(guān)，其它開關(guān)可依此類推。從結(jié)構(gòu)上看，矩陣變換器是一次變換器，除了為消除開關(guān)紋波而設(shè)的小型交流濾波器外，無須儲能單元。通過快速控制各個雙向功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，也即快速改變輸入相與輸出相的連接方式，能將給定的交流輸入直接轉(zhuǎn)換成不同電壓和不同頻率的交流輸出，并從電網(wǎng)中吸收正弦的輸入電流。
矩陣式變換器是一種直接變換器，它能實現(xiàn)能量的雙向傳遞，因此變換器中的開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)時承受的電壓可能是正向的也可能是反向的，同樣在導(dǎo)通狀態(tài)下，流過的電流既可能為正也可能為負，因此必須采用雙向開關(guān)。但是受制造工藝，成本等因素的限制，目前尚未出現(xiàn)成熟的雙向開關(guān)產(chǎn)品，因而只能采用單向開關(guān)(一般為IGBT或MOSFET)和二極管復(fù)合的方法來實現(xiàn)雙向開關(guān)。
圖2給出了采用共集電極反串聯(lián)型組合方式的雙向開關(guān)電路圖，這種雙向開關(guān)需要兩個功率開關(guān)和兩個二極管，具有分離元件少、可靠性高、電壓傳輸比損失較小等特點。每個功率開關(guān)、二極管均工作在二象限方式，易于對兩個方向分別控制，使電流可以雙向流動，實現(xiàn)輸入相和輸出相的直接電氣連接。采用適當(dāng)?shù)膿Q流策略可以消除環(huán)流，便于解決四象限換流問題。對于三相一三相矩陣式變換器而言，以共集電極反串聯(lián)型作為雙向開關(guān)，共需18個功率開關(guān)和18個反串聯(lián)二極管，6個獨立的驅(qū)動電源。
矩陣式變換器的開關(guān)眾多，對開關(guān)管控制即調(diào)制則是實現(xiàn)其優(yōu)良性能的關(guān)鍵。雙電壓瞬時值控制策略是由日本學(xué)者A.Ishiguro和T.Furuhashi最先提出，其調(diào)制機理是任一時刻輸出線電壓由兩個輸入線電壓合成，其主要特點是當(dāng)輸入電源不對稱或含有高次諧波時，控制函數(shù)可以自動修正而不需額外的計算量，因而非常有利于實時控制；電壓傳輸比較高；輸入電壓對稱時，輸入功率因數(shù)為1，電能利用率較高。
雙電壓控制策略屬于直接控制策略，其基本思想是當(dāng)輸入電壓和輸出電壓處于某時間段內(nèi)時，在每一個開關(guān)周期內(nèi)，利用兩個輸入線電壓與一個零電壓向量的線性組合來合成兩個滿足三相對稱的輸出線電壓，在不同時刻使用不同的兩個線電壓，而對應(yīng)的開關(guān)占空比與輸入輸出電壓的關(guān)系，稱之為控制函數(shù)。電壓合成方程如式(1)所示。
上式中，uo1、uo2表示兩個輸出線電壓的局部平均值，即一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值；ui1、ui2表示用來合成輸出線電壓的兩個輸入線電壓；ui0表示在一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓零向量。b0、b1、b2、c0、c1、c2表示對應(yīng)的開關(guān)占空比，計算公式如式(2)。
其中，ui3是指除式子中出現(xiàn)的兩個輸入線電壓之外的第三個輸入線電壓。
為了方便得到矩陣變換器各個開關(guān)控制函數(shù)，在每個周期內(nèi)，需要把輸入、輸出電壓按照某種規(guī)律劃分成多個時間段，該時間段稱為扇區(qū)。根據(jù)三相正弦電壓波形的特點，輸入輸出電壓扇區(qū)都可以按照一定的規(guī)則劃分為S和X形，如圖3所示。S形電壓的劃分規(guī)則是三相相電壓中只有一相出現(xiàn)極值(正值或負值)，而另兩相電壓與之異號，且保持單調(diào)變化。X形電壓劃分的原則是三相相電壓均保持單調(diào)變化，其中一相始終為正值，一相始終為負值，第三相從正到負(或從負到正)。根據(jù)雙電壓法調(diào)制的計算公式，當(dāng)輸入電壓采用S型電壓劃分，輸出電壓采用X型電壓劃分時，算法更為簡便直接。
如果按照式(1)和(2)進行占空比計算，首先，在每個開關(guān)周期內(nèi)都要對輸入輸出電壓扇區(qū)進行判斷，再選取合適的輸入輸出電壓進行實時計算，沒有一個統(tǒng)一的計算表達式；其次，即使各個調(diào)制比計算出來了，具體安排開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換還有多種可能，輸入電壓和輸出電壓在一個周期內(nèi)均被劃分為六個區(qū)，因此它們共有36種組合。為了降低雙電壓控制策略實施的困難，穆新華等在1998年公開發(fā)表的論文“雙電壓控制的矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)與仿真分析”(電工技術(shù)學(xué)報，1998，13(1))引入了原點開關(guān)，采用原點開關(guān)概念后，這樣36種情況又歸結(jié)為9種狀態(tài)，每種狀態(tài)對應(yīng)一個原點開關(guān)。
由上可知，在引入原點開關(guān)之后，只用求解9組開關(guān)組合的占空比b0、b1、b2、c0、c1、c2即可完成對矩陣式變換器的控制?，F(xiàn)用集合{L1，L2}來表示輸入為L1號扇區(qū)，輸出為L2號扇區(qū)的組合，得到矩陣式變換器9種開關(guān)狀態(tài)及控制函數(shù)如表1所示。
表1

雖然利用原點開關(guān)使計算量大為減少，但由于雙電壓控制策略的開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和輸入電流、輸出電壓合成規(guī)律的表達式較為復(fù)雜，實時計算量較大，對控制器件要求較高，在軟件上實現(xiàn)較為困難。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法及其裝置，解決了一般的雙電壓控制方法系統(tǒng)計算量大、難于實現(xiàn)的問題，該發(fā)明的目的在于通過重新劃分輸入輸出電壓扇區(qū)、給出統(tǒng)一的占空比計算公式，從而減少系統(tǒng)計算量，方便軟件編程實現(xiàn)，提高程序的效率和實時性。本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的裝置。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其步驟包括 (1)電壓扇區(qū)的重新劃分； 輸入電壓采樣單元與矩陣式變換器輸入端相連，將三相輸入電壓經(jīng)變換后傳送至DSP控制電路，以便劃分電壓扇區(qū)和計算系統(tǒng)占空比。
在DSP控制電路中，在將輸入輸出電壓劃分為S和X形電壓扇區(qū)的基礎(chǔ)上，將輸入電壓劃分為兩個扇區(qū)，即將S形電壓扇區(qū)中的第2、4、6扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第I扇區(qū)，將第1、3、5扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第II扇區(qū)，而輸出電壓則不需劃分扇區(qū)，如圖4所示。
(2)占空比計算； 占空比計算是在DSP控制電路中進行的。從圖5可以看出，在進行占空比計算之前，需先定義需要的計算變量，然后根據(jù)扇區(qū)劃分對輸入輸出電壓進行排序，最后再根據(jù)占空比統(tǒng)一計算公式計算出各個開關(guān)的占空比，具體步驟如下 ①定義需要的計算變量 定義輸入電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為vmax，vmid，vmin；輸出電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為umax，umid，umin；輸入電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為dmax，dmid，dmin；輸出電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為Dmax，Dmid，Dmin。
②對輸入輸出電壓進行排序 根據(jù)輸入電壓的扇區(qū)劃分，對輸入輸出電壓進行排序。當(dāng)輸入電壓處于第I扇區(qū)時，在該扇區(qū)中的三相電壓絕對值最大的電壓為正，此時按電壓實際大小對輸入輸出電壓進行排序，并將排序結(jié)果對輸入輸出電壓計算量、輸入輸出電壓排序標志變量賦值。當(dāng)輸入電壓處于第II扇區(qū)時，在該扇區(qū)中的三相電壓絕對值最大的電壓為負，此時先將輸入輸出電壓取反，再按大小排序，并將排序結(jié)果對輸入輸出電壓計算量、輸入輸出電壓排序標志變量賦值。
③占空比統(tǒng)一計算公式 為了獲得較高的電壓增益，需選取絕對值最大的輸入線電壓來合成絕對值最大的輸出線電壓，可選取輸入中兩個最大的線電壓Ui1、Ui2來合成輸出中兩個最大的線電壓

因此可以得到 及 將新的扇區(qū)劃分原則和排序方法與基本雙電壓控制策略的劃分原則對比，并將式(3)代入式(2)，可以得出占空比統(tǒng)一計算公式，其公式如下所示 其中，輸入三相對稱時，uim為輸入相電壓幅值。
(3)占空比調(diào)制矩陣計算； 矩陣式變換器系統(tǒng)的開關(guān)占空比與開關(guān)矩陣中各個雙向功率開關(guān)占空比的對應(yīng)關(guān)系如下 其中g(shù)xy是開關(guān)Sxy的占空比，x＝dmax，dmid或dmin，y＝Dmax，Dmid或Dmin； 將矩陣式變換器系統(tǒng)的開關(guān)占空比b0、b1、b2、c0、c1、c2和已賦值的輸入電壓排序標志變量dmax，dmid，dmin和輸出電壓排序標志變量Dmax，Dmid，Dmin代入式(6)即可得矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的占空比； 再將矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的占空比代入 中，即可得矩陣式變換器的開關(guān)調(diào)制矩陣，將開關(guān)調(diào)制矩陣中各個占空比乘以開關(guān)周期即可得到各個雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通時間； 其中g(shù)ij是開關(guān)Sij的占空比，i＝a、b或c，j＝A、B或C；a、b、c為三相電壓輸入相序號，A、B、C為三相電壓輸出相序號。
由DSP控制電路計算得出的開關(guān)導(dǎo)通時間信號經(jīng)CPLD開關(guān)選通電路轉(zhuǎn)換成18個功率開關(guān)的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后去控制矩陣式變換器開關(guān)矩陣中18個開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使輸出電壓/輸入電流由輸入電壓/輸出電流高頻斬波合成，就可以實現(xiàn)頻率和幅值可調(diào)的變頻輸出，完成對矩陣式變換器的控制。
本發(fā)明提供的實現(xiàn)上述控制方法的控制裝置，包括輸入電壓采樣單元、DSP控制電路、CPLD開關(guān)選通電路、輸出電流方向檢測單元和驅(qū)動電路。
輸入電壓采樣單元與三相電源輸入電壓連接，輸入電壓采樣單元將三相電源輸入電壓轉(zhuǎn)換為弱電信號并經(jīng)電平抬高之后送入DSP控制電路。
DSP控制電路主要完成改進型雙電壓控制策略計算和PWM控制信號輸出。首先對輸入電壓采樣單元變換得到的信號進行采樣，然后根據(jù)改進型雙電壓控制算法實時計算出系統(tǒng)的占空比，再轉(zhuǎn)換為各個開關(guān)的導(dǎo)通時間，最后通過高速I/O口將PWM控制信號輸出至CPLD開關(guān)選通電路。
CPLD開關(guān)選通電路將導(dǎo)通時間控制信號轉(zhuǎn)換為矩陣式變換器開關(guān)矩陣的18個功率開關(guān)IGBT的通斷控制信號并傳送至驅(qū)動電路；同時實時接收來自驅(qū)動電路的過流故障信號和來自輸出電流方向檢測單元的電流方向信號。
驅(qū)動電路接收來自CPLD開關(guān)選通電路的控制信號，經(jīng)放大之后去控制開關(guān)矩陣18個功率開關(guān)IGBT的通斷，并實時監(jiān)測過流，將過流信號送入CPLD。
輸出電流方向檢測單元的輸入端接至矩陣式變換器的輸出端，檢測矩陣式變換器的輸出電流方向，將輸出電流方向信號傳送給CPLD開關(guān)選通電路以指導(dǎo)其四步換流。
本發(fā)明提供的控制裝置還包括輸入濾波電路，開關(guān)矩陣與三相電源輸入電壓之間接有輸入濾波電路，且輸入電壓采樣單元通過輸入濾波電路與三相電源輸入電壓連接。
本發(fā)明提供的控制方法可大大減少控制裝置的系統(tǒng)計算量，降低對控制器件的速度性能要求，方便軟件的編程實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的效率和實時性。具體而言，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點和有益效果 1.傳統(tǒng)的雙電壓控制方法中占空比表達式的確定必須對輸入、輸入扇區(qū)進行劃分組合，其組合有36種情況，進而確定其表達式的系數(shù)。而本發(fā)明提供的控制方法給出的占空比統(tǒng)一計算公式具有一般性，無需對輸入、輸出相區(qū)進行復(fù)雜的組合就可以得到占空比，大大減少了控制裝置的系統(tǒng)計算量。
2.傳統(tǒng)的雙電壓控制方法將輸入、輸出電壓分別劃分為6個扇區(qū)，扇區(qū)組合有36種情況。本發(fā)明提出的控制方法使用了新的輸入輸出電壓扇區(qū)劃分原則，將輸入相區(qū)從6種情況縮減到2種情況，且輸出電壓不再需要劃分扇區(qū)，縮減為傳統(tǒng)控制策略的十八分之一，降低了控制的復(fù)雜度。
3.本發(fā)明提供的雙電壓控制方法保留了傳統(tǒng)雙電壓控制方法的計算公式和原點開關(guān)的應(yīng)用，繼承了傳統(tǒng)雙電壓控制方法的優(yōu)良特性，當(dāng)輸入電源不對稱或含有高次諧波時，控制函數(shù)可以自動修正而不需額外的計算量，因而非常有利于實時控制。
4.本發(fā)明提供的雙電壓控制方法簡化了系統(tǒng)的扇區(qū)組合，提出了占空比統(tǒng)一計算公式，而且扇區(qū)判斷與占空比計算可以編寫統(tǒng)一的處理函數(shù)進行處理，不需要另外進行扇區(qū)的判斷組合，再進行占空比計算函數(shù)的編寫計算，大大方便了軟件的編程實現(xiàn)。
5.本發(fā)明提供的控制方法減少了系統(tǒng)的計算量，簡化了扇區(qū)的組合判斷，提高了控制方法的軟件實現(xiàn)上的程序效率和實時性，從而可以降低對控制器件的速度與容量性能的要求。



圖1是矩陣式變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖2是“共集電極反串聯(lián)型”雙向功率開關(guān)電路圖。
圖3a是輸入電壓S形扇區(qū)劃分圖，圖3b是輸出電壓X形扇區(qū)劃分圖。
圖4是新的輸入電壓扇區(qū)劃分圖。
圖5是本發(fā)明實施方式中控制方法的開關(guān)占空比計算流程圖。
圖6是本發(fā)明實施方式中控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明實施方式中控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖中1.輸入電壓采樣單元，2.DSP控制電路，3.CPLD開關(guān)選通電路，4.驅(qū)動電路，5.輸出電流方向檢測單元，6.開關(guān)矩陣，7.緩沖電路，8.輸入濾波電路，9.負載，10.三相電源輸入電壓。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進一步詳細說明。
如圖1所示，矩陣式變換器的主電路拓撲由9個開關(guān)管SaA、SaB、SaC、SbA、SbB、SbC、ScA、ScB、ScC按矩陣狀排列而成。三相電源Ua、Ub、Uc經(jīng)輸入濾波電路與三相矩陣式變換器輸入端相連，電動機M作為負載接在三相矩陣式變換器輸出端，其中輸入濾波電路由濾波電感La、Lb、Lc和濾波電容Ca、Cb、Cc構(gòu)成，矩陣式變換器輸出電壓為UA、UB、UC。矩陣式變換器的三相輸入電流分別為ia、ib、ic，三相輸出電流分別為iA、iB、iC。
通過控制各開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使三相輸出通過雙向開關(guān)與輸入任意相相連，按照改進型雙電壓控制方法控制9個雙向功率開關(guān)，使輸出電壓/輸入電流由輸入電壓/輸出電流高頻斬波合成，就可以實現(xiàn)頻率和幅值可調(diào)的變頻輸出。
如圖5所示，本發(fā)明控制方法包括如下步驟 (1)電壓扇區(qū)的重新劃分； 輸入電壓采樣單元與矩陣式變換器輸入端相連，將三相電源輸入電壓經(jīng)變換后傳送至DSP控制電路，以便劃分電壓扇區(qū)和計算系統(tǒng)占空比。
在DSP控制電路中，在將輸入輸出電壓劃分為S和X形電壓扇區(qū)的基礎(chǔ)上，將輸入電壓劃分為兩個扇區(qū)，即將S形電壓扇區(qū)中的第2、4、6扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第I扇區(qū)，將第1、3、5扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第II扇區(qū)，而輸出電壓則不需劃分扇區(qū)，如圖4所示。
(2)占空比計算； 占空比計算是在DSP控制電路中進行的。從圖5可以看出，在進行占空比計算之前，需先定義需要的計算變量，然后根據(jù)扇區(qū)劃分對輸入輸出電壓進行排序，最后再根據(jù)占空比統(tǒng)一計算公式計算出各個開關(guān)的占空比，具體步驟如下 ①定義需要的計算變量 定義輸入電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為vmax，vmid，vmin；輸出電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為umax，umid，umin；輸入電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為dmax，dmid，dmin；輸出電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為Dmax，Dmid，Dmin。
②對輸入輸出電壓進行排序 根據(jù)輸入電壓的扇區(qū)劃分，對輸入輸出電壓進行排序。當(dāng)輸入電壓處于第I扇區(qū)時，在該扇區(qū)中的三相電壓絕對值最大的電壓為正，此時按電壓實際大小對a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓按照從大到小的順序進行排序；當(dāng)輸入電壓處于第II扇區(qū)時，在該扇區(qū)中的三相電壓絕對值最大的電壓為負，先將a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓取反，再按取反后的電壓大小對a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓按照從大到小的順序進行排序。
將排序后的a、b、c三相輸入電壓依次賦給vmax，vmid，vmin，同時將排序后的三相輸入電壓的相序號a、b、c依次賦給dmax，dmid，dmin；將排序后的A、B、C三相輸出電壓依次賦給umax，umid，umin，同時將排序后的三相輸出電壓的相序號A、B、C依次賦給Dmax，Dmid，Dmin。
假設(shè)輸入電壓處于I扇區(qū)，且有ub>ua>uc，uA>uB>uC，則輸入電壓計算變量vmax＝ub；vmid＝ua；vmin＝uc，輸出電壓計算變量umax＝uA；umid＝uB；umin＝uC，輸入電壓排序標志變量dmax＝b；dmid＝a；dmin＝c，輸出電壓排序標志變量Dmax＝A，Dmid＝B，Dmin＝C。
③占空比計算 把輸入電壓計算變量vmax＝ub；vmid＝ua；vmin＝uc，輸出電壓計算變量umax＝uA；umid＝uB；umin＝uC代入占空比統(tǒng)一計算公式(4)和(5)可以得出占空比如下式 其中，輸入三相對稱時，uim為輸入相電壓幅值。
(3)占空比調(diào)制矩陣計算； 矩陣式變換器系統(tǒng)的開關(guān)占空比與開關(guān)矩陣中各個雙向功率開關(guān)占空比的對應(yīng)關(guān)系如下 其中g(shù)xy是開關(guān)Sxy的占空比，x＝dmax，dmid或dmin，y＝Dmax，Dmid或Dmin； 矩陣式變換器的開關(guān)調(diào)制矩陣如下式 其中g(shù)ij是開關(guān)Sij的占空比，i＝a、b或c，j＝A、B或C；a、b、c為三相電壓輸入相序號，A、B、C為三相電壓輸出相序號。
將輸入電壓排序標志變量dmax＝b；dmid＝a；dmin＝c，輸出電壓排序標志變量Dmax＝A，Dmid＝B，Dmin＝C代入式(6)和(7)中，即可得到矩陣式變換器的開關(guān)調(diào)制矩陣，如式9所示。
從式(9)中可以看出，在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)SbA一直導(dǎo)通，而SaA和ScA則一直關(guān)斷；開關(guān)SaB、SbB、ScB在一個采樣周期內(nèi)對應(yīng)的占空比分別為c2、c0、c1；開關(guān)SaC、SbC、、ScC在一個采樣周期內(nèi)對應(yīng)的占空比分別為b2、b0、b1，將所得的占空比乘以開關(guān)周期即可得到各個雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通時間。
由DSP控制電路計算得出的導(dǎo)通時間控制信號經(jīng)CPLD開關(guān)選通電路轉(zhuǎn)換成18個功率開關(guān)的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后去控制矩陣式變換器開關(guān)矩陣中18個開關(guān)管的開通與關(guān)斷，使輸出電壓/輸入電流由輸入電壓/輸出電流高頻斬波合成，就可以實現(xiàn)頻率和幅值可調(diào)的變頻輸出，完成對矩陣式變換器的控制。
如圖6所示，本發(fā)明提供的控制裝置包括包括輸入電壓采樣單元1、DSP控制電路2、CPLD開關(guān)選通電路3、輸出電流方向檢測單元5和驅(qū)動電路4。
輸入電壓采樣單元1與三相電源輸入電壓10連接，輸入電壓采樣單元1將三相電源輸入電壓10轉(zhuǎn)換為弱電信號并經(jīng)電平抬高之后送入DSP控制電路2，以劃分輸入電壓扇區(qū)和計算系統(tǒng)占空比。
DSP控制電路2主要完成改進型雙電壓控制策略計算和PWM控制信號輸出。首先對輸入電壓采樣單元1變換得到的信號進行采樣，然后根據(jù)改進型雙電壓控制算法實時計算出系統(tǒng)的占空比，再轉(zhuǎn)換為各個開關(guān)的導(dǎo)通時間，最后通過高速I/O口將PWM控制信號輸出至CPLD開關(guān)選通電路3。
CPLD開關(guān)選通電路3將導(dǎo)通時間控制信號轉(zhuǎn)換為矩陣式變換器開關(guān)矩陣6的18個功率開關(guān)IGBT的通斷控制信號并傳送至驅(qū)動電路4；同時實時接收來自驅(qū)動電路4的過流故障信號和來自輸出電流方向檢測單元5的電流方向信號。
驅(qū)動電路4接收來自CPLD開關(guān)選通電路3的控制信號，經(jīng)放大之后去控制開關(guān)矩陣6的18個功率開關(guān)IGBT的通斷，并實時監(jiān)測過流，將過流信號送入CPLD。
輸出電流方向檢測單元5的輸入端接至矩陣式變換器的輸出端，檢測矩陣式變換器的輸出電流方向，將輸出電流方向信號傳送給CPLD開關(guān)選通電路3以指導(dǎo)其四步換流。
本發(fā)明提供的控制裝置還包括輸入濾波電路8，開關(guān)矩陣6與三相電源輸入電壓10之間接有輸入濾波電路8，且輸入電壓采樣單元1通過輸入濾波電路8與三相電源輸入電壓10連接。
負載9接在開關(guān)矩陣6輸出端，緩沖電路7接在開關(guān)矩陣6輸入a、b、c相與輸出A、B、C相兩端實現(xiàn)過壓保護功能。
本發(fā)明提供的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法及其裝置，其改進型雙電壓控制策略程序是由DSP-TMS320LF2407A實現(xiàn)的，而四步換流程序則是由專門的可編程邏輯器件CPLD-EPM7128SLC84-7實現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1、用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于包括如下步驟
(1)通過輸入電壓采樣單元(1)檢測三相電源輸入電壓(10)經(jīng)變換后送入DSP控制電路(2)；
(2)在DSP控制電路(2)中對輸入輸出電壓扇區(qū)進行重新劃分，然后定義計算占空比所需要的變量并根據(jù)扇區(qū)劃分對其進行排序，按排序結(jié)果對輸入輸出電壓計算變量和輸入輸出電壓排序標志變量賦值，將輸入輸出電壓計算變量和輸入輸出電壓排序標志變量代入推導(dǎo)出的占空比統(tǒng)一計算公式計算出矩陣式變換器系統(tǒng)的占空比，根據(jù)矩陣式變換器系統(tǒng)的占空比與開關(guān)矩陣中各個雙向功率開關(guān)占空比的對應(yīng)關(guān)系，得到矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的占空比，再乘以開關(guān)周期即可實時計算出矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通時間；
(3)DSP控制電路(2)通過I/O口輸出導(dǎo)通時間控制信號至CPLD開關(guān)選通電路(3)，CPLD開關(guān)選通電路(3)將導(dǎo)通時間控制信號轉(zhuǎn)換為矩陣式變換器開關(guān)矩陣(6)的18個功率開關(guān)IGBT的通斷控制信號并傳送至驅(qū)動電路(4)，驅(qū)動電路(4)將該通斷控制信號放大后對所述18個功率開關(guān)IGBT的通斷進行控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于步驟(2)中對輸入輸出電壓扇區(qū)進行重新劃分將S形電壓扇區(qū)中的第2、4、6扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第I扇區(qū)，將第1、3、5扇區(qū)統(tǒng)一劃分為第II扇區(qū)，輸出電壓不需劃分扇區(qū)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于步驟(2)所述計算占空比所需的計算變量的定義如下輸入電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為vmax，vmid，vmin；輸出電壓計算變量的最大值、中間值、最小值分別為umax，umid，umin；輸入電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為dmax，dmid，dmin；輸出電壓排序標志變量的最大值、中間值、最小值分別為Dmax，Dmid，Dmin。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于步驟(2)中當(dāng)輸入電壓處于第I扇區(qū)時，按電壓實際大小對a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓按照從大到小的順序進行排序，當(dāng)輸入電壓處于第II扇區(qū)時，先將a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓取反，再按取反后的電壓大小對a、b、c三相輸入電壓和A、B、C三相輸出電壓按照從大到小的順序進行排序；a、b、c為三相電壓輸入相序號，A、B、C為三相電壓輸出相序號；
將排序后的a、b、c三相輸入電壓依次賦給vmax，vmid，vmin，同時將排序后的三相輸入電壓的相序號a、b、c依次賦給dmax，dmid，dmin，將排序后的A、B、C三相輸出電壓依次賦給umax，umid，umin，同時將排序后的三相輸出電壓的相序號A、B、C依次賦給Dmax，Dmid，Dmin。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于步驟(2)所述占空比統(tǒng)一計算公式為
其中，b1、b2、b0、c1、c2、c0表示一個開關(guān)周期內(nèi)矩陣式變換器系統(tǒng)中除1個一直導(dǎo)通的開關(guān)和2個一直關(guān)斷的開關(guān)外的開關(guān)占空比，
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法，其特征在于矩陣式變換器系統(tǒng)的開關(guān)占空比與開關(guān)矩陣中各個雙向功率開關(guān)占空比的對應(yīng)關(guān)系如下
其中g(shù)xy是開關(guān)Sxy的占空比，x＝dmax，dmid或dmin，y＝Dmax，Dmid或Dmin；
將矩陣式變換器系統(tǒng)的開關(guān)占空比b0、b1、b2、c0、c1、c2和已賦值的輸入電壓排序標志變量dmax，dmid，dmin和輸出電壓排序標志變量Dmax，Dmid，Dmin代入上述關(guān)系式即得矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的占空比；
再將矩陣式變換器各個雙向功率開關(guān)的占空比代入
中，即得矩陣式變換器的開關(guān)調(diào)制矩陣，將開關(guān)調(diào)制矩陣中各個占空比乘以開關(guān)周期即得到各個雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通時間；
其中g(shù)ij是開關(guān)Sij的占空比，i＝a、b或c，j＝A、B或C；a、b、c為三相電壓輸入相序號，A、B、C為三相電壓輸出相序號。
7、實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的控制方法的裝置，其特征在于包括輸入電壓采樣單元(1)、輸出電流方向檢測單元(5)、DSP控制電路(2)、CPLD開關(guān)選通電路(3)和驅(qū)動電路(4)，
輸入電壓采樣單元(1)與三相電源輸入電壓(10)連接，輸入電壓采樣單元(1)將檢測到的三相輸入電壓變換后送入DSP控制電路(2)，由DSP控制電路(2)實時計算出各個開關(guān)導(dǎo)通時間，通過I/O口輸出導(dǎo)通時間控制信號至CPLD開關(guān)選通電路(3)，CPLD開關(guān)選通電路(3)將導(dǎo)通時間控制信號轉(zhuǎn)換為矩陣式變換器開關(guān)矩陣(6)的18個功率開關(guān)IGBT的通斷控制信號并傳送至驅(qū)動電路(4)，驅(qū)動電路(4)將該通斷控制信號放大后對所述18個功率開關(guān)IGBT的通斷進行控制。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于還包括輸入濾波電路(8)，開關(guān)矩陣(6)與三相電源輸入電壓(10)之間接有輸入濾波電路(8)，且輸入電壓采樣單元(1)通過輸入濾波電路(8)與三相電源輸入電壓(10)連接。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述輸入電壓采樣單元(1)將檢測到的三相電源輸入電壓變換后送入DSP控制電路(2)是將三相電源輸入電壓(10)轉(zhuǎn)換為弱電信號并經(jīng)電平抬高之后送入DSP控制電路(2)。
全文摘要
本發(fā)明提供用于矩陣式變換器的改進型雙電壓控制方法及其裝置，所述方法主要通過對電壓扇區(qū)進行重新劃分，然后定義計算占空比所需要的計算變量并進行排序，并利用占空比統(tǒng)一計算公式計算出矩陣式變換器系統(tǒng)的占空比，根據(jù)矩陣式變換器系統(tǒng)的占空比與開關(guān)矩陣中各個雙向功率開關(guān)占空比的對應(yīng)關(guān)系，得到各個雙向功率開關(guān)的占空比，再乘以開關(guān)周期即可實時計算出各個雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)矩陣式變換器的開關(guān)控制。所述裝置包括輸入電壓采樣單元、DSP控制電路、CPLD開關(guān)選通電路、輸出電流方向檢測單元和驅(qū)動電路。本發(fā)明簡化了系統(tǒng)開關(guān)組合，系統(tǒng)計算量少，提高效率和實時性，適合于交流變頻調(diào)速領(lǐng)域的矩陣式變換器控制應(yīng)用。
文檔編號H02M5/02GK101534062SQ20091003865
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者蘋 楊, 鄭木桂 申請人:華南理工大學(xué)