一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，包括矩阵变换器主电路、负载电流方向信号检测电路、输入电压信号检测电路、CPU控制器、2‑4译码器、四步换流逻辑电路(CPLD)；四步换流逻辑电路的输出端与矩阵变换器主电路九个双向功率开关的输入端连接；负载电流方向信号检测电路的输出端与四步换流逻辑电路的电流输入端连接；输入电压信号检测电路的输出端与CPU控制器的电压输入端连接；CPU控制器的输出端与2‑4译码器的地址输入端连接；2‑4译码器的输出端与四步换流逻辑电路的控制输入端连接。本实用新型专利技术简化了控制电路，提高了CPLD的工作效率，减少了系统故障率，提高了系统的控制性能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及驱动电动机的变换器控制领域，尤其涉及一种三相矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统。该矩阵变换器具有按3×3开关矩阵形式排列的九个双向功率开关，其双向功率开关分别由两个反向串联的半导体开关组成。
技术介绍
矩阵变换器是一种没有中间回路的直接变换器。通过将双向功率开关排列成3×3开关矩阵的形式，矩阵变换器的三个输出相的每一相可分别与一个输入相连接，每一个输出相通过三个双向功率开关分别与三个输入相连接。通过控制各个双向功率开关，能将给定的交流输入直接转换成不同电压和不同频率的交流输出，并能得到正弦形的电网电流。三相矩阵变换器由九个双向功率开关，按3×3开关矩阵形式构成，通过控制九个双向功率开关可以使输出相A、B、C与任意一个期望的输入相a、b、c直接连接。矩阵变换器的每个输出相A或B或C通过三个双向功率开关与三相输入a,b,c相连接，三相矩阵变换器的主电路和控制电路图如图1所示。在矩阵变换器中，双向功率开关由两个反向串联的半导体开关构成，双向功率开关的电路图如图2所示(以SAa为例)。在中、小功率矩阵变换器中，选用具有一个反并联二极管的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)作为此半导体开关。两个反向串联的半导体开关可采用“共发射极”或者“共集电极”的拓扑结构。通过分别控制两个半导体开关SAa_p和SAa_n，可以将电流路径按某一方向接通。如果定义负载电流从输入相流向输出相为电流正方向，那么当负载电流为正方向时，半导体开关SAa_p导通，当负载电流为负方向时，半导体开关SAa_n导通。一般情况下，允许两个半导体开关SAa_p和SAa_n同时管段，但不允许两个半导体开关SAa_p和SAa_n同时导通，以防输入相之间短路。传统的控制方法一般是首先根据输出电压空间矢量和输入电流空间矢量的幅值和相位，计算出输出电压空间矢量和输入电流空间矢量的所在区间以及对应的调制度，输出电压空间矢量和输入电流空间矢量区间划分图如图3和图4；其次计算出所用电压空间矢量的作用时间；然后根据输入电流空间矢量所在区间和输出电压空间矢量所在区间，确定所用的五个电压空间矢量；最后按照矩阵变换器的空间矢量调制策略，在每个调制周期中电压空间矢量对应的作用时间，确定五个电压空间矢量的开关状态顺序。按此开关状态顺序和作用时间控制双向功率开关，则在每个调制周期中可以获得与期望电压的平均值相同的输出电压。为实现上述控制目的，矩阵变换器的控制一般采用CPU控制器和四步换流逻辑电路(CPLD)复杂可编程逻辑器件来完成。CPU控制器实现输出6路输入电流空间矢量扇区号、6路输出电压空间矢量扇区号和由作用时间生成的4路PWM信号；四步换流逻辑电路(CPLD)复杂可编程逻辑器件实现解码、延迟和开关序列的功能，最终生成18路开关驱动信号输出至驱动电路，以控制矩阵变换器。为了输出6路输入电流空间矢量扇区号和6路输出电压空间矢量扇区号与由作用时间生成的4路PWM信号的同步，还需要使用一片锁存器以实现扇区号和4路PWM信号的同步。这样使得CPU控制器的输出信号过多导致信号之间需要增加信号的同步控制，从而增加控制的难度，同时由于四步换流逻辑电路(CPLD)复杂可编程逻辑器件要实现解码、延迟和开关序列三种功能，使得CPLD复杂可编程逻辑器件的软件编程过于复杂，最终导致控制系统的整体性能变差。
技术实现思路
为克服传统矩阵变换器空间矢量调制策略的不足，本技术提出了一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，有效简化了控制电路，降低了系统控制难度，减少了CPLD的工作量，降低了CPLD软件编程的难度，提高了CPLD的工作效率，减少了系统的故障率，从而使系统的控制性能得到提高。本技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本技术提出的一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其中包括矩阵变换器主电路、负载电流方向信号检测电路、输入电压信号检测电路、CPU控制器、2-4译码器、四步换流逻辑电路；其中，所述输出代表功率开关器件驱动信号的四步换流逻辑电路的输出端与矩阵变换器主电路九个双向功率开关的输入控制端连接；输出代表负载电流方向信号的负载电流方向信号检测电路的输出端与四步换流逻辑电路的电流输入端连接；输出代表输入电压信号的输入电压信号检测电路的输出端与CPU控制器的电压输入端连接；输出代表电压空间矢量地址信号的CPU控制器的输出端与2-4译码器的地址输入端连接；输出代表九个双向功率开关驱动信号的2-4译码器的输出端与四步换流逻辑电路的控制输入端连接。前述的一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其中，所述CPU控制器是利用输出电压空间矢量区间号Sv、输入电流空间矢量区间号Si和空间矢量作用时间顺序号St通过查三维查询电压空间矢量选择表和输出电压空间矢量对应地址信号表得到送入2-4译码器的地址信号的一种控制器。前述的一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其中，所述2-4译码器是把从CPU控制器输出的地址信号换成开关器件的驱动信号并送入四步换流逻辑电路的一种转换器。前述的一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其中，所述四步换流逻辑电路是根据负载电流方向信号检测电路得到的负载电流方向信号实现开关器件准确、安全换流的一种电路。前述的一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其中，负载电流方向信号检测电路由电流传感器构成，所述电流传感器选用霍尔型电流传感器。本技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案进一步实现。一种前述的矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其控制方法是根据输出电压空间矢量区间号Sv、输入电流空间矢量区间号Si和空间矢量作用时间顺序号St，利用CPU控制器查三维查询电压空间矢量选择表(表2)得到当前所用电压空间矢量，再利用电压空间矢量对应的地址信号送入三个2-4译码器产生开关器件的驱动信号，通过四步换流逻辑电路(CPLD)驱动矩阵变换器的九个开关器件，实现对矩阵变换器的控制；其具体步骤如下：(1)：根据期望输出电压幅值和频率求出输出电压空间矢量uo；利用输入电压信号检测电路得到的三相输入相电压求出输入电压空间矢量ui。(2)：利用输出电压空间矢量的幅值Uo和输入电压空间矢量的幅值Ui计算出矩阵变换器的电压调制度m。(3)：利用输出电压空间矢量的相位θo计算出输出电压空间矢量所在的区间Sv，并求出输出电压空间矢量所在区间的相对位置角θo'。(4)：利用输入电压空间矢量的相位θi计算出输入电流空间矢量所在的区间Si，并求出输入电流空间矢量所在区间的相对位置角θ′i。(5)：根据电压调制度m、输出电压空间矢量所在区间的相对位置角θo'和输入电流空间矢量所在区间的相对位置角θ′i计算出电压空间矢量的作用时间：Tαm、Tαn、Tβm、Tβn、T0。(6)：按照九段对称式电压空间矢量调制模式，九段对称式空间矢量调制模式空间矢量作用时间顺序图如图5，根据五个开关状态的调制顺序计算出电压空间矢量作用的时间顺序号St。(7)：根据输出电压空间矢量区间号Sv、输入电流空间矢量区间号Si和空间矢量作用时间顺序号St，利用CPU控制器查三维查询电压空间矢量选择表(表2)得到当前所用电压空间矢量U(s)3，并利用输出电压空间矢量对应地址信号表(表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其特征在于其包括：矩阵变换器主电路、负载电流方向信号检测电路、输入电压信号检测电路、CPU控制器、2‑4译码器、四步换流逻辑电路；其中，所述输出代表功率开关器件驱动信号的四步换流逻辑电路的输出端与矩阵变换器主电路九个双向功率开关的输入控制端连接；输出代表负载电流方向信号的负载电流方向信号检测电路的输出端与四步换流逻辑电路的电流输入端连接；输出代表输入电压信号的输入电压信号检测电路的输出端与CPU控制器的电压输入端连接；输出代表电压空间矢量地址信号的CPU控制器的输出端与2‑4译码器的地址输入端连接；输出代表九个双向功率开关驱动信号的2‑4译码器的输出端与四步换流逻辑电路的控制输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种矩阵变换器空间矢量调制策略的控制系统，其特征在于其包括：矩阵变换器主电路、负载电流方向信号检测电路、输入电压信号检测电路、CPU控制器、2-4译码器、四步换流逻辑电路；其中，所述输出代表功率开关器件驱动信号的四步换流逻辑电路的输出端与矩阵变换器主电路九个双向功率开关的输入控制端连接；输出代表负载电流方向信号的负载电流方向信号检测电路的输出端与四步换流逻辑电路的电流输入端连接；输出代表输入电压信号的输入电压信号检测电路的输出端与CPU控制器的电压输入端连接；输出代表电压空间矢量地址信号的CPU控制器的输出端与2-4译码器的地址输入端连接；输出代表九个双向功率开关驱动信号的2-4译码器的输出端与四步换流逻辑电路的控制输入端连接。2.如权利要求1所述的一种矩阵变换器空间矢量调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬宣德，段晓明，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：新型
国别省市：河南;41