具体实施方式

本发明的核心是提供一种瞬时电压基波信号的重构系统及交流电机驱动控制装置，电机电压采样模块能够根据交流电机的三相脉冲电压和直流电压生成三相数字脉冲电压信号，处理模块基于直流电压和三相数字脉冲电压信号进行相电压脉冲转换以及数字积分处理，以重构交流电机的三相瞬时电压基波信号，从而便于闭环控制系统对变频器进行控制，从而使对交流电机进行控制后，使交流电机按照用户的期望进行运行。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图3，图3为本发明提供的一种瞬时电压基波信号的重构系统的结构示意图，该系统包括：

与变频器连接的直流电压检测模块1，用于采集变频器直流侧的直流电压；

与变频器的输出端及交流电机的输入端连接，并与直流电压检测模块1连接的电机电压采样模块2，用于采集变频器输出的三相脉冲电压，并基于三相脉冲电压和直流电压生成三相数字脉冲电压信号；

分别与直流电压检测模块1及电机电压采样模块2连接的处理模块3，用于基于直流电压和三相数字脉冲电压信号进行相电压脉冲转换以及数字积分处理，以确定交流电机的三相瞬时电压基波信号。

现有技术中通常采用变频器对交流电机进行驱动控制，为了保证交流电机按照期望条件进行运行，通常对交流电机采用闭环控制，即根据交流电机的线圈的期望电压和实际电压对输入到交流电机的电压进行调整，以使交流电机的线圈的实际电压为期望电压。但是，由于交流电机的实际瞬时电压即为变频器中逆变电路的输出电压，且逆变电路的输出电压为一系列时间连续的PWM脉冲序列，其中包括瞬时电压基波信号和各次谐波电压，而只有瞬时电压基波信号是交流电机驱动控制中闭环控制的重要参数，直接影响了交流电机的控制及运行性能，又因为谐波电压的存在，无法直接对瞬时电压基波信号进行采样提取，只能间接提取或重构。

现有技术中在对瞬时电压基波信号进行提取时，第一种方案是直接采用电机驱动控制系统中的控制模块输出的参考电压，请参照图4，图4为现有技术中一种瞬时电压基波信号的重构系统的结构示意图，不需要对交流电机的线圈的电压进行采集测量，理论上交流电机的线圈的瞬时电压基波信号与控制模块输出的参考电压是保持一致的，但由于变频器中逆变电路的开关器件导通时的压降及桥臂死区时间影响，该参考电压与交流电机线圈的实际瞬时电压基波信号之间存在一定的差异，此时通常采用逆变电路非线性算法进行补偿，但该补偿方法受逆变电路中开关器件的特性参数、温漂以及电流过零点检测精度等的影响较大，尤其在交流电机低速、轻载的情况下，交流电机的电流信号过零点检测精度低，会导致实际瞬时电压基波信号与该参考电压的差异进一步加剧。

请参照图5，图5为现有技术中另一种瞬时电压基波信号的重构系统的结构示意图，现有技术中的第二种方案是采用模拟采样电路对交流电机的线圈的电压进行直接采集测量，并采用硬件低通滤波电路，提取其中的瞬时电压基波信号成分，但硬件低通滤波电路存在幅值衰减、相位延迟以及截止频率固定等缺陷，尤其在交流电机变频调速工况下，进行幅值和相位的补偿的实现过程非常复杂，影响瞬时电压基波信号的实时性和精准度，此外，由于交流电机的电压为PWM脉冲，模拟采样电路易将高频噪声引入电机驱动控制系统，影响电机驱动控制系统的可靠性。

为了解决上述技术问题，本申请分别设置了直流电压检测模块1和电机电压采样模块2，其中，直流电压检测模块1能够采集变频器直流侧的直流电压，电机电压采样模块2能够基于变频器输出的三相脉冲电压和直流电压生成三相数字脉冲电压信号，从而使处理模块3进行相电压脉冲转换以及数字积分处理，实现对交流电机的三相瞬时电压基波信号的重构。本申请中不会存在低通滤波电路对电机驱动控制系统产生影响，也不会因硬件低通滤波电路的自身限制影响对交流电机的正常驱动。

综上，本申请中的电机电压采样模块2能够根据交流电机的三相脉冲电压和直流电压生成三相数字脉冲电压信号，处理模块3基于直流电压和三相数字脉冲电压信号进行相电压脉冲转换以及数字积分处理，以重构交流电机的三相瞬时电压基波信号，从而便于闭环控制系统对变频器进行控制，从而使对交流电机进行控制后，使交流电机按照用户的期望进行运行。

在上述实施例的基础上：

请参照图6，图6为本发明提供的一种瞬时电压基波信号的重构系统的具体结构示意图。

作为一种优选的实施例，直流电压检测模块1包括：

第一端与变频器连接的第一分压模块，用于将变频器直流侧的电压降压为预设电压范围内的直流电压；

输入端与第一分压模块的第二端连接的模数转换模块，用于将预设电压范围内的直流电压转换为数字量的直流电压；

电机电压采样模块2具体用于采集变频器输出的三相脉冲电压，并基于三相脉冲电压和预设电压范围内的直流电压生成三相数字脉冲电压信号；

处理模块3具体用于基于数字量的直流电压和三相数字脉冲电压信号进行相电压脉冲转换以及数字积分处理，以确定三相瞬时电压基波信号。

本实施例中的直流检测模块中在采集变频器的直流侧的直流电压时，是将第一分压模块连接在变频器的直流侧，将变频器直流侧的电压降压为预设电压范围内(例如0-15V)的直流电压，从而避免变频器直流侧的大电压对后端器件产生影响；模数转换模块将第一分压模块降压后的直流电压转换为数字量的直流电压，从而便于处理模块3对数字量的直流电压进行处理。

作为一种优选的实施例，直流电压检测模块1还包括：

设置于第一分压模块与模数转换模块之间的跟随放大器，用于跟随第一分压模块输出的预设电压范围内的直流电压。

其中，为了避免电路中电压的损失，本实施例中还设置了跟随放大器，保证了输入至模数转换模块的电压为第一分压模块输出的预设电压范围内的直流电压，保证模数转换模块输出的直流电压的准确。

作为一种优选的实施例，第一分压模块包括第一分压电阻。

本实施例中的第一分压模块可以但不限定为由第一分压电阻构成，为了将变频器直流侧的电压降压为预设电压范围内的直流电压，可以设置多个第一分压电阻，本申请对此不作限定。

此外，分压电阻还有成本低，设置方便的特点。

作为一种优选的实施例，电机电压采样模块2包括：

与变频器的输出端及交流电机的输入端连接的第二分压模块21，用于将变频器输出的三相脉冲电压降压为预设电压范围内的三相脉冲电压；

分别与第二分压模块21和跟随放大器连接的比较模块22，用于基于预设电压范围内的直流电压对预设电压范围内的三相脉冲电压分别进行整形处理，以输出三相数字脉冲电压信号。

本实施例中的第二分压模块21将变频器输出的三相脉冲电压降压为预设电压范围内(例如0-15V)的三相脉冲电压，避免了比较模块22输入大电压后产生故障；申请人考虑到由于预设电压范围内的三相脉冲电压可能随直流电压波动而出现高电平包络线波动，不便于后续进行处理，本申请中的比较，模块通过对预设电压范围内的直流电压和预设电压范围内的三相脉冲电压进行比较，三相脉冲电压大于直流电压时，比较模块22输出高电平，不大于时输出低电平，从而将三相脉冲信号整形为高低电平式的三相数字脉冲电压信号，以便后续直接根据三相数据脉冲电压信号进行处理。

作为一种优选的实施例，第二分压模块21包括第二分压电阻。

其中，本实施例中的第二分压模块21可以但不限定为由第二分压电阻构成，为了将变频器直流侧的电压降压为预设电压范围内的直流电压，可以设置多个第二分压电阻，本申请对此不作限定。

作为一种优选的实施例，电机电压采样模块2还包括：

设置于比较模块22和处理模块3之间的隔离模块23，用于对比较模块22和处理模块3之间的信号进行电气隔离，并基于处理模块3的供电电压将三相数字脉冲电压信号进行电平转换。

作为一种优选的实施例，隔离模块23包括：

与比较模块22连接的光耦，用于对比较模块22和处理模块3之间的信号进行电气隔离；

设置于光耦和处理模块3之间的电平转换模块，用于基于处理模块3的供电电压将三相数字脉冲电压信号进行电平转换。

本实施例中的隔离模块23包括光耦和电平转换模块，其中，光耦能够实现比较模块22和处理模块3之间的信号进行隔离，还具有成本低，连接方式简单的特点；电平转换模块能够基于处理模块3的供电电压将三相数字脉冲电压信号进行电平转换，以便处理模块3对三相数字脉冲电压信号进行处理。

作为一种优选的实施例，处理模块3具体用于基于自身时钟频率对三相数字脉冲电压信号进行采样，且自身时钟频率高于变频器的开关频率；基于直流电压和采样获取的各个三相数字脉冲电压信号进行相电压脉冲转换，以计算出每个时钟周期内的N个三相脉冲宽度调制PWM相电压，N为自身时钟频率和变频器的开关频率之比；对各个时钟周期中N个PWM相电压数字积分处理，以确定各个时钟周期中交流电机的三相瞬时电压基波信号。

本实施例中的处理模块3可以但不限定为FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)数字芯片，由于FPGA数字芯片的电平为3.3V，隔离模块23将三相数字脉冲电压信号转换为0V或3.3V的数字脉冲信号后，送入FPGA数字芯片中的FPGA数字芯片，FPGA数字芯片在每个时钟周期上升沿或下降沿采样三相数字脉冲电压信号和变频器直流侧的直流电压；并基于此计算电机三相PWM相电压，计算公式为：

其中，V_a、V_b和V_c分别为电机a、b、c三相PWM相电压，V_dc为变频器直流侧的直流电压，S_a、S_b和S_c分别为电机a、b、c三相数字脉冲电压信号，其数值为0或1。

将计算出的N个三相PWM相电压分别存入FPGA数字芯片中的三个深度为N的寄存器。寄存器中的数据每个时钟周期更新一次，N的计算公式为：

其中，f_c为FPGA数字芯片的自身时钟频率，一般情况下f_c可取值1MHz-10MHz，f_s为变频器的开关频率，N通常为整数。

对寄存器中的数值进行数字积分，分别得到三相瞬时电压基波信号，计算公式为：

其中，V_a1、V_b1和V_c1分别为电机a、b、c三相瞬时电压基波信号，V_an、V_bn和V_cn分别为寄存器中N个三相PWM相电压(n＝1，2，3…N)。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种交流电机驱动控制装置，包括如上述的瞬时电压基波信号的重构系统，还包括交流电源、变频器、观测器以及控制模块，交流电源的输出端与变频器连接，瞬时电压基波信号的重构系统分别与变频器及变频器的输出端连接，观测器与瞬时电压基波信号的重构系统连接，控制模块与观测器连接；

变频器用于基于交流电源输出的交流电输出期望的驱动电压，以对交流电机进行驱动；

观测器用于对交流电机的三相瞬时电压基波信号进行转换，并输入至控制模块中；

控制模块用于基于用户的设定和三相瞬时电压基波信号对变频器中的各个开关管进行控制，以使变频器输出期望的驱动电压。

控制模块基于用户的设定和三相瞬时电压基波信号对变频器中的各个开关管进行控制，以实现闭环控制。

对于本发明提供的一种交流电机驱动控制装置的介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。