一種電壓源逆變器制動電路的控制方法及裝置的製作方法

2023-05-15 10:58:26

專利名稱：：一種電壓源逆變器制動電路的控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
：本領域涉及電機控制領域，尤其涉及一種電壓源逆變器制動電路的控制方法及裝置。
背景技術：
：基於電壓源逆變器(VoltageSourceInverter-VSI)的交流電機驅動控制系統在現代電氣傳動領域得到了廣泛的應用，對提高電氣傳動系統運行性能和節約能源具有重要意義。在電機驅動控制應用中，當電機處於減速制動狀態時，電壓源逆變器的直流母線電壓會升高，如果不加以控制，則可能超過直流母線電容或功率器件的最大耐壓，並導致硬體損毀。因此，直流母線的泵生電壓的抑制對於電壓源逆變器的可靠工作非常重要。目前比較先進但成本昂貴的方法是採用PWM(PulseWidthModulationrectifier,脈衝寬度調製)整流器(Malinowski,Μ.；Kazmierkowski,Μ.P.；Trzynadlowski,Α.Μ.AcomparativestudyofcontroltechniquesforPWMrectifiersinACadjustablespeeddrives[J].PowerElectronics,IEEETransactionsonIssueDate:Nov.2003Volume:18Issue6Onpage(s):1390-1396ISSN:0885_8993.)為VSI提供直流方式供電，當電機工作於制動回饋狀態時，直流母線電壓將升高，PWM整流器自動將能量回饋到電網上。但基於PWM整流器的方式，由於其成本較高，只適合於使用於成本不敏感的高端應用場合，如應用於數控工具機等領域的西門子SIMATICS120系列的產品。在中低端的驅動控制領域，還有很多驅動器是基於整流橋方式為電壓源逆變器提供直流供電，在這樣的應用條件下，可以通過降低轉矩電流的變化率的方式來降低直流母線的泵升電壓(HanLi；WenXuhui；ChenGuilan；ZhaoFeng；GaoJingwen.APracticalSoftwareStrategytoReduceDCBusBarSurgeVoltageinACDrivesFedbyVSI[C].PowerElectronicsSpecialistsConference,2007.PESC2007.IEEEIssueDate:17_21June2007Onpage(s):497_502Location:0rlando，FLISSN:0275_9306·)，或釆用通過直流母線電壓限制閉環控制的方式來自適應降低轉矩電流的方案(Jhng，J.；Holtz,J.AnefficientbrakingmethodforcontrolledACdriveswithadioderectifierfrontend[J].IndustryApplications,IEEETransactionsonIssueDate:Sep/0ct2001Volume:37Issue:50npage(s):1299_1307ISSN:0093_9994.)。這兩種方案雖然可以通過軟體的方案實現直流母線電壓限制，但伴隨的缺點是犧牲或降低了轉矩的動態控制性能；而且，對永磁同步電機在高速弱磁狀態下發生失控，反電動勢快速產生的場合也並不適用。另外一種在中小功率逆變器驅動中簡單常見的方案是安裝制動電阻來抑制過高的電壓。當前大多數的產品控制方法主要是簡單的硬體滯環比較控制方式，當電壓高於設定瀉放導通電壓時，通過制動電阻瀉放，當低於設定瀉放關閉電壓時，停止瀉放(趙永成，宋立群，張國力[J].變頻調速系統中能耗制動電路的設計與實現.江蘇電器2007年01期.)。該控制方法過於簡單，硬體修改參數麻煩，容易發生故障並燒壞制動電阻。
發明內容本發明要解決的技術問題是如何優化直流母線泵生電壓的控制，避免燒壞制動電阻。為了解決上述問題，本發明提供了一種電壓源逆變器制動電路的控制裝置，包括用於驅動制動電路的驅動電路、脈衝寬度調製PWM波形生成器；測量單元，用於採樣測量直流母線的瞬時電壓；計算單元，用於根據所述瞬時電壓、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值R計算得到所述制動電阻的瞬時功率；低通濾波器，用於對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；第一控制器，用於對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；第二控制器，用於根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；乘法器，用於得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；所述PWM波形生成器用於以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給所述驅動電路。進一步地，所述的裝置還包括限幅器，連接在所述第一控制器和所述乘法器之間，用於將所述功率因子佔空比限制在0到1之間，包括0和1。進一步地，所述第一控制器為一個比例積分PI調節器；所述第二控制器為一個比例積分PI調節器，或者為一個Bang-Bang控制器。進一步地，所述第二控制器為Bang-Bang控制器；所述預設的電壓閾值包括第一電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之和；第二電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之差；本實施例中，所述第二控制器根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比具體是指所述第二控制器當所述瞬時電壓大於所述第一電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為1；當所述瞬時電壓小於所述第二電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為0；其它情況則保持和上個採樣周期相同的電壓因子佔空比。本發明還提供了一種電壓源逆變器制動電路的控制方法，包括採樣測量直流母線的瞬時電壓；根據所述瞬時電壓、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值R計算得到所述制動電阻的瞬時功率；對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給用於驅動所述制動電路的驅動電路。進一步地，所述得到功率因子佔空比的步驟後、得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積的步驟前還包括將所述功率因子佔空比限制在0到1之間，包括0和1。進一步地，所述根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比的步驟中，採用比例積分方式得到電壓因子佔空比，或採用Bang-Bang方式得到電壓因子佔空比。進一步地，採用Bang-Bang方式得到電壓因子佔空比；所述預設的電壓閾值包括第一電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之和；第二電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之差；所述根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比的步驟包括當所述瞬時電壓大於所述第一電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為1；當所述瞬時電壓小於所述第二電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為0；其它情況則保持上個採樣周期相同的電壓因子佔空比。本發明的技術方案針對使用制動電阻的實際瀉放需求，提出了一種新的制動電阻控制策略，該控制方案充分考慮了制動電阻的額定功率，使用率，電阻值以及最大允許衝擊時間，既考慮了直流母線電壓限制的需求，也考慮了制動電阻的最大功率和衝擊時間限制，通過電壓因子通道和功率因子通道的聯合設計，實現了制動電阻的優化瀉放控制。本發明可通過軟體來靈活實現配置工作參數。本發明的技術方案已通過基於TMS320F28335的浮點DSP控制平臺，用永磁同步電機的弱磁失控等實驗驗證了有效性和實用性。圖1為實施例一的電壓源逆變器制動電路的控制裝置的示意框圖；圖2為實施例一的例子裡，永磁同步電機弱磁失控情況下直流母線電壓和制動電阻流過的電流的示意圖；圖3為實施例一的例子裡，直流母線電壓與瀉放工作點電壓比較接近條件下的直流母線電壓和制動電阻流過的電流的示意圖；圖4為實施例一的例子裡，直流母線電壓長期大於瀉放工作點電壓條件下的直流母線電壓和制動電阻流過的電流的示意圖。具體實施例方式下面將結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行更詳細的說明。需要說明的是，如果不衝突，本發明實施例以及實施例中的各個特徵可以相互結合，均在本發明的保護範圍之內。另外，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，並且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟。實施例一、一種電壓源逆變器制動電路的控制裝置，如圖1所示，包括用於驅動制動電路的驅動電路；測量單元，可以但不限於為一電壓傳感器，用於採樣測量直流母線的瞬時電壓Udc;計算單元，用於根據所述瞬時電壓Ud。、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值R計算得到所述制動電阻的瞬時功率；低通濾波器LPF，用於對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；第一控制器，用於對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；第二控制器，用於根據所述Ud。與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；乘法器，用於得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；PWM波形生成器，用於以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給所述驅動電路。本實施例中，所述裝置還可以包括一限幅器，連接在所述第一控制器和所述乘法器之間，用於將所述功率因子佔空比限制在0到1之間，包括0和1。本實施例中，所述第一控制器和所述限幅器可合稱為功率因子通道，所述第二控制器可合稱為電壓因子通道。本實施例中，所述第一控制器可以為一個比例積分PI調節器；所述第二控制器也可以為一個比例積分PI調節器，或者為一個Bang-Bang控制器。本實施例的核心思想是充分利用制動電阻的最大瀉放能力，實現快速和安全的直流母線電壓泵升電壓控制。本實施例的方案中，如果所述功率差值(所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值)為正(即所述平均功率小於預設的允許最大功率)，則根據所述電壓佔空比因子制動，如果第二控制器為Bang-Bang控制器，則是按照Bang-Bang方式控制制動；如果不為正(即所述平均功率達到或超過預設的允許最大功率)則根據對所述功率差值比例、積分得到的功率因子佔空比實施制動瀉放。本實施例中，當所述第二控制器為Bang-Bang控制器時，所述預設的電壓閾值可以包括第一電壓閾值，為制動時直流母線電壓瀉放工作點電壓(本文中簡稱為瀉放工作點電壓)與制動時直流母線電壓滯環值(本文中簡稱為電壓滯環值)之和；第二電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之差。本實施例中，所述第二控制器根據所述Ud。與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比具體可以是指所述第二控制器當Ud。大於所述第一電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為1；當Udc小於所述第二電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為0；其它情況則保持上個採樣周期相同的電壓因子佔空比。可見，當直流母線電壓大於瀉放工作點電壓與電壓滯環值的和時，電壓瀉放電路工作；當直流母線電壓小於瀉放工作點電壓與電壓滯環值的差時，電壓瀉放電路停止工作。通過設置電壓滯環值，可以避免制動電路在瀉放工作點反覆跳轉。實際應用時，也可設計為所述第二控制器當Udc等於所述第一/第二電壓閾值時，得到電壓因子佔空比為1/0。本實施例由於同時考慮直流母線泵升電壓的限制和制動電阻功率的限制，實現了制動瀉放的優化控制。如果按照Bang-Bang方式控制制動，則允許在短時間內進行大電流放電處理，如有些電阻允許5秒10倍過載；電壓因子通道設計採用滯環Bang-Bang控制可以得到靈敏的響應速度，電壓因子通道輸出的響應可以在數字控制器的一個採樣周期內即可完成。本實施例中，為控制直流母線電壓的泵升，選擇制動電阻時可考慮如下6個參數，這些參數可作為控制參數設定，並可以更改。表1、制動放電控制相關設定參數權利要求1.一種電壓源逆變器制動電路的控制裝置，包括用於驅動制動電路的驅動電路、脈衝寬度調製PWM波形生成器；測量單元，用於採樣測量直流母線的瞬時電壓；其特徵在於，還包括計算單元，用於根據所述瞬時電壓、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值R計算得到所述制動電阻的瞬時功率；低通濾波器，用於對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；第一控制器，用於對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；第二控制器，用於根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；乘法器，用於得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；所述PWM波形生成器用於以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給所述驅動電路。2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括限幅器，連接在所述第一控制器和所述乘法器之間，用於將所述功率因子佔空比限制在0到1之間，包括0和1。3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述第一控制器為一個比例積分PI調節器；所述第二控制器為一個比例積分PI調節器，或者為一個Bang-Bang控制器。4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述第二控制器為Bang-Bang控制器；所述預設的電壓閾值包括第一電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之和；第二電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之差；本實施例中，所述第二控制器根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比具體是指所述第二控制器當所述瞬時電壓大於所述第一電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為1；當所述瞬時電壓小於所述第二電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為0；其它情況則保持和上個採樣周期相同的電壓因子佔空比。5.一種電壓源逆變器制動電路的控制方法，包括採樣測量直流母線的瞬時電壓；根據所述瞬時電壓、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值R計算得到所述制動電阻的瞬時功率；對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給用於驅動所述制動電路的驅動電路。6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述得到功率因子佔空比的步驟後、得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積的步驟前還包括將所述功率因子佔空比限制在0到1之間，包括0和1。7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比的步驟中，採用比例積分方式得到電壓因子佔空比，或採用Bang-Bang方式得到電壓因子佔空比。8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於採用Bang-Bang方式得到電壓因子佔空比；所述預設的電壓閾值包括第一電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之和；第二電壓閾值，為瀉放工作點電壓與電壓滯環值之差；所述根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比的步驟包括當所述瞬時電壓大於所述第一電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為1；當所述瞬時電壓小於所述第二電壓閾值時，得到的電壓因子佔空比為0；其它情況則保持上個採樣周期相同的電壓因子佔空比。全文摘要本發明公開了一種電壓源逆變器制動電路的控制方法及裝置，方法包括採樣測量直流母線的瞬時電壓；根據所述瞬時電壓、制動PWM佔空比和制動電阻的阻值計算得到所述制動電阻的瞬時功率；對所述瞬時功率進行低通濾波得到所述制動電阻的平均功率；對所述制動電阻的允許最大功率和所述平均功率的差值進行比例、積分，得到功率因子佔空比；根據所述瞬時電壓與預設的電壓閾值的差值得到電壓因子佔空比；得到所述電壓因子佔空比和所述功率因子佔空比的乘積；以所述乘積作為所述制動PWM佔空比，生成PWM波形，並輸入給用於驅動所述制動電路的驅動電路。本發明可優化直流母線泵生電壓的控制，避免燒壞制動電阻。文檔編號H02P3/22GK102223059SQ20111015517公開日2011年10月19日申請日期2011年6月10日優先權日2011年6月10日發明者夏燕蘭,姚宏,韓利申請人:北京和利時電機技術有限公司