一種調壓調磁電機控制方法
2023-09-24 13:08:30 1
一種調壓調磁電機控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種調壓調磁電機控制方法，屬於電機控制【技術領域】。本發明以異步電機、正弦波永磁同步電機以及方波無刷直流電機等交流電機為控制對象，以氣隙磁鏈和瞬時轉矩作為控制變量，在三相逆變橋前級加入一個能夠輸出多種離散直流電平的DC/DC變換器，通過切換前級變換器電平的方法控制氣隙磁鏈的旋轉速度，實現調壓調磁，有效降低了斬波頻率，並且能夠在起動時實現軟起動。本方法不需要位置傳感器，控制簡單，並且能夠同時適應異步電機、正弦波永磁同步電機以及方波無刷直流電機等交流電機，通用性很強。
【專利說明】一種調壓調磁電機控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機控制【技術領域】，尤其涉及一種調壓調磁電機控制方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，在傳動領域，由機械傳統、液壓傳統、氣壓傳統以及電力傳動各分天下的 時代正在逐步過渡到以電力傳統為主時代。電力傳統的核心部件之一是電機驅動器。高性 能的電機驅動器一直是傳動領域的研究熱點。
[0003] 目如，提1?驅動器性能的方法的主要思路是，提1?效率、提1?可罪性、提1?調速範 圍、提高控制精度以及簡化算法。提高效率就是指要降低損耗，這裡的損耗主要只開關損 耗、鐵損以及銅損。提高可靠性的關鍵包含了軟起動、散熱以及EMI三個問題。控制器發熱 主要是由於功率管開通或關斷時損耗而引起，而EMI問題很大程度上也是由於開關頻率過 1?而引起，調速範圍的大小也與開關頻率息息相關，所以提1?控制性能的一大關鍵在於在 保證控制性能的情況下降低開關頻率。
[0004] 現有的電機控制方法往往是直接對逆變器進行斬波控制，這樣做一是開關頻率較 高，不但開關損耗大，而且無法實現較高的調速範圍。二是起動時為硬起動，無法適用於電 感很小的電機，然而體積重量較小的電機往往電感都較小，因此會使得可靠起動和體積小 重量輕成為矛盾。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中的缺陷，提供一種調壓調磁電機控 制方法，能夠在開關頻率較低的的情況下獲得良好的控制性能，並實現軟起動，且無需位置 傳感器、動態響應快、魯棒性強。
[0006] 本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案： 一種調壓調磁電機控制方法，包含電機、控制器、多電平DC/DC變換器和三相逆變橋， 所述控制器包含轉速PI調節器、轉矩滯環控制器以及區間選擇表，包含以下步驟： 步驟1 )，多電平DC/DC變換器根據電機的當前轉速選擇兩個最接近當前反電勢值的高 低電平，分別作為"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"； 步驟2)，控制器根據相電壓、相電流的採樣信號計算得到電機的瞬時氣隙磁鏈、瞬時轉 矩和瞬時轉速； 步驟3)，控制器根據所述瞬時氣隙磁鏈計算其在空間坐標軸中的投影值後，在區間選 擇表中查找到該投影值對應的三相逆變橋功率管的導通狀態，並將三相逆變橋的功率管切 換到該導通狀態，以此控制氣隙磁鏈的旋轉方向； 步驟4)，控制器將給定轉速減去步驟2)中計算得到的瞬時轉速後，經過其轉速PI調節 器調節得到給定轉矩； 步驟5)，控制器將給定轉矩減去步驟2)中計算得到的瞬時轉矩，輸入其轉矩滯環控制 器後得到控制氣隙磁鏈旋轉速度的斬波控制信號； 步驟6)，轉矩滯環控制器輸出斬波控制信號對多電平DC/DC變換器進行斬波控制，使 得母線電壓在"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"之間不停切換； 步驟7)，重複步驟1)至步驟6)，使得轉速和轉矩處於閉環控制狀態。
[0007] 本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果： 1、 採用前級多電平DC/DC變換器為逆變器供電，根據實時轉速選擇母線電平，實現了 軟起動，避免了電流過衝； 2、 無需位置傳感器，降低了系統的體積和成本和對控制器的要求； 3、 採用了調節母線電壓調磁鏈旋轉速度的方式，由於"高速電壓矢量"和"低速電壓矢 量"的作用時間較長，因此有效降低了開關頻率； 4、 算法簡單、魯棒性強、動態響應快； 5、 能夠適用於多種類型的電機，包括異步電機、正弦波永磁同步電機以及方波無刷直 流電機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發明的電氣連接圖； 圖2為電壓空間矢量在本控制方法中的作用示意圖； 圖3為本發明提出控制方法在某相區內的等效電路； 圖4為本發明提出控制方法的控制框圖。
【具體實施方式】
[0009] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明： 如圖4所示，本發明公開了一種調壓調磁電機控制方法，包含電機、控制器、多電平DC/ DC變換器和三相逆變橋，所述控制器包含轉速PI調節器、轉矩滯環控制器以及區間選擇 表，包含以下步驟： 步驟1 )，多電平DC/DC變換器根據電機的當前轉速選擇兩個最接近當前反電勢值的高 低電平，分別作為"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"； 步驟2)，控制器根據相電壓、相電流的採樣信號計算得到電機的瞬時氣隙磁鏈、瞬時轉 矩和瞬時轉速； 步驟3)，控制器根據所述瞬時氣隙磁鏈計算其在空間坐標軸中的投影值後，在區間選 擇表中查找到該投影值對應的三相逆變橋功率管的導通狀態，並將三相逆變橋的功率管切 換到該導通狀態，以此控制氣隙磁鏈的旋轉方向； 步驟4)，控制器將給定轉速減去步驟2)中計算得到的瞬時轉速後，經過其轉速PI調節 器調節得到給定轉矩； 步驟5)，控制器將給定轉矩減去步驟2)中計算得到的瞬時轉矩，輸入其轉矩滯環控制 器後得到控制氣隙磁鏈旋轉速度的斬波控制信號； 步驟6)，轉矩滯環控制器輸出斬波控制信號對多電平DC/DC變換器進行斬波控制，使 得母線電壓在"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"之間不停切換； 步驟7)，重複步驟1)至步驟6)，使得轉速和轉矩處於閉環控制狀態。
[0010] 本發明通過對前級多電平DC/DC變換器的電平切換，實現多種離散的母線電平交 替作用於電機，進而實現氣隙磁鏈轉速和瞬時轉矩的控制。
[0011] 母線電平的值決定了電壓空間矢量的模值，電壓空間矢量對電機氣隙磁鏈的作用 如圖1所示，其中，UX為電壓空間矢量，Fs為氣隙磁鏈，^為轉子磁鏈，Θ為轉矩角。氣隙 磁鏈F s在電壓空間矢量ux的作用下，沿著ux的方向運動，運動速度由ux大小所決定。而 轉子磁鏈^在電磁轉矩的作用下朝著氣隙磁鏈運動的方向旋轉，旋轉速度等同於轉速。因 此在一段時間T內，兩者運動電角度路程差如式（1)所示。 " O.SiuT
[0012] Δ0 = Zarcsin-:--ωΤ (1) Ρδ 其中，《Fs為反電勢項，由轉速和氣隙磁鏈值決定。Θ為轉矩角，其值與電磁轉矩大小 成正比。
[0013] 從式（1)可以看出，穩態時，電角度路程差僅僅取決於電壓空間矢量ux，因此，電壓 空間矢量^能夠使得△ Θ發生變化，進而使瞬時轉矩發生變化，這是直接轉矩控制最基本 的依據。傳統直接轉矩控制方案中，常採用有效電壓矢量和零矢量交替作用的方式來控制 Δ Θ進而控制電磁轉矩。
[0014] 對於電機來說，以其運行在高速狀態為例：高速運行時，其往往工作在定子線反電 勢比較接近於母線電壓的狀態，也就是說，《Fs的值接近於母線電壓值而遠離零值，那麼採 用傳統控制方案時，就是使得零矢量的作用時間很短，造成瞬時開關頻率過大。
[0015] 本發明所提出的控制方案等效電路如圖2所示，前級多電平DC/DC變換器能夠輸 出η個不同的離散直流電平，且…〉
[0016] 設功率管TN切換到1時為"導通狀態"、切換到2時為關斷狀態，那麼可以通過選 擇不同的功率管T N導通以選擇不同的直流電平作用於母線。例如，如果將τ3至TN全部關 閉，τ 2保持恆通，1\進行斬波，那麼便可以實現母線電壓在^和^之間不停的切換，實現 切換母線電平的功能。
[0017] 本發明中的控制算法框圖如圖3所示，虛線框部分為直接轉矩控制算法部分，該 部分與傳統直接轉矩控制方法類似。利用Clark變換以及反電勢積分環節得到氣隙磁鏈 Fs，再利用氣隙磁鏈和定子電流估計得到電磁轉矩的瞬時值Te。然後將氣隙磁鏈通過合適 的坐標變換得到換向信號，並藉此選擇三相逆變橋的導通開關，實現電機換向。給定轉速V* 經過與實際轉速v比較，再經PI調節後得到電磁轉矩的給定值Te*。給定電磁轉矩Te*通 過與估計得到的電磁轉矩Te相比較得到Λ T，在通過轉矩滯環控制器生成用於調節瞬時電 磁轉矩的斬波控制信號。
[0018] 下面結合圖3說明本控制方案的工作原理。起動階段，由於轉速為零，因此控制系 統會對保持?\至全部關斷，並對ΤΝ進行斬波，即選擇最小的電平V#作為起動用的高速 電壓矢量，選擇零電平作為低速電壓矢量，即高速電壓矢量和低速電壓矢量的組合為α Ν， 〇)。隨著轉速逐漸增高，控制器會調整高速電壓矢量和低速電壓矢量的組合到 在逐漸調整到)以此類推，使得氣隙磁鏈慢慢加速直到穩態，實現軟起動，避免 電流過衝。
[0019] 當電機進入穩態控制後，轉速一定，假設此時控制器選擇Vd和V&兩個電平分別作 為高速電壓矢量和低速電壓矢量。控制器將控制τ2恆通，並對?\進行斬波控制，斬波控制 信號由轉矩滯環控制器提供，開關管Τ 3至ΤΝ全部關斷。母線電平不停的在L和V&之間進 行切換，由此實現了低開關頻率下的氣隙磁鏈和瞬時轉矩控制。
[0020] 如果出現負載突變或者轉速給定突變的情況，控制器可以根據轉速比較器和轉矩 比較器的輸出值來判斷，電機是否運行在穩態。如果電機運行在暫態，那麼就選擇對氣隙磁 鏈作用更強的母線電平來加快動態響應。例如，負載突卸時，轉矩比較器的輸出值ΛΤ將瞬 間變大，這時可以直接切換到零電平，迫使氣隙磁鏈停止，使得電磁轉矩Te快速減小，提高 轉矩的動態響應。
【權利要求】
1. 一種調壓調磁電機控制方法，包含電機、控制器、多電平DC/DC變換器和三相逆變 橋，所述控制器包含轉速PI調節器、轉矩滯環控制器以及區間選擇表，其特徵在於包含以 下步驟： 步驟1 )，多電平DC/DC變換器根據電機的當前轉速選擇兩個最接近當前反電勢值的高 低電平，分別作為"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"； 步驟2)，控制器根據相電壓、相電流的採樣信號計算得到電機的瞬時氣隙磁鏈、瞬時轉 矩和瞬時轉速； 步驟3)，控制器根據所述瞬時氣隙磁鏈計算其在空間坐標軸中的投影值後，在區間選 擇表中查找到該投影值對應的三相逆變橋功率管的導通狀態，並將三相逆變橋的功率管切 換到該導通狀態，以此控制氣隙磁鏈的旋轉方向； 步驟4)，控制器將給定轉速減去步驟2)中計算得到的瞬時轉速後，經過其轉速PI調節 器調節得到給定轉矩； 步驟5)，控制器將給定轉矩減去步驟2)中計算得到的瞬時轉矩，輸入其轉矩滯環控制 器後得到控制氣隙磁鏈旋轉速度的斬波控制信號； 步驟6)，轉矩滯環控制器輸出斬波控制信號對多電平DC/DC變換器進行斬波控制，使 得母線電壓在"高速電壓矢量"和"低速電壓矢量"之間不停切換； 步驟7)，重複步驟1)至步驟6)，使得轉速和轉矩處於閉環控制狀態。
【文檔編號】H02P21/06GK104113254SQ201410296150
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】顧聰, 王曉琳 申請人:南京航空航天大學