CN101807874A - 实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法及其装置，涉及一种能实现电子换向的直流串励电机控制方法及装置，采用全桥电路来单独控制励磁绕组实现双向电流的控制，采用半桥斩波电路(同励磁绕组)分开实现电枢绕组的单方向电流控制来确保力矩换向，通过电流反馈控制两绕组的电流大小一致，进而确保换向暂态过程的因电子换向额外带来的电火花不利因素被消除，实现直流串励电机的无接触器电子安全换向。能消除因电子换向额外带来的电火花不利因素及电磁式接触器的拉弧和可靠性问题，使整个直流串励电机驱动系统运行稳性提高、寿命延长。

Description

实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种能实现电子换向的直流串励电机控制方法及装置，属于直流有刷电机控制领域。
背景技术
在电力驱动的车辆船舶及其他需要大的启动力矩的应用中，直流串励电机往往由于其技术成熟价格低廉并且有优良的启动力矩特性而得到大量的使用。同时对于电机的正反转控制实现，电磁式的接触器被广泛应用实现较大功率的串励电机的力矩方向换向。但是电磁换向器由于体积较大及大电流下工作有拉弧带来的触点寿命问题一直被希望用无机械触点的电力电子器件所代替。这在中大功率的几个千瓦以上场合尤其需要。
但这在串励电机控制中有困难，因为电机的结构有别于他励式或并励式直流电机。具体说就是串励电机的励磁绕组圈数较小，所需的励磁电流很大如中小型场地车就需100安培以上，频繁地换向切换励磁电流远不如他励式电机实现起来容易。而且，串励电机的励磁绕组直接串接于电枢绕组时会因为两者有相同的感性电流而对集电环与电刷的环火的产生进行抑制，如果简单地将串励电机进行他励式电气连接，在励磁绕组和电枢绕组的电流差别较大时，电刷下换向片所对应的电枢线圈单元内的电抗电动势可能较大，从而导致该换向片的电流不能及时换向引起过大电火花，严重时会击穿集电环环间上方空气绝缘触发环火乃至烧毁电机。如果串励电机换向磁极的绕组实际通过励磁绕组再经电刷与于电枢绕组相串，在励磁绕组与电枢绕组电流不一致时，换向绕组中感应的去电枢反应电动势也将不能按电机设计初衷来补偿换向所需，更加重电火花和环火的危险。所以，目前还没有设备和技术专门针对直流串励电机来实现无电磁触点的电子换向。
发明内容
本发明目的在于提供能实现直流串励电机的无接触器电子安全换向的直流串励电机控制方法。
本发明可以采用两种方法实现：
本发明的一种技术方案是：采用半导体开关元件组成的全桥电路控制直流串励电机的励磁绕组的双向电流，采用半导体开关元件组成的半桥斩波电路实现直流串励电机的电枢绕组的单方向电流控制，通过电流反馈控制系统控制所述励磁绕组和电枢绕组的电流相等。
该技术方案采用全桥电路来单独控制励磁绕组实现双向电流的控制，采用半桥斩波电路(同励磁绕组)分开实现电枢绕组的单方向电流控制来确保力矩换向，通过电流反馈控制两绕组的电流大小一致，进而确保换向暂态过程的因电子换向额外带来的电火花不利因素被消除。
本发明另一技术方案是：采用半导体开关元件组成的半桥电路控制直流串励电机的励磁绕组的单方向电流，采用半导体开关元件组成的全桥斩波电路实现直流串励电机的电枢绕组的双向电流控制，通过电流反馈控制系统控制所述励磁绕组和电枢绕组的电流相等。
该技术方案采用半桥电路来单独控制励磁绕组实现单方向电流控制，采用全桥斩波电路(同励磁绕组)分开实现电枢绕组的双向电流控制来确保力矩换向，通过电流反馈控制两绕组的电流大小一致，进而确保换向暂态过程的因电子换向额外带来的电火花不利因素被消除，都能实现直流串励电机的无接触器电子安全换向。
以上两种控制方法都能消除因电子换向额外带来的电火花不利因素及电磁式接触器的拉弧和可靠性问题，使整个直流串励电机驱动系统运行稳性提高、寿命延长。
本发明所述半导体开关元件可以为MOSFET、IGBT、BJT、GTO、MCT或IGCT中的任意一种。
本发明的第三目的还在于提供一种能实现以上方法的装置：
本发明所述装置包括一个接于直流母线正极和负极之间的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流的电流传感器，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流的电流传感器的信号输出端连接在中央信号处理单元上，所述门极驱动电路分别连接于中央信号处理单元和所述全桥电路、半桥电路之间；所述全桥电路和半桥电路分别由半导体开关元件组成。
使用时，可将全桥电路的另两端分别连接在励磁绕组的两端，将半桥电路的另两端分别连接在电枢绕组的两端；也可将全桥电路的另两端分别连接在电枢绕组的两端，将半桥电路的另两端分别连接在励磁绕组的两端。都可实用用全桥电路对串励电机的励磁或电枢绕组斩波控制其电流方向和大小，用半桥斩波器控制另一绕组的电流大小。同时对两绕组分别安装一电流测量器件来实时反馈控制确保励磁绕组电流和电枢电流相同。
附图说明
图1为本发明的一种电气连接原理图。
图2是采用一种使用普通电磁式换向器来控制串励电机时的接线图。
图3为本发明中央信号处理单元控制原理图。
图4为本发明的另一种电气连接原理图；
图5为本发明的第三种电气连接原理图。
图6为本发明的第四种电气连接原理图。
具体实施方式
本发明提供的基于电力电子半导体开关元器件可以为MOSFET、IGBT、BJT、MCT、IGCT或GTO中的任意一种，或其中任意组合形成全桥电路和半桥电路，硬件装置和相应的控制方法来实现直流串励电机的无接触器电子换向。
控制装置由一个接于直流母线正极和负极之间的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流的电流传感器。励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流的电流传感器的信号输出端连接在中央信号处理单元上，门极驱动电路分别连接于中央信号处理单元和所述全桥电路、半桥电路之间。
如图1所示，电枢绕组一端接于直流母线的正极，另一端通过半导体开关元件及续流二级管组成的半桥电路1对其实现斩波调压；对于励磁绕组则通过一全桥电路2实现其电压电流的双向斩波控制。在励磁绕组和电枢绕组接线上分别有两个电流传感器CT1和CT2，经过(模数)电路转换此两路电流信号给控制装置内的中央信号处理控制单元3，通过控制软件或硬件电路可比较这两个电流再通过斩波来控制协调和实现励磁绕组及电枢绕组的电流大小一致。
作为比较，图2是采用一种使用普通电磁式换向器来控制串励电机时的接线图。在电机电磁力矩方向保持某一方向恒定如图2电磁触点F＝和电磁触点R≠保持接通而电磁触点R＝和F≠保持断开时，电流Ia经过电刷B1流入集电环从而进入电枢绕组，再经过集电环的另一半此电流流入电刷B2，再流入电磁换向器触点F＝从而进入励磁绕组F1端，电流流出励磁绕组F2端经由电磁换向器触点R≠流入斩波器半导体开关单元Q1，再回到电源负极或续流回到电刷B1。电机的合理设计保证了此时电刷在集电环上滑行时没有大的电火花。当电机电磁力矩方向需要改变时，电磁接触器开断触点F＝和触点R≠，开通并保持R＝和F≠的接通，在稳定之前励磁绕组的电流会短时下降为0并反向爬升直至到大小和电刷电流一致，而电枢绕组电流在稳定前则通过Q1内续流二级管基本保持恒定。稳定时，电流Ia经过电刷B1和集电环，电枢绕组，集电环和电刷B2，触点R＝，励磁绕组F2端，励磁绕组F1端，触点F≠，和斩波器Q1形成回路，电枢电流不变但定子磁场换向电磁力矩换向。
图1中，励磁绕组和电枢绕组的电气连接分开，电枢绕组的电流Ia经过电刷B1和集电环流入电枢绕组再经过电刷B2和集电环流出至半导体斩波单元Q1，再经由电源或电刷B1闭合回路。励磁绕组F1和F2端不再直接连接电枢任一端。但只要励磁绕组电流If与电枢绕组的电流Ia大小相同，励磁绕组形成的定子磁场将和图2电路工作时的定子磁场将大小相同，并且电刷在集电环上滑行时对应换向片所在的电刷线圈单元(A2X2)内电磁感应电势将与图2工况时一致，同时此换向片内需要的电流变化率也将和图2相同。对于同一串励电机，图1下的电刷和集电环工作工况将与图2下完全相同，鉴于Ia的一般性，图1所示的新控制装置可完全避免电子换向器可能带来的串励电机电刷与集电环间环火问题。同时电磁力矩的换向可方便地实现如下：
半导体开关M1和M3根据需求进行斩波，M2保持导通，M4保持关断，电流方向将由F1指向F2。当M1导通且M2关断时，励磁绕组电流上升，当M2导通且M1关断时励磁绕组电流下降。通过控制占空比励磁绕组电流可使其和测量到的电枢绕组电流大小相同。此时的电磁力矩方向恒定。当需要力矩换向时，关断M1并导通M3，开通M4和关断M2，励磁绕组的电流将保持原方向但逐渐衰减之零，再上升但方向为F2指向F1直至升到电枢绕组的电流水平，然后对M4和M2进行斩波控制使其大小始终与电枢绕组电流一致，这样就顺利地实现电磁力矩换向。
在实际应用中，电机的输出力矩往往需根据负载需要变化，此时图1控制装置的控制可如图3所示：
外界力矩Td要求被乘以系数ki转化为电枢电流大小的要求Id，中央信号处理控制单元U1根据实测的电枢电流Ia_f大小来判断增加或减少Q1单元的占空比k。鉴于串励电机有飞车的特有危险，控制策略以不含积分环节的线性的控制来实现高的动态性能，k＝min(1，max(0，p*(Id-Ia_f)/Id_max))，Id_max是电机最大允许运行电流，p是线性控制系数。励磁绕组的桥式控制电路在无力矩换向要求时则时刻对励磁绕组进行斩波来使其电流跟随电枢电流；当外来控制信号F/R通知中央信号处理控制单元需要改变力矩方向时，通过M1至M4励磁绕组可迅速改变励磁电流方向实现电磁力矩换向。
另，本发明图1中电枢绕组可以改接为一端固定于直流母线负极，另一端为斩波控制如图4所示，其控制机理与运行方式与图1相同。
本发明中图1中的电枢绕组和励磁绕组也可互换位置，如图5所示，其控制方式和不置换前相同，而控制效果也会相同。这是因为保持固定的定子磁场方向改变电枢电流方向同样也可改变串励电机的电磁力矩方向。但对于控制装置而言图1和图5实为同一装置。
另，本发明图5中励磁绕组可以改接为一端固定于直流母线负极，另一端为斩波控制如图6所示，其控制机理与运行方式与图5相同。对于控制装置而言，图4和图6实为同一装置。

Claims (5)

1.实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法，其特征在于：采用半导体开关元件组成的全桥电路控制直流串励电机的励磁绕组的双向电流，采用半导体开关元件组成的半桥斩波电路实现直流串励电机的电枢绕组的单方向电流控制，通过电流反馈控制系统控制所述励磁绕组和电枢绕组的电流相等。
2.实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法，其特征在于：采用半导体开关元件组成的半桥电路控制直流串励电机的励磁绕组的单方向电流，采用半导体开关元件组成的全桥斩波电路实现直流串励电机的电枢绕组的双向电流控制，通过电流反馈控制系统控制所述励磁绕组和电枢绕组的电流相等。
3.根据权利要求1或2所述实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法，其特征在于所述半导体开关元件为MOSFET、IGBT、BJT、GTO、MCT或IGCT中任一种或它们的任一组合。
4.一种如权利要求1或2所述实现电子力矩换向的直流串励电机控制装置，其特征在于：所述装置包括一个接于直流母线正极和负极之间的全桥电路、一个接于直流母线正极和负极之间的半桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个励磁绕组电流传感器和一个电枢绕组电流的电流传感器，所述励磁绕组电流传感器和电枢绕组电流的电流传感器的信号输出端连接在中央信号处理单元上，所述门极驱动电路分别连接于中央信号处理单元和所述全桥电路、半桥电路之间；所述全桥电路和半桥电路分别由半导体开关元件组成。
5.根据权利要求4所述实现电子力矩换向的直流串励电机控制装置，其特征在于所述半导体开关元件为MOSFET、IGBT、BJT、GTO、MCT或IGCT中任一种或它们的任一组合。
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