CN103414420B - 可变载频电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可变载频电机控制器，包括依次电连接的电机矢量控制模块、模数转换模块、闭环PI调速模块、空间矢量脉宽调制模块和三相逆变器，数转换模块与闭环PI调速模块之间设有坐标变换模块，闭环PI调速模块与空间矢量脉宽调制模块之间设有逆坐标变换模块，可变载频电机控制器还包括有随机载频生成模块，随机载频生成模块的输出端分别与空间矢量脉宽调制模块和电机矢量控制模块电连接。本发明通过实时改变电机载波频率，减低驱动模块以固定周期开关所带来的信号干扰，提高了电机控制品质。
Description
技术领域
本发明是一种基于永磁同步电机电机矢量控制的基础上，实现对可变载频电机进行控制的控制器，属于电力传动控制设备技术领域。
背景技术
目前，交流电机取代直流电机成为了现代电力电子发展的主流方向。交流电机分为同步电机、异步电机两大类。异步电机是通过定子电流的励磁分量来产生气隙磁场，而永磁同步电机是通过转子永磁体来产生气隙磁场，相较于异步电机，永磁同步电机具有结构简单、功率密度大、无励磁损耗、运行效率高等优点。因此永磁同步电机在航空航天、工业自动化装置、电动车、医疗器械、家用电器和计算机外围设备等领域的应用也越来越多。
现有永磁同步电机的控制系统，多采用矢量控制方法对电机进行闭环控制。矢量控制方案是一种计算量较大的电机控制方案，其将三相电动机的相电流/相电压通过Clark和Park矢量变换到两轴的电机旋转坐标系上，然后通过电机的闭环调速系统和逆坐标变换系统，经设置有多个功率晶体管的三相电源换流器输出，用于控制电机的三相交流电流。现有的矢量控制技术是在单片机程序中通过一个定时器中断完成所有的矢量计算，如图3所示，由于定时器的中断周期为固定值，则三相电源换流器中多个晶体管的脉宽调制控制周期也为固定值，这样便导致电机调速系统的载波频率相同，从而产生固定频率的谐波干扰，影响电机控制品质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种脉宽调制控制周期可变，实现对不同载频进行控制的可变载频电机控制器，其能够明显减少电机运转过程中的固定频率的谐波干扰，提高电机控制品质。
本发明的目的主要是通过下述方案得以实现的：一种可变载频电机控制器，包括依次电连接的电机矢量控制模块、模数转换模块、闭环PI调速模块、空间矢量脉宽调制模块和三相逆变器，所述电机矢量控制模块发出的控制信号与模数转换模块的输入端连接，由模数转换模块输出的控制信号经闭环PI调速模块输入给空间矢量脉宽调制模块，由空间矢量脉宽调制模块的输出端将控制信号输入给三相逆变器的输入端，三相逆变器将控制信号信号输入至电机矢量控制模块以达到闭环控制，所述模数转换模块与闭环PI调速模块之间设有坐标变换模块，用于将永磁同步电机的三相电流转换成直轴、交轴上的等效电流，所述闭环PI调速模块与空间矢量脉宽调制模块之间设有逆坐标变换模块，用于将直轴、交轴上的等效电流转换成三相电流，所述可变载频电机控制器还包括有随机载频生成模块，所述随机载频生成模块的输出端分别与空间矢量脉宽调制模块和电机矢量控制模块电连接，所述坐标变换模块包含Clark变换模块和Park变换模块，所述Clark变换模块的输入端与模数转换模块的输出端连接，所述Park变换模块的输入端与Clark变换模块的输出端相连，所述Park变换模块的输出端与闭环PI调速模块的输入端相连。通过Clark变换模块和Park变换模块，将永磁同步电机的三相电流转换成直轴、交轴上的等效电流，所述逆坐标变换模块包含逆Park变换模块和逆Clark变换模块，所述逆Park变换模块的输入端与闭环PI调速模块输出端连接，所述逆Park变换模块的输出端和逆Clark变换模块的输入端连接，所述逆Clark变换模块输出端与空间矢量脉宽调制模块的输入端相连接。通过逆Park变换模块和逆Clark变换模块用于将直轴、交轴上的等效电流转换成三相电流。
采用本方案，在模数转换模块与闭环PI调速模块之间设有坐标变换模块，用于将永磁同步电机的三相电流转换成直轴、交轴上的等效电流，所述闭环PI调速模块与空间矢量脉宽调制模块之间设有逆坐标变换模块，用于将直轴、交轴上的等效电流转换成三相电流，这样的设置可以实现不需位置传感器即可实现对转子位置和转速的观测，简化电机系统内部结构，大大降低电机控制系统的成本，提高电机的稳定性。同时在可变载频电机控制器设置随机载频生成模块，所述随机载频生成模块的输出端分别与空间矢量脉宽调制模块和电机矢量控制模块电连接，由可变载频生成模块生成的变化载频值输入给空间矢量脉宽调制模块，同时随机载频生成模块使电机矢量控制模块中矢量计算程序不受影响，从而实现电机中单片机的计算程序和载频生成程序分离。这样通过实时改变电机载波频率，减低驱动模块以固定周期开关所带来的信号干扰，提高了电机控制品质。
作为优选，所述的随机载频生成模块包括中断定时器和随机载频生成系统，所述中断定时器包括第一中断定时器与第二中断定时器，所述第一中断定时器与电机矢量控制模块电连接，所述第二中断定时器与随机载频生成系统电连接。第一中断定时器与电机矢量控制模块电连接，用于控制模数转换模块、闭环PI调速模块的中断计算，第一中断定时器的中断时间是根据程序的运行时间确定，且大于所运行程序的运行时间，不能随机改变；第二中断定时器用于随机载频生成系统中载频生成计算，通过实时改变第二中断定时器的中断时间，实现载频的实时更新，随机载频通过输出端输入给空间矢量脉宽调制模块。通过第一中断定时器和第二中断定时器实现电机矢量计算程序和载频的分离。
作为优选，所述闭环PI调速模块包括角度估算模块、PI控制模块、弱磁控制模块、D轴PI控制模块和Q轴PI控制模块，所述角度估算模块的输入端与坐标变换模块的输出端相连，所述角度估算模块的输出端与PI控制模块的输入端相连，所述PI控制模块的输出端与弱磁控制模块的输入端相连，所述弱磁控制模块包括第一信号输出端和第二信号输出端两个信号输出端，所述第一信号输出端与D轴PI控制模块的输入端相连，所述第二信号输出端与Q轴PI控制模块的输入端相连，所述D轴PI控制模块的输出端和Q轴PI控制模块的输出端均与逆坐标变换模块相连。
作为优选，所述D轴PI控制模块与Q轴PI控制模块的输出信号还与角度估算模块和弱磁控制模块相连构成反馈电路，所述坐标变换模块的输出信号还输出至D轴PI控制模块和Q轴PI控制模块。
作为优选，所述模数转换模块设置有直流输出接口，所述直流输出接口与弱磁控制模块相连接。
总之，本发明能够简化电机系统内部结构，大大降低电机控制系统的成本，提高电机的稳定性。同时电机矢量计算程序和载频生成程序分离，通过实时改变电机载波频率，减低驱动模块以固定周期开关所带来的信号干扰，大大提高了电机控制品质。
附图说明
图1为本发明可变载频电机控制器的电路原理框图。
图2为本发明可变载频电机控制器的控制流程图。
图3为现有技术中电机控制器的控制流程图。
图示说明：1-电机矢量控制模块、2-模数转换模块、3-Clark变换模块、4-Park变换模块、5-角度估算模块、6-PI控制模块、7-弱磁控制模块、8-D轴PI控制模块、9-Q轴PI控制模块、10-逆Park变换模块、11-逆Clark变换模块、12-空间矢量脉宽调制模块、15-坐标变换模块、14-闭环PI调速模块、13-逆坐标变换模块、16-三相逆变器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。
一种可变载频电机控制器，如图1所示，包括依次电连接的电机矢量控制模块1、模数转换模块2、闭环PI调速模块14、空间矢量脉宽调制模块12和三相逆变器16，所述模数转换模块2与闭环PI调速模块14之间设有坐标变换模块15，所述闭环PI调速模块14与空间矢量脉宽调制模块12之间设有逆坐标变换模块13。所述闭环PI调速模块14包括角度估算模块5、PI控制模块6、弱磁控制模块7、D轴PI控制模块8和Q轴PI控制模块9。所述坐标变换模块15包含Clark变换模块3和Park变换模块4。所述逆坐标变换模块13包含逆Park变换模块10和逆Clark变换模块11。所述的随机载频生成模块包括中断定时器和随机载频生成系统，所述中断定时器包括第一中断定时器与第二中断定时器。所述电机矢量控制模块1的三路信号输出端分别与模数转换模块2的三路信号输入端连接，模数转换模块2的三路信号输出端分别与Clark变换模块3的三路信号输入端连接，Clark变换模块3的两路信号输出端分别与Park变换模块4的两路信号输入端相连。Park变换模块4的第一信号输出端分别与D轴PI控制模块8的第一输入端和角度估算模块5的第一信号输入端相连，Park变换模块4的第二信号输出端分别与Q轴PI控制模块9的第一输入端和角度估算模块5的第二信号输入端相连。角度估算模块5的第三信号输入端和第四信号输入端分别与Q轴PI控制模块9的输出端和D轴PI控制模块8的输出端相连，角度估算模块5的第一输出端分别与Park变换模块4和逆Park变换模块10相连，角度估算模块5的第二输出端与PI控制模块6的输入端相连，PI控制模块6的输出端与弱磁控制模块7的第一输入端相连，弱磁控制模块7的第二输入端和第三输入端分别与Q轴PI控制模块9的输出端和D轴PI控制模块8的输出端相连，弱磁控制模块7的第四输入端与模数转换模块2一路信号输出端相连，弱磁控制模块7包括第一信号输出端和第二信号输出端两个信号输出端，第一信号输出端与D轴PI控制模块8的第二输入端相连，第二信号输出端与Q轴PI控制模块9的第二输入端相连。D轴PI控制模块8的输出端和Q轴PI控制模块9的输出端分别与逆Park变换模块10的两路信号输入端相连，逆Park变换模块10的两路信号输出端和逆Clark变换模块11的两路信号输入端连接，逆Clark变换模块11三路信号输出端分别与空间矢量脉宽调制模块12的三路信号输入端相连接。空间矢量脉宽调制模块12的第四信号输入端与随机载频生成模块相连，空间矢量脉宽调制模块12的三路输出端分别与三相逆变器16的三路信号输入端相连，三相逆变器16的三路信号输出端分别与电机矢量控制模块1的三路信号输入端相连。随机载频生成模块的第一中断定时器与电机矢量控制模块1电连接，第二中断定时器与随机载频生成系统电连接，所述随机载频生成系统与空间矢量脉宽调制模块12相连，至此整个电路形成闭环控制系统。
模数转换模块2与闭环PI调速模块14之间的坐标变换模块15，闭环PI调速模块14与空间矢量脉宽调制模块12之间的逆坐标变换模块13的设置，这样就可以实现将永磁同步电机的三相电流转换成直轴、交轴上的等效电流，然后将将直轴、交轴上的等效电流转换成三相电流，这样的设置可以实现不需位置传感器即可实现对转子位置和转速的观测，简化电机系统内部结构，大大降低电机控制系统的成本，提高电机的稳定性。
同时在可变载频电机控制器上设置随机载频生成模块，随机载频生成模块的第一中断定时器与电机矢量控制模块1电连接，用于控制模数转换模块2、闭环PI调速模块14的中断计算，第一中断定时器的中断时间是根据程序的运行时间确定，且大于所运行程序的运行时间，不能随机改变；第二中断定时器用于随机载频生成系统中载频生成计算，通过实时改变第二中断定时器的中断时间，实现载频的实时更新，随机载频通过输出端输入给空间矢量脉宽调制模块12。这样随机载频生成模块使电机矢量控制模块1中矢量计算程序不受影响，从而实现电机矢量控制模块1的计算程序和载频生成程序分离。如图2所示，由第一中断定时器中的定时器中断程序1控制，通过模数转换模块2实现电流、电压采样和转换，进入坐标变换模块15进行Park变换和Clark变换，转换后由闭环PI调速模块14进行转速PI调节和电流Id、Iq的PI调节，再由逆坐标变换模块13进行逆Park变换和逆Clark变换，进入到空间矢量脉宽调制模块12中，实现空间矢量变换。第二中断定时器中的定时器中断程序2控制随机载频产生，并对进行重新赋值，由三相逆变器16输入到电机矢量控制模块1中。这样通过实时改变电机载波频率，减低驱动模块以固定周期开关所带来的信号干扰，提高了电机控制品质。
实现电机矢量控制模块1的计算程序和载频生成程序的分离基于DSP28035系统上实现，经过测试，该方案不用更改硬件系统，实施简单，技术可靠，信号干扰明显减小。
Claims (4)
1.一种可变载频电机控制器，包括依次电连接的电机矢量控制模块、模数转换模块、闭环PI调速模块、空间矢量脉宽调制模块和三相逆变器，所述电机矢量控制模块发出的控制信号与模数转换模块的输入端连接，由模数转换模块输出的控制信号经闭环PI调速模块输入给空间矢量脉宽调制模块，由空间矢量脉宽调制模块的输出端将控制信号输入给三相逆变器的输入端，三相逆变器将控制信号信号输入至电机矢量控制模块以达到闭环控制，其特征在于，所述模数转换模块与闭环PI调速模块之间设有坐标变换模块，用于将永磁同步电机的三相电流转换成直轴、交轴上的等效电流，所述闭环PI调速模块与空间矢量脉宽调制模块之间设有逆坐标变换模块，用于将直轴、交轴上的等效电流转换成三相电流，所述可变载频电机控制器还包括有随机载频生成模块，所述随机载频生成模块的输出端分别与空间矢量脉宽调制模块和电机矢量控制模块电连接，所述坐标变换模块包含Clark变换模块和Park变换模块，所述Clark变换模块的输入端与模数转换模块的输出端连接，所述Park变换模块的输入端与Clark变换模块的输出端相连，所述Park变换模块的输出端与闭环PI调速模块的输入端相连，所述逆坐标变换模块包含逆Park变换模块和逆Clark变换模块，所述逆Park变换模块的输入端与闭环PI调速模块输出端连接，所述逆Park变换模块的输出端和逆Clark变换模块的输入端连接，所述逆Clark变换模块输出端与空间矢量脉宽调制模块的输入端相连接，所述的随机载频生成模块包括中断定时器和随机载频生成系统，所述中断定时器包括第一中断定时器与第二中断定时器，所述第一中断定时器与电机矢量控制模块电连接，所述第二中断定时器与随机载频生成系统电连接。
2.根据权利要求1所述的可变载频电机控制器，其特征在于，所述闭环PI调速模块包括角度估算模块、PI控制模块、弱磁控制模块、D轴PI控制模块和Q轴PI控制模块，所述角度估算模块的输入端与坐标变换模块的输出端相连，所述角度估算模块的输出端与PI控制模块的输入端相连，所述PI控制模块的输出端与弱磁控制模块的输入端相连，所述弱磁控制模块包括第一信号输出端和第二信号输出端两个信号输出端，所述第一信号输出端与D轴PI控制模块的输入端相连，所述第二信号输出端与Q轴PI控制模块的输入端相连，所述D轴PI控制模块的输出端和Q轴PI控制模块的输出端均与逆坐标变换模块相连。
3.根据权利要求2所述的可变载频电机控制器，其特征在于，所述D轴PI控制模块与Q轴PI控制模块的输出信号还与角度估算模块和弱磁控制模块相连构成反馈电路，所述坐标变换模块的输出信号还输出至D轴PI控制模块和Q轴PI控制模块。
4.根据权利要求3所述的可变载频电机控制器，其特征在于，所述模数转换模块设置有直流输出接口，所述直流输出接口与弱磁控制模块相连接。
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