CN103618487B - 励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法。控制系统通电，第一个控制周期为：先预设串励电动机的端电压等值，读取电动势输入控制量和励磁绕组最大总端电压设定值，计算串励电动机的电枢电动势、励磁绕组的总端电压控制值和电动机端电压控制值，脉宽调制控制串励电动机的端电压；第二个控制周期为：采集串励电动机的端电压和串励电动机任一励磁绕组的端电压，读取电动势输入控制量和励磁绕组最大总端电压设定值，计算串励电动机的电枢电动势等值；控制器按第二个控制周期的控制顺序进行循环重复控制。本发明方法使串励电动机调速驱动系统的转速线性可调，堵转转矩可设定，动态响应快，具有软机械特性和电流过载保护。

Description

励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法

技术领域

本发明属于串励电机控制技术领域，涉及一种励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法。

背景技术

串励电动机具有软机械特性，应用于电力牵引车、电动工具、缝纫机和搅拌机等需软机械特性电动机驱动的设备。调节串励电动机的端电压能够实现对串励电动机驱动系统的调速。采用不同的控制方法调节串励电动机的端电压，能够赋予串励电动机调速驱动系统不同的静态和动态性能。

在调节串励电动机的端电压调速时，若直接对转速作无静差闭环控制，能实现对系统的线性调速，但需增设转速测量装置，增加系统的制造成本，还会使调速系统丧失串励电动机特有的软机械特性。需要研究既能线性调速，又能使系统保持软机械特性，并无需测量转速的调速控制方法。

在调节串励电动机端电压调速时，若增加对串励电动机的电磁转矩控制，则既可提高系统的动态性能，还可调节设定电动机的堵转转矩，并为电动机提供电流过载保护。但常用的电动机转矩控制方法复杂，需要研究基于励磁绕组与电枢绕组串联特征的串励电动机电磁转矩控制的特有方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，使得串励电动机的转速线性可调、无测速装置、驱动系统具有转矩控制功能和软机械特性。

为实现上述控制要求，本发明所采用的技术方案是：一种励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，

启动串励电动机调速驱动系统中的控制器，

控制器进入第一个控制周期T_c，控制器的控制顺序为：先预设串励电动机的端电压u＝0、励磁绕组的总端电压u_f＝0和控制器中的积分电压u_I＝0，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*；

控制器进入第二个控制周期，对系统实施以T_c为周期的重复循环测试与控制，控制器的控制顺序为：采集串励电动机的端电压u和串励电动机两个相同励磁绕组中任意一个励磁绕组的端电压0.5u_f，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*；

所述控制器对串励电动机电枢电动势e的计算为：

e＝u-(1+R_a/R_f)u_f，式中R_a和R_f分别为串励电动机的电枢绕组电阻和励磁绕组总电阻；

所述控制器对串励电动机励磁绕组总端电压控制值u_f ^*的计算为：

积分电压u_I＝K_I(e^*-e)+u_I，式中等号右边的u_I为上个控制周期的u_I值，等号左边的u_I为本控制周期新的u_I值，式中的K_I为积分计算系数；

再计算u_f ^*＝K_P(e^*-e)+u_I，式中的K_P为比例计算系数，当计算出的u_f ^*>U_fm ^*或u_f ^*<-U_fm ^*时，限定u_f ^*＝U_fm ^*或u_f ^*＝-U_fm ^*；

所述控制器对串励电动机端电压控制值u^*的计算为：

u^*＝(1+R_a/R_f)u_f ^*+e，当计算出的u^*>U_N或u^*<0时，限定u^*＝U_N或u^*＝0，式中的U_N为串励电动机的额定电压。

本发明的有益效果是，使控制系统转速线性可调并具有软机械特性；控制系统的串励电动机堵转转矩可调节设定；控制系统的动态响应加快；控制系统为串励电动机提供电流过载保护。

附图说明

图1为本发明方法所应用的串励电动机调速驱动系统实施例的电路原理图；

图2为本发明的串励电动机调速驱动系统控制方法的控制流程图。

图中，1、数字微控制器；2、电压0.5u_f测量电路；3、电压u测量电路；4、隔离驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，为本发明方法所应用的串励电动机调速驱动系统实施例电路，该串励电动机调速驱动系统包括串励电动机、不可控整流部分及脉宽调制降压斩波电源部分连接而成，

在串励电动机的电枢绕组两端分别串接有励磁绕组L1和L2，

不可控整流部分包括二极管D1～D4、电阻R和电容C，其中的二极管D1与D3的串联支路和二极管D2与D4的串联支路并联，二极管D1与D3之间的连接点、二极管D2与D4之间的连接点同时对外与单相交流电源对应连接；二极管D1与D2的负极同时与电阻R连接，电阻R另一端与二极管D3与D4的正极之间连接有电容C，

脉宽调制降压斩波电源部分包括控制器、全控型的功率电子开关器件V和续流二极管D，其中的控制器包括数字微控制器1、励磁绕组L2端的电压0.5u_f测量电路2、串励电动机的端电压U测量电路3和功率电子开关器件V的隔离驱动电路4，

励磁绕组L1和L2的外端分别与续流二极管D的正负极连接，续流二极管D的正负极分别与串励电动机的端电压U测量电路3连接，续流二极管D的正极与二极管D3与D4的正极同时连接，励磁绕组L2两端分别与电压0.5u_f测量电路2连接；电压0.5u_f测量电路2和串励电动机的端电压U测量电路3的输出端同时与数字微控制器1的接入端连接，数字微控制器1还设置有另外的控制量接口，即电动势输入控制量e^*和励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，数字微控制器1的输出端通过隔离驱动电路4与功率电子开关器件V的脚2基极连接，功率电子开关器件V的脚3发射极与电容C的正极连接，功率电子开关器件V的脚1集电极与续流二极管D的负极连接。

所述数字微控制器1内预存有串励电动机的额定电压U_N、电枢绕组电阻R_a、励磁绕组总电阻R_f、比例计算系数K_P和积分计算系数K_I，串励电动机电枢电动势e、励磁绕组总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*的计算方式，以及控制顺序的流程。

外部的单相交流电源经不可控整流部分变换为直流电源，再经脉宽调制降压斩波电源部分输出可调直流电压给串励电动机；控制器采用脉宽调制方式调节斩波电源中全控型功率电子开关器件V的通断占空比，控制串励电动机的端电压u＝u^*。

如图2所示，为本发明励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，对串励电动机调速驱动系统的控制过程，按照以下步骤实施：

系统通电即启动串励电动机调速驱动系统中的控制器，控制器以不小于6T_p且不大于16T_p的控制周期T_c实施重复循环的测试与控制，T_p为脉宽调制控制的脉冲周期，

控制器进入第一个控制周期T_c，控制器的控制顺序为：先预设串励电动机的端电压u＝0、励磁绕组的总端电压u_f＝0和控制器中的积分电压u_I＝0，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*；

控制器进入第二个控制周期T_c，即对系统实施以T_c为周期的重复循环测试与控制，在一个控制周期T_c内，控制器的控制顺序为：采集串励电动机的端电压u和串励电动机两个相同励磁绕组中任意一个励磁绕组的端电压0.5u_f，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*。

对串励电动机电枢电动势e的计算式为：e＝u-(1+R_a/R_f)u_f，式中R_a和R_f分别为串励电动机的电枢绕组电阻和励磁绕组总电阻；

对串励电动机励磁绕组总端电压控制值u_f ^*的计算式为：先计算积分电压u_I＝K_I(e^*-e)+u_I，式中等号右边的u_I为上个控制周期的u_I值，等号左边的u_I为本控制周期新的u_I值，式中的K_I为积分计算系数；再计算u_f ^*＝K_P(e^*-e)+u_I，式中的K_P为比例计算系数，当计算出的u_f ^*>U_fm ^*或u_f ^*<-U_fm ^*时，限定u_f ^*＝U_fm ^*或u_f ^*＝-U_fm ^*；

对串励电动机端电压控制值u^*的计算式为：u^*＝(1+R_a/R_f)u_f ^*+e，当u^*>U_N或u^*<0时，限定u^*＝U_N或u^*＝0，式中的U_N为串励电动机的额定电压。

实施例

系统通电，即启动串励电动机调速驱动系统中的控制器，在通电初始化并先预设串励电动机的端电压u＝0、励磁绕组的总端电压u_f＝0和控制器中的积分电压u_I＝0之后，控制器进入重复循环工作状态，

若控制周期T_c＝6T_p，则控制流程的工作时序为：在T_c的第1个至第3个T_p时间里，采集串励电动机的端电压u和串励电动机励磁绕组L2的端电压0.5u_f，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*；在T_c的第4个T_p时间里，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*；在T_c的第5个至第6个T_p时间里，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*。

参照图2，本发明方法对于串励电动机调速驱动系统的控制效果表现在以下方面：

1)对串励电动机的调速控制效果是：由于u_f ^*为e^*-e的比例积分运算结果，所以当系统稳定时电动势e无静态偏差，即串励电动机的电枢电动势e等于电动势输入控制量e^*。由于串励电动机的电枢电动势e＝C_eΦ(i)n，式中C_e为串励电动机的电动势常数，Φ(i)为随电流i增大的串励电动机主极磁通；串励电动机的电磁转矩T＝C_tΦ(i)i，式中C_t为串励电动机的转矩常数，所以当系统的负载转矩不变时，串励电动机的电流i不变，C_eΦ(i)不变，串励电动机的转速n＝e^*/[C_eΦ(i)]，即转速n随电动势输入控制量e^*线性可调；当e^*不变时，nΦ(i)不变，系统的负载转矩增大使电流i增大，继而使Φ(i)增大，结果使串励电动机的转速n随系统的负载转矩增大而降低，系统呈现软机械特性。

2)对串励电动机的堵转转矩控制效果是：串励电动机的励磁绕组总端电压u_f＝R_fi，控制u_f即控制了串励电动机的电流，继而控制了电磁转矩T＝C_tΦ(i)i。当串励电动机堵转时，因为e＝0，所以控制流程对e^*-e的比例积分运算结果被限定u_f ^*＝U_fm ^*，控制器控制电动机端电压u＝u^*＝(1+R_a/R_f)U_fm ^*。由于串励电动机堵转时电压方程为u＝(R_f+R_a)i，故控制器控制串励电动机堵转电流i＝u/(R_f+R_a)＝U_fm ^*/R_f，即串励电动机堵转电流可随U_fm ^*线性设定，继而设定了串励电动机的堵转转矩。

3)对串励电动机的动态响应和电流过载保护控制效果是：在串励电动机起动时，电动机的电动势较小，控制流程对e^*-e的比例积分运算结果被限定u_f ^*＝U_fm ^*，控制器控制电动机端电压u＝u^*＝(1+R_a/R_f)U_fm ^*+e。由于串励电动机的电压方程为u＝(R_f+R_a)i+e，故控制器控制串励电动机电流i＝U_fm ^*/R_f。若U_fm ^*对应串励电动机允许的最大电流，则控制器控制串励电动机以其允许的最大电流(电磁转矩)完成起动的前段过程。表明本发明对串励电动机励磁绕组总端电压u_f的控制，既为电动机提供了电流过载保护，又加快了电动机的起动过程。

4)对串励电动机端电压的限定控制效果是：如果串励电动机端电压控制值u^*大于额定电压U_N，控制流程限定u^*＝U_N，此时串励电动机在额定电压U_N下开环运行；如果串励电动机端电压控制值u^*小于零，控制流程限定u^*＝0，此时串励电动机在零端电压下开环运行。

5)本发明方法中的比例积分计算系数调试效果是：增大控制流程中的比例计算系数K_P和积分计算系数K_I可加快系统的响应。由于K_I/T_c为比例积分运算数字化之前的积分系数，所以对系数K_I取值时应考察K_I/T_c的取值。K_P和K_I的取值过大会使系统阶跃响应的超调量过大，甚至使系统振荡，可通过阶跃输入系统的电动势输入控制量e^*，观察串励电动机端电压u和励磁绕组L2端电压u_f的阶跃响应波形，调试确定K_P和K_I的数值。

本发明方法，以串励电动机的电枢电动势e作为串励电动机调速系统的无静差闭环控制变量。当调速系统的负载转矩不变时，e与转速成正比，调节e即可线性调节系统的转速；当串励电动机的e不变时，串励电动机转速随负载转矩增大而下降，调速系统具有软机械特性。

以串励电动机的励磁绕组总端电压u_f作为串励电动机调速系统的转矩控制变量。串励电动机电磁转矩取决于串励电动机的电流，而串励电动机稳定运行时其励磁绕组总端电压u_f与电流成正比，控制u_f就能间接控制串励电动机的电磁转矩。

Claims (4)

1.励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，特征在于：

启动串励电动机调速驱动系统中的控制器，

控制器进入第一个控制周期T_c，控制器的控制顺序为：先预设串励电动机的端电压u＝0、励磁绕组的总端电压u_f＝0和控制器中的积分电压u_I＝0，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*；

控制器进入第二个控制周期，对系统实施以T_c为周期的重复循环测试与控制，控制器的控制顺序为：采集串励电动机的端电压u和串励电动机两个相同励磁绕组中任意一个励磁绕组的端电压0.5u_f，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组的总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*；

所述控制器对串励电动机电枢电动势e的计算为：

e＝u-(1+R_a/R_f)u_f，式中R_a和R_f分别为串励电动机的电枢绕组电阻和励磁绕组总电阻；

所述控制器对串励电动机励磁绕组总端电压控制值u_f ^*的计算为：

积分电压u_I＝K_I(e^*-e)+u_I，式中等号右边的u_I为上个控制周期的u_I值，等号左边的u_I为本控制周期新的u_I值，式中的K_I为积分计算系数；

再计算u_f ^*＝K_P(e^*-e)+u_I，式中的K_P为比例计算系数，当计算出的u_f ^*>U_fm ^*或u_f ^*<-U_fm ^*时，限定u_f ^*＝U_fm ^*或u_f ^*＝-U_fm ^*；

所述控制器对串励电动机端电压控制值u^*的计算为：

u^*＝(1+R_a/R_f)u_f ^*+e，当计算出的u^*>U_N或u^*<0时，限定u^*＝U_N或u^*＝0，式中的U_N为串励电动机的额定电压。

2.根据权利要求1所述励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，特征在于，所述控制周期T_c＝6T_p时，则控制流程的工作时序为：

在T_c的第1个至第3个T_p时间里，采集串励电动机的端电压u和串励电动机励磁绕组L2的端电压0.5u_f，读取系统的电动势输入控制量e^*和系统的励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*；

在T_c的第4个T_p时间里，计算串励电动机的电枢电动势e、励磁绕组总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*；

在T_c的第5个至第6个T_p时间里，脉宽调制调节控制串励电动机的端电压u＝u^*。

3.根据权利要求1所述励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，特征在于，所述串励电动机调速驱动系统包括串励电动机、不可控整流部分及脉宽调制降压斩波电源部分连接而成，

在串励电动机的电枢绕组两端分别串接有励磁绕组L1和L2，

不可控整流部分包括二极管D1～D4、电阻R和电容C，其中的二极管D1与D3的串联支路和二极管D2与D4的串联支路并联，二极管D1与D3之间的连接点、二极管D2与D4之间的连接点同时对外与单相交流电源对应连接；二极管D1与D2的负极同时与电阻R连接，电阻R另一端与二极管D3与D4的正极之间连接有电容C，

脉宽调制降压斩波电源部分包括控制器、全控型的功率电子开关器件V和续流二极管D，其中的控制器包括数字微控制器(1)、励磁绕组L2端的电压0.5u_f测量电路(2)、串励电动机的端电压U测量电路(3)和功率电子开关器件V的隔离驱动电路(4)，

励磁绕组L1和L2的外端分别与续流二极管D的正负极连接，续流二极管D的正负极分别与串励电动机的端电压U测量电路(3)连接，续流二极管D的正极与二极管D3与D4的正极同时连接，励磁绕组L2两端分别与电压0.5u_f测量电路(2)连接；电压0.5u_f测量电路(2)和串励电动机的端电压U测量电路(3)的输出端同时与数字微控制器(1)的接入端连接，数字微控制器(1)还设置有另外的控制量接口，即电动势输入控制量e^*和励磁绕组最大总端电压设定值U_fm ^*，数字微控制器(1)的输出端通过隔离驱动电路(4)与功率电子开关器件V的脚2基极连接，功率电子开关器件V的脚3发射极与电容C的正极连接，功率电子开关器件V的脚1集电极与续流二极管D的负极连接。

4.根据权利要求3所述励磁电压控制的电动势闭环串励电动机调压调速控制方法，特征在于，所述数字微控制器1内预存有串励电动机的额定电压U_N、电枢绕组电阻R_a、励磁绕组总电阻R_f、比例计算系数K_P和积分计算系数K_I，串励电动机电枢电动势e、励磁绕组总端电压控制值u_f ^*和电动机端电压控制值u^*的计算方式，以及控制顺序的流程。