CN103904960B - 逆变装置的控制方法和逆变装置 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种逆变装置的控制方法和逆变装置。该逆变装置用于同时第一电机和第二电机两台三相交流电机，包括五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接第一电机的W相绕组和第二电机的W相绕组；用于电流采样的电流采样装置；滞环控制器，与电流采样装置和五组逆变桥臂的控制端连接，用于获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流和输出电流，并根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号。

Description

逆变装置的控制方法和逆变装置
技术领域
本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种逆变装置的控制方法和逆变装置。
背景技术
在电机调速系统中，控制方法有很多，比如矢量控制、直接转矩控制、预测模型控制等，其中以矢量控制技术与直接转矩控制应用最广泛。
在电机驱动技术日益成熟的同时，在很多工业及民用应用场合，多台电机并联驱动以及双电机能量互馈驱动（如电动汽车驱动装置）得到了更为广泛的应用，而如何更加合理有效的驱动这些电机就成为了目前电机调速领域的关注点之一。
现有的双电机并联驱动运行，一般采用双逆变器分别控制两台电机，主要采用的控制方式为矢量控制。图1是现有技术中双逆变器控制两台电机的电路图，如图所示，整流器对三相电能进行整流，两台逆变器的直流输入侧并联与整流器的输出连接，分别逆变出驱动第一电机和第二电机的控制信号。
上述由这种两台逆变器控制两台电机，与独立的两台电机的控制没有什么本质上的区别，此时采用的控制方式一般为矢量控制方式。矢量控制原理是：交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，如果以转子磁通这一旋转的空间矢量作为参考坐标，利用从静止坐标系之间的坐标变换，则可以把定子电流中的励磁分量和转矩分量进行分解，实现对异步电机磁通和转矩的解耦控制。这种控制方式通过坐标变换，一台交流异步电机就等效成了一台直流电机，从而可以像控制直流电机那样对交流电机的转矩和磁通分别进行快速的控制。
图2是现有技术中逆变器对单台电机矢量控制的原理框图，控制的流程大体为：获取电机的三相输入电流ia、ib、ic（由于三相平衡，可以通过测量两相电流计算得出第三相），对测量得到的数值进行CLARK和PARK变换，以实现三相静止坐标系到两项旋转坐标系的转换，从而分解了励磁分量和转矩分量。同时通过对电机转速和输入电流的测量值进行反馈，实现转速和电流的双闭环控制，然后利用比例积分（PI）控制对目标值和实际测量值进行分析，通过反PARK变换输入到空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM）控制器中，由SVPWM控制器完成对逆变桥的控制，从而逆变桥控制电机运转。
以上矢量控制方式又有以下特点：控制效率高，由于一台逆变器控制一台电机，可以做到全面控制，使得直流侧的电压能够得到充分的利用；逆变器独立控制，控制方法相对简单，可以利用现有成熟的控制装置，容易实现。
但是采用两台逆变器独立控制电机，会导致经济性明显下降，逆变器体积大，占用空间较多，另外矢量控制运算负载，对处理器的计算性能要求高，在多台电机同时运行时尤其如此。
为了解决以上多台逆变器占用空间大的问题，有人提出将两个逆变器合并为一个逆变器的方案，该方案使将六组桥臂布置于同一台逆变器内，图3是现有六桥臂逆变器驱动双电机的示意图，可以看出这种方式仅仅将六个桥臂集成在一个逆变器内，其采用的控制方法与两台逆变器分别控制的方法没有实际差别，仍然是每组桥臂逆变出一相交流信号，分别提供给电机的各相绕组。该方法的桥臂仍然需要六组，对占用空间的减少以及经济性的提高改进有限。
对于现有技术中用于同时驱动两台三相交流电机的逆变装置开关器件多导致经济性差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种逆变装置的控制方法和逆变装置，以解决现有技术中用于同时驱动两台三相并联交流电机的逆变装置开关器件多导致经济性差的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种逆变装置。该逆变装置，用于同时驱动两台三相交流电机，两台三相交流电机包括第一电机和第二电机，该逆变装置包括：五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接第一电机的W相绕组和第二电机的W相绕组；电流采样装置，分别与五组逆变桥臂连接，用于采集五组逆变桥臂的输出电流；滞环控制器，与电流采样装置和五组逆变桥臂的控制端连接，用于获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流和输出电流，并根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号。
进一步地，上述电流采样装置包括：W相电流测量模块，设置在第五逆变桥臂的输出端，用于测量第一电机的W相绕组电流和第二电机的W相绕组电流矢量和。
进一步地，上述W相电流测量模块包括电流传感器，该电流传感器包括霍尔传感器。
进一步地，上述W相电流测量模块还包括：第一速度外环控制器，与滞环控制器连接，通过调节第一电机的各相绕组的目标电流指令进行第一电机速度控制；第二速度外环控制器，与滞环控制器连接，通过调节第二电机的各相绕组的目标电流指令进行第二电机速度控制。
进一步地，本发明提供的逆变装置还包括：W相电流累加器，与第一速度外环控制器和第二速度外环控制器分别连接，用于计算第一电机的W相绕组的目标电流和第二电机的W相绕组的目标电流的矢量和。
进一步地，第一电机为电动机，第二电机为发电机。相似的，第一电机和第二电机均为电动机，或者第一电机和第二电机均为发电机。
根据本发明的另一方面，提供了一种逆变装置的控制方法。其中逆变装置用于同时驱动两台三相交流电机，两台三相交流电机包括第一电机和第二电机，该逆变装置包括五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接第一电机的W相绕组和第二电机的W相绕组，该逆变装置的控制方法包括：获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流；获取五组逆变桥臂的输出电流；根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号。
进一步地，获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流包括：分别获取第一电机W相绕组的目标电流和第二电机W相绕组的目标电流；计算第一电机的W相绕组的目标电流和第二电机的W相绕组的目标电流的矢量和，计算得到矢量和作为第五组桥臂的控制目标参数。
进一步地，根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号包括：将获取得到的第五组逆变桥臂的输出电流与第五组桥臂的控制目标参数相减得到差值；判断差值是否处于预设的滞环环宽内；根据判断结果向第五组逆变桥臂发送脉冲控制信号。
进一步地，根据判断结果向第五组逆变桥臂发送脉冲控制信号包括：当差值超出预设的滞环环宽时，向第五组逆变桥臂发送改变开关状态的脉冲信号；当差值位于预设的滞环环宽内时，向第五组逆变桥臂发送维持开关状态不变的脉冲信号。
应用本发明的技术方案，本发明的技术方案逆变装置将驱动两台电机的逆变装置整合，而且减少了一组桥臂，仅使用五组逆变桥臂独立解耦来控制两台并联运行的电机，但是控制效果与传统的六桥臂逆变器相当，更加经济同时体积也更小，同时采用滞环控制方式，控制方法更加简便，计算量大大降低，提高了控制性能。从而在降低系统造价的同时，提高了系统的整机效率和容错率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中双逆变器控制两台电机的电路图；
图2是现有技术中逆变器对单台电机矢量控制的原理框图；
图3是现有六桥臂逆变器驱动双电机的示意图；
图4是根据本发明实施例的逆变装置的示意图；
图5是根据本发明实施例的逆变装置的控制系统的示意图；
图6是根据本发明实施例的逆变装置的控制方法的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种逆变装置，图4是根据本发明实施例的逆变装置的示意图，如图4所示，该逆变装置用于同时驱动两台三相交流电机，此两台三相交流电机包括第一电机和第二电机，该逆变装置包括：五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接第一电机的W相绕组和第二电机的W相绕组；电流采样装置，分别与五组逆变桥臂连接，用于采集五组逆变桥臂的输出电流；滞环控制器（Hysteresiscontroller），与电流采样装置和五组逆变桥臂的控制端连接，用于获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流和输出电流，并根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号。
以上每组逆变桥臂由两个开关器件构成，在图中，开关器件S1和开关器件S2组成第一组逆变桥臂，开关器件S3和开关器件S4组成第二组逆变桥臂，开关器件S5和开关器件S6组成第三组逆变桥臂，开关器件S7和开关器件S8组成第四组逆变桥臂，开关器件S9和开关器件S10组成第四组逆变桥臂，以上开关器件可以使用各种电力电子开关器件，优选使用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。
相比较于传统的六桥臂控制两台电机的方法，本发明的逆变装置减少了一组桥臂，仅使用五组逆变桥臂，但是控制效果与传统的六桥臂逆变器相当，更加经济同时体积也更小，同时采用滞环控制方式，控制方法更加简便，计算量大大降低，提高了控制性能。从而在降低系统造价的同时，提高了系统的整机效率和容错率。
具体地，电流采样装置可以包括多个电流通道，以分别对两台电机的各相绕组电流进行测量，从而得到滞环控制器的反馈值，其中对于两台电机的W相绕组共用一组桥臂，该电流采样装置可以具体设置有：W相电流测量模块，设置在第五组逆变桥臂的输出端，用于测量第一电机的W相绕组电流和第二电机的W相绕组电流的矢量和。该W相电流测量模块可采用电流霍尔传感器作为电流测量元件。类似的，电流采样装置可多个包括以霍尔元件作为传感的电流传感器，对各绕组电流进行测量。
滞环控制的电流目标值可以由外环速度控制器提供，此时本实施例的逆变装置还可以包括：第一外环速度控制器，与滞环控制器连接，用于提供第一电机的各相绕组的目标电流；第二外环速度控制器，与滞环控制器连接，用于提供第二电机的各相绕组的目标电流。其中第一外环速度控制器通过调节第一电机各相绕组的目标电流指令对第一电机进行速度控制，第二外环速度控制器通过调节第二电机各相绕组的目标电流指令对第二电机进行速度控制。
实际上，内环的电流指令即滞环的电流指令，是根据电机转速来提供的，以电动机为例，作为如果电机转速高于设定值，那么就要减小电流。如果电机转速低于设定值，就要增大电流。
由于两台电机的W相电流提供由同一组逆变桥臂，此时本实施例的逆变装置还可以包括：W相电流累加器，与第一速度外环和第二速度外环分别连接，用于计算第一电机的W相绕组的目标电流和第二电机的W相绕组的目标电流的矢量和。
优选地，第一电机为电动机，第二电机为发电机。本实施例的逆变器可以驱动双电机能量互馈系统，满足电动汽车驱动装置等场合的需要。类似地，第一电机和第二电机也可以均为在同一运行环境下的电动机或者发电机。
使用本实施例的逆变装置，通过控制五组逆变桥臂得到理想的输出波形以控制电机，其中两台电机的U相和V相绕组与逆变装置的连接方式不变，两电机的W相绕组连接在第五组桥臂上，第五组桥臂的控制是本实施例的逆变装置的控制重点，图5是根据本发明实施例的逆变装置的控制系统的示意图。通过速度外环可以得到两台电机各相绕组的目标电流值Iu1_ref、Iv1_ref、Iw1_ref、Iu2_ref、Iv2_ref、Iw2_ref以及电流采样装置测量得到的各相绕组的实际电流值Iu1_feedback、Iv1_feedback、Iu2_feedback、Iv2_feedback、Iw_feedback经过运算后，送入滞环控制器，对于于U、V两相，进行滞环控制，即设定一个电流的带宽，通过计算得到的电流和电机端反馈回来的电流相减，判断其差值是否在这个带宽里面，如果在，则控制该桥臂的两个开关器件的控制信号不改变，当差值超过带宽，则改变控制该桥臂的两个开关器件的控制信号以使该桥臂的上下臂开关器件的开关状态相应改变，从而使得电流总是在计算电流附近，实现有效的控制。
由于本实施例的逆变装置采用五桥臂，前面U、V相的控制用去了四个桥臂，那么W相的控制只能通过第五桥臂进行控制，为了能够同时匹配两台电机的参数，使得其运行不受控制方法的限制，采用先将两台电机的W相目标电流矢量相加，将两电机的W相进行一个综合，然后利用电流采样装置的W相电流测量模块测量第五组逆变桥臂的实测值Iw_feedback，反馈到滞环控制器，将W相目标电流的累加值与反馈回来的采样电流相减，进行一个滞环控制，设计一个带宽，输出控制脉冲，从而控制S9和S10两个开关器件的通断，从而实现对第五桥臂的控制。具体地，在预设滞环内时，发送脉冲控制信号保持两个开关器件的开关状态不变，超出预设置换时，发送脉冲控制信号控制两个开关器件的开关状态转换。
滞环控制器相应发出控制各组逆变桥的控制脉冲信号pulse1、pulse2、pulse3、pulse4、pulse5。
由于本发明采用的是五桥臂逆变装置控制两台电机，因为这不是一个对称的桥臂，所以，常规的矢量控制方法产生的脉冲是对称的，因此无法运用在这种逆变装置中。因此本发明的实施例还提供了一种逆变装置的控制方法，用于对上述实施例的逆变装置进行控制。图6是根据本发明是实施例的逆变装置的控制方法的示意图，如图所示，该控制方法包括：
步骤S61，获取两台三相交流电机的各相绕组的目标电流；
步骤S63，获取五组逆变桥臂的输出电流；
步骤S65，根据输出电流和目标电流通过滞环控制向五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号。
其中，步骤S61具体可以包括：分别获取第一电机U相绕组的目标电流Iu1_ref、第一电机V相绕组的目标电流Iv1_ref、第一电机W相绕组的目标电流Iw1_ref、第二电机U相绕组的目标电流Iu2_ref、第二电机V相绕组的目标电流Iv2_ref、第二电机W相绕组的目标电流Iw2_ref；计算第一电机的W相绕组的目标电流Iw1_ref和第二电机的W相绕组的目标电流Iw2_ref的矢量和，计算得到的矢量和作为第五组桥臂的控制目标参数。
步骤S65具体可以包括：将获取得到的第五组逆变桥臂的输出电流Iw_feedback与第五组桥臂的控制目标参数Iw1_ref+Iw2_ref相减得到差值；判断差值是否处于预设的滞环环宽内；根据判断结果向第五组逆变桥臂发送脉冲控制信号。根据判断结果向第五组逆变桥臂发送脉冲控制信号具体可以包括：当差值超出预设的滞环环宽时，向第五组逆变桥臂发送改变开关状态的脉冲信号；当差值位于预设的滞环环宽内时，向第五组逆变桥臂发送维持开关状态不变的脉冲信号。
本实施例的控制方法利用得到的U、V相的给定电流和反馈电流相减，得到想要的输出信号，并且通过一个滞环控制得到输出脉冲信号。所用的参数包括：第一电机U相绕组的目标电流Iu1_ref、第一电机V相绕组的目标电流Iv1_ref、第二电机U相绕组的目标电流Iu2_ref、第二电机V相绕组的目标电流Iv2_ref；第一电机U相绕组的实测电流Iu1_feedback、第一电机V相绕组的实测电流Iv1_feedback、第二电机U相绕组的实测电流Iu2_feedback、第二电机V相绕组的实测电流Iv2_feedback，滞环控制中的预设的滞环环宽。
本实施例利用获取到的两台电机的W相电流的目标值Iw1_ref、Iw2_ref，以及第五桥臂两开关器件之间的电流反馈值对第五桥臂进行控制，通过滞环控制得到输出脉冲控制信号。所用参数包括：第一电机的W相目标电流Iw1_ref、第二电机的W相目标电流Iw2_ref，第五组逆变桥臂的采样电流Iw_feedback，滞环控制中预设滞环环宽。两台电机的W相目标电流先相加再与反馈回来的第五组桥臂的反馈电流相减，得到电流差值，通过滞环控制输出脉冲信号。
本实施例的控制方法相比较于传统的六桥臂控制两台电机的方法，容易实现，而且对电机的转速没有要求，完全实现解耦控制，可以控制一台发电机，一台电动机，并且其计算两大大的降低，也降低了对MCU的需求。相比较于四桥臂控制方法，更加灵活，而且不存在四桥臂的电容桥臂中存在的电容电压不平衡的问题，使电机运行更加平稳。
本发明的技术方案，本发明的技术方案逆变装置减少了一组桥臂，仅使用五组逆变桥臂独立解耦来控制两台并联运行的电机，但是控制效果与传统的六桥臂逆变器相当，更加经济同时体积也更小，同时采用滞环控制方式，控制方法更加简便，计算量大大降低，提高了控制性能。从而在降低系统造价的同时，提高了系统的整机效率和容错率。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种逆变装置，用于同时驱动两台三相交流电机，所述两台三相交流电机包括第一电机和第二电机，其特征在于，所述逆变装置包括：
五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接所述第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接所述第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接所述第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接所述第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接所述第一电机的W相绕组和所述第二电机的W相绕组；
电流采样装置，分别与所述五组逆变桥臂连接，用于采集所述五组逆变桥臂的输出电流；
滞环控制器，与所述电流采样装置和所述五组逆变桥臂的控制端连接，用于获取所述两台三相交流电机的各相绕组的目标电流和所述输出电流，并根据所述输出电流和所述目标电流通过滞环控制向所述五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号；
第一速度外环控制器，与所述滞环控制器连接，通过调节所述第一电机的各相绕组的目标电流指令进行第一电机速度控制；
第二速度外环控制器，与所述滞环控制器连接，通过调节所述第二电机的各相绕组的目标电流指令进行第二电机速度控制；
W相电流累加器，与所述第一速度外环控制器和所述第二速度外环控制器分别连接，用于计算所述第一电机的W相绕组的目标电流和所述第二电机的W相绕组的目标电流的矢量和。
2.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述电流采样装置包括：W相电流测量模块，设置在所述第五逆变桥臂的输出端，用于测量所述第一电机的W相绕组电流和所述第二电机的W相绕组电流矢量和。
3.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，所述W相电流测量模块包括电流传感器，该电流传感器包括霍尔传感器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的逆变装置，其特征在于，所述第一电机为电动机，所述第二电机为发电机。
5.一种逆变装置的控制方法，该逆变装置用于同时驱动两台三相交流电机，所述两台三相交流电机包括第一电机和第二电机，该逆变装置包括五组逆变桥臂，其中，第一组逆变桥臂的输出端连接所述第一电机的U相绕组，第二组逆变桥臂的输出端连接所述第一电机的V相绕组，第三组逆变桥臂的输出端连接所述第二电机的U相绕组，第四组逆变桥臂的输出端连接所述第二电机的V相绕组，第五逆变桥臂的输出端分别连接所述第一电机的W相绕组和所述第二电机的W相绕组，其特征在于，所述控制方法包括：
获取所述两台三相交流电机的各相绕组的目标电流；
获取所述五组逆变桥臂的输出电流；
根据所述输出电流和所述目标电流通过滞环控制向所述五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号，
获取所述两台三相交流电机的各相绕组的目标电流包括：分别获取所述第一电机W相绕组的目标电流和所述第二电机W相绕组的目标电流；计算所述第一电机的W相绕组的目标电流和所述第二电机的W相绕组的目标电流的矢量和，计算得到矢量和作为第五组桥臂的控制目标参数。
6.根据权利要求5所述的逆变装置的控制方法，其特征在于，根据所述输出电流和所述目标电流通过滞环控制向所述五组逆变桥臂分别发送对应的脉冲控制信号包括：
将获取得到的第五组逆变桥臂的输出电流与所述第五组桥臂的控制目标参数相减得到差值；
判断所述差值是否处于预设的滞环环宽内；
根据判断结果向所述第五组逆变桥臂发送对应的脉冲控制信号。
7.根据权利要求6所述的逆变装置的控制方法，其特征在于，根据判断结果向所述第五组逆变桥臂发送脉冲控制信号包括：
当所述差值超出预设的滞环环宽时，向所述第五组逆变桥臂发送改变开关状态的脉冲信号；
当所述差值位于预设的滞环环宽内时，向所述第五组逆变桥臂发送保持开关状态不变的脉冲控制信号。
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