CN104113254A - 一种调压调磁电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调压调磁电机控制方法，属于电机控制技术领域。本发明以异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直流电机等交流电机为控制对象，以气隙磁链和瞬时转矩作为控制变量，在三相逆变桥前级加入一个能够输出多种离散直流电平的DC/DC变换器，通过切换前级变换器电平的方法控制气隙磁链的旋转速度，实现调压调磁，有效降低了斩波频率，并且能够在起动时实现软起动。本方法不需要位置传感器，控制简单，并且能够同时适应异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直流电机等交流电机，通用性很强。

Description

一种调压调磁电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域,尤其涉及一种调压调磁电机控制方法。

背景技术

近年来，在传动领域，由机械传统、液压传统、气压传统以及电力传动各分天下的时代正在逐步过渡到以电力传统为主时代。电力传统的核心部件之一是电机驱动器。高性能的电机驱动器一直是传动领域的研究热点。

目前，提高驱动器性能的方法的主要思路是，提高效率、提高可靠性、提高调速范围、提高控制精度以及简化算法。提高效率就是指要降低损耗，这里的损耗主要只开关损耗、铁损以及铜损。提高可靠性的关键包含了软起动、散热以及EMI三个问题。控制器发热主要是由于功率管开通或关断时损耗而引起，而EMI问题很大程度上也是由于开关频率过高而引起，调速范围的大小也与开关频率息息相关，所以提高控制性能的一大关键在于在保证控制性能的情况下降低开关频率。

现有的电机控制方法往往是直接对逆变器进行斩波控制，这样做一是开关频率较高，不但开关损耗大，而且无法实现较高的调速范围。二是起动时为硬起动，无法适用于电感很小的电机，然而体积重量较小的电机往往电感都较小，因此会使得可靠起动和体积小重量轻成为矛盾。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的缺陷，提供一种调压调磁电机控制方法，能够在开关频率较低的的情况下获得良好的控制性能，并实现软起动，且无需位置传感器、动态响应快、鲁棒性强。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/DC变换器和三相逆变桥，所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择表，包含以下步骤：

步骤1），多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高低电平，分别作为“高速电压矢量”和“低速电压矢量”； 

步骤2），控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转矩和瞬时转速；

步骤3），控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向；

步骤4），控制器将给定转速减去步骤2）中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节器调节得到给定转矩；

步骤5），控制器将给定转矩减去步骤2）中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号；

步骤6），转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使得母线电压在“高速电压矢量”和“低速电压矢量”之间不停切换；

步骤7），重复步骤1）至步骤6），使得转速和转矩处于闭环控制状态。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、采用前级多电平DC/DC变换器为逆变器供电，根据实时转速选择母线电平，实现了软起动，避免了电流过冲；

2、无需位置传感器，降低了系统的体积和成本和对控制器的要求；

3、采用了调节母线电压调磁链旋转速度的方式，由于“高速电压矢量”和“低速电压矢量”的作用时间较长，因此有效降低了开关频率；

4、算法简单、鲁棒性强、动态响应快；

5、能够适用于多种类型的电机，包括异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直流电机。

附图说明

图1为本发明的电气连接图；

图2为电压空间矢量在本控制方法中的作用示意图；

图3为本发明提出控制方法在某相区内的等效电路；

图4为本发明提出控制方法的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图4所示，本发明公开了一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/DC变换器和三相逆变桥，所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择表，包含以下步骤：

步骤1），多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高低电平，分别作为“高速电压矢量”和“低速电压矢量”； 

步骤2），控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转矩和瞬时转速；

步骤3），控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向；

步骤4），控制器将给定转速减去步骤2）中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节器调节得到给定转矩；

步骤5），控制器将给定转矩减去步骤2）中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号；

步骤6），转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使得母线电压在“高速电压矢量”和“低速电压矢量”之间不停切换；

步骤7），重复步骤1）至步骤6），使得转速和转矩处于闭环控制状态。

本发明通过对前级多电平DC/DC变换器的电平切换，实现多种离散的母线电平交替作用于电机，进而实现气隙磁链转速和瞬时转矩的控制。

母线电平的值决定了电压空间矢量的模值，电压空间矢量对电机气隙磁链的作用如图1所示，其中，u_x为电压空间矢量，F_δ为气隙磁链，F_r为转子磁链，θ为转矩角。气隙磁链F_δ在电压空间矢量u_x的作用下，沿着u_x的方向运动，运动速度由u_x大小所决定。而转子磁链F_r在电磁转矩的作用下朝着气隙磁链运动的方向旋转，旋转速度等同于转速。因此在一段时间T内，两者运动电角度路程差如式（1）所示。

                                                                                                 （1）

其中，ωF_δ为反电势项，由转速和气隙磁链值决定。θ为转矩角，其值与电磁转矩大小成正比。

从式（1）可以看出，稳态时，电角度路程差仅仅取决于电压空间矢量u_x，因此，电压空间矢量u_x能够使得Δθ发生变化，进而使瞬时转矩发生变化，这是直接转矩控制最基本的依据。传统直接转矩控制方案中，常采用有效电压矢量和零矢量交替作用的方式来控制Δθ进而控制电磁转矩。

对于电机来说，以其运行在高速状态为例：高速运行时，其往往工作在定子线反电势比较接近于母线电压的状态，也就是说，ωF_δ的值接近于母线电压值而远离零值，那么采用传统控制方案时，就是使得零矢量的作用时间很短，造成瞬时开关频率过大。

本发明所提出的控制方案等效电路如图2所示，前级多电平DC/DC变换器能够输出n个不同的离散直流电平，且V_o1>V_o2>…>V_o(N-1)>V_oN。

设功率管T_N切换到1时为“导通状态”、切换到2时为关断状态，那么可以通过选择不同的功率管T_N导通以选择不同的直流电平作用于母线。例如，如果将T₃至T_N全部关闭，T₂保持恒通，T₁进行斩波，那么便可以实现母线电压在V_o1和V_o2之间不停的切换，实现切换母线电平的功能。

本发明中的控制算法框图如图3所示，虚线框部分为直接转矩控制算法部分，该部分与传统直接转矩控制方法类似。利用Clark变换以及反电势积分环节得到气隙磁链F_δ，再利用气隙磁链和定子电流估计得到电磁转矩的瞬时值Te。然后将气隙磁链通过合适的坐标变换得到换向信号，并藉此选择三相逆变桥的导通开关，实现电机换向。给定转速v*经过与实际转速v比较，再经PI调节后得到电磁转矩的给定值Te*。给定电磁转矩Te*通过与估计得到的电磁转矩Te相比较得到ΔT，在通过转矩滞环控制器生成用于调节瞬时电磁转矩的斩波控制信号。

下面结合图3说明本控制方案的工作原理。起动阶段，由于转速为零，因此控制系统会对保持T₁至T_N-1全部关断，并对T_N进行斩波，即选择最小的电平V_oN作为起动用的高速电压矢量，选择零电平作为低速电压矢量，即高速电压矢量和低速电压矢量的组合为（V_oN，0）。随着转速逐渐增高，控制器会调整高速电压矢量和低速电压矢量的组合到（V_o(N-1)，V_oN），在逐渐调整到（V_o(N-2)，V_o(N-1)）以此类推，使得气隙磁链慢慢加速直到稳态，实现软起动，避免电流过冲。

当电机进入稳态控制后，转速一定，假设此时控制器选择V_o1和V_o2两个电平分别作为高速电压矢量和低速电压矢量。控制器将控制T₂恒通，并对T₁进行斩波控制，斩波控制信号由转矩滞环控制器提供，开关管T₃至T_N全部关断。母线电平不停的在V_o1和V_o2之间进行切换，由此实现了低开关频率下的气隙磁链和瞬时转矩控制。

如果出现负载突变或者转速给定突变的情况，控制器可以根据转速比较器和转矩比较器的输出值来判断，电机是否运行在稳态。如果电机运行在暂态，那么就选择对气隙磁链作用更强的母线电平来加快动态响应。例如，负载突卸时，转矩比较器的输出值ΔT将瞬间变大，这时可以直接切换到零电平，迫使气隙磁链停止，使得电磁转矩Te快速减小，提高转矩的动态响应。

Claims (1)

1. 一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/DC变换器和三相逆变桥，所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择表，其特征在于包含以下步骤：

步骤1），多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高低电平，分别作为“高速电压矢量”和“低速电压矢量”； 

步骤2），控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转矩和瞬时转速；

步骤3），控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向；

步骤4），控制器将给定转速减去步骤2）中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节器调节得到给定转矩；

步骤5），控制器将给定转矩减去步骤2）中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号；

步骤6），转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使得母线电压在“高速电压矢量”和“低速电压矢量”之间不停切换；

步骤7），重复步骤1）至步骤6），使得转速和转矩处于闭环控制状态。