CN104270059A - 一种基于dds技术的异步电机控制器及具有其的车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于DDS技术的异步电机控制器，包括：比例积分PI调节模块、相位处理模块、直接数字式频率合成DDS模块、单周电流实时调制PWM控制模块、反馈电流有效信号计算模块和转子定位模块。本发明还提出一种包括上述基于DDS技术的异步电机控制器的车辆。本发明在电机控制部分采用DDS技术优化相电流的正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率。由于DDS和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而在很大程度上抑制了过流现象。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种基于DDS技术的异步电机控制器及具有其的车辆。
背景技术
现有的车用异步电机控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制两种。下面分别对这两种控制方法进行说明：
(1)矢量控制技术是比较成熟并常用的异步电机控制技术。这是一种基于坐标变换的技术，通过三相到两相的坐标变换，实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦，进行独立控制，使异步电机具有和直流电机一样的优良的转矩、转速调节特性。其中，转子磁场定向的矢量控制是20年来实际应用最为普遍、最为成熟的高性能交流调速系统技术。
(2)直接转矩控制技术摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值及矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。
但是针对矢量控制和直接转矩控制，目前主流上都采用了空间矢量SVPWM(SpaceVector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)调制。而SVPWM会给控制本身带来以下问题：SVPWM调制直接受驱动模块开关频率的限制，开关频率通常在5K～20K之间。这样，空间矢量的相位只能按照这个开关频率来累积，当电机转速越高时，一个电流周期内，给定的调制点就越少，也就是给定信号的正弦度越不好，谐波含量越多，这将会影响电机效率。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于DDS技术的异步电机控制器。
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供基于DDS技术的异步电机控制器，包括：比例积分PI调节模块、相位处理模块、直接数字式频率合成DDS模块、单周电流实时调制PWM控制模块、反馈电流有效信号计算模块和转子定位模块，其中，所述PI调节模块的输入端分别与有效电流输出端和反馈电流有效信号计算模块的输出端相连，用于对输入的有效电流和反馈电流有效信号进行PI调节，生成幅度输入信号；所述相位处理模块的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块的输出端相连，用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位；所述DDS模块的输入端分别与所述PI调节模块的输出端和所述相位处理模块的输出端相连，用于对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将所述相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列，将所述数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号；所述单周电流实时调制PWM控制模块的输入端与所述DDS模块的输出端和所述反馈电流有效信号计算模块的输出端相连，所述单周电流实时调制PWM控制模块的输出端与异步电机和所述反馈电流有效信号计算模块的输入端相连，用于对所述第一至第三相正弦信号分别与反馈电流有效信号进行差值运算，并将差值运算结果与三角波进行比较，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块，以由所述功率驱动模块驱动电机；所述转子定位模块的输入端与所述电机相连，用于检测所述电机的转子的位置，并生成用于表示转子位置的转子频率，将所述转子频率发送至所述相位处理模块。
在本发明的一个实施例中，所述相位处理模块包括：加法器，所述加法器的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块的输出端相连，用于对所述转差频率和转子频率进行加法运算；相位生成单元，所述相位生成单元的输入端与所述加法器的输出端相连，所述相位生成单元的输出端与所述DDS模块的输入端相连，用于对加法运算后的信号进行处理以得到同步频率相位。
在本发明的又一个实施例中，所述转子定位模块为位置传感器。
在本发明的再一个实施例中，所述DDS模块包括：频率控制器，用于提供相位增量；相位累加器，所述相位累加器的输入端与所述频率控制器的输出端相连，用于根据在每个时钟周期内，以所述相位增量对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息；波形存储器，所述波形存储器的输入端与所述相位累加器的输出端相连，用于将所述相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列；数模转换器，所述数模转换器的输入端与所述波形存储器的输出端相连，用于将所述数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号。
在本发明的又一个实施例中，所述DDS模块还包括：滤波器，所述滤波器的输入端与所述数模转换器的输出端相连，用于对所述第一至第三相正弦信号进行滤波处理，生成滤波后的第一至第三相正弦信号。
在本发明的一个实施例中，所述滤波器为低通滤波器。
根据本发明实施例的基于DDS技术的异步电机控制器，采用DDS技术优化相电流的正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率。由于DDS和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而在很大程度上抑制了过流现象。
为此，本发明的一个目的在于提出一种车辆。
为了实现上述目的，本发明另一方面的实施例提供一种车辆，包括：异步电机；上述基于DDS技术的异步电机控制器，所述基于DDS技术的异步电机控制器与所述异步电机相连，用于控制所述异步电机的工作。
根据本发明实施例的车辆，在电机控制部分采用DDS技术优化相电流的正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率。由于DDS和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而在很大程度上抑制了过流现象。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于DDS技术的异步电机控制器结构图；
图2为根据本发明另一个实施例的基于DDS技术的异步电机控制器结构图；
图3为根据本发明一个实施例的DDS模块的结构图；
图4为根据本发明另一个实施例的DDS模块的结构图；
图5为根据本发明实施例的车辆的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
首先需要说明的是，本发明提供的基于DDS技术的异步电机控制器对实时性要求很高，所以整个系统都是基于硬件实现的。
如图1所示，本发明实施例的基于DDS技术的异步电机控制器，包括：比例积分PI调节模块1、相位处理模块2、直接数字式频率合成DDS模块3、单周电流实时调制PWM模块4、反馈电流有效信号计算模块5和转子定位模块6。
具体地，PI调节模块1的输入端分别与有效电流输出端和反馈电流有效信号计算模块5的输出端相连，用于对输入的有效电流Is和反馈电流有效信号Ie进行PI调节，生成幅度输入信号。其中，有效电流Is可以理解为预先给定信号，反馈电流有效信号Ie为由反馈电流有效信号计算模块5根据电机三相绕组实时电流计算得到的反馈电流有效值。
相位处理模块2的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块6的输出端相连，用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位。其中，相位处理是DDS技术应用于电机控制的关键。
如图2所示，相位处理模块2包括：加法器21和相位生成单元22，其中加法器21的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块6的输出端相连，用于对转差频率Ws和转子频率进行加法运算。相位生成单元22的输入端与加法器21的输出端相连，相位生成单元22的输出端与DDS模块3的输入端相连，用于对加法运算后的信号进行处理以得到同步频率相位。其中，转差频率Ws为预先给定，转子频率是由转子定位模块6从电机M上采集回的，对转子频率的响应是系统实时性的一个重要体现。
具体地，转子定位模块6的输入端与电机M相连，用于检测电机M的转子的位置，并生成用于表示转子位置的转子频率，将转子频率发送至相位处理模块2。
在本发明的一个实施例中，转子定位模块6可以采用位置传感器。由于系统是基于硬件实现的，所以转子定位模块6的实时性主要取决于传感器对电机M的转子位置的响应。
DDS模块3的输入端分别与PI调节模块1的输出端和相位处理模块2的输出端相连，用于对同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将上述相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据幅度输入信号和数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列，将数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号。
如图3所示，DDS模块3包括：频率控制器31、相位累加器32、波形存储器33和数模转换器34。
具体地，频率控制器31用于提供相位增量。相位累加器32的输入端与频率控制器31的输出端相连，用于根据在每个时钟周期内，以相位增量对同步频率相位进行相位累加得到相位信息。波形存储器32的输入端与相位累加器31的输出端相连，用于在每个时钟周期内以二进制码的形式寻址正弦查表ROM，将相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据幅度输入信号和数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列。数模转换器33的输入端与波形存储器的输出端相连，用于将数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号。
如图4所示，DDS模块3还包括滤波器34，其中滤波器34的输入端与数模转换器33的输出端相连，用于对第一至第三相正弦信号进行滤波处理，生成滤波后的第一至第三相正弦信号，即IA、IB和IC。在本发明的一个示例中，滤波器34可以为低通滤波器。
单周电流实时调制PWM控制模块4的输入端与DDS模块3的输出端和反馈电流有效信号计算模块5的输出端相连。其中，单周电流实时调制PWM控制模块4的输出端与异步电机M和反馈电流有效信号计算模块5的输入端相连，用于对第一至第三相正弦信号(IA、IB和IC)分别与反馈电流有效信号进行差值运算，从而形成一个电流负反馈。然后，单周电流实时调制PWM控制模块4将差值运算结果进行均值滤波，将滤波后的结果与三角波进行比较，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块7，由功率驱动模块7驱动电机M。
由于DDS模块3本身对相位是连续可调的，使得DDS模块3可以立即响应转子定位模块6对电机M的转子位置的采集，从而大幅度提高第一至第三相正弦信号(IA、IB和IC)的正弦度。
电机控制器采用逆变电路，利用IGBT等大功率器件，将直流电转换成交流电，而功率器件都为开关信号。所以体现在相电压上，就是用数字的连续阶跃变化的电平去逼近模拟的正弦电压，所以每一个阶跃电平保持的时间越短，则正弦度就越好。而现有技术的SVPWM一般都采用5kHz，所以当电机转速越高的时候，谐波分量就会越大。
例如，如果采用现有技术的SVPWM调制，假定SVPWM工作在5KHz，电机M工作在3000rpm，转子定位模块6的传感器采用256线码盘，那么在这个状态下码盘每走一线需要的时间大约是78us。如果采用正交编码采集的话，每走一线的时间更短，大约是19us。从而SVPWM的5KHz的工作频率跟不上码盘采集速率。而本发明采用DDS技术则完全没有这个限制。由此，通过在对异步电机的控制中引入DDS技术，使得DDS模块输出第一至第三相正弦信号(IA、IB和IC)正弦度比起常用的矢量和直接转矩控制都要好，从而降低了谐波含量，让给定的相电流，即第一至第三相正弦信号(IA、IB和IC)尽可能的正弦。
根据本发明实施例的基于DDS技术的异步电机控制器，采用DDS技术优化相电流的正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率。由于DDS和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而在很大程度上抑制了过流现象。
本发明还提出一种车辆，包括：异步电机M和上述实施例提供的基于DDS技术的异步电机控制器10，其中，基于DDS技术的异步电机控制器与所述异步电机相连，用于控制异步电机M的工作，例如控制异步电机M的转矩和转速等。
根据本发明实施例的车辆，在电机控制部分采用DDS技术优化相电流的正弦度，降低谐波含量，从而提高电机效率。由于DDS和PWM的结合是基于电流跟踪的，所以磁链定向不准基本不影响电流变化，而单周电流实时调制PWM技术内部又集成了一个相电流负反馈处理，从而在很大程度上抑制了过流现象。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。
Claims (7)
1.一种基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，包括：比例积分PI调节模块、相位处理模块、直接数字式频率合成DDS模块、单周电流实时调制PWM控制模块、反馈电流有效信号计算模块和转子定位模块，其中，
所述PI调节模块的输入端分别与有效电流输出端和反馈电流有效信号计算模块的输出端相连，用于对输入的有效电流和反馈电流有效信号进行PI调节，生成幅度输入信号；
所述相位处理模块的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块的输出端相连，用于根据输入的转差频率和转子频率计算得到同步频率相位；
所述DDS模块的输入端分别与所述PI调节模块的输出端和所述相位处理模块的输出端相连，用于对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息，将所述相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列，将所述数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号；
所述单周电流实时调制PWM控制模块的输入端与所述DDS模块的输出端和所述反馈电流有效信号计算模块的输出端相连，所述单周电流实时调制PWM控制模块的输出端与异步电机和所述反馈电流有效信号计算模块的输入端相连，用于对所述第一至第三相正弦信号分别与反馈电流有效信号进行差值运算，并将差值运算结果与三角波进行比较，将比较后生成的第一至第三相信号输出至功率驱动模块，以由所述功率驱动模块驱动电机；
所述转子定位模块的输入端与所述电机相连，用于检测所述电机的转子的位置，并生成用于表示转子位置的转子频率，将所述转子频率发送至所述相位处理模块。
2.如权利要求1所述的基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，所述相位处理模块包括：
加法器，所述加法器的输入端分别与转差频率输出端和转子定位模块的输出端相连，用于对所述转差频率和转子频率进行加法运算；
相位生成单元，所述相位生成单元的输入端与所述加法器的输出端相连，所述相位生成单元的输出端与所述DDS模块的输入端相连，用于对加法运算后的信号进行处理以得到同步频率相位。
3.如权利要求1所述的基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，所述转子定位模块为位置传感器。
4.如权利要求1所述的基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，所述DDS模块包括：
频率控制器，用于提供相位增量；
相位累加器，所述相位累加器的输入端与所述频率控制器的输出端相连，用于根据在每个时钟周期内，以所述相位增量对所述同步频率相位进行相位累加得到相位信息；
波形存储器，所述波形存储器的输入端与所述相位累加器的输出端相连，用于将所述相位信息转换为对应的正弦幅度数字信号，根据所述幅度输入信号和所述数字化正弦幅度信号生成数字化波形序列；
数模转换器，所述数模转换器的输入端与所述波形存储器的输出端相连，用于将所述数字波形化序列经过数模转换以生成第一至第三相正弦信号。
5.如权利要求4所述的基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，所述DDS模块还包括：滤波器，所述滤波器的输入端与所述数模转换器的输出端相连，用于对所述第一至第三相正弦信号进行滤波处理，生成滤波后的第一至第三相正弦信号。
6.如权利要求5所述的基于DDS技术的异步电机控制器，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器。
7.一种车辆，其特征在于，包括：
异步电机；
权利要求1-6任一项所述的基于DDS技术的异步电机控制器，所述基于DDS技术的异步电机控制器与所述异步电机相连，用于控制所述异步电机的工作。
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| CN201410394790.6A CN104270059A (zh) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 一种基于dds技术的异步电机控制器及具有其的车辆 |
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| CN201410394790.6A Pending CN104270059A (zh) | 2014-08-12 | 2014-08-12 | 一种基于dds技术的异步电机控制器及具有其的车辆 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106712624A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-05-24 | 北京中瑞蓝科电动汽车技术有限公司 | 一种永磁同步电机控制方法及系统 |
| CN107342719A (zh) * | 2016-10-25 | 2017-11-10 | 北京市汉华环球科技发展有限责任公司 | 一种扫描振镜电机驱动系统 |
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2014
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| CN107342719B (zh) * | 2016-10-25 | 2019-11-12 | 北京市汉华环球科技发展有限责任公司 | 一种扫描振镜电机驱动系统 |
| CN106712624A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-05-24 | 北京中瑞蓝科电动汽车技术有限公司 | 一种永磁同步电机控制方法及系统 |
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|---|---|---|---|
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150107 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |