CN104660089A - 用于伺服驱动的pwm整流器回馈滞环控制方法 - Google Patents

用于伺服驱动的pwm整流器回馈滞环控制方法 Download PDF

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Abstract

用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,PWM整流器为双闭环控制,外环为电压环,内环为电流环,将电压环的控制目标设定为一个区间,按区间将PWM整流器的工作状态分为整流工作状态,回馈工作状态和中间工作状态,中间工作状态时PWM整流器既不进行整流也不进行能量回馈。本发明针对PWM整流器在伺服电机驱动领域的应用问题,提出了一种新的电压环回馈滞环控制方法,可以减少能量回馈的次数和回馈能量的大小,降低了能量回馈过程中的损耗,提高了伺服驱动装置中PWM整流器的效率。

Description

用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于机电控制领域,涉及PWM整流器,为一种用于伺服驱动的PWM整流器回 馈滞环控制方法。
背景技术
[0002] 目前PWM整流器已经应用于电机驱动领域,如参考专利[1]和[2],使用PWM整 流电路代替二极管整流电路。由于二极管整流电路能量只能单相传输,电机制动时的再 生电能会不断在直流侧电容上累积,产生泵升电压,需要通过能耗制动的方式抑制泵升电 压,而能耗制动会造成能量的浪费,同时二极管整流电路对电网谐波污染严重,功率因数较 低。PWM整流器使用可控功率器件如IGBT,可以实现能量的双向流动,当电机处于电动工 作状态时,PWM整流器运行于整流工作状态,从电网吸取能量;当电机处于再生制动工作状 态时,PWM整流器运行于回馈工作状态,将电机制动产生的能量回馈到电网,抑制泵升电压。 PWM整流器不仅将电机再生制动产生的能量回馈到电网,达到节能的效果,而且可以实现单 位功率因数运行,极大减小对电网的谐波污染。
[0003] PWM整流器的控制器结构图如图1所示,Si~S6为可控功率器件,VT VT 3为电 压传感器,〇\和CT 2为电流传感器,L i、LdP L 3为电抗器,C为直流侧电容。PWM整流器的 控制器输入模拟信号为电网线电压eab、eb。,电网电流ia、i b,以及直流侧电压Ud。,控制器输出 控制信号为6路PWM信号PWM1~PWM6。三相静止坐标系下电网线电压e ab、eb。和电流i a、 ib经3s/2s变换到两相静止坐标系下,得到e a、efi、ia、,再经2s/2i变换到两相旋转dq 坐标系下得到6 (1、£(1、1(1、1(1。6[1、6( ;)经锁相后输出8;[110和(308 9,用于28/21'或21'/28变 换。3s/2s变换指3相静止坐标到2相静止坐标的变换,2s/2r变换指2相静止坐标到2相 旋转坐标的变换,2s/2r变换与2s/2r相反。dq坐标系中定义d轴指向电网电势,这样E d、Id 表示有功分量,Eq、Iq表示无功分量,电流方向规定为PWM整流器处于整流工作状态时I,大 于0,回馈工作状态时I d小于0。PWM整流器为双闭环控制,外环为电压环,内环为电流环。 电压外环的作用主要是控制PWM整流器直流侧电压;电流内环的作用主要是按电压外环输 出的电流指令进行电流控制,采用前馈解耦的方式消除dq轴电流耦合关系,实现有功、无 功电流分量的独立控制。参考电压U Mf与直流侧电压Ud。之差经电压环控制器,得到两相旋 转dq坐标系下d轴电流环的参考值/:,令q轴电流环参考值为< = 即无功分量为零。d、 q轴电流分别经过各自的电流PI环控制器,产生Ud和U q,仏和U q经坐标变换得到两相静止 坐标系下电压分量Ua和U p,再经过SVPWM模块后输出脉冲PWM1~PWM6,用以驱动PWM整 流桥各开关。
[0004] 如图1所示,PWM整流器电压环参考给定一般为固定值u,rf,电压环控制流程图如 图2所示,当直流侧电压U d。低于^寸,电压误差UdcEn大于0,经电压环PI控制器输出 d轴电流PI环控制器的参考值/.,此时PWM整流器运行于整流工作状态,从电网吸取能量; 当直流侧电压U d。高于U #时,电压误差UdcErr小于0,经PI控制器输出d轴电流PI环控 制器的参考值,此时PWM整流器运行于回馈工作状态,将电机制动产生的能量回馈电网。 其中图2的&和K P为电压环PI控制器的参数。而在伺服驱动应用场合下,由于电机的频 繁启动/停止或加速/减速,能量会频繁的回馈电网,导致PWM整流器的效率降低。
[0005] 参考专利[1]200810085700.X用于改善电机驱动功率因数控制的系统和方法 [0006] 参考专利[2] 201210187179. 7 -种基于能量优化的永磁电机控制装置和方法
发明内容
[0007] 本发明要解决的问题是:现有PWM整流器控制系统为双闭环控制,对外环的电压 环采用固定值作为参考给定值,而对于伺服驱动应用场合下,电压环的这种控制方式使得 电机的频繁启动/停止或加速/减速,能量会频繁的回馈电网,导致PWM整流器的效率降 低。
[0008] 本发明的技术方案为:用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,PWM整流器 为双闭环控制,外环为电压环,内环为电流环,PWM整流器用于伺服驱动器时,将电压环的控 制目标设定为一个区间,区间的上下限分别为整流目标电压U_t和回馈起始电压Ubadt,且回 馈起始电压U badt要大于整流目标电压U ,当直流侧电压低于整流目标电压U_t时PWM整 流器处于整流工作状态,从电网吸取能量;当直流侧电压高于回馈起始电压Ubadt时PWM整 流器处于回馈工作状态,将电机制动产生的能量回馈电网;当直流侧电压大于整流目标电 压U_t小于回馈起始电压U badt时,定义此时PWM整流器的状态为中间工作状态,PWM整流器 既不进行整流也不进行能量回馈,将能量先暂存于直流侧电容中,直至直流侧电压高于回 馈起始电压 Uback。
[0009] 进一步的,所述整流目标电压U_t和回馈起始电压U badt在PWM整流器和伺服驱 动器安全工作电压范围内进行设置,整流目标电压U_t为伺服驱动器正常工作时需要的电 压;回馈起始电压ubadt根据伺服驱动器泵升电压进行设置,以尽量减少回馈电网的能量为 设置原则。
[0010] 进一步的,PWM整流器工作状态的控制具体为:
[0011] 当直流侧电压ud。低于整流目标电压U_t时,PWM整流器工作于整流工作状态,电 压误差UdcErr = U,eet - Ud。,电压误差经电压环PI控制器,得到两相旋转dq坐标系下d轴 电流环的参考值
[0012] 当直流侧电压Ud。高于回馈起始电压Ubaek时,PWM整流器工作于回馈工作状态,电 压误差UdcErr = Ubaek - Ud。,电压误差经电压环PI控制器,得到两相旋转dq坐标系下d轴 电流环的参考值乃;
[0013] 当直流侧电压Ud。高于整流目标电压U 但低于回馈起始电压U badt时,PWM整流 器工作于中间工作状态,电压环PI控制器输出d轴电流环的参考值/:为0,这样PWM整流器 就会既不处于整流工作状态也不处于回馈工作状态。
[0014] 三相静止坐标系下电网电流ia、ib经3s/2s变换到两相静止坐标系下得到i 再经2s/2r变换到两相旋转dq坐标系下得到Iplq,dq坐标系中定义d轴指向电网电势,则 I d表示有功分量,为保证整流工作状态和回馈工作状态切换至中间工作状态的平滑切换, 依据直流侧电压Ud。以及电流I d的方向切换工作状态,具体如下:
[0015] 当前一时刻PWM整流器处于整流工作状态,即Ud。由低于整流目标电压U 上升到 高于整流目标电压U寸,若I d>0则电压误差UdcErr = U_t - Ud。,否则将电压误差UdcErr 与电压误差积分和UdcErrlnt强制为0 ;
[0016] 当前一时刻PWM整流器处于回馈工作状态,即Ud。由高于回馈起始电压U badt下降到 低于回馈起始电压Ubaek时,若I d〈0则电压误差UdcErr = Ubaek - Ud。,否则将电压误差UdcErr 与电压误差积分和UdcErrlnt强制为0 ;
[0017] 若前一时刻PWM整流器处于中间工作状态,则将电压误差UdcEn与电压误差积分 和UdcErrlnt继续强制为0。
[0018] 本发明主要对PWM整流器应用于伺服电机驱动领域时存在的问题进行分析,与普 通电机不同的是,伺服电机工作时需要频繁的启动/停止或加速/减速运行,例如伺服压力 机,每分钟冲压数百次,其使用的伺服电机也会频繁的进行启动/停止或加速/减速运行, 这样导致PWM整流器也会每分钟数百次将电机再生制动产生的能量回馈给电网,由于能量 经过PWM整流器时会有一定的损耗,频繁的能量回馈会降低PWM整流器的效率。针对此问 题,本发明提出一种PWM整流器回馈滞环控制方法,电机再生制动产生的能量不是立即回 馈电网,而是先暂存于直流侧电容中,这部分能量在下次电机启动或加速时可以使用,当电 容电压高于回馈起始定值时才进行能量回馈,这样可以减少能量回馈的次数和回馈能量的 大小,降低了能量回馈过程中的损耗,提高了伺服驱动装置中PWM整流器的效率。
附图说明
[0019] 图1为现有技术中PWM整流器控制系统结构图。
[0020] 图2为现有技术的电压环控制流程图。
[0021] 图3为本发明的电压环回馈滞环控制器输入。
[0022] 图4为本发明的电压环回馈滞环控制流程图。
[0023] 图5为PWM整流器经本发明的电压环改进前实验结果。
[0024] 图6为PWM整流器经本发明的电压环改进前实验结果局部放大图。
[0025] 图7为PWM整流器在本发明方法下的电压环回馈滞环控制实验结果。
[0026] 图8为PWM整流器在本发明方法下的电压环回馈滞环控制实验结果局部放大图。
具体实施方式
[0027] 针对现有技术中,PWM整流器在伺服驱动中应用时遇到的问题,本发明对PWM整流 器的电压环控制进行改进,并提出一种回馈滞环控制方法,此控制方法中电压环控制的目 标不再是一个固定值,而是一个区间,如图3所示,区间的上下限分别为整流目标电压U_t 和回馈起始电压Ubadt,且回馈起始电压Ubadt要大于整流目标电压U 。当直流侧电压低于 整流目标电压U_t时PWM整流器处于整流工作状态,当直流侧电压高于回馈起始电压U badt 时PWM整流器处于回馈工作状态,当直流侧电压大于整流目标电压U_t小于回馈起始电压 Ubadt时,定义此时PWM整流器的状态为中间工作状态,整流器既不进行整流也不进行能量回 馈,优点是电机再生制动产生的能量不是立即回馈电网,而是先暂存于直流侧电容中,这部 分能量在下次电机启动或加速时可以使用,可以减少不必要的能量回馈,提高PWM整流器 的效率。
[0028] 在进行控制区间的设置时,整流目标电压和回馈起始电压需要在PWM整流器和伺 服驱动器安全工作电压范围内进行设置,整流目标电压为伺服驱动器正常工作时需要的电 压;回馈起始电压根据伺服驱动器泵升电压进行设置,原则是尽量减少回馈电网的能量。
[0029] 综上,在电压环回馈滞环控制方法中PWM整流器有三种工作状态,整流工作状态、 中间工作状态和回馈工作状态,进一步的,回馈滞环控制的重点还在于三种工作状态的平 滑切换,为保证三种工作状态的平滑切换,除需要依据直流侧电压外,还需要对电流I d的方 向进行判断。
[0030] 电压环回馈滞环控制流程图如图4所示,在现有技术的图2的基础上增加了 PWM 整流器工作状态的判断和切换:
[0031] 当直流侧电压Ud。低于整流目标电压U 时,PWM整流器工作于整流工作状态,令 表示工作状态的标志位Mode = 1,电压误差UdcErr = I4eet -Ud。,经电压环PI控制器输出d 轴电流环参考
[0032] 当直流侧电压Ud。高于回馈起始电压U badt时,PWM整流器工作于回馈工作状态,令 标志位Mode = 2,电压误差UdcErr = Ubaek - Ud。,经电压环PI控制器输出d轴电流环参考 1:'
[0033] 当直流侧电压Ud。高于整流目标电压U 但低于回馈起始电压U badt时,PWM整流 器工作于中间工作状态,标志位Mode = 0,电压环PI控制器输出d轴电流环参考C应当为 0,这样PWM整流器就会既不处于整流工作状态也不处于回馈工作状态。
[0034] 但是由于电压环PI控制器中积分环节存在惯性,输出d轴电流环参考/:不会立即 改变方向,如果强制C立即为〇,会造成电压环输出的波动,此时为保证工作状态的平滑切 换,需要根据电流1<!的方向进行状态的切换,具体切换方式如下:
[0035] 当前一时刻PWM整流器处于整流工作状态(Mode = 1),即Ud。由低于整流目标电压 U_t上升到高于整流目标电压U 时,若I d>0则电压误差UdcErr = U_t - Ud。,否则将电压 误差UdcErr与电压误差积分和UdcErrlnt强制为0,同时令Mode = 0 ;
[0036] 当前一时刻PWM整流器处于回馈工作状态(Mode = 2),即Ud。由高于回馈起始电压 Uback下降到低于回馈起始电压U baek时,若I d〈0则电压误差UdcErr = Ubaek - Ud。,否则将电压 误差UdcErr与电压误差积分和UdcErrlnt强制为0,同时令Mode = 0 ;
[0037] 若前一时刻PWM整流器处于中间工作状态(Mode = 0),则将电压误差UdcErr与电 压误差积分和UdcErrlnt继续强制为0,保持标志位Mode = 0。
[0038] 本发明相比现有PWM整流的双闭环控制,仅针对电压环的控制目标进行了改进, 电流环控制为现有技术,上述电压误差积分和UdcErrlnt以及电压环输出的参考值C的计 算为电压环PI控制器的现有技术,不再详述。
[0039] 电压环控制改进前后实验结果如图5、图6、图7、图8所示,每个图形分别有三条曲 线,分别为直流侧电压U d。、电网A相相电压ea、电网A相电流ia,PWM整流器处于整流工作状 态时电网相电Se a与电网电流込同相位,PWM整流器处于回馈工作状态时电网相电压63与 电网电流ia相位相反,依次作为判断PWM整流器实际工作状态的依据。电压环控制改进前 实验结果如图5、图6所示,当直流侧电压U d。高于UMf时,见图6中a区域,e 3与i a相位相 反,PWM整流器运行于回馈工作状态;直流侧电压Ud。低于^寸,见图6中b区域,^与i a 同相位,PWM整流器运行于整流工作状态。电压环控制改进后,即本发明的回馈滞环控制实 验结果如图7、图8所示,当直流侧电压Ud。高于回馈起始电压Ubad5时,见图8中b区域,e a 与ia相位相反,PWM整流器工作于回馈工作状态;当直流侧电压Ud。低于整流目标电压U_ t 时,见图8中d区域,%与i a相位相同,PWM整流器工作于整流工作状态;当直流侧电压Ud。 高于整流目标电压U_ t但低于回馈起始电压Ubadt时,见图8中a、c区域,PWM整流器工作 于中间工作状态,电网电流i a基本为〇,电网和直流侧电容之间没有能量的流动。若直流侧 电压一直低于回馈起始值Ubadt,则不会有能量回馈到电网。
[0040] 在伺服电机驱动领域,本发明的回馈滞环控制可以减少能量回馈的次数和回馈能 量的大小,降低了能量回馈过程中的损耗,提高了伺服驱动装置中PWM整流器的效率。

Claims (4)

1. 用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,PWM整流器为双闭环控制,外环为 电压环,内环为电流环,其特征是PWM整流器用于伺服驱动器时,将电压环的控制目标设定 为一个区间,区间的上下限分别为整流目标电压U_t和回馈起始电压Ubadt,且回馈起始电压 Ubadt要大于整流目标电压U ,当直流侧电压低于整流目标电压U_ t时PWM整流器处于整 流工作状态,从电网吸取能量;当直流侧电压高于回馈起始电压Ubadt时PWM整流器处于回 馈工作状态,将电机制动产生的能量回馈电网;当直流侧电压大于整流目标电压Urert小于 回馈起始电压U badt时,定义此时PWM整流器的状态为中间工作状态,PWM整流器既不进行整 流也不进行能量回馈,将能量先暂存于直流侧电容中,直至直流侧电压高于回馈起始电压 Uback。
2. 根据权利要求1所述的用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,其特征是所 述整流目标电压Urat和回馈起始电压U badt在PWM整流器和伺服驱动器安全工作电压范围内 进行设置,整流目标电压Urert为伺服驱动器正常工作时需要的电压;回馈起始电压U badt根 据伺服驱动器泵升电压进行设置,以尽量减少回馈电网的能量为设置原则。
3. 根据权利要求1所述的用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,其特征是 PWM整流器工作状态的控制具体为: 当直流侧电压Ud。低于整流目标电压U 时,PWM整流器工作于整流工作状态,电压误 差UdcErr = U,eet - Ud。,电压误差经电压环PI控制器,得到两相旋转dq坐标系下d轴电流 环的参考值 当直流侧电压Ud。高于回馈起始电压U badt时,PWM整流器工作于回馈工作状态,电压误 差UdcErr = Ubaek - Ud。,电压误差经电压环PI控制器,得到两相旋转dq坐标系下d轴电流 环的参考值C; 当直流侧电压Ud。高于整流目标电压U 但低于回馈起始电压U badt时,PWM整流器工 作于中间工作状态,电压环PI控制器输出d轴电流环的参考值为0,这样PWM整流器就会 既不处于整流工作状态也不处于回馈工作状态。
4. 根据权利要求1或2或3所述的用于伺服驱动的PWM整流器回馈滞环控制方法,其 特征是三相静止坐标系下电网电流ia、i b经3s/2s变换到两相静止坐标系下得到i α、i e,再 经2s/2r变换到两相旋转dq坐标系下得到Id、I,,dq坐标系中定义d轴指向电网电势,则 Id表示有功分量,为保证整流工作状态和回馈工作状态切换至中间工作状态的平滑切换, 依据直流侧电压U d。以及电流I d的方向切换工作状态,具体如下: 当前一时刻PWM整流器处于整流工作状态,即Ud。由低于整流目标电压Urert上升到高于 整流目标电压U寸,若I d>0则电压误差UdcErr = Urat - Ud。,否则将电压误差UdcErr与 电压误差积分和UdcErrInt强制为0 ; 当前一时刻PWM整流器处于回馈工作状态,即Ud。由高于回馈起始电压Ubadt下降到低于 回馈起始电压Ubaek时,若I d〈0则电压误差UdcErr = Ubaek - Ud。,否则将电压误差UdcErr与 电压误差积分和UdcErrInt强制为0 ; 若前一时刻PWM整流器处于中间工作状态,则将电压误差UdcErr与电压误差积分和 UdcErrInt继续强制为0。
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