CN105119536A - 一种低成本电机驱动器拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低成本电机驱动器拓扑及其控制方法，包括单相整流器、薄膜电容组、三相四开关逆变器，其中：所述单相整流器通过电感与单相电网相连，所述薄膜电容组的一端连接单相整流器，另一端连接三相四开关逆变器；所述单相整流器根据控制需要整流产生需要的直流侧电压施加在所述薄膜电容组上；所述薄膜电容组对直流电压进行滤波后，由所述三相四开关逆变器将直流电压逆变成三相交流电压给小功率电机负载供电。本发明减少了整个驱动器所使用的全控开关管的数量，并用小容值的薄膜电容来替代电解电容，以此达到降低驱动器的整体成本，并提高驱动器的可靠性和寿命的目的。

Description

一种低成本电机驱动器拓扑及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种低成本电机驱动器拓扑及其控制方法。

背景技术

近年来，三相六开关逆变器已被广泛应用于电机驱动等场合，它通过对电机进行变频调速，大幅提升电机性能，电能被高效利用，为节能环保做出了贡献。但三相六开关逆变器的成本依然较高，特别对于小功率三相电机而言，其成本已与电机成本基本接近，故难以在小功率三相电机领域得到大量推广应用。为了解决这一问题，本发明提出了一种成本较低、性能和可靠性较高的单相输入三相输出的电机驱动器。

曹勇和王艳秋等.《空调变频器SPWM波形算法研究》.电气开关.V41,No.4,2003:32-33,35；这篇论文提到了一种变频器拓扑，这种拓扑即为传统的电机驱动器拓扑结构，通过交直交变换后输出三相交流电。这种传统的电机驱动器拓扑具有诸多弊端，首先，直流环节的大容量电解电容增大了驱动器的体积和重量，降低了可靠性和寿命；其次，整流侧采用不控整流，功率因数较低、输入电流谐波较大，难以达到国家标准；最后，逆变侧的全控开关器件较多，成本较高。

邢毅川和牟宪民等.《一种新的单相-三相矩阵变换器调制策略》.电工技术学报.V30,No.8,2015:90-96；这篇论文提到了一种单相-三相矩阵变换器，这种变换器能够将单相交流电直接变换成三相交流电，省去了直流环节的大容量电解电容，从而使变换器的体积和重量大幅减小，使变换器的可靠性和寿命得到提高。但这种单相-三相矩阵变换器使用的开关器件增加了一倍，成本大幅增加，经济性较差。

专利CN104539220A，“一种三相四开关逆变器自适应脉宽调制方法”介绍了一种仅使用四个开关的三相逆变器。这种逆变器由于仅使用四个全控开关器件，故成本相对较低。但其依然需要使用大容量的电解电容，由电解电容引起的可靠性低、寿命短的问题依然存在。

现有小功率电机的驱动器拓扑的缺点是成本过高、与电机成本相接近，难以被大量普及；同时由于直流侧采用可靠性低寿命短的大容值电解电容，变频器的寿命较短、可靠性较低。传统电机驱动器成本过高的原因主要是因为全控开关管的数量较多、直流侧需要大容值的电解电容来维持直流侧电压的稳定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低成本电机驱动器拓扑及其控制方法，减少了整个驱动器所使用的全控开关管的数量，并用小容值的薄膜电容来替代电解电容，以此达到降低驱动器的整体成本，并提高驱动器的可靠性和寿命的目的。

根据本发明的第一方面，提供一种低成本电机驱动器拓扑，包括单相整流器、薄膜电容组、三相四开关逆变器，其中：所述单相整流器通过电感与单相电网相连，所述薄膜电容组的一端连接单相整流器，另一端连接三相四开关逆变器；所述单相整流器根据控制需要整流产生需要的直流侧电压施加在所述薄膜电容组上；所述薄膜电容组对直流电压进行滤波后，由所述三相四开关逆变器将直流电压逆变成三相交流电压给小功率电机负载供电。

优选地，所述单相整流器仅使用一个开关器件，具有升压和功率因数校正功能，用较低的成本实现了较高的性能；具体的：当开关导通时，单相交流电被开关短接，从而对输入电感进行充电；当开关关断时，电感上的电流不再流经开关而流经薄膜电容组；通过开关的导通和关断能够有效抬升直流侧电压平均值。

根据本发明的第二方面，提供一种低成本电机驱动器的整流侧控制方法，所述方法采用直流侧电压外环和输入电流内环的双闭环控制策略，以控制输入电流与电网电压同相位波动，且直流侧电压达到需要的电压平均值。

具体的，所述控制方法包括：

首先由电压外环得到需要的输入电流有效值，即给定直流侧电压(Vdc*)与实际直流侧电压(Vdc)的差值通过PI控制器调节后得到输入电流的有效值；

然后，输入电流的有效值与电网角度对应的正弦值(sin(ωt))相乘后，得到与电网电压同相变化的给定输入电流；

最后，通过滞环控制使实际的输入电流在给定的输入电流附近波动。

根据本发明的第三方面，提供一种低成本电机驱动器的逆变侧控制方法，所述方法采用转速外环、电流内环的双闭环控制，电机负载类型为永磁同步电机。

具体的，所述控制方法包括：

所述方法采用转速外环、电流内环的双闭环控制，具体包括如下步骤：

首先，由转速外环得到电机定子电流给定值，即给定电机转速nr*与实际电机转速nr的差值通过PI控制器调节后得到电机定子电流的给定值Is*；

接着，电机d轴电流给定Id*和q轴电流给定Iq*通过最大转矩电流比控制产生；

然后，d轴和q轴电流给定与实际电流值的差值分别经过PI控制器后，得到需要输出的参考电压矢量，包括d轴电压Ud和q轴电压Uq两个分量；

最后，利用空间矢量脉宽调制将参考电压矢量转换成对应的PWM波，并控制电机正常运行。

其中d轴和q轴电流给定遵循以下公式产生：

$I_d=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{/}_s^2}}{4(L_q-L_d)}$

$I_q=\sqrt{I_s^2-I_d^2}$

式中，Ψf为电机永磁磁链，Ld和Lq为电机d轴和q轴电感，Is为电机定子电流值，Id为电机d轴电流值，Iq为电机q轴电流值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明减少了整个驱动器所使用的全控开关管的数量，并用小容值的薄膜电容来替代电解电容，以此达到降低驱动器的整体成本，并提高驱动器的可靠性和寿命的目的，具有成本更低，可靠性更高，系统寿命更长的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的电机驱动器拓扑示意图；

图2为本发明一实施例的电机驱动器整流侧控制策略；

图3为本发明一实施例的电机驱动器逆变侧控制方法。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种低成本电机驱动器拓扑，包括单相整流器、串联的薄膜电容组、三相四开关逆变器，其中：所述单相整流器通过电感与单相电网相连；所述薄膜电容组的一端连接单相整流器，另一端连接三相四开关逆变器；所述单相整流器根据控制需要整流产生需要的直流侧电压施加在所述薄膜电容组上；所述薄膜电容组对直流电压进行滤波后，由所述三相四开关逆变器将直流电压逆变成三相交流电压给小功率电机负载供电。

本实施例中，所述单相整流器仅使用一个开关器件，具有升压和功率因数校正功能，用较低的成本实现了较高的性能；当开关导通时，单相交流电被开关短接，从而对输入电感进行充电；当开关关断时，电感上的电流不再流经开关而流经薄膜电容组；通过开关的导通和关断能够有效抬升直流侧电压平均值。

本实施例中，所述开关可以采用IGBT、MOSFET等具有较高开关频率的全控开关。如图1所示，这一开关先与四个二极管并联构成一个双向开关，再与两个二极管串联构成单相整流器。

本实施例中，所述薄膜电容组由两个以上薄膜电容串联构成，如图1所示，有C1和C2两个薄膜电容串联而成。

所述薄膜电容组为小容值的电容组。薄膜电容较电解电容具有可靠性高、寿命长等优点，本发明中的薄膜电容组能够将直流电压中的高频波动分量滤去。但由于薄膜电容的容值较小，一般容值在50μF以下，故其不能维持直流侧电压的稳定，直流侧电压将呈两倍电网频率进行波动。

实施例2

基于上述图1所示的拓扑，提供一种低成本电机驱动器整流侧控制方法，如图2所示，为该方法的原理图。

本实施例的各硬件参数分别如下：

输入电感L为3mH；薄膜电容组选用两个45μF进行串联；开关器件为600V、25A的IGBT，开关频率设置为10kHz；电机负载为一台永磁同步电机，电机参数为：直轴电感为6.8mH、交轴电感为13.3mH、定子电阻为0.54Ω、永磁磁链为0.08Wb、电机极对数为3、额定功率为1kW、额定转速为5400rpm。

给定直流母线电压为幅值为500V、波动周期为2倍工频周期的正弦半波，直流电压环PI调节器参数设置为Kp＝1，Ki＝100，输出限幅为±30A。利用图2所示的控制方法，包括：

首先由电压外环得到需要的输入电流有效值，即给定直流侧电压(Vdc*)与实际直流侧电压(Vdc)的差值通过PI控制器调节后得到输入电流的有效值；

然后，输入电流的有效值与电网角度对应的正弦值(sin(ωt))相乘后，得到与电网电压同相变化的给定输入电流；

最后，通过滞环控制使实际的输入电流在给定的输入电流附近波动。

上述图2所示方法能够控制直流母线电压峰值不超过550V，在开关器件的耐压值以下，且跟随给定值进行周期性波动。另外输入电流相位与电网电压相位基本一致，输入功率因数高于95％。

实施例3

基于上述图1所示的拓扑，提供一种低成本电机驱动器逆变侧控制方法，如图3所示，为该方法的原理图。本实施例的各硬件参数与实施例2相同。

逆变侧的控制采用如图3所示的控制方法，此方法采用转速外环、电流内环的双闭环控制策略。

首先，由转速外环得到电机定子电流给定值，即给定电机转速(nr*)与实际电机转速(nr)的差值通过PI控制器调节后得到电机定子电流的给定值(Is*)；

接着，电机d轴电流给定(Id*)和q轴电流给定(Iq*)通过最大转矩电流比(MTPA)控制产生，即d轴和q轴电流给定遵循以下公式产生：

$I_d=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{/}_s^2}}{4(L_q-L_d)}$

$I_q=\sqrt{I_s^2-I_d^2}$

式中，Ψf为电机永磁磁链，Ld和Lq为电机d轴和q轴电感，Is为电机定子电流值，Id为电机d轴电流值，Iq为电机q轴电流值。

然后，d轴和q轴电流给定与实际电流值的差值分别经过PI控制器后，得到需要输出的参考电压矢量(包括d轴电压(Ud)和q轴电压(Uq)两个分量)。

最后，利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)将参考电压矢量转换成对应的PWM波，并控制电机正常运行。其中SVPWM控制所使用的直流侧电压值较一般控制方式有所不同。其值可以通过实时测量直流侧电压值，对其进行有效值的求取，来替代一般控制中稳定的直流母线电压值。也可以在控制中直接使用直流侧电压的瞬时值，但要求控制回路的频率与直流电压的采样频率相一致。

给定电机转速为5400rpm，给定电机转矩为2.65N.m，转速PI调节器的参数设置为Kp＝10，Ki＝10，输出限幅为±15A；两个dq轴电流PI调节器的参数设置为Kp＝30，Ki＝50，输出限幅为±450V。另外空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制时，采用直流侧电压的平均值作为母线电压值。

试验结果表明电机能够最终稳定在给定转速，验证了本发明的可行性。

本发明减少了整个驱动器所使用的全控开关管的数量，并用小容值的薄膜电容来替代电解电容，以此达到降低驱动器的整体成本，并提高驱动器的可靠性和寿命的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种低成本电机驱动器拓扑，其特征在于，包括单相整流器、薄膜电容组、三相四开关逆变器，其中：所述单相整流器通过电感与单相电网相连，所述薄膜电容组的一端连接单相整流器，另一端连接三相四开关逆变器；所述单相整流器根据控制需要整流产生需要的直流侧电压施加在所述薄膜电容组上；所述薄膜电容组对直流电压进行滤波后，由所述三相四开关逆变器将直流电压逆变成三相交流电压给小功率电机负载供电。

2.根据权利要求1所述的一种低成本电机驱动器拓扑，其特征在于，所述单相整流器仅使用一个开关器件，具有升压和功率因数校正功能：当开关导通时，单相交流电被开关短接，从而对输入电感进行充电；当开关关断时，电感上的电流不再流经开关而流经薄膜电容组；通过开关的导通和关断能够有效抬升直流侧电压平均值。

3.根据权利要求1或2所述的一种低成本电机驱动器拓扑，其特征在于，所述薄膜电容组由两个以上薄膜电容串联构成。

4.一种权利要求1-3任一项所述的一种低成本电机驱动器拓扑的整流侧控制方法，其特征在于，所述方法采用直流侧电压外环和输入电流内环的双闭环控制策略，以控制输入电流与电网电压同相位波动，且直流侧电压达到需要的电压平均值；

所述控制方法包括：

首先由电压外环得到需要的输入电流有效值，即给定直流侧电压Vdc*与实际直流侧电压Vdc的差值通过PI控制器调节后得到输入电流的有效值；

然后，输入电流的有效值与电网角度对应的正弦值sin(ωt)相乘后，得到与电网电压同相变化的给定输入电流；

最后，通过滞环控制使实际的输入电流在给定的输入电流附近波动。

5.一种权利要求1-3任一项所述的一种低成本电机驱动器拓扑的逆变侧控制方法，其特征在于：所述方法采用转速外环、电流内环的双闭环控制，电机负载类型为永磁同步电机，具体包括如下步骤：

首先，由转速外环得到电机定子电流给定值，即给定电机转速nr*与实际电机转速nr的差值通过PI控制器调节后得到电机定子电流的给定值Is*；

接着，电机d轴电流给定Id*和q轴电流给定Iq*通过最大转矩电流比控制产生；

然后，d轴和q轴电流给定与实际电流值的差值分别经过PI控制器后，得到需要输出的参考电压矢量，包括d轴电压Ud和q轴电压Uq两个分量；

最后，利用空间矢量脉宽调制将参考电压矢量转换成对应的PWM波，并控制电机正常运行。

6.根据权利要求5所述的一种低成本电机驱动器拓扑的逆变侧控制方法，其特征在于：d轴和q轴电流给定遵循以下公式产生：

$I_d=\frac{{\mathrm{\ψ}}_f-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_f^2+8{(L_d-L_q)}^2{/}_s^2}}{4(L_q-L_d)}$

$I_q=\sqrt{I_s^2-I_d^2}$

式中，Ψf为电机永磁磁链，Ld和Lq为电机d轴和q轴电感，Is为电机定子电流值，Id为电机d轴电流值，Iq为电机q轴电流值。

7.根据权利要求5所述的一种低成本电机驱动器拓扑的逆变侧控制方法，其特征在于：空间矢量脉宽调制所使用的直流侧电压值：通过实时测量直流侧电压值、对其进行有效值的求取获得；或者在控制中直接使用直流侧电压的瞬时值，但控制回路的频率与直流电压的采样频率必须相一致。