CN105471361A - 一种电机驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机驱动控制系统,该系统包括直流-直流变换器控制部以及逆变器控制部,逆变器控制部包括顺序相连的速度控制器、电流控制器以及逆变器PWM,逆变器控制部还包括开关频率计算模块,开关频率计算模块计算出开关频率信息传输于逆变器PWM,逆变器PWM输出PWM信号用于控制逆变器,直流-直流变换器部包括顺序相连的直流电压计算模块及直流电压控制器。按照本发明实现的电机驱动控制系统,低速下开关损耗为传统系统的1/4,而系统的其他功率损耗基本维持不变,相加之后,系统总损耗能减小20%~40%。

Description

一种电机驱动控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于逆变器驱动交流电机领域,更具体地,涉及一种可变直流母线电压和开关频率的逆变器控制系统及其控制方法。
背景技术
随着电力电子与控制技术的发展,逆变器驱动变频调速交流电机成为交通牵引中的主要方式。在混合动力和全电动汽车中,储能电池一般通过升压型直流-直流变换器升到固定直流电压,再通过固定开关频率的脉宽调制下的三相逆变器驱动负载电机。由于电机运行在不同速度下的反电动势不同,逆变器的调制比也会不同。低调制比下电力电子器件仍然要承受全母线电压的应力和对应的开关损耗,并且全速度范围内固定开关频率也会在低调制比时带来不必要的开关损耗。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种可变直流母线电压和开关频率的逆变器控制系统及其控制方法,其目的在于使逆变器随电机转速控制直流母线电压和开关频率,降低低转速下电力电子器件的电压应力和开关损耗,由此解决降低低转速下电力电子器件的电压应力和开关损耗的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种电机驱动控制系统,其特征在于,该系统包括直流-直流变换器控制部以及逆变器控制部,所述逆变器控制部包括顺序相连的速度控制器、电流控制器以及逆变器PWM,所述速度控制器通过比较上位机指令的参考速度和所述转速传感器采集的反馈速度输出参考电流,所述参考电流通过所述电流控制器变换为输出参考电压输入所述逆变器PWM,所述逆变器控制部还包括开关频率计算模块,所述开关频率计算模块计算出开关频率信息传输于所述逆变器PWM,所述逆变器PWM输出PWM信号用于控制逆变器,所述直流-直流变换器控制部包括顺序相连的直流电压计算模块及直流电压控制器,其中所述直流电压计算模块用于同步接收所述参考速度,并计算出直流电压参考值,并与实时采集的直流电压相减后输送与所述直流电压控制器,所述直流电压控制器输出直流-直流变换器PWM信号。
进一步地,所述直流电压计算模块计算出所述直流电压参考值的过程为:当所述电机处于额定转速时,所述直流电压参考值为额定电压,当所述电机的额定转速下降时,所述直流电压参考值随所述额定转速下降而线性下降;当所述电机转速下降到低速拐点,所述直流电压参考值维持在电池电压。
本发明还提出了一种可变直流母线电压的电机驱动控制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
通过检测电机转速,调节直流-直流变换器的占空比来调节直流母线电压:当所述电机处于额定转速时,直流母线电压维持在额定电压;当所述电机转速下降时,电机端电压随转速线性下降,控制所述直流母线电压同步线性下降,当所述电机转速下降到低速拐点,控制所述直流母线电压下降到和电池端电压相同。
进一步地,所述直流母线电压下降到和电池端电压相同后,控制所述直流-直流变换器停止开关,由电池直接驱动逆变器,所述直流母线电压维持在电池电压。
本发明还提出了一种可变开关频率的逆变器的电机驱动控制方法,其特征在于,该控制方法包括如下步骤:直流母线电压维持在额定电压,则所述逆变器开关频率也维持在相应的额定值,当所述直流母线电压随所述电机转速线性下降,所述开关频率随所述直流母线电压线性下降,当所述开关频率线性下降直到低速拐点,之后所述开关频率维持在所述低速拐点值。
本发明还提出了一种可变直流母线电压和可变开关频率的电机驱动控制方法,其特征在于,通过检测电机转速,调节直流-直流变换器的占空比来调节直流母线电压:当所述电机处于额定转速时,直流母线电压维持在额定电压,所述逆变器开关频率也维持在相应的额定值;当所述电机转速下降时,电机端电压随转速线性下降,控制所述直流母线电压同步线性下降,所述开关频率随所述直流母线电压线性下降;当所述电机转速下降到低速拐点,控制所述直流母线电压维持与电池端电压相同,所述开关频率维持在所述低速拐点值。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
提供一种能有效的利用储能电池前级升压型直流-直流变换器根据电机驱动需求动态的改变直流母线和或进行可变开关频率的控制的方法,保持电机在不同转速下都有相同的高调制比。同时,由于低速下直流母线电压降低而调制比保持相同,在电机电感的电压幅值同步降低,使电机电流纹波也同步下降。此时可以同步降低开关频率,仍然可以保持与额定转速下相同的电流纹波,按照上述的驱动控制方法,电机驱动系统的开关损耗为传统系统的1/4,而系统的其他功率损耗基本维持不变,相加之后,系统总损耗能减小20%~40%。
附图说明
图1是按照本发明实现的电机驱动系统的电路结构示意图;
图2是按照本发明实现的直流母线电压随转速的改变曲线;
图3是按照本发明实现的开关频率电压随转速的改变曲线;
图4是按照本发明实现的电机系统控制模块框图;
图5是按照本发明实现的控制方法的在不同情况下的开关损耗比较示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1-电池2-升压型直流-直流变换器3-直流母线电容4-逆变器5-电机6-电机速度控制器7-电机电流控制器8-逆变器开关频率计算模块9-逆变器PWM模块10-逆变器PWM信号11-直流电压计算模块12-直流电压控制器13-直流-直流变换器PWM信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,电机驱动系统结构包括储能电池1,通过一个升压型直流-直流变换器2接入直流母线。直流母线主要包括一个储能电容3,以平滑直流母线电压。直流母线通过一个电压型逆变器驱动负载电机。该电机驱动系统为能量回馈系统,负载电机作为发电机时可以通过逆变器将能量回馈给电池充电,能量回馈时,电机作为发电机工作,通过逆变器反向实现整流再通过直流-直流变换器向电池充电。适用于电动汽车减速制动时能量回馈。
如图2所示,该驱动电路的直流母线电压随电机转速改变而改变。通过传感器检测电机转速,并且通过调节直流-直流变换器的占空比来调节直流母线电压。当电机运行时处于额定转速时,直流母线电压维持在额定电压,逆变器4的调制比接近1,满足空间矢量PWM驱动的要求。当转速下降时,电机端电压随转速线性下降,此时本发明的驱动控制系统控制直流母线电压同步线性下降,以维持逆变器4的调制比不变。直到速度下降到低速拐点,直流母线电压下降到和电池端电压相同,控制直流-直流变换器2停止开关,由电池直接驱动逆变器4,直流母线电压维持在电池电压。在转速下降的过程中,由于直流母线电压同步地线性下降,使得与固定直流母线电压的系统相比电力电子器件承受的电压应力减小,开关过程中电力电子器件的开关损耗也同步下降,而其他部分损耗基本不变,因此系统的总损耗得到了有效的减少。
如图3所示,该驱动电路的逆变器4的开关频率随电机的转速改变而改变。因为直流母线电压随速度线性下降,保持调制比不变,所以电机电感上的开关电压幅值也同步下降。此时按照如图3所示的趋势同步下降开关频率,可以保持电机电流开关纹波不变,而进一步减小开关损耗。额定转速时开关频率为额定值,随速度下降,开关频率线性下降直到低速拐点,之后随直流母线电压维持在电池电压从而开关频率维持在最小值。
如图4所示,是按照本发明实现的驱动控制系统的组成框图,包括逆变器4控制和直流-直流变换器2的两个部分的驱动控制。逆变器4的控制模块包括速度控制器6,通过比较上位机指令的参考速度和转速传感器的反馈速度通过速度调节算法实现电机的输出转速的控制,并输出相应的参考电流,通过电流控制器7的变换成输出参考电压进入逆变器PWM模块9。同时,根据图3所示的方法(即依据转速与开关频率的关系),开关频率计算模块8计算出开关频率信息并传送给PWM模块9,最后输出逆变器PWM信号10用于控制逆变器。同时,参考速度送入直流电压计算模块11,根据图2原则计算出直流电压参考值,与反馈的直流电压相减后送入直流电压控制器12,输出直流-直流变换器PWM信号13,通过控制直流-直流变换器的开关占空比控制直流母线电压。
如图5所示,是在一个电机额定转速6000转,额定直流母线电压600V,额定开关频率10kHz,电池电压200V的30kW电机驱动系统中进行的损耗估计的比较。随着速度下降,采用变直流母线电压的方法控制下的逆变器的功率损耗明显低于采用传统固定直流母线电压的控制方法,因为直流母线的降低可以降低电力电子器件的开关损耗;进一步,同步降低开关频率,在保持电流纹波不变的情况下,系统功率损耗能进一步降低。与固定直流母线电压和逆变器开关频率的传统电机驱动系统相比,本发明中的电机驱动系统在转速降低时通过同步降低直流母线电压可以与转速同比例的降低开关损耗,进一步降低开关频率可以按二次方的比例降低开关损耗。即转速为额定转速一半时,本发明中的电机驱动系统的开关损耗为传统系统的1/4。而系统的其他功率损耗基本维持不变,相加之后,系统总损耗能减小20%~40%(根据开关损耗占总损耗的比例不同而不同)。
本发明中的电机驱动拓扑结构是已经在电动汽车中得到了应用的结构。本发明在其基础上提出了优化效率的控制方法。能够直接在主流的电动汽车电机驱动系统中使用,应用简单实用。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电机驱动控制系统,其特征在于,该系统包括直流-直流变换器控制部以及逆变器控制部,所述逆变器控制部包括顺序相连的速度控制器(6)、电流控制器(7)以及逆变器PWM(9),所述速度控制器(6)通过比较上位机指令的参考速度和所述转速传感器采集的反馈速度输出参考电流,所述参考电流通过所述电流控制器(7)变换为输出参考电压输入所述逆变器PWM(9),所述逆变器控制部还包括开关频率计算模块(8),所述开关频率计算模块(8)计算出开关频率信息传输于所述逆变器PWM(9),所述逆变器PWM(9)输出PWM信号用于控制逆变器,所述直流-直流变换器控制部包括顺序相连的直流电压计算模块(11)及直流电压控制器(12),其中所述直流电压计算模块(11)用于同步接收所述参考速度,并计算出直流电压参考值,并与实时采集的直流电压相减后输送与所述直流电压控制器(12),所述直流电压控制器(12)输出直流-直流变换器PWM信号。
2.如权利要求1所述的电机驱动控制系统,其特征在于,所述直流电压计算模块(11)计算出所述直流电压参考值的过程为:当所述电机处于额定转速时,所述直流电压参考值为额定电压,当所述电机的额定转速下降时,所述直流电压参考值随所述额定转速下降而线性下降;当所述电机转速下降到低速拐点,所述直流电压参考值维持在电池电压。
3.一种可变直流母线电压的电机驱动控制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
通过检测电机转速,调节直流-直流变换器的占空比来调节直流母线电压:当所述电机处于额定转速时,直流母线电压维持在额定电压;当所述电机转速下降时,电机端电压随转速线性下降,控制所述直流母线电压同步线性下降,当所述电机转速下降到低速拐点,控制所述直流母线电压下降到和电池端电压相同。
4.如权利要求3所述的可变直流母线电压的电机驱动控制方法,其特征在于,所述直流母线电压下降到和电池端电压相同后,控制所述直流-直流变换器停止开关,由电池直接驱动逆变器,所述直流母线电压维持在电池电压。
5.一种可变开关频率的逆变器的电机驱动控制方法,其特征在于,该控制方法包括如下步骤:直流母线电压维持在额定电压,则所述逆变器开关频率也维持在相应的额定值,当所述直流母线电压随所述电机转速线性下降,所述开关频率随所述直流母线电压线性下降,当所述开关频率线性下降直到低速拐点,之后所述开关频率维持在所述低速拐点值。
6.一种可变直流母线电压和可变开关频率的电机驱动控制方法,其特征在于,通过检测电机转速,调节直流-直流变换器的占空比来调节直流母线电压:当所述电机处于额定转速时,直流母线电压维持在额定电压,所述逆变器开关频率也维持在相应的额定值;当所述电机转速下降时,电机端电压随转速线性下降,控制所述直流母线电压同步线性下降,所述开关频率随所述直流母线电压线性下降;当所述电机转速下降到低速拐点,控制所述直流母线电压维持与电池端电压相同,所述开关频率维持在所述低速拐点值。
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