CN105577060B

CN105577060B - 一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN105577060B
Application number: CN201610010160.3A
Authority: CN
Inventors: 肖曦; 丁有爽; 张姝贝; 孙凯; 宋宇洋
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-01-08
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2036-01-08
Also published as: CN105577060A

Abstract

本发明涉及一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法，定子电流经坐标变换得到两相静止坐标系下的电流分量；根据电角度得到两相同步旋转坐标系下的电流检测值和转速反馈值后，得到转矩指令值；交流输入电压经锁相环得到当前电压相位后，进而得到当前电容电压给定值及电容补偿电流；根据转矩指令值和当前输入电压相位得到给定母线电流指令；经电容电压环PI调节器运算后得到电流参考值；将给定母线电流指令、电流参考值、电容补偿电流相加得到给定母线电流后，得到d轴、q轴电流指令值，并与电流检测值比较后作为q轴、d轴电流环PI调节器的输入；经SVPWM模块和逆变器输出三相电压到永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。本发明能广泛在交流电机控制技术领域中应用。

Description

一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种交流电机驱动控制系统及控制方法，特别是关于一种在交流电机控制技术领域中应用的减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法。

背景技术

近年来，随着交流电机驱动技术与电力电子技术的发展，交流电机已经广泛应用于工业、航空航天及家电等各领域。如图1所示，目前常用的交流电机驱动系统为了维持恒定的母线电压，一般在直流母线上均具有较大容量的母线电容。但是，大容量母线电容的存在给系统带来了以下问题：首先，大型直流电容一般采用电解电容，其寿命一般较短，因而，电解电容的存在严重影响整体系统寿命。目前交流电机驱动系统中的电解电容的寿命通常只有1万小时，比如在家电应用领域，相对于家电4-5万小时的寿命，电解电容已成为制约交流电机驱动系统寿命的主要因素。其次，大量直流母线电容会显著增加系统的体积重量和成本。另外，大量直流电容的存在使得电容电压几乎恒定，因而整流桥二极管的导通角较小，致使系统功率因数较低，需要增加前级功率因数校正环节才可以接入电网。目前，如何减小甚至去除直流侧电容，已经成为交流电机驱动系统研究的热点问题之一。

目前已提出一些解决上述问题的方法，最为常用的一类方法是采用其他类型电容替代传统电解电容。例如，薄膜电容的寿命较电解电容的寿命长，具有寿命长、耐压高、电流承受能力强、能承受反压、无酸污染并且可长时间存贮等诸多优点，而且在体积上也明显小于电解电容方案,因此常采用薄膜电容替代电解电容。但上述方案同样要用到直流电容，且薄膜电容成本也不低，并不能真正解决这一问题。

另一类方法是通过控制策略减少对直流母线电容的依赖，目前来看，对减少直流侧电容的交流电机驱动系统控制策略研究主要集中在如下两个方面：1、不考虑前级网侧电磁兼容性的要求，从电机控制的角度较少母线电压波动对电机控制性能的影响。如基于谐波电流注入方法的系统控制方法，平均电压限制法，直轴和交轴电流调制方法等。但是，上述方法由于忽略了电网谐波、功率因数等电磁兼容性方面的要求，不具有实际应用价值。2、综合考虑前级EMI电感的影响，研究交流电机驱动系统控制策略。由于在母线电容变小后，前级电感将与电容产生谐振，因而，考虑电感影响后，控制器设计将更为困难。一方面要满足电机转速要求，交流输入侧功率因数要求，另一方面还要抑制LC谐振。目前提出的控制方法主要有如下两种：(1)给定与输入电压相位一致的给定功率，同时对逆变器输出功率进行闭环控制，在功率闭环控制方法中，首先对系统功率低通滤波，然后对系统功率进行闭环控制，进而实现对输入电流的控制。(2)给定与输入电压相位一致的母线电流，同时，对母线电流进行闭环控制。如采用PR控制器对母线电流进行闭环控制，采用重复控制策略对逆变器母线电流进行了闭环控制。但是，在逆变器电机驱动系统中，由于逆变桥的开关特性，因而母线电流和功率并不连续。此外，上述方法均需要对母线电流和功率进行截止频率较低的滤波，因而系统较大的延时不可避免。同时，由于对电流电压缺乏控制，母线电压容易变负，从而影响系统的可靠性。因此对减少或取消直流侧电容的交流电机驱动系统控制策略的研究仍存在许多问题，缺乏能实际应用的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法，用于减少或取消直流侧电容，从而减小系统体积重量，降低成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，以传统永磁同步电机为例，其特征在于包括以下步骤：1)设置一包括交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、速度环PI调节器、锁相环、电容电压环PI调节器、q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器、SVPWM模块和逆变器的控制系统；2)电流传感器将检测到的永磁同步电机的定子电流i_a、i_c传输至坐标变换模块内，进行abc/αβ的坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β；3)在坐标变换模块内，根据接收到的由位置传感器传输至的永磁同步电机转子旋转过的电角度θ，对两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β再进行αβ/dq坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标系下的电流检测值i_d、i_q；4)永磁同步电机转子旋转过的电角度θ输入至转速计算模块内，对电角度θ进行微分，得到转速反馈值ω；5)将步骤4)得到的转速反馈值ω与预先给定的转速指令值ω^*输入至速度环PI调节器，经过运算处理得到转矩指令值6)驱动系统的交流输入电压传输至锁相环后，获得其当前电压相位7)根据步骤5)中得到的转矩指令值和步骤6)得到的当前输入电压相位以及采集到的电容电压反馈值u_c和转速反馈值ω，根据功率守恒原理，得到给定母线电流指令8)根据步骤6)得到的当前电压相位计算当前电容电压给定值u_Cref ^*；9)将步骤8)得到的电容电压给定值u_Cref ^*和电容电压反馈值u_c作为电容电压环PI调节器的输入，经过运算处理得到电流参考值10)根据步骤8)中电容电压给定值计算得到电容补偿电流11)将给定母线电流指令电流参考值电容补偿电流相加得到总的给定母线电流12)根据步骤11)中得到的给定母线电流利用功率守恒原理计算得到最终的转矩给定值13)根据步骤12)中的转矩给定值结合当前电机转速，利用弱磁算法对d轴、q轴电流进行分配，得到d轴电流指令值和q轴电流指令值14)将电流指令值电流指令值分别与电流检测值i_q、i_d比较，比较值分别作为第三PI调节器内q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输入，经过运算处理分别得到q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输出，即参考电压15)将参考电压和转子旋转过的电角度θ输入到SVPWM模块，由SVPWM模块计算出三相PWM占空比，并将输出的相应的三相PWM波形输入到逆变器，由逆变器根据相应的三相PWM波形输出三相电压到永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。

所述步骤7)中，给定母线电流指令

所述步骤8)中，当前电容电压给定值u_Cref ^*为：

式中，U₀为驱动系统中的交流输入电压幅值。

所述步骤10)中，电容补偿电流

所述步骤12)中，转矩给定值

为实现上述目的，本发明还提供另一种技术方案：一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统，其特征在于包括：交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、第一PI调节器、锁相环、第二PI调节器、第三PI调节器、SVPWM模块和逆变器；所述交流电机的驱动系统输出端与所述交流电机输入端之间设置有所述电流传感器和位置传感器，所述电流传感器将采集到的定子电流传输至所述坐标变换模块内，得到静止坐标系下的电流分量；所述位置传感器将检测到的电角度分别传输至所述坐标变换模块和转速计算模块内，所述坐标变换模块将静止坐标系下的电流分量坐标变换为同步旋转坐标系下的电流检测值，并输入比较器内；所述转速计算模块将电角度计算得到转速反馈值；所述转速反馈值与预先给定的转速指令值输入所述第一PI调节器内，运算后输出转矩指令值；所述驱动系统的交流输入电压经所述锁相环获得当前电压相位，根据当前电压相位与转矩指令值得到给定母线电流指令；所述驱动系统中的电容电压反馈值与当前电容电压给定值输入所述第二PI调节器，运算后输出电流参考值；所述给定母线电流指令与电流参考值、驱动系统中的电容补偿电流计算得到给定母线电流，由给定母线电流得到的电流指令值输入比较器内与电流检测值比较，比较值输入所述第三PI调节器内调节后将参考电压输入至所述SVPWM模块内，由所述SVPWM模块计算出三相PWM占空比后传输至所述逆变器得到三相电压，经所述逆变器将三相电压传输至所述交流电机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能减少或取消直流侧电容逆变器，不仅能实现电机转速的控制，同时还能对交流电源输入电流进行整形，使其波形和相位均与输入电压保持一致，从而提高系统的功率因数。2、本发明通过减小或直接去除直流侧电容，大大减小了系统体积，提高了系统的寿命。3、本发明的控制方法能够有效的提高系统的功率因数，进而，可以去掉前级功率因数校正环节，降低系统成本。本发明可以广泛在交流电机控制技术领域中应用。

附图说明

图1是现有技术中交流电机驱动系统结构框图；

图2是本发明的整体结构框图；

图3是本发明交流电机的驱动系统结构示意图；

图4是图3中前级系统简化后结构示意图；

图5是图3中不考虑整流桥，单独考虑对LC电路的控制框图；

图6是本发明的输入电压、电流仿真结果示意图；

图7是本发明的电机转速仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2所示，本发明提供一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统，其包括交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、第一PI调节器、锁相环、第二PI调节器、第三PI调节器、SVPWM模块和逆变器；其中，第一PI调节器为速度环PI调节器，第二PI调节器为电容电压环PI调节器，第三PI调节器内包括q轴电流环PI调节器和d轴电流环PI调节器。

交流电机的驱动系统输出端与交流电机输入端之间设置有电流传感器和位置传感器(图中未示出)，电流传感器将采集到的定子电流传输至坐标变换模块内，得到静止坐标系下的电流分量。位置传感器将检测到的交流电机转子转过的电角度分别传输至坐标变换模块和转速计算模块(图中未示出)内，坐标变换模块将静止坐标系下的电流分量坐标变换为同步旋转坐标系下的电流检测值i_d、i_q，并输入比较器内；转速计算模块将电角度计算得到转速反馈值ω。转速反馈值ω与预先给定的转速指令值ω^*输入第一PI调节器内，经第一PI调节器运算后输出转矩指令值驱动系统的交流输入电压经锁相环获得当前电压相位，根据当前电压相位与转矩指令值得到给定母线电流指令。驱动系统中的电容电压反馈值u_c与当前电容电压给定值u_Cref ^*输入第二PI调节器，经第二PI调节器运算后输出电流参考值；给定母线电流指令与电流参考值、驱动系统中的电容补偿电流计算得到给定母线电流。由给定母线电流得到的电流指令值输入比较器内分别与电流检测值i_d、i_q比较，两比较值输入第三PI调节器内分别进行d轴、q轴电流环PI调节后将d轴、q轴参考电压输入至SVPWM模块内，由SVPWM模块计算出三相PWM占空比后传输至逆变器(图中未示出)得到三相电压，经逆变器将相应的三相电压传输至交流电机，驱动控制交流电机工作。

上述实施例中，如图3所示，交流电机的驱动系统包括前级系统、LC谐振电路和后级系统；其中，前级系统包括电源Uin和整流桥电路，后级系统包括三相桥臂电路和交流电机。电源Uin正向输出端经电感L连接至整流桥电路，电源Uin负向输出端也连接至整流桥电路，整流桥电路输出端经电容C连接至后级系统中的三相桥臂电路输入端，三相桥臂电路输出端连接交流电机。

由于在本实施例的交流电机驱动系统中，电机最内环为电流环控制，同时电机转矩与电机电流成正相关关系，因而，本发明将三相桥臂电路和交流电机等效为一个受控电流源(如图4所示)。这样，由前级系统通过等效为受控电流源的后级系统实现对电源电流和电容电压的控制，同时对LC谐振进行抑制。如图5所示，后级系统将前级输出的电容电压等效为受控电压源，实现对母线电流和交流电机转速的控制。然后，将前级系统和后级系统结合起来，实现对交流电机驱动系统的控制。

上述实施例中，前级系统可以是不同形式的电源+整流桥，例如单相交流电源+单相整流桥，或是三相交流电源+三相整流桥。

如图2所示，本发明还提供一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，以传统永磁同步电机为例，本发明的减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法包括以下步骤：

1)电流传感器将检测到的永磁同步电机的定子电流i_a、i_c传输至坐标变换模块内，进行三相/两相坐标变换，即abc/αβ的坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β：

式中，永磁同步电机的三相定子电流分别为i_a、i_b、i_c，i_b为i_a、i_c和的负值。

2)在坐标变换模块内，根据接收到的由位置传感器传输至的永磁同步电机转子旋转过的电角度θ，对两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β再进行静止-旋转坐标变换，即αβ/dq坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标系下的电流检测值i_d、i_q：

3)永磁同步电机转子旋转过的电角度θ输入至转速计算模块内，对电角度θ进行微分，得到转速反馈值ω；

4)将步骤3)得到的转速反馈值ω与预先给定的转速指令值ω^*输入至速度环PI调节器，经过运算处理得到转矩指令值

5)驱动系统的交流输入电压传输至锁相环(PLL)后，获得其当前电压相位

6)根据步骤4)中得到的转矩指令值和步骤5)得到的当前输入电压相位以及采集到的电容电压反馈值u_c和转速反馈值ω，根据功率守恒原理，得到给定母线电流指令

7)根据步骤5)得到的当前电压相位计算当前电容电压给定值u_Cref ^*：

式中，U₀为驱动系统中的交流输入电压幅值，U_min为电容电压给定值的最小值。

8)将步骤7)得到的电容电压给定值u_Cref ^*和电容电压反馈值u_c作为电容电压环PI调节器的输入，经过运算处理得到电流参考值

9)根据步骤7)中电容电压给定值计算电容补偿电流

式中，C为电容值。

10)将由步骤6)、8)、9)中的给定母线电流指令电流参考值电容补偿电流相加得到总的给定母线电流

11)根据步骤10)中得到的给定母线电流利用功率守恒原理计算得到最终的转矩给定值

12)根据步骤11)中的转矩给定值结合当前电机转速，利用弱磁算法对d轴、q轴电流进行分配，得到d轴电流指令值和q轴电流指令值

13)将电流指令值电流指令值分别与电流检测值i_q、i_d比较，比较值分别作为第三PI调节器内q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输入，经过运算处理分别得到q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输出，即参考电压

14)将参考电压和转子旋转过的电角度θ输入到SVPWM模块，由SVPWM模块计算出三相PWM占空比，并将输出的相应的三相PWM波形输入到逆变器，由逆变器根据相应的三相PWM波形输出三相电压到永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。例如，以一台无电解电容逆变器驱动凸极式三相永磁同步电机为例，如图6和图7所示，本发明的控制策略能够显著提高电源侧功率因数，同时使电机转速得到控制。

综上所述，本发明以基于无电容逆变器驱动凸极式三相永磁同步电机为例介绍电机驱动系统控制策略，但并不仅限于永磁同步电机，同样可以适用于直流侧电容减少或取消的交流电机驱动系统中。本发明的控制方法可以在交流电机控制系统中获得广泛应用，用于减少或取消直流侧电容，从而减小系统体积重量，降低成本。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置一包括交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、速度环PI调节器、锁相环、电容电压环PI调节器、q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器、SVPWM模块和逆变器的控制系统；

2)电流传感器将检测到的永磁同步电机的定子电流i_a、i_c传输至坐标变换模块内，进行abc/αβ的坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β；

3)在坐标变换模块内，根据接收到的由位置传感器传输至的永磁同步电机转子旋转过的电角度θ，对两相静止坐标系下的电流分量i_α、i_β再进行αβ/dq坐标变换，得到两相同步旋转dq坐标系下的电流检测值i_d、i_q；

4)永磁同步电机转子旋转过的电角度θ输入至转速计算模块内，对电角度θ进行微分，得到转速反馈值ω；

5)将步骤4)得到的转速反馈值ω与预先给定的转速指令值ω^*输入至速度环PI调节器，经过运算处理得到转矩指令值

6)驱动系统的交流输入电压传输至锁相环后，获得其当前电压相位

7)根据步骤5)中得到的转矩指令值和步骤6)得到的当前输入电压相位以及采集到的电容电压反馈值u_c和转速反馈值ω，根据功率守恒原理，得到给定母线电流指令

8)根据步骤6)得到的当前电压相位计算当前电容电压给定值u_Cref ^*；

9)将步骤8)得到的电容电压给定值u_Cref ^*和电容电压反馈值u_c作为电容电压环PI调节器的输入，经过运算处理得到电流参考值

10)根据步骤8)中电容电压给定值计算得到电容补偿电流

11)将给定母线电流指令电流参考值电容补偿电流相加得到总的给定母线电流

12)根据步骤11)中得到的给定母线电流利用功率守恒原理计算得到最终的转矩给定值

13)根据步骤12)中的转矩给定值结合当前电机转速，利用弱磁算法对d轴、q轴电流进行分配，得到d轴电流指令值和q轴电流指令值

14)将电流指令值电流指令值分别与电流检测值i_q、i_d比较，比较值分别作为第三PI调节器内q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输入，经过运算处理分别得到q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输出，即参考电压

15)将参考电压和转子旋转过的电角度θ输入到SVPWM模块，由SVPWM模块计算出三相PWM占空比，并将输出的相应的三相PWM波形输入到逆变器，由逆变器根据相应的三相PWM波形输出三相电压到永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。

2.如权利要求1所述的一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，给定母线电流指令

3.如权利要求1所述的一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，其特征在于：所述步骤8)中，当前电容电压给定值u_Cref ^*为：

式中，U₀为驱动系统中的交流输入电压幅值；U_min为电容电压给定值的最小值。

4.如权利要求1所述的一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，其特征在于：所述步骤10)中，电容补偿电流

式中，U₀为驱动系统中的交流输入电压幅值；U_min为电容电压给定值的最小值；C为电容值。

5.如权利要求1所述的一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制方法，其特征在于：所述步骤12)中，转矩给定值

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6.一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统，其特征在于包括：交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、第一PI调节器、锁相环、第二PI调节器、第三PI调节器、SVPWM模块和逆变器；所述交流电机的驱动系统输出端与所述交流电机输入端之间设置有所述电流传感器和位置传感器，所述电流传感器将采集到的定子电流传输至所述坐标变换模块内，得到静止坐标系下的电流分量；所述位置传感器将检测到的电角度分别传输至所述坐标变换模块和转速计算模块内，所述坐标变换模块将静止坐标系下的电流分量坐标变换为同步旋转坐标系下的电流检测值，并输入比较器内；所述转速计算模块将电角度计算得到转速反馈值；所述转速反馈值与预先给定的转速指令值输入所述第一PI调节器内，运算后输出转矩指令值；所述驱动系统的交流输入电压经所述锁相环获得当前电压相位，根据当前电压相位与转矩指令值得到给定母线电流指令；所述驱动系统中的电容电压反馈值与当前电容电压给定值输入所述第二PI调节器，运算后输出电流参考值；所述给定母线电流指令与电流参考值、驱动系统中的电容补偿电流计算得到给定母线电流，由给定母线电流得到的电流指令值输入比较器内与电流检测值比较，比较值输入所述第三PI调节器内调节后将参考电压输入至所述SVPWM模块内，由所述SVPWM模块计算出三相PWM占空比后传输至所述逆变器得到三相电压，经所述逆变器将三相电压传输至所述交流电机。