CN108494311B - 一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法，包括：电源单元、永磁电机单元、buck电路控制信号输出单元、三相逆变桥信号输出单元。根据电机转速和母线电流，buck电路控制信号输出单元计算输出buck电路需要的控制信号并输出到电源单元，根据转子位置角theta和自定义的开关周期Ts，三相逆变桥信号输出单元计算输出三相控制信号至电源单元。本发明方法是基于传统的电流源逆变器控制电机方法的改进，解决了在电机转速升高时产生的相电流尖峰问题，有效地减少了相电流的尖峰的幅值与出现频率，提升电机的工作效率。

Description

一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法。
背景技术
印制绕组电机(简称为印制电机)是一种电枢绕组结构特殊的微特电机。它的电枢绕组与传统电机的线圈型绕组不同，是用腐蚀法、电化学沉积法、电化学转移法等方法在复铜箔板上印制而成。印制绕组电机作为一种永磁直流电动机，其具有下述特点：1.盘式扁平结构，体积小，安装使用方便；2.转子无铁芯，惯性小，电感小，响应快；3.转子片的导条兼作换向器，换向性能好，力矩波动小；4.力矩—电流直线性好，调速方便。印制绕组电机是一种理想的伺服系统执行元件，在国外的生产线及机床的传动机构、医疗仪器设备、邮政机械、机器人、汽车及电动车辆等各个领域都有较为广泛的应用。
由于印制绕组电机本身无铁芯，所以其电感小，惯性小，响应速度很快。传统的电压源逆变器的控制方法，无法得到理想的三相正弦波电流波形。此外，在电机的启动阶段，由于电机的电感很小，电阻也不大，在启动时缺少反电动势的补偿，往往启动电流会很大，需要安装额外的过电流保护装置。
相比于电压源逆变器，电流源逆变器的储能元件是电感，在电机的启动阶段，电感可以对母线电流强度的大小进行限流，有效地避免了过流的问题。此外，电流源逆变器输出的电流波形为矩形波，电机本身的电感对电流波形的影响不大，避免了三相电流波形过度畸变的情况。而电压源逆变器在本身控制电压为矩形波的情况下，由于电机本身电感不大，往往电流难以呈现正弦波的形态。在控制印制绕组电机这类小电感的无刷直流电机方面，电流源逆变器比电压源逆变器更具有优势。
传统的电流源逆变控制小电感电机时，输出的六个方波信号，在每一个时刻只有两个信号为高电平，保证了在每一个时刻总是电流从一个上管流入经过永磁电机后从一个下管流出；在扇区切换的过程中，由于上管的MOSFET关闭会在瞬间产生一个相电流的尖峰，影响电机的工作效率，同时对电机的耐受电流水平提出了更高的要求。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法，能够有效地减少相电流的尖峰的幅值与出现频率，提升电机的工作效率。
一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法，包括：
电源单元、永磁电机单元、buck电路控制信号输出单元、三相逆变桥信号输出单元；
电源单元，根据buck电路控制信号输出单元与三相逆变桥信号输出单元输出的信号调控三相电流(压)，与永磁电机单元连接，驱动电机并使其转速可调；所述的电源单元包括直流稳压电源Vdc、buck电路、电感L2、三相逆变桥；其中，直流稳压电源先通过buck电路调压，经过电感稳流后再输出到三相逆变桥中完成逆变；电源单元输出母线电流给buck电路控制信号输出单元，
永磁电机单元，被控制的永磁电机，输出当前转速n给buck电路控制信号输出单元，输出当前转子位置角theta的信号给三相逆变桥信号输出单元；
buck电路控制信号输出单元与电源单元连接，根据电机转速n以及母线电流Idc的大小控制电源单元中buck电路的信号输出；
三相逆变桥信号输出单元与电源单元连接，根据电机转子位置角theta控制电源单元中三相逆变桥的信号输出。
上述技术方案中，进一步的，所述的电源单元包括：
直流稳压电源Vdc，用于提供电机转动需要的电流；
buck电路，用于根据buck电路控制信号输出单元输出的方波信号改变输出的稳压电压的大小，以实现对电机转速n的控制；
电感L2，用于电流滤波，使母线电流在电机转速稳定后也保持稳定，以达到电流源逆变的效果，取值大于1mH；
三相逆变桥，用于逆变，根据三相逆变桥信号输出单元输出的方波信号调节电流在三相桥上的流通方向，输出至电机使得电机可以正常运转。
具体的，所述的buck电路可以包括半导体器件MOSFET、一个二极管D、电感L1、电容C4、保护电阻R；其中：buck电路控制信号输出单元输出的方波信号接入半导体器件MOSFET的G极，MOSFET的D极与稳压电源Vdc正极连接；二极管负极与MOSFET的S极和电感L1的一端连接；二极管正极与电容C4的负极、保护电阻R一端、稳压电源Vdc负极连接，作为电压输出的负极；电容C4的正极与保护电阻R另一端与电感L1的另一端连接，作为电压输出的正极。
所述的三相逆变桥可以为：包括6个半导体器件MOSFET、三个滤波电容C1～C3；其中：6个半导体器件MOSFET对应由三相逆变桥信号输出单元输出的6个控制方波信号；三个滤波电容通过星型连接的方式并联在三相输出上，实现对三相冲击电流的高频滤波。
进一步的，所述的buck电路控制信号输出单元包括：
buck电路占空比调节单元，经过转速环与电流环双闭环调节后，根据开关周期Ts每过一个计算周期进行一次占空比的计算，将计算获得的有效时间T1输出到buck电路信号输出单元；
buck电路信号输出单元，根据得到的有效时间T1，与周期为Ts、幅值为Ts/2的三角波进行比较后，输出需要的方波信号。
所述的buck电路占空比调节单元包括转速环PI1、电流环PI2、计时器clock、占空比计算模块；PI1将目标转速和实际转速作差的值进行PI运算后得到目标母线电流；PI2将目标母线电流和实际母线电流作差的值进行PI运算后得到需要改变的占空比相对值Ns；占空比计算模块在计时器clock上升沿时触发计算，根据原输出的有效时间T1、开关周期Ts和改变的占空比相对值Ns，输出新的有效时间T1。
进一步的，所述的三相逆变桥信号输出单元根据电机的转子位置角theta，在每个扇区与下个扇区的切换前提前开启下个扇区需要的上(下)管，同时在需要关断的上(下)管上加上占空比递增的PWM斩波，逐渐进行关断；具体包括：
三相占空比调节单元，根据转子位置角theta和开关周期Ts，输出三相控制桥的6个有效时间t1～t6；
三相信号输出单元，根据得到的有效时间t1～t6，分别与周期为Ts、幅值为Ts/2的三角波进行比较后，输出6个方波信号至电源单元的三相逆变桥。
传统的三相逆变器信号输出单元，输出的6个方波信号，在每一个时刻只有两个信号为高电平，保证了在每一个时刻总是电流从一个上管流入经过永磁电机后从一个下管流出；在扇区切换的过程中，由于上管的MOSFET关闭会在瞬间产生一个相电流的尖峰，影响电机的工作效率，同时对电机的耐受电流水平提出了更高的要求。而本发明的三相逆变桥信号输出单元可根据电机的转子位置角theta，在每个扇区与下个扇区的切换前提前开启下个扇区需要的上(下)管，同时在需要关断的上(下)管上加上占空比递增的PWM斩波，逐渐进行关断；通过该方案可以有效地减少电机相电流尖峰。
本发明基于传统的电流源逆变器控制电机方法，解决了在电机转速升高时产生的相电流尖峰问题，有效地减少了相电流的尖峰的幅值与出现频率，提升电机的工作效率。
附图说明
图1为本发明电流源逆变器控制电机的模型示意图。
图2为电源单元的模型示意图。
图3为buck电路控制信号输出单元的模型示意图。
图4为buck电路信号输出单元的模型示意图。
图5为三相信号输出单元的模型示意图。
图6为传统电流源逆变器控制电机的三相控制信号的示意图。
图7为本发明电流源逆变器控制电机的三相控制信号的示意图。
图8为传统电流源逆变器控制电机的仿真三相相电流波形。
图9为本发明电流源逆变器控制电机的仿真三相相电流波形。
图10为传统电流源逆变器控制电机的实际三相相电流波形。
图11为本发明电流源逆变器控制电机的实际三相相电流波形。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明电流源逆变器控制电机的模型示意图。包括电源单元、永磁电机单元、buck电路控制信号输出单元、三相逆变桥信号输出单元。从电源单元输出A、B、C三相电流进入永磁电机单元，而实时的母线电流Idc则输出到buck电路控制信号输出单元，永磁电机单元反馈输出电机的实时转速n和转子位置角theta。其中根据电机转速n和母线电流Idc，buck电路控制信号输出单元中可以计算输出buck电路需要的控制信号并输出到电源单元。根据转子位置角theta和自定义的开关周期Ts，在三相逆变桥信号输出单元中计算输出三相控制信号。
图2为电源单元的模型示意图。包括直流稳压电源Vdc、buck电路、电感L2、三相逆变桥。由直流稳压电源Vdc进行供电，经过由输入的buck电路控制信号控制的buck电路后得到可调的更低的稳定电压。通过电感L2进行滤波，确保母线电流的稳定，以达到电流源逆变的效果，电感L2通常取值应大于1mH。最后通过由输入的三相电路控制信号控制的三相逆变桥后经过三个星型连接的并联滤波电容后输出到电机的三相上。具体的，该电源单元中buck电路可以包括半导体器件MOSFET、一个二极管D、电感L1、电容C4、保护电阻R；其中：buck电路控制信号输出单元输出的方波信号接入半导体器件MOSFET的G极，MOSFET的D极与稳压电源Vdc正极连接；二极管负极与MOSFET的S极和电感L1的一端连接；二极管正极与电容C4的负极、保护电阻R一端、稳压电源Vdc负极连接，作为电压输出的负极；电容C4的正极与保护电阻R另一端与电感L1的另一端连接，作为电压输出的正极；所述的三相逆变桥通常包括6个半导体器件MOSFET、三个滤波电容C1～C3；其中：6个半导体器件MOSFET对应由三相逆变桥信号输出单元输出的6个控制方波信号；三个滤波电容通过星型连接的方式并联在三相输出上，实现对三相冲击电流的高频滤波。
图3为buck电路控制信号输出单元。包括buck电路占空比调节单元、buck电路信号输出单元(图4)，buck电路占空比调节单元经过双闭环，每一个计算周期(如50ms)计算一次新的buck电路信号的占空比，buck电路信号输出单元根据占空比输出需要的控制方波。三相逆变桥信号输出单元包括三相占空比调节单元、三相信号输出单元(图5)；三相占空比调节单元，根据转子位置角theta和开关周期Ts，输出三相控制桥的6个有效时间t1～t6；三相信号输出单元，根据得到的有效时间t1～t6，分别与周期为Ts、幅值为Ts/2的三角波进行比较后，输出6个方波信号至电源单元的三相逆变桥。
图6为传统电流源逆变器控制电机的三相控制信号的示意图，在每个时刻有且仅由两个MOSFET的门极信号G为高电平，其中一个为上管(1/3/5)、一个为下管(2/4/6)。当扇区号改变时，会在关闭一个上(下)管的同时，开启另一个上(下)管以改变电机的相电流的流向。但是在关闭一个管子的瞬间会在该相的相电流上产生一个相电流尖峰(图8与图10)。该尖峰会导致电机的工作效率下降，同时也对电机的耐受电流提出了更高的要求。
图7为本发明电流源逆变器控制电机的三相控制信号的示意图，根据电机的转子位置角theta，在每个扇区与下个扇区的切换前提前开启下个扇区需要的上(下)管，同时在需要关断的上(下)管上加上占空比递增的PWM斩波，逐渐进行关断。通过该方案可以有效地减少电机相电流尖峰(图9与图10)。
图10和图11的结果均是电机在12V供电的情况下运行在500转/分的转速下的A相相电流波形图。

Claims (6)

1.一种电流源逆变器控制的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，包括：
电源单元、永磁电机单元、buck电路控制信号输出单元、三相逆变桥信号输出单元；
电源单元，根据buck电路控制信号输出单元与三相逆变桥信号输出单元输出的信号调控三相电流/压，与永磁电机单元连接，驱动电机并使其转速可调；所述的电源单元包括直流稳压电源Vdc、buck电路、电感L2、三相逆变桥；其中，直流稳压电源先通过buck电路调压，经过电感稳流后再输出到三相逆变桥中完成逆变；电源单元输出母线电流给buck电路控制信号输出单元，
永磁电机单元，包括被控制的永磁电机，输出当前转速n给buck电路控制信号输出单元，输出当前转子位置角theta的信号给三相逆变桥信号输出单元；
buck电路控制信号输出单元与电源单元连接，根据电机转速n以及母线电流Idc的大小控制电源单元中buck电路的信号输出；三相逆变桥信号输出单元与电源单元连接，根据电机转子位置角theta控制电源单元中三相逆变桥的信号输出；
所述的三相逆变桥信号输出单元根据电机的转子位置角theta，在每个扇区与下个扇区的切换前提前开启下个扇区需要的上/下管，同时在需要关断的上/下管上加上占空比递增的PWM斩波，逐渐进行关断；具体包括：
三相占空比调节单元，根据转子位置角theta和开关周期Ts，输出三相控制桥的6个有效时间t1~t6；
三相信号输出单元，根据得到的有效时间t1~t6，分别与周期为Ts、幅值为Ts/2的三角波进行比较后，输出6个方波信号至电源单元的三相逆变桥。
2.根据权利要求1所述的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，所述的电源单元包括：
直流稳压电源Vdc，用于提供电机转动需要的电流；
buck电路，用于根据buck电路控制信号输出单元输出的方波信号改变输出的稳压电压的大小，以实现对电机转速n的控制；
电感L2，用于电流滤波，使母线电流在电机转速稳定后也保持稳定，以达到电流源逆变的效果，取值大于1mH；
三相逆变桥，用于逆变，根据三相逆变桥信号输出单元输出的方波信号调节电流在三相桥上的流通方向，输出至电机使得电机可以正常运转。
3.根据权利要求2所述的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，所述的电源单元中，所述的buck电路包括半导体器件MOSFET、一个二极管D、电感L1、电容C4、保护电阻R；其中：buck电路控制信号输出单元输出的方波信号接入半导体器件MOSFET的G极，MOSFET的D极与稳压电源Vdc正极连接；二极管负极与MOSFET的S极和电感L1的一端连接；二极管正极与电容C4的负极、保护电阻R一端、稳压电源Vdc负极连接，作为电压输出的负极；电容C4的正极与保护电阻R另一端以及电感L1的另一端连接，作为电压输出的正极。
4.根据权利要求2所述的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，所述的电源单元中，所述的三相逆变桥包括6个半导体器件MOSFET、三个滤波电容C1~C3；其中：6个半导体器件MOSFET对应由三相逆变桥信号输出单元输出的6个控制方波信号；三个滤波电容通过星型连接的方式并联在三相输出上，实现对三相冲击电流的高频滤波。
5.根据权利要求1所述的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，所述的buck电路控制信号输出单元包括：
buck电路占空比调节单元，经过转速环与电流环双闭环调节后，根据开关周期Ts每过一个计算周期进行一次占空比的计算，将计算获得的有效时间T1输出到buck电路信号输出单元；
buck电路信号输出单元，根据得到的有效时间T1，与周期为Ts、幅值为Ts/2的三角波进行比较后，输出需要的方波信号。
6.根据权利要求5所述的电机相电流尖峰消除方法，其特征在于，所述的buck电路占空比调节单元包括转速环PI1、电流环PI2、计时器clock、占空比计算模块；PI1将目标转速和实际转速作差的值进行PI运算后得到目标母线电流；PI2将目标母线电流和实际母线电流作差的值进行PI运算后得到需要改变的占空比相对值Ns；占空比计算模块在计时器clock上升沿时触发计算，根据原输出的有效时间T1、开关周期Ts和改变的占空比相对值Ns，输出新的有效时间T1。
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