CN108683367B - 一种多直流电机正向串联控制系统及方法 - Google Patents

一种多直流电机正向串联控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多直流电机正向串联控制系统及方法，2*(n+1)个IGBT模块采用两两串联的方式组成n+1桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的n个直流电机分别串联n+1桥臂，n个直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与n+1相逆变器连接，n+1相逆变器分别经电流调节模块和一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制2*(n+1)个IGBT模块的通断驱动n个直流电机运行。本发明使用的电路元器件少，结构简单，且性能稳定可靠，具有推广使用的价值。

Description

一种多直流电机正向串联控制系统及方法
技术领域
本发明属于电机系统及控制技术领域，具体涉及一种多直流电机正向串联控制系统及方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，直流电机的应用也因此而迅速增长。
在具体应用中，直流电机应实现正向电动、反向电动、正向回馈制动以及反向回馈制动四种运动状态，电动运行下转速与电磁转矩同向，回馈制动运行下转速与电磁转矩反向，一般统称为直流电机的四象限控制。
现有技术中直流电机的四象限控制电路，往往结构复杂，功能模块较多，价格昂贵，但性能却不尽完善，如何设计一种结构简单，性能优异的驱动电路，是本领域技术人员一直研究的方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多直流电机正向串联控制系统及方法，对n个正向串联的直流电机进行四象限控制并节约直流电机系统。
本发明采用以下技术方案：
一种多直流电机正向串联控制系统，包括n个正向串联的直流电机、n+1相逆变器和直流电源，n+1相逆变器包括2*(n+1)个IGBT模块，2*(n+1)个IGBT模块采用两两串联的方式组成n+1桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的n个直流电机分别串联n+1桥臂，n个直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与n+1相逆变器的输入端连接，n+1相逆变器的输出端与n个直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块经一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制2*(n+1)个IGBT模块的通断驱动n个直流电机运行。
具体的，IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，n+1桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T2以及并联在其上的二极管芯片D1、D2组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T4以及并联在其上的二极管芯片D3、D4组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T6以及并联在其上的二极管芯片D5、D6组成，第n桥臂由双极型晶体管芯片T(2*n-1)、T(2*n)以及并联在其上的二极管芯片D(2*n-1)、D(2*n)组成。
进一步的，第一桥臂T1与T2的中点为节点1点，第二桥臂T3与T4的中点为节点2点，第三桥臂T5与T6的中点为节点3点，第n桥臂T(2*n-1)与T(2*n)的中点为节点n点，直流电机A经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点1点相连，负极端口与节点2点相连；直流电机B经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点2点相连，负极端口与节点3点相连；直流电机C经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点3相连，负极端口与节点4相连，直流电机n经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点(n-1)相连，负极端口与节点n相连。
一种多直流电机正向串联控制方法，系统初始化后，将n个直流电机系统中n个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能得到n个电机的稳态电压V1ref、V2ref…Vn,ref，将
Figure BDA0001702120410000021
分别送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压V1r、V2r…Vn+1.r，并将其n+1路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给n组稳态电流，实现对n个直流电机正向串联控制。
具体的，包括以下步骤：
S1、系统进行初始化，多直流电机通过传感器驱动转速计数器将多个直流电机的转速分别记为ω1、ω2…ωn；
S2、ω1、ω2…ωn与系统内的电机给定转速ω1ref、ω2ref…ωn,ref经过速度调节模块后，得到转速误差eω1、eω2…eωn，后通过PI控制器调节系统稳态，获得参考电流I1ref、I2ref…In,ref，在与实际电流I1、I2…In电流调节后得到电流误差e1、e2…en，再一次通过PI控制器调节稳态后，生成n个电压分别记为V1ref、V2ref…Vn,ref；
S3、将
Figure BDA0001702120410000032
路电压送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压记为V1r、V2r…Vn+1.r；
S4、将S3中的V1r、V2r…Vn+1.rn+1组输出电压输入到PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，并将调制好的脉冲输入n+1桥臂逆变器中；
S5、n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流I1、I2…In反馈给步骤的电流I1ref、I2ref…Inref。
进一步的，步骤S2中，将S1中输出的参考电流限制值与在一阶低通滤波器作用下的公称电路相减，再对其分别进行微分增益与比例增益，并对积分增益模块采用有限积分器，生成限幅器，n个稳态电压分别记为V1ref、V2ref…Vn,ref如下：
Figure BDA0001702120410000031
其中，kp1为电流调节器的比例放大系数，k1为电流调节器积分时间常数的倒数。
更进一步的，转速误差eω1、eω2…eωn的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000041
参考电流I1ref、I2ref…In,ref的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000042
其中，kp2为转速调节器的比例放大系数，k2为转速调节器积分时间常数的倒数；
电流误差e1、e2…en的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000043
进一步的，步骤S3中，n+1路电压合成器的参考电压V1r、V2r…Vn+1.r计算公式如下：
Vr＝A*Vref
Figure BDA0001702120410000044
Figure BDA0001702120410000045
Figure BDA0001702120410000046
进一步的，步骤S4中，将输出波与一列锯齿波相调制，根据二者的自然交点得到PWM占空比的大小。
进一步的，步骤S5中，当直流电机的转速超过给定转速时，电机处于发电状态，直流母线电压升高，整流回馈部分开始工作，将多余的能量反馈给电网，电机按给定的速度下行，实现n个直流电机的正向串联四象限控制。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多直流电机正向串联控制系统，2*(n+1)个IGBT模块采用两两串联的方式组成n+1桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的n个直流电机分别串联n+1桥臂，n个直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与n+1相逆变器连接，n+1相逆变器分别经电流调节模块和一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制2*(n+1)个IGBT模块的通断驱动n个直流电机运行，可以同时实现多个直流电机同时进行四象限控制，系统结构简单清晰，易于控制，并且减少了系统总的IGBT模块数量，节省了成本，提升了经济效益，具有更好的实用价值。
进一步的，在电路的计算中，可以通过应用基尔霍夫电流、电压定律列出对结点和回路所需要的方程组，从而解出各未知支路电流。将直流电机在n+1条支路的中点相互连接，便于使用KCL、KVL来计算各个支路中点的电流、电压瞬时值。
本发明还公开了一种多直流电机正向串联控制方法，将n个直流电机系统中n个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能得到n个电机的稳态电压V1ref、V2ref…Vn,ref，将
Figure BDA0001702120410000051
分别送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压V1r、V2r…Vn+1.r，并将其n+1路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给n组稳态电流，实现对n个直流电机正向串联控制，系统根据转速计数器计算实时转速，判断与参考转速的大小关系，实现电机的四象限控制。串联电路中经过PI控制器、参考电压合成器也保证了电路中的电流、电压、转速等参数误差较小，系统较稳定。
进一步的，在步骤S2中，各路电流和转速都经过了PI控制器进行系统稳态调节，PI控制器先通过比例校正环节，控制系统的偏差信号，偏差一旦形成，控制器立马产生控制作用减少偏差；而积分环节主要用于消除静差，提高系统的误差度。系统中各支路的电流、转速在经过PI控制器调节后，会消除部分误差，改善控制系统的稳态性能。
进一步的，各支路电压通过参考电压合成器合成后，将n路支路电压分流为n+1条支路的参考电压，参考电压非常稳定，便于PWM调节时计算参考电压输出波形与锯齿波的自然交点。
进一步的，在调节PWM占空比时，一般会用正弦波与三角波进行调制，寻找自然交点，但当正弦波频率发生变化时，需要重新计算整个交点，导致计算步骤非常繁琐，不便于系统的实时控制。采用锯齿波与输出波形调制时，由于锯齿波非常稳定，可以精准的得到二者的交点，计算也很容易，可以实现精准的SPWM调制。
进一步的，电机的四象限控制分为正转电动、回馈制动、反转电动、反接制动四种状态。电机开始工作后，系统以其转速作为判断条件，当实际转速低于给定转速时，电机处于电动状态；实际转速高于给定转速时，电机处于发电状态。根据以上两种判据即可实现多直流电机的四象限控制。
综上所述，本发明使用的电路元器件少，结构简单，且性能稳定可靠，具有推广使用的价值。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明三直流电机正向串联控制方法；
图2为本发明三直流电机串联控制系统；
图3为本发明三直流电机工作流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种多直流电机正向串联控制系统，n个直流电机正向串联连接，将n个直流电机的电压进行稳态调节，在参考电压合成器中合成电压，并将输出的电压波形进行PWM脉冲调节，获得PWM占空比，比较直流电机工作电压与直流供电电源的大小，实现n直流电机的四象限控制。
正向串联控制系统包括2*(n+1)个IGBT模块，直流电源和n个正向串联的直流电机，2*(n+1)个IGBT模块采用两两串联的方式，每两个IGBT模块串联构成一个桥臂，n+1个桥臂并联在直流电源的两端，n个直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与n+1相逆变器的输入端连接，n+1相逆变器的输出端与n个直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块经一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制2*(n+1)个IGBT的通断驱动n个直流电机运行。
2*(n+1)个IGBT模块，采用两两串联的方式，组成了n+1桥臂并联在直流电源的两端，第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T2以及并联在其上的二极管芯片D1、D2组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T4以及并联在其上的二极管芯片D3、D4组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T6以及并联在其上的二极管芯片D5、D6组成……第n桥臂由双极型晶体管芯片T(2*n-1)、T(2*n)以及并联在其上的二极管芯片D(2*n-1)、D(2*n)组成。
第一桥臂的双极型晶体管芯片T1与双极型晶体管芯片T2的中点为节点1点，第二桥臂的双极型晶体管芯片T3与双极型晶体管芯片T4的中点为节点2点，第三桥臂的双极型晶体管芯片T5与双极型晶体管芯片T6的中点为节点3点……第n桥臂的双极型晶体管芯片T(2*n-1)与双极型晶体管芯片T(2*n)的中点为节点n点。
将2*(n+1)个IGBT模块及直流电源合并为斩波器模块，直流电机A经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点1点相连，负极端口与节点2点相连；直流电机B经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点2点相连，负极端口与节点3点相连；直流电机C经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点3相连，负极端口与节点4相连……直流电机n经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点(n-1)相连，负极端口与节点n相连；n个直流电机的F+、F-端口接电机的励磁电源，分别接正负极，构成整个多直流电机正向串联控制电路。
请参阅图2，本发明工作原理如下：
系统初始化后，将系统中的n个电机的转速、电流以及电压均经过PI控制器改善系统的稳态性能，最终将n个电机的稳态电压分别送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压，并将其n+1路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给n组稳态电流，完成整个控制回路。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，本发明一种多直流电机正向串联控制方法的步骤如下：
S1、系统进行初始化，多直流电机通过传感器驱动转速计数器将多个直流电机的转速分别记为ω1、ω2…ωn；
速度斜坡在一阶低通滤波器的作用下，达到了公称速度，紧接着分别对其公称速度进行微分增益与比例增益，并对积分增益模块进行有限积分，最终输出参考电流限制值。
S2、ω1、ω2…ωn与系统内的电机给定转速ω1ref、ω2ref…ωn,ref经过速度调节模块后，得到转速误差eω1、eω2…eωn，后通过PI控制器调节系统稳态，获得参考电流I1ref、I2ref…In,ref，在与实际电流I1、I2…In电流调节后得到电流误差e1、e2…en，再一次通过PI控制器调节稳态后，生成n个电压分别记为V1ref、V2ref…Vn,ref；
电流需通过电流调节器进行调制，将S1中输出的参考电流限制值与在一阶低通滤波器作用下的公称电路相减，再对其分别进行微分增益与比例增益，并对积分增益模块采用有限积分器，生成限幅器。
转速误差的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000091
参考电流的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000092
电流误差的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000093
稳态电压的计算公式为：
Figure BDA0001702120410000101
S3、将
Figure BDA0001702120410000105
多路电压送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压记为V1r、V2r…Vn+1.r；
n路电压合成器的参考电压计算公式如下：
Vr＝A*Vref
Figure BDA0001702120410000102
Figure BDA0001702120410000103
Figure BDA0001702120410000104
其中，V1ref、V2ref…Vn,ref为n电机经过PI调制后的稳态电压，V1r、V2r…Vn+1,r为n路电压合成之后的输出电压。
S4、将S3中的V1r、V2r…Vn+1.rn+1组输出电压输入到PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，并将调制好的脉冲输入n+1桥臂逆变器中；
S5、n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流I1、I2…In反馈给步骤的电流I1ref、I2ref…In,ref。
当整个控制系统开始工作时，一旦直流电机的转速超过给定的转速，电机处于发电状态，直流母线电压升高，整流回馈部分开始工作，开始将多余的能量反馈给电网，电机按给定的速度下行，实现三直流电机的正向串联四象限控制。
在调节稳态电压的pwm时，一般采用正弦脉宽调制技术(SPWM技术)，将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。
其中，每周基波(正弦调制波)与所含调制输出的脉冲总数之比即为载波比。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。
另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地算出正弦波和三角波的交点。但这种方法计算困难，求解不易，不适用于微机实时控制。
本申请将输出波与一列锯齿波相调制，观察其二者的自然交点，得到PWM占空比的大小。该PWM调节法可以很准确的得到输出波形与锯齿波的交点，实现精确的SPWM调制。
当电机的发电电压大于直流电源电压时，可以采用上述的多直流电机正向串联控制方式调节PWM占空比，使发电电压满足馈网的要求，实现多直流电机的四象限控制。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，多直流电机正向串联控制系统包括n个正向串联的直流电机、n+1相逆变器和直流电源，n+1相逆变器包括2*(n+1)个IGBT模块，2*(n+1)个IGBT模块采用两两串联的方式组成n+1桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的n个直流电机分别串联n+1桥臂，n个直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与n+1相逆变器的输入端连接，n+1相逆变器的输出端分别与n个直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块经一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制2*(n+1)个IGBT模块的通断驱动n个直流电机运行；
IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，n+1桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T2以及并联在其上的二极管芯片D1、D2组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T4以及并联在其上的二极管芯片D3、D4组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T6以及并联在其上的二极管芯片D5、D6组成，第n桥臂由双极型晶体管芯片T(2*n-1)、T(2*n)以及并联在其上的二极管芯片D(2*n-1)、D(2*n)组成，第一桥臂T1与T2的中点为节点1点，第二桥臂T3与T4的中点为节点2点，第三桥臂T5与T6的中点为节点3点，第n桥臂T(2*n-1)与T(2*n)的中点为节点n点，直流电机A经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点1点相连，负极端口与节点2点相连；直流电机B经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点2点相连，负极端口与节点3点相连；直流电机C经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点3相连，负极端口与节点4相连，直流电机n经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点(n-1)相连，负极端口与节点n相连；
系统初始化后，将n个直流电机系统中n个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能得到n个电机的稳态电压V1ref、V2ref…Vn,ref，将V1ref、V2ref…Vn,ref分别送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压V1r、V2r…Vn+1.r，并将其n+1路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给n组稳态电流，同时测量直流电机的实际电流值，将其作为电流环PI调节器的输入量，进行参考电压计算以及电压矢量合成，完成整个多直流电机系统驱动结构，实现对n个直流电机正向串联控制，包括以下步骤：
S1、系统进行初始化，多直流电机通过传感器驱动转速计数器将多个直流电机的转速分别记为ω1、ω2…ωn；
S2、ω1、ω2…ωn与系统内的电机给定转速ω1ref、ω2ref…ωn,ref经过速度调节模块后，得到转速误差eω1、eω2…eωn，后通过PI控制器调节系统稳态，获得参考电流I1ref、I2ref…In,ref，在与实际电流I1、I2…In电流调节后得到电流误差e1、e2…en，再一次通过PI控制器调节稳态后，生成n个电压分别记为V1ref、V2ref…Vn,ref；
S3、将V1ref、V2ref…Vn,ref路电压送入参考电压合成器中，得到n+1路输出电压记为V1r、V2r…Vn+1.r；
S4、将S3中的V1r、V2r…Vn+1.r n+1组输出电压输入到PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，并将调制好的脉冲输入n+1桥臂逆变器中；
S5、n+1相逆变器在外部直流电压的作用下驱动n个直流电机工作，同时将支路上的电流I1、I2…In反馈给步骤的电流I1ref、I2ref…Inref。
2.根据权利要求1所述的一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S2中，将S1中输出的参考电流限制值与在一阶低通滤波器作用下的公称电路相减，再对其分别进行微分增益与比例增益，并对积分增益模块采用有限积分器，生成限幅器，n个稳态电压分别记为V1ref、V2ref…Vn,ref如下：
Figure FDA0002228445890000031
其中，kp1为电流调节器的比例放大系数，k1为电流调节器积分时间常数的倒数。
3.根据权利要求2所述的一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，转速误差eω1、eω2…eωn的计算公式为：
Figure FDA0002228445890000032
参考电流I1ref、I2ref…In,ref的计算公式为：
Figure FDA0002228445890000033
其中，kp2为转速调节器的比例放大系数，k2为转速调节器积分时间常数的倒数；
电流误差e1、e2…en的计算公式为：
Figure FDA0002228445890000034
4.根据权利要求1所述的一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S3中，n+1路电压合成器的参考电压V1r、V2r…Vn+1.r计算公式如下：
Vr＝A*Vref
Figure FDA0002228445890000041
Figure FDA0002228445890000042
Figure FDA0002228445890000043
5.根据权利要求1所述的一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S4中，将输出波与一列锯齿波相调制，根据二者的自然交点得到PWM占空比的大小。
6.根据权利要求1所述的一种多直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，步骤S5中，当直流电机的转速超过给定转速时，电机处于发电状态，直流母线电压升高，整流回馈部分开始工作，将多余的能量反馈给电网，电机按给定的速度下行，实现n个直流电机的正向串联四象限控制。
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