CN108696197B

CN108696197B - 一种双直流电机正向串联控制系统及方法

Info

Publication number: CN108696197B
Application number: CN201810638849.XA
Authority: CN
Inventors: 林海; 党婷; 周熙炜; 司利云; 陈金平; 陈俊硕; 龚贤武; 巩建英
Original assignee: Changan University
Current assignee: Xuzhou Bokesi Health Technology Co ltd
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN108696197A

Abstract

本发明公开了一种双直流电机正向串联控制系统及方法，六个IGBT模块采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，正向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，双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脉冲生成单元与三相逆变器连接，三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六个IGBT模块的通断驱动双直流电机运行。本发明仅需在现有或将有的双直流电机串联方法基础上进行修改即可实现，适用于各种双直流电机串联驱动系统，实现简单，适用范围广。

Description

一种双直流电机正向串联控制系统及方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种双直流电机正向串联控制系统及方法。

背景技术

随着控制理论、计算机水平以及电机工艺制造水平的发展，电机在家电，电动汽车等工业领域中越来越得到的广泛应用其中，而直流电机相比交流电机更加节能、高效，越来越多的开发设计都选用直流电机。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。

双电机驱动系统更具有低压大功率输出，高功率密度、适于容错运行等优点，因此得到广泛重视。故提出一种双直流正向串联电机系统，然而在串联连接中控制电机运行的IGBT桥臂会较单直流电机多出一组，需要实现把两个参考电压值合成为三个参考电压，如何进行合成就成为有效控制双直流串联运行的关键，另外，在调节稳态电压的PWM时，由于正弦波在不同相位角时的值不同，故而与三角波相交所得的脉冲宽度也不同；当正弦波频率或者幅值发生变化时，各个脉冲的宽度也会有所变化，要准确生成PWM波形，就需要准确地计算出正弦波和三角波的交点，但这种方法计算困难，不宜求解，不适用于要进行实时的系统。

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，提供一种双直流电机正向串联控制系统及方法，能够提高系统控制精度，为正向串联连接的双直流电机实现在四象限内运行提供了行之有效的方法。

本发明采用以下技术方案：

一种双直流电机正向串联控制系统，其特征在于，包括正向串联的双直流电机、三相逆变器和直流电源，三相逆变器包括六个IGBT模块，六个IGBT模块采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，正向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，双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两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个IGBT模块的通断驱动双直流电机运行。

具体的，IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，三个桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、 T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2组成。

进一步的，第一桥臂的双极型晶体管芯片T1与双极型晶体管芯片T4的中点为节点a，第二桥臂的双极型晶体管芯片T3与双极型晶体管芯片T6的中点为节点b，第三桥臂的双极型晶体管芯片T5与双极型晶体管芯片T2的中点为节点c，双直流电机包括直流电机A和直流电机B，直流电机A的正极端口与节点a相连，负极端口与节点b相连；直流电机B的正极端口与节点b相连，负极端口与节点c相连。

一种双直流电机正向串联控制方法，系统初始化后，将双直流电机系统中的电机转速、电流以及电压分别经两级PI控制器得到电机的参考电压U1、U2，再分别送入参考电压合成器中合成得到三路输出电压V1、V2、V3，将V1、V2、V3送入PWM脉冲调节模块进行PWM调制获得PWM占空比，三相逆变器在外部直流电压的作用下驱动双直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，实现对双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，电流传感器，速度传感器分别将电流信号和双直流电机的速度信号发送至转速调节器和电流调节器，双直流电机的参考转速W₁ ^*、W₂ ^*与实际转速W₁、W₂经过速度调节模块后得到转速误差e_w1、e_w2，转速误差e_w1、e_w2经一级PI控制器得参考电流I₁ ^*、I₂ ^*；

S2、参考电流I₁ ^*、I₂ ^*和实际电流I₁、I₂经过电流调节模块后得到电流误差e_a、e_b，电流误差e_a、e_b经第二级PI调节器得到参考电压U1、U2；

S3、将步骤S2获得的参考电压U1、U2送入参考电压合成器进行合成，将合成后的电压信号V1、V2、V3输入到直流PWM脉冲调节单元；

S4、步骤S3的参考电压输出后，再对三个电压值进行PWM脉冲调节，根据PWM占空比的大小，比较直流电机工作电压与直流电源的大小，当电机工作电压大于直流电源电压时，通过改变调制波的频率和幅值调节PWM占空比，通过调节逆变器输出电压的频率和幅值实现对双直流电机的四象限控制。

进一步的，步骤S1中，参考电流I₁ ^*、I₂ ^*如下：

其中，K_P为转速调节器的比例放大系数，K_I为转速调节器的积分时间常数的倒数。

进一步的，转速误差e_w1、e_w2具体如下：

进一步的，步骤S2中，参考电压U1、U2如下：

其中，e_a、e_b为电流误差，K_p1为电流调节器的比例放大系数，k₂为电流调节器的积分时间常数的倒数。

进一步的，电流误差e_a、e_b具体如下：

进一步的，对参考电压进行合成，将合成后的电压信号V1、V2、V3输入到直流PWM脉冲调节单元，V1、V2、V3如下：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种双直流电机正向串联控制系统，六个IGBT模块采用两两串联的方式组成三个桥臂并联在直流电源的正负极，双直流电机分别串联三个桥臂用于将能量传输到双直流电机系统的电机驱动电路，不仅简化了逆变电路的结构，而且还提高了系统运行的稳定性。

进一步的，六个IGBT模块包括双极性晶体管和二极管芯片，组成三个桥臂，第一个桥臂是由双极性晶体管T1、T4以及并联在其上二极管芯片D1、D4组成，第二个桥臂由晶体管芯片，第二个桥臂支路由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三个桥臂支路由双极型晶体管芯片T5、T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2组成三个桥臂的功率开关管的通断分别控制两个电机的驱动和运转。

本发明还公开了一种双直流电机正向串联控制方法，将双直流电机系统中的电机转速、电流以及电压分别经PI控制器得到电机的参考电压U1、U2，再分别送入参考电压合成器中合成得到三路输出电压V1、V2、V3，将V1、V2、V3送入PWM脉冲调节模块进行PWM调制获得 PWM占空比，三相逆变器在外部直流电压的作用下驱动双直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，实现对双直流电机正向串联控制系统的控制，控制更加的精确，控制方法简单，通用性较强，误差小，电压合成速度快，能达到很好的控制效果。

进一步的，将转速误差通过PI调节器转化为参考电流值就可以直接与双直流电机的实际电流相比较，使控制系统实现闭环反馈，获得良好的稳定性。

进一步的，将电流误差经PI调节器得到参考电压，因为直流电动机应用调压调速能够获得更好的调速性能，所以以电压值作为PWM调制模块的输入信号。

进一步的，将合成后的电压信号输入到直流PWM脉冲调节单元能够根据改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变脉冲的调制周期改变输出频率，进而改变占空比的大小。

进一步的，通过调节占空比就能使三相逆变器的输出幅值和频率改变，从而能够简单方便地实现对双直流电机的控制。

综上所述，本发明仅需要在现有或将有的双直流电机串联方法基础上进行少量的修改即可实现，适用于各种双直流电机串联驱动系统，实现简单，适用范围广。

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为双直流电机正向串联控制系统示意图；

图2为双直流电机控制系统循环框图；

图3为双直流电机控制系统工作流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种双直流电机正向串联控制系统，双直流电机正向串联控制系统采用六个 IGBT模块，通过两两串联的方式，组成三个桥臂，并联在直流电源的两端，双直流电机通过正向串联连接，第一个电机的正极与第二个电机的负极相连，第一桥臂由双极型晶体管芯片 T1、T4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2组成。双直流电机上的耦合电感元件A、B分别串联在三个桥臂中,将能量传输到电机驱动电路中，双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两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个IGBT模块的通断驱动双直流电机运行。

第一桥臂的双极型晶体管芯片T1与双极型晶体管芯片T4的中点为节点a，第二桥臂的双极型晶体管芯片T3与双极型晶体管芯片T6的中点为节点b，第三桥臂的双极型晶体管芯片 T5与双极型晶体管芯片T2的中点为节点c，耦合电感元件A的正极端口与节点a相连，负极端口与节点b相连；耦合电感元件B的正极端口与节点b相连，负极端口与节点c相连。

请参阅图2，本发明一种双直流电机正向串联控制方法，系统初始化后，将系统中两个电机的转速、电流以及电压分别经过PI控制器改善系统的稳态性能，最终将双直流电机的稳态电压分别送入参考电压合成器中，得到三路输出电压V1、V2、V3，并将V1、V2、V3送入PWM 脉冲调节模块进行PWM调制，控制PWM占空比的大小；三相逆变器在外部直流电压的作用下驱动双直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，完成整个控制回路，实现对双直流电机正向串联控制系统的控制。

首先在单直流电机四象限驱动的基础上对双直流电机进行正向串联连接，双直流电机正向串联系统包括双直流电机、驱动单元、以及根据控制信息和转速信息对双电机进行控制的主控单元。

具体的控制方法：先根据速度传感器和电流传感器获取电机的速度信号和电流信号，并将速度信号和电流信号采集到主控单元中，在经过两级PI控制将电流信号转化为电压信号，最后通过对参考电压进行合成，合成后的3个参考电压作为PWM脉冲调节单元的输入信号，获得PWM占空比，从而达到对双直流电机的控制。

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，本发明一种双直流电机正向串联控制方法，包括以下步骤：

S1、系统进行初始化，电流传感器，速度传感器分别将电流信号和两个电机的速度信号采集到主控单元，两个直流电机的参考转速W₁ ^*、W₂ ^*与实际转速W₁、W₂经过速度调节模块后得到转速误差e_w1、e_w2，转速误差e_w1、e_w2经过PI控制器得参考电流I₁ ^*、I₂ ^*，如下式：

转速误差e_w1、e_w2具体如下：

S2、参考电流I₁ ^*、I₂ ^*和实际电流I₁、I₂经过电流调节模块后得到电流误差e_a、e_b，电流误差e_a、e_b经过PI调节器得到参考电压U1、U2如下：

电流误差e_a、e_b具体如下：

S3、对参考电压进行合成，将合成后的电压信号V1、V2、V3输入到直流PWM脉冲调节单元，合成方法如下：

S4、参考电压输出后，再对三个电压值V1、V2、V3进行PWM脉冲调节。

在进行脉冲调节过程中需将参考电压输出波形与锯齿波相调制，观察二者的自然交点，获得PWM占空比的大小，比较直流电机工作电压与直流电源的大小。当电机工作电压大于直流电源电压时，可以采用上述的双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，实现双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

1.一种双直流电机正向串联控制系统，其特征在于，包括正向串联的双直流电机、三相逆变器和直流电源，三相逆变器包括六个IGBT模块，六个IGBT模块采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，正向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，双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两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个IGBT模块的通断驱动双直流电机运行；

IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，三个桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2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T4的中点为节点a，第二桥臂的双极型晶体管芯片T3与双极型晶体管芯片T6的中点为节点b，第三桥臂的双极型晶体管芯片T5与双极型晶体管芯片T2的中点为节点c，双直流电机包括直流电机A和直流电机B，直流电机A的正极端口与节点a相连，负极端口与节点b相连；直流电机B的正极端口与节点b相连，负极端口与节点c相连。

2.一种利用权利要求1所述双直流电机正向串联控制系统的控制方法，其特征在于，系统初始化后，将双直流电机系统中的电机转速、电流以及电压分别经两级PI控制器得到电机的参考电压U1、U2，再分别送入参考电压合成器中合成得到三路输出电压V1、V2、V3，将V1、V2、V3送入PWM脉冲调节模块进行PWM调制获得PWM占空比，三相逆变器在外部直流电压的作用下驱动双直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，实现对双直流电机正向串联控制，包括以下步骤：

S1、系统进行初始化，电流传感器将电流信号发送至电流调节器，速度传感器将双直流电机的速度信号发送至转速调节器，双直流电机的参考转速W₁ ^*、W₂ ^*与实际转速W₁、W₂经过速度调节模块后得到转速误差e_w1、e_w2，转速误差e_w1、e_w2经一级PI控制器得参考电流I₁ ^*、I₂ ^*；

S2、参考电流I₁ ^*、I₂ ^*和实际电流I₁、I₂经过电流调节模块后得到电流误差e_a、e_b，电流误差e_a、e_b经第二级PI调节器得到参考电压U1、U2，参考电压U1、U2如下：

其中，e_a、e_b为电流误差，K_p1为电流调节器的比例放大系数，k₂为电流调节器的积分时间常数的倒数，电流误差e_a、e_b具体如下：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，参考电流I₁ ^*、I₂ ^*如下：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，转速误差e_w1、e_w2具体如下：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对参考电压进行合成，将合成后的电压信号V1、V2、V3输入到直流PWM脉冲调节单元，V1、V2、V3如下：