CN109004849B - 一种电动伺服加载系统用pwm整流器快速响应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，包括步骤：一、数据采集及预处理；二、计算三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量的有功电流参考值；三、计算三相交流电流在dq旋转坐标系下的q轴电流分量的无功电流参考值并对其进行限幅；四、获取PWM整流器输入侧的有功补偿电流；五、计算PWM整流器输入侧的有功补偿电压有效值；六、计算PWM整流器的输入三相电压d轴分量；七、计算PWM整流器的输入三相电压q轴分量；八、控制PWM整流器输出响应。本发明通过补偿PWM整流器输入侧的有功电流来补偿负载扰动对PWM整流器直流输出电压的影响，为保证PWM整流器的响应速度，引入变
Figure DDA0001748235630000012
的控制方式，在负载突减时调节
Figure DDA0001748235630000011
为负值以提高系统的响应速度。

Description

一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法
技术领域
本发明属于PWM整流器快速响应控制技术领域，具体涉及一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法。
背景技术
电动伺服加载系统有着可靠性高、动态性能好、多余力小的优点，正逐渐取代传统电液加载系统。电动伺服加载系统工作时切换频繁，其驱动装置为双PWM变换器，而双PWM变换器中PWM整流器的性能直接影响加载系统的性能，在加载系统切换工况时，加载电机驱动器直流端电压会产生泵升现象，加载系统的内部直流母线上会出现能量跃变，若不加以抑制，直流母线电压波动会对加载电机驱动器的控制性能(加载电机的转矩和转速)产生影响，严重者会导致PWM整流器负载侧PWM逆变器出现误导通而造成短路等故障，其次，传统的PWM整流器控制方法是通过在直流端并联大电容的方式来抑制电压波动，这样会带来电压环响应速度慢和成本增加的问题。现有的研究多集中在加载电机驱动器侧设计补偿控制器补偿外部扰动(摩擦、传感器精度)的方式来保证加载系统的输出稳定性，但未考虑负载突变时内部扰动对加载系统的影响。
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，提供一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，通过补偿PWM整流器输入侧的有功电流来补偿PWM整流器两侧功率差，进而补偿负载扰动对PWM整流器直流输出电压的影响，同时为保证PWM整流器的响应速度，引入了变
Figure GDA0002445070930000011
的控制方式，在负载突减时调节
Figure GDA0002445070930000012
为负值以提高系统的响应速度，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及预处理：利用交流电压互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电压，利用交流电流互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电流，利用直流电压传感器采集电动伺服加载系统中PWM整流器输出的直流电压udc，单位为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电压进行变换，得到三相交流电压在dq旋转坐标系下的d轴电压分量ed和q轴电压分量eq，ed和eq的单位均为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电流进行变换，得到三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq，id和iq的单位均为A；
步骤二、根据公式
Figure GDA0002445070930000021
计算id的有功电流参考值
Figure GDA0002445070930000022
单位为A，其中，Kvp和Kvi为第一PI调节器的比例积分系数，且
Figure GDA0002445070930000023
C为PWM整流器直流输出侧的电容值，单位为F，Tcurrent为三相交流电流的采样周期，单位为s，Tu为三相交流电压的采样周期，单位为s，
Figure GDA0002445070930000024
为直流电压udc的给定参考值，单位为V；
步骤三、根据公式
Figure GDA0002445070930000025
计算iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000026
并采用限幅器对iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000027
进行限幅，根据公式
Figure GDA0002445070930000028
得到iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000029
的下限值
Figure GDA00024450709300000210
单位为A，获取iq的无功电流参考值
Figure GDA00024450709300000211
的取值范围
Figure GDA00024450709300000212
其中，imax为电网侧交流相电流的最大允许值，单位为A；
步骤四、根据公式
Figure GDA00024450709300000213
获取PWM整流器输入侧的有功补偿电流
Figure GDA00024450709300000214
单位为A，其中，Te为电机转矩，单位为N·m，ωr为电机转子转速，单位为rad/s；
步骤五、根据公式
Figure GDA0002445070930000031
计算PWM整流器输入侧的有功补偿电压有效值
Figure GDA0002445070930000032
单位为V，其中，Kip和Kii为第二PI调节器的比例积分系数，且
Figure GDA0002445070930000033
L为电网侧滤波电感值，单位为H，T为PWM整流器的PWM调制周期，单位为s，KPWM为PWM整流器的直流输出电压增益，r为电网侧导线内阻，单位为Ω；
步骤六、根据公式
Figure GDA0002445070930000034
计算PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd，单位为V，其中，ω为电网角频率，单位为Hz；
步骤七、根据公式
Figure GDA0002445070930000035
计算PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq，单位为V；
步骤八、控制PWM整流器输出响应：微控制器根据PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd、PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq、PWM整流器输出的直流电压udc和PWM整流器的PWM调制周期T采用SVPWM方法控制PWM整流器实现快速响应。
上述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤二中PWM整流器直流输出侧的电容值C的取值满足：
Figure GDA0002445070930000036
其中，RL为负载等效电阻，单位为Ω，
Figure GDA0002445070930000037
为负载变化时PWM整流器的直流输出电压的变化率，
Figure GDA0002445070930000038
为不对PWM整流器中开关管触发时的直流输出电压平均值首次到达直流电压udc的给定参考值的上升时间，单位为s，em为电网交流线线电压峰值，单位为V。
上述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤五中电网侧滤波电感值L的取值满足：
Figure GDA0002445070930000039
其中，Δimax为电动伺服加载系统中允许的谐波电流最大脉动量，单位为A。
上述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤五中PWM整流器的直流输出电压增益KPWM的取值为：
Figure GDA0002445070930000041
其中，uPWM为PWM整流器的PWM载波峰值，单位为V。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明对三相交流电流在dq旋转坐标系下的q轴电流分量iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000042
实行分段取值，当三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id不大于id的有功电流参考值
Figure GDA0002445070930000043
时，
Figure GDA0002445070930000044
取0；当三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id大于id的有功电流参考值
Figure GDA0002445070930000045
时，
Figure GDA0002445070930000046
取负，并对负的
Figure GDA0002445070930000047
进行限幅，变
Figure GDA0002445070930000048
的控制方式，保证了PWM整流器的响应速度，保证稳态时具有较高的功率因数，暂态时有较高的响应速度，便于推广使用。
2、本发明在传统双PWM整流器独立控制的基础之上，通过在有功电流内环补偿两侧功率差的形式来减小负载突变所引起的电压抖动，进而补偿负载扰动对PWM整流器直流输出电压的影响，通过前馈和无功电流参与输出功率调节的方式可以保证PWM整流器具有较高的响应速度。
3、本发明方法步骤简单，同时有着计算量小、易于实现，可靠稳定，使用效果好的优点。
综上所述，本发明通过补偿PWM整流器输入侧的有功电流来补偿PWM整流器两侧功率差，进而补偿负载扰动对PWM整流器直流输出电压的影响，同时为保证PWM整流器的响应速度，引入了变
Figure GDA0002445070930000049
的控制方式，在负载突减时调节
Figure GDA00024450709300000410
为负值以提高系统的响应速度，便于推广使用。
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PWM整流器主电路拓扑结构示意图。
图2为现有技术中PWM整流器的控制结构框图。
图3为本发明PWM整流器的控制结构框图。
图4为负载突增时现有技术与本发明PWM整流器直流电压动态响应波形对比图。
图5为负载突减时现有技术与本发明PWM整流器直流电压动态响应波形对比图。
图6为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图6所示，本发明的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，包括以下步骤：
步骤一、数据采集及预处理：利用交流电压互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电压，利用交流电流互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电流，利用直流电压传感器采集电动伺服加载系统中PWM整流器输出的直流电压udc，单位为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电压进行变换，得到三相交流电压在dq旋转坐标系下的d轴电压分量ed和q轴电压分量eq，ed和eq的单位均为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电流进行变换，得到三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq，id和iq的单位均为A；
步骤二、根据公式
Figure GDA0002445070930000051
计算id的有功电流参考值
Figure GDA0002445070930000052
单位为A，其中，Kvp和Kvi为第一PI调节器的比例积分系数，且
Figure GDA0002445070930000053
C为PWM整流器直流输出侧的电容值，单位为F，Tcurrent为三相交流电流的采样周期，单位为s，Tu为三相交流电压的采样周期，单位为s，
Figure GDA0002445070930000054
为直流电压udc的给定参考值，单位为V；
本实施例中，步骤二中PWM整流器直流输出侧的电容值C的取值满足：
Figure GDA0002445070930000055
其中，RL为负载等效电阻，单位为Ω，
Figure GDA0002445070930000056
为负载变化时PWM整流器的直流输出电压的变化率，
Figure GDA0002445070930000061
为不对PWM整流器中开关管触发时的直流输出电压平均值首次到达直流电压udc的给定参考值的上升时间，单位为s，em为电网交流线线电压峰值，单位为V。
步骤三、根据公式
Figure GDA0002445070930000062
计算iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000063
并采用限幅器对iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000064
进行限幅，根据公式
Figure GDA0002445070930000065
得到iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000066
的下限值
Figure GDA0002445070930000067
单位为A，获取iq的无功电流参考值
Figure GDA0002445070930000068
的取值范围
Figure GDA0002445070930000069
其中，imax为电网交流相电流的最大允许值，单位为A；
实际使用中，对三相交流电流在dq旋转坐标系下的q轴电流分量iq的无功电流参考值
Figure GDA00024450709300000610
实行分段取值，在负载突增时功率突增，三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id不大于id的有功电流参考值
Figure GDA00024450709300000611
此时能量由电网流入电机，因电网电动势的惯性影响，PWM整流器的响应速度已足够高，
Figure GDA00024450709300000612
取0；在负载突增时，三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id大于id的有功电流参考值
Figure GDA00024450709300000613
Figure GDA00024450709300000614
取负，可引入无功电流作为瞬态时无功电流参考值，考虑电压矢量控制的幅值限制，需对
Figure GDA00024450709300000615
进行限幅，在空间矢量调制时，防止出现过调制和实际整流电压限制，变
Figure GDA00024450709300000616
的控制方式，保证了PWM整流器的响应速度，保证稳态时具有较高的功率因数，暂态时有较高的响应速度。
步骤四、根据公式
Figure GDA00024450709300000617
获取PWM整流器输入侧的有功补偿电流
Figure GDA00024450709300000618
单位为A，其中，Te为电机转矩，单位为N·m，ωr为电机转子转速，单位为rad/s；
步骤五、根据公式
Figure GDA00024450709300000619
计算PWM整流器输入侧的有功补偿电压有效值
Figure GDA00024450709300000620
单位为V，其中，Kip和Kii为第二PI调节器的比例积分系数，且
Figure GDA00024450709300000621
L为电网侧滤波电感值，单位为H，T为PWM整流器的PWM调制周期，单位为s，KPWM为PWM整流器的直流输出电压增益，r为电网侧导线内阻，单位为Ω；
实际使用中，在传统双PWM整流器独立控制的基础之上，通过在有功电流内环补偿两侧功率差的形式来减小负载突变所引起的电压抖动，进而补偿负载扰动对PWM整流器直流输出电压的影响，传统PWM整流器多采用单位功率因数控制，系统的响应速度仅仅取决于有功电流内环的跟踪速度，即有功电流跟踪目标负载功率的速度，即在负载突变时，传统PWM整流器PI双环控制仅仅依靠有功电流内环来调节系统的输出功率，响应速度主要取决于有功电流内环的响应速度，实际上在系统的响应速度更重要时可以暂时牺牲单位功率因数控制，在负载突变时，使无功电流也参与调节以保证系统的响应速度是可行的，通过前馈和无功电流参与输出功率调节的方式可以保证PWM整流器具有较高的响应速度，同时计算量小，易于实现。
本实施例中，步骤五中电网侧滤波电感值L的取值满足：
Figure GDA0002445070930000071
其中，Δimax为电动伺服加载系统中允许的谐波电流最大脉动量，单位为A。
本实施例中，步骤五中PWM整流器的直流输出电压增益KPWM的取值为：
Figure GDA0002445070930000072
其中，uPWM为PWM整流器的PWM载波峰值，单位为V。
步骤六、根据公式
Figure GDA0002445070930000073
计算PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd，单位为V，其中，ω为电网角频率，单位为Hz；
步骤七、根据公式
Figure GDA0002445070930000074
计算PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq，单位为V；
步骤八、控制PWM整流器输出响应：微控制器根据PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd、PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq、PWM整流器输出的直流电压udc和PWM整流器的PWM调制周期T采用SVPWM方法控制PWM整流器实现快速响应。
本发明使用时，对于380V的交流电网而言，采用的电机功率为6.5KW，极对数为4，机侧开关频率为10KHz，电网侧导线内阻r为0.02Ω，电网侧电感L为8mH，PWM整流器直流输出侧的电容值C容量为1000uF；在负载突增时，如图4所示，本发明与现有技术中PI双环控制两种控制方式的抗扰动性能比较表明：本发明有着超调小、电压抖动小的优点，两者调节时间一致，功率突增时能量从电网侧流入负载，电网侧电动势高于电机侧，系统有着更快的响应速度；在负载突减时，如图5所示，本发明与现有技术中PI双环控制两种控制方式的抗扰动性能比较表明：本发明有着更快的响应速度和更小的超调量，本发明的控制调节时间为0.015s，而现有技术的PI控制调节时间为0.04s，相比缩小了62％，本发明的电压抖动峰值624.8V，而现有技术的PI控制则为634.6V，相比减小9.8V，直流电压波动得到了抑制，使用效果好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及预处理：利用交流电压互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电压，利用交流电流互感器采集电动伺服加载系统中电网侧三相交流电流，利用直流电压传感器采集电动伺服加载系统中PWM整流器输出的直流电压udc，单位为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电压进行变换，得到三相交流电压在dq旋转坐标系下的d轴电压分量ed和q轴电压分量eq，ed和eq的单位均为V，微控制器利用三相静止至两相旋转变换原理对三相交流电流进行变换，得到三相交流电流在dq旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq，id和iq的单位均为A；
步骤二、根据公式
Figure FDA0002445070920000011
计算id的有功电流参考值
Figure FDA0002445070920000012
单位为A，其中，Kvp和Kvi为第一PI调节器的比例积分系数，且
Figure FDA0002445070920000013
C为PWM整流器直流输出侧的电容值，单位为F，Tcurrent为三相交流电流的采样周期，单位为s，Tu为三相交流电压的采样周期，单位为s，
Figure FDA0002445070920000014
为直流电压udc的给定参考值，单位为V；
步骤三、根据公式
Figure FDA0002445070920000015
计算iq的无功电流参考值
Figure FDA0002445070920000016
并采用限幅器对iq的无功电流参考值
Figure FDA0002445070920000017
进行限幅，根据公式
Figure FDA0002445070920000018
得到iq的无功电流参考值
Figure FDA0002445070920000019
的下限值
Figure FDA00024450709200000110
单位为A，获取iq的无功电流参考值
Figure FDA00024450709200000111
的取值范围
Figure FDA00024450709200000112
其中，imax为电网侧交流相电流的最大允许值，单位为A；
步骤四、根据公式
Figure FDA00024450709200000113
获取PWM整流器输入侧的有功补偿电流
Figure FDA00024450709200000114
单位为A，其中，Te为电机转矩，单位为N·m，ωr为电机转子转速，单位为rad/s；
步骤五、根据公式
Figure FDA0002445070920000021
计算PWM整流器输入侧的有功补偿电压有效值
Figure FDA0002445070920000022
单位为V，其中，Kip和Kii为第二PI调节器的比例积分系数，且
Figure FDA0002445070920000023
L为电网侧滤波电感值，单位为H，T为PWM整流器的PWM调制周期，单位为s，KPWM为PWM整流器的直流输出电压增益，r为电网侧导线内阻，单位为Ω；
步骤六、根据公式
Figure FDA0002445070920000024
计算PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd，单位为V，其中，ω为电网角频率，单位为Hz；
步骤七、根据公式
Figure FDA0002445070920000025
计算PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq，单位为V；
步骤八、控制PWM整流器输出响应：微控制器根据PWM整流器的输入三相电压d轴分量uvd、PWM整流器的输入三相电压q轴分量uvq、PWM整流器输出的直流电压udc和PWM整流器的PWM调制周期T采用SVPWM方法控制PWM整流器实现快速响应。
2.按照权利要求1所述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤二中PWM整流器直流输出侧的电容值C的取值满足：
Figure FDA0002445070920000026
其中，RL为负载等效电阻，单位为Ω，
Figure FDA0002445070920000027
为负载变化时PWM整流器的直流输出电压的变化率，
Figure FDA0002445070920000028
为不对PWM整流器中开关管触发时的直流输出电压平均值首次到达直流电压udc的给定参考值的上升时间，单位为s，em为电网交流线电压峰值，单位为V。
3.按照权利要求1所述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤五中电网侧滤波电感值L的取值满足：
Figure FDA0002445070920000031
其中，Δimax为电动伺服加载系统中允许的谐波电流最大脉动量，单位为A。
4.按照权利要求1所述的一种电动伺服加载系统用PWM整流器快速响应控制方法，其特征在于：步骤五中PWM整流器的直流输出电压增益KPWM的取值为：
Figure FDA0002445070920000032
其中，uPWM为PWM整流器的PWM载波峰值，单位为V。
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