CN109004883A - 一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，包括如下步骤：S010，转速估算，根据检测压机的相电流和母线电压对压机进行速度估计；S011，采样实时母线电压；S012，电压阀值判断，根据步骤S010所估计的速度，查表找出对应的母线电压阈值，进行修正；S013，模式选择，将步骤S011采样的实时母线电压与电压阈值进行比较，选择控制模式，所述控制模式包括逆变控制模式和整流控制模式。本发明的控制方法，其控制系统的硬件电路简单，成本低；该方法可以实现低压区时防止电流环失控及母线电压被电机反电动势反向充电，还可以控制母线电压的稳定，显著的提高系统的稳定性以及网侧电流输入功率因数。

Description

一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法

技术领域

本发明涉及电机的驱动控制技术领域，特别涉及一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法。

背景技术

近年来，变频空调得到了普及，因为变频空调可以及时方便的改变压缩机的速度，所以可以控制室温波动小，室内舒适感更好，而且更加节能。

传统的变频驱动系统的直流母线采用大的电解电容稳定母线电压一般电解电容得几百uF，采用大的电解电容可以实现功率解耦。但是大的电解电容存在一些缺陷，如电解电容体积大，容易发热，寿命低，直接决定了变频器的寿命，而且采用电解电容需要功率因数校正电路PFC，致使产品成本更高。

现在，已有研究用薄膜或者陶瓷电容代替电解电容，或是无电解电容，如专利申请号为：201710289775.9的中国专利《一种无电解电容的电气永磁同步电机的启动方法》，通过控制输入侧的功率与电机输出侧功率平衡，实现压缩机的速度控制与网侧输入电流的控制。虽然小电容驱动系统有这个优点，但是对于调节控制母线电压来说也存在一些难点。由于单相整流加上母线电容非常小，使得直流母线电压不再为直流，重载高速时母线电压波形近似正弦半波，会出现母线电压有低压区甚至接近为零的情况，但当电机运行在中高速时，反电动势比较高，而母线电压过低，可用电压不够，会使得电流环调节能力失去作用，从而导致系统出现短暂失稳，这不仅影响电机控制的稳定相，还影响网侧电流功率因数，因此必要对低压区母线电压进行控制。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，硬件电路简单，成本低，可以实现低压区时防止电流环失控及母线电压被电机反电动势反向充电，还可以控制母线电压的稳定，可以显著的提高系统的稳定性以及网侧电流输入功率因数。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，包括如下步骤：

S010，转速估算，根据检测压机的相电流和母线电压对压机进行速度估计；

S011，采样实时母线电压；

S012，电压阀值判断，根据步骤S010所估计的速度，查表找出对应的母线电压阈值，进行修正；

S013，模式选择，将步骤S011采样的实时母线电压与电压阈值进行比较，选择控制模式进行控制。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S010中，采用单电阻采样或者双电阻采样进行压机的相电流的采样，采用电阻分压对母线电压进行采样。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S012中，通过公式进行电压阀值判断，其中，为永磁体磁链，ω_r为压缩机的电角频率，L_d为压缩机的d轴电感，I_N为压缩机的额定电流；

修正电压阀值时，当电压阈值低于功率功率因数要求的低压区电压时，电压阈值保持不变，当电压阈值高于功率因数要求时，为满足功率因数要求，将电压阈值设定为功率因数需求的低压区电压。

作为本发明的进一步改进，所述电压阈值与功率因数之间的关系，其表达式为：

V_M＝U_max

V_m＝U_min

其中，U_min为功率因数需求的低压区电压，U_max为功率因数需求的正常区最大电压，θ为电网电流的导通角度，V_M为母线电压最大值，V_m为母线电压最低值。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤S013中，所述控制模式包括逆变控制模式和整流控制模式；母线电压高于电压阈值时，系统进行逆变模式控制；当母线电压低于电压阈值时，系统进行整流模式控制。

作为本发明的进一步改进，系统进行逆变模式控制时，以压缩机的电角频率ω_r和网侧功率为控制变量，进行闭环控制，其中，速度环的输入指令为速度ω_r ^*与压缩机的电角频率ω_r之差的转速偏差信号△ω_r，转速偏差信号△ω_r经过PI控制器输出转矩指令T_e ^*；

功率环的输入指令为功率p^*与反馈功率p之差的功率偏差信号△p，功率偏差信号△p经过PI控制器输出补偿力矩电流T_e ^**，通过公式

p＝1.5·(u_d·i_d+u_q·i_q)

计算电机的实际功率p,其中，p_s为电机极对数，p为电机的实际功率，θ_g为电网的相位角，u_d，u_q分别为d，q轴电压指令，i_d，i_q分别为d，q轴的实际电流值；

q轴电流指令是根据速度环的PI输出与网功率环PI的输出之和得出，d轴电流指令按正常逆变模式给定，由于低的母线电压需要实时弱磁，通过公式

计算d轴电流给定值i_d；

通过公式计算q轴电流给定值i_q；再根据d轴、q轴电流进行电流内环控制。

作为本发明的进一步改进，当母线电压高于阈值电压，系统进行整流模式控制时，以压缩机的电角频率ω_r为控制变量，进行双闭环控制，其中，q轴电流指令是根据速度环的PI输出，d轴电流指令切换到正常逆变模式的给定后根据d轴、q轴电流进行电流内环控制。

作为本发明的进一步改进，还包括这一步骤，选择控制模式进行控制调节后，将参考电流i_d ^*和i_d ^*与母线电压U_dc及电压阈值U_hold一起输入模式控制器输出控制信号，再经电流控制器得到电压U_d和U_q，输入dq/αβ转换器后输出d、q两轴相电压V_α和V_β，再经PWM调节器后输出S_a、S_b、S_b三路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断，最终实现对母线电压低压区间的控制调节。

本发明的有益效果是：

1.本发明的一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法的硬件电路简单，所需器件少，电路成本低。

2.本发明的控制方法可以实现低压区时防止电流环失控及母线电压被电机反电动势反向充电。

3.本发明的控制方法可以控制母线电压的稳定，使得电网输入电压谐波更小，显著的提高系统的稳定性以及网侧电流输入功率因数。

附图说明

图1是本实施例的空调小电容调速控制系统硬件结构图。

图2是本实施例的实施控制过程图。

图3是本实施例的空调小电容电机控制的原理图。

图4是是本实施例双模式控制方法下，小电容电机控制系统的母线电压，网侧电流，相电流波形图。

图5是传统的小电容电机控制系统的母线电压，网侧电流，相电流波形图。

图6是本实施例的功率因数与母线电压的关系图。

图7是本实施例的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

1.本实施例为小电容电机驱动系统的电路结构及原理

如图1和图2所示，小电容电机驱动系统的硬件包括滤波电感、单相整流桥、薄膜电容、三相逆变桥以及永磁同步电机，该硬件电路为公知常识电路，对其连接关系及原理不再累述。优选的，在本实施例中滤波电感为5mH，薄膜电容的容值为5-30uF，优选10uF、15uF及20uF中的一种。在图1的电路中，采样的母线电压U_dc、网测电流ia和ib输入DSP控制器用于计算6路IGBT驱动脉冲的占空比，以便对低电压的母线电压进行控制控制，同时采样的网侧电流i_a、i_b以及母线电压U_dc和6路占空比用来估计电机的速度和位置，通过计算后DSP控制器输出6路开关信号，经过驱动电路得出6路IGBT驱动脉冲，用于对系统进行控制。

2.本实施例的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法

如图7所示，本实施例的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，包括如下步骤：

S010，转速估算，根据检测压机的相电流和母线电压对压机进行速度估计；

S011，采样实时母线电压；

S012，电压阀值判断，根据步骤S010所估计的速度，查表找出对应的母线电压阈值；

S013，模式选择，将步骤S011采样的实时母线电压与电压阈值进行比较，选择控制模式进行控制，所述控制模式包括逆变控制模式和整流控制模式。

结合如图2、图3和如图7，本实施例的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，更具体的是包括以下步骤：

步骤1：采样压缩机的相电流和母线电压；具体是采用单电阻采样或者双电阻采样进行压机的相电流和母线电压的采样，其中母线电压采用电阻分压采样。

步骤2：根据步骤1得到压机相电流及母线电压采用滑模观测器估计压机速度。

步骤3：根据步骤2得到压机速度通过公式(1)判断电压阈值U_hold，

其中，为永磁体磁链，ω_r为压缩机的电角频率，L_d为压缩机的d轴电感。I_N为压缩机的额定电流。

步骤4：修正步骤3得到阈值电压U_hold；修正阈值电压U_hold时需要综合考虑到网侧电流i_a、i_b的功率因素以及电机效率需要在对电压阈值微调。修正的原则是当电压阈值U_hold低于功率功率因数要求的低压区电压时，保持电压阈值U_hold不变。当电压阈值U_hold高于功率因数要求时，为满足功率因数要求，而将电压阈值U_hold设定为功率因数需求的低压区电压，可用公式(2)表示，即：

其中U_min为功率因数需求的低压区电压，在本实施例中，由于单相整流加上母线电容非常小，使得直流母线电压不再为直流，重载高速时母线电压波形近似正弦半波，如图6所示，就会出现母线电压有低压区甚至接近为零的情况，因而功率因数与U_min的关系计算表达式(3)为：

其中，U_min为功率因数需求的低压区电压，θ为电网电流的导通角度，V_M为母线电压最大值，V_m为母线电压最低值，为功率因数。

步骤5：根据步骤3中得到的电压阈值U_hold与实际采样得到的母线电压U_dc进行比较，当母线电压U_dc高于电压阈值U_hold时系统进行逆变模式控制，当母线电压U_dc低于电压阈值U_hold时系统进行整流模式控制。

具体如图3所示为两种控制模式的控制框图，当系统处于逆变模式控制时，以压缩机的电角频率ω_r和网侧功率为控制变量，进行闭环控制，其中速度环的输入指令为速度ω_r ^*与压缩机的电角频率ω_r之差的转速偏差信号△ω_r，转速偏差信号△ω_r经过PI控制器输出转矩指令T_e ^*；而功率环的输入指令为功率p^*与反馈功率p之差的功率偏差信号△p，功率偏差信号△p经过PI控制器输出补偿力矩电流T_e ^**，用公式(6)和公式(7)表示为：

p＝1.5·(u_d·i_d+u_q·i_q) (7)

其中，p_s为电机极对数，p为实际电机功率，θ_g为电网的相位角，u_d，u_q分别为d，q轴电压指令，i_d，i_q分别为d，q轴的实际电流值。

q轴电流指令是根据速度环的PI输出与网功率环PI的输出之和得出，d轴电流指令按正常逆变模式给定，由于低的母线电压需要实时弱磁，所以d轴电流给定值i_d计算公式(8)为：

q轴电流给定值i_d计算公式为(9)：

然后根据d，q轴电流进行电流内环控制。

当处于整流模式控制时，以U_hold为控制变量，进行闭环控制，保持逆变模式的q轴电流指令不变，电压阈值与反馈的母线电压进行PI控制输出d轴电流指令，根据d，q轴电流进行电流内环控制。

上述中的模式选择与控制是通过模式控制器进行选择与判断两种模式的切换。

具体切换过程如下：如图6所示：通过检测母线电压Udc，当母线电压低于U_hold时，启动整流模式，同时程序需要存储此时的电源相位角，如图6中的由于整个过程保持到电源相位过零之后的另一个所以整个整流模式持续π-θ的电角度，而逆变模式则持续θ的电角度，在下一个电周期重复进行。

步骤6：将转矩指令T_e ^*和补偿力矩电流T_e ^**进行叠加，然后通过弱磁优化后可以得到d轴和q轴的参考电流为i_q ^*和i_d ^*，具体也是公式(8)和(9)计算出的d轴和q轴的给定电流i_d和i_q；参考电流i_q ^*和i_d ^*与母线电压U_dc及电压阈值U_hold一起输入模式控制器输出控制信号，再经电流控制器得到电压U_d和U_q，输给dq/αβ转换器后输出d、q两轴相电压V_α和V_β，d、q两轴相电压V_α和V_β输入到PWM调节器后输出S_a、S_b、S_b三路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断，最终实现对母线电压低压区间的控制调节。

根据以上步骤，利用MATLAB/Simulink仿真平台，搭建本实施例的控制方法的仿真模型，并针对负载为1N*m时进行仿真，得到如图4所示的仿真波形,通过与图5利用传统的小电容控制方法进行仿真得到波形相比,图5没有采用本实施例的控制方法，可以看出母线电压存在被电机反向充电导致电机短暂失控的问题，而且功率因数较低；而图4采用了本实施例的控制方法，从图4中的波形中整流控制和逆变控制的箭头标记处，可以看出低压区时电机没有失控，母线电压并没有被电机反电动势反向充电，母线电压保持稳定；从图4中可看出本发明的方法仿真时标准差为0m，而常用方法仿真时标准差最大为975m，系统的稳定性也得到很大提高，而且网侧电流输入功率因数得到提高。

综上所述，本实施例的一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，硬件电路简单，所需器件少，电路成本低，通过本实施例的控制方法可以实现低压区时防止电流环失控及母线电压被电机反电动势反向充电，可以控制母线电压的稳定，使得电网输入电压谐波更小，显著的提高系统的稳定性以及网侧电流输入功率因数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S010，转速估算，根据检测压机的相电流和母线电压对压机进行速度估计；

S011，采样实时母线电压；

S012，电压阀值判断，根据步骤S010所估计的速度，查表找出对应的母线电压阈值，进行修正；

S013，模式选择，将步骤S011采样的实时母线电压与电压阈值进行比较，选择控制模式进行控制。

2.根据权利要求1所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，在所述步骤S010中，采用单电阻采样或者双电阻采样方式进行压机的相电流的采样，采用电阻分压对母线电压进行采样。

3.根据权利要求1所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，在所述步骤S012中，通过公式进行电压阀值判断，其中，为永磁体磁链，ω_r为压缩机的电角频率，L_d为压缩机的d轴电感，I_N为压缩机的额定电流；

修正电压阀值，当电压阈值低于功率功率因数要求的低压区电压时，电压阈值保持不变，当电压阈值高于功率因数要求时，将电压阈值设定为满足功率因数需求的低压区电压。

4.根据权利要求3所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，所述电压阈值与功率因数之间的关系，其表达式为：

V_M＝U_max

V_m＝U_min

其中，U_min为功率因数需求的低压区电压，θ为电网电流的导通角度，V_M为母线电压最大值，V_m为母线电压最低值，为功率因数。

5.根据权利要求1所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，在所述步骤S013中，所述控制模式包括逆变控制模式和整流控制模式；母线电压高于电压阈值时，系统进行逆变模式控制；当母线电压低于电压阈值时，系统进行整流模式控制。

6.根据权利要求5所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，系统进行逆变模式控制时，以压缩机的电角频率ω_r和网侧功率为控制变量，进行闭环控制，其中，速度环的输入指令为速度ω_r ^*与压缩机的电角频率ω_r之差的转速偏差信号△ω_r，转速偏差信号△ω_r经过PI控制器输出转矩指令T_e ^*；

功率环的输入指令为功率p^*与反馈功率p之差的功率偏差信号△p，功率偏差信号△p经过PI控制器输出补偿力矩电流T_e ^**，通过公式

p＝1.5·(u_d·i_d+u_q·i_q)

计算实际功率，其中，p_s为电机极对数，p为电机的实际功率，θ_g为电网的相位角，u_d，u_q分别为d，q轴电压指令，i_d，i_q分别为d，q轴的实际电流值；

q轴电流指令是根据速度环的PI输出与网功率环PI的输出之和得出，d轴电流指令按正常逆变模式给定，通过公式

计算d轴电流给定值i_d；

通过公式计算q轴电流给定值i_q；再根据d轴、q轴电流进行电流内环控制。

7.根据权利要求5所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，当母线电压高于阈值电压，系统进行整流模式控制时，以压缩机的电角频率ω_r为控制变量，进行双闭环控制，其中，q轴电流指令是根据速度环的PI输出，d轴电流指令切换到正常逆变模式的给定后根据d轴、q轴电流进行电流内环控制。

8.根据权利要求1-7任一所述的小电容电机驱动系统的母线电压低压区控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：选择控制模式进行控制调节后，将参考电流i_d ^*和i_d ^*与母线电压U_dc及电压阈值U_hold一起输入模式控制器输出控制信号，再经电流控制器得到电压U_d和U_q，输入dq/αβ转换器后输出d、q两轴相电压V_α和V_β，再经PWM调节器后输出S_a、S_b、S_b三路脉冲调制信号来控制三相逆变器的功率管的导通与关断，最终实现对母线电压低压区间的控制调节。