CN109039188A - 一种无电解电容电机控制方法、装置和系统 - Google Patents

一种无电解电容电机控制方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无电解电容电机控制方法、装置和系统。所述方法包括如下步骤：获取电网电压、母线电压、电机实时电流以及电机转子运动信息等参数；通过变换获得q轴实时电流和d轴实时电流；基于转矩闭环控制获得q轴给定电流和d轴给定电流；通过实时电流和给定电流的比对与误差调节获得给定电压；经逆变换后对逆变器进行脉宽调制，以控制电机。本发明的技术方案可提高电网功率因数，并改善控制系统的可靠性。

Description

一种无电解电容电机控制方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种无电解电容电机控制方法、装置和系统。
背景技术
永磁同步电机作为变频空调等电器中核心的变频调速电机，其控制方式直接影响着电网性能与电能消耗。对于无电解电容形式的电机驱动电路，虽然可将电网与逆变器之间的功率因数校正器更换为薄膜电容以达到保护器件和降低系统成本的目的，但是这样将很难保证电网功率因数，并导致控制系统的可靠性不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种永磁同步电机功率控制方法、装置和系统。
第一方面，本发明提供了一种无电解电容电机控制方法，该方法包括：
步骤1，获取电网电压、母线电压、电机三相电源中任意两相的实时电流以及电机转子的实时转速和实时位置。
步骤2，对两相的所述实时电流进行Clark变换，分别获得α轴电流和β轴电流，对所述α轴电流和所述β轴电流进行Park变换，分别获得d轴实时电流和q轴实时电流。
步骤3，基于转矩闭环控制，根据所述实时转速和所述电网电压确定q轴给定电流，并根据所述实时转速、所述q轴给定电流和所述母线电压确定d轴给定电流。
步骤4，比较所述d轴实时电流和所述d轴给定电流，根据比较结果获得d轴误差电流，并比较所述q轴实时电流和所述q轴给定电流，根据比较结果获得q轴误差电流。
步骤5，对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压，并对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压。
步骤6，根据所述实时位置对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压。
步骤7，根据所述α轴给定电压、所述β轴给定电压和所述母线电压对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
第二方面，本发明提供了一种无电解电容电机控制装置，该装置包括：
Clark变换模块，用于对获取的电机三相电源中任意两相的实时电流进行Clark变换，分别获得α轴电流和β轴电流。
Park变换模块，用于对所述α轴电流和所述β轴电流进行Park变换，分别获得d轴实时电流和q轴实时电流。
dq轴电流给定模块，用于基于转矩闭环控制，根据获取的电机转子的实时转速和获取的电网电压确定q轴给定电流，并根据所述实时转速、所述q轴给定电流和获取的母线电压确定d轴给定电流。
d轴电流误差模块，用于比较所述d轴实时电流和所述d轴给定电流，根据比较结果获得d轴误差电流。
q轴电流误差模块，用于比较所述q轴实时电流和所述q轴给定电流，根据比较结果获得q轴误差电流。
d轴电流PI模块，用于对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压。
q轴电流PI模块，用于对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压。
Park逆变换模块，用于根据获取的电机转子的实时位置对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压；
空间矢量脉宽调整模块，用于根据所述α轴给定电压、所述β轴给定电压和所述母线电压对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
第三方面，本发明提供了一种无电解电容电机控制装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。
第四方面，本发明提供了一种无电解电容电机控制系统，该系统包括电源电路、整流器、薄膜电容、逆变器、电机、分别用于获取电网电压、母线电压、电机电流、电机转速位置的采集电路和如上所述的无电解电容电机控制装置，所述电源电路、所述整流器、所述逆变器和所述电机依次电连接，所述薄膜电容的两端分别连接所述整流器的两个输出端，所述采集电路与所述无电解电容电机控制装置的输入端电连接，所述无电解电容电机控制装置的输出端与所述逆变器的控制端电连接。
本发明提供的无电解电容电机控制方法、装置和系统的有益效果是，基于闭环控制的思想，根据采集的电机转速和电网电压等参数，通过转矩环进行d轴(直轴)和q轴(交轴)电流参考给定。由于转矩控制的物理意义相比较于功率控制更加明确，基于d轴和q轴给定电流控制d轴和q轴电流可更加准确地实现对逆变器输出功率的控制，从而实现提高电网功率因数，并有效改善控制系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无电解电容电机驱动电路的拓扑结构图；
图2为本发明实施例的一种无电解电容电机控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例无电解电容电机控制系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的q轴电流给定子模块的结构示意图；
图5为本发明实施例的d轴电流给定子模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，无电解电容电机驱动电路的基本结构主要包括电网的电源电路、整流器、薄膜电容、逆变器和电机。电源电路可视为提供电压ug和电流ig，并具有等效的电阻Rg和电感Lg，用于为整流器提供单相交流电。整流器可以为单相不控整流器，用于将单相交流电整流成直流电，并为逆变器供电。薄膜电容的两端分别连接整流器输出端的两端，用于吸收因逆变器开关管的开关产生的高次谐波。逆变器可以为三相电压型逆变器，可用于接收本发明实施例的无电解电容电机控制系统发送的电压脉冲，并根据电压脉冲控制电机。
如图2所示，本发明实施例的一种无电解电容电机控制方法包括：
步骤1，获取电网电压ug、母线电压udc、电机三相电源中任意两相的实时电流ia、ib以及电机转子的实时转速ωr和实时位置θ。
步骤2，对两相的所述实时电流ia、ib进行Clark变换，分别获得α轴电流iα和β轴电流iβ，对所述α轴电流iα和所述β轴电流iβ进行Park变换，分别获得d轴实时电流id和q轴实时电流iq。
步骤3，基于转矩闭环控制，根据所述实时转速ωr和所述电网电压ug确定q轴给定电流并根据所述实时转速ωr、所述q轴给定电流和所述母线电压udc确定d轴给定电流。
步骤4，比较所述d轴实时电流id和所述d轴给定电流根据比较结果获得d轴误差电流Δid，并比较所述q轴实时电流iq和所述q轴给定电流根据比较结果获得q轴误差电流Δiq。
步骤5，对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压并对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压
步骤6，根据所述实时位置θ对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压
步骤7，根据所述α轴给定电压所述β轴给定电压和所述母线电压udc对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
在本实施例中，基于闭环控制的思想，根据采集的电机转速和电网电压等参数，通过转矩环进行d轴(直轴)和q轴(交轴)电流参考给定。由于转矩控制的物理意义相比较于功率控制更加明确，基于d轴和q轴给定电流控制d轴和q轴电流可更加准确地实现对逆变器输出功率的控制，从而实现提高电网功率因数，并有效改善控制系统的可靠性。
优选地，所述方法还包括获得电机转子的给定转速母线电容功率等效转矩瞬时值Tc和逆变器输出实时功率等效转矩Tinv的步骤。
所述步骤3中所述确定q轴给定电流具体包括：
步骤3.1，比对电机转子的所述实时转速ωr和给定转速根据比对结果获得转速误差，对所述转速误差进行PI调节获得输入功率等效转矩幅值Tgpeak。
步骤3.2，根据所述电网电压ug获得电网相角θg，根据所述电网相角θg和所述输入功率等效转矩幅值Tgpeak确定输入功率等效转矩瞬时值Tg。
步骤3.3，根据所述输入功率等效转矩瞬时值Tg和母线电容功率等效转矩瞬时值Tc确定逆变器输出给定功率等效转矩
步骤3.4，比对所述逆变器输出给定功率等效转矩和逆变器输出实时功率等效转矩Tinv，根据比对结果获得转矩误差ΔTinv，对所述转矩误差进行PI调节获得所述q轴给定电流
具体地，假设电网输入电压为理想的正弦波，电网输入电流和输入电压相位相同且为正弦波，电网输入功率因数为1，则电网输入功率如式(1)所示。
pg＝UgIgsin2θg (1)
其中，pg为电网输入功率瞬时值，Ug为电网输入电压幅值，Ig为电网输入电流幅值，θg为电网输入相角。
电网输入功率是母线电容功率和逆变器输出功率的和，如式(2)所示。
pg＝pcap+pinv (2)
其中，pcap是母线电容功率，pinv是逆变器输出功率。
母线电容功率如式(3)所示。
其中，ωg是电网输入角频率，Cdc是母线电容容值。
永磁同步电机在同步旋转dq坐标系下的电压方程如式(4)所示。
其中，ud是d轴电压，uq是q轴电压，Ld是d轴电感，Lq是q轴电感，Rs是定子电阻，Ψf为永磁磁链，ωr是实时转速，也就是电角速度。
逆变器输出功率如式(5)所示。
其中，Pcu为铜耗功率，jmag为电机电感存储的能量，ωrm为电机机械角速度，Te为电机电磁转矩。
将式(2)功率平衡关系式用转矩等效表示，如式(6)所示，
Tg＝Tc+Tinv (6)
其中，Tg为输入功率等效转矩瞬时值，Tc为母线电容功率等效转矩瞬时值，Tinv为逆变器输出实时功率等效转矩，其中，
忽略铜耗功率和电感脉动功率，式(5)用转矩等效表示如式(7)所示。
Tinv＝Te (7)
电机电磁转矩如式(8)所示。
其中，np为电机极对数。
结合式(7)和式(8)可得q轴给定电流如式(9)所示。
由于逆变器输出功率等效转矩和q轴给定电流之间存在一定关系，可通过转矩调节器实现K值的功能。
在本实施例中，实现高功率因数的基本思想是控制逆变器输出功率，为了控制逆变器输出功率，将逆变器输出功率等效转矩引入闭环控制，通过对q轴电流控制实现对逆变器输出功率控制，进而控制电网输入功率和电网输入电流，从而达到高功率因数控制的目的。
优选地，所述步骤3中所述确定d轴给定电流具体包括：
步骤3.5，根据所述实时转速ωr、所述q轴给定电流和所述母线电压udc确定d轴初定电流id_ref。
步骤3.6，对所述d轴初定电流id_ref进行滑窗滤波，获得所述d轴给定电流
具体地，永磁同步电机定子电压给定应满足电压约束方程，如式(10)所示。
忽略式(4)中电阻和电感上的压降，可得到d轴初定电流如式(11)所示。
由于在无电解电容电机系统中，母线电压以两倍工频波动，波动的d轴电流会使电压裕度不足的问题更严重，对d轴初定电流取周期内平均作为d轴给定电流，如式(12)所示。
在本实施例中，调整d轴给定电流，从而调节母线电压的波动在设定范围内，进一步提高电网功率因数。如此，在保证电网高功率因数的前提下，能实现电机在弱磁区高速运行，能够优化电机相电流，同时能够增强对电机参数误差的鲁棒性，能提高系统可靠性，控制简单有效。
优选地，所述步骤5中的误差调节为PI调节。
PI调节也就是比例积分调节，不仅可减小或消除静差，还可兼顾快速性。
优选地，所述电机为永磁同步电机。
永磁同步电机相比于其他电机具有良好的调速性能，且功率密度高，转矩波动小，恒功率调速范围宽，可靠性高，噪声小，应用于变频空调或其他变频电器上，不仅可降低相应电能消耗，还具有较好的用户使用体验感。
如图3所示，本发明实施例的无电解电容电机控制系统包括无电解电容电机驱动电路、采集电路和控制装置。其中，本发明实施例的一种无电解电容电机控制装置包括：
Clark变换模块，用于对获取的电机三相电源中任意两相的实时电流ia、ib进行Clark变换，分别获得α轴电流iα和β轴电流iβ。
Park变换模块，用于对所述α轴电流iα和所述β轴电流iβ进行Park变换，分别获得d轴实时电流id和q轴实时电流iq。
dq轴电流给定模块，用于基于转矩闭环控制，根据获取的电机转子的实时转速ωr和获取的电网电压ug确定q轴给定电流并根据所述实时转速ωr、所述q轴给定电流和获取的母线电压udc确定d轴给定电流。
d轴电流误差模块，用于比较所述d轴实时电流id和所述d轴给定电流根据比较结果获得d轴误差电流Δid。
q轴电流误差模块，用于比较所述q轴实时电流iq和所述q轴给定电流根据比较结果获得q轴误差电流Δiq。
d轴电流PI模块，用于对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压
q轴电流PI模块，用于对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压
Park逆变换模块，用于根据获取的电机转子的实时位置θ对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压
空间矢量脉宽调整模块，用于根据所述α轴给定电压所述β轴给定电压和所述母线电压udc对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
其中，采集电路包括：
电网电压采集模块，用于采集电网电压ug。
母线电压采集模块，用于采集母线电压udc。
电机电流采集模块，用于采集电机三相电源中任意两相的实时电流ia、ib。
转速位置检测模块，用于检测电机转子的实时转速ωr和实时位置θ。
优选地，所述系统还包括获得电机转子的给定转速母线电容功率等效转矩瞬时值Tc和逆变器输出实时功率等效转矩Tinv的模块。
所述dq轴电流给定模块包括q轴电流给定子模块，如图4所示，所述q轴电流给定子模块包括：
转速误差单元，用于比对电机转子的所述实时转速ωr和给定转速根据比对结果获得转速误差。
转速PI单元，用于对所述转速误差进行PI调节获得输入功率等效转矩幅值Tgpeak。
转矩计算单元，用于根据所述电网电压ug获得电网相角θg，根据所述电网相角θg和所述输入功率等效转矩幅值Tgpeak确定输入功率等效转矩瞬时值Tg；根据所述输入功率等效转矩瞬时值Tg和母线电容功率等效转矩瞬时值Tc确定逆变器输出给定功率等效转矩
转矩误差单元，用于比对所述逆变器输出给定功率等效转矩和逆变器输出实时功率等效转矩Tinv，根据比对结果获得转矩误差ΔTinv。
转矩PI单元，用于对所述转矩误差进行PI调节获得所述q轴给定电流
优选地，所述dq轴电流给定模块还包括d轴电流给定子模块，如图5所示，所述d轴电流给定子模块包括：
d轴电流初定单元，用于根据所述实时转速ωr、所述q轴给定电流和所述母线电压udc确定d轴初定电流id_ref。
滑窗滤波器单元，用于对所述d轴初定电流id_ref进行滑窗滤波，获得所述d轴给定电流
优选地，所述d轴电流PI模块具体用于对所述d轴误差电流进行PI调节，获得所述d轴给定电压；所述q轴电流PI模块具体用于对所述q轴误差电流进行PI调节，获得所述q轴给定电压。
优选地，所述电机为永磁同步电机。
本发明实施例提供一种无电解电容电机控制装置，该装置包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法的步骤。
如图3所示，本发明实施例提供一种无电解电容电机控制系统，该系统包括电源电路、整流器、薄膜电容、逆变器、电机、分别用于获取电网电压、母线电压、电机电流、电机转速位置的采集电路和如上所述的无电解电容电机控制装置，所述电源电路、所述整流器、所述逆变器和所述电机依次电连接，所述薄膜电容的两端分别连接所述整流器的两个输出端，所述采集电路与所述无电解电容电机控制装置的输入端电连接，所述无电解电容电机控制装置的输出端与所述逆变器的控制端电连接。
需要注意的是，采集电路通过图3中的电网电压采集模块、母线电压采集模块、电机电流采集模块和转速位置检测模块实现。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种无电解电容电机控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，获取电网电压、母线电压、电机三相电源中任意两相的实时电流以及电机转子的实时转速和实时位置；
步骤2，对两相的所述实时电流进行Clark变换，分别获得α轴电流和β轴电流，对所述α轴电流和所述β轴电流进行Park变换，分别获得d轴实时电流和q轴实时电流；
步骤3，基于转矩闭环控制，根据所述实时转速和所述电网电压确定q轴给定电流，并根据所述实时转速、所述q轴给定电流和所述母线电压确定d轴给定电流；
步骤4，比较所述d轴实时电流和所述d轴给定电流，根据比较结果获得d轴误差电流，并比较所述q轴实时电流和所述q轴给定电流，根据比较结果获得q轴误差电流；
步骤5，对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压，并对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压；
步骤6，根据所述实时位置对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压；
步骤7，根据所述α轴给定电压、所述β轴给定电压和所述母线电压对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
2.根据权利要求1所述的无电解电容电机控制方法，其特征在于，所述步骤3中所述确定q轴给定电流具体包括：
步骤3.1，比对电机转子的所述实时转速和给定转速，根据比对结果获得转速误差，对所述转速误差进行PI调节获得输入功率等效转矩幅值；
步骤3.2，根据所述电网电压获得电网相角，根据所述电网相角和所述输入功率等效转矩幅值确定输入功率等效转矩瞬时值；
步骤3.3，根据所述输入功率等效转矩瞬时值和母线电容功率等效转矩瞬时值确定逆变器输出给定功率等效转矩；
步骤3.4，比对所述逆变器输出给定功率等效转矩和逆变器输出实时功率等效转矩，根据比对结果获得转矩误差，对所述转矩误差进行PI调节获得所述q轴给定电流。
3.根据权利要求2所述的无电解电容电机控制方法，其特征在于，所述步骤3中所述确定d轴给定电流具体包括：
步骤3.5，根据所述实时转速、所述q轴给定电流和所述母线电压确定d轴初定电流；
步骤3.6，对所述d轴初定电流进行滑窗滤波，获得所述d轴给定电流。
4.根据权利要求1至3任一项所述的无电解电容电机控制方法，其特征在于，所述步骤5中的误差调节为PI调节。
5.一种无电解电容电机控制装置，其特征在于，所述装置包括：
Clark变换模块，用于对获取的电机三相电源中任意两相的实时电流进行Clark变换，分别获得α轴电流和β轴电流；
Park变换模块，用于对所述α轴电流和所述β轴电流进行Park变换，分别获得d轴实时电流和q轴实时电流；
dq轴电流给定模块，用于基于转矩闭环控制，根据获取的电机转子的实时转速和获取的电网电压确定q轴给定电流，并根据所述实时转速、所述q轴给定电流和获取的母线电压确定d轴给定电流；
d轴电流误差模块，用于比较所述d轴实时电流和所述d轴给定电流，根据比较结果获得d轴误差电流；
q轴电流误差模块，用于比较所述q轴实时电流和所述q轴给定电流，根据比较结果获得q轴误差电流；
d轴电流PI模块，用于对所述d轴误差电流进行误差调节，获得d轴给定电压；
q轴电流PI模块，用于对所述q轴误差电流进行误差调节，获得q轴给定电压；
Park逆变换模块，用于根据获取的电机转子的实时位置对所述d轴给定电压和所述q轴给定电压进行Park逆变换，分别获得α轴给定电压和β轴给定电压；
空间矢量脉宽调整模块，用于根据所述α轴给定电压、所述β轴给定电压和所述母线电压对逆变器进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
6.根据权利要求5所述的无电解电容电机控制装置，其特征在于，所述dq轴电流给定模块包括q轴电流给定子模块，所述q轴电流给定子模块包括：
转速误差单元，用于比对电机转子的所述实时转速和给定转速，根据比对结果获得转速误差；
转速PI单元，用于对所述转速误差进行PI调节获得输入功率等效转矩幅值；
转矩计算单元，用于根据所述电网电压获得电网相角，根据所述电网相角和所述输入功率等效转矩幅值确定输入功率等效转矩瞬时值；根据所述输入功率等效转矩瞬时值和母线电容功率等效转矩瞬时值确定逆变器输出给定功率等效转矩；
转矩误差单元，用于比对所述逆变器输出给定功率等效转矩和逆变器输出实时功率等效转矩，根据比对结果获得转矩误差；
转矩PI单元，用于对所述转矩误差进行PI调节获得所述q轴给定电流。
7.根据权利要求6所述的无电解电容电机控制装置，其特征在于，所述dq轴电流给定模块还包括d轴电流给定子模块，所述d轴电流给定子模块包括：
d轴电流初定单元，用于根据所述实时转速、所述q轴给定电流和所述母线电压确定d轴初定电流；
滑窗滤波器单元，用于对所述d轴初定电流进行滑窗滤波，获得所述d轴给定电流。
8.根据权利要求5至7任一项所述的无电解电容电机控制装置，其特征在于，所述d轴电流PI模块具体用于对所述d轴误差电流进行PI调节，获得所述d轴给定电压；所述q轴电流PI模块具体用于对所述q轴误差电流进行PI调节，获得所述q轴给定电压。
9.一种无电解电容电机控制装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
10.一种无电解电容电机控制系统，其特征在于，包括电源电路、整流器、薄膜电容、逆变器、电机、分别用于获取电网电压、母线电压、电机电流、电机转速位置的采集电路和如权利要求9所述的无电解电容电机控制装置，所述电源电路、所述整流器、所述逆变器和所述电机依次电连接，所述薄膜电容的两端分别连接所述整流器的两个输出端，所述采集电路与所述无电解电容电机控制装置的输入端电连接，所述无电解电容电机控制装置的输出端与所述逆变器的控制端电连接。
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