CN110034689B - 一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法 - Google Patents

一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法 Download PDF

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Abstract

一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，是用于整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构的调制，调制方法为在每个控制周期判断单相二极管整流桥输出电压|us|所属区域，当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域1时，在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，而当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波。本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，在避免直流链开关管和逆变桥开关管同时斩波，在不增加变流器总开关次数的前提下，同时保证直流链开关管斩波。

Description

一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机系统。特别是涉及一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法。
背景技术
无刷直流电机具有结构简单，功率密度高等优势。在由单相交流电源供电的无刷直流电机系统中，单相二极管整流桥的输出端一般需要配置一个大容量电解电容，以维持直流链电压的平稳。但是，大容量电解电容会增大系统的体积和重量，降低无刷直流电机系统变流器的功率密度。
围绕大容量电解电容带来的问题，直流链无电容拓扑结构成为近年来的研究方向，矩阵变换器是一种较为典型的无电容交交变换器。但是，矩阵变换器需要较多功率开关，控制系统较复杂，在单相交流电源供电的电机系统中应用有限。基于单相二极管整流桥和三相逆变桥，新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala选择直接去除直流链电容环节，从而有效压缩了系统体积。但是，二极管整流桥输出电压为波动量，不能在全周期满足电机所需电压，特别是电网电压过零点附近，电机电流易出现较大波动。
针对单相交流电源供电的电机系统，为了兼顾电机运行性能好及变流器功率密度高两个目标，减小直流链电容容量的变流器设计和控制方法已得到广泛关注。图1给出了整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构，与传统三相六开关逆变器相比，增加的直流链开关管为系统提供了新的控制自由度。
围绕图1所示拓扑结构，新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala提出了相应的调制方法(IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.62，no.10，pp.6171-6182，2015年10月.)，该方法在二极管整流桥输出电压不能满足无刷直流电机电压需求时，开通直流链开关管，将电容切入直流链，反之则关断直流链开关管，由于直流链储能电容仅在电网周期的部分区间连续输出能量，直流链储能电容的容量得以降低。
基于图1所示拓扑结构，通过为直流链开关引入固定开关频率的调制策略，2017年夏长亮教授提出的调制方法(IEEE J.Emerg.Sel.Topics Power Electron.，vol.5，no.3，pp.1192-1204，2017年9月.)进一步降低了直流链电容的容量。但是，该方法使用两个控制器对直流链平均电压和电机转速进行分别控制，需要直流链开关管和三相逆变桥开关管以固定开关频率同时斩波，故增加了开关损耗，一定程度影响了变流器效率。
为了降低变流器的开关损耗，需要尽可能减少变流器总开关次数。然而，为了在新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala提出方法的基础上，进一步降低直流链电容的容量，则应进一步减少直流链电容的放电时间，即应控制直流链开关管斩波，避免直流链电容连续放电。现有文献提出的两种方法未能同时满足上述两个目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在避免直流链开关管和逆变桥开关管同时斩波，在不增加变流器总开关次数的前提下，同时保证直流链开关管斩波的直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，是用于整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构的调制，调制方法为在每个控制周期判断单相二极管整流桥输出电压|us|所属区域，当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域1时，在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，而当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波。
所述的区域1和区域2的判定方式为：比较单相二极管整流桥输出电压|us|和电机平稳运行所需电压Uab＝2IR+2E的大小关系，其中I为当前控制周期的非换相相电流平均值，R为无刷直流电机相电阻，E为无刷直流电机相反电动势幅值，当|us|≥Uab时，单相二极管整流桥输出电压|us|所在区域为区域1，而当|us|<Uab时，单相二极管整流桥输出电压|us|所在区域为区域2。
所述的在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，是在区域1，与直流链电容串联的直流链开关管关断，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，分别只有一个开关管以不定频率斩波，只有单相二极管整流桥输出电压|us|在区域1为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
所述的当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，是在区域2，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，三相逆变桥分别有两个开关管恒通，而与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，直流链电容和单相二极管整流桥输出电压|us|在区域2交替为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，在避免直流链开关管和逆变桥开关管同时斩波，在不增加变流器总开关次数的前提下，同时保证直流链开关管斩波。本发明有益效果：
(1)当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2，单相二极管整流桥输出电压不能满足电机平稳运行所需电压，此时与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，直流链电容和二极管整流器输出电压在区域2交替为无刷直流电机导通的两相绕组供电，对比仅有直流链电容在区域2供电的传统方法，由于直流链电容所需储存的电能可以减少，故直流链电容所需容量将得以降低。
(2)当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2，仅有与直流链电容串联的开关管以不定频率斩波，其他开关管在区域2内维持固定状态不变；对比需要直流链开关管和逆变桥开关管以固定频率同时斩波的传统方案，无刷直流电机系统的控制器设计得以简化，变流器总开关次数得以降低，变流器效率得以提升。
附图说明
图1是本发明直流链采用小电容的无刷直流电机系统的等效电路图；
图2是本发明中有效矢量作用下三相逆变桥的等效电路图；
图3是本发明中零矢量作用下三相逆变桥的等效电路图；
图4是本发明中直流链开关管开通下的直流链等效电路图；
图5是本发明中直流链开关管关断下的直流链等效电路图；
图6是本发明中单相二极管整流桥输出电压及直流链电容电压波形示意图；
图7是本发明中直流链电压、直流链开关管脉冲、三相逆变桥脉冲的波形示意图；
图8是本发明实施例中控制系统的整体结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法做出详细说明。
本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，是用于如图1所示的整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构的调制。所述的调制方法为在每个控制周期判断单相二极管整流桥输出电压|us|所属区域，当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域1时，在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，而当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波。
如图6所示，所述的区域1和区域2的判定方式为：比较单相二极管整流桥输出电压|us|和电机平稳运行所需电压Uab＝2IR+2E的大小关系，其中I为当前控制周期的非换相相电流平均值，R为无刷直流电机相电阻，E为无刷直流电机相反电动势幅值，当|us|≥Uab时，单相二极管整流桥输出电压|us|所在区域为区域1，而当|us|<Uab时，单相二极管整流桥输出电压|us|所在区域为区域2。
如图7所示，所述的在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，是在区域1，与直流链电容串联的直流链开关管关断，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，分别只有一个开关管以不定频率斩波，只有单相二极管整流桥输出电压|us|在区域1为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
所述的当单相二极管整流桥输出电压|us|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，是在区域2，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，三相逆变桥分别有两个开关管恒通，而与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，直流链电容和单相二极管整流桥输出电压|us|在区域2交替为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
下面给出本发明的实施例：
如图1所示等效电路，R和L分别为无刷直流电机的相电阻与相电感，ea、eb、ec分别为各相反电动势，N为电机绕组中性点，o为中性点电压和端电压的参考零电平，本发明涉及的变流器直流链由直流链电容C和直流链开关管T串联构成。
本实施例中无刷直流电机采用三相六步的两两导通换相运行模式，一个电周期包括六个换相周期，每个换相周期仅有两相绕组通电。本实施例以a相正向导通，b相负向导通这一换相周期为例，三相逆变桥在有效矢量和零矢量作用下的等效电路分别如图2和图3所示。图2中，开关管T1和T6导通，直流链为导通两相绕组供电，此时a、b两相线电压uab_active＝ud_link；图3中，开关管T1导通，相电流通过开关管T1和二极管D3续流，直流链电压不作用于导通两相绕组，此时a、b两相线电压uab_zero＝0。
与传统变流器在直流链采用大容量电容不同，图1所示变流器在直流链增加了一个开关管T，其导通状态将直接影响直流链电压，进而影响有效矢量作用下的电机导通两相线电压。设电网电压瞬时值为uS，直流链电容C的电压为ucap，直流链开关管T导通和关断下的直流链等效电路分别如图4和图5所示。图4中，开关管T导通，直流链电容C放电；图5中，开关管T关断，二极管整流桥的输出直接作为直流链，电容C不放电。上述两种情况下，直流链电压瞬时值可分别表示为
Figure BDA0002044102000000041
设电网电压幅值为Um，电网频率为f，图6给出了单相二极管整流桥输出电压|us|和直流链电容电压ucap的波形示意图。图6中，忽略二极管压降，单相二极管整流桥输出电压幅值为Um，周期TR＝1/2f。无刷直流电机稳定运行时，导通两相线电压平均值为Uab。如图6所示，根据|uS|和Uab的关系，本发明将一个整流周期TR划分为区域1和区域2两个区域。其中，在区域1满足|us|≥Uab，而在区域2满足|us|<Uab。在上述两个区域，设Ud_link为直流链平均电压，为了使无刷直流电机输出平稳转矩，均需满足如下约束条件
Ud_link≥Uab (2)
由式(1)的第2式可知，若开关管T关断，则直流链电压ud_link＝|uS|。因此，若开关管T关断，式(2)所示约束条件在区域1被满足，而在区域2不被满足。
基于上述原因，本发明为了尽可能缩短直流链电容的放电时间，故在区域1关断直流链开关管T，直流链电容C在区域1将不会放电。但是，当|uS|≥ucap时，直流链开关管T的反并联二极管D导通，如图6所示，直流链电容电压ucap被逐渐充电至Um；而当|uS|<ucap时，直流链电容电压将维持不变。
在区域2中，关断直流链开关管T不能满足式(2)所示约束条件。为此，需要开通直流链开关管T，使直流链电容C切入直流链，本发明在区域2控制直流链开关管T斩波，但控制三相逆变桥的开关管(T1～T6)不斩波。由于直流链电容储存的能量逐渐释放，如图6所示，ucap在区域2逐渐降低。
由于无刷直流电机以三相六步换相模式运行，实施例以a+b-换相周期为例，则导通两相端电压可表示为
Figure BDA0002044102000000042
式(3)中，uNo为中性点电压，ua、ub分别为a、b两相端电压，ia、ib分别为a、b两相相电流，且满足ia＝-ib＝i。无刷直流电机相反电动势为梯形波，即ea＝-eb。则导通两相线电压uab可表示为
Figure BDA0002044102000000051
考虑电机平稳运行，设相电流i的平均值为I，相反电动势幅值为E，则导通两相线电压平均值Uab可表示为
Uab＝2IR+2E (5)
本发明中区域1和区域2的划分取决于线电压平均值Uab和|uS|的关系
表1列出了本发明调制方法涉及的三种矢量。本发明在区域1控制直流链开关管T关断，并控制三相逆变桥开关管T1～T6以不定开关频率斩波，即在区域1使用表1中的矢量VS和矢量V0实现电机转速调节。本发明在区域2仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，而在区域2使三相逆变桥固定输出有效矢量，即在区域2使用表1中的矢量VS和矢量VC调节电机转速，并实现单相二极管整流桥输出电压的直接利用。最佳实施例中，直流链电压ud_link、直流链开关管脉冲Pulse_A、三相逆变桥开关管脉冲Pulse_B的示意图如图7所示。
表1本发明使用的矢量列表
Figure BDA0002044102000000052
图7中，直流链开关管脉冲Pulse_A在区域2斩波，而三相逆变桥开关管脉冲Pulse_B在区域1斩波，各个区域只有直流链开关管或三相逆变桥开关管动作。因此，对比需要直流链开关管和三相逆变桥开关管以固定频率同时斩波的传统方案，无刷直流电机系统的控制器设计得以简化，变流器总开关次数得以降低，变流器效率得以提升。
基于本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，本实施例设计了相应的控制策略，控制系统的整体结构如图8所示。图8中，无刷直流电机霍尔位置传感器反馈的霍尔信号被用于计算电机转速n，速度控制器采用PI控制器，速度控制器的输出作为电流控制器的参考值i*。另外，通过电流传感器测得电机两相电流，并结合霍尔位置信号，电机非换相相电流i可被计算得到。每个控制周期均根据|uS|和Uab的大小关系确定当前区域，通过捕获交流电压uS的过零点，并监测交流电压的有效值Um，即可推出每个控制周期的交流电压瞬时值为
|uS(k)|＝|Umsin(2πfTsk)| (6)
式(6)中，f为交流电压频率，Ts为控制器周期，k为控制周期计数器的值，其值在每个整流周期TR的初始时刻(uS的过零点)清零。设相反电动势系数为ke，由式(5)可知，线电压平均值Uab可表示为
Figure BDA0002044102000000061
控制系统在每个控制周期均比较式(7)和式(8)的大小，即可确定当前所在区域。
实施例使用的电流控制器为滞环控制器，基于本发明提出的调制方法，需在区域1和区域2分别使用不同的调制方案，即在两个区域分别使用不同的矢量集。如表1所列，在区域1，滞环电流控制器的矢量集包括矢量VS和V0；在区域2，滞环电流控制器的矢量集则包括矢量VS和VC。设滞环电流控制器的输出偏差Δi＝i-i*，环宽为2ε，且有0＜ε＜＜I。
在区域1中，此时满足|uS|>2iR+2E。当Δi<-ε时，滞环控制器输出矢量VS，根据式(4)和表1的第5列给出的uab取值，可推出电流变化率为
Figure BDA0002044102000000062
当Δi>ε时，滞环控制器输出矢量V0，则电流变化率为
Figure BDA0002044102000000063
在区域2中，此时满足|uS|<2iR+2E。当Δi>ε时，滞环控制器选择输出矢量VS，则相电流变化率为
Figure BDA0002044102000000064
当Δi<-ε时，滞环控制器选择输出矢量VC，则相电流变化率为
Figure BDA0002044102000000065
在区域1中，由式(8)和式(9)可知，采用矢量VS能够使电机相电流变化率大于零，而采用矢量V0则能够使电流变化率小于零，因此采用本发明提出的调制方法可以在区域1有效控制无刷直流电机的相电流，从而实现电机输出转矩的控制，进而实现电机转速的调节。
而在区域2中，由式(10)可知，采用矢量VS能够使电机相电流变化率小于零，而通过设计合理的直流链电容的容量，可使直流链电容电压在区域2满足关系ucap≥2iR+2E，则式(11)所示相电流变化率能够在区域2大于零，因此采用本发明提出的调制方法在区域2同样可以有效控制电机的相电流，从而实现电机输出转矩的控制，进而实现电机转速的调节。
综上所述，本发明的实施例基于本发明提出的调制方法，在区域1和区域2均能实现电机相电流的调节，从而实现电机输出转矩的控制，进而实现电机转速的调节。实施例能够在区域2使直流链电容和二极管整流器输出电压在区域2交替为无刷直流电机导通的两相绕组供电，对比仅有直流链电容在区域2供电的传统方法，由于直流链电容所需储存的电能将减少，故直流链电容所需容量将得以降低。此外，实施例在区域2内，仅有与直流链电容串联的开关管以不定频率斩波，对比需要直流链开关管和三相逆变桥开关管以固定频率同时斩波的传统方案，无刷直流电机系统的控制器得以简化，变流器总开关次数得以降低，变流器效率得以提升。
需要进一步说明，本发明具有广泛的应用范围，此处实施例仅做详细说明作用，实际使用过程中某些细节会有所变化，凡在本发明的精神和原则之内所做的改进，等同替换等，都应属于本发明的范围。

Claims (3)

1.一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，是用于整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构的调制，其特征在于，调制方法为在每个控制周期判断单相二极管整流桥输出电压|u s|所属区域，当单相二极管整流桥输出电压|u s|进入区域1时，在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，而当单相二极管整流桥输出电压|u s|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波；所述的区域1和区域2的判定方式为：比较单相二极管整流桥输出电压|u s|和电机平稳运行所需电压U ab =2IR+2E的大小关系，其中I为当前控制周期的非换相相电流平均值，R为无刷直流电机相电阻，E为无刷直流电机相反电动势幅值，当|u s| ≥ U ab时，单相二极管整流桥输出电压|u s|所在区域为区域1，而当|u s| < U ab时，单相二极管整流桥输出电压|u s|所在区域为区域2。
2.根据权利要求1所述的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，其特征在于，所述的在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，是在区域1，与直流链电容串联的直流链开关管关断，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，分别只有一个开关管以不定频率斩波，只有单相二极管整流桥输出电压|u s|在区域1为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
3.根据权利要求1所述的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，其特征在于，所述的当单相二极管整流桥输出电压|u s|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，是在区域2，三相逆变桥以无刷直流电机的三相六步换相方式运行，每个换相周期内，三相逆变桥分别有两个开关管恒通，而与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波，直流链电容和单相二极管整流桥输出电压|u s|在区域2交替为无刷直流电机导通的两相绕组供电。
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