CN110995114A - 电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法 - Google Patents

电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法：计算不同电感下的电流波动，并绘制电流波动与电感关系曲线，找到曲线拐点附近的电感值；计算不同电感下的最大转速，并绘制最大转速与电感关系曲线，根据对系统最大转速的要求，找到满足要求的最大电感；计算不同电感下的电流响应时间，并绘制电流响应时间与电感关系曲线，根据对系统电流响应时间的要求，找到满足要求的最大电感；结合得到的三项指标，根据需求，找到最优电感值。

Description

电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法
技术领域
本发明涉及电机驱动领域，更具体的说，是涉及一种电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法。
背景技术
以盘式无铁心永磁同步电机为代表的小电感电机具有过载能力大、响应速度快、反电势正弦度高、电机参数线性度高等诸多优点。此类电机可适用于多种要求严苛的场合，例如电动汽车轮毂用电机，机械手臂驱动电机等。
但电机的无铁心结构使得定子绕组电感很小，而传统控制器是基于电压源型逆变器，开关频率一般不超过20kHz，用于此类小电感电机的驱动，电机绕组电流波动很大，甚至会出现断续现象，一个控制周期内可能不满足伏秒平衡，破坏了矢量合成条件，导致整个系统稳定性差，甚至无法工作。因此限制了此类电机在驱动领域的应用。
在传统控制器驱动下，适当增加电机绕组回路的电感量可以直接有效的改善此类电机电流及转矩波动问题。增大电机绕组回路电感的方法有两种，一是在控制器设计时考虑在逆变输出侧串联合适电感，可以直接改变回路电感；二是在电机设计时考虑对电感的优化设计。电机系统电感选择过小，会造成电流和转矩改善效果差；电感选择过大，会造成电感的浪费及系统体积的过度增大，同时会对小电感电机自身的优势造成过多的破坏。因此为使系统达到比较好的状态，需对电机系统电感进行优化选择。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对小电感电机在传统控制器驱动中增加电感控制方法，提出一种电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法。从驱动控制的角度，根据电感对电机电流波动、转折转速、电流响应时间等性能，提出了电感选择优化的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法，包括以下过程：
第一步：电感对电流波动的影响
根据公式(1)计算不同电感下的电流波动，并绘制电流波动与电感关系曲线，找到曲线拐点附近的电感值；
Figure BDA0002351704740000021
其中，Δi为电机电流波动，即电流波形包络线最大宽度；Ts为控制器功率器件开关周期；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机绕组回路电感量总量；ki为修正系数；
第二步：电感对最大转速的影响
根据公式(2)计算不同电感下的最大转速，并绘制最大转速与电感关系曲线，根据对系统最大转速的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure BDA0002351704740000022
其中，p为电机极对数；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Iqmax为最大q轴电流；
第三步：电感对电流响应时间的影响
根据式(3)计算不同电感下的电流响应时间，并绘制电流响应时间与电感关系曲线，根据对系统电流响应时间的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure BDA0002351704740000023
其中，uq为当前q轴电压；ωe为当前电角速度；LmsA为电机绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Im为目标相电流幅值；
第四步：结合第一步至第三步得到的三项指标，根据需求，找到最优电感值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明从包括控制器在内的电机系统的角度，以改善控制效果为目标，在电机设计过程或者控制器设计过程中对电感参数优化提供指导。
(2)本发明避免大量仿真和实验，利用理论计算简单快速获得最优系统电感，为电机系统设计提供理论指导。
(3)本发明改善小电感电机自身的缺点，使得小电感电机可在普通控制器下良好运行。
附图说明
图1是小电感电机控制器电路拓扑原理图；
图2是最大电流波动Δi与相电感关系理论计算结果；
图3是转折转速nmax与相电感关系理论计算结果；
图4是电流响应时间tup与相电感关系理论计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
在电机的驱动控制中，电机系统电感是一个非常重要的参数，影响着电机系统的性能。类似于盘式无铁心永磁同步电机具有小电感特征的电机(小电感电机)，在设计往往忽视了对电感的设计。本发明通过改变控制器输出电感或设计初期改变电机自身电感，针对电感进行快速优化选择。分析了电感对系统性能的影响，包括电感对电流波动、转折速度、电流响应时间等，并以此为依据对电感进行快速优化选择。
图1为增加电感后的小电感电机控制系统。控制驱动系统由五部分组成：1为两电平逆变电路；2为串联电感；3为主控电路；4为角度传感器，可以是旋转变压器、光电编码器或者磁电编码器；5为电流传感器。所述串联电感2可以改变电机系统的电感，能有效改善小电感电机在传统控制器驱动下的性能，根据不同的性能要求，使用本发明的分析方法，快速简单的选取最优的电感。
传统控制器，控制电路采用双闭环控制方法，外环为速度环，给定转速与实际转速之差输入到速度调节器，速度调节器的输出为转矩的给定，转矩给定经过最大转矩电流比控制单元输出对应id和iq的给定值。因为此类电机交直轴电感基本相等，因此采用id＝0控制方法即可实现最大电流转矩比控制。内环为两个电流环，分别为电流id和iq闭环，电流调节器输入值分别是给定值与测量电流的旋转坐标系下数值的差值，电流调节器的输出值分别为vd和vq，具体包括：
控制器通过角度传感器来检测转子位置信号，所测得的转子位置信息参与控制算法中的坐标变换，并且用于电机转速的计算；
根据电流传感器测得电机定子a相电流ia、电机定子b相电流ib，结合转子位置信息进行坐标变换后得出旋转坐标系下的d轴电流分量id和q轴电流分量iq；
将上述获取的信息输入到控制器中，得到输出电压d、q轴分量vd和vq，经坐标变换后得到两相平面直角坐标下的电压输出值α、β轴分量vα和vβ；
根据vα和vβ可计算出合成矢量所需要的两个基本有效矢量Vi和Vm及其作用时间Ti和Tm，则零矢量作用时间为T0＝Ts-Ti-Tm。由此求取个开关器件的开关占空比，利用逆变器对电压进行输出。
通过改变电感可对小电感电机系统性能进行不同程度的改变。增大电感，可以有效的减小电机电流和转矩波动，增强系统稳定性，但也会带来不好的影响，例如减小转折速度(即电机不进行弱磁所能达到的最大转速)、增大电流和转矩的响应时间等。
本发明电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法，包括以下过程：
第一步：电感对电流波动的影响
根据公式(1)计算不同电感下的电流波动，并绘制电流波动与电感关系曲线，找到曲线拐点附近的电感值。
Figure BDA0002351704740000041
其中，Δi为电机电流波动，即小区域内电流最大值与最小值的差值；Ts为控制器功率器件开关周期；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机A相绕组回路电感量总量；ki为修正系数，ki可根据经验获得或者进行一次或几次仿真实验获取。
第二步：电感对最大转速的影响
根据公式(2)计算不同电感下的最大转速，并绘制最大转速与电感关系曲线，根据对系统最大转速的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure BDA0002351704740000042
其中，p为电机极对数；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Iqmax为最大q轴电流；
第三步：电感对电流响应时间的影响
根据式(3)计算不同电感下的电流响应时间，并绘制电流响应时间与电感关系曲线，根据对系统电流响应时间的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure BDA0002351704740000043
其中，uq为当前q轴电压；ωe为当前电角速度；LmsA为电机绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Im为目标相电流幅值；
第四步：结合第一步至第三步得到的三项指标，根据需求，找到最优电感值。
如图2至图4所示实例。根据式(1)计算不同电感下的电流波动，并绘制电流波动与电感关系曲线。为使得电流波动尽量小，电感利用率较高，选取曲线拐点附近的电感值为最佳。根据式(2)计算最大转速，根据最大转速的要求对电感最大值进行限定。根据式(3)计算电流响应时间，电流响应时间可作为参考。综合三个指标，根据系统要求对电感进行优化，但首先要保证电流波动在可接受范围内，即电感不宜太小，否则由式(2)、(3)计算获得的最大转速和电流响应时间将不准确或者没有参考价值。据此，根据系统要求，本实例选定最优电感为170uH。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种电机控制驱动系统中电感快速优化选择方法，其特征在于，包括以下过程：
第一步：电感对电流波动的影响
根据公式(1)计算不同电感下的电流波动，并绘制电流波动与电感关系曲线，找到曲线拐点附近的电感值；
Figure FDA0002351704730000011
其中，Δi为电机电流波动，即电流波形包络线最大宽度；Ts为控制器功率器件开关周期；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机A相绕组回路电感量总量；ki为修正系数；
第二步：电感对最大转速的影响
根据公式(2)计算不同电感下的最大转速，并绘制最大转速与电感关系曲线，根据对系统最大转速的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure FDA0002351704730000012
其中，p为电机极对数；Udc为控制器母线电压；LmsA为电机A相绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Iqmax为最大q轴电流；
第三步：电感对电流响应时间的影响
根据式(3)计算不同电感下的电流响应时间，并绘制电流响应时间与电感关系曲线，根据对系统电流响应时间的要求，找到满足要求的最大电感；
Figure FDA0002351704730000013
其中，uq为当前q轴电压；ωe为当前电角速度；LmsA为电机绕组回路电感总量；ψf为电机磁链；Im为目标相电流幅值；
第四步：结合第一步至第三步得到的三项指标，根据需求，找到最优电感值。
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