CN111404426A - 一种多直流电机并联系统及电流控制方法 - Google Patents

一种多直流电机并联系统及电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多直流电机并联系统及电流控制方法，将位置传感器经转速计算单元得到的速度反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到的电机电流经电流重构计算单元得到电流值并反馈至电流调节模块；将参考速度和反馈速度信号在速度比较器的作用下得到速度误差，在PI控制器的作用下得到电流；经参考电流计算单元得到参考电流；将得到的参考电流和重构获得的电流值在电流比较器的作用下得到电流误差，然后在滞环控制比较器的作用下得到占空比；将占空比经过PWM脉冲宽度调制单元得到脉冲控制信号，进而通过控制(n+1)相逆变器中开关管的通断来驱动电机的运转。本发明在满足生产需求的条件下，同时能够降低总谐波失真率，并提高工业生产的安全性，减少能源消耗。

Description

一种多直流电机并联系统及电流控制方法
技术领域
本发明属于多电机控制技术领域，具体涉及一种多直流电机并联系统及电流控制方法。
背景技术
在工业生成中，例如水泥窑、造纸、纺织等，为了提高驱动系统结构的灵活性、减小电机体积、降低能耗，多台电机协同驱动控制系统被大量应用。与三角载波相比，滞环比较控制器以其无需载波，硬件电路简单，实时控制方式等优点，成为了多电机协同驱动控制系统的重要研究方向。
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，提供一种多直流电机并联系统及电流控制方法，能够提高驱动系统的灵活性、减小电机占用面积、降低能源消耗，具有实时性、高精度、高可靠性。
本发明采用以下技术方案：
一种多直流电机并联电流控制方法，包括以下步骤：
S1、系统初始化，将位置传感器经转速计算单元得到的速度ω1、…、ωn反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到的电机电流X1、…、Xn经电流重构计算单元得到电流值I1、…、In+1并反馈至电流调节模块；
S2、将参考速度ω1ref、…、ωnref和步骤S1的反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、…、ewn，速度误差ew1、…、ewn在PI控制器的作用下得到电流Im1、…、Imn；
S3、将步骤S2得到的电流Im1、…、Imn经参考电流计算单元得到参考电流I1ref、…、I(n+1)ref；
S4、将步骤S3中得到的参考电流I1ref、…、I(n+1)ref和步骤S1重构获得的电流值I1、…、In+1在电流比较器的作用下得到电流误差eI1、…、eI(n+1)，电流误差eI1、…、eI(n+1)在滞环控制比较器的作用下得到占空比H1、…、Hn+1；
S5、将步骤S4中得到的占空比H1、…、Hn+1经过PWM脉冲宽度调制单元得到脉冲控制信号，进而通过控制(n+1)相逆变器中开关管的通断来驱动电机的运转。
具体的，步骤S2中，速度误差ew1、…、ewn具体为：
ewi＝wiref-wi
电流Im1、…、Imn为：
Imi＝KPewi+KI∫ewidt
其中，i＝1，…，n，KP和KI为控制增益。
具体的，步骤S3中，参考电流I1ref、…、I(n+1)ref具体为：
Figure BDA0002479261080000021
具体的，步骤S4中，电流滞环比较控制器的输出Hi具体为：
Figure BDA0002479261080000022
其中，Q表示与上一时刻输出的值相等，δ为滞环比较控制器的阈值，eIi为电流误差且为滞环比较控制器的输入。
进一步的，电流误差eIi具体为：
eIi＝Iiref-Ii。
具体的，，步骤S5中，PWM脉冲宽度调制单元产生的控制逆变器开关管通断的脉冲信号，开关逻辑生成函数为：
Figure BDA0002479261080000031
Figure BDA0002479261080000032
其中，i＝1，…，n+1，输出的脉冲控制信号1和0电平控制桥臂上下开关管的通断。
本发明的另一个技术方案是，一种多直流电机并联系统，采用权利要求1所述的电流控制方法，包括n个PI控制器，n个PI控制器依次连接参考电流计算单元、电流滞环控制比较器、PWM脉冲宽度调制单元、n+1相电压源型逆变器和n个并联的直流电机，直流电机M1、…、Mn与直流电源相连，位置传感器通过转速计算单元与速度调节模块连接，永磁同步电机电流检测传感器经电流重构计算单元与电流调节模块连接，将位置传感器经转速计算单元得到的电机转速和参考转速在PI控制器的作用下得到电流值，电流值经参考电流计算单元得到的参考电流与电机电流经过电流重构计算单元得到的电流值在电流调节模块作用下得到电流误差，电流误差在电流滞环控制比较器作用下得到占空比，经PWM脉冲宽度调制单元得到两路控制逆变器中的每个桥臂上下功率开关管通断的互补信号，分别控制电压源型逆变器中的每个桥臂上下功率开关管的通断，通过改变参考速度实现电机反向运行。
具体的，n+1相电压源型逆变器包括n+1个桥臂L1、…、Ln+1和2(n+1)个功率开关管T1、…、T2(n+1)，第一桥臂L1包括串联连接的开关管T1和T2，第n桥臂Ln包括串联连接的开关器T2n-1和T2n，第(n+1)桥臂Ln+1包括串联连接的开关器T2n+1和T2n+2；功率开关管T1与功率开关管T2的中点为节点a1点，功率开关管T2n-1与功率开关管T2n的中点为节点an点，功率开关管T2n+1与功率开关管T2n+2的中点为节点an+1点，将节点a1、…、an、an+1与n个并联的电机连接；(n+1)个桥臂L1、…、Ln+1并联后与公共直流电源连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多直流电机并联电流控制方法，通过电流滞环控制比较器得到的占空比信号经过PWM脉冲宽度调制单元得到两路互补的脉冲控制信号，控制电压源型逆变器中的开关管的通断，进而得到电机电枢绕组中的电压正负驱动电机运行，能够实现电流输出响应快、超调小且波形平稳，保证电机在预定范围内更好的运行，同时满足实际生产生活的需要，能够在水泥窑、造纸、纺织等工业中被大量的应用。提高驱动系统的灵活性、减小电机占用面积、降低能源消耗，而且该控制方法具有实时性、高精度、高可靠性，增加负载能力，控制方法中的滞环电流比较器因其无需载波、降低成本、实时反应等优点而被采用；采用双闭环系统，能够减少误差，提高控制精度，保证电机稳定运行。
进一步的，通过步骤S2中，参考转速与经过转速计算单元得到的速度能够构成负反馈回路，在PI控制器的作用下，得到电流值。该负反馈回路能够降低转速误差，同时，经过控制器能够得到控制电机的电流值。
进一步的，通过步骤S3经过电流计算单元可以得到参考电流值，得到的电流值经过一定的合成方式即参考电流计算单元得到参考电流值，作为滞环比较控制器的输入端。
进一步的，通过步骤S4能够降低电流误差将参考电流值与经过电流计算单元得到电流值构成负反馈回路，能够降低控制电机输出的电流误差值。同时，在滞环比较控制器的作用下得到控制PWM脉冲生产单元的输入脉冲占空比信号。
进一步的，步骤S4中的占空比信号在PWM脉冲生产单元作用下产生控制逆变器开关管的通断信号，进而能够驱动电机进行四象限运转。由于采用数字电路信号，因此具有抗干扰能力强和能够远距离传输信号等优点
进一步的，电流滞环控制比较器得到的占空比信号经过PWM脉冲宽度调制单元得到两路互补的脉冲控制信号，控制电压源型逆变器中的开关管的通断，进而得到电机电枢绕组中的电压正负驱动电机运行。不仅提高了运行的负载能力，而且进一步保证电机工作的安全性。
一种多直流电机并联系统，采用多电机并联，能够突破单电机运作能力的局限性，同时能够保证工业生产的稳定运行，电流滞环比较器不需要载波，硬件电路简单，可降低实际生成应用的成本，且属于实时控制方式，可实现电流的快速响应，同时电流跟随性能快、误差小。
综上所述，本发明在满足生产需求的条件下，同时能够降低总谐波失真率，并提高工业生产的安全性，减少能源消耗。
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为本发明中的滞环比较控制器示意图；
图2为本发明中的滞环比较控制PWM信号产生框图；
图3为本发明中的逆变器示意图；
图4为本发明中的滞环控制PWM信号产生原理示意图；
图5为本发明多直流电机并联系统电流滞环控制示意图；
图6为本发明多直流电机并联系统电流滞环控制算法流程图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图5，本发明提供了一种多直流电机并联系统，包括n个并联的直流电机、n个PI控制器、参考电流计算单元、(n+1)个电流滞环比较控制器、PWM脉冲宽度调制单元、(n+1)相电压源型逆变器、永磁同步电机电流检测传感器、位置传感器和直流电源。
PI控制器依次连接参考电流计算单元、电流滞环控制比较器、PWM脉冲宽度调制单元、(n+1)相电压源型逆变器和n个并联的直流电机，同时，直流电机M1、…、Mn与直流电源相连，另外将位置传感器通过转速计算单元与速度调节模块相连，永磁同步电机电流检测传感器经过电流重构计算单元与电流调节模块连接。
将位置传感器经过转速计算单元得到的电机转速和参考转速在PI控制器的作用下得到电流值，电流值经参考电流计算单元得到的参考电流与电机电流经过电流重构计算单元得到的电流值在电流调节模块作用下得到电流误差，电流误差在滞环比较控制器作用下得到占空比，该占空比经过PWM脉冲宽度调制单元得到两路控制逆变器中的每个桥臂的上下功率开关管通断的互补信号。
请参阅图3，n+1相电压源型逆变器由(n+1)个桥臂L1、…、Ln+1和2(n+1)个功率开关管T1、…、T2(n+1)构成，其中，第一桥臂L1由开关管T1-T2连接构成，第n桥臂Ln由开关器T2n-1-T2n连接构成，第(n+1)桥臂Ln+1由开关器T2n+1-T2n+2连接构成。
取第一桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T2的中点为节点a1点，取第n桥臂Ln中的功率开关管T2n-1与功率开关管T2n的中点为节点an点，取第(n+1)桥臂Ln+1中的功率开关管T2n+1与功率开关管T2n+2的中点为节点an+1点，将节点a1、…、an与直流电机M1、…、Mn的正极连接，将直流电机M1、…、Mn的负极并联且与节点an+1相连；(n+1)个桥臂L1、…、Ln+1并联后与公共直流电源连接。
电流滞环比较控制器的工作原理为：
请参阅图1和图2，根据工作要求设定参考输入信号ω1ref、…、ωnref，利用位置传感器测经过转速计算单元得到的电机转速ω1、…、ωn与参考速度ω1ref、…、ωnref在速度调节模块作用下得到速度误差ew1、…、ewn，速度误差在PI控制器的作用下得到电流Im1、…、Imn，该电流Im1、…、Imn经过参考电流计算单元进行计算得到参考电流I1ref、…、I(n+1)ref，将测量到的电机的电流X1、…、Xn进行重构计算得到的I1、…、In+1与参考电流I1ref、…、I(n+1)ref经过电流调节模块得到电流误差eI1、…、eI(n+1)，电流误差在电流滞环控制比较器的作用下得到占空比信号H1、…、Hn+1，该占空比信号在PWM脉冲宽度调制单元的作用下得到两路互补的信号，分别控制电压源型逆变器中的每个桥臂上下功率开关管的通断，通过改变参考速度ω1ref、…、ωnref来实现电机反向运行。
请参阅图4，占空比H1、…、Hn+1的逻辑表达函数是：
当输入端的电流误差eI1、…、eI(n+1)大于δ时，输出高电平；
当输入端的电流误差eI1、…、eI(n+1)小于-δ时，输出低电平；
当输入端的电流误差eI1、…、eI(n+1)大于-δ且小于δ时，输出电平保持上一时刻的值。其中，δ表示滞环控制器阈值，2δ表示滞环比较控制器的滞环宽度。
当占空比H1、…、Hn+1为高电平时，此时PWM脉冲宽度调制单元输出端T1、…、T2n-1为低电平，T2、…、T2n+2为高电平，分别使开关管D1、…、D2n-1截止和开关管D2、…、D2n+2导通，进而使输出电流I1、…、In+1值变小。
同理，当开关管D1、…、D2n-1导通和开关管D2、…、D2n+2截止时，进而使输出电流I1、…、In+1值变大，能够更好的达到跟随电流的效果。
电流滞环控制比较器得到的占空比信号经过PWM脉冲宽度调制单元得到两路互补的脉冲控制信号，控制电压源型逆变器中的开关管的通断，进而得到电机电枢绕组中的电压正负驱动电机运行。
请参阅图6，本发明一种多直流电机并联电流控制方法，包括以下步骤：
S1、系统初始化，将位置传感器经过转速计算单元得到的速度ω1、…、ωn反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到电机的电流X1、…、Xn经过电流重构计算单元得到的电流值I1、…、In+1反馈到电流调节模块；
S2、将参考速度ω1ref、…、ωnref和步骤S1反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、…、ewn，该速度误差ew1、…、ewn在PI控制器的作用下得到电流Im1、…、Imn；
速度误差ew1、…、ewn具体为：
ewi＝wiref-wi
其中，i＝1，…，n，参考速度是ω1ref、…、ωnref，反馈速度信号是ω1、…、ωn。
速度误差ew1、…、ewn在PI控制器的作用下得到电流Im1、…、Imn，该电流Im1、…、Imn的具体表达式是：
Imi＝KPewi+KI∫ewidt
其中，i＝1，…，n，KP和KI为控制增益，速度误差是ew1、…、ewn。
S3、将步骤S2得到的电流Im1、…、Imn经过参考电流计算单元得到参考电流I1ref、…、I(n+1)ref，将步骤S1通过电流检测传感器得到的电机电流信号为X1、…、Xn经过电流重构计算单元可获得电流值I1、…、In+1；
参考电流I1ref、…、I(n+1)ref具体为：
Figure BDA0002479261080000091
其中，参考电流是I1ref、…、I(n+1)ref。
电流I1、…、In+1具体为：
Figure BDA0002479261080000092
其中，X1、…、Xn是通过永磁同步电机电流检测传感器得到的电机电流。
S4、将步骤S3中得到的参考电流I1ref、…、I(n+1)ref和电流I1、…、In+1在电流比较器的作用下得到电流误差eI1、…、eI(n+1)，该电流误差eI1、…、eI(n+1)在滞环控制比较器的作用下得到占空比H1、…、Hn+1；
电流误差eI1、…、eI(n+1)具体为：
eIi＝Iiref-Ii
其中，i＝1，…，n+1，参考电流是I1ref、…、I(n+1)ref。
占空比H1、…、Hn+1具体为：
Figure BDA0002479261080000101
其中，i＝1，…，n+1，Q表示与上一时刻输出的值相等，δ为滞环比较控制器的阈值，eIi为电流误差且为滞环比较控制器的输入，Hi为滞环比较控制器的输出。
S5、将步骤S4中得到的占空比H1、…、Hn+1经过PWM脉冲宽度调制单元得到脉冲控制信号，进而通过控制(n+1)相逆变器中开关管的通断来驱动电机的运转。
PWM脉冲宽度调制单元产生的控制逆变器开关管通断的脉冲信号，其开关逻辑生成函数为：
Figure BDA0002479261080000102
Figure BDA0002479261080000103
其中，i＝1，…，n+1，输出的脉冲控制信号1和0电平控制桥臂上下开关管的通断。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种多直流电机并联系统及电流控制方法，能够在水泥窑、造纸、纺织等工业中被大量的应用。不仅能够提高驱动系统的灵活性、减小电机占用面积、降低能源消耗，而且该控制方法具有实时性、高精度、高可靠性。
为了提高驱动系统结构的灵活性、减小电机体积、降低能耗，多台电机协同驱动控制系统被大量应用。
综上所述，本发明在PI控制器、PWM脉冲宽度调制单元、逆变器等基础上，为了加快输出电流实时反应、降低总谐波失真率、提高工业生成中的安全性等，设计了一种滞环比较控制逆变器进而驱动多电机并联运行的控制策略。该方案能够实现电流输出响应快、超调小且波形平稳，保证电机在预定范围内更好的运行，同时满足实际生产生活的需要。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多直流电机并联电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、系统初始化，将位置传感器经转速计算单元得到的速度ω1、…、ωn反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到的电机电流X1、…、Xn经电流重构计算单元得到电流值I1、…、In+1并反馈至电流调节模块；
S2、将参考速度ω1ref、…、ωnref和步骤S1的反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、…、ewn，速度误差ew1、…、ewn在PI控制器的作用下得到电流Im1、…、Imn；
S3、将步骤S2得到的电流Im1、…、Imn经参考电流计算单元得到参考电流I1ref、…、I(n+1)ref；
S4、将步骤S3中得到的参考电流I1ref、…、I(n+1)ref和步骤S1重构获得的电流值I1、…、In+1在电流比较器的作用下得到电流误差eI1、…、eI(n+1)，电流误差eI1、…、eI(n+1)在滞环控制比较器的作用下得到占空比H1、…、Hn+1；
S5、将步骤S4中得到的占空比H1、…、Hn+1经过PWM脉冲宽度调制单元得到脉冲控制信号，进而通过控制(n+1)相逆变器中开关管的通断来驱动电机的运转。
2.根据权利要求1所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，步骤S2中，速度误差ew1、…、ewn具体为：
ewi＝wiref-wi
电流Im1、…、Imn为：
Imi＝KPewi+KI∫ewidt
其中，i＝1，…，n，KP和KI为控制增益。
3.根据权利要求1所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，
步骤S3中，参考电流I1ref、…、I(n+1)ref具体为：
Figure FDA0002479261070000021
计算电流I1、…、In+1具体为：
Figure FDA0002479261070000022
其中，X1、…、Xn是通过永磁同步电机电流检测传感器得到的电机电流。
4.根据权利要求1所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，
步骤S4中，电流滞环比较控制器的输出Hi具体为：
Figure FDA0002479261070000023
其中，Q表示与上一时刻输出的值相等，δ为滞环比较控制器的阈值，eIi为电流误差且为滞环比较控制器的输入。
5.根据权利要求4所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，
电流误差eIi具体为：
eIi＝Iiref-Ii。
6.根据权利要求1所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，步骤S5中，PWM脉冲宽度调制单元产生的控制逆变器开关管通断的脉冲信号，开关逻辑生成函数为：
Figure FDA0002479261070000031
Figure FDA0002479261070000032
其中，i＝1，…，n+1，输出的脉冲控制信号1和0电平控制桥臂上下开关管的通断。
7.一种多直流电机并联系统，其特征在于，采用权利要求1所述的电流控制方法，包括n个PI控制器，n个PI控制器依次连接参考电流计算单元、电流滞环控制比较器、PWM脉冲宽度调制单元、n+1相电压源型逆变器和n个并联的直流电机，直流电机M1、…、Mn与直流电源相连，位置传感器通过转速计算单元与速度调节模块连接，永磁同步电机电流检测传感器经电流重构计算单元与电流调节模块连接，将位置传感器经转速计算单元得到的电机转速和参考转速在PI控制器的作用下得到电流值，电流值经参考电流计算单元得到的参考电流与电机电流经过电流重构计算单元得到的电流值在电流调节模块作用下得到电流误差，电流误差在电流滞环控制比较器作用下得到占空比，经PWM脉冲宽度调制单元得到两路控制逆变器中的每个桥臂上下功率开关管通断的互补信号，分别控制电压源型逆变器中的每个桥臂上下功率开关管的通断，通过改变参考速度实现电机反向运行。
8.根据权利要求7所述的多直流电机并联系统及电流控制方法，其特征在于，n+1相电压源型逆变器包括n+1个桥臂L1、…、Ln+1和2(n+1)个功率开关管T1、…、T2(n+1)，第一桥臂L1包括串联连接的开关管T1和T2，第n桥臂Ln包括串联连接的开关器T2n-1和T2n，第(n+1)桥臂Ln+1包括串联连接的开关器T2n+1和T2n+2；功率开关管T1与功率开关管T2的中点为节点a1点，功率开关管T2n-1与功率开关管T2n的中点为节点an点，功率开关管T2n+1与功率开关管T2n+2的中点为节点an+1点，将节点a1、…、an、an+1与n个并联的电机连接；(n+1)个桥臂L1、…、Ln+1并联后与公共直流电源连接。
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Denomination of invention: A Parallel System of Multiple DC Motors and Current Control Method

Effective date of registration: 20230407

Granted publication date: 20220215

Pledgee: Bank of China Limited Suzhou Xiangcheng sub branch

Pledgor: SUZHOU BONRAY MEASURE & CONTROL EQUIPMENT Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980037657

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