CN111464080B - 一种三直流电机串联系统及转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三直流电机串联系统及转矩控制方法,将转速偏差经PI调节器生成三路电流参考信号;经过电流采样和计算获取三台直流电机的电枢电流;三路电流参考信号运用参考转矩合成算法合成四路参考转矩;三台直流电机的电枢电流运用反馈转矩合成算法变成四路合成反馈转矩;四路转矩参考信号和四路转矩反馈信号的偏差分别输入到四路转矩滞环控制器的反向输入端,并输出幅值上限和下限互为相反数的方波信号;运用逆变器开关逻辑生成函数将转矩滞环控制器调节之后的信号经PWM生成四对两两互补的电平信号,输入到四桥臂八开关逆变器中,实现三直流电机串联连接方式独立四象限运行。本发明简化了系统,提高了系统的稳定性和响应速度。
Description
技术领域
本发明属于多电机控制技术领域,具体涉及一种三直流电机串联系统及转矩控制方法。
背景技术
随着社会的进步和科学技术的发展,多电机控制技术正在不断改善和创新,由于直流电机调速性能好、调速范围大、调速平滑等优点,它在工业生产和机械设备中被广泛应用,多直流电机控制技术是在单直流电机控制技术的基础上发展起来的,与单直流电机控制相比,多直流电机控制技术还需要考虑各个直流电机间的速度、转矩、电流的关系,同时,减小电机电路系统的成本也是一个重要的研究方向。
通常情况下,一台直流电机实现四象限运行需要两桥臂四开关逆变器模块,若要驱动三台直流电机并实现独立四象限运行,则需要一个六桥臂十二开关的逆变器模块,这使得驱动电路十分复杂,成本也较高;同时,为了实现三台直流电机的平稳调速,防止电流、转矩波动过大,需要对进行速度和电流双闭环控制,传统的控制方法是通过两个串级连接的PI调节器分别对速度和电流的偏差进行计算,再将调节后的输出经过PWM生成十二路控制信号分别输入到六桥臂十二开关逆变器中实现三台直流电机独立四象限运行,这种控制系统和方法的电路系统较为复杂,电流、转矩响应速度慢、控制效果一般。
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,提供一种三直流电机串联系统及转矩控制方法,简化三直流电机运行时复杂的电路结构以及优化转矩控制效果。
本发明采用以下技术方案:
一种三直流电机串联转矩控制方法,包括以下步骤:
S1、系统参数初始化、采样电路初始化、转速计算初始化、PWM输出初始化;
S3、经过电流采样和计算获取三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3;
S5、三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3运用反馈转矩合成算法变成四路合成反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4;
S6、四路转矩参考信号和四路转矩反馈信号的偏差Ua、Ub、Uc、Ud分别输入到四路转矩滞环控制器的反向输入端,并输出幅值上限和下限互为相反数的方波信号;
S7、运用逆变器开关逻辑生成函数将转矩滞环控制器调节之后的信号经PWM生成四对两两互补的电平信号,输入到四桥臂八开关逆变器中,实现三直流电机串联连接方式独立四象限运行。
具体的,步骤S4中,四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4具体为:
其中,a1,a2,a3为系统参考转矩对应的直流电机转矩常数。
具体的,步骤S5中,四路合成反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4具体为:
其中,b1,b2,b3系统反馈转矩对应的直流电机转矩常数,且bm=am,m=1,2,3。
具体的,步骤S6中,四路参考转矩与四路反馈转矩的偏差公式如下:
令Ui=Ua,Ub,Uc,Ud分别为四个转矩滞环控制器的同相输入端电压,U-为转矩滞环控制器的反相输入端电压,Uref为参考电压,Uo为转矩滞环控制器的输出端电压,R1、R2为转矩滞环控制器的参数,令Uref=0,当Tref-Tfb>0时,Ui≥U->0,当Tref-Tfb=0时,Ui>U-,Tfb继续增加,直到Ui≤U-<0时,
进一步的,转矩滞环控制器的逻辑生成函数如下:
具体的,步骤S7中,用K=1和K=0分别表示PWM输出高电平和低电平,Hi=Ha,Hb,Hc,Hd,分别求出四种情况下的原电平信号Ha-1、Hb-1、Hc-1、Hd-1,计算Hi=Ha,Hb,Hc,Hd时对应的互补电平信号Ha-2,Hb-2,Hc-2,Hd-2,当Hi=Ha时,将其对应的原电平信号Ha-1输入到四桥臂八开关逆变器中a桥臂的T1的栅极,互补电平信号Ha-2输入到四桥臂八开关逆变器中a桥臂的T2栅极;当Hi=Hb时,将其对应的原电平信号Hb-1输入到四桥臂八开关逆变器中b桥臂的T3的栅极,互补电平信号Hb-2输入到四桥臂八开关逆变器中b桥臂的T4栅极;当Hi=Hc时,将其对应的原电平信号Hc-1输入到四桥臂八开关逆变器中c桥臂的T5的栅极,互补电平信号Hc-2输入到四桥臂八开关逆变器中c桥臂的T6栅极;当Hi=Hd时,将其对应的原电平信号Hd-1输入到四桥臂八开关逆变器中d桥臂的T7的栅极,互补电平信号Hd-2输入到四桥臂八开关逆变器中d桥臂的T8栅极。
进一步的,四种情况下的原电平信号Ha-1、Hb-1、Hc-1、Hd-1的逻辑生成函数为
互补电平信号Ha-2,Hb-2,Hc-2,Hd-2的逻辑生成函数为:
本发明的另一个技术方案是,一种三直流电机串联系统,采用转矩控制方法,包括三台串联连接的直流电机,三台直流电机使用双闭环控制结构,外环控制三台直流电机的三个转速,内环控制三台直流电机的四个合成转矩;三台直流电机经转速计算采集实际转速,与给定转速的偏差发送至转速PI调节器生成三路电流参考信号三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3经参考转矩合成变成四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4;三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3经反馈转矩合成变成四路反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4;四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4和四路反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4的偏差输入至转矩滞环控制器,转矩滞环控制器输出的方波信号通过PWM生成八路四对互补的电平信号,每对互补电平信号分别输入到四桥臂逆变器的上下IGBT的栅极中,通过改变PWM占空比改变IGBT的导通时间,控制每一路桥臂的中点电压,通过改变直流电机两端电压的方式控制转速。
进一步的,三台直流电机采用四桥臂八开关逆变器驱动,每一路桥臂包括两个绝缘栅双极型晶体管,a桥臂的T1、b桥臂的T3、c桥臂的T5、d桥臂的T7四个IGBT的源极与直流电源DC正极相连,a桥臂的T2、b桥臂的T4、c桥臂的T6、d桥臂的T8四个IGBT的漏极与直流电源DC负极相连,T1的漏极与T2的源极相连,T3的漏极与T4的源极相连,T5的漏极与T6的源极相连,T7的漏极与T8的源极相连。三台直流电机使用特殊串联连接方式,电机A的正极连接逆变器a桥臂T1、T2两个IGBT的中点;电机A的负极和电机B的正极连接逆变器b桥臂T3、T4两个IGBT的中点;电机B的负极和电机C的正极连接逆变器c桥臂T5、T6两个IGBT的中点;电机C的负极连接逆变器d桥臂T7、T8两个IGBT的中点。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种三直流电机串联转矩控制方法,简化三直流电机运行复杂的电路结构以及优化转矩控制效果,降低硬件电路成本,具有较快的转矩响应,提高三直流电机控制系统的稳定性,能够实现三台直流电机串联连接方式下的独立四象限运行,能够减少电能的损耗。
进一步的,将三路参考电流变成四路参考转矩,从而获取转矩控制的目标值。
进一步的,将三路反馈电流变成四路反馈转矩,从而获取转矩控制实际值。
进一步的,转矩滞环控制器的输出为幅值上限和下限互为相反数的方波信号,输出为正值时,表示需要增加电机转矩,输出为负值时,表示需要减小电机转矩,由此控制三台直流电机的转矩。
进一步的,四路转矩滞环控制器的输出经过PWM,生成四对互补的电平信号,输出大于等于零生成高电平信号,输出小于零生成低电平信号,高电平信号使功率开关管导通,低电平使功率开关管关闭,从而控制功率开关管的导通时间,可以实现三台直流电机独立四象限运行。
一种三直流电机串联系统,串联驱动系统比并联驱动系统需要的逆变器的桥臂数量少,从而降低生产成本。
综上所述,本发明可简化三台直流电机串联方式驱动电路系统并提高系统的稳定性、响应速度。
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为三直流电机串联连接方式直接转矩控制原理图;
图2为四桥臂八开关逆变器三直流电机串联连接方式及驱动原理图;
图3为本发明工作原理图,其中,(a)为转矩滞环控制工作原理图,(b)为转矩滞环控制传输特性,(c)为转矩滞环控制器输出信号图;
图4为经过转矩滞环控制后的输出转矩特性图;
图5为三直流电机串联方式直接转矩控制系统流程图。
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。
本发明提供了一种三直流电机串联系统及转矩控制方法,三台直流电机使用转速、转矩双闭环控制结构,外环为三路转速PID控制,内环为四路转矩滞环控制,转矩滞环控制器的输出信号经过PWM调制生成高低电信号输入到一个四桥臂八开关(IGBT)逆变器的栅极,从而构成驱动电路,该系统能够实现三台直流电机串联连接方式下独立四象限运行,简化三直流电机电路结构以及优化转矩控制效果,并减少三直流电机系统的电路成本和电能损耗。
请参阅图1,本发明一种三直流电机串联系统,包括三台串联连接的直流电机、一个驱动三台直流电机的四桥臂八开关逆变器、一块用于控制逆变器开关的主控制板、一个直流电源以及相关硬件电路。
三台直流电机使用双闭环控制结构,外环控制三台直流电机的三个转速,内环控制三台直流电机的四个合成转矩。外环作为速度环,采用PID控制方法,三台直流电机的实际转速与给定转速的偏差经过转速PI调节器生成三路电流参考信号同时三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3通过电流采样和计算获取,三路电流参考信号运用参考转矩合成算法变成四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4;三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3运用反馈转矩合成算法变成四路反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4;
四路参考转矩与反馈转矩的偏差作为转矩滞环控制器的输入,它的输出为幅值上限和下限互为相反数的方波信号,转矩滞环控制器输出的方波信号通过PWM生成八路四对互补的电平信号,每对互补电平信号分别输入到四桥臂逆变器的上下IGBT的栅极中,通过改变PWM占空比来改变IGBT的导通时间,进而控制每一路桥臂的中点电压,从而通过改变直流电机两端电压的方式来控制转速。
请参阅图2,三台直流电机采用四桥臂八开关逆变器驱动,每一路桥臂由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成,a桥臂的T1、b桥臂的T3、c桥臂的T5、d桥臂的T7四个IGBT的源极与直流电源DC正极相连,a桥臂的T2、b桥臂的T4、c桥臂的T6、d桥臂的T8四个IGBT的漏极与直流电源DC负极相连,T1的漏极与T2的源极相连,T3的漏极与T4的源极相连,T5的漏极与T6的源极相连,T7的漏极与T8的源极相连。三台直流电机使用特殊串联连接方式,电机A的正极连接逆变器a桥臂T1、T2两个IGBT的中点;电机A的负极和电机B的正极连接逆变器b桥臂T3、T4两个IGBT的中点;电机B的负极和电机C的正极连接逆变器c桥臂T5、T6两个IGBT的中点;电机C的负极连接逆变器d桥臂T7、T8两个IGBT的中点。
请参阅图5,本发明一种三直流电机串联转矩控制方法,包括以下步骤:
S1、系统参数初始化、采样电路初始化、转速计算初始化、PWM输出初始化,三台直流电机、直流电源、四桥臂八开关逆变器、主控制板的连接;
S3、经过电流采样和计算获取三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3;
计算如下:
其中,a1,a2,a3为系统参考转矩对应的直流电机转矩常数。
S5、三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3运用反馈转矩合成算法变成四路合成反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4;
计算如下:
其中,b1,b2,b3系统反馈转矩对应的直流电机转矩常数,且bm=am,m=1,2,3。
S6、四路转矩参考信号和四路转矩反馈信号的偏差Ua、Ub、Uc、Ud分别输入到四路转矩滞环控制器的反向输入端,并输出幅值上限和下限互为相反数的方波信号,具体参照图3;
四路参考转矩与四路反馈转矩的偏差公式如下:
令Ui=Ua,Ub,Uc,Ud分别为四个转矩滞环控制器的同相输入端电压,U-为转矩滞环控制器的反相输入端电压,Uref为参考电压,Uo为转矩滞环控制器的输出端电压,R1、R2为转矩滞环控制器的参数,令Uref=0,其公式如下:
定义回差电压为ΔU,其公式如下:
因此,转矩滞环控制器的逻辑生成函数如下:
其中,Hn表示上一次比较后的转矩滞环控制器输出。
S7、运用逆变器开关逻辑生成函数将转矩滞环控制器调节之后的信号经过PWM生成四对两两互补的电平信号,输入到四桥臂八开关逆变器中,实现三直流电机串联连接方式独立四象限运行,具体如图2所示。
转矩滞环控制器的输出信号经过PWM生成四对两两互补电平信号,具体方法和对应关系如下:
用K=1和K=0分别表示PWM输出高电平和低电平,Hi=Ha,Hb,Hc,Hd,分别求出四种情况下的原电平信号Ha-1、Hb-1、Hc-1、Hd-1,其逻辑生成函数为
再求出Hi=Ha,Hb,Hc,Hd时对应的互补电平信号Ha-2,Hb-2,Hc-2,Hd-2,其逻辑生成函数为:
当Hi=Ha时,将其对应的原电平信号Ha-1输入到a桥臂的T1的栅极,互补电平信号Ha-2输入到a桥臂的T2栅极;
当Hi=Hb时,将其对应的原电平信号Hb-1输入到b桥臂的T3的栅极,互补电平信号Hb-2输入到b桥臂的T4栅极;
当Hi=Hc时,将其对应的原电平信号Hc-1输入到c桥臂的T5的栅极,互补电平信号Hc-2输入到c桥臂的T6栅极;
当Hi=Hd时,将其对应的原电平信号Hd-1输入到d桥臂的T7的栅极,互补电平信号Hd-2输入到d桥臂的T8栅极。
请参阅图4,Tfb为直流电机的实际反馈转矩,Tref为系统给定的参考转矩,Tref+ΔT为转矩输出幅值上限,Tref-ΔT为转矩输出幅值下限,当参考转矩Tref不变的情况下,系统的转矩输出为一条在Tref-ΔT至Tref+ΔT之间波动的曲线,当ΔT趋于零时,该曲线近似为一条直线。
本发明可以应用在单直流电机或双直流电机输出功率不够生产工作中,例如农田灌溉设备,可以应用在需要三台直流电机互相配合或协调控制才能达到要求的工业生产中,例如3D打印机设备。
综上所述,本发明一种三直流电机串联系统及转矩控制方法,简化三直流电机运行复杂的电路结构以及优化转矩控制效果,降低硬件电路成本,具有较快的转矩控制效果,提高三直流电机控制系统的稳定性,能够实现三台直流电机串联连接方式下的独立四象限运行,能够减少电能的损耗。
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)
1.一种三直流电机串联转矩控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、采样电路初始化、转速计算初始化、PWM输出初始化;
S3、经过电流采样和计算获取三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3;
其中,a1,a2,a3为系统参考转矩对应的直流电机转矩常数;
S5、三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3运用反馈转矩合成算法变成四路合成反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4,四路合成反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4具体为:
其中,b1,b2,b3为系统反馈转矩对应的直流电机转矩常数,且bm=am,m=1,2,3;
S6、四路转矩参考信号和四路转矩反馈信号的偏差Ua、Ub、Uc、Ud分别输入到四路转矩滞环控制器的同相输入端,输出幅值上限和下限互为相反数的方波信号;
S7、运用逆变器开关逻辑生成函数将转矩滞环控制器调节之后的信号经PWM生成四对两两互补的电平信号,输入到四桥臂八开关逆变器中,实现三直流电机串联连接方式独立四象限运行。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S7中,用K=1和K=0分别表示PWM输出高电平和低电平,Hi=Ha,Hb,Hc,Hd,分别求出原电平信号Ha-1、Hb-1、Hc-1、Hd-1,计算Hi=Ha,Hb,Hc,Hd时对应的互补电平信号Ha-2,Hb-2,Hc-2,Hd-2,当Hi=Ha时,将其对应的原电平信号Ha-1输入到四桥臂八开关逆变器中a桥臂的开关管T1的栅极,互补电平信号Ha-2输入到四桥臂八开关逆变器中a桥臂的开关管T4栅极;当Hi=Hb时,将其对应的原电平信号Hb-1输入到四桥臂八开关逆变器中b桥臂的开关管T3的栅极,互补电平信号Hb-2输入到四桥臂八开关逆变器中b桥臂的开关管T6栅极;当Hi=Hc时,将其对应的原电平信号Hc-1输入到四桥臂八开关逆变器中c桥臂的开关管T5的栅极,互补电平信号Hc-2输入到四桥臂八开关逆变器中c桥臂的开关管T2栅极;当Hi=Hd时,将其对应的原电平信号Hd-1输入到四桥臂八开关逆变器中d桥臂的开关管T7的栅极,互补电平信号Hd-2输入到四桥臂八开关逆变器中d桥臂的开关管T8栅极,其中,Ha,Hb,Hc,Hd分别为四个转矩滞环控制器的输出信号。
7.一种三直流电机串联系统,其特征在于,采用权利要求1所述的转矩控制方法,包括三台串联连接的直流电机,三台直流电机使用双闭环控制结构,外环控制三台直流电机的三个转速,内环控制三台直流电机的四个合成转矩;三台直流电机经转速计算采集实际转速,与给定转速的偏差发送至转速PI调节器生成三路电流参考信号三台直流电机的电流参考信号经参考转矩合成变成四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4;三台直流电机的电枢电流I1、I2、I3经反馈转矩合成变成四路反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4;四路参考转矩Tref1、Tref2、Tref3、Tref4和四路反馈转矩Tfb1、Tfb2、Tfb3、Tfb4的偏差输入至转矩滞环控制器,转矩滞环控制器输出的方波信号通过PWM生成四对互补的电平信号,每对互补电平信号分别输入到四桥臂逆变器的上下IGBT的栅极中,通过改变PWM占空比改变IGBT的导通时间,控制每一路桥臂的中点电压,通过改变直流电机两端电压的方式控制转速。
8.根据权利要求7所述的三直流电机串联系统,其特征在于,三台直流电机采用四桥臂八开关逆变器驱动,每一路桥臂包括两个绝缘栅双极型晶体管,a桥臂的T1、b桥臂的T3、c桥臂的T5、d桥臂的T7四个IGBT的源极与直流电源DC正极相连,a桥臂的T4、b桥臂的T6、c桥臂的T2、d桥臂的T8四个IGBT的漏极与直流电源DC负极相连,T1的漏极与T4的源极相连,T3的漏极与T6的源极相连,T5的漏极与T2的源极相连,T7的漏极与T8的源极相连,三台直流电机使用串联连接方式,电机A的正极连接逆变器a桥臂T1、T4两个IGBT的中点;电机A的负极和电机B的正极连接逆变器b桥臂T3、T6两个IGBT的中点;电机B的负极和电机C的正极连接逆变器c桥臂T5、T2两个IGBT的中点;电机C的负极连接逆变器d桥臂T7、T8两个IGBT的中点。
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