CN111641358A - 一种直流电机系统及转矩控制方法和应用 - Google Patents

一种直流电机系统及转矩控制方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流电机系统及转矩控制方法和应用，采用电流滞环控制方法，采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值，然后经电流重构计算模块产生五个电流值，输出五个计算转矩值；采集四个直流电机的位置信号，经转速计算后输出四个实际转速并与给定参考转速比较，再送入PI调节器输出四相参考电流值；将四相参考电流值经参考转矩计算模块输出五个参考转矩值；将参考转矩值和计算转矩值进行比较，再经对应的滞环比较器产生控制信号，控制信号通过PWM生成模块产生十路控制信号，五路信号送入五相电压源型逆变器实现四直流电机转矩控制。用于直流电机的控制,达到抑制转矩波动的目的。

Description

一种直流电机系统及转矩控制方法和应用
技术领域
本发明属于直流电机控制技术领域，具体涉及一种直流电机系统及转矩控制方法和应用。
背景技术
随着工业技术的不断发展对电气传动的调速精度，调速响应和转矩脉动等方面提出了更高要求。基于稳态模型的标量转速开环恒压频比控制、转速闭环转差频率控制策略，对工艺要求高，如何改善电机的转矩脉动就成了人们研究的重要课题。
随着永磁材料、电子技术、控制技术以及电力电子技术，特别是高频、大功率器件的发展，直流电机及其控制技术也得到了长足的进步和发展，这就为人们进一步提高电机的控制提供了一定的基础。既简单又具有高性能的控制系统也是人们一直追求的理想控制系统。
直接转矩控制具有瞬时转矩控制的特点,通过霍尔传感器下直接在定子坐标系下观测电机的磁链、转矩,并将此观测值和给定值进行比较,差值经滞环控制器得到相应的控制信号,再综合当前的选择相应的电压空间矢量PWM，直接控制逆变器的开关状态，实现对电机转矩的直接控制，而窄的转矩能产生平滑的转矩，可以实现无噪声的驱动，尝试将直接转矩控制方法用于直流电机的控制,以期达到抑制转矩波动的目的。研究结果表明，能够较好地抑制直流电机的转矩波动,并且具有很高的动态响应速度。
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，提供一种直流电机系统及转矩控制方法和应用，提高动态响应速度。
本发明采用以下技术方案：
一种直流电机转矩控制方法，包括以下步骤：
S1、采用电流滞环控制方法，采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值，然后经电流重构计算模块产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出五个计算转矩值；
S2、采集四个直流电机的位置信号，经转速计算后输出四个实际转速ωi并与给定参考转速ωiref比较，再送入PI调节器输出四相参考电流值Imi；
S3、将步骤S2的四相参考电流值Imi经参考转矩计算模块输出五路参考电流值，通过电流与转矩的变换输出五个参考转矩值；
S4、将参考转矩值和计算转矩值进行比较，再经对应的滞环比较器把Hi变成Hy(ei)产生控制信号，控制信号通过PWM生成模块产生十路控制信号，五路信号送入五相电压源型逆变器a、b、c、d、e相的上桥臂开关管Hi1，另五路信号经过逻辑非门送入五相电压源型逆变器的五个下桥臂开关管Hi2，控制驱动管的开通和关断实现四直流电机转矩控制。
具体的，步骤S1中，计算转矩值Ti计算如下：
Figure BDA0002479259700000021
其中，X1，X2，X3，X4为实际检测电流值，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
具体的，步骤S2中，四相参考电流Imi计算如下：
Imi＝kpi(ωiref-ωi)+kii∫(ωiref-ωi)dt
其中，i＝1,2,3,4，kpi为比例系数，kii积分系数。
具体的，步骤S3中，五个参考转矩Tiref计算如下：
Figure BDA0002479259700000031
其中，i＝1,2,3,4，Im1,Im2,Im3,Im4为四相参考电流，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
具体的，步骤S4中，
ei＝Tiref-Ti
Figure BDA0002479259700000032
Figure BDA0002479259700000033
Figure BDA0002479259700000034
其中，h为滞环带宽，i＝1,2,3,4,5，ei为参考转矩于计算转矩之间的误差值。
进一步的，在集成运算放大器电路的输出端与同相输入端之间引入一个正反馈，当反向端输入电压ui从0逐渐增大，且ui≤u+时，
Figure BDA0002479259700000035
当ui≥u+时，
Figure BDA0002479259700000036
触发电平变为
Figure BDA0002479259700000037
当ui逐渐减小，在
Figure BDA0002479259700000038
之前，输出电压等于
Figure BDA0002479259700000039
上限阀值电平u'+为：
Figure BDA00024792597000000310
下限阀值电平
Figure BDA0002479259700000041
为：
Figure BDA0002479259700000042
回差电压Δu为：
Figure BDA0002479259700000043
其中，R1为比较器的反馈输入电阻，R2为比较器的正向输入电阻，
Figure BDA0002479259700000044
为正向虚断结点电位，
Figure BDA0002479259700000045
为负向虚断结点电位。
本发明的另一个技术方案是，一种直流电机系统，采用所述的转矩控制方法，包括：
电流重构计算模块，用于采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值，经过电流重构计算模块后产生五个电流值，通过电流与转矩的变换输出五个计算转矩值；
参考转矩计算模块，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经转速计算输出四个实际转速与四个给定参考转速比较后送入PI调节器，输出四相参考电流；
滞环比较器模块，用于经参考转矩计算模块输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值，将参考转矩与实际的转矩比较送入滞环比较器中产生控制信号；
PWM生成模块，用于产生十路控制信号，五路信号直接送入五相电压源型逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管，另五路信号经过逻辑非门送入五相电压源型逆变器下桥臂开关管，控制驱动管的开通和关断，实现四直流电机转矩控制。
具体的，五相电压源型逆变器的每一桥臂包括两个串联的功率MOS开关管，连接点a，b，c，d，e为桥臂中点，分别与四直流电机绕组的正端相连，直流电机的负端与下一个电机绕组的正端连接，组成四直流电机串联结构，最后一个电机的负端接入逆变桥臂的中点e。
进一步的，当电流偏差超过正负环宽时，经滞环比较器模块产生控制信号，经PWM生成模块产生两路信号，一路信号直接送入逆变器a相上桥臂开关管，另一路信号经逻辑非门送入逆变器a相下桥臂开关管；
如果实际转矩小于参考转矩值，且参考转矩值与实际转矩值的差值大于等于环宽时，滞环比较器模块输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件导通，逆变器输出正电压；
实际转矩值增大，当与参考转矩值相等时，滞环比较器模块输入信号的符号发生变化，滞环比较器模块保持正电平输出，保持导通，实际转矩值继续增大，直至实际转矩值等于参考转矩值和环宽h之和，使电流偏差等于负环宽，滞环翻转，滞环比较器模块输出负电平，关短T1，并进过延时后驱动T2，直到电流的负半周期时T2导通；当实际转矩值等于参考转矩值和环宽之差，滞环比较器模块再翻转，T1导通。
本发明的第三个技术方案是，根据所述的转矩控制方法或根据所述的直流电机系统在新能源电动汽车电源驱动控制板中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种直流电机转矩控制方法，实现将直接转矩控制方法用于直流电机的控制,达到抑制转矩波动的目的，整个控制方法设置实现将直接转矩控制方法用于直流电机的控制,能够较好地抑制直流电机的转矩波动,并且具有很高的动态响应速度,达到抑制转矩波动的目的,电路结构上控制思路简单，控制系统简洁明了，提高静、动态性能优点。
进一步的，通过步骤S1能简化电路结构，控制上少采集一路信号，能减小电流之间的相互干扰，抑制谐波。
进一步的，通过步骤S2采用传统的PI调节方式使转速很快地跟随给定转速变化，实现无静差的目的。
进一步的，通过步骤S3能简化电流控制结构，通过公式的推导能准确得出数据实现的五路参考转矩输出。
进一步的，通过步骤S4设置控制信号得出，驱动管的开通和关断从而实现直流电机转矩控制。
一种直流电机系统，采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM交流电路，硬件电路结构简单；属于矢量控制方式，电流反应快；不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；计算法以及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；采用闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。
进一步的，四直流电机的一相控制信号驱动开关管动作，原理分析容易，结构简单。
综上所述，本发明用于直流电机的控制,以期达到抑制转矩波动的目的。
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为本发明的直流电机系统直接转矩控制主电路图；
图2为本发明的直流电机系统直接转矩控制原理框图；
图3为本发明的电流滞环控制单相结构框图；
图4为本发明的系统流程图。
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。
滞环控制技术是通过选择适当的定子电压矢量把转矩和定子误差限定在滞环带宽内，而窄的转矩能产生平滑的转矩，可以实现无噪声的驱动。有效地降低了转动脉动，阻止了逆变器的开关频率超过预定极限值。优点是输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量，电路反应快。
请参阅图2，本发明提供了一种直流电机系统，包括：
电流重构计算模块：内环为电流环，采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值经过电流重构计算模块后，产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出五个计算转矩值。
参考转矩计算模块：外环为转速环，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经过转速计算输出四个实际转速与四个给定参考转速比较后，送入PI调节器，输出四相参考转矩。
滞环比较器模块：然后经过参考转矩计算模块，输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值，将给定与实际的转矩比较送入滞环比较器中，产生控制信号。
PWM生成模块：产生十路控制信号，五路信号直接送入逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管，另五路信号经过逻辑非门送入逆变器五相下桥臂开关管，控制驱动管的开通和关短，从而实现直流电机转矩控制。
请参阅图1，主电路中电源采用直流电压源作为供能单元，经过五个桥臂，每一桥臂包括两个串联的功率MOS开关管，串联的两个开关管连接点(a，b，c，d，e)为桥臂中点分别与四个直流电机绕组的正端相连，电机的负端与下一个电机绕组的正端连接，组成四个电机串联结构，最后一个电机的负端接入逆变桥臂的中点e。
请参阅图2，直流电机系统采用双闭环控制策略，外环为转速环，内环为电流环，采用滞环控制方式产生PWM信号；包括主电路和控制电路部分。
控制电路部分，内环为电流环，用于采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值经过电流重构计算模块后，产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出实际五个转矩；
外环为转速环，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经过转速计算输出四个实际转速与四个给定参考转速比较后，送入PI调节器，输出四相参考电流；
然后经过参考转矩计算模块，输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值，将给定与实际的转矩比较送入滞环比较器中产生控制信号，通过PWM生成模块，产生十路控制信号，五路信号直接送入五相电压源型逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管，另五路信号经过逻辑非门送入五相电压源型逆变器下桥臂开关管，控制驱动管的开通和关断，从而实现直流电机转矩控制。
滞环控制具体为：
在集成运算放大器电路的输出端与同相输入端之间引入一个正反馈，从反相输入端输入的反相滞环比较器，ui为反向端输入电压，uref为同向端输入参考电压，u0为输出电压。
当反向端输入电压ui从0逐渐增大，且ui≤u+时，
Figure BDA0002479259700000091
Figure BDA0002479259700000092
其中，u'+称为上限阀值电平。
当输入电压ui≥u+时，
Figure BDA0002479259700000093
此时触发电平变成为
Figure BDA0002479259700000094
其值为：
Figure BDA0002479259700000095
其中，
Figure BDA0002479259700000096
为下限阀值电平。
当ui逐渐减小，在
Figure BDA0002479259700000097
之前，输出电压等于
Figure BDA0002479259700000098
请参阅图3，电流控制器是滞环的比较器，环宽为2h，以a相为例，将参考转矩Tiref与输出的实际转矩T1进行比较。电流偏差Δe1超过±h时，经滞环控制器产生控制信号，经过PWM生成模块，产生两路信号，一路信号直接送入逆变器a相上桥臂开关管，另一路信号经过逻辑非门送入逆变器a相下桥臂开关管，逆变器桥臂b、c、d、e相的原理与此相同，采用电流滞环跟踪控制，实现直流电机直接转矩控制。
如果T1＞T1ref，且T1ref-T1＞h时，滞环控制器HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件T1导通，逆变器输出正电压，使T1增大，当增长达到与Tiref相等时，滞环比较器的输入信号的符号发生了变化，但滞环比较器仍保持正电平输出，保持导通，使T1继续增大，直到达到T1＝T1ref+h，使Δe1＝-h，使滞环翻转，滞环比较器输出负电平，关短T1，并进过延时后驱动T2，直到电流的负半周期时T2才能导通。
请参阅图3，电流流向是直流电压源正极流出经过T1功率开关管，然后经过T2功率开关管流回电源负极，其中控制部分，将参考电流与实际电流比较，经滞环比较器模块产生控制信号，经PWM生成模块产生两路信号，一路信号直接送入T1功率开关管，另一路信号经逻辑非门送入T2功率开关管。
具体为：
Figure BDA0002479259700000101
Figure BDA0002479259700000102
Figure BDA0002479259700000103
Figure BDA0002479259700000104
此时未能够导通，由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通，此后，逐渐减小，直到T1＝T1ref-h，达到滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使T1导通，这样与T2交替工作，使输出电流与给定值之间的偏差保持在范围内在正旋波上下作锯齿波状变化，输出电流是十分接近正旋波的。
请参阅图4，本发明一种直流电机转矩控制方法，包括以下步骤：
S1、控制电路部分采用电流滞环控制的方法，内环为电流环，采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值经过电流重构计算模块后，产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出五个计算转矩值；
五个计算转矩值Ti计算如下：
Figure BDA0002479259700000111
其中，X1，X2，X3，X4为实际检测电流值，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
S2、外环为转速环，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经过转速计算输出ωi(i＝1,2,3,4)四个实际转速与给定参考转速ωiref(i＝1,2,3,4)比较后，送入PI调节器，输出四相参考电流Imi；
四相参考电流Imi计算如下：
Imi＝kpi(ωiref-ωi)+kii∫(ωiref-ωi)dt
其中，i＝1,2,3,4，kpi为比例系数，kii积分系数。
S3、四相参考电流Imi(i＝1,2,3,4)经过参考转矩计算模块，输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值；
五个参考转矩Tiref计算如下：
Figure BDA0002479259700000112
其中，i＝1,2,3,4，Im1,Im2,Im3,Im4为四相参考电流，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
S4、将参考电流计算出的参考转矩和电流重构计算出的实际五路转矩值进行比较，再经过对应的滞环比较器把Hi变成Hy(ei)产生控制信号，控制信号通过PWM生成模块产生十路控制信号，五路信号直接送入逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管Hi1，另五路信号经过逻辑非门送入逆变器五个下桥臂开关管Hi2，控制驱动管的开通和关短，实现四直流电机转矩控制。
ei＝Tiref-Ti
Figure BDA0002479259700000121
Figure BDA0002479259700000122
Figure BDA0002479259700000123
其中，h为滞环带宽，i＝1,2,3,4,5，ei为参考转矩于计算转矩之间的误差值，Tiref为参考转矩值，Ti为实际转矩值。
本发明应用于新能源电动汽车电源的驱动控制板上，实现对电机正反转的有效控制。
综上所述，本发明一种直流电机系统及转矩控制方法，外环为转速环，内环为电流环，采用滞环控制方式产生PWM信号，主要包括五相电压源型逆变器、电流重构计算模块、参考转矩计算模块、转速环计算模块、PWM生成模块等，实现的原理过程是，内环为电流环是采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值经过电流重构计算模块后，产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出实际五个转矩，同时外环为转速环，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经过转速计算输出四个实际转速与四个给定参考转速比较后，送入PI调节器，输出四相参考转矩，然后经过参考转矩计算模块，输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值，将给定与实际的转矩比较送入滞环比较器中产生控制信号，通过PWM生成模块，产生十路控制信号，五路信号直接送入逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管，另五路信号经过逻辑非门送入逆变器五相下桥臂开关管，控制驱动管的开通和关短，从而实现直流电机转矩控制。
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 (10)

1.一种直流电机转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用电流滞环控制方法，采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值，然后经电流重构计算模块产生五个电流值，通过电流与转矩的变换，输出五个计算转矩值；
S2、采集四个直流电机的位置信号，经转速计算后输出四个实际转速ωi并与给定参考转速ωiref比较，再送入PI调节器输出四相参考电流值Imi；
S3、将步骤S2的四相参考电流值Imi经参考转矩计算模块输出五个参考转矩值；
S4、将参考转矩值和计算转矩值进行比较，再经对应的滞环比较器把Hi变成Hy(ei)产生控制信号，控制信号通过PWM生成模块产生十路控制信号，五路信号送入五相电压源型逆变器a、b、c、d、e相的上桥臂开关管Hi1，另五路信号经过逻辑非门送入五相电压源型逆变器的五个下桥臂开关管Hi2，控制驱动管的开通和关断实现四直流电机转矩控制。
2.根据权利要求1所述的直流电机系统及转矩控制方法，其特征在于，步骤S1中，计算转矩值Ti计算如下：
Figure FDA0002479259690000011
其中，X1，X2，X3，X4为实际检测电流值，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
3.根据权利要求1所述的直流电机系统及转矩控制方法，其特征在于，步骤S2中，四相参考电流Imi计算如下：
Imi＝kpi(ωiref-ωi)+kii∫(ωiref-ωi)dt
其中，i＝1,2,3,4，kpi为比例系数，kii积分系数。
4.根据权利要求1所述的直流电机系统及转矩控制方法，其特征在于，步骤S3中，五个参考转矩Tiref计算如下：
Figure FDA0002479259690000021
其中，i＝1,2,3,4，Im1,Im2,Im3,Im4为四相参考电流，k1，k2，k3，k4为直流电机转矩常数。
5.根据权利要求1所述的直流电机系统及转矩控制方法，其特征在于，步骤S4中，
ei＝Tiref-Ti
Figure FDA0002479259690000022
Figure FDA0002479259690000023
Figure FDA0002479259690000024
其中，h为滞环带宽，ei为参考转矩于计算转矩之间的误差值。
6.根据权利要求5所述的直流电机系统及转矩控制方法，其特征在于，在集成运算放大器电路的输出端与同相输入端之间引入一个正反馈，当反向端输入电压ui从0逐渐增大，且ui≤u+时，
Figure FDA0002479259690000025
当ui≥u+时，
Figure FDA0002479259690000026
触发电平变为
Figure FDA0002479259690000027
当ui逐渐减小，在
Figure FDA0002479259690000028
之前，输出电压等于
Figure FDA0002479259690000029
上限阀值电平u'+为：
Figure FDA0002479259690000031
下限阀值电平
Figure FDA0002479259690000032
为：
Figure FDA0002479259690000033
回差电压Δu为：
Figure FDA0002479259690000034
其中，R1为比较器的反馈输入电阻，R2为比较器的正向输入电阻，
Figure FDA0002479259690000035
为正向虚断结点电位，
Figure FDA0002479259690000036
为负向虚断结点电位。
7.一种直流电机系统，其特征在于，采用权利要求1所述的转矩控制方法，包括：
电流重构计算模块，用于采集五相电压源型逆变器四个桥臂中点的实际检测电流值，经过电流重构计算模块后产生五个电流值，通过电流与转矩的变换输出五个计算转矩值；
参考转矩计算模块，根据霍尔传感器采集四个电机的位置信号，经转速计算输出四个实际转速与四个给定参考转速比较后送入PI调节器，输出四相参考电流；
滞环比较器模块，用于经参考转矩计算模块输出五路参考电流，通过电流与转矩的变换，输出五个参考转矩值，将参考与实际的转矩比较送入滞环比较器中产生控制信号；
PWM生成模块，用于产生十路控制信号，五路信号直接送入五相电压源型逆变器a、b、c、d、e相上桥臂开关管，另五路信号经过逻辑非门送入五相电压源型逆变器下桥臂开关管，控制驱动管的开通和关断，实现四直流电机转矩控制。
8.根据权利要求7所述的直流电机系统，其特征在于，五相电压源型逆变器的每一桥臂包括两个串联的功率MOS开关管，连接点a，b，c，d，e为桥臂中点，分别与四直流电机绕组的正端相连，直流电机的负端与下一个电机绕组的正端连接，组成四直流电机串联结构，最后一个电机的负端接入逆变桥臂的中点e。
9.根据权利要求8所述的直流电机系统，其特征在于，当电流偏差超过正负环宽时，经滞环比较器模块产生控制信号，经PWM生成模块产生两路信号，一路信号直接送入逆变器a相上桥臂开关管，另一路信号经逻辑非门送入逆变器a相下桥臂开关管；
如果实际转矩小于参考转矩，且参考转矩与实际转矩的差值大于等于环宽时，滞环比较器模块输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件导通，逆变器输出正电压；
实际转矩值增大，当与参考转矩值相等时，滞环比较器模块输入信号的符号发生变化，滞环比较器模块保持正电平输出，保持导通，实际转矩继续增大，直至实际转矩值等于参考转矩值和环宽h之和，使电流偏差等于负环宽，滞环翻转，滞环比较器模块输出负电平，关短T1，并进过延时后驱动T2，直到电流的负半周期时T2导通；当实际转矩值等于参考转矩值和环宽之差，滞环比较器模块再翻转，T1导通。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的转矩控制方法或根据权利要求7或8或9所述的直流电机系统在新能源电动汽车电源驱动控制板中的应用。
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