CN113224993A - 矿用电动轮重启方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种矿用电动轮重启方法和系统,其方法包括：在逆变器处于正常运行状态时获取逆变器出线端的第一输出电压；根据所述第一输出电压构造虚拟线电压，并以所述虚拟线电压作为积分器的输入参量，使所述积分器保持响应状态；在逆变器的驱动脉冲关闭后获取逆变器出线端的第二输出电压；以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位；根据所述线电压的幅值和相位以及所述相电压的幅值和相位，得到逆变器重启后的第一个控制周期内的指令电压。本申请提供的矿用电动轮重启方案，无须等待，任意时刻都能准确测量到电机重启所需的电压幅值及相位，实现电流无冲击。
Description
技术领域
本申请涉及电气传动技术领域，具体地，涉及一种矿用电动轮重启方法和系统。
背景技术
矿用电动轮载荷重，惯性大，运行路况复杂，加减速都依赖于逆变器驱动电机，如果在高速下坡过程中发生故障造成逆变器停机，车辆失控导致的事故风险极大，所以逆变器必须有电机快速重启能力。
电机在高速运转时停机会存在剩磁现象，其频率跟电机转子频率一致，幅值随时间衰减，这一阶段会持续几秒的时间，如果重启时逆变器输出电压幅值及相位与电机不符很容易出现冲击并过流，现有的逆变器重启一般采取以下两种方法：
(1)等待电机剩磁消失再启动，这种方法下存在等待延时，在延时期间内车速不可控，依然存在事故风险。
(2)在逆变器出线端安装至少两个电压传感器，采样并计算当前电机电压幅值及相位，再控制逆变器发出匹配的信号直接启动，这种方法由于需要安装至少两个电压传感器，增加了成本及系统复杂度。
发明内容
本申请实施例旨在提供一种矿用电动轮重启方法和系统以解决现有技术中逆变器重启电机时存在的延时长或结构复杂的技术问题。
为此，本申请一些实施例中提供一种矿用电动轮重启方法，包括：
在逆变器处于正常运行状态时获取逆变器出线端的第一输出电压；
根据所述第一输出电压构造虚拟线电压，并以所述虚拟线电压作为积分器的输入参量，使所述积分器保持响应状态；
在逆变器的驱动脉冲关闭后获取逆变器出线端的第二输出电压；
以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位；
根据所述线电压的幅值和相位以及所述相电压的幅值和相位，得到逆变器重启后的第一个控制周期内的指令电压。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，通过设置在逆变器的a相输出线端和b相输出线端之间的电压传感器检测逆变器出线端的输出电压。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，根据所述第一输出电压构造虚拟线电压的步骤中，虚拟线电压
通过如下公式得到：
上式中，
表示相电压矢量幅值，θ是两相同步旋转坐标系旋转角度，
是定子电压q轴分量指令值，
是定子电压d轴分量指令值，其中，d轴是两相同步旋转坐标系直轴，q轴是两相同步旋转坐标系交轴。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，根据所述第一输出电压构造虚拟线电压的步骤中，具体包括：
逆变器正常运行时，电机控制器输出的相电压指令表示为两相dq同步旋转坐标系下的电压矢量：
在两相αβ静止坐标系下，相电压矢量表示为：
α轴为两相静止坐标系直轴，β轴为两相静止坐标系交轴；
以转子角频率加上转差之和，然后积分得到同步旋转坐标系的旋转角度θ：θ＝∫(ωr+ωsl)dt；ωsl＝ω-ωr，为转差角频率；ω为定子角频率，ωr为转子电气角频率；
同步旋转坐标系下，相电压矢量角度为
线电压矢量在静止坐标系下的相位
为：
线电压矢量的幅值是相电压矢量的
倍，且线电压矢量的相位超前相电压矢量π/6，由此得到
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位的步骤中，相电压矢量的幅值Um和相位θv以如下公式表示：
θv＝arctan(uβ/uα)+π-π/6；
其中，uα为线电压α轴分量，uβ为线电压β轴分量。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位的步骤，具体包括：
当逆变器关闭时，设定转差频率为0，同步转速与速度传感器测量的转子转速；
以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，利用二阶广义积分器对所述第二输出电压进行带通滤波，得到一次滤波后的线电压；
对所述一次滤波后的线电压进行二次滤波，得到所述第二输出电压的超前线电压；
根据所述超前线电压与所述相电压的关系，得到所述相电压的幅值和相位。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，利用二阶广义积分器对所述第二输出电压进行带通滤波，得到一次滤波后的线电压的步骤中，所述带通滤波器的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯算子，k为阻尼系数，ω为定子角频率。
一些实施例中的矿用电动轮重启方法，对所述一次滤波后的线电压进行二次滤波的步骤中，二次滤波的滤波器传递函数为：
其中，以上述滤波器的输出结果取相反数后作为所述超前线电压。
本申请一些实施例中还提供一种矿用电动轮重启系统，所述系统包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行以上任一项所述的矿用电动轮重启方法。
一些实施例中的矿用电动轮重启系统，还包括一个电压传感器：
所述电压传感器设置在逆变器的a相输出线端和b相输出线端之间，所述电压传感器检测逆变器出线端的输出电压并将检测值发送至所述处理器中。
本申请提供的上述技术方案，与现有技术中的方案相比，至少具有如下有益效果：
在逆变器正常运行时，重构出不带高频分量、虚拟的线电压作为积分器的输入，能够使二阶广义积分器有效，提前响应，为逆变器关闭后迅速重启做好准备；而在逆变器关闭后，二阶广义积分器构造出线电压的正交分量，然后计算出相电压的幅值和相位，之后便得到快速重启逆变器的指令电压值。本申请提供的矿用电动轮重启方案，无须等待，任意时刻都能准确测量到电机重启所需的电压幅值及相位，实现电流无冲击。
附图说明
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1为现有技术中逆变器的电路图；
图2为逆变器与异步电机驱动系统的主电路图；
图3为本申请一个实施例所述的矿用电动轮重启方法的流程图；
图4为本申请一个实施例所述D(s)的Bode图；
图5为本申请一个实施例所述Q(s)的Bode图；
图6为本申请一个实施例所述二阶广义积分器控制框图；
图7为本申请一个实施例所述电压空间矢量示意图；
图8为本申请一个实施例所述线、相电压空间矢量关系图；
图9为本申请一个实施例所述的矿用电动轮重启系统的结构框图；
图10为本申请一个实施例所述的矿用电动轮重启系统的电路结构示意图。
具体实施方式
本申请以下实施例中提供的方案，在彼此不会冲突的情况下相互组合。另外，本申请以下实施例中所出现的各参数或表达式，所表示的含义如下表所示：
在详细介绍电动轮重启方法案前，首先对电机以及逆变器的工作原理和数学模型进行详细介绍。如图1给出了逆变器的电路图，图2给出了逆变器与电机的连接示意图。
(1)针对以上电路建立异步电机数学模型
针对异步电机，在静止坐标系下，用如下状态空间方程描述异步电机的数学模型：
定子模型：
转子模型：
等号两边同时乘以Rσ，将定子模型改写成定子电压方程：
假设同步坐标系旋转角频率为ω，在同步旋转坐标系下，异步电机数学模型如下：
在静止坐标系下，电磁转矩可表示为：
在同步坐标系下，电磁转矩Te可表示为：
异步电机的运动方程为：
(2)建立逆变器数学模型
针对逆变器，如图1所示的三相两电平电压源型逆变器电路图，逆变器中的每一个IGBT和它的反并联二极管构成一个双向开关，其工作原理是：当电流从IGBT的集电极流向发射极时，IGBT导通，反并联二极管被旁路；若电流反向，则通过反并联二极管进行续流，IGBT被旁路。通常逆变器直流侧支撑电容中点z接地，所以当a相上管导通时，a点对地电压为Udc/2，当下管导通时，a点对地电压为-Udc/2。
每相桥臂只有两个工作状态：上管开下管关和上管关下管开。可用三个开关函数Sa,Sb,Sc分别描述a、b、c三相桥臂的工作状态，开关函数如下公式所示：
定义逆变器x相出线端对电容中点电压为ux:
假设异步电机与逆变器是Y型连接,定义逆变器相电压参考点为电机中性点n,它与开关函数的关系如下:
利用等幅值变换，将电压由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系:
(3)逆变器关闭后电机运行状态
从逆变器模型可知，当逆变器驱动脉冲关闭后，输入定子电压突降为0,异步电机的转子角速度ωr将在负载和阻力的作用下逐渐改变，电机的转子磁链和定子电流将逐渐衰减到0,时间常数为τσ,τr。
当逆变器输入电压为0时，电机电压方程的左边为0，异步电机在之后的转子磁链ψr和定子电流is为输入电压突变为0的阶跃响应。
通常定子电阻大于转子电阻，分析可知，定子等效时间常数为
小于转子时间常数τr＝Lr/Rr。
当转子磁链ψr衰减到0后，过一段时间，定子电流is也衰减到0,两者都变为0后,根据转子模型可知,转差角频率ωsl＝ω-ωr＝0。
转子角频率将以机械时间常数衰减到0,机械时间常数为τm＝H/(pF)，远大于电气时间常数τσ,τr,因此认为在转子磁链ψr和定子电流is都衰减到0后，转差角频率变为0,此时速度传感器测得的转子角频率即为同步角频率。
(4)逆变器重启不出现电流冲击的条件
当逆变器重启时，逆变器和电机构成完整的驱动系统，必须满足电压方程：
当输入电压为0时，异步电机将自由运行。在逆变器重启时刻，施加的指令电压与异步电机在没有定子电压输入时，产生的电压保持一致(相位一致，幅值偏差尽可能小)。在这样的电压作用下，异步电机的电流响应将不会出现冲击。
下面对本申请提出的矿用电动轮重启方法进行详细介绍。
如图3所示，矿用电动轮重启方法，包括如下步骤：
S101：在逆变器处于正常运行状态时获取逆变器出线端的第一输出电压。
S102：根据所述第一输出电压构造虚拟线电压，并以所述虚拟线电压作为积分器的输入参量，使所述积分器保持响应状态；
S103：在逆变器的驱动脉冲关闭后获取逆变器出线端的第二输出电压。
S104：以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位。
S105：根据所述线电压的幅值和相位以及所述相电压的幅值和相位，得到逆变器重启后的第一个控制周期内的指令电压。
以上方案中，在逆变器正常运行时，重构出不带高频分量、虚拟的线电压作为积分器的输入，能够使二阶广义积分器有效，提前响应，为逆变器关闭后迅速重启做好准备；而在逆变器关闭后，二阶广义积分器构造出线电压的正交分量，然后计算出相电压的幅值和相位，之后便得到快速重启逆变器的指令电压值。本申请提供的矿用电动轮重启方案，无须等待，任意时刻都能准确测量到电机重启所需的电压幅值及相位，实现电流无冲击。
如图2是逆变器和异步电机驱动系统的主电路图，假设有一个交流电压传感器连接在逆变器出线端的a,b端子，当逆变器正常工作时，其测量的是逆变器输出线电压，是包含高次谐波的脉冲电压，不能作为电机电压的计算；当逆变器驱动脉冲关闭后，此电压传感器测量的是电机剩磁产生相间电压。
假设测量电压为uab,为了获得其相位和幅值，使用二阶广义积分器(Second OrderGeneralized Integrator,SOGI)对uab移相π/2得到其正交分量。令uab为线电压α轴分量uα,其正交分量(β轴分量)为uβ。
二阶广义积分器的传递函数为:
假设输入信号为v，其经过二阶带通滤波之后的信号为v'，其正交信号为qv'，那么从输入信号v到v'的传递函数为：
从输入信号v到正交信号qv'的传递函数为：
其中ω为谐振频率，k为阻尼系数，s为拉普拉斯算子。
设ω＝2π×50Hz＝314rad/s，取不同的阻尼系数k，画出二阶广义积分器的幅频响应特性图(Bode图)，如图4和图5所示。二阶广义积分器的控制框图如图6所示，二阶广义积分器需要经过一定时间才能构造出输入信号的正交分量。为了保证在关闭逆变器驱动脉冲后，迅速地重启逆变器，应该在逆变器没有关闭之前也运行二阶广义积分。这样在关闭逆变器后，及时地计算出线电压的幅值和相位，并根据需要在任意时刻重启逆变器，保证电流不出现冲击。
当逆变器没有关闭、异步电机正常运行时，二阶广义积分器的输入采用线电压指令
当逆变器关闭后，二阶广义积分器的输入变为电压传感器测量的uab，在逆变器关闭的瞬间,
和uab误差很小，确保不会出现突变。
在逆变器关闭后，利用二阶广义积分器获得线电压的αβ轴分量uα和uβ,进一步计算出相电压的幅值Um和相位θv，以此给逆变器发控制脉冲，避免电机电流产生冲击。
显然，以上方案中有如下两个关键点：
(G1)在电机正常运行时，重构出不带高频分量、虚拟的线电压
是为了使二阶广义积分器有效，能持续保持响应状态，为逆变器关闭后迅速重启做好准备；
(G2)使用二阶广义积分器构造出线电压的正交分量，然后计算出相电压的幅值和相位。
以上方案中，通过如下步骤构造虚拟线电压：
(1.1)逆变器未关闭，正常运行时，电机控制器输出的相电压指令表示为两相dq同步旋转坐标系下的电压矢量，如下：
在两相αβ静止坐标系下，相电压矢量也表示为：
图7是相电压矢量的示意图，假设同步旋转坐标系旋转角度为θ，此角度由转子角频率加上转差，然后积分得到，即：
θ＝∫(ωr+ωsl)dt；
在同步旋转坐标系下，相电压矢量角度为
那么线电压矢量在静止坐标系下的相位
为：
假设相电压矢量幅值为
线电压矢量的幅值是相电压矢量的
倍，线电压矢量的相位超前相电压矢量π/6，如图8所示。
因此，利用如下公式计算出虚拟的线电压
在逆变器未关闭、电机正常运行时，就将
作为二阶广义积分器的输入。
(1.2)逆变器关闭时，采样电压传感器测量值，利用二阶广义积分器计算出电机相电压的幅值和相位。
当逆变器关闭时，由于异步电机的电气时间常数远小于其机械时间常数，所以认为转差频率已经变为0，同步转速与速度传感器测量的转子转速近似相等，即ωr≈ω。在逆变器a、b出线端测量的线电压uab将作为二阶广义积分器的输入。首先利用二阶广义积分器将uab进行带通滤波，滤波器的传递函数为：
经过滤波后，得到了新的线电压uab'，记为uα。
然后，利用如下滤波器：
根据Q(s)的Bode图，可知其输出是滞后于输入信号π/2的信号，为了得到超前线电压π/2的正交分量uβ，应取Q(s)输出的相反数，二阶广义积分器滤波器的控制框图如图6所示。
计算出线电压的正交分量后，根据线电压与相电压的关系，利用如下公式计算出相电压矢量的幅值和相位：
θv＝arctan(uβ/uα)+π-π/6。
计算出相电压矢量的幅值和相位后，在逆变器重启后的第一个控制周期，以此为指令电压，经过PWM调制，发出驱动脉冲，给逆变器。
本申请一些实施例中还提供一种矿用电动轮重启系统，如图9所示，包括至少一个处理器101和至少一个存储器102，至少一个所述存储器102中存储有程序信息，至少一个所述处理器101读取所述程序信息后执行以上实施例中任一方案所述的矿用电动轮重启方法。图9以一个处理器101为例，其还可以包括：输入装置103和输出装置104。处理器101、存储器102、输入装置103和输出装置104通信连接。
结合图10所示，所述的矿用电动轮重启系统，还包括一个电压传感器：所述电压传感器设置在逆变器的a相输出线端和b相输出线端之间，所述电压传感器检测逆变器出线端的输出电压并将检测值发送至所述处理器中。本申请提供的以上方案，只需要一个电压传感器即可实现矿用电动轮的快速重启，减少了系统硬件复杂度及成本。而所述的快速重启过程，是指矿用电动轮在重启过程中无须等待，任意时刻都能准确测量到电机重启所需的电压幅值及相位，实现电流无冲击。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种矿用电动轮重启方法，其特征在于，包括：
在逆变器处于正常运行状态时获取逆变器出线端的第一输出电压；
根据所述第一输出电压构造虚拟线电压，并以所述虚拟线电压作为积分器的输入参量，使所述积分器保持响应状态；
在逆变器的驱动脉冲关闭后获取逆变器出线端的第二输出电压；
以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位；
根据所述线电压的幅值和相位以及所述相电压的幅值和相位，得到逆变器重启后的第一个控制周期内的指令电压。
2.根据权利要求1所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于：
通过设置在逆变器的a相输出线端和b相输出线端之间的电压传感器检测逆变器出线端的输出电压。
3.根据权利要求2所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，根据所述第一输出电压构造虚拟线电压的步骤中，虚拟线电压
通过如下公式得到：
上式中，
表示相电压矢量幅值，θ是两相同步旋转坐标系旋转角度，
是定子电压q轴分量指令值，
是定子电压d轴分量指令值，其中，d轴是两相同步旋转坐标系直轴，q轴是两相同步旋转坐标系交轴。
4.根据权利要求3所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，根据所述第一输出电压构造虚拟线电压的步骤中，具体包括：
逆变器正常运行时，电机控制器输出的相电压指令表示为两相dq同步旋转坐标系下的电压矢量：
在两相αβ静止坐标系下，相电压矢量表示为：
α轴为两相静止坐标系直轴，β轴为两相静止坐标系交轴；
以转子角频率加上转差之和，然后积分得到同步旋转坐标系的旋转角度θ：θ＝∫(ωr+ωsl)dt；ωsl＝ω-ωr，为转差角频率；ω为定子角频率，ωr为转子电气角频率；
同步旋转坐标系下，相电压矢量角度为
线电压矢量在静止坐标系下的相位
为：
线电压矢量的幅值是相电压矢量的
倍，且线电压矢量的相位超前相电压矢量π/6，由此得到
5.根据权利要求1所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位的步骤中，相电压矢量的幅值Um和相位θv以如下公式表示：
θv＝arctan(uβ/uα)+π-π/6；
其中，uα为线电压α轴分量，uβ为线电压β轴分量。
6.根据权利要求5所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，得到积分器输出的线电压的幅值和相位以及相电压的幅值和相位的步骤，具体包括：
当逆变器关闭时，设定转差频率为0，同步转速与速度传感器测量的转子转速；
以所述第二输出电压作为所述积分器的输入参量，利用二阶广义积分器对所述第二输出电压进行带通滤波，得到一次滤波后的线电压；
对所述一次滤波后的线电压进行二次滤波，得到所述第二输出电压的超前线电压；
根据所述超前线电压与所述相电压的关系，得到所述相电压的幅值和相位。
7.根据权利要求6所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，利用二阶广义积分器对所述第二输出电压进行带通滤波，得到一次滤波后的线电压的步骤中，所述带通滤波器的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯算子，k为阻尼系数，ω为定子角频率。
8.根据权利要求7所述的矿用电动轮重启方法，其特征在于，对所述一次滤波后的线电压进行二次滤波的步骤中，二次滤波的滤波器传递函数为：
其中，以上述滤波器的输出结果取相反数后作为所述超前线电压。
9.一种矿用电动轮重启系统，其特征在于，所述系统包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个所述存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行权利要求1-8任一项所述的矿用电动轮重启方法。
10.根据权利要求9所述的矿用电动轮重启系统，其特征在于，还包括一个电压传感器：
所述电压传感器设置在逆变器的a相输出线端和b相输出线端之间，所述电压传感器检测逆变器出线端的输出电压并将检测值发送至所述处理器中。
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