CN113472255A - 功率因数校正的电流锁相环控制方法及电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率因数校正的电流锁相环控制方法及电机控制系统，包括：获取交流侧电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。基于功率因数校正，对电机电流的斩波控制，使输入侧电源电流按正弦波变化输出，以对电机供电，保证电机正常运转的同时提高功率因数。

Description

功率因数校正的电流锁相环控制方法及电机控制系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种功率因数校正的电流锁相环控制方法及电机控制系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
根据目前环保节能的要求，需要在用电设备输入侧具有较高的功率因数，现有电机控制器的输入侧一般都采用不可控整流电路，导致了系统功率因数过低，而有源功率因数校正是指通过有源电路(主动电路)使得输入功率因数提高，控制开关器件以使输入电流波形跟随输入电压波形，实现较高的功率因数。为了实现单位功率因数，目前常规的方法是通过单独的功率因数校正电路，实现对功率因数的提高。但是该种方法会增加控制器的体积和系统成本，竞争优势不明显，尤其在小功率的应用场合造成比其他类型电机成本高的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种功率因数校正的电流锁相环控制方法及电机控制系统，实现功率因数校正，对电机电流的斩波控制，使输入侧电源电流按正弦波变化输出，以对电机供电，保证电机正常运转的同时提高系统功率因数。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，包括：
获取交流侧电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
作为可选择的实施方式，所述功率器件包括第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件，第一功率器件首先导通，若第一功率器件导通后，电源输出的电流大于电机绕组目标电流，则将剩余电流给储能电容充电。
作为可选择的实施方式，若第一功率器件导通后，电源输出的电流小于电机绕组目标电流，则控制第二功率器件导通，由储能电容供电。
作为可选择的实施方式，第三功率器件一直导通，在电源输出的电流大于电机绕组目标电流，控制第三功率器件关断。
作为可选择的实施方式，正弦脉宽调制法的调制过程为：
Figure BDA0003144070090000021
其中，T为锁相环中断周期；Ti为每个锁相环中断周期内功率器件的导通时间；M为调制深度系数；i＝1～N为锁相环控制的计数；N为锁相环同步脉冲数。
作为可选择的实施方式，锁相环同步脉冲数随功率器件开关频率的增大而增加。
第二方面，本发明提供一种电机控制器，包括：
脉冲获取单元，被配置为获取电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
调制单元，被配置为根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
第三方面，本发明提供一种电机控制系统，其特征在于，包括：电机、电源和第二方面所述的电机控制器；电机控制器采用第一方面所述的控制方法控制电源输出给电机供电的正弦波电流。
作为可选择的实施方式，该系统还包括储能电容，所述储能电容用于存储功率器件导通后的剩余电流。
作为可选择的实施方式，所述储能电容用于在电源输出的电流不足以满足电机绕组所需电流时，为电机运行提供电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于有源功率因数的电流锁相环控制算法简单，根据电机运行需求控制电流的输出，实现输入侧电流的正弦变化，同时在输入侧实现单位功率因数。
根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间。该方法中锁相环同步脉冲的获取、中断周期的控制、电机绕组电流的正弦脉宽调制，全部通过软件实现，最终控制现有电机的功率器件就可以实现功率因数调整，不需要额外单独配置功率因数调整电路，降低了控制器体积和系统成本。
在电源输出的电流满足电机绕组所需电流时，将剩余电流存储至电容中，以便在电源输出的电流无法满足电机绕组所需电流时，能够通过电容供电，有效利用电源能量和电容能量，运行效率较高。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的功率因数校正的电流锁相环控制方法的流程图；
图2为本发明实施例1提供的输入侧电流控制时序图；
图3为本发明实施例1提供的电机绕组电流控制时序图；
图4为本发明实施例3提供的融合有源功率因数校正(APFC)的开关磁阻电机控制器拓扑结构图；
其中，1.交直流转换电路，2.功率变换电路，3.储能电容，4.过零点检测电路，5.电源检测电路，6.隔离驱动电路，7.电机检测电路，8.电容检测电路，9.显示电路，10.处理器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于有源功率因数校正的电流锁相环控制方法，包括：
S1：获取交流侧电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
S2：根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
在所述步骤S1中，根据电流过零点检测得到输入侧交流电源的电压过零点后，计算锁相环信号，目的是实现电压和电流的同步控制；
本实施例以交流侧电压为50hz(周期20ms)的正半周为例，功率器件的开关频率为10khz时，在过零点之后半个周期T/2＝10ms内，有N＝10000/(1000/10)＝100个同步脉冲；
功率器件的开关频率为20khz时，同步脉冲数为N＝10000/(1000/20)＝200个。
优选地，锁相环同步脉冲数随功率器件开关频率的调整而调整，随着开关频率的增大而增加。
在所述步骤S2中，功率器件包括第一功率器件Q1、第二功率器件Q2、第三功率器件Q3，根据电机运行指令得到电机绕组目标电流im，在电机ON角之前的锁相脉冲和电机OFF角之后的锁相脉冲，电机均不需要电流；在电机ON到OFF角之间，根据电机绕组目标电流，首先导通第一功率器件Q1，第一功率器件Q1按照PWM控制逻辑控制交流侧电流的输出，以第一功率器件导通地输出的交流电源侧的电流给电机绕组充电，且第三功率器件Q3一直导通实现电机绕组能量的持续；如图2-3所示分别为输入侧电流、电机绕组电流的控制时序图；
即，对第一功率器件Q1驱动脉冲宽度调制信号采用正弦脉宽调制SPWM来调制，以控制第一功率器件Q1的导通，实现过零点后第一功率器件Q1前端电流的正弦波变化；
其中，输出的交流侧电流为：
Figure BDA0003144070090000061
i＝1～N。
优选地，调制过程为：
Figure BDA0003144070090000062
其中，T为每个锁相环控制的中断周期；Ti为每个中断周期内Q1的导通时间；M为调制深度系数，根据电机绕组电流进行调制；i＝1～N为锁相环控制的计数；N为锁相环同步脉冲数。
在本实施例中，若im>isi，第一功率器件Q1导通后的交流侧电流小于电机绕组目标电流，则第一功率器件Q1导通的同时，控制第二功率器件Q2导通，由储能电容给电机供电；即：
im＝is+ic
Tm＝Ti+Tc
其中，Ti为每个中断周期内Q1的导通时间；Tm为每个中断周期内Q1到电机电流的导通时间；Tc为每个中断周期内Q2的导通时间；ic为电容电流。
若im<isi，第一功率器件Q1导通后的交流侧电流大于电机绕组目标电流，交流侧电流能够满足电机绕组目标电流，则第一功率器件Q1导通的同时，控制第三功率器件Q3关断，电源多余容量通过功率二极管D5给储能电容充电；即：
im＝is-ic
Tc＝Tm-Ti
is＝is(sinωt)
其中，Ti为每个中断周期内Q1的导通时间；Tm为每个中断周期内Q1到电机电流的导通时间；Tc为每个中断周期内Q2的导通时间。
实施例2
本实施例提供一种电机控制器，包括：
脉冲获取单元，被配置为获取电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
调制单元，被配置为根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例3
如图4所示，本实施例提供一种电机控制系统，包括：电机、电源和实施例2所述的电机控制器；电机控制器采用实施例1所述的控制方法控制电源输出给电机供电的正弦波电流。
在本实施例中，还包括电源侧的交直流转换电路1，用于将交流电源转换为直流电源；
在电源的正半周，D1、D4导通，D2、D3截止，电流由电源上端经D1→Q1→D4回到电源下端；
在电源的负半周，D1、D4截止，D2、D3导通，电流由电源的下端经D3→RL→D2回到电源的上端。
在本实施例中，还包括电源侧的电源检测电路5，用于对交流侧电源电压和电流进行检测，以便于电机控制器对输入侧功率的计算。
在本实施例中，还包括电源侧的过零点检测电路4，用于根据对电源电压电流的检测，检测到交流电源的电压过零点信号，目的是实现电压和电流的同步控制。
在本实施例中，电机侧包括功率变换电路2，功率变换电路2包括功率器件Q1、Q2、Q3，功率二极管D5、D6、D7；在检测到电压过零点后，根据开关磁阻电机绕组目标电流与功率器件导通后的交流电流的比较，控制功率器件的导通时间，以实现交流电流和电容给电机供电，保证电机正常运行，同时实现电源侧的功率因数校正。
在本实施例中，还包括电机侧的电机检测电路7，用于对电机电流和转子位置进行实时检测，以便于实现对电机绕组导通相序的控制和电机电流的控制。
在本实施例中，还包括储能电容3，用于存储功率器件导通后的剩余电流，用于在交流侧电流不足以满足电机绕组所需电流时，提供能量至电机绕组，为电机充电。
在本实施例中，包括储能电容侧的电容检测电路8，用于对电容电压和电流进行检测，以便实时计算电容输入和输出功率及电容存储的荷电状态。
在本实施例中，还包括显示电路9，用于对关键运行参数进行显示，并通过键盘对参数进行设置。
在本实施例中，还包括隔离驱动电路6，用于对控制信号隔离、放大等，实现对功率变换电路中功率器件的控制。
在本实施例中，处理器包括数字量输入电路、脉冲宽度调整电路、模数转换电路、数字量输出电路；
其中，数字量输入电路，用于处理输入到控制系统的数字量信号的处理，比如按键的输入、继电器节点的输入；
脉冲宽度调整电路，用于处理器输出的脉冲宽度信号的驱动放大、隔离等处理。
模数转换电路、用于对电机电流等模拟量的处理，然后通过处理器获得数字量信号。
数字量输出电路；用于处理器输出的数字量信号的处理，比如控制系统中继电器吸合等。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，包括：
获取交流侧电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
2.如权利要求1所述的一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，所述功率器件包括第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件，第一功率器件首先导通，若第一功率器件导通后，电源输出的电流大于电机绕组目标电流，则将剩余电流给储能电容充电。
3.如权利要求2所述的一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，若第一功率器件导通后，电源输出的电流小于电机绕组目标电流，则控制第二功率器件导通，由储能电容供电。
4.如权利要求2所述的一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，第三功率器件一直导通，在电源输出的电流大于电机绕组目标电流，控制第三功率器件关断。
5.如权利要求1所述的一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，正弦脉宽调制法的调制过程为：
Figure FDA0003144070080000011
其中，T为锁相环中断周期；Ti为每个锁相环中断周期内功率器件的导通时间；M为调制深度系数；i＝1～N为锁相环控制的计数；N为锁相环同步脉冲数。
6.如权利要求1所述的一种功率因数校正的电流锁相环控制方法，其特征在于，锁相环同步脉冲数随功率器件开关频率的增大而增加。
7.一种电机控制器，其特征在于，包括：
脉冲获取单元，被配置为获取电源的电压过零点信号后，根据预设的功率器件开关频率得到锁相环同步脉冲数；
调制单元，被配置为根据锁相环同步脉冲数、锁相环中断周期和电机绕组目标电流采用正弦脉宽调制法控制功率器件在每个锁相环中断周期的导通和导通时间，以使电源输出给电机供电的正弦波电流。
8.一种电机控制系统，其特征在于，包括：电机、电源和权利要求7所述的电机控制器；电机控制器采用权利要求1-6任一项所述的控制方法控制电源输出给电机供电的正弦波电流。
9.如权利要求8所述的一种电机控制系统，其特征在于，该系统还包括储能电容，所述储能电容用于存储功率器件导通后的剩余电流。
10.如权利要求9所述的一种电机控制系统，其特征在于，所述储能电容用于在电源输出的电流不足以满足电机绕组所需电流时，为电机提供电流。
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