无电解电容永磁电机的FOC控制系统的制作方法

本发明涉及电机驱动技术领域，特别是涉及一种无电解电容永磁电机的foc控制系统。

背景技术：

目前，永磁电机驱动主流都是采用图1所示拓扑，即电源经过电感l，再经过整流桥，然后通过电解电容c进行滤波稳压，最后由各桥臂输出。通常为了使系统正常运行，电解电容一般都取值比较大，这样系统的制作成本相对比较高昂，而且该拓扑最大缺陷是系统运行过程中功率因数低下，不符合电网对功率因数的要求。

为应对上述两种原因，近些年出现了使用一个小的薄膜电容替代图1拓扑中的大电解电容，通过使用功率平衡原理，使电机驱动侧功率时刻等于电源输入侧功率，并且满足理想条件即电源侧的功率因数恒定为1。这样大大降低了系统的硬件成本，简化了图1拓扑的辅助电路。但是这种更改使得控制运算的复杂程度大幅增加，增加了系统的调试难度。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明致力于提供一种无电解电容永磁电机的foc控制系统，在将大电解电容替换成薄膜电容时，降低控制运算的复杂度。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种无电解电容的永磁电机foc控制系统，包括速度环模块、电压函数模块和mtpa模块，

电压函数模块包括峰值模块、放大模块和归一化模块，输入信号为交流电压，交流电压一路经过峰值模块得到交流电压峰值，一路经过放大模块进行2的12次方倍的放大，归一化模块将放大后的交流电压除以交流电压峰值，得到不大于1的电压函数；

mtpa模块包括乘法模块和解耦模块，速度环asr模块输出的参考电流is输入乘法模块，电压函数也输入乘法模块，经过乘法模块的相乘后得到随电压峰值变化的参考电流is，随电压峰值变化的参考电流is输出值解耦模块，解耦模块输出dq轴的参考电流。

本发明利用速度环pi具有一定的调节能力的特点，而且asr环节输出带宽比较低通常在15rad/sec，因此在asr环节输出is的基础上乘以电压函数模块rate的输出，得到随电压变化的is参考电流，is通过mtpa进行解耦得到系统dq轴参考电流，剩余的控制环节跟传统foc控制一致。本发明在传统的foc控制基础上，只需要增加很少的运算量即可实现将传统的拓扑电路中的大电解电容替换成很小的薄膜电容，同时还能得到较高的功率因数，而且控制系统中的速度环和电流环的参数保持不变，实现了以最小的代价取得理想的控制效果，避免了因为应用的降成本而使得控制系统的大幅变动。

附图说明

图1为传统的永磁电机驱动电路的拓扑结构示意图；

图2为永磁电机foc控制电路的示意图；

图3为电压函数模块的示意图；

图4为mtpa模块的示意图；

图5为采用本发明的方案对永磁电机速度的跟踪图；

图6为使用功率平衡原理实现的无电解电容永磁电机的速度跟踪图；

图7为采用本发明的方案对永磁电机dq轴电流的跟踪图；

图8为使用功率平衡原理实现的无电解电容永磁电机dq轴电流的跟踪图；

图9为采用本发明的方案对永磁电机电源电流的跟踪图；

图10为使用功率平衡原理实现的无电解电容永磁电机电源电流的跟踪图。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明的实施例。

如图2系统的控制环节遵循传统foc控制环节，主要包含速度环asr模块、电流环acr模块、位置估算模块、变换环节trans、mtpa模块、弱磁模块wkflx和spwm模块，以及采样模块。本设计增加了电压函数模块rate，另外修改了mtpa模块。

本发明主要是在传统foc控制算法基础上，增加了电压函数的运算，关于电压函数，主要是希望得到一个输出不大于1的函数，而且该函数与电压比例缩小。因此为求取该函数，我们必须求得电压的峰值，关于峰值求取，我们希望它能适时跟随电压峰值的变化而变化，同时也希望它不会变化太快，因而我们在初步得到电压峰值时，还要进行滤波，从而实现系统的平稳过渡。该函数在输入是三相电源时也适用。

1、电压函数的实现：

如图3所示，电压vac输入后分成两路，其中一路用于求峰值，另外一路在放大2的12次方倍后除于峰值模块的输出，从而得到最大值不超过1的电压函数。

2、更改后的mpta模块

如图4所示，传统foc控制时，isref直接输入到后端mtpa角度的求取、idref和iqref的计算，而没有isref和电压函数输出rate相乘的环节。

实现效果：

1、使用简易无电解电容方案速度的跟踪情况如图5，使用功率平衡原理实现的无电解电容方案的速度跟踪情况如图6。两种方法得到的速度跟踪效果基本一致，引入的100hz振动幅值也基本一致。

2、使用简易无电解电容控制方案id和iq的跟踪状况如图7，使用功率平衡原理实现的无电解电容方案id和iq的跟踪状况如图8，比简易方案跟踪的更好。

3、简易无电解电容方案电源电流如图9，在电压从底部回升过程稍微有一些畸变，但是功率因数也会比较高。功率平衡原理实现的无电解电容方案电源电流如图10，具有比简易无电解电容方案稍高的功率因数。

综合以上几点，本发明简易的无电解电容永磁电机的foc控制方案与根据功率平衡原理实现的无电解电容控制方案，在速度跟踪上两者基本上没有差异；但是在id和iq的跟踪比后者稍微差一点；而在电源的功率因数上，后者稍强。但是在一些低成本低代价的应用场合简易控制方案具有开发周期短，验证代价低，而且软件升级容易的特点。

在单相电源应用场景下使用本发明可以实现无电解电容永磁电机的控制，本系统具有扩展性，可以扩展到使用三相电源应用的场合，在三相电源应用场景下使用本发明也可以实现无电解电容永磁电机的控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种无电解电容的永磁电机FOC控制系统，在传统FOC控制方案的基础上，增加了电压函数模块Rate，另外修改了MTPA模块。对输入电压进行行归一化作为电压函数与速度环输出Is相乘，然后再进行Id和Iq解耦。本发明在传统的FOC控制基础上，只需要增加很少的运算量即可实现将传统的拓扑电路中的大电解电容替换成很小的薄膜电容，同时还能得到较高的功率因数，而且控制系统中的速度环和电流环的参数保持不变，实现了以最小的代价取得理想的控制效果，避免了因为应用的降成本而使得控制系统的大幅变动。

技术研发人员：邓永忠
受保护的技术使用者：佛山市顺德区和而泰电子科技有限公司
技术研发日：2018.10.09
技术公布日：2019.01.18