一种无电解电容变频驱动控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变频驱动领域，尤其涉及一种无电解电容变频驱动控制系统及其控制 方法。
【背景技术】
[0002] 随着能源与环境问题变得越来越突出，单相交流输入的变频驱动方案因在节能方 面具有巨大优势，在空调、冰箱、洗衣机等家用电器中应用得越来越广泛。因永磁同步电机 具有较高的效率，结构简单、过载能力大、转动惯量小以及转矩脉动小等特点，非常适用于 家用电器的驱动系统。
[0003] 在单相交流输入的变频驱动场合，由于输入输出瞬时功率的不平衡，不得不在母 线侧广泛采用大电解电容缓冲能量，平衡输入侧与输出侧瞬时功率实现功率解耦。然而大 电解电容存在以下缺点：1)电解电容容量随温度及频率变化波动较大，尤其当电解电容在 高温下使用时，电解液会挥发，造成电容量降低。当电容量降为初始值的60%时，一般视为 电容寿命终止，对系统效率及稳定可靠性造成严重影响；3)用于功率解耦的电解电容通常 体积较大，限制了电力变换器功率密度的提高。4)母线采用大电解电容，输入侧电流质量 较差。为改善输入侧电流质量，需要增加功率因数校正（PFC)电路，增加了系统的损耗和成 本。
[0004] 为消除电解电容，常用的方法为：1)直接用矩阵变换器替代传统的整流、逆变的 拓扑结构。这种结构无需中间级的直流环节，具有功率双向流动、功率因数可控的特点。但 是，矩阵变换器需大量单向开关器件来实现双向开关效果，这将导致拓扑结构复杂，控制实 现较难。此外，它不能应用到单相供电的电能变换系统中。2)在不控整流器和逆变器之间 加入Z-源逆变电路。加入Z-源逆变电路后，通过调节直通零矢量，升高不控整流后的电压， 可以达到母线电压纹波系数小、功率因数高的效果。但是实际直通零矢量调节范围有限，难 以达到理想的效果。而且，该拓扑结构复杂，额外的开关器件增加了能源消耗。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对母线无电解电容变频驱动系统，提供一种通 过控制d轴电流和q轴电流实现网侧高功率因数的变频驱动控制方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无电解电容变频驱动系统的控制 方法，包括以下步骤：
[0007] S1、采集电机转子的实时转速和实时位置，采集网侧相角和电机三相电源中任两 相的实时电流；
[0008] S2、对所述实时电流进行Clark变换，得到a轴电流和0轴电流，对所述a轴电 流和0轴电流进行Park变换，得到d轴实时电流和q轴实时电流；
[0009] S3、计算q轴给定电流和d轴给定电流；
[0010] S4、比较所述d轴实时电流和d轴给定电流，得到d轴误差电流，比较所述q轴实 时电流和q轴给定电流，得到q轴误差电流；
[0011] S5、对d轴误差电流进行误差调节得到d轴给定电压，对q轴误差电流进行误差调 节得到q轴给定电压；
[0012] S6、根据所述实时位置对所述d轴给定电压和q轴给定电压进行Park逆变换，得 到a轴给定电压和0轴给定电压；
[0013] S7、采集母线电压，根据所述a轴给定电压、0轴给定电压和母线电压对逆变器 进行脉宽调制，并通过所述逆变器控制电机。
[0014] 所述步骤S5中所述误差调节是PI调节。
[0015] 本发明的有益效果是，基于瞬时功率传输途径，通过控制d轴电流和q轴电流来控 制逆变器的输出功率，进而控制网侧电流波形，从而达到高功率因数的目的。如此，在确保 网侧高功率因数的前提下，能实现电机在弱磁区高速运行，能够优化电机相电流，同时能够 增强对电机参数误差的鲁棒性，能提高系统可靠性，控制简单有效，适合在家用电器领域应 用。
[0016] 进一步，所述步骤S3中计算d轴给定电流和q轴给定电流的方法，包括如下步骤：
[0017] S31、比对电机实时转速和给定转速，得到转速误差，对所述转速误差进行PI调节 得到电流矢量幅值的给定；
[0018] S32、通过检测网侧电压得到网侧相角，并根据所述网侧相角、上一周期的d轴给 定电流和电流矢量幅值的给定计算得出q轴给定电流；
[0019] S33、根据d轴给定电压、q轴给定电压、q轴给定电流以及电流矢量幅值的给定计 算得出d轴给定电流。
[0020] 采用上述进一步方案的有益效果是，通过控制d轴电流和q轴电流，来控制逆变器 的输出功率，进而控制网侧电流波形，实现网侧高功率因数。
[0021] 进一步，所述步骤S32中计算q轴给定电流的计算方法如下：
[0022] 假定网侧为单位功率因数，网侧电压、网侧电流均为正弦波，则网侧输入功率以2 倍输入频率波动，如式（1)，
[0023] Pg= P gp sin2 0g(I)
[0024] 其中，pg为网侧功率瞬时值，Pgp为网侧输入功率峰值，0g为网侧相角，
[0025] pivt~ p g (2)
[0026] 其中，Pivt为逆变器输出功率；
[0027] 永磁同步电机在同步旋转dq坐标系下的电压方程为：
[0028]
[0029] 逆变器输出功率Pivt由电机的电流矢量与电压矢量的内积决定，为：
[0030]
[0031] 其中，Pltjss为电机电阻功率、P idrt为电感功率，P m为电机轴上输出的机械功率，忽略 电机电阻功率Pltjss及电感功率P idc;t，则
[0037] 其中，iq(l为忽略d轴电流对逆变器输出功率影响时的q轴电流。
[0038] 采用上述进一步方案的有益效果是，因母线没有大电解电容，只有容量为几微法 至几十微法的小薄膜电容，母线功率可忽略不计，逆变器输出功率P ivt近似等于网侧输入功 率Pg。电机高速运行时，电机电阻功率Pltjss及电感功率P id。^以忽略，逆变器输出功率P ivt 近似等于电机轴上输出机械功率Pm，有效计算出了 q轴电流给定以2倍输入频率波动，简化 了 q轴电流给定的计算。
[0039] 进一步，所述步骤S33包括如下步骤：
[0040] S331、根据所述d轴给定电压和q轴给定电压计算得出给定电压矢量幅值；
[0041] S332、设定母线最低电压的上限电压，用该上限电压减去所述给定电压矢量幅值， 得到误差电压，当该误差电压大于零时，对其进行PI调节，得出电流矢量幅值增量的给定；
[0042] S333、用所述电流矢量幅值增量的给定加上所述电流矢量幅值的给定，对其叠加 后的值进行限幅，得到限幅后的电流矢量幅值的给定；
[0043] S334、通过所述限幅后的电流矢量幅值的给定和q轴给定电流计算得到d轴给定 电流。
[0044] 进一步，所述步骤S33中计算d轴给定电流的计算方法如下：
[0045] 电流矢量幅值增量的给定A U加上电流矢量幅值的给定i ^经过限幅环节，得到 限幅后的电流矢量幅值的给定/、。于是，d轴电流给定为：
[0047] 其中，^为q轴给定电流。
[0048] 采用上述进一步方案的有益效果是，通过实时反馈d轴给定电压和q轴给定电压， 实时调整电流矢量的幅值，进而调整d轴给定电流，从而调节母线电压的波动在设定范围 内，确保电流环具有足够的电压裕度，可以实现电机宽调速范围运行，同时增强对电机参数 误差的鲁棒性。
[0049] 本发明还公开了一种无电解电容变频驱动控制系统，包括：网侧电压采集模块、电 机电流采集模块、母线电压采集模块、转速位置检测模块、转速误差模块、转速PI模块、dq 轴电流给定模块、d轴电流误差模块、q轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流P