一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种交流电机驱动控制系统及控制方法，特别是关于一种在交流电机 控制技术领域中应用的减少直流侧电容的交流电机驱动控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着交流电机驱动技术与电力电子技术的发展，交流电机已经广泛应用 于工业、航空航天及家电等各领域。如图1所示，目前常用的交流电机驱动系统为了维持恒 定的母线电压，一般在直流母线上均具有较大容量的母线电容。但是，大容量母线电容的存 在给系统带来了 W下问题:首先，大型直流电容一般采用电解电容，其寿命一般较短，因而， 电解电容的存在严重影响整体系统寿命。目前交流电机驱动系统中的电解电容的寿命通常 只有1万小时，比如在家电应用领域，相对于家电4-5万小时的寿命，电解电容已成为制约交 流电机驱动系统寿命的主要因素。其次，大量直流母线电容会显著增加系统的体积重量和 成本。另外，大量直流电容的存在使得电容电压几乎恒定，因而整流桥二极管的导通角较 小，致使系统功率因数较低，需要增加前级功率因数校正环节才可W接入电网。目前，如何 减小甚至去除直流侧电容，已经成为交流电机驱动系统研究的热点问题之一。
[0003] 目前已提出一些解决上述问题的方法，最为常用的一类方法是采用其他类型电容 替代传统电解电容。例如，薄膜电容的寿命较电解电容的寿命长，具有寿命长、耐压高、电流 承受能力强、能承受反压、无酸污染并且可长时间存胆等诸多优点，而且在体积上也明显小 于电解电容方案，因此常采用薄膜电容替代电解电容。但上述方案同样要用到直流电容，且 薄膜电容成本也不低，并不能真正解决运一问题。
[0004] 另一类方法是通过控制策略减少对直流母线电容的依赖，目前来看，对减少直流 侧电容的交流电机驱动系统控制策略研究主要集中在如下两个方面：1、不考虑前级网侧电 磁兼容性的要求，从电机控制的角度较少母线电压波动对电机控制性能的影响。如基于谐 波电流注入方法的系统控制方法，平均电压限制法，直轴和交轴电流调制方法等。但是，上 述方法由于忽略了电网谐波、功率因数等电磁兼容性方面的要求，不具有实际应用价值。2、 综合考虑前级EMI电感的影响，研究交流电机驱动系统控制策略。由于在母线电容变小后， 前级电感将与电容产生谐振，因而，考虑电感影响后，控制器设计将更为困难。一方面要满 足电机转速要求，交流输入侧功率因数要求，另一方面还要抑制LC谐振。目前提出的控制方 法主要有如下两种：（1)给定与输入电压相位一致的给定功率，同时对逆变器输出功率进行 闭环控制，在功率闭环控制方法中，首先对系统功率低通滤波，然后对系统功率进行闭环控 审IJ，进而实现对输入电流的控制。（2)给定与输入电压相位一致的母线电流，同时，对母线电 流进行闭环控制。如采用PR控制器对母线电流进行闭环控制，采用重复控制策略对逆变器 母线电流进行了闭环控制。但是，在逆变器电机驱动系统中，由于逆变桥的开关特性，因而 母线电流和功率并不连续。此外，上述方法均需要对母线电流和功率进行截止频率较低的 滤波，因而系统较大的延时不可避免。同时，由于对电流电压缺乏控制，母线电压容易变负， 从而影响系统的可靠性。因此对减少或取消直流侧电容的交流电机驱动系统控制策略的研 究仍存在许多问题，缺乏能实际应用的解决方案。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种减少直流侧电容的交流电机驱动控制系 统及控制方法，用于减少或取消直流侧电容，从而减小系统体积重量，降低成本。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取W下技术方案:一种减少直流侧电容的交流电机驱 动控制方法，W传统永磁同步电机为例，其特征在于包括W下步骤:1)设置一包括交流电机 的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、速 度环PI调节器、锁相环、电容电压环PI调节器、q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器、 SVP丽模块和逆变器的控制系统；2)电流传感器将检测到的永磁同步电机的定子电流ia、ic 传输至坐标变换模块内，进行abc/地的坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流分量ia、ie; 3)在坐标变换模块内，根据接收到的由位置传感器传输至的永磁同步电机转子旋转过的电 角度9,对两相静止坐标系下的电流分量ia、ie再进行aP/dq坐标变换，得到两相同步旋转dq 坐标系下的电流检测值id、iq;4)永磁同步电机转子旋转过的电角度0输入至转速计算模块 内，对电角度0进行微分，得到转速反馈值5)将步骤4)得到的转速反馈值CO与预先给定 的转速指令值《气俞入至速度环PI调节器，经过运算处理得到转矩指令值《;6巧E动系统的 交流输入电压传输至锁相环后，获得其当前电压相位^ ;.7)根据步骤5)中得到的转矩指令 值梦和步骤6)得到的当前输入电压相位@，W及采集到的电容电压反馈值U。和转速反馈值 O，根据功率守恒原理，得到给定母线电流指令4声)根据步骤6)得到的当前电压相位0，计 算当前电容电压给定值ucref%9)将步骤8)得到的电容电压给定值UCref可日电容电压反馈值Uc 作为电容电压环PI调节器的输入，经过运算处理得到电流参考值<_;1〇)根据步骤8)中电容 电压给定值计算得到电容补偿电流4 ;11)将给定母线电流指令4、电流参考值4、电容补 偿电流4相加得到总的给定母线电流z': ： C =<1 在；12)根据步骤11)中得到的给定母线 电流（，利用功率守恒原理计算得到最终的转矩给定值根据步骤12)中的转矩给定 值這。f,结合当前电机转速，利用弱磁算法对d轴、q轴电流进行分配，得到d轴电流指令值4 和q轴电流指令值弓;14)将电流指令值<、电流指令值C分别与电流检测值iq、id比较，比较值 分别作为第=PI调节器内q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输入，经过运算处理 分别得到q轴电流环PI调节器、d轴电流环PI调节器的输出，即参考电压<、4,15)将参考 电压<、《;和转子旋转过的电角度巧俞入到SVPWM模块，由SVPWM模块计算出S相PWM占空 比，并将输出的相应的=相PWM波形输入到逆变器，由逆变器根据相应的=相PWM波形输出 =相电压到永磁同步电机，驱动永磁同步电机工作。
[0007] 所述步骤7)中，给定母线电流指令i:,
[0008] 所述步骤8 )中，当前电容电压给定值UCref*为：
[0010] 式中，Uo为驱动系统中的交流输入电压幅值。
[0011] 所述步骤10)中，电容补偿电流4:
[001引所述步骤12)中，转矩给定值C ;
[0015] 为实现上述目的，本发明还提供另一种技术方案：一种减少直流侧电容的交流电 机驱动控制系统，其特征在于包括:交流电机的驱动系统、交流电机、电流传感器、坐标变换 模块、位置传感器、转速计算模块、比较器、第一 PI调节器、锁相环、第二PI调节器、第=PI调 节器、SVPWM模块和逆变器;所述交流电机的驱动系统输出端与所述交流电机输入端之间设 置有所述电流传感器和位置传感器，所述电流传感器将采集到的定子电流传输至所述坐标 变换模块内，得到静止坐标系下的电流分量;所述位置传感器将检测到的电角度分别传输 至所述坐标变换模块和转速计算模块内，所述坐标变换模块将静止坐标系下的电流分量坐 标变换为同步旋转坐标系下的电流检测值，并输入比较器内；所述转速计算模块将电角度 计算得到转速反馈值;所述转速反馈值与预先给定的转速指令值输入所述第一 PI调节器 内，运算后