一种调压调磁电机控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种调压调磁电机控制方法，属于电机控制【技术领域】。本发明以异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直流电机等交流电机为控制对象，以气隙磁链和瞬时转矩作为控制变量，在三相逆变桥前级加入一个能够输出多种离散直流电平的DC/DC变换器，通过切换前级变换器电平的方法控制气隙磁链的旋转速度，实现调压调磁，有效降低了斩波频率，并且能够在起动时实现软起动。本方法不需要位置传感器，控制简单，并且能够同时适应异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直流电机等交流电机，通用性很强。
【专利说明】一种调压调磁电机控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机控制【技术领域】，尤其涉及一种调压调磁电机控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，在传动领域，由机械传统、液压传统、气压传统以及电力传动各分天下的 时代正在逐步过渡到以电力传统为主时代。电力传统的核心部件之一是电机驱动器。高性 能的电机驱动器一直是传动领域的研究热点。
[0003] 目如，提1?驱动器性能的方法的主要思路是，提1?效率、提1?可罪性、提1?调速范 围、提高控制精度以及简化算法。提高效率就是指要降低损耗，这里的损耗主要只开关损 耗、铁损以及铜损。提高可靠性的关键包含了软起动、散热以及EMI三个问题。控制器发热 主要是由于功率管开通或关断时损耗而引起，而EMI问题很大程度上也是由于开关频率过 1?而引起，调速范围的大小也与开关频率息息相关，所以提1?控制性能的一大关键在于在 保证控制性能的情况下降低开关频率。
[0004] 现有的电机控制方法往往是直接对逆变器进行斩波控制，这样做一是开关频率较 高，不但开关损耗大，而且无法实现较高的调速范围。二是起动时为硬起动，无法适用于电 感很小的电机，然而体积重量较小的电机往往电感都较小，因此会使得可靠起动和体积小 重量轻成为矛盾。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中的缺陷，提供一种调压调磁电机控 制方法，能够在开关频率较低的的情况下获得良好的控制性能，并实现软起动，且无需位置 传感器、动态响应快、鲁棒性强。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/DC变换器和三相逆变桥， 所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择表，包含以下步骤： 步骤1 )，多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高 低电平，分别作为"高速电压矢量"和"低速电压矢量"； 步骤2)，控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转 矩和瞬时转速； 步骤3)，控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选 择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切 换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向； 步骤4)，控制器将给定转速减去步骤2)中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节 器调节得到给定转矩； 步骤5)，控制器将给定转矩减去步骤2)中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制 器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号； 步骤6)，转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使 得母线电压在"高速电压矢量"和"低速电压矢量"之间不停切换； 步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得转速和转矩处于闭环控制状态。
[0007] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果： 1、 采用前级多电平DC/DC变换器为逆变器供电，根据实时转速选择母线电平，实现了 软起动，避免了电流过冲； 2、 无需位置传感器，降低了系统的体积和成本和对控制器的要求； 3、 采用了调节母线电压调磁链旋转速度的方式，由于"高速电压矢量"和"低速电压矢 量"的作用时间较长，因此有效降低了开关频率； 4、 算法简单、鲁棒性强、动态响应快； 5、 能够适用于多种类型的电机，包括异步电机、正弦波永磁同步电机以及方波无刷直 流电机。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为本发明的电气连接图； 图2为电压空间矢量在本控制方法中的作用示意图； 图3为本发明提出控制方法在某相区内的等效电路； 图4为本发明提出控制方法的控制框图。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 如图4所示，本发明公开了一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/ DC变换器和三相逆变桥，所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择 表，包含以下步骤： 步骤1 )，多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高 低电平，分别作为"高速电压矢量"和"低速电压矢量"； 步骤2)，控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转 矩和瞬时转速； 步骤3)，控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选 择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切 换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向； 步骤4)，控制器将给定转速减去步骤2)中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节 器调节得到给定转矩； 步骤5)，控制器将给定转矩减去步骤2)中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制 器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号； 步骤6)，转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使 得母线电压在"高速电压矢量"和"低速电压矢量"之间不停切换； 步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得转速和转矩处于闭环控制状态。
[0010] 本发明通过对前级多电平DC/DC变换器的电平切换，实现多种离散的母线电平交 替作用于电机，进而实现气隙磁链转速和瞬时转矩的控制。
[0011] 母线电平的值决定了电压空间矢量的模值，电压空间矢量对电机气隙磁链的作用 如图1所示，其中，UX为电压空间矢量，Fs为气隙磁链，^为转子磁链，Θ为转矩角。气隙 磁链F s在电压空间矢量ux的作用下，沿着ux的方向运动，运动速度由ux大小所决定。而 转子磁链^在电磁转矩的作用下朝着气隙磁链运动的方向旋转，旋转速度等同于转速。因 此在一段时间T内，两者运动电角度路程差如式（1)所示。 " O.SiuT
[0012] Δ0 = Zarcsin-:--ωΤ (1) Ρδ 其中，《Fs为反电势项，由转速和气隙磁链值决定。Θ为转矩角，其值与电磁转矩大小 成正比。
[0013] 从式（1)可以看出，稳态时，电角度路程差仅仅取决于电压空间矢量ux，因此，电压 空间矢量^能够使得△ Θ发生变化，进而使瞬时转矩发生变化，这是直接转矩控制最基本 的依据。传统直接转矩控制方案中，常采用有效电压矢量和零矢量交替作用的方式来控制 Δ Θ进而控制电磁转矩。
[0014] 对于电机来说，以其运行在高速状态为例：高速运行时，其往往工作在定子线反电 势比较接近于母线电压的状态，也就是说，《Fs的值接近于母线电压值而远离零值，那么采 用传统控制方案时，就是使得零矢量的作用时间很短，造成瞬时开关频率过大。
[0015] 本发明所提出的控制方案等效电路如图2所示，前级多电平DC/DC变换器能够输 出η个不同的离散直流电平，且…〉
[0016] 设功率管TN切换到1时为"导通状态"、切换到2时为关断状态，那么可以通过选 择不同的功率管T N导通以选择不同的直流电平作用于母线。例如，如果将τ3至TN全部关 闭，τ 2保持恒通，1\进行斩波，那么便可以实现母线电压在^和^之间不停的切换，实现 切换母线电平的功能。
[0017] 本发明中的控制算法框图如图3所示，虚线框部分为直接转矩控制算法部分，该 部分与传统直接转矩控制方法类似。利用Clark变换以及反电势积分环节得到气隙磁链 Fs，再利用气隙磁链和定子电流估计得到电磁转矩的瞬时值Te。然后将气隙磁链通过合适 的坐标变换得到换向信号，并藉此选择三相逆变桥的导通开关，实现电机换向。给定转速V* 经过与实际转速v比较，再经PI调节后得到电磁转矩的给定值Te*。给定电磁转矩Te*通 过与估计得到的电磁转矩Te相比较得到Λ T，在通过转矩滞环控制器生成用于调节瞬时电 磁转矩的斩波控制信号。
[0018] 下面结合图3说明本控制方案的工作原理。起动阶段，由于转速为零，因此控制系 统会对保持?\至全部关断，并对ΤΝ进行斩波，即选择最小的电平V#作为起动用的高速 电压矢量，选择零电平作为低速电压矢量，即高速电压矢量和低速电压矢量的组合为α Ν， 〇)。随着转速逐渐增高，控制器会调整高速电压矢量和低速电压矢量的组合到 在逐渐调整到)以此类推，使得气隙磁链慢慢加速直到稳态，实现软起动，避免 电流过冲。
[0019] 当电机进入稳态控制后，转速一定，假设此时控制器选择Vd和V&两个电平分别作 为高速电压矢量和低速电压矢量。控制器将控制τ2恒通，并对?\进行斩波控制，斩波控制 信号由转矩滞环控制器提供，开关管Τ 3至ΤΝ全部关断。母线电平不停的在L和V&之间进 行切换，由此实现了低开关频率下的气隙磁链和瞬时转矩控制。
[0020] 如果出现负载突变或者转速给定突变的情况，控制器可以根据转速比较器和转矩 比较器的输出值来判断，电机是否运行在稳态。如果电机运行在暂态，那么就选择对气隙磁 链作用更强的母线电平来加快动态响应。例如，负载突卸时，转矩比较器的输出值ΛΤ将瞬 间变大，这时可以直接切换到零电平，迫使气隙磁链停止，使得电磁转矩Te快速减小，提高 转矩的动态响应。
【权利要求】
1. 一种调压调磁电机控制方法，包含电机、控制器、多电平DC/DC变换器和三相逆变 桥，所述控制器包含转速PI调节器、转矩滞环控制器以及区间选择表，其特征在于包含以 下步骤： 步骤1 )，多电平DC/DC变换器根据电机的当前转速选择两个最接近当前反电势值的高 低电平，分别作为"高速电压矢量"和"低速电压矢量"； 步骤2)，控制器根据相电压、相电流的采样信号计算得到电机的瞬时气隙磁链、瞬时转 矩和瞬时转速； 步骤3)，控制器根据所述瞬时气隙磁链计算其在空间坐标轴中的投影值后，在区间选 择表中查找到该投影值对应的三相逆变桥功率管的导通状态，并将三相逆变桥的功率管切 换到该导通状态，以此控制气隙磁链的旋转方向； 步骤4)，控制器将给定转速减去步骤2)中计算得到的瞬时转速后，经过其转速PI调节 器调节得到给定转矩； 步骤5)，控制器将给定转矩减去步骤2)中计算得到的瞬时转矩，输入其转矩滞环控制 器后得到控制气隙磁链旋转速度的斩波控制信号； 步骤6)，转矩滞环控制器输出斩波控制信号对多电平DC/DC变换器进行斩波控制，使 得母线电压在"高速电压矢量"和"低速电压矢量"之间不停切换； 步骤7)，重复步骤1)至步骤6)，使得转速和转矩处于闭环控制状态。
【文档编号】H02P21/06GK104113254SQ201410296150
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】顾聪, 王晓琳 申请人:南京航空航天大学