一种新型的直流串励电机控制系统及方法与流程

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种新型的直流串励电机控制系统及方法。

背景技术：

直流串励电机具有启动转矩大、过载能力强、转速高、体积小、重量轻等优点，因而广泛应用于各种工具中。但是由于直流串励电机具有电刷和换向器，在高速运行有环火、效率低、防护能力差、能量回馈效率低等缺点，使直流电机的使用受到很大的限制。特别是在大功率系统中，电机的换向控制往往采用大电流转换开关或接触器实现，在电机高速工作区域还需要采取磁场削弱电阻及接触器控制，以提高电机高速时转矩，电机制动时采用电阻能耗制动，会造成很大的能量丢失。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种新型的直流串励电机控制系统及方法，不仅能够无触点换向，还能无论电机是正转或反转的制动工况下都有很高的能量回馈，同时在电机高速运转时无须外加设备直接控制电机励磁电流，使其工作在弱磁状态，保证电机高速工作时的转矩。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案控制方法：

本发明提供了一种新型的直流串励电机控制系统，包括直流电源udc，包括：

串联连接在直流电源udc的第一支路和第二支路；

所述第一支路包括并联连接的第三支路和第四支路；

所述第三支路包括串联连接的第一igbt模块和第二igbt模块；

所述第四支路包括串联连接的第三igbt模块和第四igbt模块；

所述第一igbt模块和所述第二igbt模块之间连接平波电抗器l1的一端，所述第三igbt模块和所述第四igbt模块之间连接平波电抗器l1的另一端；

在所述平波电抗器l1的两端中的一端上串联有直流电机m。

进一步，所述第二支路包括并联连接的第五支路和第六支路；

所述第五支路，包括串联连接的第五igbt模块和第七二极管d7；

所述第六支路，包括串联连接的第八二极管d8和第六igbt模块；

所述第五igbt模块和所述第七二极管d7之间连接励磁电感lf的一端，所述第八二极管d8和所述第六igbt模块之间连接励磁电感lf的另一端。

进一步，所述直流电机m将反馈转速传输给第一系统调节器，所述直流电机m将反馈转矩传输给第二系统调节器，所述第一系统调节器和所述第二系统调节器分别连接有第一线性控制器和第二线性控制器。

进一步，所述直流电机m同时接收给定转速和所述反馈转速，并将所述给定转速和所述反馈转速的误差经过第一线性控制器之后得到转矩给定，所述转矩给定和所述反馈转矩之差经过第二线性控制器之后与三角波比较得到第一pwm和第二pwm。

进一步，所述第二支路的励磁电流反馈给第四系统调节器，所述励磁电流与电枢电流的差值经过第三线性控制器后与三角波比较得到第三pwm。

进一步，所述第一igbt模块包括并联连接的第一开关t1和第一二极管d1；所述第二igbt模块包括并联连接的第二开关t2和第二二极管d2；所述第三igbt模块包括并联连接的第三开关t3和第三二极管d2；所述第四igbt模块包括并联连接的第四开关t4和第四二极管d4；

所述第一pwm控制第一开关t1和第四开关t4；

所述第二pwm控制第二开关t2和第三开关t3。

进一步，所述第五igbt模块包括并联连接的第五开关t5和第五二极管d5；所述第六igbt模块包括并联连接的第六开关t6和第六二极管d6；

所述第三pwm控制第五开关t5和第六开关t6。

本发明还提供了一种新型的直流串励电机控制方法，包括以下步骤：

当直流电机正m正转时；

第一开关t1和第四开关t4开通时，uab的两端电压为电源电压udc，电源给直流电机m提供能量，电枢电流从电源正极出发，流经第一开关t1、平波电抗器l1、直流电机m，再从第四开关t4回到电源负极；在直流电机m正向转动后，当第二开关t2和第三开关t3开通时，uab的两端电压与电源电压udc相反，电枢电流从平波电抗器l1、直流电机m，第三开关t3流进电源的正极，再经过第二开关t2形成回路；

当第五开关t5和第六开关t6开通时，励磁电流从电源正极出发，流经第五开关t5、励磁绕组lf，再从第六开关t6回到电源负极；形成励磁电流，此时励磁电流与电枢电流一致，直流电机m正转；

当第五开关t5和第六开关t6关断时，励磁电流通过第七二极管d7和第八二极管d8续流，从电源的正极流入，从电源的负极流出，将能量回馈给电源。

进一步，还包括以下步骤：

当直流电机m反转时：

当第二开关t2和第三开关t3开通时，uba的两端电压为电源udc，电源给直流电机m提供能量，电枢电流从电源正极出发，流经第三开关t3，平波电抗器l1、直流电机m，再从第二开关t2回到电源负极；

在电机m反向转动后，当第一开关t1和第四开关t4开通时，uba的两端电压与电源电压udc相反，电枢电流从平波电抗器l1、直流电机m、第一开关t1流进电源的正极，再经过第四开关t4形成回路；

当第五开关t5和第六开关t6开通时，励磁电流从电源正极出发，流经第五开关t5、励磁绕组lf，再从第六开关t6回到电源负极，形成励磁励磁电流，直流电机m反转；

当第五开关t5和第六开关t6关断时，励磁电流通过第七二极管d7和第八二极管d8续流，从电源的正极流入，从电源的负极流出，将能量回馈给电源。

本发明的有益效果为：该新型的直流串励电机控制方法，通过电力电子器件，实现直流串励电机无触点平滑换向及高速弱磁控制，将换向与电机调制集成，降低系统的成本和热功耗，提高系统效率；

1)在主拓扑结构上采用6个igbt模块和两个二极管，其中四个igbt模块构成h桥，可以灵活控制电枢电流的大小和方向，实现直流电机的调速和正反转，另外两个igbt和两个二极管构成一个互补双半桥电路，用来控制励磁绕组电流的大小但不改变励磁电流的方向。与传统结构相比，该结构不仅可以控制励磁电流还可以控制电枢电流，具有更大的灵活性；

2)不管在正转还是反转的工况下，直流电机的电枢绕组和励磁绕组都会向电源回馈能量，只是此时直流电机向电源回馈的能量少于电源输出的能量，而当电机制动时，只需要将给定的速度设置为零，而此时直流电机向电源回馈的能量多于电源输出的能量，极大的节省了能量。

3)当电机工作在高速时需要进行弱磁控制，直接控制电机的励磁电流就可以简洁方便地实现电机弱磁控制。

附图说明

图1为本发明一种新型的直流串励电机控制的主电路拓扑结构示意图；

图2为双极性桥式可逆变换器的控制框图；

图3为互补双半桥电路控制框图；

图4为实施例一的电路框图；

图5为实施例一的电路框图；

图6为实施例一的电路框图；

图7为实施例一的电路框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种新型的直流串励电机控制系统，包括直流电源udc，包括：

串联连接在直流电源udc的第一支路1和第二支路2；

所述第一支路1包括并联连接的第三支路3和第四支路4；

所述第三支路3包括串联连接的第一igbt模块301和第二igbt模块302；

所述第四支路4包括串联连接的第三igbt模块303和第四igbt模块304；

所述第一igbt模块301和所述第二igbt模块302之间连接平波电抗器l1的一端，所述第三igbt模块303和所述第四igbt模块304之间连接平波电抗器l1的另一端；

在所述平波电抗器l1的两端中的一端上串联有直流电机m。

所述第二支路2包括并联连接的第五支路5和第六支路6；

所述第五支路5，包括串联连接的第五igbt模块305和第七二极管d7；

所述第六支路6，包括串联连接的第八二极管d8和第六igbt模块306；

所述第五igbt模块305和所述第七二极管d7之间连接励磁电感lf的一端，所述第八二极管d8和所述第六igbt模块306之间连接励磁电感lf的另一端。

所述直流电机m将反馈转速传输给第一系统调节器501，所述直流电机m将反馈转矩传输给第二系统调节器502，所述第一系统调节器501和所述第二系统调节器502分别连接有第一线性控制器601和第二线性控制器602。

所述直流电机m的控制同时接收控制系统的给定转速和所述反馈转速，并将所述给定转速和所述反馈转速的误差经过第一线性控制器601之后得到转矩给定，所述转矩给定和所述反馈转矩之差经过第二线性控制器602之后与三角波比较得到第一pwm和第二pwm。

所述第二支路2的励磁电流反馈给第四系统调节器504，所述励磁电流与电枢电流的差值经过第三线性控制器603后与三角波比较得到第三pwm。

所述第一igbt模块301包括并联连接的第一开关t1和第一二极管d1；所述第二igbt模块302包括并联连接的第二开关t2和第二二极管d2；所述第三igbt模块303包括并联连接的第三开关t3和第三二极管d2；所述第四igbt模块304包括并联连接的第四开关t4和第四二极管d4；

所述第一pwm控制第一开关t1和第四开关t4；

所述第二pwm控制第二开关t2和第三开关t3。

所述第五igbt模块305包括并联连接的第五开关t5和第五二极管d5；所述第六igbt模块306包括并联连接的第六开关t6和第六二极管d6；

所述第三pwm控制第五开关t5和第六开关t6。

其中，当第一开关t1和第四开关t4开通时，uab两端电压为电源电压udc，当t2、t3开通时，uab两端电压为电源电压-udc，即在一个周期内具有正负相间的脉冲波形。通过改变切换电枢电流的方向，其中平波电抗器l1保证电枢电流不会出现电流断续的现象。

给定转速ωref与反馈转速ωfdb的误差经过第一线性控制器601之后得到转矩给定，转矩给定与反馈转矩te之差经过第二线性控制器602之后与三角波比较得到第一pwm和第二pwm，其中第一pwm控制第一开关t1和第四开关t4；第二pwm控制第二开关t2和第三开关t3。

第二支路2的互补双半桥电路控制励磁绕组电流大小，但不改变励磁绕组电流的方向。通过电流反馈控制励磁电流与电枢电流相等，电流反馈控制电路请参阅图3，以电枢电流的大小ia为给定，励磁电流if的大小作为反馈，励磁电流与电枢电流的差值经过第三线性控制器603后与三角波比较即可得到第三pwm和第四pwm，其中，第三pwm控制第五开关t5，第四pwm控制第六开关t6。

由直流串励电机的原理可以知道，励磁电流和电枢电流方向相同时，直流电机就正转，但是只要励磁电流和电枢电流其中之一的方向发生改变电机就反转。

实施例一

一种新型的直流串励电机控制方法：

当直流电机m正转时；

当第一开关t1和第四开关t4开通时，电枢电流的方向请参阅图4，uab的两端电压为电源电压udc，电源给直流电机m提供能量，电枢电流从电源正极出发，流经第一开关t1、平波电抗器l1、直流电机m，再从第四开关t4回到电源负极；

在直流电机m正向转动后，当第二开关t2和第三开关t3开通时，电枢电流的方向请参阅图5，uab的两端电压与电源电压udc相反，因为电枢电流的方向保持不变，电枢电流从平波电抗器l1、直流电机m，第三开关t3流进电源的正极，再经过第二开关t2形成回路，电枢电流是流入电源的正极，故直流电机m向电源回馈能量；

当第五开关t5和第六开关t6开通时，励磁电流的方向请参阅图6，电源给励磁绕组提供能量，励磁电流从电源正极出发，流经第五开关t5、励磁绕组lf，再从第六开关t6回到电源负极；形成励磁电流，此时励磁电流与电枢电流一致，直流电机m正转

当第五开关t5和第六开关t6关断时，励磁电流的方向请参阅图7，励磁电流通过第七二极管d7和第八二极管d8续流，从电源的正极流入，从电源的负极流出，将能量回馈给电源。

当直流电机m反转时；

当第二开关t2和第三开关t3开通时，电枢电流的方向与图4相反，uba的两端电压为电源电压udc，电源给直流电机m提供能量，电枢电流从电源正极出发，流经第三开关t3、平波电抗器l1、直流电机m，再从第二开关t2回到电源负极；

在电机m反向转动后，当第一开关t1和第四开关t4开通时，电枢电流的方向与图5相反，uba的两端电压与电源电压udc相反，因为电枢电流的方向保持不变，电枢电流从平波电抗器l1、直流电机m，第一开关t1流进电源的正极，再经过第四开关t4形成回路，电枢电流是流入电源的正极，故直流电机m向电源回馈能量；

当第五开关t5和第六开关t6开通时，励磁电流的方向请参阅图6，电源给励磁绕组提供能量，励磁电流从电源正极出发，流经第五开关t5、励磁绕组lf，再从第六开关t6回到电源负极，形成励磁电流，此时励磁电流与电枢电流相反，直流电机m反转；

当第五开关t5和第六开关t6关断时，励磁电流的方向请参阅图7，励磁电流通过第七二极管d7和第八二极管d8续流，从电源的正极流入，从电源的负极流出，将能量回馈给电源。

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本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。