一种基于桥式电路的电机电流控制方法与流程

[0001]
本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种基于桥式电路的电机电流控制方法。


背景技术：

[0002]
在磁感应线圈中产生稳定且动态响应性能较好的安培力是磁悬浮列车安全稳定运行的关键，因此需要通过磁感性线圈中的电流精确、稳定且动态性能较好。要想使得磁感性线圈中的电流精确、稳定，就需要避免感应线圈出现磁饱和及通过的电流出现剧烈变化的现象，磁饱和的出现会使得通过感性线圈中的电流持续增大，失去控制，从而使得电机温度持续升高，进而引起一些比较严重的后果，感性线圈中的电流剧烈变化会使得列车在运行过程中的速度跟着剧烈变化，乘客在乘坐期间会感到强烈的颠簸感，影响乘坐体验。因此对电机电流控制方法的研究是很有必要的。
[0003]
相关技术中，提出了不同的电机电流控制方法，如发明专利(公开号：cn111049458a)提出一种基于变矢量作用时长的电机电流控制方法，该方法使用零阶保持器离散化电机数学模型并建立dq轴电流分量与矢量作用时间t的关系，选出使代价函数最小的电压矢量作为输出以此控制电机电流。该电机电流控制方法在一定条件下可实现对电机电流的控制，但过程比较复杂，精准度也不太理想，因此如何简单、精准地实现电机电流的调控成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明旨在解决如何简单、精准地实现电机电流的调控的问题。
[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于桥式电路的电机电流控制方法，包括：构建桥式拓扑电路，其中，所述桥式拓扑电路包括第一桥臂、第二桥臂、电机中的线圈电感和电机中的线圈电阻，所述第一桥臂包括2个功率半导体igbt以及2个功率二极管，所述第二桥臂包括2个功率半导体igbt以及2个功率二极管；获取电机给定电流和电机实测电流，并计算两者之间的差值；根据所述差值的正负和大小，调控所述第一桥臂和所述第二桥臂中各个功率半导体igbt工作状态。
[0006]
在上述技术方案中，优选地，所述根据所述差值的正负和大小，调控所述第一桥臂和所述第二桥臂中各个功率半导体igbt工作状态的步骤包括：若差值eo＞0、且(i
g-i
r
)/i
g
×
100％＞δi
th
，于每一控制周期t内控制所述第一桥臂中的2个功率半导体igbt导通时间为t
on1
、关断时间为t
off1
、所述第二桥臂中的2个功率半导体igbt常开，直至(i
g-i
r
)/i
g
×
100％＜δi
th
，t
on1
+t
off1
＝t，δi
th
为阈值；若差值eo＜0、且(i
r-i
g
)/i
g
×
100％＞δi
th
，于每一控制周期t内控制所述第一桥臂中的2个功率半导体igbt常断、所述第二桥臂中的2个功率半导体igbt导通时间为t
on2
、关断时间为t
off2
，直至(i
g-i
r
)/i
g
×
100％＜δi
th
，t
on2
+t
off2
＝t，δi
th
为阈值；若|i
g-i
r
|/i
g
×
100％＜δi
th
，于每一控制周期t内控制所述第一桥臂中的2个功率半导体igbt常断、所述第二桥臂中的2个功率半导体igbt常开。
[0007]
通过以上技术方案，可根据电机给定电流i
g
与电机电流i
r
的差值eo的正负控制不同桥臂的导通，并根据差值eo的大小控制桥臂的导通时间，从而使得电机电流与给定电流的相对误差在所设定的阈值δi
th
范围之内，整个调控过程精度高、动态响应性能好，可有效避免电机出现磁饱和及电流剧烈震荡现象的发生，可广泛应用于以电机作为主要驱动装置的电动汽车、磁悬浮列车的控制系统中。
附图说明
[0008]
为了使本发明所解决的技术问题、采用的技术手段及取得的技术效果更加清楚，下面将参照附图详细描述本发明的具体实施例。但需声明的是，下面描述的附图仅仅是本发明本发明示例性实施例的附图，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
[0009]
图1示出了根据本发明的实施例的桥式拓扑电路的电路结构图；
[0010]
图2示出了根据本发明的实施例的基于桥式电路的电机电流控制方法的示意流程图；
[0011]
图3示出了本实施例中(i
g-i
r
)/i
g
×
100％＞δi
th 0～t
on1
时间段内电流流经轨迹图；
[0012]
图4示出了本实施例中(i
r-i
g
)/i
g
×
100％＞δi
th t
on1
～t
off1
时间段内电流流经轨迹图；
[0013]
图5示出了本实施例中|i
g-i
r
|/i
g
×
100％＜δi
th t
on2
～t
off2
时间段内电流流经轨迹图；
[0014]
图6示出了图1所示电路的局部电路原理图；
[0015]
图7示出了电机电流在不同给定电压下的测量值对比图；
[0016]
图8示出了电机电流在不同频率下的thd值对比图；
[0017]
图9为本实施例中10hz下给定电压与电机电流波形图；
[0018]
图10为本实施例中50hz下给定电压与电机电流波形图；
[0019]
图11为本实施例中100hz下给定电压与电机电流波形图；
[0020]
图12为本实施例中300hz下给定电压与电机电流波形图。
具体实施方式
[0021]
现在将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例能够使得本发明更加全面和完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而将省略对它们的重复描述。
[0022]
在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的特征、结构、特性或其他细节不排除可以以合适的方式结合在一个或更多其他的实施例中。
[0023]
在对于具体实施例的描述中，本发明描述的特征、结构、特性或其他细节是为了使本领域的技术人员对实施例进行充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以实践本发明的技术方案而没有特定特征、结构、特性或其他细节的一个或更多。
[0024]
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0025]
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0026]
以下结合图1至图11对本发明的技术方案做进一步说明：
[0027]
基于桥式电路的电机电流控制方法具体包括以下步骤：
[0028]
步骤一、构建桥式拓扑电路
[0029]
该桥式拓扑电路包括第一桥臂、第二桥臂、电机中的线圈电感l和电机中的线圈电阻r，其中，第一桥臂包括2个功率半导体igbt s1、s2以及2个功率二极管d1、d2，第二桥臂包括2个功率半导体igbt s3、s4以及2个功率二极管d3、d4。具体的电路结构如图1所示，igbt s1和s2、s3和s4分别并联连接，功率二极管d1和d2、d3和d4分别并联连接，igbt s1和s2的发射极与功率二极管d1和d2的阴极相连接，功率二极管d1和d2的阳极与igbt s3和s4的发射极相连接，igbt s3和s4的集电极与功率二极管d3和d4的阳极相连接，功率二极管d3和d4的阴极与igbt s1和s2的集电极相连接，电感l和电阻r串联连接后两端分别与功率二极管d1和d2的阴极和功率二极管d3和d4的阳极相连接，控制电路根据电机给定电流i
g
与电机实测电流i
r
的差值eo的正负和大小控制不同桥臂的导通及导通时间。
[0030]
步骤二、电机电流控制策略
[0031]
根据电机实测电流与给定电流的差值作为判据，电流传感器将电机电流反馈至控制电路，控制电路将给定电流与电机电流进行比较，得出一个差值eo，eo的值与控制电路中正负三角波进行与计算，从而产生频率固定、占空比变化的pwm(pulse width modulation)控制信号，控制igbt的导通或关断，具体调控过程如图2所示。根据eo的值分以下三种情况讨论：
[0032]
1、eo＞0、且(i
g-i
r
)/i
g
×
100％＞δi
th
[0033]
此时电机实测电流小于给定电流，在一个控制周期t内，控制电路发出pwm控制信号，控制igbt s3和s4常开，控制igbt s1和s2的导通时间为t
on1
，关断时间为t
off1
。此时有：
[0034]
t
on1
+t
off1
＝t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0035]
1.1、0～t
on1
时间段内，igbt s1和s2导通，电流经电压源的正极、igbt s1、igbt s2、电感l、电阻r、igbt s3、igbt s4回到电压源的负极，形成回路，如图3所示。此时电感电流变化量δi
r
有：
[0036][0037]
其中，u表示电感两端电压。
[0038]
1.2、t
on1
～t
off1
时间段内，igbt s1和s2关断，此时电流经电感l、电阻r、igbt s3、igbt s4、功率二极管d1和d2回到电感l，形成回路。如图4所示。由于二极管的钳位作用，此时电感两端电压近似等于二极管两端的压降，即几乎为0v。根据公式(2)可知，电感电流变化量δi
r
在t
on1
～t
off1
时间段内几乎不再变化，等于0～t
on1
时间段内电感电流变化量。待下一个控制周期到来时，电感电流i
r
会重复1.1～1.2的过程，直至给定电流i
g
与电感电流i
r
的
差值在所设定的阈值内。
[0039]
2、eo＜0、且(i
r-i
g
)/i
g
×
100％＞δi
th
[0040]
此时电机实测电流大于给定电流，在一个控制周期t内，控制电路发出pwm控制信号，控制igbt s1和s2常断，控制igbt s3和s4的导通时间为t
on2
，关断时间为t
off2
。此时有：
[0041]
t
on2
+t
off2
＝t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
2.1、0～t
on2
时间段内，igbt s3和s4导通，电流经电感l、电阻r、igbt s3、igbt s4、功率二极管d1和d2回到电感l，形成回路。由于二极管的钳位作用，此时电感两端电压近似等于二极管两端的压降，即几乎为0v。根据公式(2)可知，电感电流变化量δir在0～t
on2
时间段内几乎不再变化，此时电流流向与图4相同。
[0043]
2.2、t
on2
～t
off2
时间段内，igbt s3和s4关断，电流经电感l、电阻r、功率二极管d3和d4、电压源回到电感l，形成回路。如图5所示。此时电感l对电压源进行充电，将多余的能量转移至电压源中，根据
[0044]
e
l
＝0.5
×
l
×
i
r2
ꢀꢀꢀ
(4)
[0045]
其中，e
l
表示电感中储存的能量。
[0046]
当电感中的能量减少时，电感电流i
r
也会随着减少，待下一个周期到来时，电感电流i
r
会重复2.1～2.2的过程，直至给定电流i
g
与电感电流i
r
的差值在所设定的阈值内。
[0047]
3、eo的值在所设定的阈值δi
th
之内，即|i
g-i
r
|/i
g
×
100％＜δi
th
[0048]
在一个控制周期t内，控制电路发出pwm控制信号，控制igbt s1和s2常断，控制igbt s3和s4常开。电流经电感l、电阻r、igbt s3、igbt s4、功率二极管d1和d2回到电感l，形成回路。由于二极管的钳位作用，此时电感两端电压近似等于二极管两端的压降，即几乎为0v。根据公式(2)可知，电感电流变化量δi
r
几乎不再变化，此时电流流向与图4相同。
[0049]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0050]
此实施中：
[0051]
令电压源电压为直流300v，给定电流为0-30a，pwm频率为19.5khz。要求电机电流i
r
精度控制在
±
3％，信噪比大于40db。需要说明的是在此实施例中是以给定电压的形式间接反应给定的电流，并且给定电压是给定电流的1/3。比如给定电压为0.5v，即表示给定电流为1.5a。其拓扑电路的局部电路原理如图6所示。在此实施例中，每隔0.5v给定电压，即1.5a电流间隔对电机电流i
r
进行测量，测量结果如图7所示，由图7中的测量数据可以看出，电机电流ir精度都在
±
2％以内，信噪比都在40db以上，测量结果很好地满足了预期。
[0052]
2、令电压源电压为直流300v，给定电流为正弦电流，直流偏移15a，幅值15a，pwm频率为19.5khz。要求给定电压与电机电流的相位差小于5
°
，电机电流的thd(total harmonic distortion)小于1％。需要说明的是在此实施例中是以给定电压的形式简洁反应给定的电流，并且给定电压是给定电流的1/3。对电路板在不同频率给定电压下的电机电流波形进行测量，测量结果分别如图9、图10、图11、图12所示。其中，电机电流在不同频率下的thd如图8所示。
[0053]
从图9～图12可以看出，给定电压与电机电流的相位差在10hz、50hz、100hz、300hz下都在1
°
以内，电机电流在不同频率下的thd都小于1％。测量结果很好地满足了预期。
[0054]
因此本发明所提出的基于桥式电路的电机电流控制方法，电机电流控制精度高、
动态响应性能好，可有效避免电机出现磁饱和及电流剧烈震荡现象的发生，确保电机安全可靠、稳定的运行。
[0055]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，本发明不与任何特定计算机、虚拟装置或者电子设备固有相关，各种通用装置也可以实现本发明。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。