三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制系统及方法与流程

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制系统及方法。


背景技术：

2.传统的三相逆变器后级并不带有lc滤波器，从而导致传统不带lc滤波器的变频器电机参数辨识算法和开环矢量控制算法并不适应。当三相逆变器后级带有lc滤波器时，缺乏一种通用性好，低速带载能力强的电机全速度范围运行的控制策略。


技术实现要素：

3.有鉴于此，针对现有技术的缺陷，本发明提出一种三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制系统及方法，采用电压电流双闭环的控制策略，电机在零低速段采用恒电流频比控制，在中高速段采样恒压频比闭环控制，并且采用巧妙的切换方式保证切换平稳。本发明解决三相逆变器接lc滤波器带电机运行的通用性问题，不需要电机参数，由于零低速采用恒流控制，保证了启动过程电流的稳定和可控，低速带载能力强。本发明即适用于永磁同步电机也适用于异步电机等其他电机。
4.本发明提供的一种三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制系统及方法，系统包括：直流电源、三相igbt逆变桥、无编码器三相异步电机、电机负载和lc滤波电路；所述lc滤波电路包括滤波电感l和滤波电容c；
5.所述直流电源与所述三相igbt逆变桥的输入端电气连接；所述三相igbt逆变桥的输出端与所述lc滤波电路的输入端电气连接；所述lc滤波电路的输出端与所述无编码器三相异步电机电气连接；无编码器三相异步电机与负载通过联轴器连接；
6.所述三相igbt逆变桥控制采用芯片dsp。
7.一种三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制方法，具体包括以下步骤：
8.s101：采集滤波电感l上的三相电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
和滤波电容c上的三相电压信号v
a
、v
b
、v
c
；
9.s102：将三相电流信号和三相电压信号均依次经过clark和park变换，转换到两相旋转dq坐标系下，分别得到v
d
、v
q
和i
d
、i
q
；
10.s103：所述芯片dsp根据无编码器三相电机的当前转速和采集得到的v
d
、v
q
和i
d
、i
q
，采取不同的速度控制策略。
11.进一步地，步骤s103的控制策略具体为；
12.当无编码器三相异步电机转速v小于预设的第一阈值v1时，表示电机处于低速运转状态，此时所述芯片dsp根据采集的i
d
、i
q
，作给定频率和电流的恒流频比if控制。
13.进一步地，当无编码器三相异步电机转速v大于等于预设的第一阈值v1，小于预设的第二阈值v2时，表示电机处于中高速运转状态，此时所述芯片dsp根据采集的v
d
、v
q
、i
d
、i
q
，作给定频率和电压的恒压频比vf电压电流双闭环控制。
14.进一步地，所述芯片dsp作if控制时，采用q轴电压闭环一直运行，d轴电压闭环不工作，d轴和q轴电流闭环一直运行，q轴电压闭环输出作为q轴电流闭环的电流给定值i
q
*；d轴电流给定值i
d
*通过if设定的给定值i
set
*和q轴的电流反馈i
q
得到；q轴电压给定值v
q
*为0。
15.当无编码器三相异步电机从低速状态向中高速状态切换时，所述芯片dsp将d轴上的电压闭环pi调节器积分项赋值为当前检测到的d轴电流；d轴电压给定值v
d
*赋值为当前检测到的d轴电压反馈v
d
。
16.本发明的有益效果是：具有很强的通用性，是一种多种类型的电机和同种类型不同型号的电机都能全速度范围稳定运行的控制方法。
附图说明
17.图1是本发明控制系统的结构图；
18.图2是电机低速度if控制时的控制框图；
19.图3是电机中高速vf控制的控制框图；
20.图4是电机转速曲线图；
21.图5是电机电流局部放大图，第一个四分之一周期内，从上至下依次是a、b、c三相电流；
22.图6是电机转矩曲线示意图；
23.图7是电感电流局部示意图；
24.图8是输出线电压局部示意图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
26.请参考图1，三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制系统，包括以下：
27.直流电源、三相igbt逆变桥、无编码器三相异步电机、电机负载和lc滤波电路；所述lc滤波电路包括滤波电感l和滤波电容c；
28.所述直流电源与所述三相igbt逆变桥的输入端电气连接；所述三相igbt逆变桥的输出端与所述lc滤波电路的输入端电气连接；所述lc滤波电路的输出端与所述无编码器三相异步电机电气连接；无编码器三相异步电机与负载通过联轴器连接；
29.所述三相igbt逆变桥控制采用芯片dsp。
30.一种三相逆变器带无编码器电机全速度运行的控制方法，具体包括以下步骤：
31.s101：采集滤波电感l上的三相电流信号i
la
、i
lb
、i
lc
和滤波电容c上的三相电压信号v
a
、v
b
、v
c
；
32.s102：将三相电流信号和三相电压信号均依次经过clark和park变换，转换到两相旋转dq坐标系下，分别得到v
d
、v
q
和i
d
、i
q
；
33.[0034][0035][0036][0037]
式中，v
alfa
，v
beta
，i
alfa
，i
beta
为两相静止αβ坐标系下的电压电流分量，v
d
，v
q
，i
d
，i
q
为两相旋转dq坐标系下的电压电流分量；θ
e
为同步角位置；
[0038]
s103：所述芯片dsp根据无编码器三相电机的当前转速和采集得到的v
d
、v
q
和i
d
、i
q
，采取不同的速度控制策略。
[0039]
控制策略具体为；
[0040]
当无编码器三相异步电机转速v小于预设的第一阈值v1时，表示电机处于低速运转状态，此时所述芯片dsp根据采集的i
d
、i
q
，作给定频率和电流的恒流频比if控制。
[0041]
请参考图2，图2是电机低速度if控制时的控制框图；
[0042]
本发明在电机低速if控制时，采用q轴电压闭环一直运行，d轴电压闭环不工作，d轴和q轴电流闭环一直运行，q轴电压闭环输出为q轴电流闭环的电流给定值，d轴电流给定值由预先设计的if电流幅值决定，频率给定值通过斜坡上升的方式达到设定值；
[0043]
图1中θ
e
为同步角位置，u
d
，u
q
为电流环pi调节器的输出，u
alfa
，u
beta
为输出电压αβ坐标系下的分量，再经过svpwm调制发出pwm波驱动功率开关管。
[0044]
图中，为了保证逆变器无功分量为零，q轴电压给定值为零，q轴电压闭环pi调节器输出为q轴电流给定值d轴电流给定值通过if设定的给定值和q轴电流反馈i
q
得到，表达式为：
[0045][0046][0047]
当无编码器三相异步电机转速v大于等于预设的第一阈值v1，小于预设的第二阈值v2时，表示电机处于中高速运转状态，此时所述芯片dsp根据采集的v
d
、v
q
、i
d
、i
q
，作给定频率和电压的恒压频比vf电压电流双闭环控制。
[0048]
请参考图3，图3是电机中高速vf控制的控制框图；
[0049]
中高速的恒压频比控制(vf)，可以通过调节vf曲线，实现电机在额定转速下以额定电压输出。
[0050]
从低速下的if控制切换到中高速下的vf控制，从控制上将就是从if控制切换到电压电流双闭环的vf控制，切换过程中为了保证切换的平稳可靠，需要给电压闭环的电压给定及pi调节器积分项赋初值，为了保证切换瞬间的平稳可靠；
[0051]
当无编码器三相异步电机从低速状态向中高速状态切换时，所述芯片dsp将d轴上的电压闭环pi调节器积分项赋值为当前检测到的d轴电流；d轴电压给定值v
d
*赋值为当前
检测到的d轴电压反馈v
d
。
[0052]
设切换前一刻的d轴电压为v
d0
，切换前一刻的d轴电流为i
d0
，切换时的频率为f0，切换后d轴电压给定值初值为切换后d轴电压闭环pi调节器积分项初值为integ1，切换后的频率为f1，则切换前后的赋值关系表达式为：
[0053][0054]
三相逆变器带电机的低速if到中高速vf切换，实际上是将d轴电压外环投入使用，为了保证切换的稳定平滑，需要给d轴电压外环的给定电压和pi调节器的积分项赋初值，在切换整个过程中，频率保持不变。当切换完成之后，就可以根据当前的频率电压值和预先设定的vf曲线进行调节，调节频率调节电压将电机转速调节到设定目标值。
[0055]
下面提供一种实施例。
[0056]
通过matlab仿真分析，将无编码器三相异步电机的参数设置如下：
[0057]
电机额定功率4kw，额定电压380v，额定电流8.8a，额定转速1440rpm，定子电阻r
s
＝1.252ω，转子电阻r
r
＝0.933ω，定子电感l
s
＝0.1482h，转子电感l
r
＝0.1482h，等效互感l
m
＝0.1403h，转动惯量j＝0.0139kg
·
m2，直流母线电压700v。
[0058]
低速段先if控制电流幅值8a，在中速端某点切换到vf控制。本仿真频率切换点设为7.5hz处，即定子频率小于7.5hz采用if控制，幅值为8a，定子频率大于7.5hz采用vf控制，按照vf曲线输出。
[0059]
请参考图4
‑
图8，图4是电机转速曲线图；图5是电机电流局部放大图，第一个四分之一周期内，从上至下依次是a、b、c三相电流；图6是电机转矩曲线示意图；图7是电感电流局部示意图；图8是输出线电压局部示意图。
[0060]
本发明的有益效果是：具有很强的通用性，是一种多种类型的电机和同种类型不同型号的电机都能全速度范围稳定运行的控制方法。
[0061]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。