CN104038108A - 一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其电机侧对大功率双凸极电机不产生明显的冲击现象，保证大功率双凸极电机的可靠起动运行，同时保证网侧的功率因数，有效提高***的可靠性，其将软启动开关、输入滤波器、网侧变换器连接网侧控制器形成网侧控制***，将双凸极电机、机侧变换器连接机侧驱动器形成机侧控制***，网侧控制***一侧连接电网，网侧变换器与机侧变换器通过直流滤波电容解耦连接，网侧控制***和机侧控制***通过控制端口进行信号交互，相互协调进行控制，当直流侧输出电压恒定时，双凸极电机的起动电流设置为额定值，工作于最大转矩起动控制方式，快速完成双凸极电机的起动控制。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法。
背景技术
随着电机驱动***的应用领域越来越广发，在大功率驱动场合，如中央空调驱动***、大型机床驱动***等场合，由于驱动***容量非常大，传统的电机驱动变频器采用的交直交变换器***中，网侧交流转换为直流的变换器采用二极管整流方式，由于二极管的非线性特性，将在电网中产生大量的高次谐波电流，对电网产生严重的谐波污染和无功增加，危害电网的电能质量。为了保证电网和大功率电机驱动用电设备的安全经济运行，世界各国均制定了相应的谐波标准，对大功率电机驱动***的输入端性能作出严格的限制，输入端功率因数和输入端电流各次谐波的含量都作出了具体的限定。传统大功率电机驱动***中通过增加有源或无源滤波器，一定程度上抑制了电网侧的谐波，并能够进行无功功率控制，但是滤波器无法从根本上解决谐波产生的问题。因此在一些大功率电机驱动***中，通过网侧增加功率因数校正环节，如在大功率电机驱动***的网侧整流器之后，增加一级基于Boost电路的功率因数校正电路，可以有效提高网侧的功率，并实现直流侧电网的稳定控制。但是随着电机驱动***的容量越来越大，基于Boost电路的功率因数校正电路中储能电感体积重量大幅增大，并且器件耐受的电压、电流应力也越大，传统的基于Boost 电路的功率因数校正电路逐渐开始被PWM整流电路所取代。PWM整流器实现了网侧电流功率因数的正弦化，并且运行于单位功率因数，真正实现了电网侧绿色电能的转换，能够有效减小大功率电机驱动***运行过程对电网的影响。
双凸极电机作为一种新型结构电机，是在开关磁阻电机的基础上衍生而来，具有结构简单，转子无绕组（或永磁体），可靠性高等优点，非常适合用于高速、大功率应用场合的驱动电机。然后，由于定子结构与开关磁阻电机的差异，双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩控制特性和***控制规律等方面与开关磁阻电机比较有本质的区别，在控制上，双凸极电机与无刷直流电机相近，其性能上与直流电机调速***相近，相比较其他类型结构，双凸极电机突出电机成本、可靠性优势，使其成为大功率电机驱动***中的重要选择电机。
由双凸极电机构成的大功率电机驱动***，为减小其对电网侧的影响，需要在前级增加PWM整流器，实现网侧功率因素的控制，因此构成的驱动***包括网侧***和电机侧***，网侧和电机侧***通过直流滤波电容进行解耦，连接构成大功率双凸极电机驱动***。然而，该***中由于网侧PWM整流器控制过程中，开机过程由于直流滤波电容电压为零，类似于传统二极管整流构成的交直变换***，PWM整流器需要增加软起动开关，防止直流滤波电容充电过程产生尖峰电流，威胁网侧变换器的工作，并影响电网的谐波特性；机侧***类似于传统的无刷直流电机驱动***，需要通过对双凸极电机的电流闭环进行限定控制，实现起动功能。通常分别对大功率双凸极电机的网侧和机侧***分别进行控制，网侧***独立控制实现交流到直流电能的转换，机侧***将直流电能转换为双凸极电机驱动电流输出，但是在大功率双凸极电机起动过程，机侧***等效为网侧***的负载，在起动过程将机侧和网侧***独立进行控制将存在以下问题：
（1）网侧***独立控制将电网交流电转换为直流电之后，由于PWM整流器的升压特性，导致机侧***的直流侧电压很高，直接作为双凸极电机的驱动电源，在起动初始阶段，由于电机转速很低，并且大功率变换器的开关频率有限，电流闭环控制难以限定双凸极电机的起动电流，极易对机侧***产生严重冲击，威胁***的安全运行；
（2）对于网侧***来，若机侧***直接挂于直流侧作为其负载，从直流侧建压开始即对机侧电机进行起动控制，此时由于机侧大功率双凸极电机的反电势较低，其等效为大功率R、L负载，等效给网侧***增加大负载。为保证网侧PWM变换器的可靠建压，通常需要在轻载或者空载减小，建立直流侧输出电压，若在建压初始就加上机侧的大功率R、L负载，将导致PWM整流器建压过程中网侧产生严重的过流现象，对其软起动开关的电流需求很大，导致软启动产生过热，无法正常运行，并且影响到网侧***的正常建压。
因此在大功率双凸极电机驱动***，需要有效协调网侧和机侧***的控制，既能够保证网侧***的安全、可靠建压，又能够实现电机侧***中大功率双凸极电机的可靠起动控制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其电机侧对大功率双凸极电机不产生明显的冲击现象，保证大功率双凸极电机的可靠起动运行，同时保证网侧的功率因数，有效提高***的可靠性。
其技术方案是这样的：一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其特征在于，将软启动开关、输入滤波器、网侧变换器连接网侧控制器形成网侧控制***，将双凸极电机、机侧变换器连接机侧驱动器形成机侧控制***，所述网侧控制***一侧连接电网，所述网侧变换器与所述机侧变换器通过直流滤波电容解耦连接，所述软启动开关上设置电压传感器、电流传感器和位置传感器，所述直流滤波电容上设置电压传感器，所述双凸极电机上设置电流传感器和位置传感器，所述软启动开关上的所述电压传感器、电流传感器和位置传感器和所述直流滤波电容上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给所述网侧控制器进行处理计算实现直流侧输出电压的控制，所述双凸极电机上的所述电流传感器、位置传感器和所述直流滤波电容上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给所述机侧驱动器进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制，所述网侧控制***和所述机侧控制***通过控制端口进行信号交互，相互协调进行控制，当直流侧输出电压恒定时，双凸极电机的起动电流设置为额定值，使其工作于最大转矩起动控制方式，快速完成双凸极电机的起动控制。
其进一步特征在于，所述网侧控制器进行处理计算实现直流侧输出电压的控制的步骤包括：
（1）当所述直流滤波电容上的电压传感器采集到的直流侧输出电压udc小于软启电压usoft时，电网电压E通过软启动开关上的限流电路给直流滤波电容充电建压，并输出信号给所述机侧控制***使其处于关机状态，封锁机侧变换器的驱动信号，保证直流侧的可靠减压；
（2）当所述直流侧输出电压udc大于软启电压usoft时，软启动开关上主开关闭合以切除软启动开关，网侧变换器工作于整流状态，使直流侧继续建压，同时输出信号给所述机侧控制***使其处于软启动状态；
（3）当直流侧输出电压udc达到给定值u rec后，将其与给定直流侧输出电压u dc *进行比较得到的偏差值经过PI调节器后得到d轴电流的给定值i * dref，q轴电流的给定值i * qref=0，软启动开关上的所述电流传感器采集到的电机电流信号i a、i b、i c通过坐标变换得到d轴电流的实际值i d、q轴电流的实际值i q，将d轴电流的实际值i d与d轴电流的给定值i * dref、q轴电流的实际值i q与 q轴电流的给定值i * qref比较得到的偏差值经过PI调节器后，再通过电网的dq轴电压、电机dq轴电流与ωeLg的乘积进行补偿后，得到网侧变换器的电压控制矢量u d和u q，将该电压控制矢量u d和u q经过坐标变换后输入到SVPWM调制单元得到网侧变换器的驱动信号，实现网侧变换器的直流侧输出电压的闭环控制；
所述机侧驱动器进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制的步骤包括：当所述机侧控制***使双凸极电机处于软启动状态时，所述双凸极电机上的所述电流传感器将采集到的电机电流信号i a、i b、i c分别与电流给定值i * a、i * b、i * c进行比较得到偏差值通过限定开关频率斩波控制后输送给机侧变换器，实现双凸极电机起动过程中的电流闭环控制；
所述电流给定值i * a、i * b、i * c由直流侧输出电压u dc经过起动电流计算模块得出，该起动电流计算模块是根据直流侧输出电压Udc的值按线性关系i=k*u dc+i 0计算得到给定电流i后，再根据转子位置关系分别得到给定的i * a、i * b、i * c，闭环控制用以限定机侧控制***的起动电流。
采用本发明的方案后，网侧控制***、机侧控制***的控制通过网侧控制器和机侧驱动器的协调控制，能够实现大功率双凸极电机起动过程，电网侧无明显的冲击电流，并且保证网侧的功率因数，电机侧对大功率双凸极电机不产生明显的冲击现象，保证大功率双凸极电机的可靠起动运行，有效提高***的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明电路结构示意图；
图3为本发明控制***原理示意图。
具体实施方式
见图1，图2所示，将软启动开关1、输入滤波器2、网侧变换器3连接网侧控制器4形成网侧控制***，将双凸极电机5、机侧变换器6连接机侧驱动器7形成机侧控制***，网侧控制***一侧连接电网8，网侧变换器3与机侧变换器通6过直流滤波电容C4解耦连接，其中软启动开关1由开关S1~S3、S4~S6和电阻R1~R3组成，开关S4~S6和电阻R1~R3组成限流电路，开关S1~S3为主开关，通过闭合主开关S1~S3实现短接，即可将软启动开关1切除；输入滤波器2由电感L1~L3、电容C1~C3、电感L4~L6组成，采用LCL滤波器结构，滤除网侧变换器开关调制产生的谐波，降低网侧输出电流的THD，实现网侧高功率因数控制；网侧变换器3由Q1~Q3三组IGBT桥臂组成，采用三相桥式变换器拓扑，既可工作于二极管整流方式也可工作于PWM整流方式；电机侧变换器6由Q4~Q6三组IGBT桥臂组成，采用三相桥式变换器拓扑，工作于逆变器方式，驱动双凸极电机，实现起动功能；软启动开关1上设置电压传感器、电流传感器和位置传感器，直流滤波电容C4上设置电压传感器，双凸极电机5上设置电流传感器和位置传感器，软启动开关1上的电压传感器、电流传感器和位置传感器和直流滤波电容C4上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给网侧控制器3进行处理计算实现直流侧输出电压的控制，双凸极电机5上的电流传感器、位置传感器和直流滤波电容上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给机侧驱动器6进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制，网侧控制***和机侧控制***通过控制端口进行信号交互，相互协调进行控制，当直流侧输出电压恒定时，双凸极电机的起动电流设置为额定值，使其工作于最大转矩起动控制方式，快速完成双凸极电机5的起动控制。
图3所示，网侧控制器3进行处理计算实现直流侧输出电压的控制的步骤包括：
（1）当直流滤波电容C4上的电压传感器采集到的直流侧输出电压udc小于软启电压usoft时，电网电压E通过软启动开关1上的限流电路给直流滤波电容C4充电建压，并输出信号给机侧控制***使其处于关机状态，封锁机侧变换器6的驱动信号，保证直流侧的可靠建压，由于在网侧控制***软起动过程中，机侧变换器6和双凸极电机5等效为网侧控制***的负载，需要通过网侧变换器5提供电流iL以驱动双凸极电机5，由于软启动开关1的电阻R1~R3限流作用，将影响到直流侧的建压过程，因此在网侧***软起过程中，需要封锁机侧变换器6的驱动信号，使得机侧控制***处于关于状态；
（2）当直流侧输出电压udc大于软启电压usoft时，软启动开关1上主开关S1~S3闭合以切除软启动开关1，网侧变换器3工作于二极管整流输出状态，使直流侧继续建压，此时网侧变换器3的输出电压快速上升，为抑制对直流滤波电容C4的冲击，输出信号给机侧控制***使其处于软启动状态，并对双凸极电机5的起动电流进行限定，使得网侧变换器3在给输入滤波器2充电的同时完成机侧控制***的双凸极电机5的软起动功能；
（3）网侧变换器3工作于二极管整流状态延时时间t后，使网侧变换器3工作于PWM整流输出状态，即直流侧输出电压udc达到给定值u rec后，将其与给定直流侧输出电压u dc *进行比较得到的偏差值经过PI调节器后得到d轴电流的给定值i * dref，q轴电流的给定值i * qref=0，软启动开关1上的电流传感器采集到的电机电流信号i a、i b、i c通过坐标变换得到d轴电流的实际值i d、q轴电流的实际值i q，该坐标变换的角度通过软启动开关1上的位置传感器采集后通过锁相环得出角度θg，将d轴电流的实际值i d与d轴电流的给定值i * dref、q轴电流的实际值i q与 q轴电流的给定值i * qref比较得到的偏差值经过PI调节器后，通过电网dq轴电压Ed和Ep、dq轴电流id、iq与ω e L g乘积补偿后，获得网侧变换器3的电压控制矢量u d和u q，其中ω e为网侧交流电的角频率，L g为网侧电感器电感值。将该电压控制矢量u d和u q经过坐标变换后输入到SVPWM调制单元得到网侧变换器3的驱动信号，实现网侧变换器3的直流侧输出电压udc的闭环控制，即直流侧输出电压恒定。
机侧驱动器进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制的步骤包括：当机侧控制***的双凸极电机5处于软启动状态时，双凸极电机5上的电流传感器将采集到的电机电流信号i a、i b、i c分别与电流给定值i * a、i * b、i * c进行比较得到偏差值通过限定开关频率斩波控制后输送给机侧变换器，实现双凸极电机起动过程中的电流闭环控制，即双凸极电机5的起动电流设置为额定值，使其工作于最大转矩起动控制方式，快速完成双凸极电机5的起动控制；电流给定值i * a、i * b、i * c由直流侧输出电压u dc经过起动电流计算模块后得出，起动电流计算模块是根据直流侧输出电压Udc的值按线性关系i=k*u dc+i 0计算得到给定电流i后，再根据转子位置关系分别得到给定的i * a、i * b、i * c，闭环控制用以限定机侧控制***的起动电流，防止在网侧变换器3的直流侧建压完成之前，导致网侧控制***产生过载电流，影响直流侧建压控制，导致***无法正常运行。
Claims (4)
1.一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其特征在于，将软启动开关、输入滤波器、网侧变换器连接网侧控制器形成网侧控制***，将双凸极电机、机侧变换器连接机侧驱动器形成机侧控制***，所述网侧控制***一侧连接电网，所述网侧变换器与所述机侧便器通过直流滤波电容解耦连接，所述软启动开关上设置电压传感器、电流传感器和位置传感器，所述直流滤波电容上设置电压传感器，所述双凸极电机上设置电流传感器和位置传感器，所述软启动开关上的所述电压传感器、电流传感器和位置传感器和所述直流滤波电容上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给所述网侧控制器进行处理计算实现直流侧输出电压的控制，所述双凸极电机上的所述电流传感器、位置传感器和所述直流滤波电容上的电压传感器将采集到的电压信号、电流信号、位置信号发送给所述机侧驱动器进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制，所述网侧控制***和所述机侧控制***通过控制端口进行信号交互，相互协调进行控制，当直流侧输出电压恒定时，双凸极电机的起动电流设置为额定值，使其工作于最大转矩起动控制方式，快速完成双凸极电机的起动控制。
2.根据权利要求1所述的一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其特征在于，所述网侧控制器进行处理计算实现直流侧输出电压的控制的步骤包括：
（1）当所述直流滤波电容上的电压传感器采集到的直流侧输出电压udc小于软启电压usoft时，电网电压E通过软启动开关上的限流电路给直流滤波电容充电建压，并输出信号给所述机侧控制***使其处于关机状态，封锁机侧变换器的驱动信号，保证直流侧的可靠减压；
（2）当所述直流侧输出电压udc大于软启电压usoft时，软启动开关上主开关闭合以切除软启动开关，网侧变换器工作于整流状态，使直流侧继续建压，同时输出信号给所述机侧控制***使其处于软启动状态；
（3）当直流侧输出电压udc达到给定值u rec后，将其与给定直流侧输出电压u dc *进行比较得到的偏差值经过PI调节器后得到d轴电流的给定值i * dref，q轴电流的给定值i * qref=0，软启动开关上的所述电流传感器采集到的电机电流信号i a、i b、i c通过坐标变换得到d轴电流的实际值i d、q轴电流的实际值i q，将d轴电流的实际值i d与d轴电流的给定值i * dref、q轴电流的实际值i q与 q轴电流的给定值i * qref比较得到的偏差值经过PI调节器后，再通过电网的dq轴电压、电机dq轴电流与ωeLg的乘积进行补偿后，得到网侧变换器的电压控制矢量u d和u q，将该电压控制矢量u d和u q经过坐标变换后输入到SVPWM调制单元得到网侧变换器的驱动信号，实现网侧变换器的直流侧输出电压的闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其特征在于，所述机侧驱动器进行处理计算实现双凸极电机的驱动控制的步骤包括：当所述机侧控制***使双凸极电机处于软启动状态时，所述双凸极电机上的所述电流传感器将采集到的电机电流信号i a、i b、i c分别与电流给定值i * a、i * b、i * c进行比较得到偏差值通过限定开关频率斩波控制后输送给机侧变换器，实现双凸极电机起动过程中的电流闭环控制。
4.根据权利要求3所述的一种大功率双凸极电机驱动***起动过程的控制方法，其特征在于，所述电流给定值i * a、i * b、i * c由直流侧输出电压u dc经过起动电流计算模块得出，该起动电流计算模块是根据直流侧输出电压Udc的值按线性关系i=k*u dc+i 0计算得到给定电流i后，再根据转子位置关系分别得到给定的i * a、i * b、i * c，闭环控制用以限定机侧控制***的起动电流。
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