CN111464081B - 一种多直流电机串联***及转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流电机串联***及转矩控制方法，采用n个位置传感器检测n个直流电机的电机转子位置，通过转速计算得到n个直流电机的实际转速，再与n个参考转速比较，经PI控制器输出得到n个直流电机的参考电流值；再经过参考转矩计算模块得到n+1个参考转矩；检测n个直流电机瞬态的电流值，将n个直流电机的瞬态电流值经实际转矩计算模块得到n+1个实际转矩值；将计算得到的n+1个实际转矩与n+1个参考转矩进行比较，然后将信号输送给n+1个滞环控制器产生n+1个输出信号，再经PWM模块产生2n+2路PWM信号；将2n+2路PWM信号输入并驱动n+1相电压型逆变器，从而进一步驱动电机实现转矩控制。本发明能够简化电路结构、节约成本，实现优化的转矩控制效果，提高***的稳定性。

Description

一种多直流电机串联***及转矩控制方法

技术领域

本发明属于多直流电机控制技术领域，具体涉及一种多直流电机串联***及转矩控制方法。

背景技术

随着生产技术的发展，对直流电机的调速精度、调速范围、静态特性、动态响应和转矩脉动等方面提出了更高要求。基于稳态模型的控制策略，已经不能满足高精度的工艺要求。为了提高动态性能，控制策略必须依靠电机的动态数学模型。而最理想的控制方式就是同时控制电机的转矩和励磁分量。也就是利用解耦思想将复杂的调速***分解成转矩环和磁链环。

但是，此思想过分依赖于电机的数学模型，易受电机的参数影响。而直接转矩控制技术摒弃了这种思想，它直接在定子坐标系分析电机的数学模型，采用定子磁链定向，直接将电机的瞬时转矩和定子磁链作为状态变量加以反馈调节。直接转矩控制技术的实现是滞环比较器分别控制定子磁链与转矩，根据滞环比较器输出的逻辑信号以及定子磁链的空间位置来选择合适的定子电压矢量对应的逆变器开关序列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多直流电机串联***及转矩控制方法，采用的是双闭环的控制方案，转速环由PI调节器构成，转矩环采用滞环比较方式的转矩跟踪型控制，通过实际检测电流计算得到转矩进而实现转矩控制。

本发明采用以下技术方案：

一种多直流电机串联转矩控制方法，包括以下步骤：

S1、采用n个位置传感器检测n个直流电机的电机转子位置，通过转速计算得到n个直流电机的实际转速ω_i，再与n个参考转速ω_iref比较，经PI控制器输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi；再经过参考转矩计算模块得到n+1个参考转矩T_iref；

S2、检测n个直流电机瞬态的电流值X_i，将n个直流电机的瞬态电流值X_i经实际转矩计算模块得到n+1个实际转矩值T_i；

S3、将计算得到的n+1个实际转矩与n+1个参考转矩进行比较，然后将信号输送给n+1个滞环控制器产生n+1个输出信号，再经PWM模块产生2n+2路PWM信号；

S4、将2n+2路PWM信号输入并驱动n+1相电压型逆变器，从而进一步驱动电机实现转矩控制。

具体的，步骤S1中，参考转矩T_iref具体为：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数。

具体的，步骤S2中，实际转矩值T_i为：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数。

具体的，步骤S3中，滞环控制具体为：

若转矩环宽为2h，将参考转矩T_iref与输出转矩T_i进行比较，当转矩偏差Δh超过±h时，滞环控制动作，实际转矩与参考转矩的误差值e_ri具体为：

e_ri＝T_iref-T_i

其中，i＝1、2、3....(n+1)，H_i-1、H_i-2代表2n+2路PWM输出电平，T_i-1、T_i-2功率开关器件的状态1代表PWM输出高电平，功率开关器件导通，0代表PWM输出低电平，功率开关器件关断。

进一步的，如果T_i<T_iref，且

滞环控制输出正电平传送给PWM产生PWM信号，产生的PWM波经过逆变器产生驱动信号驱动上桥臂功率开关器件T_i-1导通，变压变频器输出正电压，使转矩增大；

当输出转矩T_i增长到与参考转矩T_iref相等时，滞环控制保持正电平输出，保持导通，使输出转矩T_i继续增大；直到达到T_i＝T_iref+h，ΔT＝–h，滞环翻转，滞环控制输出负电平，关断上桥臂功率开关器件T_i-1，PWM产生的PWM信号取逻辑非之后，经逆变器产生驱动信号，经延时后驱动下桥臂功率开关器件T_i-2，i＝1、2、3....n+1；

当输出转矩逐渐减小，直到T_i＝T_iref-h时，到达滞环偏差的下限值，滞环控制翻转，上桥臂功率开关器件T_i-1导通。

具体的，步骤S4中，产生的n+1路电流经过n相电压型逆变器直接控制驱动模块n+1个上桥臂功率开关器件的开通与关断；另外产生的n+1路电流经过n相电压型逆变器取逻辑非之后控制驱动模块n+1个下桥臂功率开关器件的开通与关断。

本发明的另一个技术方案是，一种多直流电机串联***，采用转矩控制方法，包括：

PI控制模块，通过n个位置传感器检测得到n个直流电机转子的位置，确定n个直流电机的实际转速ω_i，与n个参考转速ω_iref进行比较，输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi；

参考转矩计算模块，将n个直流电机的参考电流值I_mi经计算得到n+1个参考转矩T_iref；

实际转矩计算模块，根据检测出的n个直流电机的瞬态电流值X_i计算得到n+1个实际转矩值T_i；

滞环控制模块，将n+1个实际转矩T_i与n+1个参考转矩T_iref进行比较后产生n+1个滞环输出信号；

PWM生成模块，根据n+1个滞环输出信号产生不同的PWM信号，经n相逆变器产生驱动信号，控制电机驱动模块桥臂功率开关器件的导通与关断。

电机驱动模块，采用直流电源，包括n+1个桥臂，每一个桥臂包括串联连接的两个MOS管，n+1个桥臂产生的开关信号控制n个电机；n个直流电机采用首尾串联的方式连接；绕组正端分别与前n个桥臂的中点连接，连接点分别为1、2、3、4....n，第n个电机的绕组负端与第n+1个桥臂的中点连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种多直流电机串联转矩控制方法，硬件电路简单；属于实时控制方式，电流反应快；不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量；和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；属于闭环控制，有很强的稳定性。这是各种跟踪型PWM交流电路的共同特点。

进一步的，在参考转矩计算模块，主要完成的是***参考转矩的重构计算。将n个电流误差值经过计算后得到了(n+1)个参考转矩。

进一步的，在实际转矩计算模块中，主要完成的是***实际转矩的重构计算。将n个电机的瞬态电流值经过计算后得到了(n+1)个实际转矩。

进一步的，在滞环控制模块与PWM生成模块中，主要完成的的是滞环信号的输出与PWM信号的生成。滞环控制器经过滞环控制技术将输出转矩的波形尽可能地接近正弦波。使转矩控制电机的波动尽可能减小。在PWM生成模块中将输出的(n+1)个信号转换成(2n+2)路互补信号，控制(2n+2)个功率开关管的开通与关断，来改变电机运行的状态。

进一步的，在(n+1)相电压型逆变器中，产生的PWM的高低电平信号会控制驱动电机桥臂上功率开关管的导通与关断，进而控制各个电机不同的运行状态。

一种多直流电机串联***，要实现电机在四象限的直接转矩控制运行，不仅仅要考虑整个***的反应时间、调速范围以及精度问题，同时也要考虑到硬件电路的设计复杂程度、经济问题以及方案的可行性。同时还要考虑到技术应用的范围以及技术应用的必要性等。本发明综合考量了以上问题，提出了此方案的设计与实现。

综上所述，本发明不仅能够简化电路结构、节约成本，还能够实现优化的转矩控制效果，提高***的稳定性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的***总框图；

图2为电机驱动模块的电路连接图；

图3为转矩滞环模块的结构图；

图4为转矩滞环跟踪控制时的输出波形图；

图5为本发明的工作流程图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供了一种多直流电机串联***，包括PI控制模块、参考转矩计算模块、实际转矩计算模块、滞环控制模块、PWM生成模块和电机驱动模块，通过以上模块整合实现对n个直流电机的转矩控制。

PI控制模块

通过n个位置传感器检测得到n个直流电机转子的位置，通过转速计算后得到n个直流电机的实际转速ω_i，再与给出的n个参考转速ω_iref进行比较，输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi。

参考转矩计算模块

将n个直流电机的参考电流值I_mi经过计算得到n+1个参考转矩T_iref。

实际转矩计算模块

根据检测出的n个直流电机的瞬态电流值X_i计算得到n+1个实际转矩值T_i。

滞环控制模块

将n+1个实际转矩T_i与n+1个参考转矩T_iref进行比较后产生n+1个信号。

PWM生成模块

根据滞环控制模块输出的n+1个滞环输出信号，产生不同的PWM信号，经n相逆变器产生驱动信号，控制桥臂功率开关器件的导通与关断。

电机驱动模块

请参阅图2，采用直流电源，包括n+1个桥臂，每一个桥臂包括串联连接的两个MOS管，n+1个桥臂产生的开关信号控制n个电机；n个直流电机采用首尾串联的方式连接；绕组正端分别与前n个桥臂的中点连接，连接点分别为1、2、3、4....n，第n个电机的绕组负端与第(n+1)个桥臂的中点连接。

请参阅图3，滞环控制模块采用转矩滞环跟踪控制，具体工作原理如下：转矩控制器是带滞环的比较器，若转矩环宽为2h，将参考转矩T_iref与输出转矩T_i进行比较，当转矩偏差Δh超过±h时，滞环控制动作。控制PWM生成模块产生不同的PWM信号，再经过n相电压型逆变器直接控制驱动模块中n+1个桥臂上功率开关器件的开通与关断，，实际转矩与参考转矩的误差值e_ri具体为：

e_ri＝T_iref-T_i

其中，i＝1、2、3....(n+1)，H_i-1、H_i-2代表2n+2路PWM输出电平，T_i-1、T_i-2功率开关器件的状态1代表PWM输出高电平，功率开关器件导通，0代表PWM输出低电平，功率开关器件关断。

如果T_i<T_iref，且T_iref-T_i≥h，滞环控制输出正电平传送给PWM产生PWM信号，产生的PWM波经过逆变器产生驱动信号驱动上桥臂功率开关器件T_i-1导通，变压变频器输出正电压，使转矩增大；

当输出转矩T_i增长到与参考转矩T_iref相等时，滞环控制保持正电平输出，保持导通，使输出转矩T_i继续增大；直到达到T_i＝T_iref+h，ΔT＝–h，滞环翻转，滞环控制输出负电平，关断上桥臂功率开关器件T_i-1，PWM产生的PWM信号取逻辑非之后，经逆变器产生驱动信号，经延时后驱动下桥臂功率开关器件T_i-2，i＝1、2、3....n+1。

请参阅图4，由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到T_i＝T_iref-h时，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使T_1-1导通；这样交替工作，使输出转矩与给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化，输出波形是十分接近正弦波的。

请参阅图5，一种多直流电机串联转矩控制方法，包括以下步骤：

S1、采用n个位置传感器检测n个直流电机的电机转子位置，通过转速计算得到n个直流电机的实际转速ω_i，i＝1、2、3....n，再与n个参考转速ω_iref比较，经PI控制器输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi，i＝1、2、3....n；再经过参考转矩计算模块得到n+1个参考转矩T_iref，i＝1、2、3....(n+1)；

参考转矩计算如下：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数。

S2、检测n个直流电机瞬态的电流值X_i，将n个直流电机的瞬态电流值X_i经实际转矩计算模块得到n+1个实际转矩值T_i，i＝1、2、3....(n+1)；

实际转矩计算如下：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数。

S3、将计算得到的n+1个实际转矩与n+1个参考转矩进行比较，然后将信号输送给n+1个滞环控制器产生n+1个输出信号，再经PWM模块产生2n+2路PWM信号；

S4、将2n+2路PWM信号输入并驱动n+1相电压型逆变器，从而进一步驱动电机实现转矩控制。

产生的n+1路电流经过n相电压型逆变器直接控制驱动模块n+1个上桥臂功率开关器件的开通与关断；另外产生的n+1路电流经过n相电压型逆变器取逻辑非之后控制驱动模块n+1个下桥臂功率开关器件的开通与关断。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的三角波调制是将电流偏差信号经比例积分调节后，与高频三角载波作比较来确定开关信号。虽然开关频率固定是其突出的优点，但其响应速度慢，电路复杂，也给直流电机的控制带来了困扰。而转矩跟踪控制将期望的波形作为指令信号，将实际的转矩信号作为反馈信号，通过比较两者的瞬时值来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际输出的转矩跟踪指令发生变化。在直流电机中，实际需要保证的应该是正弦波，本发明使用转矩滞环跟踪控制。

以目前市场上比较热的电动汽车的发展为例。其驱动***采用的就是直流电机的直接转矩控制技术，在控制上实现了控制结构简单、计算方法简便以及参数受影响较小，从而大大地提高了直流电机的性能。实现了在降低经济成本的情况下，保证汽车能够平稳的运行。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多直流电机串联转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用n个位置传感器检测n个直流电机的电机转子位置，通过转速计算得到n个直流电机的实际转速ω_i，再与n个参考转速ω_iref比较，经PI控制器输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi；再经过参考转矩计算模块得到n+1个参考转矩T_iref，参考转矩T_iref具体为：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数；

S2、检测n个直流电机瞬态的电流值X_i，将n个直流电机的瞬态电流值X_i经实际转矩计算模块得到n+1个实际转矩值T_i，实际转矩值T_i为：

其中，K₁,K₂,…K_n为直流电机转矩常数；

S3、将计算得到的n+1个实际转矩与n+1个参考转矩进行比较，然后将信号输送给n+1个滞环控制器产生n+1个输出信号，再经PWM模块产生2n+2路PWM信号；

S4、将2n+2路PWM信号输入并驱动n+1相电压型逆变器，从而进一步驱动电机实现转矩控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，滞环控制具体为：

若转矩环宽为2h，将参考转矩T_iref与实际转矩T_i进行比较，当转矩偏差Δh超过±h时，滞环控制动作，实际转矩与参考转矩的误差值e_ri具体为：

e_ri＝T_iref-T_i

其中，i＝1、2、3....(n+1)，H_i-1、H_i-2代表2n+2路PWM输出电平，T_i-1、T_i-2代表功率开关器件，1代表PWM输出高电平，功率开关器件导通，0代表PWM输出低电平，功率开关器件关断。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果T_i<T_iref，且T_iref-T_i≥h，滞环控制输出正电平传送给PWM模块产生PWM信号，产生的PWM波驱动逆变器上桥臂功率开关器件T_i-1导通，逆变器输出正电压，使转矩增大；

当实际转矩T_i增长到与参考转矩T_iref相等时，滞环控制保持正电平输出，保持导通，使实际转矩T_i继续增大；直到达到T_i＝T_iref+h，e_ri＝–h，滞环翻转，滞环控制输出负电平，关断上桥臂功率开关器件T_i-1，PWM模块产生的PWM信号取逻辑非之后，经延时后驱动逆变器下桥臂功率开关器件T_i-2，i＝1、2、3....n+1；

当实际转矩逐渐减小，直到T_i＝T_iref-h时，到达滞环偏差的下限值，滞环控制翻转，上桥臂功率开关器件T_i-1导通。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，产生的n+1路PWM信号驱动逆变器的n+1个上桥臂功率开关器件的开通与关断；另外产生的n+1路PWM信号取逻辑非之后驱动逆变器的n+1个下桥臂功率开关器件的开通与关断。

5.一种多直流电机串联***，其特征在于，采用权利要求1所述转矩控制方法，包括：

PI控制模块，通过n个位置传感器检测得到n个直流电机转子的位置，确定n个直流电机的实际转速ω_i，与n个参考转速ω_iref进行比较，输出得到n个直流电机的参考电流值I_mi；

参考转矩计算模块，将n个直流电机的参考电流值I_mi经计算得到n+1个参考转矩T_iref；

实际转矩计算模块，根据检测出的n个直流电机的瞬态电流值X_i计算得到n+1个实际转矩值T_i；

滞环控制模块，将n+1个实际转矩T_i与n+1个参考转矩T_iref进行比较后产生n+1个滞环输出信号；

PWM生成模块，根据n+1个滞环输出信号产生不同的PWM信号，驱动n+1相逆变器功率开关器件的导通与关断；

逆变器，采用直流电源，包括n+1个桥臂，每一个桥臂包括串联连接的两个MOS管，n+1个桥臂产生的开关信号控制n个电机；n个直流电机采用首尾串联的方式连接；n个直流电机的绕组正端分别与前n个桥臂的中点连接，连接点分别为1、2、3、4....n，第n个电机的绕组负端与第n+1个桥臂的中点连接。

Images