CN115498937A - 一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***和方法。整流器和三相逆变器间母线经电流校正装置连接到q轴内核控制器，电流校正装置包括母线电压限幅器和安全控制器；安全控制器中，过压保护模块实时接收母线电压限幅器的母线电压真实值和母线预设安全电压间的比较值而输出过压保护值，快速停机模块根据目标速度和电机实际速度间的比较值输出停机电流值，过压保护值对停机电流值限幅后输出控制电流参数，再与实际q轴电流作差输入内核控制器。本发明不仅实现过压安全保护和电机快速安全停机，从源头上消弱了母线电压过大导致的电流变化，实现动态调节，不依赖于母线电容的容量，避免了***频繁报故障以及提高了用户体验。

Description

一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***和方法
技术领域
本发明涉及了一种永磁同步电机控制***和方法，尤其是涉及了一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***和方法。
背景技术
永磁同步电机由于其高效率，应用的越来越广泛永磁同步电机具有效率高、功率密度高、可靠性高等优点，因此得到广泛的应用与研究。为了发挥永磁同步电机的高效率和可靠性，控制***需要具备高性能和高可靠性的控制算法。传统的控制***仅具有过压保护功能，一旦输入电压过高，***停机。在一些对于可靠性要求较高，不允许停机的场合，则存在应用受限情况。
现有技术一般采用直流母线电压，然后判断直流母线电压是否超过某一值，一般以电力电子器件能够承受的最高电压为基准，留取一定的余量。如果母线电压超过某一值，则报警或者停机。
现有技术在母线电容较大时，虽然可以实现安全可靠停机，但是无法对直流母线电压进行限幅及过压保护。在一些母线电容小或者无母线电容的场合中，直流母线电压非常容易泵升，因此无法有效安全停机，且带来***安全风险。
如果***的负载惯量较大，在减速停车过程中，***无法以最大加减速运行。因此对于一些对减速停机时间有要求的场合中，采用固定的加减速速率，容易导致***应用受限，达不到减速停机时间要求。当电机减速处于发电状态时，母线电容容量小不能储存过多的能量很容易产生过压，导致频繁报故障，影响用户体验，严重时甚至损坏控制器。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***和方法，有效实现了过压保护和快速停机功能。
本发明采用的技术方案是：
一、一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***：
包括主要由母线电压限幅器、安全控制器构成的电流校正装置，整流器和三相逆变器之间的母线经电流校正装置连接到永磁同步电机的q轴内核控制器。
所述的电流校正装置包括：
包括整流器和三相逆变器之间的母线上的电压传感器；
包括母线电压限幅器的输入端和电压传感器的输出端连接；
包括安全控制器的输入端和母线电压限幅器的输出端连接，安全控制器输出端连接到q轴内核控制器的输入端。
所述的母线电压限幅器实时接收母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref之间进行比较获得比较值；
所述的安全控制器由过压保护模块和快速停机模块组成；过压保护模块和快速停机模块均主要由PI控制器构成，过压保护模块实时接收来自母线电压限幅器的比较值而输出一个过压保护值iq1 *，根据给定目标速度和电机实际速度间的比较值输出停机电流值iq2 *，过压保护值iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *，再将控制电流参数iq *与电机实际q轴电流进行作差输入到内核控制器。
所述的安全控制器输出的控制电流参数iq *与由三相逆变器和电机本体之间的三相电流依次经CLARKE变换、PARK变换后获得的电机实际q轴电流iq_real进行作差，进而输入到内核控制器的的q轴输入端。
二、一种具有新型保护功能的电机快速停机控制方法：
在电机上电后进入运行阶段，通过电压传感器采集母线电压真实值Ureal并输入到母线电压限幅器中；
在母线电压限幅器中，将母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref进行作差获得母线电压偏差值e1并送入安全控制器：
Figure BDA0003780451840000021
然后在安全控制器中进行以下判断：
若母线电压偏差值e1＝0，则说明实际母线电压未过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为0；
若母线电压偏差值e1≠0，则说明实际母线电压过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的过压保护值iq1 *为一个小于0的值，过压保护值iq1 *作为iq2 *的输出限幅下限；
同时在快速停机模块中，将目标速度给定值ωref和电机实际速度ωreal进行作差获得速度偏差值e2并送入快速停机模块；
若速度偏差值e2＞0，则说明永磁同步电机处于加速阶段，快速停机模块输出的电流给定值iq2 *为内核控制器的参考值；
若速度偏差值e2＜0，则此时永磁同步电机处于减速阶段，iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *，再与永磁同步电机的实际q轴电流进行作差输入到内核控制器。
当永磁同步电机处于减速阶段时，根据过压保护模块输出的过压保护值iq1 *和快速停机模块输出的停机电流值iq2 *进行相乘输出控制电流参数iq *作为安全控制器的输出，将速度控制器输出的q轴电流参考值iq_ref与控制电流参数iq *求和后再与永磁同步的实际q轴电流iq_real作差，作差后得到的值送入内核控制器进而用于控制电机快速安全停机。
当永磁同步电机处于减速阶段时，iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *，控制电流参数iq *与永磁同步的实际q轴电流iq_real作差，将作差得到的值送入内核控制器进而用于控制电机快速安全停机。
安全控制器既可以实现限压功能，又可以实现过压保护双重功能。当永磁同步电机处于减速阶段时，，iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *，控制电流参数iq *与永磁同步的实际q轴电流iq_real作差，将作差得到的值送入内核控制器进而用于控制电机快速安全停机。
所述的安全控制器既可以实现限压功能，又可以实现过压保护双重功能。
本发明在q轴电流环前加入一个q轴电流校正装置，包括母线电压限幅器和安全控制器，从而实现对电机输出转矩的控制。电机减速处于发电状态时，若母线电容容量小不能储存过多的能量而产生过压时，通过安全控制器的动态调整，其输出一个反向电流值输入到内核控制器的输入端，起到抵消q轴电流的目的，进而大大降低电机输出转矩，同时消弱因母线过压导致电流增大的目的，最终实现保护电路元件、电机控制器和快速停机的作用。
本发明的有益效果是：
本发明是一种基于闭环控制算法的母线电压过压保护及快速停机的控制***和方法，核心关键点是在于具有过压保护模块和快速停机模块的安全保护控制器。在电机运行阶段，当母线电压发生过压时，本发明不仅可以实现过压安全保护，而且可以实现电机快速安全停机。
与现有技术相比，本发明从源头上消弱了母线电压过大导致的电流变化，实现了一个动态调节，不依赖于母线电容的容量，避免了***频繁报故障以及提高了用户体验。
附图说明
图1是本发明控制***结构框图；
图2安全控制器内部拓扑结构图；
图3是本发明新型保护及快速停机流程图；
图4是本发明的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明***包括主要由母线电压限幅器、安全控制器构成的电流校正装置，整流器和三相逆变器之间的经电流校正装置连接到永磁同步电机的q轴的内核控制器之间，这样在q轴电流环前加入一个q轴电流校正装置。
电流校正装置包括：
包括整流器和三相逆变器之间的母线上的电压传感器，电压传感器输出端连接到母线电压限幅器输入端；
包括母线电压限幅器的输入端和电压传感器的输出端连接，母线电压限幅器的输入端还输入母线预设安全电压；
包括安全控制器的输入端和母线电压限幅器的输出端连接，安全控制器的输入端还输入了电机速度偏差值e2，安全控制器输出端连接到q轴的内核控制器的输入端。
现有的电机快速停机控制***的结构如图1所示，主要由安全控制器、内核控制器、坐标变换模块、SVPWM、三相逆变器、整流器、速度及位置估计模块和永磁同步电机的电机本体组成安全控制器输出端和内核控制器输入端连接，内核控制器输出端依次经坐标变换模块、空间矢量脉宽调制模块SVPWM后和三相逆变器的控制端连接，整流器和母线电容并联且连接在三相逆变器的输入端，三相逆变器的输出端和电机本体连接，电机本体经和速度及位置估计模块和速度控制器的输入端连接。
图1中，Uref为母线预设安全电压，即预设的限幅电压；Ureal为电机运行时母线电压真实值；e1为母线电压限幅器的输出值；ωref为目标速度；ωreal为电机实际速度；iq *为安全控制器输出的控制电流参数；iq_real为电机实际q轴电流；id_ref为速度控制器输出d轴电流参考值；id_real为电机实际d轴电流；Uq为内核控制器输出的q轴电压；Ud为内核控制器输出的d轴电压；Udc为电机母线电压，即Ureal；θ为电机转子角度；ia、ib、ic分别为电机三相电流。
本发明新型保护功能的电机快速停机控制***的结构还包括了母线电压限幅器、安全控制器、电压传感器、内核控制器。
电压传感器设置在整流器和三相逆变器之间的母线上，实时采集获得电机运行时的母线电压真实值Ureal；电压传感器经母线电压限幅器和安全控制器连接，安全控制器输出端连接到内核控制器的q轴输入端。
母线电压限幅器实时接收母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref之间进行比较获得比较值；
安全控制器主要作用是在母线电压过压时，能够实现过压保护功能和快速停机操作，其内部拓扑结构如图2所示。过压保护模块和快速停机模块均主要由PI控制器构成，过压保护模块实时接收来自母线电压限幅器的比较值而输出一个电流给定值iq1 *，快速停机模块根据给定目标速度和电机实际速度间的比较值输出电流给定值iq2 *，iq1 *作为iq2 *的输出限幅下限限幅后输出控制电流参数iq *，再与电机实际q轴电流进行作差输入到内核控制器。
安全控制器输出的控制电流参数iq *与由三相逆变器和电机本体之间的三相电流依次经CLARKE变换、PARK变换后获得的电机实际q轴电流iq_real进行作差，进而输入到内核控制器的的q轴输入端。
如图3所示，本发明的电机快速停机控制***流程如下：
在电机上电后进入运行阶段，通过电压传感器采集母线电压真实值Ureal并输入到母线电压限幅器中；
在母线电压限幅器中，将母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref进行作差获得母线电压偏差e1并送入安全控制器：
Figure BDA0003780451840000051
然后在安全控制器中进行以下判断：
若母线电压偏差e1＝0，则说明实际母线电压未过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为0；
若母线电压偏差e1≠0，则说明实际母线电压过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为一个小于0的值，这样安全控制器中的过压保护模块发生作用；
同时快速停机模块发生作用，在快速停机模块中，根据目标速度给定值ωref和电机实际速度ωreal进行作差获得速度偏差值e2并送入快速停机模块：
e2＝ωref-ωreal
若速度偏差值e2＞0，则说明电机处于加速阶段，快速停机模块输出的电流给定值iq2 *为内核控制器的参考值；
若速度偏差值e2＜0，则此时电机处于减速停车阶段，iq1 *作为iq2 *的输出限幅下限限幅后输出控制电流参数iq *，再与电机实际q轴电流进行作差输入到内核控制器。
最后根据过压保护模块输出的电流给定值iq1 *和快速停机模块输出的电流给定值iq2 *，iq1 *作为iq2 *的输出限幅限制电流给定值iq2 *的下限，安全控制器输出控制电流参数iq *，与电机实际q轴电流iq_real作差，作差后得到的值(符号为负)送入内核控制器进而用于控制电机快速安全停机。
内核控制器将输出q轴电压Uq和d轴电压Ud送入坐标变换模块，坐标变换模块输出α-β坐标系下的电压信号，α-β坐标系下的电压信号再进入三相逆变器，三相逆变器重新调整母线电压在过压下的占空比，进而降低电路中的三相电流使得电机输出转矩快速降低，最终电机快速安全停机。
当电机在快速刹车过程中，未出现母线过压，则e1＝0，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为0。电机按照设定的刹车值进行刹车。
当电机在快速刹车过程中，实际母线电压过压，则母线电压偏差值e1≠0，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为一个小于0的值，iq1 *作为iq2 *的输出限幅下限。将刹车电流值限幅到一个安全值，可以按照安全最大电流进行刹车，可以做到刹车时间最短，***运行安全。
这样在电机运行阶段，若采样的母线电压超过母线预设安全电压时，即e1＜0，则安全控制器中的过压保护模块触发过压保护模式，接着快速停机模块发生作用，然后安全控制器输出一个远小于0的电流值iq *，并将该值加到内核控制器的输入端，进而通过内核控制器使电机输出转矩急剧下降变为负值，最终实现快速安全停机。
具体实施中，以图4举例，电机期望转速1800rpm，直流电压基准为560V，10kHz，200Hz转速，减速时间2s，减速过程电压维持在760V，实际减速时间约为3s。
由此实施可见，当采样的母线电压超过母线预设安全电压时，本发明安全控制器中的过压保护模块能够动态调整输出转矩，进而实现过压安全保护功能；
在电机负载惯量大减速停车过程中，电机处于发电状态，若在母线电容小或者无母线电容以及对减速停机时间有要求的场合中，本发明安全控制器中的快速停机模块能够在过压的情况下实现快速停机操作，在避免了母线电压泵升的同时实现安全快速减速停机，且一定程度上使电机加减速速率的应用不受限制。
经过实施例测试，本发明可广泛应用于各种小电容或者无电容场合，调速范围广，速度精度高，可靠性高，可批量推广。

Claims (6)

1.一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***，其特征在于：
包括主要由母线电压限幅器、安全控制器构成的电流校正装置，整流器和三相逆变器之间的母线经电流校正装置连接到永磁同步电机的q轴的速度控制器和内核控制器之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***，其特征在于：所述的电流校正装置包括：
包括整流器和三相逆变器之间的母线上的电压传感器；
包括母线电压限幅器，输入端和电压传感器的输出端连接；
包括安全控制器，输入端和母线电压限幅器的输出端连接，安全控制器输出端连接到q轴的速度控制器的输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***，其特征在于：所述的母线电压限幅器实时接收母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref之间进行比较获得比较值；
所述的安全控制器由过压保护模块和快速停机模块组成；过压保护模块和快速停机模块均主要由PI控制器构成，过压保护模块实时接收来自母线电压限幅器的比较值而输出一个过压保护值iq1 *，根据给定目标速度和电机实际速度间的比较值输出停机电流值iq2 *，过压保护值iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *。
4.根据权利要求3所述的一种具有新型保护功能的电机快速停机控制***，其特征在于：所述的安全控制器输出的控制电流参数和q轴的速度控制器输出的q轴电流参考值进行求和，求和后再与由三相逆变器和电机本体之间的三相电流依次经CLARKE变换、PARK变换后获得的电机实际q轴电流iq_real进行作差，进而输入到内核控制器的的q轴输入端。
5.应用于权利要求3-4任一所述***的具有新型保护功能的电机快速停机控制方法，其特征在于：在电机上电后进入运行阶段，通过电压传感器采集母线电压真实值Ureal并输入到母线电压限幅器中；
在母线电压限幅器中，将母线电压真实值Ureal和预先输入的母线预设安全电压Uref进行作差获得母线电压偏差值e1并送入安全控制器：
Figure FDA0003780451830000011
然后在安全控制器中进行以下判断：
若母线电压偏差值e1＝0，则说明实际母线电压未过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的电流给定值iq1 *为0；
若母线电压偏差值e1≠0，则说明实际母线电压过压，此时安全控制器中的过压保护模块输出的过压保护值iq1 *为一个小于0的值，过压保护值iq1 *作为iq2的输出限幅下限；
同时在快速停机模块中，将目标速度给定值ωref和电机实际速度ωreal进行作差获得速度偏差值e2并送入快速停机模块；
若速度偏差值e2＞0，则说明永磁同步电机处于加速阶段，快速停机模块输出的电流给定值iq2 *为内核控制器的参考值；
若速度偏差值e2＜0，则此时永磁同步电机处于减速阶段，iq1 *作为停机电流值iq2 *的输出限幅下限进行限幅处理后输出控制电流参数iq *，再与永磁同步电机的实际q轴电流进行作差输入到内核控制器。
6.根据权利要求5所述的具有新型保护功能的电机快速停机控制方法，其特征在于：
根据过压保护模块输出的过压保护值iq1 *和快速停机模块输出的停机电流值iq2 *进行相乘输出控制电流参数iq *作为安全控制器的输出，将速度控制器输出的q轴电流参考值iq_ref与控制电流参数iq *求和后再与永磁同步的实际q轴电流iq_real作差，作差后得到的值送入内核控制器进而用于控制电机快速安全停机。
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