一种双直流电机反向串联控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种双直流电机反向串联控制系统及方法，六个功率开关管采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，反向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，依次经霍尔测速传感器、电流检测传感器和速度调节模块后再分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，三相逆变器分别经电流调节模块和一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个功率开关管的通断驱动双直流电机运行。本发明在PI控制器、PWM脉冲产生单元、三相六开关管逆变器等基础上，采用参考电压合成方式得到参考合成电压，并作为PWM脉冲产生单元的输入，可以更好实现电机在一定范围内的运转。

权利要求

1.一种双直流电机反向串联控制系统，其特征在于，包括反向串联的双直流电机、三相逆变器和直流电源，三相逆变器包括六个功率开关管，六个功率开关管采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，反向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，双直流电机依次经霍尔测速传感器、电流检测传感器和速度调节模块后分两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个功率开关管的通断驱动双直流电机运行，三个桥臂具体为：第一桥臂由功率开关管T1、T4以及并联在其上的二极管组成，第二桥臂由功率开关管T3、T6以及并联在其上的二极管组成，第三桥臂由功率开关管T2、T5以及并联在其上的二极管组成，取第一桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点a，取第二桥臂L2中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点b，取第三桥臂L3中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点c，双直流电机的一个直流电机的正极与a点连接，另一个直流电机的正极与b点连接，双直流电机的负极均与c点连接。

2.一种利用权利要求1所述系统的控制方法，其特征在于，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2和永磁同步电机电流检测传感器得到双直流电机的电流I1、I2在两级PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2；将参考电压U1、U2经参考电压合成器合成后得到参考合成电压V1、V2、V3与PWM脉冲产生单元相连，输出脉冲控制信号控制三相逆变器中的三个桥臂内的功率开关管的通断驱动双直流电机的运转，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，通过改变参考速度 来确保双直流电机的反向运行，具体步骤如下：S1、系统初始化，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到双直流电机的电流I1、I2反馈到电流调节模块；

S2、将参考速度 和步骤S1反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、ew2，速度误差ew1、ew2在PI控制器的作用下得到参考电流I1*、I2*；

S3、将步骤S2参考电流I1*、I2*和步骤S1反馈电流信号I1、I2在电流比较器的作用下得到电流误差ea、eb，电流误差ea、eb在PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2；

S4、将步骤S3参考电压U1、U2在参考电压合成器的作用下得到参考合成电压V1、V2、V3，得到参考合成电压V1、V2、V3如下：S5、将步骤S4合成电压V1、V2、V3在PWM脉冲产生单元的作用下得到脉冲控制信号，进而通过控制三相逆变器六开关管的通断来驱动电机的运转。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中，参考电流I1*、I2*如下：

其中，KP为转速调节模块中的比例增益，KI为转速调节模块中的积分时间常数的倒数。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，速度误差ew1、ew2如下：

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S3中，参考电压U1、U2如下：

其中，Kp1为电流调节模块中的比例增益，k2为电流调节模块中的积分时间常数的倒数。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，电流误差ea、eb如下：

说明书

一种双直流电机反向串联控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种双直流电机反向串联控制系统及方法。

背景技术

[0002] 电机能够以设定的转矩和转速来实现稳定的运转，对造纸等相关行业的生产是十分重要的。于是，能够实现电机稳定的运转，相关技术人员有提出了基于自动控制原理或者现代控制原理中的反馈概念来进行对电机的转矩和转速的控制，也有利用微处理器产生PWM信号进而驱动电机芯片来控制电机的运转。

发明内容

[0003] 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，提供一种双直流电机反向串联控制系统及方法，在PI控制器、PWM脉冲产生单元、三相六开关管逆变器等基础上，采用特定的参考电压合成方式得到参考合成电压，并将其作为PWM脉冲产生单元的输入，可以更好实现电机在一定范围内的运转。

[0004] 本发明采用以下技术方案：

[0005] 一种双直流电机反向串联控制系统，包括反向串联的双直流电机、三相逆变器和直流电源，三相逆变器包括六个功率开关管，六个功率开关管采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，反向串联的双直流电机分别串联三个桥臂，双直流电机依次经霍尔测速传感器、电流检测传感器和速度调节模块后分两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个功率开关管的通断驱动双直流电机运行。

[0006] 具体的，三个桥臂具体为：第一桥臂由功率开关管T1、T4以及并联在其上的二极管组成，第二桥臂由功率开关管T3、T6以及并联在其上的二极管组成，第三桥臂由功率开关管T2、T5以及并联在其上的二极管组成。

[0007] 进一步的，取第一桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点a，取第二桥臂L2中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点b，取第三桥臂L3中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点c，双直流电机的一个直流电机的正极与a点连接，另一个直流电机的正极与b点连接，双直流电机的负极均与c点连接。

[0008] 一种双直流电机反向串联控制方法，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2和永磁同步电机电流检测传感器得到双直流电机的电流I1、I2在两级PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2；将参考电压U1、U2经参考电压合成器合成后得到参考合成电压V1、V2、V3与PWM脉冲产生单元相连，输出脉冲控制信号控制三相逆变器中的三个桥臂内的功率开关管的通断驱动双直流电机的运转，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，通过改变参考速度来确保双直流电机的反向运行。

[0009] 具体的，步骤如下：

[0010] S1、系统初始化，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到双直流电机的电流I1、I2反馈到电流调节模块；

[0011] S2、将参考速度 和步骤S1反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、ew2，速度误差ew1、ew2在PI控制器的作用下得到参考电流I1*、I2*；

[0012] S3、将步骤S2参考电流I1*、I2*和步骤S1反馈电流信号I1、I2在电流比较器的作用下得到电流误差ea、eb，电流误差ea、eb在PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2；

[0013] S4、将步骤S3参考电压U1、U2在参考电压合成器的作用下得到参考合成电压V1、V2、V3；

[0014] S5、将步骤S4合成电压V1、V2、V3在PWM脉冲生产单元的作用下得到脉冲控制信号，进而通过控制三相逆变器六开关管的通断来驱动电机的运转。

[0015] 进一步的，步骤S2中，参考电流I1*、I2*如下：

[0016]

[0017] 其中，KP为转速调节模块中的比例增益，KI为转速调节模块中的积分时间常数的倒数。

[0018] 更进一步的，速度误差ew1、ew2如下：

[0019]

[0020] 进一步的，步骤S3中，参考电压U1、U2如下：

[0021]

[0022] 其中，Kp1为电流调节模块中的比例增益，k2为电流调节模块中的积分时间常数的倒数。

[0023] 更进一步的，电流误差ea、eb如下：

[0024]

[0025] 进一步的，得到参考合成电压V1、V2、V3如下：

[0026]

[0027] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0028] 本发明一种双直流电机反向串联控制系统，六个功率开关管采用两两串联的方式组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，双直流电机分别串联三个桥臂用于将能量传输给电机驱动电路，双直流电机依次经霍尔测速传感器、电流检测传感器和速度调节模块分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，三相逆变器分别经电流调节模块和一级PI控制器与参考电压合成器连接，通过参考电压合成器连接至PWM脉冲生成单元，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个功率开关管的通断驱动双直流电机运行，由计算得出三相反馈电流信号，能获取相位差为120°的三相电流，设置参考电压合成器的目的是对经过两级PI控制器得出的电压信号进行合成控制，此参考电压合成器不需要载波，电压合成速度快，控制方法简单，误差小，这种控制更加的精确，通用性较强，能达到很好的控制效果。

[0029] 进一步的，三相六开关逆变器由三个桥臂L1、L2、L3和六个功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6、构成，其中第一桥臂L1由开关管T1-T4连接构成，第二桥臂L2由开关器T3-T6连接构成，第三桥臂L3由开关器T2-T5连接构成。取第一桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点a点，取第二桥臂L2中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点b点，取第三桥臂L3中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点c点，将节点a、b、c与两个串联的电机连接；三个桥臂L1、L2、L3并联后与公共直流电源连接。由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号来控制开关管的通断，可以得到三相电机电枢绕组中的电压正负进而驱动电机的运行。不仅简化了逆变器电机控制系统的电路结构，而且提高了运行的稳定性。

[0030] 本发明还公开了一种双直流电机反向串联控制方法，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2和永磁同步电机电流检测传感器得到双直流电机的电流I1、I2在两级PI控制器的作用下得到电压值U1、U2；将电压值U1、U2按经参考电压合成器合成后得到参考合成电压V1、V2、V3与PWM脉冲产生单元相连，输出脉冲控制信号控制三相逆变器中的三个桥臂内的功率开关管的通断驱动双直流电机的运转，通过改变参考速度 来确保双直流电机的反向运行，不仅提高了电机反向运行的稳定性、准确性、快速性，而且简化了电机反向运转的控制方式。

[0031] 进一步的，参考速度 和反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下得到速度误差ew1、ew2，速度误差ew1、ew2在PI控制器的作用下得到参考电流I1*、I2*，此种控制方式简单，具有很好的通用性，得到的电流信号较好。

[0032] 进一步的，参考电压U1、U2在参考电压合成器的作用下得到合成电压，合成电压在PWM脉冲产生单元的作用下得到脉冲信号，脉冲信号通过控制开关功率开关管的通断进而驱动电机的运转。此种方式得到的参考电压，不仅能够降低了经济成本，还提高了控制的准确性。

[0033] 进一步的，采用参考合成电压V1、V2、V3，控制方法简单易行，不需要载波，电压响应速度快，误差小。

[0034] 综上所述，本发明在PI控制器、PWM脉冲产生单元、三相六开关管逆变器等基础上，采用特定的参考电压合成方式得到参考合成电压，并将其作为PWM脉冲产生单元的输入，可以更好实现电机在一定范围内的运转。

[0035] 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

[0036] 图1为本发明双直流电机反向串联控制电路图；

[0037] 图2为本发明双直流电机串联控制系统示意图；

[0038] 图3为本发明双直流电机串联控制算法流程图。

具体实施方式

[0039] 请参阅图2，本发明一种双直流电机反向串联控制系统，参考合成电压在PWM脉冲生产单元输出脉冲控制信号，进而通过控制功率开关管的通断将直流电压逆变成接近于正弦波的电压，进而驱动电机的运转。

[0040] 控制系统包括两个反向串联的直流电机M1和M2、两个PI控制器、参考电压合成器、PWM脉冲生产单元、三相六开关逆变器、永磁同步电机电流检测传感器、霍尔测速传感器、直流电源。

[0041] 连接次序为第一个PI控制器、第二个PI控制器、参考电压合成器、PWM脉冲生产单元、三相六开关逆变器、两个反向串联的电机，另外将霍尔测速传感器和永磁同步电机电流检测传感器分别与速度调节模块和电流调节模块连接。

[0042] 六个功率开关管组成三个桥臂且并联在直流电源的正负极，反向串联的双直流电机通过对应的耦合电感元件分别串联三个桥臂用于将能量传输给电机驱动电路，双直流电机依次经霍尔测速传感器、电流检测传感器和速度调节模块后分两路分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器分三路经PWM脉冲生成单元与三相逆变器的输入端连接，三相逆变器的输出端分别与双直流电机和电流调节模块连接，电流调节模块分两路分别经一级PI控制器与参考电压合成器连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号控制六个功率开关管的通断驱动双直流电机运行。

[0043] 请参阅图1，三相六开关逆变器由三个桥臂L1、L2、L3和六个功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6、构成，第一桥臂L1由开关管T1-T4连接构成，第二桥臂L2由开关器T3-T6连接构成，第三桥臂L3由开关器T2-T5连接构成。取第一桥臂L1中的功率开关管T1与功率开关管T4的中点为节点a点，取第二桥臂L2中的功率开关管T3与功率开关管T6的中点为节点b点，取第三桥臂L3中的功率开关管T2与功率开关管T5的中点为节点c点，将节点a、b、c与两个串联的直流电机连接，双直流电机中，直流电机M1的正极与a点连接，直流电机M2的正极与b点连接，M1和M2的负极均与c点连接；三个桥臂L1、L2、L3并联后与公共直流电源连接，由PWM脉冲生成单元产生的脉冲控制信号来控制开关管的通断，可以得到三相电机电枢绕组中的电压正负进而驱动电机的运行。

[0044] 六个功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6均采用IGBT。

[0045] 将霍尔测速传感器得到的速度和永磁同步电机电流检测传感器得到电机的电流在两级PI控制器的作用下得到参考电压值U1、U2；将参考电压U1、U2按照一定的方式进行合成后与PWM脉冲产生单元相连，输出脉冲控制信号控制三相逆变器中的三个桥臂内的功率开关管的通断。

[0046] 请参阅图2，控制策略如下：根据工作要求设定参考输入信号 利用霍尔测速传感器测得到的速度ω1、ω2与参考速度 在速度调节模块作用下得到速度误差ew1、ew2，速度误差在PI控制器的作用下得到参考电流I1*、I2*，将测量到的电机电流I1、I2与参考电流I1*、I2*经过电流调节模块得到电流误差ea、eb，电流误差ea、eb在PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2，该参考电压U1、U2在电压合成器的作用下得到的三个参考合成电压V1、V2、V3，三个参考合成电压V1、V2、V3在PWM脉冲生产单元的作用下获得PWM占空比，输出脉冲控制信号，进而控制三相六开关逆变器的功率开关管的通断，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，通过改变参考速度 来确保电机反向稳定运行。该系统是通过反馈构成闭环控制系统，因此误差信号能快速的反馈，进而确保电机控制系统长久运转。

[0047] 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。

[0048] 请参阅图3，本发明一种双直流电机反向串联控制方法，包括以下步骤：

[0049] S1、系统初始化，将霍尔测速传感器得到的速度ω1、ω2反馈到速度调节模块，将永磁同步电机电流检测传感器得到电机的电流I1、I2反馈到电流调节模块。

[0050] S2、将参考速度 和步骤S1反馈速度信号ω1、ω2在速度比较器的作用下速度误差ew1、ew2，速度误差ew1、ew2在PI控制器的作用下得到参考电流I1*、I2*。其中速度误差ew1、ew2和参考电流I1*、I2*的数学描述分别是下：

[0051]

[0052] 其中，参考速度是 反馈速度信号是ω1、ω2。

[0053]

[0054] 其中，参考电流是I1*、I2*，转速误差是ew1、ew2。

[0055] S3、将步骤S2参考电流I1*、I2*和步骤S1反馈电流信号I1、I2在电流比较器的作用下得到电流误差ea、eb，电流误差ea、eb在PI控制器的作用下得到参考电压U1、U2。其中电流误差ea、eb和参考电压U1、U2的数学描述分别为：

[0056]

[0057] 其中，参考电流是I1*、I2*，实际电流是I1、I2。

[0058]

[0059] 其中，参考电压是U1、U2，电流误差是ea、eb。

[0060] S4、将步骤S3参考电压U1、U2在参考电压合成器的作用下得到参考合成电压V1、V2、V3。

[0061]

[0062] 其中，参考电压是U1、U2，参考合成电压是V1、V2、V3。

[0063] S5、将步骤S4合成电压V1、V2、V3在PWM脉冲生产单元的作用下得到脉冲控制信号，进而通过控制三相逆变器六开关管的通断来驱动电机的运转。

[0064] 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。