一种三直流电机正向串联控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三直流电机正向串联控制系统及方法，八个IGBT模块采用两两串联的方式组成四桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的三直流电机分别串联四桥臂，三直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与四相逆变器连接，四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八个IGBT模块的通断驱动三直流电机运行。本发明专利技术使用的电路元器件少，结构简单，且性能稳定可靠，具有推广使用的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种三直流电机正向串联控制系统及方法
本专利技术属于电机系统及控制
，具体涉及一种三直流电机正向串联控制系统及方法。
技术介绍
随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，直流电机的应用也因此而迅速增长。在具体应用中，直流电机应实现正向电动、反向电动、正向回馈制动以及反向回馈制动四种运动状态，电动运行下转速与电磁转矩同向，回馈制动运行下转速与电磁转矩反向，一般统称为直流电机的四象限控制。现有技术中直流电机的四象限控制电路，往往结构复杂，功能模块较多，价格昂贵，但性能却不尽完善，如何设计一种结构简单，性能优异的驱动电路，是本领域技术人员一直研究的方向。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三直流电机正向串联控制系统及方法，对三个正向串联的直流电机进行四象限控制并节约直流电机系统。本专利技术采用以下技术方案：一种三直流电机正向串联控制系统，包括正向串联的三直流电机、四相逆变器和直流电源，四相逆变器包括八个IGBT模块，八个IGBT模块采用两两串联的方式组成四桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的三直流电机分别串联四桥臂，三直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与四相逆变器的输入端连接，四相逆变器的输出端分别与电流调节模块和三直流电机连接，电流调节模块经一级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八个IGBT模块的通断驱动三直流电机运行。具体的，IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，四桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2组成，第四桥臂由双极型晶体管芯片T7、T8以及并联在其上的二极管芯片D7、D8组成。进一步的，第一桥臂T1与T4的中点为节点a点，第二桥臂T3与T6的中点为节点b点，第三桥臂T5与T2的中点为节点c点，第四桥臂T7与T8的中点为节点d点，三直流电机包括直流电机A、直流电机B和直流电机C，直流电机A经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点a点相连，负极端口与节点b点相连；直流电机B经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点b点相连，负极端口与节点c点相连；直流电机C经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点c相连，负极端口与节点d相连。一种三直流电机正向串联控制方法，系统初始化后，将三直流电机系统中的三个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能得到三个电机的稳态电压V1、V2、V3，将V1、V2、V3分别送入参考电压合成器中，得到四路输出电压U1、U2、U3、U4，并将其四路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；四相逆变器在外部直流电压的作用下驱动三直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给三组稳态电流，实现对三直流电机正向串联控制。具体的，包括以下步骤：S1、系统进行初始化，三直流电机通过传感器驱动转速计数器将三个直流电机的转速分别记为ω1、ω2、ω3；S2、将ω1、ω2、ω3与系统内的电机给定转速经过速度调节模块后，得到转速误差ew1、ew2、ew3后通过PI控制器调节系统稳态，获得参考电流，在与实际电流I1、I2、I3电流调节后得到电流误差ea、eb、ec，再一次通过PI控制器调节稳态后，生成三个稳态电压分别记为V1、V2、V3；S3、将经过PI调节后的稳态电压V1、V2、V3三路电压送入参考电压合成器中，得到四路输出电压记为U1、U2、U3、U4；S4、将步骤S3中的U1、U2、U3、U4四组输出电压输入到PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，并将调制好的脉冲输入四相逆变器中；S5、四相逆变器在外部直流电压的作用下驱动三直流电机工作，同时将支路上的电流I1、I2、I3反馈给步骤S2的电流I1、I2、I3。进一步的，步骤S2中，将S1中输出的参考电流限制值与在一阶低通滤波器作用下的公称电路相减，再对其分别进行微分增益与比例增益，并对积分增益模块采用有限积分器，生成限幅器，三个稳态电压分别记为V1、V2、V3如下：其中，Kp为电流调节器的比例放大系数，k1为电流调节器积分时间常数的倒数。更进一步的，转速误差ew1、ew2、ew3如下：参考电流如下：其中，kp1为转速调节器的比例放大系数，k2是转速调节器积分时间常数的倒数；电流误差ea、eb、ec如下：进一步的，步骤S3中，三路电压合成器的参考电压计算公式如下：进一步的，步骤S4中，将输出波与一列锯齿波相调制，根据二者的自然交点得到PWM占空比的大小。进一步的，步骤S5中，当直流电机的转速超过给定转速时，电机处于发电状态，直流母线电压升高，整流回馈部分开始工作，将多余的能量反馈给电网，电机按给定的速度下行，实现三直流电机的正向串联四象限控制。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种三直流电机正向串联控制系统，八个IGBT模块采用两两串联的方式组成四条支路并联在直流电源的正负极，三直流电机分别串联四条支路，依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与四相逆变器连接，四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八个IGBT模块的通断驱动三直流电机运行，可以同时实现多个直流电机同时进行四象限控制，系统结构简单清晰，易于控制，并且减少了系统总的IGBT模块数量，节省了成本，提升了经济效益，具有更好的实用价值。进一步的，将三直流电机分别在四支路中点连接设置，可以通过应用基尔霍夫电流、电压定律列出对结点和回路所需要的方程组，从而解出各未知支路电流。将直流电机在四条支路的中点相互连接，消除了电流、电压在电路传输中出现的时间误差，并也便于使用KCL、KVL来计算各个支路中点的电流、电压瞬时值。本专利技术还公开了一种三直流电机正向串联控制方法，将三直流电机系统中的三个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能，将三个电机的稳态电压V1、V2、V3分别送入参考电压合成器中，得到四路输出电压U1、U2、U3、U4，并将其四路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；四相逆变器在外部直流电压的作用下驱动三直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给三组稳态电流，实现对三直流电机正向串联的控制，系统根据转速计数器计算实时转速，判断与参考转速的大小关系，实现电机的四象限控制。串联电路中经过PI控制器、参考电压合成器也保证了电路中的电流、电压、转速等参数误差较小，系统较稳定。进一步的，在步骤S2中，各路电流和电压都经过了PI控制器进行系统稳态调节，PI控制器先通过比例校正环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三直流电机正向串联控制系统，其特征在于，包括正向串联的三直流电机、四相逆变器和直流电源，四相逆变器包括八个IGBT模块，八个IGBT模块采用两两串联的方式组成四桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的三直流电机分别串联四桥臂，三直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与四相逆变器的输入端连接，四相逆变器的输出端分别与电流调节模块和三直流电机连接，电流调节模块经一级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八个IGBT模块的通断驱动三直流电机运行。

【技术特征摘要】
1.一种三直流电机正向串联控制系统，其特征在于，包括正向串联的三直流电机、四相逆变器和直流电源，四相逆变器包括八个IGBT模块，八个IGBT模块采用两两串联的方式组成四桥臂并联在直流电源的正负极，正向串联的三直流电机分别串联四桥臂，三直流电机依次经速度传感器、电流传感器和速度调节模块后分别经两级PI控制器与参考电压合成器连接，参考电压合成器经PWM脉冲生成单元与四相逆变器的输入端连接，四相逆变器的输出端分别与电流调节模块和三直流电机连接，电流调节模块经一级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八个IGBT模块的通断驱动三直流电机运行。2.根据权利要求1所述的一种三直流电机正向串联控制系统，其特征在于，IGBT模块包括双极型晶体管芯片和二极管芯片，四桥臂具体为：第一桥臂由双极型晶体管芯片T1、T4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4组成，第二桥臂由双极型晶体管芯片T3、T6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6组成，第三桥臂由双极型晶体管芯片T5、T2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2组成，第四桥臂由双极型晶体管芯片T7、T8以及并联在其上的二极管芯片D7、D8组成。3.根据权利要求2所述的一种三直流电机正向串联控制系统，其特征在于，第一桥臂T1与T4的中点为节点a点，第二桥臂T3与T6的中点为节点b点，第三桥臂T5与T2的中点为节点c点，第四桥臂T7与T8的中点为节点d点，三直流电机包括直流电机A、直流电机B和直流电机C，直流电机A经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点a点相连，负极端口与节点b点相连；直流电机B经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点b点相连，负极端口与节点c点相连；直流电机C经过一个耦合电感元件耦合后正极端口与节点c相连，负极端口与节点d相连。4.一种利用权利要求1至3中任一项所述系统的控制方法，其特征在于，系统初始化后，将三直流电机系统中的三个电机的转速、电流以及电压都经过PI控制器改善系统稳态性能得到三个电机的稳态电压V1、V2、V3，将V1、V2、V3分别送入参考电压合成器中，得到四路输出电压U1、U2、U3、U4，并将其四路输出电压送入PWM脉冲调节模块，进行SPWM调制，控制PWM占空比的大小；四相逆变器在外部直流电压的作用下驱动三直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给三组稳态电流，实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海，景治鑫，汪贵平，闫茂德，茹峰，李登峰，靳引利，王建平，王飚，梁华刚，龚贤武，陈金平，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61