一种抑制电机集群负载电流波动的控制方法与流程

1.本发明涉及一种电机的控制方法，具体涉及一种抑制电机集群负载电流波动的控制方法。


背景技术：

2.电机控制是现代工业飞速发展不可缺少的重要一环，作为控制驱动交流电机的逆变电源系统也是电机控制领域的一项非常重要的研究方向。在电机控制领域，通过逆变电源系统控制驱动单个电机的研究可以说是非常成熟了，对于多个电机的协同控制也常有应用。如中国专利cn113765410a公开了“一种同步电机集群负载换流逆变设备及其控制方法”中提及的关于逆变电源系统的控制方法即非常成熟的同步电机控制技术；中国专利cn111181448a公开了“一种双电机群相电流传感器误差协同系统及矫正方法”与中国专利cn111277176a公开了“基于双电流传感器的双电机群协同控制系统及控制方法”提及的多电机协同控制中电机系统反馈变量的误差问题的解决方案。
3.随着现代工业的不断发展，当前领域之内研究较多的是关于多个电机协同控制，以及对单电机控制或多电机控制中存在的各种问题，但是针对于数量极大的电机集群负载控制技术却鲜有提及，而对电机集群负载控制中因负载扰动或负载特性变化引起的负载电流波动，长时间无法稳定和收敛的问题也未提出相应的解决策略。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中电机集群控制因负载扰动和负载特性变化引起负载电流波动，长时间无法稳定和收敛的技术问题，而提供一种抑制电机集群负载电流波动的控制方法，能够有效控制负载电流波动，大幅减少电流波动收敛时间，保证电机集群负载的稳定运行。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种抑制电机集群负载电流波动的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.步骤1：搭建电机集群控制系统；
8.所述电机集群控制系统包括整流单元、逆变单元与控制器；整流单元的输入端连接外部电网，其输出端连接逆变单元；将控制器的输入端分别与整流单元的输入端和输出端、逆变单元的输出端、逆变单元的电感电流输出端连接；逆变单元的输出端与电机集群负载连接；控制器的pwm控制信号输出端与三相半桥逆变电路的输入端连接；
9.步骤2：通过控制器计算电机集群控制系统输出的波动控制量fluctrlval；
10.步骤3：利用控制器将波动控制量fluctrlval叠加在电机集群控制系统输出电压有效值的给定上，并送入控制器中输出电压有效值环，经控制器中输出电压有效值环、输出电压瞬时值环与电感电流瞬时值环的控制，进而控制电机集群控制系统的输出电压，抑制电机集群负载电流波动。
11.进一步地，步骤2具体为：
12.2.1、获取电机集群负载的负载电流瞬时值io，并计算负载电流瞬时值io的周期均方根，得到负载电流有效值io
rms
；
13.2.2、根据负载电流有效值io
rms
的波动，比较每个有效值比较周期tc内的负载电流有效值io
rms
，然后对所有效值比较周期tc内的负载电流有效值io
rms
进行排序，获得负载电流有效值io
rms
波动的最大值io
rms
max和最小值io
rms
min；
14.2.3、计算最大值io
rms
max和最小值io
rms
min的平均值，获得负载电流平均有效值io
rms
avg；
15.2.4、将使负载电流平均有效值io
rms
avg与负载电流平均有效值io
rms
avg对应的负载电流有效值io
rmsnow
相减，得到负载电流波动值io
rms
flu；
16.2.5、利用负载电流波动值io
rms
flu的给定减去负载电流波动值io
rms
flu后，送入第一比例控制器p1，并对第一比例控制器p的输出进行限幅，获得波动控制量fluctrlval。
17.进一步地，步骤3具体为：
18.3.1、将波动控制量fluctrlval叠加在电机集群控制系统输出电压有效值的给定上，获得输出电压有效值控制环的输出；
19.3.2、将控制器中输出电压有效值控制环的输出与输出电压有效值uo_rms相减后，送入比例积分控制器pi,得到有效值环控制量urmsctrlval；
20.3.3、将有效值环控制量urmsctrlval进行正弦化，获得输出电压瞬时值给定；
21.3.4、将输出电压瞬时值给定与输出电压瞬时值uo相减后，送入第二比例控制器p2，得到输出电压瞬时值环控制量uinstctrlval；
22.3.5、使输出电压瞬时值环控制量uinstctrlval与步骤2.1所得的负载电流瞬时值io叠加，得到电感电流瞬时值的给定；
23.3.6、用电感电流瞬时值的给定与电感电流瞬时值il相减后，送入第三比例控制器p3，得到调制波；
24.3.7、将调制波与三角载波进行幅值比较，获得高低电平输出信号，将高低电平输出信号作为pwm控制信号输入三相半桥逆变电路，进而控制三相半桥逆变电路的输出电压，抑制电机集群负载电流波动。
25.进一步地，步骤2.1具体为：
26.利用控制器采样得到负载电流瞬时值io，通过下式计算负载电流有效值io
rms
[0027][0028]
式中，n为负载电流有效值io
rms
单个有效值比较周期tc的采样点数。
[0029]
进一步地，步骤2.5具体为：
[0030]
2.5.1、利用负载电流波动值io
rms
flu的给定减去负载电流波动值io
rms
flu后，送入第一比例控制器p1，并对第一比例控制器p1的输出进行限幅；
[0031]
2.5.2、定义第一比例控制器p1的可变比例控制参数为krms，krms范围为0.0至1.0；第一比例控制器p1的比例控制给定为0；通过下式计算波动控制量fluctrlval
[0032]
fluctrlval＝(0-io
rms
flu)*krms。
[0033]
进一步地，步骤2.5.1中，所述限幅的值为电机集群控制系统的额定输出电压有效
值uo_rms的4％。
[0034]
进一步地，步骤3.7中，所述将调制波与三角载波进行幅值比较，获得高低电平输出信号具体为：
[0035]
将调制波与三角载波进行幅值比较，当调制波幅值大于三角载波幅值时获得高电平；当调制波幅值小于三角载波幅值时获得低电平。
[0036]
进一步地，步骤1具体为：
[0037]
整流单元包括依次连接的输入变压器、18脉波控整流桥与储能电容；所述逆变单元包括依次连接的三相半桥逆变电路、滤波电感与滤波电容；
[0038]
输入变压器的输入端用于与外部电网连接；
[0039]
储能电容的输出端与三相半桥逆变电路的输入端连接；
[0040]
控制器的输入端分别与输入变压器的输入端、储能电容的输出端、三相半桥逆变电路的输出端以及滤波电容的输出端连接；
[0041]
滤波电容的输出端用于与电机集群负载连接。
[0042]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0043]
(1)本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法，解决了现有技术中电机集群负载的电流波动问题，仅依靠增加控制器中控制扰动的电流波动的控制环路，实现了令电机集群负载的电流波动快速收敛的目的，且在长期运行过程中能够时刻维持对电流波动的控制作用，使电机集群负载的电流始终处于稳定的状态，以减少电机集群负载的机械损耗和故障率。
[0044]
(2)本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法，通过对电机集群负载的电流波动量进行闭环控制，还能够令电机集群负载的电流波动迅速收敛并稳定，且能够对波动产生持续抑制作用，无需担心反复波动。
[0045]
(3)本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法，对于多台电源并机的冗余设计，减少了电机负载的机械损耗和故障率，可使电机集群负载运行的可靠性大大提高，降低了电机集群负载异常掉电的概率。
[0046]
(4)本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法，无需改动电机集群控制系统的硬件，具有较广泛的应用，在原有电机集群控制系统中设计控制环路，通过提取电机集群负载的电流波动量，进行闭环控制的方式完成对负载电流波动的抑制。
附图说明
[0047]
图1为本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法实施例中，电机集群控制系统的连接关系示意图。
[0048]
图2为本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法实施例中，计算波动控制量fluctrlval过程示意图。
[0049]
图3为本发明抑制电机集群负载电流波动的控制方法实施例中，控制器的的控制策略框图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
[0051]
为解决电机集群控制系统中因负载扰动或是负载特性变化引起的负载电流波动且长时间无法稳定和收敛的技术问题，设计了抑制电机集群负载电流波动的控制方法，结合具有并机能力的逆变电源，组成了具有抑制电流波动能力的电机集群控制系统。
[0052]
本发明一种抑制电机集群负载电流波动的控制方法，包括以下步骤：
[0053]
步骤1：如图1所示,搭建电机集群控制系统；电机集群控制系统包括整流单元、逆变单元与控制器；
[0054]
整流单元包括依次连接的输入变压器、18脉波控整流桥与储能电容；
[0055]
逆变单元包括依次连接的三相半桥逆变电路、滤波电感与滤波电容；
[0056]
其中，输入变压器的输入端用于与外部电网连接；储能电容的输出端与三相半桥逆变电路的输入端连接；滤波电容的输出端与电机集群负载连接；
[0057]
将控制器的输入端与输入变压器输入端连接，获得输入电压uin、输入电流iin；控制器的输入端与储能电容的输出端连接，获得直流母线电压udc；控制器的输入端与三相半桥逆变电路的输出端连接，获得电感电流il；控制器的输入端与滤波电容的输出端连接，获得输出电压uo、负载电流io；控制器的pwm控制信号输出端与三相半桥逆变电路的输入端连接。
[0058]
步骤2：如图2所示,通过控制器计算电机集群控制系统输出的波动控制量fluctrlval；
[0059]
2.1、通过控制器采样获取电机集群负载的负载电流瞬时值io，并求负载电流瞬时值io的周期均方根，通过下式计算得到负载电流有效值io
rms
；
[0060][0061]
式中，n为负载电流有效值io
rms
单个有效值比较周期tc的采样点数。
[0062]
2.2、根据负载电流有效值io
rms
的波动，比较每个有效值比较周期tc内的负载电流有效值io
rms
，然后对所有效值比较周期tc内的负载电流有效值io
rms
进行排序，获得负载电流有效值io
rms
波动的最大值io
rms
max和最小值io
rms
min；
[0063]
2.3、求最大值io
rms
max和最小值io
rms
min的平均值，获得负载电流平均有效值io
rms
avg；
[0064]
2.4、使负载电流平均有效值io
rms
avg与负载电流平均有效值io
rms
avg对应的负载电流有效值io
rmsnow
相减，得到负载电流波动值io
rms
flu；
[0065]
2.5、利用负载电流波动值io
rms
flu的给定减去负载电流波动值io
rms
flu后，送入第一比例控制器p1，并对第一比例控制器p1的输出进行限幅，获得波动控制量fluctrlval；
[0066]
2.5.1、利用负载电流波动值io
rms
flu的给定减去负载电流波动值io
rms
flu后，送入第一比例控制器p1，并对第一比例控制器p1的输出负载电流波动值io
rms
flu进行限幅；
[0067]
本实施例中，设第一比例控制器p1的比例控制给定为0，限幅的值为电机集群控制系统的额定输出电压有效值uo_rms的4％。
[0068]
2.5.2、定义第一比例控制器p1的可变比例控制参数为krms，krms范围为0.0至
1.0；第一比例控制器p的比例控制给定为0；通过下式计算波动控制量fluctrlval
[0069]
fljctrlval＝(0-io
rms
flu)*krms。
[0070]
步骤3：如图3所示,利用控制器将波动控制量fluctrlval叠加在输出电压有效值的给定上，并送入输出电压有效值环，经输出电压有效值环、输出电压瞬时值环与电感电流瞬时值环的控制，进而影响三相半桥逆变电路的输出电压，来抑制电机集群负载电流波动，具体为：
[0071]
3.1、将波动控制量fluctrlval叠加在电机集群控制系统输出电压有效值的给定上，获得输出电压有效值控制环的输出；
[0072]
3.2、将控制器中输出电压有效值控制环的输出与输出电压有效值uo_rms相减后，送入比例积分控制器pi,得到有效值环控制量urmsctrlval；
[0073]
3.3、将有效值环控制量urmsctrlval进行正弦化，获得输出电压瞬时值给定；本实施例中优选地，正弦化中的三相正弦波的峰值为1.414，其相位互错120
°
。
[0074]
3.4、将输出电压瞬时值给定与输出电压瞬时值uo相减后，送入第二比例控制器p2，得到输出电压瞬时值环控制量uinstctrlval；
[0075]
3.5、使输出电压瞬时值环控制量uinstctrlval与步骤2.1所得的负载电流瞬时值io叠加，得到电感电流瞬时值的给定；
[0076]
3.6、用电感电流瞬时值的给定与电感电流瞬时值il相减后，送入第三比例控制器p3，得到调制波；
[0077]
3.7、将调制波与三角载波进行幅值比较，当调制波幅值大于三角载波幅值时获得高电平；当调制波幅值小于三角载波幅值时获得低电平；将获得的高电平与低电平输出信号，作为pwm控制信号输入三相半桥逆变电路，进而影响三相半桥逆变电路的输出电压，抑制电机集群负载电流波动。
[0078]
本发明中电机集群控制系统中外部电网输入经整流单元变换为直流电压，再经逆变单元变换为三相互相错相120
°
的交流电压，交流电压用于为电机集群负载供电。
[0079]
多个电机集群控制系统并机组成的更大容量且具备冗余功能，能够同时驱动更多电机集群负载；其冗余功能能够保证，当电机集群控制系统中某一台或几台逆变电源故障停机时，其余逆变电源依旧为所带负载供电，保证负载稳定运行。
[0080]
整流单元的输入端通过交接qf控制与外部电网输出端连接，外部电网输出端输出的输入交流电压，接入整流单元中输入变压器的输入端，用于提高输入交流电压幅值，再分别连接三组6脉波整流桥串联组成的18脉波控整流桥的输入端，将输入交流电压整定为直流母线电压udc输入储能电容，储能电容用于整流与逆变单元间的能量缓冲。
[0081]
储能电容的输出端通过直流母线与逆变单元中三相半桥逆变电路的输入端连接后，三相半桥逆变电路的输出端依次连接有滤波电感、滤波电容。本实施例中，三相半桥逆变电路由大功率igbt组成，可根据pwm控制信号控制igbt的开通或者关闭；将直流母线进行斩波，获得所需间隔的间断电压，再经过滤波电感、滤波电容进行滤波，得到所需交流输出电压，用于驱动电机集群负载。在电机集群控制系统各处设置电压霍尔、电流互感器等采样器件，将输入电压、输入电流、直流母线的电压、输出电压、输出电感电流、电机集群负载的电流采样至控制器中，经控制器的控制环路计算，获得pwm控制信号，进而实现令负载电流波动快速收敛的目的。
[0082]
控制器的控制环路包括输出电压有效值环、输出电压瞬时值环和电感电流瞬时值环。控制器的输入端分别与输入变压器的输入端、储能电容的输出端、三相半桥逆变电路的输出端连接。