阅读说明：本技术 一种双电机系统及转矩控制方法 (Dual-motor system and torque control method ) 是由 张守旭 崔荣鑫 严卫生 王银涛 李俊兵 房新鹏 左磊 林海 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双电机系统及转矩控制方法,通过速度传感器检测双直流电机的转速,将双直流电机的转速经PI控制器改善系统的稳态性能,PI控制器输出为参考电流,将双直流电机的参考电流分别送入参考转矩计算模块中,得到三路参考转矩,再把检测到的实际电流送入转矩重构计算模块,输出三相重构转矩,最终对转矩误差进行滞环控制,输出控制三相逆变器的PWM波形,控制逆变器开关的关断,三相逆变器在外部直流电压的作用下驱动双直流电机工作,同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流,完成整个控制回路,实现对双直流电机正向串联控制系统的控制。能够减少成本,快速性好,功率大,控制简单,参数少,易于调试。(The invention discloses a double-motor system and a torque control method, wherein the rotating speed of double direct current motors is detected by a speed sensor, the steady state performance of the system is improved by a PI controller, the PI controller outputs reference currents, the reference currents of the double direct current motors are respectively sent to a reference torque calculation module to obtain three paths of reference torques, the detected actual currents are sent to a torque reconstruction calculation module to output three-phase reconstruction torques, finally hysteresis loop control is carried out on torque errors, PWM (pulse width modulation) waveforms of a three-phase inverter are output and controlled, the switch of the inverter is controlled, the three-phase inverter drives the double direct current motors to work under the action of external direct current voltage, and meanwhile, the currents on branches are fed back to two groups of steady state currents to complete a whole control loop and realize the control of a forward series control system of the double direct current motors. The method has the advantages of low cost, high rapidity, high power, simple control, few parameters and easy debugging.)

一种双电机系统及转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种双电机系统及转矩控制方法。

背景技术

随着控制理论、计算机水平以及电机工艺制造水平的发展，电机在家电，电 动汽车等工业领域中越来越得到的广泛应用其中，而直流电机具有良好的启动特 性和调速特性，相比交流电机直流电机更加节能环保，故本发明针对直流电机进 行一系列研究，使得双电机绕组共用一路桥臂的情况下能够正常运行，保证双直 流电机实现正向电动、反向电动、正向回馈制动以及反向回馈制动四种运动状态。

双电机驱动系统更具有功率输出大，高功率密度、适于容错运行等优点，因 此得到广泛重视。传统电机控制一般采用PI控制，然而在双电机双闭环控制系 统中，若所用控制器均采用PI控制会在实际电机控制因积分反馈引入过多的负 作用，同时增加系统调参难度，故本发明在控制器设计中加入转矩滞环控制，能 够减少波形中的谐波分量且不需要载波，滞环控制硬件电路的设计相对简单，转 矩反映快，能够实时跟踪给定转矩，对转矩进行控制能够提高系统的控制效率。 如何获得合理的三相转矩驱动三相逆变器是本发明的核心内容，本发明的控制方 法能够提高系统控制精度，相对传统控制方法减少了逆变器数目，并为双直流电 机串联直接转矩控制系统实现在四象限内运行提供了行之有效的方法。

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，提供一种双电 机系统及转矩控制方法，减少逆变器桥臂数目，减少PI控制器数目，本发明目 的在于提供基于转矩控制的方法，实现双电机系统直接转矩驱动及其控制。

本发明采用以下技术方案：

一种双电机转矩控制方法，通过速度传感器检测直流电机DCM1和直流电机 DCM2的转速，将直流电机DCM1和直流电机DCM2的转速经PI控制器改善系统 的稳态性能，PI控制器输出为参考电流，将直流电机DCM1和直流电机DCM2的 参考电流分别送入参考转矩计算模块中，得到三路参考转矩，再把检测到的实际 电流送入转矩重构计算模块，输出三相重构转矩，最终对转矩误差进行滞环控制， 输出控制三相逆变器的PWM波形，控制逆变器开关的关断，三相逆变器在外部 直流电压的作用下驱动直流电机DCM1和直流电机DCM2工作，同时将支路上的 电流反馈给两组稳态电流，完成整个控制回路，实现对直流电机DCM1和直流电 机DCM2正向串联控制系统的控制。

具体的，包括以下步骤：

S1、系统进行初始化，电流传感器，速度传感器分别将电流信号、直流电机 DCM1和直流电机DCM2的速度信号采集到主控单元，直流电机DCM1和直流电机 DCM2的给定转速W₁ ^*、W₂ ^*与实际转速W₁、W₂经过速度调节模块后得到转速误差 e_w1、e_w2，对转速误差进行PI调节得到两相参考电流I_m1、I_m2；

S2、由于最终要控制三桥臂的开通和关断，所以需要把两相参考电流转化为 三相参考转矩T_1ref、T_2ref、T_3ref；

S3、检测两个电机的实际电流为X₁，X₂，将两相电流重构为三相转矩；

S4、将步骤S3得到的三相参考转矩和三相重构转矩进行比较得到误差 ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃，将三相转矩误差作为滞环控制单元的输入；当误差大于滞环比较 器的阈值时，滞环比较器输出负电平使对应相的上桥臂关断下桥臂导通，使实际 转矩减小，当减小到与参考转矩相等时，滞环比较器保持低电平输出，实际转矩 继续减小，直到误差再次增大到滞环比较器的阈值时，置换控制器翻转，输出高 电平信号；

S5、将滞环比较器的输出作为PWM单元的输入，产生控制逆变器开关的脉 冲信号，实现直流电机DCM1和直流电机DCM2转矩控制。

进一步的，步骤S1中，两相参考电流I_m1、I_m2具体为：

其中，K_p、K_I为PI调节器参数。

进一步的，步骤S2中，转化具体如下：

其中，K₁、K₂为电机1和电机2的直流电机转矩常数。

进一步的，步骤S3中，重构公式如下：

其中，K₁、K₂为电机1和电机2的直流电机转矩常数。

进一步的，步骤S4中，滞环控制器的输出H_i具体为：

其中，i＝1,2,3，δ为滞环比较器的阈值，Q表示与上一时刻输出的值相等，ΔT 为三相参考转矩与三相转矩的误差。

进一步的，步骤S5中，开关逻辑函数具体为：

其中，i＝1,2,3，U_i为PWM单元的输出，H_i滞环控制器的输出。

本发明的另一技术方案是，一种双电机系统，采用所述的转矩控制方法，包 括转速采集单元和电流采集单元，转速采集单元和电流采集单元分别与直流电机 DCM1和直流电机DCM2连接，用于采集电机的位置转速和实际电流，经PI调节 后将两相参考电流I_m1、I_m2发送至参考转矩计算模块，参考转矩计算模块连接转矩 重构计算模块用于将电机实际电流重构为三相转矩，主控单元采用转矩滞环控 制，将开关函数计算模块的输出连接到滞环比较器以产生控制脉冲，控制开关的 通断状态，通过三相电压源逆变器实现对直流电机DCM1和直流电机DCM2的控 制。

具体的，三相电压源逆变器包括六个IGBT模块，采用两两串联的方式，组 成三条支路，并联在直流供电电源的两端，第一条支路包括双极型晶体管芯片 V1、V4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4，第二条支路包括双极型晶体管 芯片V3、V6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6，第三条支路包括双极型晶 体管芯片V5、V2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2。

进一步的，第一条支路的双极型晶体管芯片V1与双极型晶体管芯片V4的 中点为节点a点，第二条支路的双极型晶体管芯片V3与双极型晶体管芯片V6 的中点为节点b点，第三条支路的双极型晶体管芯片V5与双极型晶体管芯片V2 的中点为节点c点，直流电机DCM1的正极端口与节点a点相连，负极端口与节 点b点相连；直流电机DCM2的正极端口与节点b点相连，负极端口与节点c点 相连。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种双电机系统直接转矩控制方法，双直流电机采用首尾相串连的方 式进行连接；首先位置传感器检测双直流电机的实际转速，电机实际转速与参考 转速进行比较得到误差，再对转速误差进行PI调节得到两相参考电流，针对两 相参考电流进行变换，把两相参考电流通过公式变换成三相参考转矩，再通过电 流检测手段得到两个电机的实际电流，对这两相实际电流进行重构得到三相重构 转矩，最后得到三相参考转矩和三相重构转矩的误差，对转矩的误差进行滞环控 制从而得到驱动三相电压源逆变器所需的PWM波，使双直流电机能够实现正常 的启动、停止、加减速运转。

进一步的，步骤S1将采集到的实际转速与参考转速相减得出误差，转速误 差经过PI调节转化为参考电流信号，为参考转矩计算模块提供输入，PI控制简 单，快速性强，误差小。

进一步的，步骤S2两相参考电流在参考转矩计算模块下转化为三相参考转 矩信号，两相信号无法驱动三桥臂逆变器，必须将两相信号转化为三相信号，此 种转化方法简单易实现。

进一步的，将两相实际电流重构为三相转矩，参考转矩为三相，则实际转矩 也应是三相，根据三桥臂逆变器结构和直流电机本身特性得出重构公式，提高了 控制的准确性。

进一步的，步骤S4采用转矩滞环控制技术，具有实时控制、响应速度快、 鲁棒性强等特点，滞环比较器产生控制脉冲。

进一步的，步骤S5滞环控制器输出控制脉冲，再经过PWM模块得出控制 各个逆变器开关的PWM信号，控制逆变器开关的关断。

本发明一种双电机系统，节省了一路逆变器桥臂，节省了成本，采用滞环控 制减少了PI控制器的数量，加强了整个系统控制的实时性，减少了控制误差。

综上所述，本发明仅需要在现有或将有的双直流电机串联方法基础上进行少 量的修改即可实现，适用于各种双直流电机串联驱动系统，实现简单，适用范围 广。

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为三桥臂控制双电机系统结构示意图；

图2为双电机系统直接转矩控制框图；

图3为双直流电机控制系统转矩滞环控制原理图；

图4为双电机系统直接转矩控制流程图。

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和图2，本发明提供了一种双电机系统，包括直流电机DCM1、 直流电机DCM2、转速采集单元、电流采集单元、三相电压源逆变器和主控单元， 转速采集单元和电流采集单元分别与直流电机DCM1和直流电机DCM2连接，用 于采集电机的位置转速和实际电流，经PI控制模块进行PI调节后将两相参考电 流I_m1、I_m2发送至参考转矩计算模块，参考转矩计算模块连接转矩重构计算模块用 于将电机实际电流重构为三相转矩，主控单元对三相转矩误差采用转矩滞环控 制，将转矩误差作为输入连接到滞环比较器，滞环比较器输出三路控制信号，再 将滞环比较器的输出做为PWM模块的输入以产生控制脉冲，控制开关的通断状 态，通过三相电压源逆变器实现对直流电机DCM1和直流电机DCM2的控制。

主控单元包括PI控制模块，滞环比较器以及PWM模块。

请参阅图1，三相电压源逆变器采用六个IGBT模块，采用两两串联的方式， 组成了三条支路，并联在直流供电电源的两端，第一条支路包括双极型晶体管芯 片V1、V4以及并联在其上的二极管芯片D1、D4，第二条支路包括双极型晶体 管芯片V3、V6以及并联在其上的二极管芯片D3、D6，第三条支路包括双极型 晶体管芯片V5、V2以及并联在其上的二极管芯片D5、D2。

请参阅图3，第一条支路的双极型晶体管芯片V1与双极型晶体管芯片V4 的中点为节点a点，第二条支路的双极型晶体管芯片V3与双极型晶体管芯片V6 的中点为节点b点,第三条支路的双极型晶体管芯片V5与双极型晶体管芯片V2 的中点为节点c点，直流电机DCM1的正极端口与节点a点相连，负极端口与节 点b点相连；直流电机DCM2的正极端口与节点b点相连，负极端口与节点c点 相连。

请参阅图2和图4，本发明一种基于双直流电机串联的转矩控制方法的工作 原理如下：

速度传感器检测电机转速，将系统中的两个直流电机的转速经过PI控制器 改善系统的稳态性能，PI控制器输出为参考电流，将两个电机的参考电流分别送 入参考转矩计算模块中，得到三路参考转矩，再把检测到的实际电流送入转矩重 构计算模块，输出三相重构转矩，最终对转矩误差进行滞环控制，输出控制三相 逆变器的PWM波形，控制逆变器开关的关断，三相逆变器在外部直流电压的作 用下驱动双直流电机工作，同时将支路上的电流反馈给两组稳态电流，完成整个 控制回路，实现对双直流电机正向串联控制系统的控制。

具体步骤如下：

S1、系统进行初始化，电流传感器，速度传感器分别将电流信号和两个电机 的速度信号采集到主控单元，两个直流电机的给定转速W₁ ^*、W₂ ^*与实际转速 W₁、W₂经过速度调节模块后得到转速误差e_w1、e_w2，对转速误差进行PI调节得到 两相参考电流I_m1、I_m2；

其中，K_p、K_I为PI调节器参数。

S2、由于最终要控制三桥臂的开通和关断，所以需要把两相参考电流转化为 三相参考转矩T_1ref、T_2ref、T_3ref，转化公式如下：

其中，K₁、K₂与直流电机DCM1、直流电机DCM2本身的物理特性有关。

S3、检测两个电机的实际电流为X₁，X₂，将两相电流重构为三相转矩，重 构公式如下：

S4、将得到的三相参考转矩和三相重构转矩进行比较得到误差ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃，将三相转矩误差作为滞环控制单元的输入，该滞环控制单元不仅能够对双电机的 转矩进行调节，还能够起着PWM调制器的作用；当误差大于一定值时滞环比较 器输出负电平使对应相的上桥臂关断下桥臂导通，使实际转矩减小，当减小到与 参考转矩相等时，滞环比较器仍保持低电平输出，实际转矩继续减小，直到误差 再次增大到一定值，置换控制器翻转，输出高电平信号，如此循环交替将转矩信 号转换为相应的开关指令信号，使误差保持在一定范围内，并在给定转矩上下做 锯齿状变化，达到跟踪转矩的目的，具体如下：

其中，i＝1,2,3，H_i滞环控制器的输出，δ为滞环比较器的阈值，Q表示与上 一时刻输出的值相等。

S5、滞环比较器的输出作为PWM单元的输入，产生控制逆变器开关的脉冲 信号；

开关逻辑函数计算为：

其中，i＝1,2,3，U_i为PWM单元的输出，控制逆变器开关的通断，进而控制 电机的运行。

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。

一种双电机系统及转矩控制方法能够使双电机系统有更高的输出功率，可以 应用在双直流电机驱动的场合中，传统双直流电机需要四桥臂逆变器驱动，本发 明采用三桥臂驱动，减少了逆变器成本。把两相电流重构为三相转矩，对转矩进 行滞环控制，相比传统的电压控制，转矩滞环控制能够实现转矩的实时跟踪，使 系统转矩始终在参考转矩上下一定范围内，从而使双电机能够按照给定目标稳定 运行。

综上所述，本发明一种双电机系统及转矩控制方法，能够减少成本，快速性 好，功率大，控制简单，参数少，易于调试。

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。