阅读说明：本技术 一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法 (Direct current motor parallel control system and current following control method ) 是由 李伟华 王炜 罗黎明 赵国璋 马义波 董建威 赵宇 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法,通过给定参考转速与实际转速的差经过五个PI调节器,得到参考初始电流；将参考初始电流经过参考电流重构计算模块得到所需要的参考电流值；将六相电压源型逆变器输出端的电流值经过电流重构计算模块得到计算电流值；将计算电流值与参考电流值的差值,给到滞环比较器中,生成等幅不等宽的方波信号；将方波信号经过PWM模块,变为驱动IGBT管的开关信号；将PWM信号传输给六相电压源型逆变器模块,六相电压源型逆变器模块控制五直流电机正常工作,实现电机的四象限运行。本发明采用参考电流重构,电流重构以及滞环比较技术,提供了一种新型电机控制方法。(The invention discloses a direct current motor parallel control system and a current following control method.A reference initial current is obtained by setting the difference between a reference rotating speed and an actual rotating speed and passing through five PI regulators; the reference initial current passes through a reference current reconstruction calculation module to obtain a required reference current value; the current value of the output end of the six-phase voltage source type inverter is subjected to a current reconstruction calculation module to obtain a calculated current value; giving the difference value of the calculated current value and the reference current value to a hysteresis comparator to generate square wave signals with equal amplitude and unequal width; the square wave signal is converted into a switching signal for driving an IGBT tube through a PWM module; and transmitting the PWM signals to a six-phase voltage source type inverter module, and controlling the five direct current motor to normally work by the six-phase voltage source type inverter module so as to realize the four-quadrant operation of the motor. The invention provides a novel motor control method by adopting reference current reconstruction, current reconstruction and hysteresis comparison technologies.)

一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法

技术领域

本发明属于直流电机控制技术领域，具体涉及一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法。

背景技术

电机耗能目前占全球电耗的比较较高。对于电机控制系统，电机的能耗取决于电机和传动效率。因此，电机的降耗、传动效率的提高和性能的改善，人们一直在不断的探索和努力中。因此电机系统需要一种更为高效的控制设计。对于现代传动系统，控制精度、扩展性、外设控制、系统数据和设计安全性、功能安全和可靠性都是设计之中的关键点。另外，在不影响控制性能的同时，电机可以实现精准控制和同步控制对于电动汽车、家电控制和工业控制意义重大。其中，多轴电机控制系统尤其如此。

对于多轴电机控制系统，往往需要驱动多台电机。一个控制器很难保证设备的正常运行，因此，需要多轴电机应用领域，需要使用2个甚至多个控制器联机从而达到驱动多台电机的目的。这种通过多个控制器联机的方式来驱动多台电机，不仅编程困难，设备连线复杂，而且大大增加了成本。目前，多轴电机控制系统多采用直流电动机、感应电动机、开关磁阻电机和直流无刷电机等。其中，直流电机具有控制简单，成本较低等优点，比较适合应用于成本较低的应用场合。因此，本发明针对直流电机设计出一种新型五电机驱动系统及其电流控制策略。

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，提供一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法，方案简单，可以四象限运行，可以同步控制，电流跟随性好，动态性能优越。

本发明采用以下技术方案：

一种直流电机电流跟随控制方法，包括以下步骤：

S1、给定参考转速与实际转速的差，经过五个PI调节器得到五个参考电流初始值；

S2、将步骤S1得到的五个参考电流初始值经过参考电流计算得到所需要的六个参考电流值；

S3、将六相电压源型逆变器输出端的电流值经电流重构计算得到六个计算电流值；

S4、将步骤S3得到的六个计算电流值与步骤S2得到的六个参考电流值I_iref的差值经电流滞环控制生成等幅不等宽的滞环控制器方波输出信号；

S5、将步骤S4获得的滞环控制器输出信号经PWM模块变为能够驱动六相电压源型逆变器12个IGBT管的开关信号PWM_j和PWM_j+1；

S6、将步骤S5得到的开关信号PWM_j和PWM_j+1输入六相电压源型逆变器模块中，逆变器给电机供电并驱动电机正常工作，实现电机的四象限运行或同步运行。

具体的，步骤S2中，六个参考电流值I_iref具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6。

具体的，步骤S3中，六个计算电流值I_i具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6；X₁,X₂,X₃,X₄,X₅分别为五个检测电流值。

具体的，步骤S4中，滞环控制器方波输出信号H_i，具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6；Q为滞环控制器上一时刻输出信号，ε为正值滞环容差常数。

具体的，步骤S5中，开关信号PWM_j具体为：

其中，j＝1,3,5,7,9,11，横杠代表逻辑取反符号。

本发明的另一个技术方案是，一种直流电机并联控制系统，包括：

转速调节模块，对参考转速与实际转速的差值进行调节；

参考电流计算模块，利用五个转速调节模块输出信号计算出六个参考电流值；

电流重构计算模块，利用电流传感器检测的五个电机绕组电流计算出六个计算电流值；。

电流滞环模块，将六个参考电流值与六个计算电流值的差值转换为等幅不等宽的滞环控制器方波输出信号；

PWM模块，将滞环比较模块输出的方波型号转换为能驱动IGBT功率开关管的开关信号；

六相电压源型逆变器，通过六个开关桥臂驱动五个直流电机的正常工作。

具体的，参考转速与实际转速的差值经转速调节模块生成五个电流值，然后将五个参考初始电流经过参考电流计算模块生成六个参考电流值；利用电流传感器检测五个电机的绕组电流值，经过电流重构计算模块，得到六个计算电流值；将六个参考电流与六个计算电流的差值给到滞环控制器中，生成等幅不等宽的六路滞环控制器方波输出信号，再经过PWM模块生成能驱动12个IGBT功率开关管的开关信号，用于驱动六相电压源型逆变器给电机供电并控制电机正常工作。

进一步的，六相电压源型逆变器包括12个IGBT管，分为6组，T_i和T_i+1一组，且i＝1,3,5,7,9,11，将T_i的源极连接到电源正极上，T_i的漏极连接到T_i+1的源极上；T_i+1的漏极连接到电源负极，每一组形成一个完整的桥臂，T_i的漏极连接到T_i+1的源极上，连接点为该桥臂中点。

进一步的，六相电压源型逆变器中任取一组桥臂的中点连接到五个直流电机的负端公共点f，将剩余五组桥臂的中点依次连接到五个直流电机的正端。

更进一步的，五台直流电机的励磁绕组由直流电源供电；电机系统控制器采用STM32主控芯片，能够实时检测电机和逆变器电路的关键电信号用于控制策略执行，同时生成脉宽调制波信号用于控制逆变器开关工作；六相电压源型逆变器的功率开关受控于电机系统控制器后给电机提供有效的工作电压和电流从而实现驱动直流电机组工作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种直流电机电流跟随控制方法，参考电流与计算电流的计算都采用电流重构的方式，将原来的五相电流重构成六相电流，经过六个滞环比较器模块和PWM模块逆变器的功率开关提供驱动信号。这样的系统具有优异的控制精度和稳定性。其中，采用了滞环比较器模块可以保证计算电流快速跟随参考电流，系统的电流响应速度快，实时控制性能优越。

进一步的，将参考转速与计算转速的差经过转速调节PI控制器，形成转速闭环控制，有利于对系统的转速进行调节。

进一步的，六个参考电流值与六个计算电流值的误差送入滞环控制器形成电流闭环控制，计算电流可以快速跟随参考电流值，有利于对系统电流快速调节。

进一步的，将计算电流与参考电流的差值给到滞环比较器中，生成等幅不等宽的方波信号，不需要三角载波信号，可以进行实时控制，电流响应速度快。

进一步的，滞环控制器输出信号经过PWM模块生成能驱动逆变器功率开关管的开关信号，可以驱动逆变器进行工作并控制电机运行。

一种直流电机并联控制系统，将五个直流电机(DCM1，DCM2，DCM3，DCM4，DCM5)的负端公共点f连接到一起并接到六相电压源型逆变器任一组桥臂的中点，其余四组桥臂的中点接到四个直流电机的正端(a，b，c，d，e)，，采用较少的桥臂就可以对五直流电机进行控制，可以实现直流电机四象限驱动，也可以实现电机的同步驱动，对于单个直流电机进行四象限运行时，逆变器一般采用两个桥臂四个开关才能完成有效工作。如果对于五个直流电机需要采用十个桥臂二十个开关。本发明仅仅采用六个桥臂十二个开关就可以实现五电机四象限运行能力。另外由于五个电机采用串联形式，它们之间的电流具有共用特性，同步驱动过程中系统的工作性能更加稳定。因此本发明可以有效较小硬件成本，具备优异的高性能四象限驱动和稳定同步运行能力。

综上所述，本发明采用参考电流重构，电流重构以及滞环比较技术，提供了一种新型五直流电机并联控制方法。

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为本发明控制系统结构图；

图2为本发明六相电压源型逆变器结构图。

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，本发明提供了一种直流电机并联控制系统，包括：

转速调节模块：对参考转速与实际转速的差值进行调节。

参考电流计算模块：利用五个转速调节模块输出信号计算出六个参考电流值。

电流重构计算模块：利用电流传感器检测的五个电机绕组电流计算出六个计算电流值。

电流滞环模块：将六个参考电流值与六个计算电流值的差值转换为等幅不等宽的滞环控制器方波输出信号。

PWM模块：将滞环比较模块输出的方波型号转换为能驱动IGBT功率开关管的开关信号。

逆变器模块：六相电压源型逆变器的六个开关桥臂驱动五个直流电机的正常工作。

将参考转速与实际转速的差值经过转速调节模块生成五个电流值，然后将五个参考初始电流经过参考电流计算模块，生成六个参考电流值。利用电流传感器检测五个电机的绕组电流值，经过电流重构计算模块，得到六个计算电流值，将六个参考电流与六个计算电流的差值给到滞环控制器中，生成等幅不等宽的六路滞环控制器方波输出信号，再经过PWM模块生成能驱动12个IGBT功率开关管的开关信号，这些信号可以有效驱动六相电压源型逆变器给电机供电并控制电机正常工作。

请参阅图2，六相电压源型逆变器中包括12个IGBT管，分为6组，T_i和T_i+1一组，且i＝1,3,5,7,9,11，将T_i的源极连接到电源正极上，T_i的漏极连接到T_i+1的源极上；T_i+1的漏极连接到电源负极，每一组形成一个完整的桥臂，T_i的漏极连接到T_i+1的源极上，连接点为该桥臂中点。

五个直流电机以并联的方式连接到六相电压源型逆变器上，具体为：在六相电压源型逆变器中任取一组桥臂的中点连接到五个直流电机(DCM1，DCM2，DCM3，DCM4，DCM5)的负端公共点f，将剩余五组桥臂的中点依次连接到五个直流电机的正端(a，b，c，d，e)。对于单个直流电机进行四象限运行时，逆变器一般采用两个桥臂四个开关才能完成有效工作。如果对于五个直流电机需要采用十个桥臂二十个开关。本发明仅仅采用六个桥臂十二个开关就可以实现五电机四象限运行能力。另外由于五个电机采用串联形式，它们之间的电流具有共用特性，同步驱动过程中系统的工作性能更加稳定。因此本发明可以有效较小硬件成本，具备优异的高性能四象限驱动和稳定同步运行能力。

五台直流电机中每一个电机的一个同极性绕组端连接到逆变器六个桥臂的中点，另外一个同极性端连接到一起并连接到逆变器第六个桥臂的中点；五个直流电机的励磁绕组由直流电源供电；电机系统控制器以STM32主控芯片配合基本外设电路而成，能够实时检测电机和逆变器电路的关键电信号用于控制策略执行，同时利用复杂控制算法生成脉宽调制波信号用于控制逆变器开关工作；逆变器的功率开关受控于电机系统控制器后给电机提供有效的工作电压和电流从而实现驱动直流电机组工作。

本发明一种直流电机电流跟随控制方法，包括以下步骤：

S1、通过给定参考转速与实际转速的差经过五个PI调节器，得到五个参考电流初始值I_mi，i＝1,2,3,4,5；

S2、将步骤S1得到的五个参考电流初始值I_mi，经过参考电流计算模块，得到所需要的六个参考电流值；

六个参考电流值I_iref具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6；

S3、将六相电压源型逆变器输出端的电流值经过电流重构计算模块得到六个计算电流值；

六个计算电流值I_i具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6；X₁,X₂,X₃,X₄,X₅分别为五个检测电流值；

S4、将六个计算电流值I_i与六个参考电流值I_iref的差值，e_i＝I_iref-I_i输入到电流滞环控制器模块中，生成等幅不等宽的滞环控制器方波输出信号H_i，具体为：

其中，i＝1,2,3,4,5,6；Q为滞环控制器上一时刻输出信号，ε为正值滞环容差常数。

S5、将步骤S4获得的滞环控制器输出信号H_i经过PWM模块，变为能驱动六相电压源型逆变器12个IGBT管的开关信号PWM_j和PWM_j+1，具体为：

其中，j＝1,3,5,7,9,11，由于六相电压源型逆变器桥臂的上管和下管的控制逻辑符号互补，则横杠代表逻辑取反符号。

S6、将开关信号PWM_j和PWM_j+1输入六相电压源型逆变器模块中，逆变器给电机供电并驱动电机正常工作，实现电机的四象限运行或同步运行。

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。

本发明一种直流电机并联控制系统及电流跟随控制方法，完全可以应用到多轴电机驱动应用领域。该控制方法采用PI调节器对转速进行调节，采用电流重构的方法，得到参考电流和计算电流值，采用滞环控制技术生成等幅不等宽的方波信号，用滞环比较模块替代了原来的三角载波模块，硬件电路简单，可以进行实时控制，电流响应速度快，不需要载波。采用六相电压源型逆变器对并联五直流电机进行控制，采用较少的桥臂来控制多个电机的四象限运行或同步运行。

综上所述，本发明采用转速调节、电流重构，电流跟随调节以及滞环控制技术，提供了一种新型稳定的电机控制方法，提高了系统的控制精度、快速性和稳定性，降低了系统的能量损耗。

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。