專利名稱：雙方向升降壓型逆變器裝置的控制方法
技術領域：
本發(fā)明提供了一種雙方向升降壓型逆變器裝置的控制方法，特別適合于電動自行車、電動汽車、混合動力汽車、鐵道用電力機車等應用領域中的升降壓型逆變器裝置的控制。
背景技術：
在電動自行車、電動汽車、混合動力汽車、鐵道用電力機車等應用領域中，由于蓄電池使用環(huán)境和安全方面的限制，或者受供電電源電壓的限制，供電直流電源電壓一般相對較低。為了減小電機尺寸和提高電機效率和利用率，需要將電壓較低的直流電源提升到較高的直流電壓后，再由逆變裝置將直流變成交流驅動電機。同時，從節(jié)能環(huán)保的角度，當電動汽車和電力機車在下坡或減速運行時，希望將車輛的勢能或動能回收為電能至蓄電池等供電電源。一般該系統(tǒng)的控制，如電動自行車的應用中，當車輛需要驅動力加速時，控制系統(tǒng)采用驅動模式，此時升壓單元采用供電方式將電源電壓升壓供應直流母線，逆變器單元采用V/F法(異步電機時)或兩相通電法(直流無刷電機時)以驅動電動機提供車輛動力。 當車輛需要減速時，直接利用機械剎車系統(tǒng)，這樣就浪費了車輛本身的動勢能。本發(fā)明利用

圖1所提供的雙方向升降壓型逆變器裝置的電路，通過將控制系統(tǒng)劃分成和上位控制單元、雙方向升降壓控制單元部分和逆變器控制單元部分等三個部分的方法。上位控制單元作為司令部，負責檢測駕駛者的操作動作，并收集外部傳感器如防撞系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等信息綜合處理，最終向下位控制器發(fā)出系統(tǒng)的起動/停止、輸出電磁轉矩指令或電機旋轉速度指令、緊急直流制動等一系列命令。而雙方向升降壓控制單元和逆變器控制單元作為執(zhí)行部分，相互獨立，相互配合，實現了高精度驅動電機和車輛能量回收的目的，同時對系統(tǒng)的硬件有著極強的保護功能。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種簡單實用的雙方向升降壓型逆變器裝置的控制方法，其特征在于包含如下技術內容(1)針對如圖1所示雙方向升降壓型逆變器裝置，控制系統(tǒng)劃分成雙方向升降壓控制單元13和逆變器控制單元14以及上位控制單元15等三個部分，上位控制單元作為司令部，負責檢測駕駛者的操作動作，并收集外部傳感器如防撞系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等信息綜合處理，最終向下位控制器發(fā)出系統(tǒng)的起動/停止、輸出電磁轉矩指令或電機旋轉速度指令、緊急直流制動等一系列命令。而雙方向升降壓控制單元13和逆變器控制單元14作為執(zhí)行部分，兩個控制單元相互獨立，相互配合，實現了高精度驅動和能量回收的目的，同時對系統(tǒng)的硬件有著極強的保護功能。(2)直流雙方向升降壓裝置由直流電源1、穩(wěn)壓蓄能電容2、直流電源電壓檢測器 3、直流電感5、輸出電流傳感器4、升降壓IGBT半橋電路6、直流母線穩(wěn)壓電容7和分流器8組成，其上下管開關控制由圖1所示的直流雙方向升降壓控制單元13完成，該控制器分別利用分流器3、電流傳感器5和分流器8測量采樣直流電源1電壓Vb、直流電源1輸出電流 ib和直流母線電壓Vd。，通過如圖3所示的控制邏輯完成直流雙方向升降壓裝置的上下管開關的PWM信號計算和控制。(3)直流雙方向升降壓裝置的目的為穩(wěn)定直流母線電壓至預先設定的工作電壓。 當整個系統(tǒng)正常動作時，直流雙方向升降壓控制器13獨立工作，不受逆變器控制器14的干擾和影響。(4)如圖3所示，首先直流雙方向升降壓控制單元13讀入上位控制器15傳來的直流母線工作電壓指令值，該直流母線工作電壓指令值Γ丄也可預先以表格的方式設置在直流雙方向升降壓控制單元13內部，其數值可固定為某一常數，也可根據動作要求隨時調整。同時，直流雙方向升降壓控制單元13通過分流器8采樣得出實時的直流母線電壓Vd。； 通過電流傳感器4采樣得到蓄電池等直流電源電流ib ；通過直流電源電壓檢測器3采樣得到蓄電池等直流電源電壓Vb，并將這些信息存貯在RAM等記憶單元中。(5)然后直流雙方向升降壓控制單元13通過一個直流電壓控制單元計算出此時的蓄電池等直流電源的輸出電流指令值i\。該直流電壓控制單元可以簡單地以電壓比例積分PI演算實現，按下式計算ζ·:= (式 1)其中，Kp v為雙方向升降壓裝置電壓環(huán)比例增益，Kl v為雙方向升降壓裝置電壓環(huán)積分增益，i*b為蓄電池等直流電源的輸出電流指令值，V*dc為直流母線工作電壓指令值，vd。 為實時直流母線工作電壓值。(6)為保護蓄電池等直流電源不工作在過放電或過充電狀態(tài)，上述計算式1的計算結果加上正負值的限制，其限制值可根據實際硬件規(guī)格決定。如果將電池管理功能中的與電壓對應的電流極限值預先存貯在FlashROM、ROM、RAM等記憶手段中，還可以實現蓄電池的電源管理功能。當然，電流限制值的上下限值也可根據蓄電池等直流電源電壓和工作狀態(tài)由上位控制器直接給出(7)直流雙方向升降壓控制單元13再通過一個直流電流控制單元計算出此時升降壓IGBT半橋電路6的控制電壓V。tel，該直流電流控制單元可以簡單地以電流比例積分 PI演算實現，按下式計算Vctrl = KpJrb-Ib^Kl lKil -φ (式 2、其中，Kp i為雙方向升降壓裝置電流環(huán)比例增益，Kl i為雙方向升降壓裝置電流環(huán)積分增益，ib為蓄電池等直流電源的實時輸出電流采樣值。(8)同時，通過讀取在RAM等記憶手段中儲存的今次和前次蓄電池等直流電源電流值進行時間變動差分計算，按照下式計算出直流電感的壓降八Vl = (ib(k) -Ib(k-1)) · L/Ts(式 3)其中，L為直流電感值，ib(k)為今次直流電源電流值，ib(k-1)為直流電源電流值， Ts為采樣周期值。(9)將式2和式3計算得到的控制電壓Vrtri，直流電感的壓降\和蓄電池等直流電源電壓Vb按照下式進行運算，得到升降壓IGBT半橋電路6的輸入電壓Vpwm
Vpwm = Vb+VL-Vctrl(式 4)(10)然后按下式計算出直流雙方向升降壓裝置的半橋電路6上管的占空比a。vt:α cvt = VPWM/Vdc(式 5)(11)最后，直流雙方向升降壓控制單元按占空比α。vt生成半橋電路6上管的PWM 波(下管的PWM與上管PWM反相并需加上死區(qū)時間，由于不是本發(fā)明核心內容，這里省略具體步驟)，輸出至上下管功率器件的門極，以控制升降壓IGBT半橋電路6的開關動作。(12)上述直流雙方向升降壓裝置的控制核心在于建立在高速電流控制環(huán)基礎上的直流母線電壓控制，根據上述控制原理構造的控制系統(tǒng)可以自動根據逆變器和電機的運行狀況，穩(wěn)定直流母線工作在預先指定的工作電壓。在逆變器單元需要能量供電時自動從蓄電池等直流電源吸取電力，并將其從較低電壓升壓至預先指定的工作電壓供給直流母線；當發(fā)電機反過來向直流母線供電時，從電壓較高的直流母線將電能降壓后向蓄電池等直流電源充電，從而有效地利用車輛本身的動勢能；同時，高速電流控制環(huán)中的電流限制可以根據蓄電池等直流電源的實際工作狀況，限制蓄電池的輸出電流或充電電流，自動保護蓄電池的過放電或過充電，如果將電池管理功能中的電流值預先存貯在ROM、RAM等記憶手段中，還可以實現蓄電池的電源管理。(13)另外，計算式4中的直流電感的壓降\和蓄電池等直流電源電壓Vb兩項，在簡略計算時也可以單獨忽略某一項，控制效果略差。(14)為了保持升降壓控制的應答性能和動態(tài)性能，控制系統(tǒng)的采樣周期一般與升降壓IGBT半橋電路6載波周期同步，也可為升降壓IGBT半橋電路6載波周期的一半，或者是載波周期的整數倍。非同步方式盡管可以采用，但此時計算式3中的Ts項必須為控制系統(tǒng)的采樣周期。(15)逆變裝置由直流母線穩(wěn)壓用電容7、直流母線電壓檢測器8、IGBT功率開關電路9、電流檢測用電流傳感器10、位置速度傳感器12構成。逆變裝置的IGBT功率開關的上下管PWM控制由圖1所示的逆變器控制器14完成，該控制器分別利用電流傳感器10和位置速度傳感器12測量采樣三相輸出電流‘、‘、iw和電機轉子位置速度信號ω ρ θ ρ遵照上位控制器15傳來的轉矩指令和起動/停止命令，通過圖4所示的電機控制邏輯完成逆變器的上下管開關的PWM信號計算和控制。(16)逆變器控制器14的目的為控制電機的輸出轉矩為指令轉矩，或者控制電機旋轉速度(也即車速)為指令速度。當整個系統(tǒng)正常動作時，逆變器控制器14獨立工作， 不受直流雙方向升降壓控制器13的影響。(17)逆變器控制器14處于為控制電機旋轉角速度(也即車速)為指令速度的工作模式時，例如工作在所謂的定速巡航模式時，逆變器控制器14從安裝在電機上的位置速度傳感器12檢測出此時的電機旋轉角速度，通過一個旋轉速度控制單元計算出此時電機的輸出轉矩指令值，該旋轉速度控制單元可以簡單地以速度比例積分PI演算實現，按下式計算
權利要求
1.針對一個由直流電源1、穩(wěn)壓蓄能電容2、直流電源電壓檢測器3、輸出電流傳感器4、 直流電感5、升降壓IGBT半橋電路6、直流母線穩(wěn)壓電容7、直流母線電壓檢測器8和直流雙方向升降壓控制單元13所組成的直流雙方向升降壓裝置，分別利用電壓檢測器3、電流傳感器5和分流器8采樣直流電源1電壓Vb、直流電源1輸出電流ib和直流母線電壓Vd。，建立一個具有高速電流控制內環(huán)的直流母線電壓PI控制系統(tǒng)，其特征為上述控制系統(tǒng)獨立于電機控制系統(tǒng)和電機種類，通過控制直流電源1輸出電流ib為直流母線電壓PI控制計算所得到的電流指令值，從而穩(wěn)定直流母線工作在預先指定的工作電壓的一種控制方法。
2.針對一個由直流母線穩(wěn)壓用電容7、直流母線電壓檢測器8、IGBT功率開關電路9、電流檢測用電流傳感器10、位置速度傳感器12和逆變器控制單元14構成的逆變裝置，分別利用直流母線電壓檢測器8、電流傳感器10和位置速度傳感器12測量采樣三相輸出電流iu、 iv、iw和電機轉子位置速度信號ω ρ建立一個可以實時控制電機輸出轉矩的矢量控制系統(tǒng)， 其特征為按照上位控制器15傳來的定速巡航模式、緊急剎車模式等模式命令和轉速、轉矩指令值以及起動/停止命令，控制電機工作在電動機、發(fā)電機或者緊急制動狀態(tài)，并可隨時從電動機或發(fā)電機狀態(tài)快速切換至緊急制動狀態(tài)，同時在電機工作在電動機或發(fā)電機狀態(tài)時可以控制電機輸出轉矩的一種控制方法。
3.針對上述權利要求(1)和權力要求( 所描述的直流雙方向升降壓裝置和逆變裝置以及上位控制單元15構成的雙方向升降壓逆變裝置，根據采集到的外部信息，生成加減速指令、起動停止指令、電機輸出轉矩指令或旋轉速度指令，以及定速巡航模式、緊急剎車模式等模式命令，控制直流雙方向升降壓裝置控制單元和逆變器控制單元的一種控制方法。
4.上述權利要求(1)中電流控制環(huán)內加入電流限制值，其上下限制值根據蓄電池等直流電源電壓和工作狀態(tài)從上位控制器直接給出，或讀取預先存貯在記憶單元中的數值， 以實現蓄電池等直流電源工作時的電壓電流管理方法，以及保護蓄電池過充放電的保護方法。
5.上述權利要求(1)中，利用采樣得到直流電源電流ib的時間變動差分計算得到直流電感5的電壓降\，加上采樣得到蓄電池等直流電源電壓\，減去通過蓄電池等直流電源電流PI反饋控制計算得到的控制電壓Vtol，最終得到半橋輸出電壓Vpwm后，用Vpwm除以直流母線電壓計算得出半橋電路開關占空比的一種占空比計算方法。
6.上述權利要求O)中逆變裝置的電流控制環(huán)內加入電流限制值，其特征為與權利要求中的蓄電池電流限制值聯(lián)動，以控制電機最大輸入/輸出功率與蓄電池等直流電源的最大輸出/輸入功率相等的保護方法。
7.上述權利要求O)中逆變裝置根據上位控制單元傳來的定速巡航模式的開關信號， 以決定使用轉速PI運算得到的轉矩指令值或者使用上位控制單元傳來的轉矩指令值來控制次級邏輯計算用指令值的一種模式切換方法。
8.上述權利要求O)中逆變裝置的矢量控制邏輯運算中，按照上位控制單元所傳來的緊急制動命令，將旋轉坐標系相位角θ指定為一個固定的剎車角θ bk，同時，指定此時的轉矩電流指令值為零，勵磁電流指令值指定為緊急剎車電流Ibk的緊急制動控制方法。
9.上述權利要求(1)和權力要求O)中直流雙方向升降壓控制單元13和逆變器控制單元14由同一個運算用CPU構成，該CPU的控制軟件同時包括了上述直流雙方向升降壓裝置和逆變裝置的控制運算邏輯和保護功能的一種控制系統(tǒng)構成方法。
10.上述權利要求(1)和權力要求O)中采樣周期和控制運算周期分別為各自的開關器件的載波周期的一半，或與載波周期相同，或者是載波周期的整數倍的采樣與邏輯運算方法。
11.上述權利要求(1)和權力要求( 中的直流雙方向升降壓控制單元13和逆變器控制單元14，在上位控制單元15暫停工作指令時，分別停止PWM發(fā)波并停止整個裝置的IGBT 開關動作的一種節(jié)能運行控制方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種由蓄電池等低壓直流電源供電的雙方向升降壓型逆變器裝置的控制方法，特別適合于電動汽車、混合動力汽車、電力機車等應用領域。該控制系統(tǒng)分為雙方向升降壓控制、逆變器控制和上位控制等三個子系統(tǒng)。逆變器控制部分控制逆變器和電機的運行模式，使電機分別工作在電動機、發(fā)電機或緊急制動模式，并可限制電機的輸出轉矩和電流，以保護逆變器和電機；而雙方向升降壓控制部分穩(wěn)定直流母線工作在指定工作電壓，完成雙向升降壓動作，并且可限制蓄電池電流，防止過放電或過充電；上位控制部分按照駕駛者操作動作和外部傳感器的信息，向逆變器控制部分和雙方向升降壓控制部分發(fā)出起動/停止等各種命令。
文檔編號H02P21/14GK102457182SQ20101051661
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權日2010年10月20日
發(fā)明者孔小明, 戴政 申請人:無錫愛光電氣科技有限公司