永磁同步電機控制系統及永磁同步電機的控制方法與流程

2023-05-27 07:33:46 4

本發明涉及電機技術領域，特別涉及一種永磁同步電機的控制方法以及一種永磁同步電機控制系統。

背景技術：

目前，傳統的永磁同步電機控制方法是在永磁同步電機的恆轉矩區及恆功率弱磁區採用相同的開關頻率，採用相同的開關頻率雖然算法相對簡單，但不能保證電機和控制器在全速範圍內的可靠運行及較高的工作效率。

其中，如果開關頻率選的較低，雖然能保證恆轉矩區內電機和控制器的效率，但恆功率弱磁區會由於載頻比的下降引起電流畸變，從而引發控制器器的過流保護甚至引起電機的失控；而如果開關頻率選的較高，雖然能保證恆功率弱磁區電機的可靠運行，但會引起恆轉矩區內電機和控制器的效率下降。

因此，需要對目前的電機控制策略進行改進。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在於提出一種永磁同步電機的控制方法，該方法採用了開關頻率的分段運行策略，有效地實現了永磁同步電機和控制器在全速範圍內的較高效率及安全可靠運行。

本發明的另一個目的在於提出一種永磁同步電機控制系統。

為實現上述目的，本發明一方面實施例提出的一種永磁同步電機的控制方法，包括以下步驟：實時檢測所述永磁同步電機的轉速；判斷所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間；根據所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的開關頻率，並根據所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，其中，每個轉速區間對應一個開關頻率，且每個轉速區間對應一種電機矢量控制方式；根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對所述永磁同步電機的變頻器進行控制。

根據本發明實施例的永磁同步電機的控制方法，首先通過實時檢測永磁同步電機的轉速，並判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間，然後根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間來獲取相應的開關頻率，同時還根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，最後根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對永磁同步電機的變頻器進行控制，從而通過採用開關頻率分段運行以及不同轉速區間採用不同的電機矢量控制方式，能夠有效地實現了永磁同步電機和控制器在全速範圍內的較高效率，保證電機安全可靠運行。

根據本發明的一個實施例，所述開關頻率與所述永磁同步電機的轉速呈正相關關係。

根據本發明的一個實施例，所述轉速區間包括低速區、中速區和高速區，其中，當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述低速區和中速區時，獲取的開關頻率小於第一頻率閾值；當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述高速區時，獲取的開關頻率大於所述第一頻率閾值。

根據本發明的一個實施例，所述第一頻率閾值可以為10KHz。

根據本發明的一個實施例，當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述低速區和中速區時，獲取的電機矢量控制方式為連續空間矢量脈寬調製方式；當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述高速區時，獲取的電機矢量控制方式為斷續空間矢量脈寬調製方式。

為實現上述目的，本發明另一方面實施例提出的一種永磁同步電機控制系統，包括：轉速檢測模塊，用於實時檢測所述永磁同步電機的轉速；變頻器；判斷模塊，用於判斷所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間；獲取模塊，用於根據所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的開關頻率，並根據所述永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，其中，每個轉速區間對應一個開關頻率，且每個轉速區間對應一種電機矢量控制方式；控制模塊，用於根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對所述變頻器進行控制。

根據本發明實施例的永磁同步電機控制系統，通過轉速檢測模塊實時檢測永磁同步電機的轉速，並通過判斷模塊判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間，以及獲取模塊根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲得相應的開關頻率，同時根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲得相應的電機矢量控制方式，這樣控制模塊根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式來對永磁同步電機的變頻器進行控制，從而能夠在不同的轉速區間採用不同的開關頻率和不同的電機矢量控制方式來對變頻器進行控制，兼顧了永磁同步電機和控制器在全速範圍內的效率，保證永磁同步電機和控制器在全速範圍內保持較高的效率，保證電機安全可靠運行。

根據本發明的一個實施例，所述開關頻率與所述永磁同步電機的轉速呈正相關關係。

根據本發明的一個實施例，所述轉速區間包括低速區、中速區和高速區，其中，當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述低速區和中速區時，所述獲取模塊獲取的開關頻率小於第一頻率閾值；當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述高速區時，所述獲取模塊獲取的開關頻率大於所述第一頻率閾值。

根據本發明的一個實施例，所述第一頻率閾值可以為10KHz。

根據本發明的一個實施例，當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述低速區和中速區時，所述獲取模塊獲取的電機矢量控制方式為連續空間矢量脈寬調製方式；當所述永磁同步電機的當前轉速處於所述高速區時，所述獲取模塊獲取的電機矢量控制方式為斷續空間矢量脈寬調製方式。

附圖說明

圖1是根據本發明實施例的永磁同步電機的控制方法的流程圖；以及

圖2是根據本發明實施例的永磁同步電機控制系統的方框示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

下面參照附圖來描述根據本發明實施例提出的永磁同步電機的控制方法以及永磁同步電機控制系統。

圖1是根據本發明實施例的永磁同步電機的控制方法的流程圖。如圖1所示，該永磁同步電機的控制方法包括以下步驟：

S1，實時檢測永磁同步電機的轉速。

其中，可以通過位置觀測器來檢測永磁同步電機的轉速。

S2，判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間。

具體地，根據本發明的一個實施例，可以將永磁同步電機的轉速劃分為低速區、中速區和高速區。其中，低速區對應的電機轉速可以為0-3600r/min，中速區對應的電機轉速可以為3600-7000r/min，高速區對應的電機轉速可以為7000-9500r/min。

S3，根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的開關頻率，並根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，其中，每個轉速區間對應一個開關頻率，且每個轉速區間對應一種電機矢量控制方式。

根據本發明的一個實施例，開關頻率與永磁同步電機的轉速呈正相關關係。即言，隨著永磁同步電機轉速的升高，變頻器的開關頻率也隨著升高。

具體地，根據本發明的一個實施例，轉速區間可包括低速區、中速區和高速區。其中，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時例如處於0-7000r/min，獲取的開關頻率小於第一頻率閾值；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時例如處於7000-9500r/min，獲取的開關頻率大於第一頻率閾值。其中，第一頻率閾值可以根據實際情況進行標定，例如，第一頻率閾值可以為10KHz。

根據本發明的一個實施例，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取的電機矢量控制方式為CSVPWM(Continuous Space Vector Pulse Width Modulation，連續空間矢量脈寬調製)方式；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取的電機矢量控制方式為DSVPWM(Discontinuous Space Vector Pulse Width Modulation，斷續空間矢量脈寬調製)方式。

S4，根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對永磁同步電機的變頻器進行控制。

因此，本發明實施例的永磁同步電機的控制方法，通過在不同的轉速區間採用不同的開關頻率和不同的電機矢量控制方式來對變頻器進行控制，從而兼顧了電機和控制器在全速範圍內的效率，保證電機安全可靠運行。

具體地，在本發明的實施例中，採用開關頻率分段運行的控制策略對變頻器進行控制時，隨著電機轉速的不斷升高，開關頻率也隨著變大。為了保證永磁同步電機和控制器在全速範圍內的載頻比保持不變，每個轉速可對應唯一一個開關頻率。但是為了減小控制器的CPU不必要的運算量，可根據電機的轉速區間不同將開關頻率分為3段，具體如下表1所示。

表1

由表1可以看出，隨著永磁同步電機轉速的變化，載頻比也隨之變化。在每個轉速區間內，均能保持較高的載頻比，並為合成正弦波提供了可能。

例如，永磁同步電機的電機電頻率0-240Hz時，永磁同步電機的轉速區間是低速區，為0-3600r/min；永磁同步電機的電機電頻率240-467Hz時，永磁同步電機的轉速區間是中速區，為3600-7000r/min；永磁同步電機的電機電頻率467-634Hz時，永磁同步電機的轉速區間為高速區，為7000-9500r/min。其中，基速可以為3600r/min，最高轉速為9500r/min。

根據本發明的一個實施例，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取的開關頻率小於第一頻率閾值(如10KHz)，並獲取的電機矢量控制方式為CSVPWM方式，因此可大大提高了控制器在低速區和中速區的效率；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取的開關頻率大於第一頻率閾值(如10KHz)，並獲取的電機矢量控制方式為DSVPWM方式，因此大大降低了變頻器的開關損耗。其中，CSVPWM方式和DSVPWM方式相比，DSVPWM方式的諧波含量較大，但是由於永磁同步電機運行在高速區，工作在深度弱磁區，電機的轉矩會隨著轉速的升高不斷降低，因此，在高速區內工作時，不會因為採用了DSVPWM方式而造成電機效率下降，從而保證永磁同步電機和控制器在全速範圍內保持較高的效率及安全可靠運行。

具體地，在本發明的一個示例中，對永磁同步電機和控制器的效率進行驗證。其中，選擇額定功率為60KW，峰值功率為120KW，電機極對數為4極，旋變極對數為4極，基速為3600r/min，最高轉速為9500r/min的永磁同步電機為例，假設變頻器的開關頻率為10KHz，應用傳統的控制方法和本發明的控制方法進行了實驗比較。應用傳統的控制方法得到永磁同步電機和控制器的效率及故障狀態，如下表2所示。

表2

應用本發明的控制方法得到永磁同步電機和控制器的效率及故障狀態，如下表3所示。

表3

對比表2和表3實測數據可得，本發明的控制方法運用了分段開關頻率和DSVPWM控制方式後，控制器的效率高於傳統的控制方法，且本發明的控制方法可以保證永磁同步電機在全速範圍內安全可靠運行。

綜上所述，根據本發明實施例的永磁同步電機的控制方法，首先通過實時檢測永磁同步電機的轉速，並判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間，然後根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間來獲取相應的開關頻率，同時還根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，最後根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對永磁同步電機的變頻器進行控制，從而通過採用開關頻率分段運行以及不同轉速區間採用不同的電機矢量控制方式，能夠有效地實現了永磁同步電機和控制器在全速範圍內的較高效率，保證電機安全可靠運行。

圖2是根據本發明實施例的永磁同步電機控制系統的方框示意圖。如圖2所示，該永磁同步電機控制系統包括：轉速檢測模塊10、變頻器20、判斷模塊30、獲取模塊40和控制模塊50。

其中，轉速檢測模塊10用於實時檢測永磁同步電機的轉速，例如可採用位置觀測器來檢測永磁同步電機的轉速。判斷模塊30用於判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間。獲取模塊40用於根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的開關頻率，並根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲取相應的電機矢量控制方式，其中，每個轉速區間對應一個開關頻率，且每個轉速區間對應一種電機矢量控制方式。控制模塊50用於根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式對變頻器20進行控制。

根據本發明的一個實施例，開關頻率與永磁同步電機的轉速呈正相關關係。即言，隨著永磁同步電機轉速的升高，變頻器20的開關頻率也隨著升高。

具體地，轉速區間可包括低速區、中速區和高速區，其中，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率小於第一頻率閾值；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率大於第一頻率閾值。其中，第一頻率閾值可以根據實際情況進行標定，例如，第一頻率閾值可以為10KHz。

在本發明的一個實施例中，永磁同步電機的轉速區間包括低速區、中速區和高速區時，永磁同步電機的電機電頻率0-240Hz，永磁同步電機的轉速區間是低速區，為0-3600r/min，對應的開關頻率為4KHz；永磁同步電機的電機電頻率240-467Hz時，永磁同步電機的轉速區間是中速區，為3600-7000r/min，對應的開關頻率為9KHz；永磁同步電機的電機電頻率467-634Hz時，永磁同步電機的轉速區間為高速區，為7000-9500r/min，對應的開關頻率為13KHz。由此可知，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率小於第一頻率閾值(如10KHz)；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率大於第一頻率閾值(如10KHz)。

根據本發明的一個實施例，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取模塊40獲取的電機矢量控制方式為CSVPWM方式；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取模塊40獲取的電機矢量控制方式為DSVPWM方式。

具體地，當永磁同步電機的當前轉速處於低速區和中速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率小於第一頻率閾值(如10KHz)，並通過獲取模塊40獲取的電機矢量控制方式為CSVPWM方式，因此大大提高了控制器在低速區和中速區的效率；當永磁同步電機的當前轉速處於高速區時，獲取模塊40獲取的開關頻率大於第一頻率閾值(如10KHz)，並通過獲取模塊40獲取的電機矢量控制方式為DSVPWM方式，因此大大降低了變頻器20的開關損耗。CSVPWM方式和DSVPWM方式相比，DSVPWM方式的諧波含量較大，但是由於永磁同步電機運行在高速區，工作在深度弱磁區，電機的轉矩會隨著轉速的升高不斷降低，因此，在高速區內工作時，不會因為採用了DSVPWM方式而造成電機效率下降，從而保證永磁同步電機和控制器在全速範圍內保持較高的效率及安全可靠運行。

綜上所述，根據本發明實施例的永磁同步電機控制系統，通過轉速檢測模塊實時檢測永磁同步電機的轉速，並通過判斷模塊判斷永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間，以及獲取模塊根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲得相應的開關頻率，同時根據永磁同步電機的當前轉速所處的轉速區間獲得相應的電機矢量控制方式，這樣控制模塊根據獲取的開關頻率和獲取的電機矢量控制方式來對永磁同步電機的變頻器進行控制，從而能夠在不同的轉速區間採用不同的開關頻率和不同的電機矢量控制方式來對變頻器進行控制，兼顧了永磁同步電機和控制器在全速範圍內的效率，保證永磁同步電機和控制器在全速範圍內保持較高的效率，保證電機安全可靠運行。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。

儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。