永磁同步电机控制系统及永磁同步电机的控制方法与流程

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的控制方法以及一种永磁同步电机控制系统。

背景技术：

目前，传统的永磁同步电机控制方法是在永磁同步电机的恒转矩区及恒功率弱磁区采用相同的开关频率，采用相同的开关频率虽然算法相对简单，但不能保证电机和控制器在全速范围内的可靠运行及较高的工作效率。

其中，如果开关频率选的较低，虽然能保证恒转矩区内电机和控制器的效率，但恒功率弱磁区会由于载频比的下降引起电流畸变，从而引发控制器器的过流保护甚至引起电机的失控；而如果开关频率选的较高，虽然能保证恒功率弱磁区电机的可靠运行，但会引起恒转矩区内电机和控制器的效率下降。

因此，需要对目前的电机控制策略进行改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种永磁同步电机的控制方法，该方法采用了开关频率的分段运行策略，有效地实现了永磁同步电机和控制器在全速范围内的较高效率及安全可靠运行。

本发明的另一个目的在于提出一种永磁同步电机控制系统。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出的一种永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：实时检测所述永磁同步电机的转速；判断所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间；根据所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的开关频率，并根据所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，其中，每个转速区间对应一个开关频率，且每个转速区间对应一种电机矢量控制方式；根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对所述永磁同步电机的变频器进行控制。

根据本发明实施例的永磁同步电机的控制方法，首先通过实时检测永磁同步电机的转速，并判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间，然后根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间来获取相应的开关频率，同时还根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，最后根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对永磁同步电机的变频器进行控制，从而通过采用开关频率分段运行以及不同转速区间采用不同的电机矢量控制方式，能够有效地实现了永磁同步电机和控制器在全速范围内的较高效率，保证电机安全可靠运行。

根据本发明的一个实施例，所述开关频率与所述永磁同步电机的转速呈正相关关系。

根据本发明的一个实施例，所述转速区间包括低速区、中速区和高速区，其中，当所述永磁同步电机的当前转速处于所述低速区和中速区时，获取的开关频率小于第一频率阈值；当所述永磁同步电机的当前转速处于所述高速区时，获取的开关频率大于所述第一频率阈值。

根据本发明的一个实施例，所述第一频率阈值可以为10KHz。

根据本发明的一个实施例，当所述永磁同步电机的当前转速处于所述低速区和中速区时，获取的电机矢量控制方式为连续空间矢量脉宽调制方式；当所述永磁同步电机的当前转速处于所述高速区时，获取的电机矢量控制方式为断续空间矢量脉宽调制方式。

为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种永磁同步电机控制系统，包括：转速检测模块，用于实时检测所述永磁同步电机的转速；变频器；判断模块，用于判断所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间；获取模块，用于根据所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的开关频率，并根据所述永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，其中，每个转速区间对应一个开关频率，且每个转速区间对应一种电机矢量控制方式；控制模块，用于根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对所述变频器进行控制。

根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统，通过转速检测模块实时检测永磁同步电机的转速，并通过判断模块判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间，以及获取模块根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获得相应的开关频率，同时根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获得相应的电机矢量控制方式，这样控制模块根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式来对永磁同步电机的变频器进行控制，从而能够在不同的转速区间采用不同的开关频率和不同的电机矢量控制方式来对变频器进行控制，兼顾了永磁同步电机和控制器在全速范围内的效率，保证永磁同步电机和控制器在全速范围内保持较高的效率，保证电机安全可靠运行。

根据本发明的一个实施例，所述开关频率与所述永磁同步电机的转速呈正相关关系。

根据本发明的一个实施例，所述转速区间包括低速区、中速区和高速区，其中，当所述永磁同步电机的当前转速处于所述低速区和中速区时，所述获取模块获取的开关频率小于第一频率阈值；当所述永磁同步电机的当前转速处于所述高速区时，所述获取模块获取的开关频率大于所述第一频率阈值。

根据本发明的一个实施例，所述第一频率阈值可以为10KHz。

根据本发明的一个实施例，当所述永磁同步电机的当前转速处于所述低速区和中速区时，所述获取模块获取的电机矢量控制方式为连续空间矢量脉宽调制方式；当所述永磁同步电机的当前转速处于所述高速区时，所述获取模块获取的电机矢量控制方式为断续空间矢量脉宽调制方式。

附图说明

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机的控制方法的流程图；以及

图2是根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的永磁同步电机的控制方法以及永磁同步电机控制系统。

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机的控制方法的流程图。如图1所示，该永磁同步电机的控制方法包括以下步骤：

S1，实时检测永磁同步电机的转速。

其中，可以通过位置观测器来检测永磁同步电机的转速。

S2，判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间。

具体地，根据本发明的一个实施例，可以将永磁同步电机的转速划分为低速区、中速区和高速区。其中，低速区对应的电机转速可以为0-3600r/min，中速区对应的电机转速可以为3600-7000r/min，高速区对应的电机转速可以为7000-9500r/min。

S3，根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的开关频率，并根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，其中，每个转速区间对应一个开关频率，且每个转速区间对应一种电机矢量控制方式。

根据本发明的一个实施例，开关频率与永磁同步电机的转速呈正相关关系。即言，随着永磁同步电机转速的升高，变频器的开关频率也随着升高。

具体地，根据本发明的一个实施例，转速区间可包括低速区、中速区和高速区。其中，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时例如处于0-7000r/min，获取的开关频率小于第一频率阈值；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时例如处于7000-9500r/min，获取的开关频率大于第一频率阈值。其中，第一频率阈值可以根据实际情况进行标定，例如，第一频率阈值可以为10KHz。

根据本发明的一个实施例，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取的电机矢量控制方式为CSVPWM(Continuous Space Vector Pulse Width Modulation，连续空间矢量脉宽调制)方式；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取的电机矢量控制方式为DSVPWM(Discontinuous Space Vector Pulse Width Modulation，断续空间矢量脉宽调制)方式。

S4，根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对永磁同步电机的变频器进行控制。

因此，本发明实施例的永磁同步电机的控制方法，通过在不同的转速区间采用不同的开关频率和不同的电机矢量控制方式来对变频器进行控制，从而兼顾了电机和控制器在全速范围内的效率，保证电机安全可靠运行。

具体地，在本发明的实施例中，采用开关频率分段运行的控制策略对变频器进行控制时，随着电机转速的不断升高，开关频率也随着变大。为了保证永磁同步电机和控制器在全速范围内的载频比保持不变，每个转速可对应唯一一个开关频率。但是为了减小控制器的CPU不必要的运算量，可根据电机的转速区间不同将开关频率分为3段，具体如下表1所示。

表1

由表1可以看出，随着永磁同步电机转速的变化，载频比也随之变化。在每个转速区间内，均能保持较高的载频比，并为合成正弦波提供了可能。

例如，永磁同步电机的电机电频率0-240Hz时，永磁同步电机的转速区间是低速区，为0-3600r/min；永磁同步电机的电机电频率240-467Hz时，永磁同步电机的转速区间是中速区，为3600-7000r/min；永磁同步电机的电机电频率467-634Hz时，永磁同步电机的转速区间为高速区，为7000-9500r/min。其中，基速可以为3600r/min，最高转速为9500r/min。

根据本发明的一个实施例，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取的开关频率小于第一频率阈值(如10KHz)，并获取的电机矢量控制方式为CSVPWM方式，因此可大大提高了控制器在低速区和中速区的效率；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取的开关频率大于第一频率阈值(如10KHz)，并获取的电机矢量控制方式为DSVPWM方式，因此大大降低了变频器的开关损耗。其中，CSVPWM方式和DSVPWM方式相比，DSVPWM方式的谐波含量较大，但是由于永磁同步电机运行在高速区，工作在深度弱磁区，电机的转矩会随着转速的升高不断降低，因此，在高速区内工作时，不会因为采用了DSVPWM方式而造成电机效率下降，从而保证永磁同步电机和控制器在全速范围内保持较高的效率及安全可靠运行。

具体地，在本发明的一个示例中，对永磁同步电机和控制器的效率进行验证。其中，选择额定功率为60KW，峰值功率为120KW，电机极对数为4极，旋变极对数为4极，基速为3600r/min，最高转速为9500r/min的永磁同步电机为例，假设变频器的开关频率为10KHz，应用传统的控制方法和本发明的控制方法进行了实验比较。应用传统的控制方法得到永磁同步电机和控制器的效率及故障状态，如下表2所示。

表2

应用本发明的控制方法得到永磁同步电机和控制器的效率及故障状态，如下表3所示。

表3

对比表2和表3实测数据可得，本发明的控制方法运用了分段开关频率和DSVPWM控制方式后，控制器的效率高于传统的控制方法，且本发明的控制方法可以保证永磁同步电机在全速范围内安全可靠运行。

综上所述，根据本发明实施例的永磁同步电机的控制方法，首先通过实时检测永磁同步电机的转速，并判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间，然后根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间来获取相应的开关频率，同时还根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，最后根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对永磁同步电机的变频器进行控制，从而通过采用开关频率分段运行以及不同转速区间采用不同的电机矢量控制方式，能够有效地实现了永磁同步电机和控制器在全速范围内的较高效率，保证电机安全可靠运行。

图2是根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统的方框示意图。如图2所示，该永磁同步电机控制系统包括：转速检测模块10、变频器20、判断模块30、获取模块40和控制模块50。

其中，转速检测模块10用于实时检测永磁同步电机的转速，例如可采用位置观测器来检测永磁同步电机的转速。判断模块30用于判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间。获取模块40用于根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的开关频率，并根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获取相应的电机矢量控制方式，其中，每个转速区间对应一个开关频率，且每个转速区间对应一种电机矢量控制方式。控制模块50用于根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式对变频器20进行控制。

根据本发明的一个实施例，开关频率与永磁同步电机的转速呈正相关关系。即言，随着永磁同步电机转速的升高，变频器20的开关频率也随着升高。

具体地，转速区间可包括低速区、中速区和高速区，其中，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取模块40获取的开关频率小于第一频率阈值；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取模块40获取的开关频率大于第一频率阈值。其中，第一频率阈值可以根据实际情况进行标定，例如，第一频率阈值可以为10KHz。

在本发明的一个实施例中，永磁同步电机的转速区间包括低速区、中速区和高速区时，永磁同步电机的电机电频率0-240Hz，永磁同步电机的转速区间是低速区，为0-3600r/min，对应的开关频率为4KHz；永磁同步电机的电机电频率240-467Hz时，永磁同步电机的转速区间是中速区，为3600-7000r/min，对应的开关频率为9KHz；永磁同步电机的电机电频率467-634Hz时，永磁同步电机的转速区间为高速区，为7000-9500r/min，对应的开关频率为13KHz。由此可知，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取模块40获取的开关频率小于第一频率阈值(如10KHz)；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取模块40获取的开关频率大于第一频率阈值(如10KHz)。

根据本发明的一个实施例，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取模块40获取的电机矢量控制方式为CSVPWM方式；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取模块40获取的电机矢量控制方式为DSVPWM方式。

具体地，当永磁同步电机的当前转速处于低速区和中速区时，获取模块40获取的开关频率小于第一频率阈值(如10KHz)，并通过获取模块40获取的电机矢量控制方式为CSVPWM方式，因此大大提高了控制器在低速区和中速区的效率；当永磁同步电机的当前转速处于高速区时，获取模块40获取的开关频率大于第一频率阈值(如10KHz)，并通过获取模块40获取的电机矢量控制方式为DSVPWM方式，因此大大降低了变频器20的开关损耗。CSVPWM方式和DSVPWM方式相比，DSVPWM方式的谐波含量较大，但是由于永磁同步电机运行在高速区，工作在深度弱磁区，电机的转矩会随着转速的升高不断降低，因此，在高速区内工作时，不会因为采用了DSVPWM方式而造成电机效率下降，从而保证永磁同步电机和控制器在全速范围内保持较高的效率及安全可靠运行。

综上所述，根据本发明实施例的永磁同步电机控制系统，通过转速检测模块实时检测永磁同步电机的转速，并通过判断模块判断永磁同步电机的当前转速所处的转速区间，以及获取模块根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获得相应的开关频率，同时根据永磁同步电机的当前转速所处的转速区间获得相应的电机矢量控制方式，这样控制模块根据获取的开关频率和获取的电机矢量控制方式来对永磁同步电机的变频器进行控制，从而能够在不同的转速区间采用不同的开关频率和不同的电机矢量控制方式来对变频器进行控制，兼顾了永磁同步电机和控制器在全速范围内的效率，保证永磁同步电机和控制器在全速范围内保持较高的效率，保证电机安全可靠运行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。