一种直流母线电压保护方法及装置与流程

本发明涉及变频驱动技术领域，具体而言，涉及一种直流母线电压保护方法及装置。

背景技术：

我国电动机保有量大，消耗电能大，但大多效率较低。永磁同步电机由于其具有体积小、效率高、功率因数高、启动力矩大、升温低等特点，应用较为广泛。

与传统变频驱动系统相比，无电解电容驱动系统无pfc电路和大电解电容作为直流母线电容，而使用容量较小的薄膜电容，因而当输入电压波动或者电机运行状态波动时，输入功率和电机消耗功率的短暂不平衡，可能导致直流母线电压升高，存在导致功率器件损坏的危险。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直流母线电压保护方法及装置，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种直流母线电压保护方法，所述直流母线电压保护方法包括：

接收一电路参数采集模块采集并传输的相电流、输入电压、母线电压；

依据所述相电流计算电机转速实际值、d轴电流以及q轴电流；

将所述母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对；

依据所述比对结果确定转矩电流补偿量；

依据所述电机转速实际值、所述d轴电流、所述q轴电流、所述输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及所述转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量；

依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

进一步地，所述将所述母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对的步骤包括：

判断所述母线电压是否大于或等于预设定的母线电压保护值；

所述依据所述比对结果确定转矩电流补偿量的步骤包括：

当所述母线电压大于或等于预设定的母线电压保护值时，依据所述母线电压、预设定的母线电压保护值、母线电容、所述电机转速实际值计算所述转矩电流补偿量；

当所述母线电压小于预设定的母线电压保护值时，确定所述转矩电流补偿量为0。

进一步地，所述依据所述母线电压、所述预设定的母线电压保护值、所述母线电容以及所述电机转速实际值计算所述转矩电流补偿量的步骤包括：

通过算式计算所述转矩电流补偿量，其中，iq_ref_comp为转矩电流补偿量，c为母线电容，udc为母线电压，udcprotect为预设定的母线电压保护值，ωr为电机转速实际值，kt为预设定的电机转矩常数，t为预设定的时间。

进一步地，所述依据所述相电流、所述输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及所述转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量的步骤包括：

依据所述电机转速实际值、预设定的电机转速参考值、所述输入电压计算q轴电流参考值；

依据所述q轴电流参考值及所述转矩电流补偿量计算q轴转矩电流给定量；

依据所述q轴电流及所述q轴转矩电流给定量计算所述q轴电压给定量；

依据所述d轴电流及所述预设定的d轴转矩电流给定量计算所述d轴电压给定量。

进一步地，所述依据所述电机转速实际值、预设定的电机转速参考值、所述输入电压计算q轴电流参考值的步骤包括：

依据所述转速实际值、预设定的电机转速参考值确定转矩电流；

依据所述输入电压确定转矩电流变化波形；

依据所述转矩电流以及所述转矩电流变化波形确定所述q轴电流参考值。

第二方面，本发明实施例还提供了一种直流母线电压保护装置，所述直流母线电压保护装置包括：

电路参数采集单元，用于接收一电路参数采集模块采集并传输的相电流、输入电压、母线电压；

计算单元，用于依据所述相电流计算电机转速实际值、d轴电流以及q轴电流；

比对单元，用于将所述母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对；

转矩电流补偿量确定单元，用于依据所述比对结果确定转矩电流补偿量；

电压给定量确定单元，用于依据所述相电流、所述输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及所述转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量；

脉宽调制信号生成单元，用于依据所述q轴电压给定量及所述d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

进一步地，所述比对单元用于判断所述母线电压是否大于或等于预设定的母线电压保护值；

所述转矩电流补偿量确定单元用于当所述母线电压大于或等于预设定的母线电压保护值时，依据所述母线电压、预设定的母线电压保护值、母线电容、所述相电流计算所述转矩电流补偿量；

所述转矩电流补偿量确定单元还用于当所述母线电压小于预设定的母线电压保护值时，确定所述转矩电流补偿量为0。

进一步地，所述转矩电流补偿量确定单元用于通过算式计算所述转矩电流补偿量，其中，iq_ref_comp为转矩电流补偿量，c为母线电容，udc为母线电压，udcprotect为预设定的母线电压保护值，ωr为电机转速实际值，kt为预设定的电机转矩常数，t为预设定的时间。

进一步地，所述电压给定量确定单元用于依据所述电机转速实际值、预设定的电机转速参考值、所述输入电压计算q轴电流参考值；

所述电压给定量确定单元还用于依据所述q轴电流参考值及所述转矩电流补偿量计算q轴转矩电流给定量；

所述电压给定量确定单元还用于依据所述q轴电流及所述q轴转矩电流给定量计算所述q轴电压给定量；

所述电压给定量确定单元还用于依据所述d轴电流及所述预设定的d轴转矩电流给定量计算所述d轴电压给定量。

进一步地，所述电压给定量确定单元还用于依据所述转速实际值、预设定的电机转速参考值确定转矩电流；

所述电压给定量确定单元还用于依据所述输入电压确定转矩电流变化波形；

所述电压给定量确定单元还用于依据所述转矩电流以及所述转矩电流变化波形确定所述q轴电流参考值。

本发明实施例提供的直流母线电压保护方法及装置，通过将母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对，并依据比对结果确定转矩电流补偿量，接着依据相电流、输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量，再依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号以调节电机的电压；由于转矩电流补偿量与母线电压有关，从而在母线电压过大时，可以通过转矩电流补偿量实时调整q轴电压给定量，使得电机迅速消耗直流母线电容存储的电能，以降低直流母线电压，达到直流母线电压保护的目的，提升了电路的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的无电解电容变频驱动系统的电路结构框图。

图2示出了本发明实施例提供的无电解电容变频驱动系统的电路图。

图3示出了本发明实施例提供的直流母线电压保护方法的流程图。

图4示出了图3中步骤s303、步骤s304的具体流程图。

图5示出了图3中步骤s305的具体流程图。

图6示出了图3中步骤s306的具体流程图。

图7示出了本发明实施例提供的直流母线电压保护装置的功能模块图。

图标：100-无电解电容变频驱动系统；110-电路参数采集模块；120-驱动模块；130-电机；140-脉宽调制模块；150-控制模块；200-直流母线电压保护装置；210-电路参数采集单元；220-计算单元；230-比对单元；240-转矩电流补偿量确定单元；250-电压给定量确定单元；260-脉宽调制信号生成单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，示出了本发明实施例提供的无电解电容变频驱动系统100的电路结构框图。该无电解电容变频驱动系统100包括电路参数采集模块110、驱动模块120、脉宽调制模块140、控制模块150以及电机130。驱动模块120与电机130、电路参数采集模块110、脉宽调制模块140均电连接，脉宽调制模块140与控制模块150电连接。

其中，电路参数采集模块110用于采集输入电压、母线电压以及输入至电机130的相电流，并将输入电压、母线电压以及输入至电机130的相电流传输至控制模块150。

请参阅图2，本发明实施例提供的无电解电容变频驱动系统100的电路图。无电解电容变频驱动系统100包括电源电路、整流电路、升压电路、直流母线电容以及逆变电路。其中，电源电路、整流电路、升压电路、直流母线电容以及逆变电路依次电连接，升压电路与第一控制模块150电连接，逆变电路与第二控制模块150电连接。

其中，电源电路为电路提供交流电；整流电路用于将交流电变换为直流电；升压电路用于调整直流母线电容的电压值；直流母线电容用于过滤经整流电路整流后仍然存在的交流电；逆变电路与控制模块150电连接，用于在脉宽调制信号的控制下，输出电压至电机130，实现对电机130的控制。

控制模块150用于依据电机转速实际值、d轴电流、q轴电流、输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量，并依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

脉宽调制单元用于响应脉宽调制信号而通过调整逆变模块的导通状态实现对电机130三相电压的控制。

第一实施例

本发明实施例提供了一种直流母线电压保护方法，应用于无电解电容变频驱动系统100。该功率变换控制方法用于在实现对电机130的驱动的同时，能够有效保护直流母线电压，增加了直流母线电容的寿命。请参阅图3，为本发明实施例提供的直流母线电压保护方法的流程图。该直流母线电压保护方法包括：

步骤s301：接收一电路参数采集模块110采集并传输的相电流、输入电压、母线电压。

可以理解地，相电流、输入电压、母线电压均为电路参数采集模块110采集并传输的；此外，在本实施例中，输入至电机130的相电流包括u相电流iu以及v相电流iv。

步骤s302：依据相电流计算电机转速实际值、d轴电流以及q轴电流。

首先通过u相电流iu以及v相电流iv计算w相电流iw：

iw＝-iu-iv

接着通过u相电流iu、v相电流iv以及w相电流iw计算α轴电流及β轴电流，公式如下所示：

iα＝iu

则q轴电流的计算公式为：

iq＝iβcosθ-iαsinθ

d轴电流的计算公式为：

id＝iαcosθ+iβsinθ

其中，θ为电机130转子永磁体磁链的角度，可通过传统的位置估算算法得出，其计算过程如下：

首先依据下述公式计算反电动势的d轴分量和q轴分量：

其中，估算角度与实际角度的误差

则电机130转子永磁体磁链的角度由以下算式计算：

θ(n)＝θ(n-1)+δθ

则电机转速实际值可通过以下算式计算：

步骤s303：将母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对。

可以理解地，母线电压为直流母线电容两端的电压值，因而通过比对母线电压与预设定的母线电压保护值，可以得知母线电容当前存储的电量状态。

步骤s304：依据比对结果确定转矩电流补偿量。

具体地，在一种优选的实施例中，请参阅图4，步骤s303、步骤s304包括：

子步骤s3031：判断母线电压是否大于或等于预设定的母线电压保护值，如果是，则执行子步骤s3041；如果否，则执行子步骤s3042。

子步骤s3041：依据母线电压、预设定的母线电压保护值、母线电容、电机转速实际值计算转矩电流补偿量。

可以理解地，当母线电压大于或等于母线电压保护值时，直流母线电容存储的电量过高，如果长期保持当前的母线电压，很可能使得直流母线电容由于电压过大被击穿，因而此时计算转矩电流补偿量，以对电机130的输出电压进行调节，从而降低母线电压。

在一种优选的实施例中，依据母线电压、预设定的母线电压保护值、母线电容、电机转速实际值计算转矩电流补偿量的算式如下：

其中，iq_ref_comp为转矩电流补偿量，c为母线电容，udc为母线电压，udcprotect为预设定的母线电压保护值，wr为电机转速实际值，kt为预设定的电机转矩常数，t为预设定的时间。

需要说明的是，转矩电流补偿量iq_ref_comp事实上为幅值ipeak持续时间为t的脉冲，其能使得电机130消耗直流母线电容存储的能力，从而降低母线电压。

一般地，幅值ipeak与持续时间t满足算式：

但是在实际应用中，可将持续时间t预先设定为固定值，因而，

子步骤s3042：确定转矩电流补偿量为0。

可以理解地，当母线电压小于预设定的母线电压保护值时，直流母线电容存储的电量在直流母线电容可承受的电量范围内，此时无需对电机130的输出电压进行调节，因而转矩电流补偿量为0。

步骤s305：依据电机转速实际值、d轴电流、q轴电流、输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量。

请参图阅图5，为步骤s305的子步骤流程图。步骤s305包括：

子步骤s3051：依据电机转速实际值、预设定的电机转速参考值、输入电压计算q轴电流参考值。

首先，依据转速实际值、预设定的电机转速参考值确定转矩电流，其计算公式如下所示：

it_ref＝kp1*(wr_ref-wr)+ki1*∫(wr_ref-wr)dt

其中，it_ref为转矩电流，wr_ref为预设定的电机转速参考值，wr为电机转速实际值，kp1为预设定的第一比例系数，ki1为预设定的第一积分系数。

接着，依据输入电压确定转矩电流变化波形，其计算公式如下所示：

其中，k为归一化系数，it_waveform为转矩电流变化波形。

最后，依据转矩电流以及转矩电流变化波形确定q轴电流参考值，其计算公式如下所示：

iq_ref_0＝it_ref*it_waveform

其中，iq_ref_0为q轴电流参考值。

子步骤s3052：依据q轴电流参考值及转矩电流补偿量计算q轴转矩电流给定量。

具体地，通过以下算式可对q轴转矩电流给定量进行计算：

iq_ref＝iq_ref_0+iq_ref_comp

其中，iq_ref为q轴电流参考值，iq_ref_comp为转矩电流补偿量。

子步骤s3053：依据q轴电流及q轴转矩电流给定量计算q轴电压给定量。

具体地，通过以下算式计算q轴电压给定量：

uq＝kp2*(iq_ref-iq)+ki2*∫(iq_ref-iq)dt

其中，uq为q轴电压给定量，kp2为预设定的第二比例系数，ki2为预设定的第二积分系数。

子步骤s3054：依据d轴电流及预设定的d轴转矩电流给定量计算d轴电压给定量。

具体地，通过以下算式计算d轴电压给定量：

ud＝kp3*(id_ref-id)+ki3*∫(id_ref-id)dt

其中，ud为d轴电压给定量，id_ref为预设定的d轴电流参考值，kp3为预设定的第三比例系数，ki3为预设定的第三积分系数。

在一种优选的实施例中，预设定的d轴电流参考值为0；同时需要弱磁控制时，预设定的d轴电流参考值应当为负值，且大小应当适当增加。

步骤s306：依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

请参图阅图6，为步骤s306的子步骤流程图。步骤s306包括：

子步骤s3061：基于q轴电压给定量及d轴电压给定量计算三相输出脉宽。

uα＝udcosθ-uqsinθ

uβ＝udsinθ+uqcosθ

uu＝uα

其中，uu、uv、uw分别为电机130的三相输出脉宽。

子步骤s3062：基于三相输出脉宽及母线电压分别计算u、v、w三相的目标电压值。

具体地，u、v、w三相的目标电压值分别通过以下算式计算：

其中，uu-n、uv-n、uu-n分别为u、v、w三相的目标电压值。

子步骤s3063：基于u、v、w三相的目标电压值及预设定的第二三角波幅值分别计算u、v、w三相的比较值。

具体地，通过以下算式对u、v、w三相的比较值进行计算：

compu＝a*uu-n/udc

compv＝a*uv-n/udc

compw＝a*uw-n/udc

其中，compu、compv、compw分别为u、v、w三相的比较值，a为预设定的第二三角波幅值。

子步骤s3064：分别判断u、v、w三相的比较值是否大于第二三角波幅值，如果是，则执行子步骤s3065；如果否，则执行子步骤s3066。

即判断compu、compv、compw是否满足

子步骤s3065：确定脉宽调制信号对应相的值为1。

例如，当满足compu>a时，pwm_u＝1；当满足compv>a时，pwm_v＝1；当满足compw>a时，pwm_w＝1。

其中，pwm_u、pwm_v及pwm_w分别为脉宽调制信号u、v、w三相的输出。

子步骤s3066：确定脉宽调制信号对应相的值为0。

例如，当满足compu≤a时，pwm_u＝0；当满足compv≤a时，pwm_v＝0；当满足compw≤a时，pwm_w＝0。

第二实施例

请参阅图7，图7为本发明较佳实施例提供的一种直流母线电压保护装置200的功能模块图。需要说明的是，本实施例所提供的直流母线电压保护装置200，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。直流母线电压保护装置200包括电路参数采集单元210、计算单元220、比对单元230、转矩电流补偿量确定单元240、电压给定量确定单元250以及脉宽调制信号生成单元260。

其中，电路参数采集单元210用于接收一电路参数采集模块110采集并传输的相电流、输入电压、母线电压。

可以理解地，电路参数采集单元210可用于执行步骤s301。

计算单元220用于依据相电流计算电机转速实际值、d轴电流以及q轴电流。

可以理解地，计算单元220可用于执行步骤s302。

比对单元230用于将母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对。

可以理解地，计算单元220可用于执行步骤s303以及子步骤s3031。

转矩电流补偿量确定单元240用于依据比对结果确定转矩电流补偿量。

具体地，转矩电流补偿量确定单元240用于当母线电压大于或等于预设定的母线电压保护值时，依据母线电压、预设定的母线电压保护值、母线电容、相电流计算转矩电流补偿量。

其中，转矩电流补偿量的计算公式为：

其中，iq_ref_comp为转矩电流补偿量，c为母线电容，udc为母线电压，udcprotect为预设定的母线电压保护值，ωr为电机转速实际值，kt为预设定的电机转矩常数，t为预设定的时间。

转矩电流补偿量确定单元240还用于当母线电压小于预设定的母线电压保护值时，确定转矩电流补偿量为0。

可以理解地，转矩电流补偿量确定单元240可用于执行步骤s304、子步骤s3041以及子步骤s3042。

电压给定量确定单元250用于依据相电流、输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量。

具体地，电压给定量确定单元250用于依据电机转速实际值、预设定的电机转速参考值、输入电压计算q轴电流参考值。

电压给定量确定单元250还用于依据q轴电流参考值及转矩电流补偿量计算q轴转矩电流给定量。

电压给定量确定单元250还用于依据q轴电流及q轴转矩电流给定量计算q轴电压给定量。

电压给定量确定单元250还用于依据d轴电流及预设定的d轴转矩电流给定量计算d轴电压给定量。

可以理解地，电压给定量确定单元250可用于执行步骤s501、子步骤s3051、子步骤s3052、子步骤s3053以及子步骤s3054。

脉宽调制信号生成单元260，用于依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号。

可以理解地，脉宽调制信号生成单元260可用于执行步骤s306、子步骤s3061、子步骤s3062、子步骤s3063、子步骤s3064、子步骤s3065以及子步骤s3066。

综上所述，本发明实施例提供的直流母线电压保护方法及装置，通过将母线电压与预设定的母线电压保护值进行比对，并依据比对结果确定转矩电流补偿量，接着依据相电流、输入电压、预设定的电机转速参考值、预设定的d轴转矩电流给定量以及转矩电流补偿量确定q轴电压给定量及d轴电压给定量，再依据q轴电压给定量及d轴电压给定量生成脉宽调制信号以调节电机的电压；由于转矩电流补偿量与母线电压有关，从而在母线电压过大时，可以通过转矩电流补偿量实时调整q轴电压给定量，使得电机迅速消耗直流母线电容存储的电能，以降低直流母线电压，达到直流母线电压保护的目的，提升了电路的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。