过压保护装置、过压保护方法及无电解电容电机驱动系统

摘要

本发明涉及电机控制领域，公开了一种过压保护装置、过压保护方法及无电解电容电机驱动系统。其中过压保护装置包括：电压检测模块，实时检测直流母线电压Vdc；电流补偿量计算模块，与电压检测模块连接，根据检测的直流母线电压Vdc和预设安全电压Vdc_max计算电流补偿值；以及电流控制模块，与电流补偿量计算模块连接，根据计算的电流补偿值与初始电流指令值生成最终电流指令值，并根据最终电流指令值调整逆变器输入至电机的三相电流，以避免无电解电容电机驱动系统过压损坏。使用上述的过压保护装置、方法及无电解电容电机驱动系统，能够根据实时检测的直流母线电压和预设安全电压调整电机的三相电流，进而使过高的直流母线电压下降，实现过压保护的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体地，涉及一种过压保护装置、过压保护 方法及无电解电容电机驱动系统。

背景技术

随着消费者对机电产品节能性要求的提升，效率更高的变频电机驱动器 得到了越来越广泛的应用。常规变频驱动器的直流母线电压处于稳定状态， 逆变部分与输入交流电压相对独立，从而使逆变部分的控制无需考虑输入电 压的瞬时变化，便于控制方法的实现。然而，这种设计方法需要配备容值较 大的电解电容，这使得驱动器体积变大，成本相应提升。此外，电解电容的 寿命有限，其有效工作时间往往是驱动器寿命的瓶颈。

为了解决上述问题，现有技术中提出了一种使用无电解电容的电机驱动 器。其中用容值只有20uF的薄膜电容取代了之前使用的大容值的电解电容， 通过控制电机的瞬时功率与交流输入电压的形状匹配，不但可以实现电机的 调速，还可以减少输入电流的谐波，从而实现电机驱动器的高功率因数。并 且，由于无电解电容电机驱动器具有成本低、使用寿命长的优点，目前已得 到广泛的应用。然而，由于无电解电容电机驱动器采用的是容值较小的滤波 电容，当电机因负载波动或输出扭矩波动而进入瞬时发电状态时，电容两端 的电压将快速上升，这可能导致直流母线电压超过无电解电容或功率器件的 允许的电压范围，出现瞬时过压的现象。在这种情况下，若不采取任何保护 措施，将可能导致无电解电容电机驱动器因过压而损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种过压保护装置、过压保护方法及无电解电容电 机驱动系统，以解决现有技术中由于出现瞬时过压而导致无电解电容电机驱 动系统损坏的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种过压保护装置，用于保护无电解电 容电机驱动系统，该系统包括用于向电机提供三相电流的逆变器，其中，该 过压保护装置包括：电压检测模块，用于实时检测直流母线电压V_dc；电流 补偿量计算模块，与所述电压检测模块连接，用于根据所检测的直流母线电 压V_dc和预设安全电压V_{dc_max}计算电流补偿值；以及电流控制模块，与所 述电流补偿量计算模块连接，用于根据所计算的电流补偿值与初始电流指令 值生成最终电流指令值，并根据所述最终电流指令值调整所述逆变器输入至 所述电机的三相电流，以避免所述无电解电容电机驱动系统过压损坏。

本发明还提供一种无电解电容电机驱动系统，该系统包括上述的过压保 护装置。

本发明还提供一种过压保护方法，用于保护无电解电容电机驱动系统， 该系统包括用于向所述电机提供三相电流的逆变器，其中，该过压保护方法 包括：实时检测直流母线电压V_dc；根据所检测的直流母线电压V_dc和预设 安全电压V_{dc_max}计算电流补偿值；以及根据所计算的电流补偿值与初始电 流指令值生成最终电流指令值，并根据所述最终电流指令值调整所述逆变器 输入至所述电机的三相电流，以避免所述无电解电容电机驱动系统过压损 坏。

通过上述技术方案，根据实时检测的直流母线电压和预设安全电压计算 电流补偿值，并根据电流补偿值与初始电流指令值生成最终电流指令值，从 而能够根据该最终电流指令值调整逆变器输入至电机的三相电流，使得电机 的三相电流能够跟随该最终电流指令值变化。由此，通过对电机的三相电流 的调整可以使得直流母线电压下降为低于预设安全电压，从而实现过压保护 的目的，避免无电解电容电机驱动系统过压损坏。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的过压保护装置的方框图；

图2是根据本发明一种实施方式的过压保护装置中的电流补偿量计算模 块的方框图；

图3是根据本发明一种实施方式的过压保护装置中的电流控制模块的方 框图；

图4是根据本发明一种实施方式的无电解电容电机驱动系统的方框图；

图5是根据本发明一种实施方式的无电解电容电机驱动系统的结构示意 图；以及

图6是根据本发明一种实施方式的过压保护方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

图1是根据本发明一种实施方式的过压保护装置的方框图。

如图1所示，本发明提供了一种过压保护装置，用于保护无电解电容电 机驱动系统，该系统包括用于向电机提供三相电流的逆变器，其中，该过压 保护装置包括：电压检测模块10，用于实时检测直流母线电压V_dc；电流补 偿量计算模块12，与所述电压检测模块10连接，用于根据所检测的直流母 线电压V_dc和预设安全电压V_{dc_max}计算电流补偿值；以及电流控制模块14， 与所述电流补偿量计算模块12连接，用于根据所计算的电流补偿值与初始 电流指令值生成最终电流指令值，并根据所述最终电流指令值调整所述逆变 器输入至所述电机的三相电流，以避免所述无电解电容电机驱动系统过压损 坏。

通过对直流母线电压进行实时检测，根据实时检测的直流母线电压和预 设安全电压计算电流补偿值，并根据电流补偿值与初始电流指令值生成最终 电流指令值，从而能够根据该最终电流指令值调整逆变器输入至电机的三相 电流，使得电机的三相电流能够跟随该最终电流指令值变化。由此，通过对 电机的三相电流的调整可以使得直流母线电压下降为低于预设安全电压，从 而实现过压保护的目的，避免无电解电容电机驱动系统过压损坏。

其中，电压检测模块10可以采用现有技术中已有的能够对电压进行检 测的模块、元件或电路。对于预设安全电压V_{dc_max}，本领域技术人员可 以根据实际情况对其预先进行设定。优选地，预设安全电压V_{dc_max}通常小于逆变器的最大耐压值(即，最大直流母线电压)。例如， 当无电解电容电机驱动系统中采用最大耐压值为600V的逆变器时，预 设安全电压V_{dc_max}的取值可以为480V。上述示例仅仅是示意性的， 并非用于限定本发明。

图2是根据本发明一种实施方式的过压保护装置中的电流补偿量计算模 块的方框图。

如图2所示，根据本发明一种实施方式的过压保护装置中的电流补偿量 计算模块12包括：减法器120，用于计算所检测的直流母线电压V_dc与所述 预设安全电压V_{dc_max}之间的差值V_{dc_err}；第一PI控制器122，与所述减法 器120连接，用于根据所述差值V_{dc_err}计算Q轴电流补偿值I_{q_com0}；以及 限幅器124，与所述第一PI控制器122连接，用于将所述Q轴电流补偿值 I_{q_com0}中的小于零的Q轴电流补偿值滤除，以得到大于或等于零的Q轴电 流补偿值I_{q_com}。结合图2可知，首先，所检测的直流母线电压V_dc与所述 预设安全电压V_{dc_max}经减法器120得到二者的差值V_{dc_err}。(即，V_dc-V_{dc_max}＝V_{dc_err})；其次，差值V_{dc_err}经第一PI控制器122得到Q轴电流补偿值 I_{q_com0}；最后，Q轴电流补偿值I_{q_com0}经限幅器124得到大于或等于零的Q 轴电流补偿值I_{q_com}。

根据本发明一种实施方式，所述第一PI控制器122通过下述公式根据 所述差值V_{dc_err}计算Q轴电流补偿值I_{q_com0}：

$I_{q\_com0}=K_p·V_{dc\_err}+K_i{\int }_0^t{V}_{dc\_err}\left(\tau \right)d\tau ,$

其中，K_p>0，表示电流控制比例增益系数，K_i>0，表示电流控 制积分增益系数，τ表示时间，t表示当前时刻。

根据本发明一种实施方式，所述限幅器124通过下述公式将Q轴电流补 偿值I_{q_com0}中的小于零的Q轴电流补偿值滤除，以得到大于或等于零的Q 轴电流补偿值I_{q_com}：

$I_{q\_com}=\left(\begin{array}{cc}0& I_{q\_com0}\le 0\\ I_{q\_com0}& I_{q\_com0}>0\end{array}\right).$

根据本发明一种实施方式，所述过压保护装置还包括电流检测模块和角 度测量模块，与所述电流控制模块连接，所述电流检测模块用于检测所述电 机的D轴实际电流值I_d和Q轴实际电流值I_q，角度测量模块用于检测所述 电机的转子角度θ。

其中，电流检测模块可以为现有技术中已有的能够对电流进行 检测的模块、元件或电路，而角度测量模块可以为编码器，但本发 明不限于此。

图3是根据本发明一种实施方式的过压保护装置中的电流控制模块的方 框图。

如图3所示，根据本发明一种实施方式的电流控制模块14包括：加法 器140，用于将所述大于或等于零的Q轴电流补偿值I_{q_com}与Q轴初始电流 指令值I_{q_ref0}相加生成Q轴最终电流指令值I_{q_ref}；第二PI控制器142，与 所述加法器140连接，用于根据所述Q轴最终电流指令值I_{q_ref}、D轴电流 指令值I_{d_ref}、以及所述D轴实际电流值I_d和所述Q轴实际电流值I_q计算D 轴电压指令值V_d和Q轴电压指令值V_q；坐标变换器144，与所述第二 PI控制器142连接，用于根据所述转子角度θ对所述D轴电压指令值V_d和所述Q轴电压指令值V_q进行坐标变换，得到固定坐标系上的电压 指令值V_α和V_β；占空比计算控制器146，与所述坐标变换器144连接， 用于根据所述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β以及所检测的直流母 线电压V_dc计算所述逆变器的三相占空比D_u、D_v和D_w，并根据所计算的三 相占空比D_u、D_v和D_w调整所述逆变器，以实现对所述逆变器输入至所述 电机的三相电流的调整。

结合图3可知，首先，所述大于或等于零的Q轴电流补偿值I_{q_com}与Q 轴初始电流指令值I_{q_ref0}经加法器140生成Q轴最终电流指令值I_{q_ref}；其 次，所述Q轴最终电流指令值I_{q_ref}、D轴电流指令值I_{d_ref}、以及所述D 轴实际电流值I_d和所述Q轴实际电流值I_q经第二PI控制器得到D轴电压 指令值V_d和Q轴电压指令值V_q；再次，所述D轴电压指令值V_d和所述 Q轴电压指令值V_q经坐标变换器144得到固定坐标系上的电压指令 值V_α和V_β；最后，所述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β以及所 检测的直流母线电压V_dc经占空比计算控制器146得到所述逆变器的三相占 空比D_u、D_v和D_w，并根据所计算的三相占空比D_u、D_v和D_w调整所述逆 变器，以实现对所述逆变器输入至所述电机的三相电流的调整。

其中，所述第二PI控制器为电流PI控制器。此外，Q轴初始电 流指令值I_{q_ref0}和D轴电流指令值I_{d_ref}均可以由无电解电容电机驱动系统 的速度控制器提供，具体的提供过程本领域技术人员可以采用现有技术中已 有的技术来实现，本发明在此不再赘述。对于D轴电流指令值I_{d_ref}，其不 会受到瞬时过压的影响，因此可以直接使用无电解电容电机驱动系统的速度 控制器输出的值。

根据本发明一种实施方式，所述第二PI控制器142通过下述公式计 算所述D轴电压指令值V_d和所述Q轴电压指令值V_q：

$V_{d0}=K_{pd}·(I_{d\_ref}-I_d)+K_{id}{\int }_0^t[I_{d\_ref}\left(\tau \right)-I_d\left(\tau \right)]d\tau$

$V_{q0}=K_{pq}·(I_{q\_ref}-I_q)+K_{iq}{\int }_0^t[I_{q\_ref}\left(\tau \right)-I_q\left(\tau \right)]d\tau$

V_d＝V_d0-ωL_qI_q

V_q＝V_q0+ωL_dI_d+ωK_e，

其中，K_pd和K_id分别为D轴电流控制比例增益与D轴电流控制积分增 益，K_pq和K_iq分别为Q轴电流控制比例增益与电流控制积分增益，ω为所述 电机的转速，K_e为所述电机的反电势系数，L_d和L_q分别为D轴的电感和Q 轴的电感，τ表示时间，t表示当前时刻。

根据本发明一种实施方式，所述坐标变换器144通过下述公式根据 所述转子角度θ对所述D轴电压指令值V_d和所述Q轴电压指令值V_q进 行坐标变换，得到所述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β：

V_α＝V_dcosθ-V_qsinθ

V_β＝V_dsinθ+V_qcosθ。

根据本发明一种实施方式，所述占空比计算控制器146通过下述公式 根据所述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β以及所检测的直流母线电 压V_dc计算所述逆变器的三相占空比D_u、D_v和D_w：

V_u＝V_α

$V_v=\frac{-V_{\alpha }+\sqrt{3}{V}_{\beta }}{2}$和

$V_w=\frac{-V_{\alpha }-\sqrt{3}{V}_{\beta }}{2}$

D_u＝(V_u+0.5V_dc)/V_dc

D_v＝(V_v+0.5V_dc)/V_dc

D_w＝(V_w+0.5V_dc)/V_dc。

图4是根据本发明一种实施方式的无电解电容电机驱动系统的方框图。

如图4所示，本发明提供的一种无电解电容电机驱动系统包括上述实施 方式中所述的过压保护装置，该系统还包括速度控制器16和逆变器(未示 出)，速度控制器16用于输出Q轴初始电流指令值I_{q_ref0}和D轴电流指令 值I_{d_ref}；所述逆变器用于向所述电机提供三相电流。根据占空比计算控制 器146输出的三相占空比D_u、D_v和D_w调整所述逆变器，可以实现对所述 逆变器输入至所述电机的三相电流的调整。从而实现过压保护的目的，避免 无电解电容电机驱动系统过压损坏。

图5是根据本发明一种实施方式的无电解电容电机驱动系统的结构示意 图。

根据本发明一种实施方式的无电解电容电机驱动系统的结构如图5所 示，该系统包括：整流电路50、电抗器L、无电解电容C、逆变器52和上 述实施方式中的过压保护装置100。该系统连接的电源为交流电源AC，且 该系统的逆变器52与电机54连接，该逆变器52输入三相电流至电机54。 其中，无电解电容C例如可以为薄膜电容或陶瓷电容，由于薄膜电容或陶瓷 电容的容值较小(通常小于30uF)，其主要作用是消除逆变器开关引起的电 压尖峰，避免电压尖峰引起的逆变器损坏。

若电机处于发电状态(例如，当负载波动或输出扭矩波动时，电机可能 会短暂地进入发电状态)，薄膜电容或陶瓷电容的电压将会降迅速上升，容 易引起无电解电容电机驱动系统的逆变器过压损坏。而通过使用本发明提供 的上述的过压保护装置和无电解电容电机驱动系统以及下述的过压保护方 法，能够通过对电机的三相电流的调整使得直流母线电压下降为低于预设安 全电压，从而实现过压保护的目的，避免无电解电容电机驱动系统过压损坏。

在图5中，V_dc表示薄膜电容或陶瓷电容两端的电压(即直流母线电压 V_dc)，Iin表示输入电流，Iu,v,w表示电机u,v,w三相电流。

图6是根据本发明一种实施方式的过压保护方法的流程图。

如图6所示，本发明提供了一种过压保护方法，用于保护无电解电容电 机驱动系统，该系统包括用于向所述电机提供三相电流的逆变器，其中，该 过压保护方法包括：

S600，实时检测直流母线电压V_dc；

S602，根据所检测的直流母线电压V_dc和预设安全电压V_{dc_max}计算电 流补偿值；以及

S604，根据所计算的电流补偿值与初始电流指令值生成最终电流指令 值，并根据所述最终电流指令值调整所述逆变器输入至所述电机的三相电 流，以避免所述无电解电容电机驱动系统过压损坏。

通过对直流母线电压进行实时检测，根据实时检测的直流母线电压和预 设安全电压计算电流补偿值，并根据电流补偿值与初始电流指令值生成最终 电流指令值，从而能够根据该最终电流指令值调整逆变器输入至电机的三相 电流，使得电机的三相电流能够跟随该最终电流指令值变化。由此，通过对 电机的三相电流的调整可以使得直流母线电压下降为低于预设安全电压，从 而实现过压保护的目的，避免无电解电容电机驱动系统过压损坏。

在本方法中，步骤S602包括：

S6020，计算所检测的直流母线电压V_dc与所述预设安全电压V_{dc_max}之 间的差值V_{dc_err}；

S6022，根据所述差值V_{dc_err}计算Q轴电流补偿值I_{q_com0}；以及

S6024，将所述Q轴电流补偿值I_{q_com0}中的小于零的Q轴电流补偿值 滤除，以得到大于或等于零的Q轴电流补偿值I_{q_com}。

根据本发明一种实施方式，通过下述公式根据所述差值V_{dc_err}计算Q 轴电流补偿值I_{q_com0}：

$I_{q\_com0}=K_p·V_{dc\_err}+K_i{\int }_0^t{V}_{dc\_err}\left(\tau \right)d\tau ,$

其中，K_p>0，表示电流控制比例增益系数，K_i>0，表示电流控 制积分增益系数，τ表示时间，t表示当前时刻。

根据本发明一种实施方式，通过下述公式将Q轴电流补偿值I_{q_com0}中 的小于零的Q轴电流补偿值滤除，以得到大于或等于零的Q轴电流补偿值 I_{q_com}：

$I_{q\_com}=\left(\begin{array}{cc}0& I_{q\_com0}\le 0\\ I_{q\_com0}& I_{q\_com0}>0\end{array}\right).$

根据本发明一种实施方式，该方法还包括：

检测电机的D轴实际电流值I_d和Q轴实际电流值I_q；以及

检测所述电机的转子角度θ。

在该方法中，步骤S604包括：

S6040，将所述大于或等于零的Q轴电流补偿值I_{q_com}与Q轴初始电流 指令值I_{q_ref0}相加生成Q轴最终电流指令值I_{q_ref}；

S6042，根据所述Q轴最终电流指令值I_{q_ref}、D轴电流指令值I_{d_ref}、 以及所述D轴实际电流值I_d和所述Q轴实际电流值I_q计算D轴电压指令值 V_d和Q轴电压指令值V_q；

S6044，根据所述转子角度θ对所述D轴电压指令值V_d和所述Q轴电 压指令值V_q进行坐标变换，得到固定坐标系上的电压指令值V_α和 V_β；

S6046，根据所述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β以及所检测 的直流母线电压V_dc计算所述逆变器的三相占空比D_u、D_v和D_w，并根据所 计算的三相占空比D_u、D_v和D_w调整所述逆变器，以实现对所述逆变器输 入至所述电机的三相电流的调整。

根据本发明一种实施方式，通过下述公式计算所述D轴电压指令值 V_d和所述Q轴电压指令值V_q：

$V_{d0}=K_{pd}·(I_{d\_ref}-I_d)+K_{id}{\int }_0^t[I_{d\_ref}\left(\tau \right)-I_d\left(\tau \right)]d\tau$

$V_{q0}=K_{pq}·(I_{q\_ref}-I_q)+K_{iq}{\int }_0^t[I_{q\_ref}\left(\tau \right)-I_q\left(\tau \right)]d\tau$

V_d＝V_d0-ωL_qI_q

V_q＝V_q0+ωL_dI_d+ωK_e，

其中，K_pd和K_id分别为D轴电流控制比例增益与D轴电流控制积分增 益，K_pq和K_iq分别为Q轴电流控制比例增益与电流控制积分增益，ω为所述 电机的转速，K_e为所述电机的反电势系数，L_d和L_q分别为D轴的电感和Q 轴的电感，τ表示时间，t表示当前时刻。

根据本发明一种实施方式，通过下述公式根据所述转子角度θ对所 述D轴电压指令值V_d和所述Q轴电压指令值V_q进行坐标变换，得到所 述固定坐标系上的电压指令值V_α和V_β：

V_α＝V_dcosθ-V_qsinθ

V_β＝V_dsinθ+V_qcosθ。

根据本发明一种实施方式，通过下述公式根据所述固定坐标系上的 电压指令值V_α和V_β以及所检测的直流母线电压V_dc计算所述逆变器的三 相占空比D_u、D_v和D_w：

V_u＝V_α

$V_v=\frac{-V_{\alpha }+\sqrt{3}{V}_{\beta }}{2}$和

$V_w=\frac{-V_{\alpha }-\sqrt{3}{V}_{\beta }}{2}$

D_u＝(V_u+0.5V_dc)/V_dc

D_v＝(V_v+0.5V_dc)/V_dc

D_w＝(V_w+0.5V_dc)/V_dc。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。