一种永磁同步电机带速度重新投入的控制方法及控制装置

摘要

本发明公开了一种永磁同步电机带速度重新投入的控制方法及控制装置，该方法包括：当检测到所述电网母线有电压时，向逆变器控制端输入第一控制信号使逆变器交流端输出为补偿电压值相等的第一电压，补偿电压根据永磁同步电机电气端电流和永磁同步电机反电势获得；向逆变器控制端输入第二控制信号使逆变器交流端输出与工作电压值相等的第二电压，工作电压根据预设定子绕组电流获得；向逆变器控制端输入闭环控制信号使逆变器进入闭环控制。该方法通过在重新投入时刻补偿电压，消除重投时的冲击电流。本方法在不影响永磁同步电机正常工作的情况下，不添加其他附加硬件，通过软件算法的方式消除冲击电流，电机系统的安全性能和稳定性显著提升。

说明书

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机带速度重新投入的控制方法及控制装置。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构简单、体积小、效率高、转矩大等特点。永磁同步电机传动系统是以PMSM为对象，通过控制器和变频器控制永磁同步电机的传动系统。永磁同步电机传动系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速及控制，因此广泛应用在各调速领域。

在牵引电机应用领域，由于供电线路及区域等因素，轨道交通线路上常出现长短不等的无电区。

参见图1，该图为本专利应用的轨道交通牵引电机传动系统示意图。轨道交通牵引电机传动系统主要包括：控制器001、逆变器002、无电检测单元003、永磁同步电机004以及直流母线005。其中控制器001通过各传感器从永磁同步电机得到转速电流等实时数据，并结合无电检测单元003的指令信号发出脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号给逆变器002，控制器001发出的PWM信号控制逆变器002内的开关器件动作，使逆变器002输出电压供给永磁同步电机004。其中无电检测单元003用于检测当前电网直流母线005上是否有电，发出脉冲封锁信号以控制逆变器002得所有开关器件关断。如果母线电压有电时，则逆变器002正常工作，进入闭环控制；如果母线不带电，则强制关断逆变器002的所有开关管。

区别于其他交流电机，永磁同步电机004采用永磁体励磁，只要旋转就有反电势作用在电机端。其反电势计算公式可简化为E＝ω_eψ。其中ω_e为电机转子电角速度，ψ为永磁体磁链。从公式中可以看出，永磁体磁链大小固定的情况下，反电势随着转速升高而增大，还可能出现速度增大使反电势高于母线电压的情况。

带速度重新投入是指列车在带速运行过程中，无电检测单元003解除脉冲封锁使逆变器002重新投入，即逆变器002输出电压给永磁同步电机004。此时如果列车正处于无电区间，则电机端电压表现为反电势，所以永磁同步电机004的三相电流为零或通过逆变器002中的不可控整流部分整流到直流侧。则当列车再次进入有电区间，控制器001中的比例积分调节器(PI Controller)输入将变为一个阶跃信号，所以PI将在原有输出上再叠加一个很大的分量，输出一个极大的指令电压值，导致在逆变器002与电机004之间形成大的电压差，引起冲击电流。

冲击电流会带来转矩冲击，可能导致机械故障；还会产生大量热量，降低开关管可靠性，甚至烧坏定子绕组或开关管。为消除永磁同步电机带速重投瞬间引起的冲击电流，本发明提出一种新的控制算法，使永磁同步电机安全带速投入。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种永磁同步电机带速度重新投入的控制方法及控制装置，旨在解决现有控制方法由于PI控制器饱和而失控导致在逆变器与永磁同步电机上形成大电压差进而对永磁同步电机和逆变器引入冲击电流的技术问题。

为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供一种永磁同步电机带速度重新投入的控制方法，逆变器的交流端与永磁同步电机的电气端连接，逆变器的直流端与电网母线连接，包括以下步骤：

S001当检测到电网母线有电压时，通过第一控制信号控制逆变器交流端输出与补偿电压的值相等的第一电压；

S002通过第二控制信号控制逆变器交流端输出与工作电压的值相等的第二电压；

S003通过闭环控制信号控制逆变器实现闭环控制；

补偿电压根据永磁同步电机电气端电流和永磁同步电机反电势获得，工作电压根据预设定子绕组电流获得。

优选地，步骤S001中当永磁同步电机电气端无电流时，根据公式U_qc＝ω_eψ获得所述补偿电压的q轴分量，所述补偿电压的d轴分量为零；其中，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度。

优选地，步骤S001中当永磁同步电机电气端有电流时，根据公式U_dc＝i_d·R-ω_eL_qi_q获得补偿电压的d轴分量，U_qc＝i_q·R+ω_eL_di_d+ω_eψ获得补偿电压的q轴分量；其中，i_d为绕组电流d轴分量，i_q为绕组电流q轴分量，R为绕组电阻，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，L_d为绕组电感d轴分量、L_q绕组电感q轴分量。

优选地，步骤S002中第二控制信号使逆变器交流端输出电压以斜坡增长方式变换至工作电压。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种永磁同步电机带速度重新投入的控制装置，包括：

补偿电压计算单元，用于根据永磁同步电机电气端电流信号和永磁同步电机反电势输出第一控制信号；

工作电压计算单元，用于根据预设定子绕组电流输出第二控制信号；

PI控制器，用于根据预设定子绕组电流和绕组实时工作电流输出闭环控制信号；以及

逻辑选择单元，其第一输入端与补偿电压计算单元输出端连接，其第二输入端与工作电压计算单元输出端连接，其第三输入端与PI控制器输出端连接，其控制端用于接收母线电压信号，用于根据母线电压信号确定闭环控制信号、第一控制信号以及第二控制信号输入至逆变器控制端的顺序；

当母线电压信号为脉冲封锁信号向有电信号切换后，逆变器控制端接收到信号的顺序为第一控制信号、第二控制信号和闭环控制信号。

优选地，当永磁同步电机电气端无电流时，补偿电压计算模块输出第一控制信号使逆变器交流侧输出电压为U_qc＝ω_eψ；其中，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度。

优选地，当永磁同步电机电气端有电流时，补偿电压计算模块输出第一控制信号使逆变器交流侧输出电压的d轴分量为U_dc＝i_d·R-ω_eL_qi_q，输出电压的q轴分量为U_qc＝i_q·R+ω_eL_di_d+ω_eψ；其中，i_d为发电状态绕组电流d轴分量，i_q为发电状态绕组电流q轴分量，R为绕组电阻，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，L_d为绕组电感d轴分量、L_q绕组电感q轴分量。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够获得如下有益效果：

1、当母线电压由无电状态切换至有电状态时，让逆变器控制端先接收第一控制信号，使逆变器交流端输出电压为补偿电压，逆变器交流端与电机电气端之间电压差为零，消除永磁同步电机反电势引入的冲击电流，然后由第一控制信号变化至第二控制信号，使逆变器交流端输出电压由补偿电压增加至工作电压，使永磁同步电机电气端电流逐渐上升，减少电流冲击，当变流器交流端电压增加至工作电压后进入闭环控制状态。通过阶梯式改变逆变器交流端输出电压，减少了永磁同步电机带速度重新投入过程中电流上升速率，有效消除或减小永磁同步电机带速度重新投入瞬间的冲击电流，使整个过程安全平稳；

2、让逆变器交流端输出电压以斜坡增长方式从补偿电压增加至工作电压，能够减少电压变化过程冲引入的冲击电流，有效消除或减小永磁同步电机带速度重新投入瞬间的冲击电流，使整个过程安全平稳。

附图说明

图1是现有技术中永磁同步电机控制系统示意图；

图2是本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制方法流程图；

图3是本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制方法实施例流程图；

图4是本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制装置的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

001表示控制器；002表示逆变器；003表示无电检测单元；004表示永磁同步电机；005表示直流母线；006表示补偿电压计算单元；007表示PI控制器；008表示逻辑选择单元，009表示工作电压计算单元；S001-S008表示流程图的各个步骤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2为本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制方法流程图，逆变器的交流端与永磁同步电机的电气端连接，逆变器的直流端与电网母线连接，控制方法包括以下步骤：

S001当检测到电网母线有电压时，通过第一控制信号控制逆变器交流端输出与补偿电压的值相等的第一电压；补偿电压根据永磁同步电机电气端电流和永磁同步电机反电势获得。

S002通过第二控制信号控制逆变器交流端输出与工作电压的值相等的第二电压；工作电压根据预设定子绕组电流获得，预设定子绕组电流根据实际需要确定。

S003通过闭环控制信号控制逆变器实现闭环控制。

当母线电压由无电状态切换至有电状态时，让逆变器控制端先接收第一控制信号，使逆变器交流端输出电压为补偿电压，逆变器交流端与电机电气端之间电压差为零，消除永磁同步电机反电势引入的冲击电流，然后由第一控制信号变化至第二控制信号，使逆变器交流端输出电压由补偿电压增加至工作电压，使永磁同步电机电气端电流逐渐上升，减少电流冲击当变流器交流端电压增加至工作电压后进入闭环控制状态。通过阶梯式改变逆变器交流端输出电压，减少了永磁同步电机带速度重新投入过程中电流上升速率，有效消除或减小永磁同步电机带速度重新投入瞬间的冲击电流，使整个过程安全平稳；

图3是本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制方法实施例流程图；控制方法实施例包括如下步骤：

S001无电检测单元003检测母线电压，若母线电压为零，则输出脉冲封锁信号，否则，输出有电信号。

判断无电检测单元003是否发出脉冲封锁信号；如果判定没有发出脉冲封锁信号，则输出闭环控制信号控制逆变器输出工作电压。

S002如果判定发出了脉冲封锁信号，则检测永磁同步电机电气端电流，如果永磁同步电机电气端无电流，跳转至S003。如果永磁同步电机电气端有电流，即永磁同步电机处于发电状态，跳转至S004。

S003补偿电压的q轴分量为U_qc＝E＝ω_eψ，补偿电压的d轴分量为零；其中，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，并跳转至S005。

S004补偿电压的d轴分量为U_dc＝i_d·R-ωL_qi_q，补偿电压的q轴分量为U_qc＝i_q·R+ωL_di_d+ω_eψ。其中，i_d为发电状态绕组电流d轴分量，i_q为发电状态绕组电流q轴分量，R为绕组电阻，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，L_d为绕组电感d轴分量、L_q绕组电感q轴分量，并跳转至S005。

S005当无电检测单元003解除脉冲封锁信号后，控制器001输出第一控制信号使逆变器交流端输出与补偿电压值相等的第一电压，逆变器交流端电压与永磁同步电机电气端电压相等，消除投入瞬间的冲击电流；消除冲击电流后，输出第二控制信号使逆变器交流端输出与工作电压值相等的第二电压。

根据如下公式获得工作电压

其中，为预设定子绕组电流的d轴分量，为工作电压的d轴分量，为预设定子绕组电流的q轴分量，为工作电压的q轴分量。

通过斜坡增长的方式使逆变器输出电压从补偿电压值过渡到工作电压值，即根据如下公式进行过渡。

Slope是斜坡斜率，U为工作电压、U₀为补偿电压，t_ramp是斜坡作用时间，斜坡作用时间根据实际需要确定。为了保证dq轴电压同时完成斜坡增长，应该控制t_ramp相等。

S007判断逆变器交流端电压达到工作电压，若是则跳转至S008，否则跳转至S006。

S008向逆变器控制端输入闭环控制信号使控制器切入正常工况下的闭环控制算法，实现逆变器交流端电流稳定。

由于实际无电区很短，而牵引系统惯量大，以下过程可认为转速不变。持续检测母线上的电压，如果出现无电情况，立即发出脉冲封锁信号关断逆变器所有开关器件，进入带速重投计算逻辑。检测电机三相电流，旋转坐标变换后得到d/q轴电流，开始计算消除冲击电流需补偿的电压。

继续检测母线上的电压，如果无电，则重复上述计算步骤；如果有电，则将上述计算的d/q轴补偿电压作为逆变器输入，消除冲击电流。接着通过稳态电压方程和预设定子绕组电流计算重投完成后所需要的d/q轴工作电压，将逆变器电压从补偿电压通过斜坡增长的方式逐渐变化至需要的工作电压，当逆变器交流端电压达到工作电压后，最后切入正常工况，完成带速重投。即逆变器交流端电压如下公式：

其中，为实时绕组电流的d轴分量，为实时绕组电流的q轴分量，为实时绕组电压的d轴分量，为实时绕组电压的q轴分量。

图4是本发明提供的永磁同步电机带速度重新投入的控制装置的示意图。该控制装置包括补偿电压计算单元006，工作电压计算单元009，PI控制器007以及逻辑选择单元008。逻辑选择单元008第一输入端与补偿电压计算单元006输出端连接，逻辑选择单元008第二输入端与工作电压计算单元009输出端连接，逻辑选择单元008第三输入端与PI控制器007输出端连接，逻辑选择单元008控制端用于接收母线电压信号。

补偿电压计算单元006根据永磁同步电机电气端电流信号和永磁同步电机反电势输出第一控制信号。当永磁同步电机电气端信号指示永磁同步电机电气端无电流时，补偿电压计算模块006输出第一控制信号使逆变器交流侧输出电压的q轴分量为U_qc＝ω_eψ，补偿电压的d轴分量为零；其中，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度。当永磁同步电机电气端信号指示永磁同步电机电气端有电流时，补偿电压计算模块006输出第一控制信号使逆变器交流侧输出电压的d轴分量为U_dc＝i_d·R-ωL_qi_q，使逆变器交流侧输出电压的q轴分量为U_qc＝i_q·R+ω_eL_di_d+ω_eψ；其中，i_d为发电状态绕组电流d轴分量，i_q为发电状态绕组电流q轴分量，R为绕组电阻，ψ为永磁体磁链，ω_e为转子电角速度，L_d为绕组电感d轴分量、L_q绕组电感q轴分量。

工作电压计算单元009根据预设定子绕组电流I^*输出第二控制信号；预设定子绕组电流I^*根据实际需要确定，工作电压计算模块009输出第二控制信号使逆变器交流侧输出电压的d轴分量为其中，为预设定子绕组电流的d轴分量，为工作电压的d轴分量，使逆变器交流侧输出电压的q轴分量为为预设定子绕组电流的q轴分量，为工作电压的q轴分量。

PI控制器007根据预设定子绕组电流和绕组实时工作电流输出闭环控制信号，以实现绕组电流稳定在预设定子绕组电流。逻辑选择单元008根据母线电压信号确定闭环控制信号、第一控制信号以及第二控制信号输入至逆变器控制端的顺序。

当母线电压信号为脉冲封锁信号向有电信号切换时，逆变器控制端接收到信号的顺序为第一控制信号、第二控制信号和闭环控制信号；第一控制信号和第二控制信号实现逆变器交流端电压由补偿电压向工作电压切换，当切换至工作电压时，逆变器控制端接收闭环控制信号使逆变器进入闭环控制状态，实现逆变器绕组电流的稳定；补偿电压抵消永磁同步电机的反电势，逆变器交流端与永磁同步电机电气端之间电压差为零，减少电压差引入的冲击电流，再使逆变器电压增加至工作电压，逆变器交流端与永磁同步电机电气端之间电压差由零增加至工作电压，使永磁同步电机电气端电流逐渐上升，减少电流冲击。当母线电压信号为有电信号时且逆变器输出电压为工作电压时，逆变器接收信号为闭环控制信号，永磁同步电机正常工作。母线电压信号为无电压信号时，逆变器接收信号为脉冲封锁信号，永磁同步电机进入无电工作状态。

本发明从系统角度提出全新的控制算法，以一个内嵌式永磁同步电机进行了实验，在实际应用中有效地消除了永磁同步电机重新上电时产生的冲击电流，避免冲击电流带来的负面影响，是一种有效的控制方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。