CN105179289B - 一种变速风机系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变速风机系统的控制方法，包括永磁电机和由永磁电机驱动的风轮，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机运行参数和工作条件来计算并判断变频器是否处于饱和状态；若变频器处于不饱和状态，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；若变频器处于饱和状态，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。它在同样的额定转速和力矩下，减少电机的耗材小，成本低，控制优化且能耗小。

Description

一种变速风机系统的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变速风机系统的控制方法。
背景技术：
变速风机广泛地用于美国市场上的HAVC(暖通空调)，风机叶轮通过变速永磁电机来转动，而永磁电机是由电子控制系统(即电机控制器)来驱动的。图1是目前的变速风机系统的方框图，包括暖通空调产品控制器、电机控制器、永磁电机和风机。输入指令由暖通空调产品控制器给出，此控制通常是高级别产品控制板，处理整个产品的运行，输入指令包括电机运转模式，例如恒定的力矩模式、或恒速模式，或恒风量控制模式。
电机控制器有一个微处理器，接收输入指令，如何运行电机，或是以力矩控制模式或是以速度控制模式，其至是其他先进的流量控制方式。电机控制器还包括硬件变频器和其他的传感电路。变频器生成基于对策的PWM(脉宽调制)波形，给定子的三相绕组加电。微处理器还通过传感电路测量电机工作电流和电压并接收反馈信息，从而发出准确的控制指令控制电机运行。
目前的变速风机都采用磁瓦表贴式转子，图2是典型的风机负载应用的力矩对速度的特性曲线，当风机转速增大时，所需要的力矩始终增加。因此，在最高转速时，就达到最大负载力矩，图2中在最大转速S1处工作点W1具有最大力矩T1。对于一个表面安装永磁体的电机来讲，工作点W1是电机处于变频器饱和的临界点，在W1点最高转速处传送最大力矩，在此处供给满电压。
一般的电机厂在设计电机时，设计人员根据要求的额定力矩和转速来设计电机，正如图2的曲线的状态，很少考虑通过优化控制策略扩展电机的最高转速和最大力矩，而且多数都带有位置传感器，导致耗费材料多，产品成本偏高，能耗也高。
美国专利US6885970公开了一种永磁同步电机的凸极转子位置估算器和方法，采用无传感器的矢量控制方式，但没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述。
美国专利US7245104(B2)公开了无位置传感器的电机控制器，采用无传感器的矢量控制方式，主要针对电流矢量来进行控制，但没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述。
美国专利US6137258公开了无位置传感器的感应电机矢量控制器，采用无传感器的矢量控制方式，主要针对感应电机进行控制，但没有披露利用永磁凸极转子控制降低产品成本的描述。
美国专利US7525269公开了无位置传感器的3相同步电机电机矢量控制器，只公开了电流力矩控制模式，没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述，也没有披露力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块根据电机运行状况进行切换，来提高效率，降低成本。
美国专利US7898197公开了无位置传感器的同步电机电机矢量控制器，没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述，也没有披露力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块根据电机运行状况进行切换，来提高效率，降低成本。
美国专利US7816876公开了无位置传感器的同步电机电机矢量控制器，没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述，也没有披露力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块根据电机运行状况进行切换，来提高效率，降低成本。
美国专利US7511448公开了无位置传感器的同步电机电机矢量控制器，解决实时检测参数问题，没有披露利用凸极转子的凸极性和高磁密结合控制策略来达到提高力矩密度降低产品成本的描述，也没有披露力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块根据电机运行状况进行切换，来提高效率，降低成本。
发明内容：
本发明的目的是提供一种变速风机系统的控制方法，可以扩充力矩及转速容量，换个角度来讲可以降低电机耗材小，成本低，控制优化且能耗小。
本发明的目的是通过以下的技术方案予以实现的。
1、一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：凸极永磁电机的输出力矩Ttorque取决由永磁场和电流Iq产生力矩与磁阻力矩(Ld–Lq)·Id·Iq之和，微处理器里面算法控制程序利用磁阻力矩(Ld–Lq)·Id·Iq的贡献来提高输出力矩Ttorque，微处理器在弱磁控制下，利用提升力矩控制可以实现输出力矩Ttorque扩大，永磁电机工作点可从变频器饱和的临界点W1推进到W2，输出力矩Ttorque相当于从T1上升到T2，运行转速S从S1上升到S2，其中T1和S1是变频器饱和的临界点W1对应的力矩和转速，T2和S2是提升后的变频器饱和的临界点W2对应的力矩和转速，其中其中Ld是d轴电感，Lq是q轴电感,Id是d轴电流,Iq是q轴电流。
一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)将变频器饱和的临界速度S1输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的实际运行速度S是否大于临界速度S1；
3)若电机的实际运行速度S是不大于临界速度S1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若电机的实际运行速度S是大于临界速度S1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
上述所述的变频器饱和的临界速度S1并是通过实测手段检测出来
一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)将变频器饱和的临界力矩T1输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的要求力矩T是否大于临界力矩T1；
3)若要求力矩T不大于临界力矩T1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若要求力矩T大于临界力矩T1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
上述所述的变频器饱和的临界力矩T1是通过实测手段检测出来。
一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，微处理器设置力矩电流控制模块、直接定子磁通矢量控制模块和定子磁通观测器，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)读取需求力矩；
步骤2)定子磁通观测器输出定子磁通、磁通角和负载角；
步骤3)基于MTPA工作模式下计算参考磁通，所述的MTPA工作模式是按每安培最大力矩输出的工作模式；
步骤4)基于MTPV工作模式下计算限制磁通，所述的MTPV工作模式按每伏特最大力矩输出的工作模式；
步骤5)限制磁通是否大于参考磁通；
步骤6)若限制磁通大于参考磁通，变频器未饱和,根据力矩需求计算电压Vq,在MTPA工作模式下计算电压Vd；若限制磁通不大于参考磁通，根据力矩需求计算电压Vq,在MTPV工作模式下计算电压Vd；
步骤7)将电压Vd、Vq转换成静止坐标下的电压Vα、Vβ，再将静止坐标下的电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc，利用三相电压Va、Vb、Vc进行PWM调制。
一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机运行参数和工作条件来计算并判断变频器是否处于饱和状态；若变频器处于不饱和状态，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；若变频器处于饱和状态，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
上述所述的力矩电流控制模块是按最大力矩每安培的MTPA工作模式运行。
上述所述的直接定子磁通矢量控制模块是按每伏特最大力矩的MTPV工作模式运行。
上述所述的微处理器还设置定子磁通观测器，定子磁通观测器将估算的磁通、磁通角和负载角输入到直接定子磁通矢量控制模块。
本发明的变速风机系统的控制方法，其有益效果如下：1)电机控制器的微处理器检测电机运行参数和工作条件来计算并判断变频器是否处于饱和状态；若变频器处于不饱和状态，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；若变频器处于饱和状态，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行；实现优化的控制策略，可以扩充力矩及转速容量，换个角度来讲可以降低电机耗材小，成本低，控制优化且能耗小；2)力矩电流控制模块是按每安培最大力矩的MTPA工作模式运行，直接定子磁通矢量控制模块是按每伏特最大力矩的MTPV工作模式运行，进一步降低能耗，优化控制。
附图说明：
图1是变速风机系统的方框图。
图2是传统的变速风机系统的力矩-转速曲线图。
图3是本发明风机系统采用的永磁电机的示意图；。
图4是本发明风机系统采用的电机控制器的方框图；
图5是本发明风机系统采用永磁电机凸极内转子的结构图；
图6是本发明风机系统的力矩-转速曲线图；
图7是本发明风机系统的电机控制器的微处理器的控制流程图；
图8a本发明风机系统的一部分控制流程图；
图8b本发明风机系统的另一部分控制流程图；
图9是直接定子磁通矢量控制的坐标系图；
图10是直接力矩输入的直接定子磁通矢量控制的方框图；
图11是速度输入的直接定子磁通矢量控制的方框图；
图12是图10中直接磁通矢量控制方块的展开图；
图13是图10中定子磁通观测器的的展开图；
图14是直接定子磁通矢量控制参考磁通的产生流程图；
图15是直接定子磁通矢量控制最大q轴电流的产生流程图；
图16是本发明的控制方法的矢量控制参考图；
图17是本发明风机系统采用永磁电机凸极内转子的尺寸标注示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：本发明的一种变速风机系统，包括永磁电机和由永磁电机驱动的风轮，所述的永磁电机的结构如图3、图4、图5所示，它包括定子组件、转子组件2和电机控制器，定子组件包括定子铁芯1和线圈绕组，定子铁芯1设置齿12和槽11，线圈绕组绕在齿12上，转子组件是凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流,DC总线电流及相电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，所述的凸极转子的凸极性Lq/Ld的范围1.3—1.7，凸极转子表面气隙磁密的范围在0.6特斯拉—0.8特斯拉，处理器通过驱动电路输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接。
所述的凸极内转子2包括转子铁芯21和永磁体22，转子铁芯21包括设置有中心轴孔的环形圈210和从环形圈210外侧凸出的若干块导磁块211,在相邻两导磁块211之间形成用于安装永磁体22的径向凹槽212，在径向凹槽212的开口部的两侧导磁块211上凸出挡钩213，导磁块211的外侧面214的截面形状是圆弧线，外侧面214是以偏移中心轴孔的中心o一定距离H的点A为圆心。如图17所示，外围虚线6代表定子内壁，内围虚线7代表转子铁芯21的外边缘，外围虚线6与内围虚线7之间径向形成间隙，我们称为气隙L1,永磁体22也可以称为磁钢，磁钢厚度用H标示，气隙L1与磁钢厚度H的比值0.03-0.065可使所述的凸极转子的凸极性Lq/Ld的范围1.3—1.7，转子铁芯21的极弧长度L2与磁钢长度L3的比值0.8-1.0,依靠两片永磁铁相同极性的那一面通过铁芯形成聚磁效果,可使凸极转子表面气隙磁密的范围在0.6-0.8特斯拉，改进电机力矩密度，而且通过利用凸极结构提高磁通密度来降低电机成本，磁钢可以采用铁氧体取代原来的钕铁錋，进一步减低成本，转子的磁极数为8极或者10极或者12极。
对于凸极永磁电机来说，可以用来改进电机力矩密度，也可以通过利用凸极来降低电机成本，或是利用专项控制对策来降低磁阻力矩。
1)采用凸极永磁电机转子结构，通过利用凸极电机的凸极性，气隙与磁钢厚度的比值范围为0.03-0.065；可使所述的凸极转子的凸极性Lq/Ld的范围1.3—1.7，极弧长度与磁钢长度的比值范围为0.8-1.0，依靠两片永磁铁相同极性的那一面通过铁芯形成聚磁效果,可使凸极转子表面气隙磁密的范围在0.6-0.8特斯拉，改进电机力矩密度，而且通过利用凸极结构提高磁通密度来降低电机成本，磁钢可以采用铁氧体取代原来的钕铁錋，进一步减低成本；2)另外利用专项控制对策使输出力矩可利用磁阻力矩的贡献来提高，在弱磁控制下，利用提升力矩控制策略可以实现力矩及转速容量，电机工作点可从点W1推进到W2，相当于从输出力矩T从T1提升到T2，转速S右S1提升到T2，提升电机性能，换个角度来说，节省电机的耗材，可以降低电机的成本，降低能耗。3)采用无转子位置传感器控制，可以进一步降低产品成本。
凸极永磁电机的输出力矩取决Kf·Iq与(Ld–Lq)·Id·Iq之和，这个方程式，我们可以断定力矩具有两部分，第一部分是力矩，由永磁场和电流Iq产生；第二部分是由磁阻力矩产生，这是由凸极电感和两个电流Iq和Id产生。
Ttorque＝Kf·Iq+(Ld–Lq)·Id·Iq
如图6所示，本发明风机系统的内置永磁电机力矩对转速的特性曲线，传统的控制策略是以基本转速S1工作点W1而设计的，达到基本转速S1变频器处于饱和状态，不能提供任何更多电流来产出更大的力矩。但因为这种电机是一台内置永磁电机，由于转子是凸极的，输出力矩可利用磁阻力矩的贡献来提高，微处理器在磁通弱化控制下，利用提升力矩控制可以实现输出力矩Ttorque扩大，永磁电机工作点可从点W1推进到W2，输出力矩Ttorque相当于从T1上升到T2，运行转速S从S1上升到S2。
变速风机系统采用凸极永磁电机来说，改进了电机力矩密度，而且通过利用凸极性来降低电机成本，另外利用专项控制对策使输出力矩可利用磁阻力矩的贡献来提高，在弱磁控制下，利用提升力矩控制策略可以实现力矩及转速容量，电机工作点可从点W1推进到W2，相当于从输出力矩T从T1提升到T2，转速S右S1提升到T2，提升电机性能，换个角度来说，节省电机的耗材，可以降低电机的成本，降低能耗，采用无转子位置传感器控制，可以进一步降低产品成本。
实施例二：如图4、图7所示，一种变速风机系统的控制方法，所述的风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，电机的气隙与磁钢厚度的比值范围为0.03-0.065，极弧长度与磁钢长度的比值范围为0.8-1.0，转子的磁极数为8极或者10极或者12极；
所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机运行参数和工作条件来计算并判断变频器是否处于饱和状态；
若变频器处于不饱和状态，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
若变频器处于饱和状态，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
所述的力矩电流控制模块是按每安培最大力矩的MTPA工作模式运行。
所述的直接定子磁通矢量控制模块是按每伏特最大力矩的MTPV工作模式运行。
所述的微处理器还设置定子磁通观测器，定子磁通观测器将估算的磁通、磁通角和负载角输入到直接定子磁通矢量控制模块。
实施例三：如图6、图7所示，一种变速风机系统的控制方法，所述的风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，电机的气隙与磁钢厚度的比值范围为0.03-0.065，极弧长度与磁钢长度的比值范围为0.8-1.0，转子的磁极数为8极或者10极或者12极，该方法包括如下步骤：
1)通过实验手段，检测变频器饱和的临界速度S1，并输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的实际运行速度S是否大于临界速度S1；
3)若电机的实际运行速度S是不大于临界速度S1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若电机的实际运行速度S是大于临界速度S1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
实施例四：如图6、图7所示，一种变速风机系统的控制方法，所述的风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，电机的气隙与磁钢厚度的比值范围为0.03-0.065，极弧长度与磁钢长度的比值范围为0.8-1.0，转子的磁极数为8极或者10极或者12极，该方法包括如下步骤：
1)通过实验手段，检测变频器饱和的临界力矩T1，并输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的要求力矩T是否大于临界力矩T1；
3)若要求力矩T不大于临界力矩T1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若要求力矩T大于临界力矩T1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
实施例五：如图8a、图8b所示,一种变速风机系统的控制方法，所述的风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，电机的气隙与磁钢厚度的比值范围为0.03-0.065，极弧长度与磁钢长度的比值范围为0.8-1.0，转子的磁极数为8极或者10极或者12极,微处理器设置力矩电流控制模块、直接定子磁通矢量控制模块和定子磁通观测器，该方法包括如下步骤：
步骤1)读取需求力矩；
步骤2)定子磁通观测器输出定子磁通、磁通角和负载角；
步骤3)基于MTPA工作模式下计算参考磁通，所述的MTPA工作模式是按每安培最大力矩输出的工作模式；
步骤4)基于MTPV工作模式下计算限制磁通，所述的MTPV工作模式按每伏特最大力矩输出的工作模式；
步骤5)限制磁通是否大于参考磁通；
步骤6)若限制磁通大于参考磁通，变频器未饱和,根据力矩需求计算电压Vq,在MTPA工作模式下计算电压Vd；若限制磁通不大于参考磁通，根据力矩需求计算电压Vq,在MTPV工作模式下计算电压Vd；
步骤7)将电压Vd、Vq转换成静止坐标下的电压Vα、Vβ，再将静止坐标下的电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc，利用三相电压Va、Vb、Vc进行PWM调制。
下面对力矩电流控制模块、直接定子磁通矢量控制模块、MTPA工作模式和MTPV工作模式作详细说明：
1)力矩电流控制模块是风机系统里面的永磁电机常用的控制方式，主要是根据外部要求的风速或者力矩指令，转化成需求的力矩，将力矩换算成电机的实际工作电流，闭环控制电机在实际工作电流下工作；这种方式是变频器没有达到饱和的状态下，控制是非常有效的；
2)MTPA工作模式是对永磁同步电机的矢量控制过程中，为了达到最优控制，一般要求最小的电流达到最大的输出力矩，它使永磁同步电机的输出同样力矩时电流最小。这种方式在变频器没有达到饱和的状态下，控制是非常有效，若变频器达到饱和，这种MTPA控制方式就不在适用。MTPA在一些教科书和专利文献和论文中都有叙述，可以网上参考廖勇发表的论文《车用永磁同步电机的改进MTPA控制策略研究》。
直接定子磁通矢量控制模块的控制如下：如图9所示，图9定义了永磁同步电机矢量的参考坐标，静止坐标α,β,转子坐标d,q，定子磁通坐标ds,qs
在静止坐标α,β下内置永磁电机的电压与力矩的关系如下：e:
Rs是定子电阻，p是磁极对数.
电机的控制模式将通过磁通耦合电流，因此，转化为电磁磁通控制，对于内置永磁电机通常在转子坐标d,q来表达数学式：
λm是磁链
如果是磁通未饱和状态，上述公式可以简化为：
Ld是电机d轴电感，Lq是电机q轴电感.
如果转子位置是θ,然后磁域在静止坐标α,β下，该公式表示为
在定子磁通坐标ds,qs，电压模型和力矩关系如下：
Te＝(3/2)·p·λ·iqs＝kT·iqs (7)
ω转子速度，δ是负载角
从公式6知道,我们得到定子磁通矢量λ，d轴电压被直接修正，而负载角和力矩能被q轴电压控制公式7控制qs轴电流直接控制力矩。
如图10所示，它力矩控制模式磁通控制控制组合模块图，包括直接磁通矢量控制DFVC、定子磁通观测器和死区时间补偿模块。经由力矩增益导入力矩指令，作为要求的力矩基准而重新调节。
如图11所示，它速度控制模式磁通控制组合的模块图包括直接磁通矢量控制DFVC、定子磁通观测器和死区时间补偿模块。速度指令用作比例积分(PI)控制器的基准，然后，速度环控制器生成力矩指令。
图12是整个直接磁通矢量控制DFVC方案的模块图，方案在定子磁通基准构架中实施，从磁通观测器传感的反馈信息和输出量输送给这个直接磁通矢量控制DFVC控制策略，力矩指令是作为控制参照变量，在方案内有两个控制环路，定子磁通环路和q-轴电流环路，比例积分控制器用于这两个控制环路，这个直接磁通矢量控制DFVC方案的优点是，当调节磁通和电流时，变频器电压、电流限制和负载角限制予以相关考虑。
图13是定子磁通观测器的模块图，观测器是关键实体，提供定子磁通值、定子磁通位置和负载角，来自这个定子磁通观测器的输出量是对直接磁通矢量控制DFVC的输入量。自然，定子磁通观测器是两个不同模型的混杂体，基于变频器是否饱和以两种不同的情形适当地处理，在低速时，以电流模式运行，即根据输入力矩只控制电流，便完成控制，也就是上面提到的力矩电流控制模块；另一方面，在高速时以电压模式工作，只控制电压，也就是上面提到的直接定子磁通矢量控制模块，交叉角频率在低速与高速模式之间转换模式状态，可用观测器增益(rad/s拉德/秒)来定义。
图14是磁通基准生成的模块图，图示说明低速MTPA控制和提升力矩的弱磁控制，基准磁通生成模块基于变频器饱和状态或速度范围提供基准磁通，如图6所示，在基本转速W1之下时，基准磁通由如下最佳控制方式给出，命名为最大力矩每安培MTPA方式。这种MTPA的生成使用指令力矩作为输入，对于大多数内置永磁电机来说，这种MTPA方式是非线性曲线，进行特性测试可以得到此曲线，或有限元分析模拟这种曲线。然后，查表法较为有效地实施。当转速上升时，电机的反电动势增大，变频器开始饱和，这就使得电压限制条件有效，同时MTPA条件不再有效。最高电压取决于PWM脉宽调制策略以及瞬时DC链路电压，电压限制运行通过限制定子磁通基准值而得以实现，此基准值来自弱磁限制模块。按照这种方法，弱磁控制与MTPA控制之间转换自动执行，这基于实际的有效的最高DC总线电压和所需要的q-轴电流，如图10所示，电压限制作用犹如对磁通和电流控制器输出。
电压限制根据如下公式：
Vsmax依靠the PWM策略和即时的最高DC总线电压Vdc.从公式8知道电压约束的的操作是使定子磁通被约束
如图15所示，图15是最大q-轴电流生成的模块图，图示说明在提升力矩控制的MTPV---最大力矩每伏特-控制策略中，电流和负载角的限制。为了传送所要求的力矩，q-轴电流从图10中的力矩/电流生成模块计算出来，然而，这一q-轴电流为最大变频器电流所限制。电流限制器对于q-轴所要求电流的正负值是双向的。
q-轴电流被约束被最大的变频器电流，qs轴最大参考电流被定义：
ids是ds-轴定子电流在高速时力矩提高控制中，最佳控制策略是使可供利用的相电压的有效性最大化，导致最小电流，为了实施这项策略，电机运行或是开启或是关闭最大负载角条件，称之为最大力矩每伏特MTPV运行，这一最大负载角通过利用负载角分析过程可以得到，包括模拟和加速实施评估测试。这一最大负载角的确立如同负载角限制那样，确保电机稳定性。如图15所示，负载角限制是利用PI比例积分控制器来执行的，降低最大许可电流。
如图16所示，在低速范围,电机控制操作在MTPA工作模式下,标示为曲线段(0,W1)，电流矢量ISW1,随着速度增加，变频器饱和,电机工作在MTPV模式的曲线,即线段(W1,W2),电流矢量ISW2达到最大力矩和转速,控制非常高效和节约电能。电流矢量IWN是点W1到点W2的电流过度矢量，从图中可以看过，路径是非常短的，是高效的，节约过渡阶段的能量损耗。
图9至图16大部分内容都是在一些教科书上查找到相应资料，在此不在叙述。

Claims (10)

1.一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：凸极永磁电机的输出力矩Ttorque取决由永磁场和电流Iq产生力矩与磁阻力矩(Ld–Lq)·Id·Iq之和，微处理器里面算法控制程序利用磁阻力矩(Ld–Lq)·Id·Iq的贡献来提高输出力矩Ttorque，微处理器在弱磁控制下，利用提升力矩控制可以实现输出力矩Ttorque扩大，永磁电机工作点可从变频器饱和的临界点W1推进到W2，输出力矩Ttorque相当于从T1上升到T2，运行转速S从S1上升到S2，其中T1和S1是变频器饱和的临界点W1对应的力矩和转速，T2和S2是提升后的变频器饱和的临界点W2对应的力矩和转速，其中其中Ld是d轴电感，Lq是q轴电感,Id是d轴电流,Iq是q轴电流。
2.一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)将变频器饱和的临界速度S1输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的实际运行速度S是否大于临界速度S1；
3)若电机的实际运行速度S是不大于临界速度S1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若电机的实际运行速度S是大于临界速度S1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
3.根据权利要求2所述的一种变速风机系统的控制方法，其特征在于：变频器饱和的临界速度S1是通过实测手段检测出来。
4.一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1)将变频器饱和的临界力矩T1输入到微处理器；
2)所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机的要求力矩T是否大于临界力矩T1；
3)若要求力矩T不大于临界力矩T1，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；
4)若要求力矩T大于临界力矩T1，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
5.根据权利要求4所述的一种变速风机系统的控制方法，其特征在于：变频器饱和的临界力矩T1是通过实测手段检测出来。
6.一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，微处理器设置力矩电流控制模块、直接定子磁通矢量控制模块和定子磁通观测器，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)读取需求力矩；
步骤2)定子磁通观测器输出定子磁通、磁通角和负载角；
步骤3)基于MTPA工作模式下计算参考磁通，所述的MTPA工作模式是按每安培最大力矩输出的工作模式；
步骤4)基于MTPV工作模式下计算限制磁通，所述的MTPV工作模式按每伏特最大力矩输出的工作模式；
步骤5)限制磁通是否大于参考磁通；
步骤6)若限制磁通大于参考磁通，变频器未饱和,根据力矩需求计算电压Vq,在MTPA工作模式下计算电压Vd；若限制磁通不大于参考磁通，根据力矩需求计算电压Vq,在MTPV工作模式下计算电压Vd；
步骤7)将电压Vd、Vq转换成静止坐标下的电压Vα、Vβ，再将静止坐标下的电压Vα、Vβ变换成三相电压Va、Vb、Vc，利用三相电压Va、Vb、Vc进行PWM调制。
7.一种变速风机系统的控制方法，风机系统包括永磁电机和由永磁电机驱动的风机，所述的永磁电机包括定子组件、转子组件和电机控制器，转子组件是在转子铁芯内嵌入磁钢的凸极内转子，电机控制器采用无位置传感器的矢量控制方式，电机控制器包括微处理器、变频器和检测单元，检测单元将相电流、相电压及DC总线电压输入到微处理器，微处理器输出信号控制变频器，变频器与定子组件的绕组连接，其特征在于：所述的微处理器设置有力矩电流控制模块和直接定子磁通矢量控制模块，微处理器检测电机运行参数和工作条件来计算并判断变频器是否处于饱和状态；若变频器处于不饱和状态，则利用力矩电流控制模块控制电机运行；若变频器处于饱和状态，则利用直接定子磁通矢量控制模块控制电机运行。
8.根据权利要求7所述的一种变速风机系统的控制方法，其特征在于：所述的力矩电流控制模块是按最大力矩每安培的MTPA工作模式运行。
9.根据权利要求7所述的一种变速风机系统的控制方法，其特征在于：直接定子磁通矢量控制模块是按每伏特最大力矩的MTPV工作模式运行。
10.根据权利要求7或8或9所述的一种变速风机系统的控制方法，其特征在于：微处理器还设置定子磁通观测器，定子磁通观测器将估算的磁通、磁通角和负载角输入到直接定子磁通矢量控制模块。
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