CN106817055B - 轨道交通牵引系统及其的永磁同步电机的控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通牵引系统及其的永磁同步电机的控制方法和装置，所述方法包括以下步骤：获取电机的转速，并对电机的转速进行判断；当转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行；当转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当转速大于等于第二预设转速时，采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行。从而实现永磁同步电机的多模式混合控制。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种轨道交通牵引系统及其的永磁同步电机的控制方法和装置。
背景技术
传统轨道交通领域多采用异步电机作为驱动电机。因永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、功率密度高、启动转矩大以及更好的动态性能等特点，永磁同步电机在轨道交通牵引系统中越来越受到关注。
通常，永磁同步电机的控制广泛采用SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation，正弦脉冲宽度调制)或SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)调制技术，但在轨道交通牵引系统中，供电系统的电压一般比较高，相应的需要选择高压功率模块，由于受限于高压功率模块的开关频率的限制，SPWM或SVPWM调制技术将不再适用于轨道交通用永磁同步电机。
因此，需要对永磁同步电机的控制进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关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用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，能够实现永磁同步电机的多模式混合控制。
本发明的另一个目的在于提出一种用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置。
本发明的又一个目的在于提出一种轨道交通牵引系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：获取电机的转速，并对所述电机的转速进行判断；当所述转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒转矩运行；当所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第二预设转速时，获取所述电机的调制度，并根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation,特殊谐波消除脉冲宽度调制)调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当所述转速大于等于所述第二预设转速时，采用方波控制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒功率运行。
根据本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，当转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行；当转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当转速大于等于第二预设转速时，采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行，从而实现永磁同步电机的多模式混合控制。
根据本发明的一个实施例，所述第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制，包括：根据所述转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，所述多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用所述多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对所述电机进行控制以使所述电机满调制度运行。
根据本发明的一个实施例，所述预设的多个分频段可包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，所述11分频段对应的调制度区间为0～0.72，所述7分频段对应的调制度区间为0～0.74，所述5分频段对应的调制度区间为0～0.85，所述3分频段对应的调制度区间为0～1。
根据本发明的一个实施例，当所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第三预设转速时，获取的分频段为所述11分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.72范围内，则根据所述电机的调制度从所述11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.72～0.74范围内，则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述转速大于等于所述第三预设转速且小于第四预设转速时，获取的分频段为所述7分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.74范围内，则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第四预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述转速大于等于所述第四预设转速且小于第五预设转速时，获取的分频段为所述5分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第五预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述转速大于等于所述第五预设转速且小于所述第二预设转速时，获取的分频段为所述3分频段，其中，根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置，包括：转速获取模块，用于获取电机的转速；判断模块，用于对所述电机的转速进行判断；控制模块，所述控制模块分别与所述转速获取模块和所述判断模块相连，所述控制模块用于当所述判断模块判断所述转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒转矩运行，并当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第二预设转速时，获取所述电机的调制度，并根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制，以及当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第二预设转速时，采用方波控制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒功率运行。
根据本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置，当判断模块判断转速小于第一预设转速时，控制模块采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行；当判断模块判断转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，控制模块获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当判断模块判断转速大于等于第二预设转速时，控制模块采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行，从而实现永磁同步电机的多模式混合控制。
根据本发明的一个实施例，所述第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速。
根据本发明的一个实施例，所述控制模块根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制时，其中，所述控制模块根据所述转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，所述多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；所述控制模块从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用所述多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对所述电机进行控制以使所述电机满调制度运行。
根据本发明的一个实施例，所述预设的多个分频段包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，所述11分频段对应的调制度区间为0～0.72，所述7分频段对应的调制度区间为0～0.74，所述5分频段对应的调制度区间为0～0.85，所述3分频段对应的调制度区间为0～1。
根据本发明的一个实施例，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第三预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述11分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.72范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.72～0.74范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第三预设转速且小于第四预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述7分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.74范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第四预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第四预设转速且小于第五预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述5分频段，其中，如果所述电机的调制度处于0～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第五预设转速小于所述第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第五预设转速且小于所述第二预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述3分频段，其中，所述控制模块根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
此外，本发明的实施例还提出了一种轨道交通牵引系统，其包括上述的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置。
本发明实施例的轨道交通牵引系统，通过上述的永磁同步电机的控制装置，能够实现对系统中永磁同步电机的多模式混合控制，同时兼顾了逆变器的低开关频率的限制和电机直流母线电压的充分有效利用，进而发挥永磁同步电机的高功率密度的优点，从而可以有效提高系统的控制效率和牵引系统的功率密度，减小牵引驱动系统的体积。
附图说明
图1是永磁同步电机的控制电流指令示意图；
图2是根据本发明一个实施例的永磁同步电机的多模式混合调制的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法的流程图；
图4a是根据本发明一个实施例的3分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图；
图4b是根据本发明一个实施例的5分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图；
图4c是根据本发明一个实施例的7分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图；
图4d是根据本发明一个实施例的11分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图；
图5是根据本发明一个实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置的方框图；以及
图6是根据本发明实施例的轨道交通牵引系统的方框示意图。
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轨道交通牵引系统及其的永磁同步电机的控制方法和装置。
在轨道交通牵引系统中，供电系统的电压一般比较高，相应的需要选择高压功率模块，受限于高压功率模块的开关频率的限制，轨道交通用异步电机的控制广泛采用多模式混合调制技术，其中，多模式混合调制技术是指在低频段采用异步SVPWM调制，中频段采用同步SVPWM调制和特殊同步调制，额定频率以上采用方波控制方式。而永磁同步电机的控制广泛采用SPWM或SVPWM调制技术，因此可以看出，在轨道交通领域，SPWM或SVPWM调制技术不再适用于全转速段内永磁同步电机的控制。因此，考虑到将多模式混合调制技术直接应用到永磁同步电机的控制中。
但是，经过理论分析和试验测试发现，多模式混合调制技术无法直接应用于永磁同步电机的控制中，原因在于：永磁同步电机的特性不同于异步电机，异步电机在基速转折点之后一直是极限电压，其端电压特性仅与转速有关，而永磁同步电机由于磁阻转矩的存在，在基速转折点前后，其端电压特性不仅与转速有关，同时与转矩有关，不同于异步电机，从而导致传统的多模式混合调制技术不能直接应用于永磁同步电机的控制中。
因此，在本发明的实施例中，通过对传统的多模式混合调制技术进行改进，以使其能够应用到永磁同步电机的控制中。
具体而言，如图1所示，永磁同步电机因需要充分利用其功率密度，在恒转矩区采用MTPA(Maximum Torque Per Ampere，最大转矩电流比)的控制方式，而随着转速的增大采用弱磁控制方式进入恒功率区。在基速转折点附近，电机控制的调制度不仅随着转速变化，而且随着转矩变化，在某些转速曲线上，随着转矩的增大，端电压将达到极限值，所以不能简单的跟随转速的变化来解决这个问题。
为了充分发挥多模式混合调制技术的优势，本发明采用先分转速后分转矩来解决这个问题。如图2所示，先根据永磁同步电机的转速(频率)范围，将多模式混合调制方式分为异步调制、同步调制、特殊同步调制和方波调制，其中，在特殊同步调制区再根据电机的调制度对电机进行控制。由此，重新分配各个调制模式的适用转速范围，从而将改进型多模式混合调制技术应用到永磁同步电机的控制中。
图3是根据本发明一个实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法的流程图。如图3所示，该用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法可包括以下步骤：
S1，获取电机的转速，并对电机的转速进行判断。
S2，当转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行。
其中，第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速，具体可以根据实际情况进行标定，在本发明的一个实施例中，第一预设转速可以为电机的基速。
具体而言，如图2所示，在对永磁同步电机进行控制时，根据电机的转速(频率)选择相应的调制方式。其中，在永磁同步电机的恒转矩区的MTPA控制方式下的低速段，可以先采用异步SVPWM(SPWM)调制方式对电机进行控制，然后再采用同步SVPWM(SPWM)调制方式对电机进行控制。
S3，当转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制。
其中，第二预设转速可以根据实际情况进行标定，由于在永磁同步电机的基速附近(前后)，永磁同步电机的调制度不仅随着转速变化，而且随着转矩变化，所以第二预设转速一般比较接近于永磁同步电机的基速。
具体而言，在基速附近，可根据转速和调制度采用特殊同步调制对电机进行控制，而特殊同步调制广泛应用离线优化脉宽调制。其中，离线优化脉宽调制是基于某个目标函数(如电流谐波、扭矩脉动、谐波电流有效值、系统损耗等)来确定一个周期内的开关角的分布，以通过较少的开关次数获得较好的输出特性。而SHEPWM调制方式便是其中的一种，通过优化选择开关时刻对特定的谐波进行消除，减小谐波对电机的影响，同时具有较高的电压利用率。
因此，在基速附近，可根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制。
S4，当转速大于等于第二预设转速时，采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行。
具体而言，当转速达到一定值时，永磁同步电机的电压将一直处于电压极限圆上，此时可以自然过渡到方波控制方式，根据方波调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行。
因此，根据本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，首先根据转速确定永磁同步电机的不同调制方式，然后在特殊同步调制区再根据转速和调制度对电机进行控制，从而实现永磁同步电机的多模式混合调制运行，以在高压功率模块的开关频率的限制下，保证永磁同步电机的全转速段的运行，从而将多模式混合调制技术应用到永磁同步电机中。
进一步地，根据本发明的一个实施例，根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，包括：根据转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对电机进行控制以使电机满调制度运行。
其中，预设的多个分频段可包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，11分频段对应的调制度区间为0～0.72，7分频段对应的调制度区间为0～0.74，5分频段对应的调制度区间为0～0.85，3分频段对应的调制度区间为0～1。
具体而言，在采用SHEPWM调制方式对电机进行控制时，由于SHEPWM调制方式中的开关角的计算需要求解超越方程，很难实时计算，因此，通常采用离线方式获得。
例如，通过对永磁同步电机控制系统中的逆变器的输出波形进行傅里叶级数分析，以得到基波和谐波等波形的幅值和角度之间的关系，然后对非线性方程组进行求解，以获得多个分频段所对应的开关角。例如，图4a为3分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图，图4b为5分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图，图4c为7分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图，图4d为11分频段下调制度m与开关角Angle的关系曲线图。
从图4a-图4d可以看出，11分频段对应的调制度区间可以为0～0.72，7分频段对应的调制度区间可以为0～0.74，5分频段对应的调制度区间可以为0～0.85，3分频段对应的调制度区间可以为0～1。然后，将不同分频段对应的调制度区间以及调制度对应的开关角对应存储至芯片中，以在对永磁同步电机进行控制时直接查询获得。
具体而言，当采用增计数实施SHEPWM调制时，可以根据转速从多个分频段中获取相应的分频段，如11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，但在获取的同时，不完全取决于转速，还取决于转矩。例如，在某一转速下，采用11分频段时，为充分利用直流母线电压，需要满调制度运行，而11分频段对应的调制度区间为0～0.72，当调制度大于0.72时，由11分频段过渡到7分频段，再过渡到5分频段，再过渡到3分频段，从而形成了三维角度查表，这样开关角会同时受限于转速和转矩。
进一步地，根据本发明的一个实施例，当转速大于等于第一预设转速且小于第三预设转速时，获取的分频段为11分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.72范围内，则根据电机的调制度从11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.72～0.74范围内，则根据电机的调制度从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第三预设转速小于第二预设转速。
当转速大于等于第三预设转速且小于第四预设转速时，获取的分频段为7分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.74范围内，则根据电机的调制度从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第四预设转速小于第二预设转速。
当转速大于等于第四预设转速且小于第五预设转速时，获取的分频段为5分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.85范围内，则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第五预设转速小于第二预设转速。
当转速大于等于第五预设转速且小于第二预设转速时，获取的分频段为3分频段，其中，根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
具体而言，在电机启动运行过程中，当电机的转速小于第一预设转速时，先采用异步SVPWM调制方式，再采用同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行。
随着转速的不断提高，进入特殊同步调制区。即，当电机的转速大于等于第一预设转速且小于第三预设转速时，当调制度处于0～0.72范围内时，从11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，当调制度处于0.72～0.74范围内时，从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，当调制度处于0.74～0.85范围内时，从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，当调制度处于0.85～1范围内时，从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，根据获取的开关角，并采用SHEPWM调制方式对电机进行控制。随着转速的进一步提高，当当电机的转速大于等于第三预设转速且小于第四预设转速时，当调制度处于0～0.74范围内时，从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，当调制度处于0.74～0.85范围内时，从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，……，按照上述方式依次对电机进行控制。
当电机的转速进一步提高至第二预设转速时，电机一直处于电压极限圆上运行，调制方式由3分频段调制自然过渡到方波控制方式，此时对电机进行弱磁控制。
由此，将各个调制模式合理的分配至适应的转速范围内，从而将传统的多模式混合调制技术经改进后应用到永磁同步电机的控制中，同时兼顾了逆变器的低开关频率的限制和电机直流母线电压的充分有效利用，进而发挥永磁同步电机的高功率密度的优点。当该永磁同步电机应用到轨道交通系统中，可以提高系统的控制效率和牵引系统的功率密度，减小牵引驱动系统的体积。
综上所述，根据本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，当转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行；当转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当转速大于等于第二预设转速时，采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行，从而实现永磁同步电机的多模式混合控制。
图5是根据本发明一个实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置的方框图。
如图5所示，该用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置包括：转速获取模块10、判断模块20和控制模块30。
其中，转速获取模块10用于获取电机的转速，判断模块20用于对电机的转速进行判断。控制模块30分别与转速获取模块10和判断模块20相连，控制模块30用于当判断模块20判断转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行，并当判断模块20判断转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制，以及当判断模块20判断转速大于等于第二预设转速时，采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行。
在本发明的实施例中，控制模块30可以为DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片或FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。
根据本发明的一个实施例，第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速。
根据本发明的一个实施例，控制模块30根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制时，其中，控制模块30根据转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；控制模块30从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对电机进行控制以使电机满调制度运行。
根据本发明的一个实施例，预设的多个分频段可包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，11分频段对应的调制度区间为0～0.72，7分频段对应的调制度区间为0～0.74，5分频段对应的调制度区间为0～0.85，3分频段对应的调制度区间为0～1。
根据本发明的一个实施例，当判断模块20判断转速大于等于第一预设转速且小于第三预设转速时，控制模块30获取的分频段为11分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.72范围内，控制模块30则根据电机的调制度从11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.72～0.74范围内，控制模块30则根据电机的调制度从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.74～0.85范围内，控制模块30则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，控制模块30则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第三预设转速小于第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当判断模块20判断转速大于等于第三预设转速且小于第四预设转速时，控制模块30获取的分频段为7分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.74范围内，控制模块30则根据电机的调制度从7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.74～0.85范围内，控制模块30则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，控制模块30则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第四预设转速小于第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当判断模块20判断转速大于等于第四预设转速且小于第五预设转速时，控制模块30获取的分频段为5分频段，其中，如果电机的调制度处于0～0.85范围内，控制模块30则根据电机的调制度从5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；如果电机的调制度处于0.85～1范围内，控制模块30则根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，第五预设转速小于第二预设转速。
根据本发明的一个实施例，当判断模块20判断转速大于等于第五预设转速且小于第二预设转速时，控制模块30获取的分频段为3分频段，其中，控制模块30根据电机的调制度从3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
需要说明的是，在本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置中未披露的细节，请参照本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法中所披露的细节，这里不再详述。
根据本发明实施例的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置，当判断模块判断转速小于第一预设转速时，控制模块采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对电机进行控制，以使电机进行恒转矩运行；当判断模块判断转速大于等于第一预设转速且小于第二预设转速时，控制模块获取电机的调制度，并根据转速和调制度采用SHEPWM调制方式对电机进行控制，以使电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制；当判断模块判断转速大于等于第二预设转速时，控制模块采用方波控制方式对电机进行控制，以使电机进行恒功率运行，从而实现永磁同步电机的多模式混合控制。
图6是根据本发明实施例的轨道交通牵引系统的方框示意图。如图6所示，该轨道交通牵引系统1000包括：用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置100。其中，用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置100在前面已经详述描述，这里不再赘述。
本发明实施例的轨道交通牵引系统，通过上述的永磁同步电机的控制装置，能够实现对系统中永磁同步电机的多模式混合控制，同时兼顾了逆变器的低开关频率的限制和电机直流母线电压的充分有效利用，进而发挥永磁同步电机的高功率密度的优点，从而可以有效提高系统的控制效率和牵引系统的功率密度，减小牵引驱动系统的体积。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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。
Claims (15)
1.一种用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电机的转速，并对所述电机的转速进行判断；
当所述转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒转矩运行；
当所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第二预设转速时，获取所述电机的调制度，并根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制，所述根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制，包括：根据所述转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，所述多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用所述多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对所述电机进行控制以使所述电机满调制度运行；
当所述转速大于等于所述第二预设转速时，采用方波控制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒功率运行。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预设的多个分频段包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，所述11分频段对应的调制度区间为0～0.72，所述7分频段对应的调制度区间为0～0.74，所述5分频段对应的调制度区间为0～0.85，所述3分频段对应的调制度区间为0～1。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第三预设转速时，获取的分频段为所述11分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.72范围内，则根据所述电机的调制度从所述11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.72～0.74范围内，则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述转速大于等于所述第三预设转速且小于第四预设转速时，获取的分频段为所述7分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.74范围内，则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第四预设转速小于所述第二预设转速。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当所述转速大于等于所述第四预设转速且小于第五预设转速时，获取的分频段为所述5分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.85范围内，则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第五预设转速小于所述第二预设转速。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述转速大于等于所述第五预设转速且小于所述第二预设转速时，获取的分频段为所述3分频段，其中，根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
8.一种用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置，其特征在于，包括：
转速获取模块，用于获取电机的转速；
判断模块，用于对所述电机的转速进行判断；
控制模块，所述控制模块分别与所述转速获取模块和所述判断模块相连，所述控制模块用于当所述判断模块判断所述转速小于第一预设转速时，采用异步SVPWM调制方式和同步SVPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒转矩运行，并当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第二预设转速时，获取所述电机的调制度，并根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制，以使所述电机适应不同转速和不同转矩下的脉冲调制，以及当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第二预设转速时，采用方波控制方式对所述电机进行控制，以使所述电机进行恒功率运行，其中，所述控制模块根据所述转速和所述调制度采用SHEPWM调制方式对所述电机进行控制时，其中，所述控制模块根据所述转速从预设的多个分频段中获取相应的分频段，其中，所述多个分频段中的每个分频段均对应预设有一个调制度-开关角表，且每个分频段对应一个调制度区间；所述控制模块从获取的分频段所对应的调制度区间开始，依次采用所述多个分频段中的其余分频段所对应的调制度区间进行补充，并根据每个调制度区间获取相应的开关角，以及根据获取的开关角对所述电机进行控制以使所述电机满调制度运行。
9.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述第一预设转速为受轨道交通牵引系统中高压功率模块的开关频率限制的转速。
10.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述预设的多个分频段包括11分频段、7分频段、5分频段和3分频段，其中，所述11分频段对应的调制度区间为0～0.72，所述7分频段对应的调制度区间为0～0.74，所述5分频段对应的调制度区间为0～0.85，所述3分频段对应的调制度区间为0～1。
11.如权利要求10所述的控制装置，其特征在于，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第一预设转速且小于第三预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述11分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.72范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述11分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.72～0.74范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
12.如权利要求11所述的控制装置，其特征在于，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第三预设转速且小于第四预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述7分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.74范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述7分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.74～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第四预设转速小于所述第二预设转速。
13.如权利要求12所述的控制装置，其特征在于，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第四预设转速且小于第五预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述5分频段，其中，
如果所述电机的调制度处于0～0.85范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述5分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角；
如果所述电机的调制度处于0.85～1范围内，所述控制模块则根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角，其中，所述第五预设转速小于所述第二预设转速。
14.如权利要求13所述的控制装置，其特征在于，当所述判断模块判断所述转速大于等于所述第五预设转速且小于所述第二预设转速时，所述控制模块获取的分频段为所述3分频段，其中，所述控制模块根据所述电机的调制度从所述3分频段对应的调制度-开关角表中获取相应的开关角。
15.一种轨道交通牵引系统，其特征在于，包括如权利要求8-14中任一项所述的用于轨道交通牵引系统的永磁同步电机的控制装置。
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