CN107765177B - 永磁同步电机的运行状态检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机的运行状态检测方法和装置，其中，该方法包括：从滑模观测器中提取α‑β轴电压和反电动势估算值；根据所述α‑β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转。通过本发明上述实施例解决了转矩电流控制方式无法进行堵转识别以及使用过电流方式识别堵转时无法进行限电流功能设计等问题，达到了简单准确判断是否发生直流电机堵转问题的技术效果。

Description

永磁同步电机的运行状态检测方法和装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机的运行状态检测方法和装置。

背景技术

目前，永磁同步电机具有高功率密度、高效率、低损耗、体积小和结构简单等特点，且对于无位置传感器控制方案的永磁同步电机同时具备装配简单、运用场合广、可靠性高并且成本低等优势，得到了越来越广泛的运用。

然而，由于无位置传感器控制方案无法直接获取当前转子位置，当电机负载扇叶或转子被卡住而发生异常后，控制器无法通过转子位置识别电机当前的异常状态。

目前，无位置传感器控制方案的直流电机主要通过采集三相电流的大小来判断电机的堵转状态，但对于转矩电流控制方式而言，是无法通过其三相电流来判断堵转异常问题的。同时如果采用三相过电流来判断电机堵转异常状态，则无法对电机进行限电流保护，因此，在对某些需进行电流限制的场合运用较为困难。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种永磁同步电机的运行状态检测方法，以达到简单准确判断是否发生直流电机堵转问题的技术效果，该方法包括：

从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转。

在一个实施方式中，从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值，包括：

从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

在一个实施方式中，根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势，包括：

按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

在一个实施方式中，按照以下公式设置所述预设阈值：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示电机有效输入矢量电流，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

在一个实施方式中，确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系，包括：

计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；

计算所述预设阈值的平方；

确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

本发明实施例还提供了一种永磁同步电机的运行状态检测装置，以达到简单准确判断是否发生直流电机堵转问题的技术效果，该装置包括：

提取模块，用于从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

计算模块，用于根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

比较模块，用于确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

判断模块，根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转。

在一个实施方式中，所述提取模块具体用于从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

在一个实施方式中，所述计算模块具体用于按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

在一个实施方式中，上述永磁同步电机的运行状态检测装置还包括：

设置模块，用于按照以下公式设置所述预设阈值：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示电机有效输入矢量电流，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

在一个实施方式中，所述比较模块包括：

第一计算单元，用于计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；

第二计算单元，用于计算所述预设阈值的平方；

比较单元，用于确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

在上述实施例中，通过输入电机的有效矢量电压与电机反电动势的关系，进行直流电机的堵转检测，从而达到了对直流电机堵转异常状态的准确识别，解决了转矩电流控制方式无法进行堵转识别以及使用过电流方式识别堵转时无法进行限电流功能设计等问题，达到了简单准确判断是否发生直流电机堵转问题的技术效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的永磁同步电机的运行状态检测方法的方法流程图；

图2是根据本发明实施例的电机模型空间向量示意图；

图3是根据本发明实施例的永磁同步电机的运行状态检测方法的装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明实施例中，提出了一种通过输入电机的有效矢量电压与电机反电动势的关系，确定直流电机是否发生堵转的检测方法，如图1所示，该永磁同步电机的运行状态检测方法，可以包括：

步骤101：从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

具体地，可以从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

步骤102：根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

在具体实现的时候，可以按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

步骤103：确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

在计算得到了矢量电压和电机反电动势之后，可以将其与预设阈值进行比较，其中，预设阈值可以是按照以下公式计算得到的：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

步骤104：根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转。

具体的，根据两者之间的比较关系确定是否出现电机堵转可以是按照以下规则执行的：

S1：计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；

S2：计算所述预设阈值的平方；

S3：确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

通过上述方式实现了对直流电机堵转异常状态的准确识别，并解决了转矩电流控制方式无法进行堵转识别以及使用过电流方式识别堵转时无法进行限电流功能设计等问题。

在上例中，通过对直流电机堵转异常情况的识别，可以有效避免电机堵转所产生大电流对功率模块的损伤，同时不影响电机限流降频功能的设计运用，保证了电机堵转情况下功率器件温升符合3C认证等要求；进一步的，本发明实施例可以对转矩电流控制及转速控制等控制方式的堵转异常情况进行准确识别，避免了因无法识别堵转所造成的电机失步异常。

即，在本发明实施例中，通过从滑模观测器中提取有效电机输入矢量电压与电机反电动势的关系，实现了对直流电机堵转异常情况的识别，无须增加相应位置传感器单元对此异常状态进行识别；且该方法对转矩电流控制及转速控制等控制方式均适用，同时避免了电机堵转所产生大电流对功率模块的损伤，以及解决了因使用过流识别方法所造成与限流降频功能设计的冲突。

下面结合一个具体实施例对上述方法进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本申请，并不构成对本申请的不当限定。

该确定直流电机是否发生堵转的检测方法可以包括以下步骤：

S1：测量两相定子电流i_a和i_b，然后将两相定子电流i_a和i_b经Clarke变换得到α-β系下的分量i_α和i_β，其中，Clarke变换又可以称为三相-两相变换，即指在三相静止坐标系A-B-C和两相静止坐标系(α-β坐标系)之间的变换。

S2：采用α-β系下的电机模型建立变结构滑模观测器，所建立的变结构滑模观测器的动态方程可以表示为：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

S3：从滑模观测器中提取反电动势估算值λ_α和λ_β，按照以下公式计算出

其中，E_s表示电机反电动势。

提取α-β轴电压u_α和u_β，按照以下公式计算出

其中，U_s表示矢量电压。

将

与

进行比值处理，并与设定的K²值进行比较；

如图2所示为电机模型空间向量图，其中α角与ω(电机角速度)、L(电机电感)和R(电机电阻)相关，负载角δ与U_s(矢量电压)和E_s(电机反电动势)相关。

具体地，可以通过图2所示的线条关系对设定的K值进行设定求解：

经三角函数解析可求出α角及负载角δ：

其中，K_e表示电机反电动势常数。

当负载不断增加直至电机转子卡死，此过程中负载角δ也不断增加，从而导致K值相应减小。因此，通过合理设置K²值与E_s ²/U_s ²进行比较，即可有效实现直流电机无位置传感器控制方案的堵转检测功能。

由此可见，通过从滑模观测器中提取的有效电机输入矢量电压与电机反电动势的关系有效实现了对直流电机堵转异常情况的识别，也可以通过从滑模观测器中简单提取当前转速对直流电机堵转异常进行判断。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种永磁同步电机的运行状态检测装置，如下面的实施例所述。由于永磁同步电机的运行状态检测装置解决问题的原理与永磁同步电机的运行状态检测方法相似，因此永磁同步电机的运行状态检测装置的实施可以参见永磁同步电机的运行状态检测方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。图3是本发明实施例的永磁同步电机的运行状态检测装置的一种结构框图，如图3所示，可以包括：提取模块301、计算模块302、比较模块303和判断模块304，下面对该结构进行说明。

提取模块301，用于从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

计算模块302，用于根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

比较模块303，用于确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

判断模块304，根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转。

在一个实施方式中，提取模块301具体可以用于从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

在一个实施方式中，计算模块302具体可以用于按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

在一个实施方式中，上述永磁同步电机的运行状态检测装置还可以包括：设置模块，用于按照以下公式设置所述预设阈值：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示电机有效输入矢量电流，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

在一个实施方式中，比较模块303可以包括：第一计算单元，用于计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；第二计算单元，用于计算所述预设阈值的平方；比较单元，用于确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：通过输入电机的有效矢量电压与电机反电动势的关系，进行直流电机的堵转检测，从而达到了对直流电机堵转异常状态的准确识别，解决了转矩电流控制方式无法进行堵转识别以及使用过电流方式识别堵转时无法进行限电流功能设计等问题，达到了简单准确判断是否发生直流电机堵转问题的技术效果。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

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，本发明实施例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。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的运行状态检测方法，其特征在于，包括：

从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转；

其中，确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系，包括：

计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；

计算所述预设阈值的平方；

确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值，包括：

从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势，包括：

按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照以下公式设置所述预设阈值：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示电机有效输入矢量电流，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

5.一种永磁同步电机的运行状态检测装置，其特征在于，包括：

提取模块，用于从滑模观测器中提取α-β轴电压和反电动势估算值；

计算模块，用于根据所述α-β轴电压计算得到矢量电压，根据所述反电动势估算值计算得到电机反电动势；

比较模块，用于确定所述矢量电压、所述电机反电动势与设置的预设阈值之间的比较关系；

判断模块，根据所述比较关系，判断待测永磁同步电机是否出现直流电机堵转；

其中，所述比较模块包括：

第一计算单元，用于计算所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值；

第二计算单元，用于计算所述预设阈值的平方；

比较单元，用于确定所述电机反电动势的平方与所述矢量电压的平方的比值，是否大于所述预设阈值的平方。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述提取模块具体用于从以下动态方程中提取所述α-β轴电压和所述反电动势估算值：

其中，

和

表示电流观测值，R_s表示待测永磁同步电机的电阻，L_s表示待测永磁同步电机的电感，u_α和u_β表示α-β轴输入电压，S_α和S_β表示所述滑模观测器的校正因子，λ_α和λ_β表示所述反电动势估算值，M表示反电动势的反馈系数，M∈[0，1]。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块具体用于按照以下公式计算所述矢量电压：

其中，U_s表示所述矢量电压；

按照以下公式计算所述电机反电动势：

其中，E_s表示所述电机反电动势。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

设置模块，用于按照以下公式设置所述预设阈值：

其中：

其中，K表示预设阈值，ω表示电机角速度，L表示电机电感，I_s表示电机有效输入矢量电流，K_e表示电机反电动势常数，R表示电机电阻。

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