CN109742983A - 一种非连续供电的电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非连续供电的电机控制方法及其应用，当电机转子的转速为n₁和/或电机转子到达t₁位置时，电机绕组断电，转子转速降低，当电机转子的转速为n₂和/或电机转子到达t₂位置时，电机绕组通电，转子转速提高，所述的n₁大于n₂。上述非连续供电的电机控制方法，使电机转子在电机绕组断电时利用自身惯性自由减速运行，电机在此过程中不存在由功率器件引起的转矩脉动，同时延长功率器件的使用寿命。

Description

一种非连续供电的电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种非连续供电的电机控制方法。

背景技术

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。

永磁同步电机具有较高的转矩密度、较高的效率，随着电机控制技术的发展，在电动汽车、风力发电等领域得到广泛的应用。

永磁同步电机的转矩脉动主要来源于电机的齿槽转矩、反电动势的谐波以及电流谐波。齿槽转矩是永磁同步电机的固有特性，几乎不受控制系统的影响。永磁同步电机的绕组分布、转子磁极结构使电机气隙磁场畸变，产生谐波磁链，也就是反电动势产生谐波。控制系统中，功率器件所采用的电力器件的非线性、如开关管的管压降、死区时间会产生电流谐波。

反电动势谐波与电流谐波相互作用，产生永磁同步电机的转矩脉动。转矩脉动会使转速产生波动，同时还会产生振动与噪声，严重影响电机控制系统的控制精度与平稳性。

随着半导体技术的日益成熟与功率器件性能的不断改善，电子变流装置在电机控制领域得到广泛应用，也成为永磁同步电机控制技术发展的重要制约因素。

在电动汽车、动车牵引领域，频繁的起动、制动以及恶劣的工作环境严重威胁功率器件的可靠性与使用寿命；在航天领域，功率器件通常需要服役20年甚至更长的时间。在此期间，电路的周期性的通断使电机至少经受10⁶～10⁸次功率循环，功率器件的可靠性与寿命问题显得尤为重要。然而，一般情况下，在电机运转过程中功率器件始终处于不停地开通关断状态，引起转矩脉动，减短使用寿命。

公告号为CN 106374712 B的专利说明书公开了一种同步磁阻电机和压缩机。同步磁阻电机包括：定子，定子具有转子容纳腔；转子，转子设置在转子容纳腔内，转子具有多个磁通屏障组，多个磁通屏障组中的磁通屏障组两两一对沿转子的径向对称设置，每个磁通屏障组具有多个磁通屏障，多个磁通屏障沿转子的径向间隔排列设置，同组内的相邻两个磁通屏障之间形成导磁通道，同组内的多个导磁通道的极弧角度τ沿靠近转子的中部的方向逐渐增大，且一对相邻两个一导磁通道的极弧角度τ的差值与另一对相邻两个导磁通道的极弧角度τ的差值不相等。通过将任意一对相邻两个导磁通道的极弧角度τ的差值设置成不相等，以使同步磁阻电机的各层导磁通道能够轮流出力，有效降低了同步磁阻电机的转矩脉动。

公告号为CN 103762926 B的专利说明书公开了一种基于模型预测的开关磁链永磁同步电机的转矩控制方法，包括：对逆变器开关管状态进行组合得到八组开关矢量信号；在当前时刻k，在每一组逆变器开关矢量信号下，预测下一时刻k+1的p相绕组电流；得到d轴和q轴的电流预测值；预测下一时刻k+1的电机转矩和电机磁链；计算成本函数，得到成本函数最小时的逆变器开关矢量信号；根据电机转矩和电机磁链的变化，控制单个采样周期内逆变器开关矢量信号的有效作用时间，完成对开关磁链永磁同步电机的转矩控制。上述方法能精确控制逆变器开关矢量变化，使电机转矩脉动和磁链波动最小，且通过占空比调节逆变器开关的有效作用时间，从而能有效降低逆变器的开关频率。

在目前变流装置发展的基础上，需要更优化的控制策略，主动降低功率器件的开关次数，以提高整个控制系统的可靠性与寿命。

发明内容

针对本领域电机控制过程中存在的转矩脉动以及功率器件可靠性与寿命问题，本发明提供了一种非连续供电的电机控制方法，使电机转子在电机绕组断电时利用自身惯性自由减速运行，电机在此过程中不存在由功率器件引起的转矩脉动，同时延长功率器件的使用寿命。

一种非连续供电的电机控制方法，当电机转子的转速为n₁和/或电机转子到达t₁位置时，电机绕组断电，转子转速降低，当电机转子的转速为n₂和/或电机转子到达t₂位置时，电机绕组通电，转子转速提高，所述的n₁大于n₂。

电机转子转速的控制一般通过控制功率器件的不停地开通关断实现，这一过程会产生转矩脉动。当电机转子的转速为n₁和/或电机转子到达t₁位置时，电机绕组断电，转子就会凭借自身的惯性做自由减速运行，绕组断电过程中功率器件不通电也不工作，不产生转矩脉动，转子转速变化平缓。同时，由于电机绕组的不连续供电，减少了功率器件的开通关断次数。电机绕组断电的时间越长，功率器件的运行时间越短，开通关断次数越少，功率器件的使用寿命越长。

电机转子转速通常只要在一定范围内波动即可保证电机的正常工作，这一转速范围的最大值为阈值上限n_high，最小值为阈值下限n_low。

阈值上限n_high和阈值下限n_low可按如下式子计算：

其中，n_ref为转子转速的理想参考值，n_width为设计要求的转速阈值宽度，K₁、K₂、B₁和B₂为裕量常数，可根据实际情况进行人为调整和设定。

优选地，所述的n₁不大于电机转子的转速的阈值上限n_high，这样可在维持电机正常工作的情况下，尽可能地延长转子可自由减速运行的时间，延长绕组断电时间，进而延长不产生转矩脉动的时间和功率器件的使用寿命。

优选地，所述的n₂不小于电机转子的转速的阈值下限n_low，这样同样可在维持电机正常工作的情况下，尽可能地延长转子可自由减速运行的时间，延长绕组断电时间，进而延长不产生转矩脉动的时间和功率器件的使用寿命。

在一优选例中，所述的非连续供电的电机控制方法，n₁为电机转子的转速的阈值上限n_high，n₂为电机转子的转速的阈值下限n_low，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达阈值上限n_high；

(2)电机绕组断电，电机转子的转速降低；

(3)电机转子的转速降低至阈值下限n_low，重复步骤(1)。

电机工作中往往存在特定的工作区间，优选地，所述的t₁位置为设定的工作起点或在设定的工作起点之前，这样可以保证电机在进入工作区间时处于绕组断电状态，功率器件不通电，不产生转矩脉动。

优选地，所述的t₂位置为设定的工作终点或在设定的工作终点之后，这样可以保证电机在离开工作区间后绕组才会通电，同样是保证电机在工作区间时功率器件不产生转矩脉动。

在另一优选例中，所述的非连续供电的电机控制方法，t₁为设定的工作起点，t₂为设定的工作终点，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达并维持在阈值上限n_high；

(2)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作起点时，电机绕组断电，电机转子的转速降低；

(3)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作终点时，重复步骤(1)。

这样可以保证在工作区间中电机绕组始终为断电状态，功率器件不会产生转矩脉动，电机转子变速平稳。

优选地，所述的电机转子到达设定的工作终点时，电机转子的转速不小于阈值下限n_low，如此可以防止在工作区间中电机转子的转速小于阈值下限n_low而导致电机无法正常工作的情况发生。此外，如果在工作区间中电机转子的转速小于阈值下限n_low，为了使得电机正常工作必须给电机绕组通电，那么就会在工作区间产生转矩脉动，造成转子运转不稳定。

假设电机转子在t_high位置的转速为转子转速的阈值上限n_high，且在此位置绕组断电，转子进入自由减速运动，为保持电机正常工作，转子转速能减到的最小值为转子转速的阈值下限n_low，将转子转速减为n_low时的位置记为t_low，那么t_high和t_low两个位置之间的距离S_max与电机的电磁转矩、负载转矩、转子的转动惯量以及转子在断电时的转速有关，可用下式表达：

其中，T_e为电机的电磁转矩，T_m为电机的负载转矩，J为电机转子的转动惯量。

在t_high和t_low两个位置之间可以容纳1个或者多个工作区间，因此每个工作区间的工作起点和工作终点之间的距离S_m满足下式：

其中，T_e为电机的电磁转矩，T_m为电机的负载转矩，J为电机转子的转动惯量，n_high为转子转速的阈值上限，n_low为转子转速的阈值下限。

电机绕组断电，转子转速降低过程中，可根据转子在任一位置t的转速n_t计算t位置与t_low位置的距离S_t，计算方法如下：

其中，T_e为电机的电磁转矩，T_m为电机的负载转矩，J为电机转子的转动惯量，n_t为t位置的转子转速，n_low为转子转速的阈值下限，即t_low位置的转子转速。

与现有技术相比，本发明的主要优点包括：本发明使电机转子在电机绕组断电时利用自身惯性自由减速运行，电机在此过程中不存在由功率器件引起的转矩脉动，同时延长功率器件的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1的非连续供电的电机控制方法的流程图；

图2为实施例1的非连续供电的电机控制方法的示意图；

图3为实施例2的非连续供电的电机控制方法的流程图；

图4为实施例2的非连续供电的电机控制方法的示意图；

图5为实施例3的非连续供电的电机控制方法的流程图；

图6为实施例3的非连续供电的电机控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，本发明的实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

针对电机的工作区间无特殊要求的情况，如图1所示，非连续供电的电机控制方法，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达阈值上限n_high；

(2)当电机转子的转速到达阈值上限n_high，电机绕组断电，电机转子进入自由减速状态，转子的转速降低；

(3)电机转子的转速降低至阈值下限n_low，重复步骤(1)。

如图2所示，假设电机初始转速为n_ref，控制电机绕组通电情况使电机转子的转速提高。当电机的转速到达n_high后，电机绕组断电，电机依靠自身的惯性继续保持旋转，进入自由减速状态，当电机的转速下降到n_low时，再次控制电机绕组通电使电机转子的转速增加，待再次到达设定的阈值上限n_high后电机绕组断电，如此循环。

通过上述方法控制电机，电机在自由减速期间，转速均能满足电机正常工作要求的速度。由于绕组断电，所以不存在功率器件开通关断引起的转矩脉动，同时延长了功率器件的使用寿命。

实施例2

针对电机存在一个或多个工作区间的情况，如图3所示，非连续供电的电机控制方法，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达并维持在阈值上限n_high；

(2)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作起点时，电机绕组断电，电机转子进入自由减速状态，转子的转速降低；

(3)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作终点时，重复步骤(1)。

如图4所示，给电机事先设置了多个特定的工作区间，要求电机在各工作区间内转速满足设计需求，同时要求电机转矩脉动小，速度变化平稳。假设电机初始转速为n_ref，控制电机绕组通电情况使电机转子转速到达设定的阈值上限n_high。检测电机转子的位置信号，当电机转子的位置到达工作起点1时，电机绕组断电，电机依靠自身的惯性继续保持旋转，进入自由减速状态，当电机转子的位置到达工作终点1时，此时电机的转速还未下降到n_low，给电机绕组通电，控制电机转子的转速到达设定的阈值上限n_high，对后续的工作区间重复上述步骤。

通过本方法控制电机，电机在工作区间内均运行在自由减速状态，转速均能满足电机工作需求。由于绕组断电，所以在工作区间不存在功率器件开通关断引起的转矩脉动，同时延长了功率器件的使用寿命。

本实施例所述的非连续供电的电机控制方法无需对电机转子的转速值进行计算和比较操作，直接控制电机转子的转速到达设计要求的阈值上限n_high。

实施例3

针对电机存在一个或多个工作区间的情况，如图5所示，非连续供电的电机控制方法，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达并维持在阈值上限n_high；

(2)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作起点时，电机绕组断电，电机转子进入自由减速状态，转子的转速降低；

(3)为保持电机正常工作，电机绕组断电后，电机转子自由减速过程中可经过m个工作区间，可运动到的最远的工作区间的工作终点为最远工作终点，最远工作终点与工作起点的距离S_m满足：

其中，T_e为电机的电磁转矩，T_m为电机的负载转矩，J为电机转子的转动惯量，n_high为转子转速的阈值上限，n_low为转子转速的阈值下限，S_max为转子转速降低至n_low时的转子位置与工作起点的距离。

(4)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达最远工作终点时，重复步骤(1)。

如图6所示，给电机事先设置了多个特定的工作区间，要求电机在各工作区间内转速满足设计需求，同时要求电机转矩脉动小，速度变化平稳，最远工作终点即为工作终点3。假设电机初始转速为n_ref，控制电机绕组通电情况使电机转子转速到达设定的阈值上限n_high。检测电机的位置信号，当电机的位置到达工作起点1，电机绕组断电，电机依靠自身的惯性继续保持旋转，进入自由减速状态。通过步骤(3)的计算可以判断出当前电机转速最远可以自由减速至工作终点3，使得减速至工作终点3时电机转速仍然大于n_low。当电机的位置到达工作终点1时，由于此时电机的转速还未下降到n_low，所以为追求最大化地减少功率器件的开通关断次数，电机绕组不通电。当电机位置到达工作终点3时，给电机绕组通电，控制电机的转速到达设计的阈值上限n_high，对后续的工作区间重复上述步骤。

通过本方法控制电机，电机在一次加速后可以在多个工作区间内均运行在自由减速状态，转速均能满足电机工作需求。由于绕组断电，所以在各工作区间均不存在功率器件开通关断引起的转矩脉动。同时由于对电机惯性的最大化利用，进一步减少了功率器件的开通关断次数，延长了功率器件的使用寿命。

本实施例所述的非连续供电的电机控制方法还可将终点1或终点2作为设定的工作终点。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种非连续供电的电机控制方法，其特征在于，当电机转子的转速为n₁和/或电机转子到达t₁位置时，电机绕组断电，转子转速降低，当电机转子的转速为n₂和/或电机转子到达t₂位置时，电机绕组通电，转子转速提高，其中，n₁大于n₂。

2.根据权利要求1所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的n₁不大于电机转子的转速的阈值上限n_high。

3.根据权利要求1或2所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的n₂不小于电机转子的转速的阈值下限n_low。

4.根据权利要求3所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的n₁为电机转子的转速的阈值上限n_high，n₂为电机转子的转速的阈值下限n_low，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达阈值上限n_high；

(2)电机绕组断电，电机转子的转速降低；

(3)电机转子的转速降低至阈值下限n_low，重复步骤(1)。

5.根据权利要求1所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的t₁位置为设定的工作起点或在设定的工作起点之前。

6.根据权利要求1或5所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的t₂位置为设定的工作终点或在设定的工作终点之后。

7.根据权利要求5所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的电机转子到达设定的工作终点时，电机转子的转速不小于阈值下限n_low。

8.根据权利要求5所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的t₁为设定的工作起点，t₂为设定的工作终点，具体步骤包括：

(1)控制电机转子的转速到达并维持在阈值上限n_high；

(2)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作起点时，电机绕组断电，电机转子的转速降低；

(3)检测电机转子的位置信号，当电机转子到达设定的工作终点时，重复步骤(1)。

9.根据权利要求8所述的非连续供电的电机控制方法，其特征在于，所述的工作终点与工作起点的距离S_m满足下式：

其中，T_e为电机的电磁转矩，T_m为电机的负载转矩，J为电机转子的转动惯量，n_high为转子转速的阈值上限，n_low为转子转速的阈值下限。