CN110417318A - 交流永磁同步电机的保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了交流永磁同步电机的保护方法及装置，所述方法包括：获取电机的定子电流和电机的电压；根据所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；获得检测转子磁场角度；根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；当所述定向偏差角度大于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。本发明提供的方法通过实时检测电机转子的定向偏转角度，避免定向偏转角度过大导致电机控制系统失去对电机速度的控制能力。

Description

交流永磁同步电机的保护方法及装置

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体来说，涉及一种交流永磁同步电机的保护方法及装置。

背景技术

基于位置编码器反馈的交流永磁同步电机矢量控制系统，其磁场定向控制角度是由编码器当前反馈的角度加上编码器偏置角获得，在编码器反馈正常的情况下，磁场定向控制效果受编码器偏置角影响较大。

磁场定向存在偏差时，矢量控制下真实有效转矩电流为其中θ_err为定向偏差。若定向偏差角度在±90°内，如图1所示，有效转矩电流小于控制给定值，电机输出转矩不足，电流偏大，电机发热严重；若定向偏差角度超出±90°，如图2所示，有效转矩电流与控制给定值反向，给定指令与实际指令反向，最终速度跑飞。电机失速飞车是严重的控制事故，一方面，速度过高有可能导致机械系统的损坏；另一方面，因为转子永磁体的存在，电机定子产生的反电势随着转速的升高而升高，当速度达到一定程度，电机反馈能量至控制系统，能量过大时会导致控制系统损坏。定向控制的偏差过大将导致控制系统失去对电机速度的控制能力，控制系统需检测该异常并作出相应保护动作。而传统的控制系统只对电机飞速进行超速保护，根据编码器反馈速度超过较大值后才输出保护信号，保护具有较大的滞后性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供交流永磁同步电机的保护方法及装置，可实时检测电机转子的定向偏转角度，避免定向偏转角度过大导致电机控制系统失去对电机速度的控制能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种交流永磁同步电机的保护方法，包括：

获取电机的定子电流和电压；

通过所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；

获得检测转子磁场角度；

根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

所述方法还包括：

当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，返回获取定子电流和电压的初始状态。

获取所述估算转子磁场角度包括：

根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

获取所述检测转子磁场角度包括：

通过编码器检测获得检测转子磁链；

通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

还包括:

对所述估算转子磁链和所述检测转子磁链分别进行低通滤波处理。

一种交流永磁同步电机的保护装置，包括：

获取模块，用于获取电机的定子电流和电压；

数据处理模块，用于通过所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；

检测模块，用于获得检测转子磁场角度；

计算模块，用于根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

判断模块，用于判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

指令执行模块，用于当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

所述指令执行模块还用于当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，返回获取定子电流和电压的初始状态。

所述数据处理模块包括：

估算单元，用于根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

处理单元，用于通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

所述检测模块包括:

检测单元，用于通过编码器检测获得检测转子磁链；

计算单元，用于通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

所述数据处理模块和检测模块还包括：

滤波单元，用于对所述估算转子磁链和所述检测转子磁链分别进行低通滤波处理。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种永磁同步电机的保护方法及装置，通过获取电机的定子电流和电压，获得估算转子磁场角度，根据估算转子磁场角度与实际的检测转子磁场角度的定向偏差角度，来控制电机的保护动作，本发明通过实时检测电机转子的定向偏转角度，可以避免电子的定向偏转角度过大导致电机控制系统失去对电机速度的控制能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一个实施例中定向偏差角度偏差小于90°时电流矢量图；

图2为本发明中一个实施例中定向偏差角度偏差大于90°时电流矢量图；

图3为本发明中一个实施例中定向偏差角度误差矢量图；

图4为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机保护方法的流程示意图；

图5为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机磁场定向偏差检测方法的流程示意图；

图6为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机磁场定向偏差检测方法的检测原理框图；

图7为本发明中一个实施例中偏差角度为60°时的运行检测过程波形图；

图8为本发明中一个实施例中偏差角度为120°时的运行检测过程波形图；

图9为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机保护装置的结构框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

图1为本发明中一个实施例中定向偏差角度偏差小于90°时电流矢量图，图中θ_r为转子的电气角度，为编码器检测得到的检测转子磁场角度，θ_err为定向偏差角度，I_q为矢量控制下真实有效转矩电流，为正常运行下的控制给定转矩电流，θ_err<90°，电机输出转矩不足，电机电流越来越大，电机持续工作在该状态下发热严重，工作效率低且影响电机的使用寿命。

图2为本发明中一个实施例中定向偏差角度偏差大于90°时电流矢量图，图中θ_err>90°，I_q与反相，且I_q数值越来越大，该状态下的电机持续工作将发生失速飞车现象。

图3为本发明中一个实施例中定向偏差角度误差矢量图，θ_{r_enc}为编码器检测出的检测转子磁场角度，θ_{r_est}为估算转子磁场角度，图1和图2中的θ_err为理论中的定向偏差角度，但由于实际运行中，θ_r和θ_{r_est}之间存在一定的误差，并非绝对相等，因此图3中的θ_err为实际转子的定向偏差角度。

图4为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机保护方法的流程示意图，一种交流永磁同步电机的保护方法，包括：

S101、获取电机的定子电流和电压；

其中，永磁同步电机带编码器反馈矢量控制系统，出于电流闭环控制的需要，一般会检测电机的定子电流，对于电压源型PWM逆变输出控制产生的电压指令可作为实际加在电机上的电压大小；

S102、根据所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；

S103、获得检测转子磁场角度；

S104、根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

S105、判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

S106、当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

本发明公开了一种永磁同步电机的保护方法，通过获取电机的定子电流和电压，获得估算转子磁场角度，根据所述估算转子磁场角度与实际的检测转子磁场角度的定向偏差角度，来控制电机的保护动作，本发明通过实时检测电机转子的定向偏转角度，可以避免所述定向偏转角度过大导致电机控制系统失去对电机速度的控制能力。

图5为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机磁场定向偏差检测方法的流程示意图，包括：

当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，则返回获取定子电流和电压的初始状态。

在电机的运行状态变化之前不断循环检测所述定向偏差角度的变化，可靠地检测出电机因磁场偏差发生的变化，继而在电机控制系统失去对电机速度的控制能力之前做出相应的保护动作。

图6为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机磁场定向偏差检测方法的检测原理框图，如图5和图6所示，获取所述估算转子磁场角度包括：

根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

其中，同步电机αβ轴下的电机数学模型公式为：

其中Rs为定子电阻，Ld、Lq为直交轴电感，ΔL＝Ld-Lq，Er为电机转子有效反电势，θ_r为转子的电气角度，u_α、u_β、i_α、i_β为电机定子分别在αβ轴下的电压、电流。

对公式进行左右调整及积分后，得到所述估算转子磁链：

其中：即电机定子反电势；Ψ_ex为电机有效转子磁链。

由于对定子反电势纯积分存在零飘及初始相位问题，且考虑到反电势的正弦正交特性，因此对反电势的积分使用公式替代：

其中ω为反电势角频率，可通过对e_sβ、e_sα角度微分获得，为了保证所计算角速度的有效性，要求反电势幅值达到5％额定电压，此时电机转速对应5％电机额定速，在该电机转速下检测精度较高，此时所述估算转子磁链为：

为了提高抗干扰能力，对所述估算转子磁链进行低通滤波处理：

此处只关注相位的误差，不考虑幅值误差，因此只要简单认为所述估算转子磁链的幅值为额定值，标幺化处理后为1。

再对估算转子磁链进行反正切函数处理得到所述估算转子磁场角度：

如图5和图6所示，获取所述检测转子磁场角度包括：

通过编码器检测获得检测转子磁链

通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

为了弥补相位延迟，对所述检测转子磁链进行低通滤波处理：

此处只关注相位的误差，不考虑幅值误差，因此只要简单认为所述检测转子磁链的幅值为额定值，标幺化处理后为1。

再对所述检测转子磁链进行反正切函数计算得到所述检测转子磁场角度：

根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度：

θ_{r_err}＝θ_{r_enc}-θ_{r_est}；

判断所述定向偏差角度是否大于所述预设偏差角度；当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

该检测方法常应用于但不仅限于提前检测电机失速飞车现象，现有控制系统只对电机飞速进行超速保护，根据编码器反馈速度超过预设值后才输出保护信号，保护具有较大的滞后性，但本发明提供的磁场定向偏差检测方法从电机内在表现根本上检测飞速，实时检测磁场定向偏差，在磁场定向偏差接近电机发生失速飞车的预设值并未达到预设值时，提前发出信号以便电机作出对应保护动作，防止电机发生失速飞车现象。

图7为本发明中一个实施例中偏差角度为60°时的运行检测过程波形图，电机给定速度为40％电机额定速(Fn)，电机空载运行，图7中的参数分别为磁场偏差角度、U相电流、U相电压和电机转速，此处用磁场偏差角度表示上述的定向偏差角度，电机在加速到给定转速过程中，检测出磁场偏差角度大于预设偏差角度，经过一段时间后输出电机动作保护的控制指令，若不输出电机动作保护的控制指令，该运行状态下电机的输出转矩不足，电机的工作效率较低，若电机持续在该状态下运行，U相电流将持续升高，引发电机严重发热，影响电机的使用寿命。

图8为本发明中一个实施例中偏差角度为120°时的运行检测过程波形图，电机给定速度为40％电机额定速，电机空载运行，图8中的参数分别为磁场偏差角度、U相电流、U相电压和电机转速，此处用磁场偏差角度表示上述的定向偏差角度，在电机失速飞车前一瞬间发现电机转速与正常运行状态时反相，检测有效时电机反转速度已达72％电机额定速，且电机转速越来越快，若不输出电机动作保护的控制指令，电机在该运行状态下最终发生失速飞车现象。

和上述交流永磁同步电机的保护方法相对应，本发明实施例还提供了一种交流永磁同步电机保护装置，如图9所示，图9为本发明中一个实施例中交流永磁同步电机保护装置的结构框图，包括：

获取模块201，用于获取电机的定子电流和电压；

数据处理模块202，用于通过所述定子电流和电压获得估算转子磁

场角度；

检测模块203，用于获得检测转子磁场角度；

计算模块204，用于根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

判断模块205，用于判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

指令执行模块206，用于当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

所述指令执行模块206还用于当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，返回获取定子电流和电压的初始状态。

所述数据处理模块202包括：

估算单元，用于根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

处理单元，用于通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

所述检测模块203包括:

检测单元，用于通过编码器检测获得检测转子磁链；

计算单元，用于通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

所述数据处理模块202和检测模块203还包括：

滤波单元，用于对所述估算转子磁链和所述检测转子磁链分别进行低通滤波处理。

本发明公开了一种永磁同步电机的保护装置，通过获取模块201获取电机的定子电流和电压，通过数据处理模块202获得估算转子磁场角度，通过检测模块203获得检测转子磁场角度，通过计算模块204根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度，通过判断模块205判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度，通过指令执行模块206用于当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作，能够实现在电机发生状态转变前检测到所述定向偏差角度与所述预设偏差角度之间的差异大小，并提前做出相应的保护动作，具有电机动作保护的超前性。

本发明公开了一种交流永磁同步电机的保护方法和装置，其中保护方法包括：通过获取电机的定子电流和电压，获得估算转子磁场角度，根据所述估算转子磁场角度与实际的检测转子磁场角度的定向偏差角度，来控制电机的保护动作。

其中装置包括：通过获取模块获取电机的定子电流和电压，通过数据处理模块获得估算转子磁场角度，通过检测模块获得检测转子磁场角度，通过计算模块根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度，通过判断模块判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度，通过指令执行模块用于当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。本发明能够实现在电机发生状态转变前检测到所述定向偏差角度与所述预设偏差角度之间的差异大小，并提前做出相应的保护动作，具有电机动作保护的超前性。

本发明通过实时检测电机转子的定向偏转角度，可以避免所述定向偏转角度过大导致电机控制系统失去对电机速度的控制能力。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种交流永磁同步电机的保护方法，其特征在于，包括：

获取电机的定子电流和电压；

通过所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；

获得检测转子磁场角度；

根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，返回获取定子电流和电压的初始状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述估算转子磁场角度包括：

根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述检测转子磁场角度包括：

通过编码器检测获得检测转子磁链；

通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，还包括:

对所述估算转子磁链和所述检测转子磁链分别进行低通滤波处理。

6.一种交流永磁同步电机的保护装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取电机的定子电流和电压；

数据处理模块，用于通过所述定子电流和电压获得估算转子磁场角度；

检测模块，用于获得检测转子磁场角度；

计算模块，用于根据所述估算转子磁场角度与所述检测转子磁场角度获得定向偏差角度；

判断模块，用于判断所述定向偏差角度是否大于等于预设偏差角度；

指令执行模块，用于当所述定向偏差角度大于等于所述预设偏差角度时，生成用于控制所述电机动作保护的控制指令，使所述电机根据所述控制指令动作。

7.根据权利要求6所述的交流永磁同步电机的保护装置，其特征在于，所述指令执行模块还用于当所述定向偏差角度小于所述预设偏差角度时，返回获取定子电流和电压的初始状态。

8.根据权利要求6所述的交流永磁同步电机的保护装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

估算单元，用于根据所述定子电流和电压获得估算转子磁链；

处理单元，用于通过所述估算转子磁链获得所述估算转子磁场角度。

9.根据权利要求6所述的交流永磁同步电机的保护装置，其特征在于，所述检测模块包括:

检测单元，用于通过编码器检测获得检测转子磁链；

计算单元，用于通过所述检测转子磁链获得所述检测转子磁场角度。

10.根据权利要求8或9所述的交流永磁同步电机的保护装置，其特征在于，所述数据处理模块和检测模块还包括：

滤波单元，用于对所述估算转子磁链和所述检测转子磁链分别进行低通滤波处理。