CN111049459A - 一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法。步骤1：采集电机三相电流；步骤2：采集电源电压；步骤3：采集直流母线电压；步骤4：计算速度偏差；步骤5：处于紧急保护区域和/或电机处于失速状态时，控制系统进入耗能制动；未处于紧急保护区域，且电机未处于失速状态，而电机相电流、电源电流、直流母线电压任何一个处于非紧急保护区域时，控制系统为再生制动；步骤6：控制器以负转矩制动。本发明能够实现驱动装置全方位的保护，包括电机相电流过流保护、电源电流过流保护、直流母线电压过压保护、电机失速保护，提高系统可靠性，并实现节能。

Description

一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域；具体涉及一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法。

背景技术

随着消费者对机电产品节能性要求的提升，效率更高的变频电机驱动器得到了越来越广泛的应用。常规变频驱动器的直流母线电压处于稳定状态，逆变部分与输入交流电压相对独立，从而使逆变部分的控制无需考虑输入电压的瞬时变化，便于控制方法的实现。然而，这种设计方法需要逆变器配备大容值的电解电容，使得驱动器体积变大，成本提升。此外，电解电容的寿命有限，其有效工作时间往往是驱动器寿命的瓶颈。

相关方案提出了以小容值的薄膜电容或陶瓷电容取代电解电容的策略，与常规的交直交驱动电路相比，省去了PFC部分，而且小型化的电容既能实现降成本，又能消除电解电容引起的使用寿命瓶颈。但是，由于直流母线电压上的薄膜电容或陶瓷电容容值很小，通常只有常规高压电解电容容值的1％-2％；直流母线电压随电源输入电压大幅度波动，母线电压的波动将影响逆变输出电压，这对控制系统实时性和可靠性提出了更高要求。

发明内容

本发明能够实现驱动装置全方位的保护，包括电机相电流过流保护、电源电流过流保护、直流母线电压过压保护、电机失速保护，提高系统可靠性，并实现节能。

本发明通过以下技术方案实现：

一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法，所述制动方法包括以下步骤：

步骤1：电机相电流检测模块采集电机U、V、W三相电流i_u、i_v、i_w，并计算三相电流最大值i_{uwv_max}，并根据i_{uvw_max}判定相电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤2：电源电压检测模块采集电源电压v_in，并计算电源电压有效值v_{in_rms}，通过电机功率计算输入电流

并根据v_{in_rms}判定输入电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤3：直流母线电压检测模块采集直流母线电压v_dc，并根据v_dc判定直流母线电压处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤4：电机速度估算模块检测模块根据电压指令v_α、v_β和电流指令i_α、i_β估算电机实际转速

并根据电机速度指令

和实际转速

计算速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

步骤5：当电机相电流、电源电流和直流母线电压中任何一个处于紧急保护区域和/或电机处于失速状态时，控制系统进入耗能制动状态；

当电机相电流、电源电流、直流母线电压均未处于紧急保护区域，且电机未处于失速状态，而电机相电流、电源电流、直流母线电压任何一个处于非紧急保护区域时，控制系统进入再生制动状态；

步骤6：当控制器工作于再生制动工作状态时，实时检测直流母线电压值，当直流母线电压值u_dc<u_{dc_2}时，控制器以负转矩-T_rate制动。

进一步的，所述步骤1中的三相电流i_u、i_v、i_w在系统上电启动时，默认三相电流i_u、i_v、i_w全部为0，系统处于正常区域；

当i_{uwv_max}处于正常区域时，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_2}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域；

当i_{uwv_max}处于非紧急保护区域，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_4}时，i_{uwv_max}进入紧急保护区域；若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_1}时，i_{uwv_max}进入正常区域；

当i_{uwv_max}处于紧急保护区域，若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_3}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域。

进一步的，所述步骤2中的输入电流i_{in_rms}在系统上电启动时，默认输入电流i_{in_rms}为0，系统处于正常区域；

当i_{in_rms}处于正常区域时，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_2}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域；

当i_{in_rms}处于非紧急保护区域，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_4}时，i_{in_rms}进入紧急保护区域；若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_1}时，i_{abc_max}进入正常区域；

当i_{in_rms}处于紧急保护区域，若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_3}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域。

进一步的，所述步骤3的直流母线电压v_dc处于正常区域时，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_2}时，则v_dc进入非紧急保护区域；

当v_dc处于非紧急保护区域，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_4}时，v_dc进入紧急保护区域；若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_1}时，则v_dc进入正常区域；

当v_dc处于紧急保护区域，若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_3}时，则v_dc进入非紧急保护区域。

进一步的，所述步骤4中速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

当|Δω_e|处于正常区域时，若|Δω_e|增大满足|Δω_e|＞Δω_{e_1}时，电机状态进入失速区域；

当|Δω_e|处于失速保护区域，若|Δω_e|减小满足|Δω_e|≤Δω_{e_1}时，电机状态进入正常区域。

进一步的，所述步骤8中当直流母线电压值满足：u_{dc_2}≤u_dc≤u_{dc_4}时，以控制器以负转矩

制动；当直流母线电压值u_dc>u_{dc_4}时，控制器输出转矩降低为0，其中u_{dc_2}为预定阀值2，u_{dc_4}为预定阀值4，且u_{dc_2}<u_{dc_4}，T_rate为控制器额定转矩；当电机相电流、电源电流、直流母线电压、电机转速均处于正常区域时，控制系统控制电机运行与正常运行区域，根据速度指令

控制电机运行。

有益效果：

无电解电容永磁同步电机空调驱动装置以小容值的薄膜电容或陶瓷电容取代电解电容，容值只有常规高压电解电容容值的1％-2％。直流母线电压随电源输入电压大幅度波动，母线电压的波动将影响逆变输出电压，这对控制系统实时性和可靠性提出了更高要求：(1)电机母线电压快速波动时容易发生过流或失速；(2)在紧急刹车时电机能量将回馈到直流母线上导致母线电压上升，容易导致过压从而损坏器件，本发明从电流、电压、速度三方面实施全方位保护，防止驱动器发生过压、过流损坏，提高系统可靠性。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明控制结构框图；

图3为本发明的输入电源电压和相位检测框图；

图4为本发明的电机相电流状态区域图；

图5为本发明的电源电流状态区域图；

图6为本发明的直流母线电压状态区域图；

图7为本发明的电机运行状态区域图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的无电解电容永磁同步电机空调驱动装置可适用于变频电机，参照图1，在变频电机的电路中，交流电源AC经过整流电路和逆变电路后接至电机，在本发明的实施例中，可在逆变电路的输入端之间并联小容值的薄膜电容或陶瓷电容。

所述电机相电流过流状态、输入电源电流过流状态和直流母线电压过压状态分为两个或两个以上档位，其中至少一个档位定义为严重过流区域，至少一个档位定义为非严重过流区域，严重过流时电机进入耗能制动，非严重过流时电机进入再生制动。

电机失速状态时控制电机进入耗能制动；所述电机失速状态包括：(1)电机实际转速和指令转速偏差超出允许控制误差范围状态；(2)电机实际转速不受控状态。

一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法，所述制动方法包括以下步骤：

步骤1：电机相电流检测模块采集电机U、V、W三相电流i_u、i_v、i_w，并计算三相电流最大值i_{uwv_max}，并根据i_{uvw_max}判定相电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤2：电源电压检测模块采集电源电压v_in，并计算电源电压有效值v_{in_rms}，通过电机功率计算输入电流

并根据v_{in_rms}判定输入电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤3：直流母线电压检测模块采集直流母线电压v_dc，并根据v_dc判定直流母线电压处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤4：电机速度估算模块检测模块根据电压指令v_α、v_β和电流指令i_α、i_β估算电机实际转速

并根据电机速度指令

和实际转速

计算速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

步骤5：当电机相电流、电源电流和直流母线电压中任何一个处于紧急保护区域和/或电机处于失速状态时，控制系统进入耗能制动状态；控制器输出000矢量，或者控制器输出111矢量，或者控制器以一定周期间隔交替输出000矢量和111矢量，实现电机耗能快速制动，控制器以一定周期间隔交替输出000矢量和111矢量，其周期值推荐范围为[0.01s,10s]，

当电机相电流、电源电流、直流母线电压均未处于紧急保护区域，且电机未处于失速状态，而电机相电流、电源电流、直流母线电压任何一个处于非紧急保护区域时，控制系统进入再生制动状态；电机输出负转矩，实现电机制动，同时实现能量节能回馈，

步骤6：当控制器工作于再生制动工作状态时，实时检测直流母线电压值，当直流母线电压值u_dc<u_{dc_2}时，控制器以负转矩-T_rate制动。

进一步的，所述步骤1中的三相电流i_u、i_v、i_w在系统上电启动时，默认三相电流i_u、i_v、i_w全部为0，系统处于正常区域；

当i_{uwv_max}处于正常区域时，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_2}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域；

当i_{uwv_max}处于非紧急保护区域，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_4}时，i_{uwv_max}进入紧急保护区域；若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_1}时，i_{uwv_max}进入正常区域；

当i_{uwv_max}处于紧急保护区域，若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_3}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域。

进一步的，所述步骤2中的输入电流i_{in_rms}在系统上电启动时，默认输入电流i_{in_rms}为0，系统处于正常区域；

当i_{in_rms}处于正常区域时，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_2}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域；

当i_{in_rms}处于非紧急保护区域，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_4}时，i_{in_rms}进入紧急保护区域；若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_1}时，i_{abc_max}进入正常区域；

当i_{in_rms}处于紧急保护区域，若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_3}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域。

逆变器功率根据以下公式计算：

P_inv＝v_u*i_u+v_v*i_v+v_w*i_w

其中，v_u，v_v，v_w分别为逆变器u、v、w三相电压指令，i_u、i_v、i_w分别为电机三相实际电流。

进一步的，所述步骤3的直流母线电压v_dc处于正常区域时，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_2}时，则v_dc进入非紧急保护区域；

当v_dc处于非紧急保护区域，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_4}时，v_dc进入紧急保护区域；若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_1}时，则v_dc进入正常区域；

当v_dc处于紧急保护区域，若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_3}时，则v_dc进入非紧急保护区域。

进一步的，所述步骤4中速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

当|Δω_e|处于正常区域时，若|Δω_e|增大满足|Δω_e|＞Δω_{e_1}时，电机状态进入失速区域；

当|Δω_e|处于失速保护区域，若|Δω_e|减小满足|Δω_e|≤Δω_{e_1}时，电机状态进入正常区域。

进一步的，所述步骤8中当直流母线电压值满足：u_{dc_2}≤u_dc≤u_{dc_4}时，以控制器以负转矩

制动；当直流母线电压值u_dc>u_{dc_4}时，控制器输出转矩降低为0，其中u_{dc_2}为预定阀值2，u_{dc_4}为预定阀值4，且u_{dc_2}<u_{dc_4}，T_rate为控制器额定转矩；当电机相电流、电源电流、直流母线电压、电机转速均处于正常区域时，控制系统控制电机运行与正常运行区域，根据速度指令

控制电机运行。

可通过磁链观测法实现位置/速度估计器的上述功能。首先，可根据固定坐标系上的电流和电压计算电机在固定坐标系α和β轴方向上有效磁通的估计值，具体计算公式如下：

其中，

与

分别为的电机在α和β轴方向上有效磁通的估计值，v_α和v_β分别为α和β轴方向上的电压，i_α和i_β分别为α和β轴方向上的电流。

然后进一步计算转子角度估计值

和转子速度估计值

具体计算公式如下：

进一步地，本实施例根据获得dq轴电流指令i_{d_ref}和i_{q_ref}，以及检测并计算得到的dq实际的电流i_d和i_q，分别对d轴电流和q轴电流做PI控制，再加入解耦后计算得到dq轴电压指令v_d和v_q，再通过坐标转换得到αβ轴电压指令v_α和v_β，之后再转换为u、v、w三相电压指令v_u、v_v、v_w，最后计算出与v_u、v_v、v_w等效的脉冲T_u、T_v、T_w，并通过逆变器输出到电机。

具体地，可根据以下公式计算Q轴电压指令和D轴电压指令：

v_d1＝v_d0-ω_eL_qi_q

v_q1＝v_q0+ω_eL_di_d+ω_eK_e

其中，v_q为q轴电压指令，v_d为d轴电压指令，K_dp和K_di分别为d轴电流控制比例增益与积分增益，K_qp和K_qi分别为q轴电流控制比例增益与积分增益，ω_e为电机转速，K_e为电机反电势系数，L_d和L_q分别为d轴和q轴电感，

表示x(τ)在时间上的积分。

在获取到q轴电压指令v_q和d轴电压指令v_d后，可根据电机转子角度θ对v_q和v_d进行Park逆变换，得到固定坐标系上的电压指令v_α和v_β，具体变换公式如下：

v_α＝v_dcosθ-v_qsinθ

v_β＝v_dsinθ+v_qcosθ

其中，θ为电机转子角度，在此可取上述的转子角度估计值θ_est。

进一步地，可根据固定坐标系上的电压指令v_α和v_β进行Clark逆变换，得到三相电压指令v_u，v_v，v_w，具体变换公式如下：

v_u＝v_α

然后占空比计算单元可根据直流母线电压和三相电压指令进行占空比计算，得到占空比控制信号，即三相占空比T_u、T_v和T_w，具体计算公式如下：

T_u＝(v_u+0.5v_dc)/v_dc

T_v＝(v_v+0.5v_dc)/v_dc

T_w＝(v_w+0.5v_dc)/v_dc

其中，v_dc为直流母线电压。

以该占空比控制信号实时控制逆变电路的开关，实现了对电机的控制。

两种制动方式：(1)耗能制动：电机消耗电能，实现电机制动；(2)再生制动：电机发电反馈到控制器，实现电机制动。判定电机运行过程发生的保护状包括：电机相电流过流状态、和(或)输入电源电流过流状态、和(或)和(或)直流母线电压过压状态、和(或)电机失速状态；当控制系统处于紧急保护区域或者电机失速状态时进入耗能制动状态时，控制器输出000矢量，或者控制器输出111矢量，或者控制器以一定周期间隔交替输出000矢量和111矢量，实现电机耗能快速制动；当控制系统处于非紧急保护区域时，控制系统进入再生制动状态：电机发电反馈到控制器，实现电机制动，同时实现能量节能回馈；当电机相电流、电源电流、直流母线电压、电机转速均处于正常区域时，控制系统控制电机运行与正常运行区域，根据速度指令

控制电机运行。

Claims (6)

1.一种无电解电容永磁同步电机空调驱动装置的制动方法，其特征在于，所述制动方法包括以下步骤：

步骤1：电机相电流检测模块采集电机U、V、W三相电流i_u、i_v、i_w，并计算三相电流最大值i_{uwv_max}，并根据i_{uvw_max}判定相电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤2：电源电压检测模块采集电源电压v_in，并计算电源电压有效值v_{in_rms}，通过电机功率计算输入电流

并根据v_{in_rms}判定输入电流处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤3：直流母线电压检测模块采集直流母线电压v_dc，并根据v_dc判定直流母线电压处于正常区域、非紧急保护区域、紧急保护区域；

步骤4：电机速度估算模块检测模块根据电压指令v_α、v_β和电流指令i_α、i_β估算电机实际转速

并根据电机速度指令

和实际转速

计算速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

步骤5：当电机相电流、电源电流和直流母线电压中任何一个处于紧急保护区域和/或电机处于失速状态时，控制系统进入耗能制动状态；

当电机相电流、电源电流、直流母线电压均未处于紧急保护区域，且电机未处于失速状态，而电机相电流、电源电流、直流母线电压任何一个处于非紧急保护区域时，控制系统进入再生制动状态；

步骤6：当控制器工作于再生制动工作状态时，实时检测直流母线电压值，当直流母线电压值u_dc<u_{dc_2}时，控制器以负转矩-T_rate制动。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1中的三相电流i_u、i_v、i_w在系统上电启动时，默认三相电流i_u、i_v、i_w全部为0，系统处于正常区域；

当i_{uwv_max}处于正常区域时，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_2}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域；

当i_{uwv_max}处于非紧急保护区域，若i_{uwv_max}增大满足i_{uwv_max}＞i_{uwv_4}时，i_{uwv_max}进入紧急保护区域；若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_1}时，i_{uwv_max}进入正常区域；

当i_{uwv_max}处于紧急保护区域，若i_{uwv_max}减小满足i_{uwv_max}≤i_{uwv_3}时，i_{uwv_max}进入非紧急保护区域。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2中的输入电流i_{in_rms}在系统上电启动时，默认输入电流i_{in_rms}为0，系统处于正常区域；

当i_{in_rms}处于正常区域时，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_2}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域；

当i_{in_rms}处于非紧急保护区域，若i_{in_rms}增大满足i_{in_rms}＞i_{in_4}时，i_{in_rms}进入紧急保护区域；若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_1}时，i_{abc_max}进入正常区域；

当i_{in_rms}处于紧急保护区域，若i_{in_rms}减小满足i_{in_rms}≤i_{in_3}时，i_{in_rms}进入非紧急保护区域。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3的直流母线电压v_dc处于正常区域时，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_2}时，则v_dc进入非紧急保护区域；

当v_dc处于非紧急保护区域，若v_dc增大满足v_dc＞v_{dc_4}时，v_dc进入紧急保护区域；若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_1}时，则v_dc进入正常区域；

当v_dc处于紧急保护区域，若v_dc减小满足v_dc≤v_{dc_3}时，则v_dc进入非紧急保护区域。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4中速度偏差

并根据|Δω_e|判定电机状态处于正常区域、失速区域；

当|Δω_e|处于正常区域时，若|Δω_e|增大满足|Δω_e|＞Δω_{e_1}时，电机状态进入失速区域；

当|Δω_e|处于失速保护区域，若|Δω_e|减小满足|Δω_e|≤Δω_{e_1}时，电机状态进入正常区域。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤6中当直流母线电压值满足：u_{dc_2}≤u_dc≤u_{dc_4}时，以控制器以负转矩

制动；当直流母线电压值u_dc>u_{dc_4}时，控制器输出转矩降低为0，其中u_{dc_2}为预定阀值2，u_{dc_4}为预定阀值4，且u_{dc_2}<u_{dc_4}，T_rate为控制器额定转矩；当电机相电流、电源电流、直流母线电压、电机转速均处于正常区域时，控制系统控制电机运行与正常运行区域，根据速度指令

控制电机运行。

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