CN111817629B - 一种转速调节电路、电机调速系统及其转速调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转速调节电路、电机调速系统及其转速调节方法，该装置包括：采集单元，获取电机给定转速和电机实时转矩；确定单元，根据电机实时转矩和电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息；以及，根据电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息；调节单元，选择档位信息所对应的幅度限制范围，并在档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制。本发明的方案，可以解决PI调节器在调节电机转速时会累积积分误差，造成电机因积分饱和而失控的问题，达到避免PI调节器在调节电机转速时出现积分饱和从而避免电机失控的效果。

Description

一种转速调节电路、电机调速系统及其转速调节方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种转速调节电路、电机调速系统及其转速调节方法，尤其涉及一种永磁同步电机调速系统的转速饱和动态抑制电路、电机调速系统及其转速调节方法。
背景技术
永磁同步电机是一种结构简单、低成本、高效率的电动机，其被广泛应用在如航空航天、数控机床以及电动车辆等工业工程领域中。
在一些方案中，用于控制永磁同步电机的调速系统多为矢量控制系统，矢量控制系统是一种双闭环反馈控制系统，它以速度环(即速度控制环路)作为外环，并以电流环(即电流控制环路)作为内环，每条控制环路上使用PI调节器对控制变量给定值与实际值之间的误差进行调节，从而驱动电机运行。
但是，当永磁同步电机矢量控制系统的直流母线功率过大时，电机运行功率无法与其匹配，电机转速会持续升高，使得PI调节器在调节电机转速时会累积积分误差，造成电机因为积分饱和而失控。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种转速调节电路、电机调速系统及其转速调节方法，以解决PI调节器在调节电机转速时会累积积分误差，造成电机因积分饱和而失控的问题，达到避免PI调节器在调节电机转速时出现积分饱和从而避免电机失控的效果。
本发明提供一种转速调节电路，包括：采集单元、确定单元和调节单元；其中，所述采集单元，用于获取电机给定转速和电机实时转矩；所述确定单元，用于根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息；以及，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息；所述调节单元，用于选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制；其中，所述等级信息，包括：至少两个等级信息；所述档位信息，包括：至少两个档位信息；所述档位信息所对应的幅度限制范围，包括：至少两个幅度限制范围。
可选地，所述确定单元，包括：乘法器；所述确定单元根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，包括：所述乘法器，用于将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息；其中，至少两个等级信息，包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息；第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
可选地，所述确定单元，还包括：第一分压模块、第二分压模块和电压比较器；所述确定单元根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，包括：第一分压模块，用于根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值；第二分压模块，用于根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值；电压比较器，用于将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息；其中，所述至少两个档位信息，包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。
可选地，所述调节单元，包括：译码器、开关单元和限幅单元；所述限幅单元，包括：至少两个限幅模块；所述调节单元选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，包括：所述译码器，用于确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出用于选通信号；所述选通信号，用于在所述限幅单元中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块；所述开关单元，用于根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启；所述限幅单元，用于利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出。
可选地，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理，包括：检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数；将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值；以及，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
可选地，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围，包括：对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积；将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机调速系统，包括：以上所述的转速调节电路。
与上述电机调速系统相匹配，本发明再一方面提供一种电机调速系统的转速调节方法，包括：获取电机给定转速和电机实时转矩；根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息；以及，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息；通过限幅单元，选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制；其中，所述等级信息，包括：至少两个等级信息；所述档位信息，包括：至少两个档位信息；所述档位信息所对应的幅度限制范围，包括：至少两个幅度限制范围。
可选地，根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，包括：将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息；其中，至少两个等级信息，包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息；第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
可选地，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，包括：根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值；根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值；将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息；其中，所述至少两个档位信息，包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。
可选地，所述限幅单元，包括：至少两个限幅模块；选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，包括：确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出用于选通信号；所述选通信号，用于在限幅单元中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块；根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启；通过限幅单元，利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出。
可选地，通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理，包括：检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数；将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值；以及，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
可选地，通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围，包括：对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积；将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
本发明的方案，通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障。
进一步，本发明的方案，通过电压比较器和限幅电路限制当前给定转速下直流母线电压的幅度范围，使得PI调节器在调节电机转速时不会累积积分误差，可以避免电机因为积分饱和而失控，提升电机运行的稳定性和安全性。
进一步，本发明的方案，通过在保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障的前提下，当电机转速改变时，在不需要改变系统结构与系统参数的条件下，根据当前的电机转速调整PI调节器输出变量的幅值限制范围，实现对转速PI调节器输出变量的动态幅度控制，使得电机转速能被准确控制，有利于提高电机调速系统及其电路的控制性能。
由此，本发明的方案，通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，解决PI调节器在调节电机转速时会累积积分误差，造成电机因积分饱和而失控的问题，达到避免PI调节器在调节电机转速时出现积分饱和从而避免电机失控的效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的转速调节电路的一实施例的结构示意图；
图2为本发明的电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的转速饱和动态抑制电路的结构示意图；
图3为本发明的电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的转速饱和动态抑制电路的工作流程示意图；
图4为本发明的转速调节方法的一实施例的流程示意图；
图5为本发明的方法中确定限幅范围的档位信息的一实施例的流程示意图；
图6为本发明的方法中在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制的一实施例的流程示意图；
图7为本发明的方法中使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理的一实施例的流程示意图；
图8为本发明的方法中确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围的一实施例的流程示意图；
图9为本发明的电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的限幅电路的一实施例的结构示意图，具体为二极管串联双向限幅电路的结构示意图。
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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
根据本发明的实施例，提供了一种转速调节电路。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该转速调节电路可以应用在电机调速系统尤其是永磁同步电机调速系统中，具体可以设置在由速度环和电流环构成的双闭环电机矢量控制系统中的速度环中，位于双闭环电机矢量控制系统中转速PI调节器的输出端，如在转速PI调节器的输出端添加了应用本发明的电机转速饱和动态抑制方案的转速饱和动态抑制模块。在转速环中，转速环闭环误差跟踪反馈单元与转速PI调节器配合设置。永磁同步电机调速系统的转速调节电路，可以包括：采集单元、确定单元和调节单元。
在一个可选例子中，所述采集单元，如速度传感器、转矩传感器等，可以用于在由速度环和电流环构成的双闭环电机矢量控制系统中的速度环中，如在电机矢量控制系统的速度环中，获取电机给定转速和电机实时转矩。例如：采集乘法器的输入参数：电机的实时转矩Te，通过频率信号给出的电机给定转速ω。
在一个可选例子中，所述确定单元，可以用于根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息。
可选地，所述确定单元，可以包括：乘法器。
相应地，所述确定单元根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，可以包括：所述乘法器，可以用于将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到可以用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息。
其中，至少两个等级信息，可以包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息。第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
例如：乘法器，将实时转矩和给定转速相乘，并输出代表功率等级的代表功率的电压值Vo，该代表功率的电压值Vo输入到电压比较器进行处理。
例如：将采集到的电机的实时转矩Te、以及通过频率信号给出的电机给定转速ω，输入乘法器(如将电机的实时转矩Te输入乘法器的第一输入端、并将通过频率信号给出的电机给定转速ω输入乘法器的第二输入端)进行相乘，乘法器的输出端输出代表功率的电压值Vo。例如：电机的实时转矩Te和过频率信号给出的电机给定转速ω的乘积，为电机的运行功率，具体可以采用电机运行时机械功率计算公式如式(1)进行计算，将电机运行时机械功率P作为代表功率的电压值Vo：P＝ω×Te(1)。
例如：利用模拟乘法器，根据电机的给定转速与实际负载转矩计算出当前转速条件下，电机应有的运行功率，进而计算得出当前给定转速下直流母线电压的最大值；根据直流母线电压的最大值调节直流母线电压输出幅度限制范围，实现电机调速系统对电机转速的全频段动态饱和抑制，使得电机转速能够被准确控制。从而，解决了永磁同步电机矢量控制系统及其电路中，转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围无法根据转速变化进行调整而导致的电机转速不能被准确控制的问题，实现转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围能够根据转速变化进行调整，使得电机转速能被准确控制。
由此，通过将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘的结果作为电机运行功率的等级信息，可以得到在给定转速下的电机功率信息，以根据电机功率信息对转速PI调速器的输出变量进行分档调节，可以在电机功率信息下合理地调节转速PI调速器的输出变量，合理抑制转速饱和现象的出现。
以及，所述确定单元，还可以用于根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息。
可选地，所述确定单元，还可以包括：第一分压模块、第二分压模块和电压比较器。
相应地，所述确定单元根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，可以包括：
第一分压模块，可以用于根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值。
第二分压模块，可以用于根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值。其中，第二分压方式与第一分压方式的分压比例不同，分压比例可以通过在每个分压模块中设置阻值不同的分压电阻来实现。例如：第一分压模块可以由第一分压电阻如电阻R1和第三分压电阻如电阻R3构成，第二分压模块可以由第二分压电阻如电阻R2和第四分压电阻如电阻R4构成。
例如：若第一分压电阻的阻值为R1、第二分压电阻的阻值为R2、第三分压电阻的阻值为R3、第四分压电阻的阻值为R4，那么：第一分压值可以为Vo×R3÷(R1+R3)；第二分压值可以为Vo×R4÷(R2+R4)。第一分压值和第二分压值应在电压比较器的预设电压附近。比如：电机处于中频运行，电压比较器的预设电压值为3V，此时电压比较器应输出(1,0)信号，那么第一分压值应略高于3V，第二分压值应略低于3V。
电压比较器，可以用于将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息。其中，电压比较器将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较得到的比较结果，可以包括：第一比较结果和第二比较结果。例如：电压比较器，可以将第一分压值与设定的基准电压值进行比较，得到第一比较结果。电压比较器，还可以将第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到第二比较结果。
其中，所述至少两个档位信息，可以包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。若比较结果属于第一设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第一档位信息；若比较结果属于第二设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第二档位信息；若比较结果属于第三设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第三档位信息。
例如：电压比较器，能够根据输入代表功率的电压值Vo水平的不同，输出至少两种不同的输出信号，该输出信号可以让译码器识别并处理。如通过预先设定好的电压比较器，判断代表功率的电压值Vo的电压等级；由于电机的实时转矩变化很小，代表功率的电压值Vo的等级可以反映当前给定转速的等级是低频、中频还是高频。
例如：代表功率的电压值Vo经过第一电阻R1和第三电阻R3分压，得到第一电压值。代表功率的电压值Vo又经过与第一电阻R1、第三电阻R3阻值不同的第二电阻R2、第四电阻R4分压，得到第二分压值。两个不同的电压值(即第一分压值和第二分压值)分别对应输入到电压比较器的第一输入端即IN1端和电压比较器的第二输入端即IN2端，电压比较器将这两个不同的电压值和设定的基准值进行比较，以判断输入的代表功率的电压值Vo等级反应了较小功率(如第一档功率)、较大功率(如第三档功率)、或者是处于较小功率和较大功率之间的中间功率(如第二档功率)。第一档功率、第二档功率和第三档功率的功率值，依次增大。如若判断输入的代表功率的电压值Vo等级反映了较小功率，即反映了电机当前应处于低频运行状态，则在电压比较器的第一输出端即OUT1端输出高电平，电压比较器的第二输出端即OUT2端输出高电平，可以用信号(1，1)表示。
由此，通过第一分压模块、第二分压模块和电压比较器，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，可以得到不同给定转速下的限幅范围的档位信息，可靠且精准。
在一个可选例子中，所述调节单元，可以用于选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，以将转速PI调节器的输出变量控制在所述档位信息所对应的幅度限制范围内。
其中，所述等级信息，可以包括：至少两个等级信息。所述档位信息，可以包括：至少两个档位信息。所述档位信息所对应的幅度限制范围，可以包括：至少两个幅度限制范围。每个等级信息，对应有一个档位信息。每个档位信息，对应有一个幅度限制范围。
例如：为抑制积分饱和现象，使电机保持正常工作状态，就需要对PI调节器的输出变量进行一定的幅值限制，通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，使PI调节器输出变量保持在合理的范围内的同时，控制系统保留一定的调节空间来处理控制变量，可以保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障。
由此，通过确定当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对转速PI调节器的输出变量进行不同的限幅，如在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，可以保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障，有利于保障电机运行的可靠性和安全性。
可选地，所述调节单元，可以包括：译码器、开关单元和限幅单元。所述限幅单元，可以包括：至少两个限幅模块。所述至少两个幅度限制范围，可以包括：第一幅度限制范围、第二幅度限制范围和第三幅度限制范围。第一幅度限制范围、第二幅度限制范围和第三幅度限制范围中的幅度限制范围依次增大。相应地，所述限幅单元，可以包括：第一限幅模块、第二限幅模块和第三限幅模块。
相应地，所述调节单元选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，可以包括：
所述译码器，可以用于确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出可以用于选通信号。所述选通信号，可以用于在所述限幅单元中的第一限幅模块、第二限幅模块和第三限幅模块中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块。
例如：如果电压比较器判断当前Vo等级反映了电机是低频运行，则在其2个或多个输出端输出一种高低电平信号；b、如果判断当前Vo等级反映电机是中频频，则输出第二种高低电平信号；c、如果判断当前Vo等级反映电机是高频运行，则输出第三种高低电平信号。电压比较器输出的高低电平信号可以反映电机运行频率等级，且这种信号可以被译码器识别并处理。
例如：将反映电机运行频率等级的高低电平信号输入译码器，译码器判断并输出信号，选择导通其后的多个三极管之一。如电压比较器的输出信号(1，1)，输入到译码器(如可以选用2-4译码器)中，2-4译码器选择第一输出端即D1端输出高电平信号，其余输出端(如第二输出端即D2端、第三输出端即D3端)为低电平。
所述开关单元，可以用于根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启。
例如：三极管发射极连接直流母线，集电极连接限幅电路，三极管被设置成射极跟随器，导通后集电极的输出电压为发射极的输入电压，可以当做电路开关使用，控制限幅电路是否工作。如连接译码器第一输出端即D1端的第一三极管VT1被导通，第一限幅模块如低频限幅电路开始工作。
所述限幅单元，可以用于在基于所述选通信号开启一个限幅模块的情况下，利用开启的一个限幅模块，使电机矢量控制系统的直流母线电压通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出，如之后再输出至电机的逆变电路，以调节转速环中转速PI调节器的输出变量在该限幅模块的幅度限制范围，实现动态抑制电机升速过程中产生的转速饱和现象。
例如：直流母线电压通过限幅电路后输入到逆变电路，完成电机的三相输入。直流母线电压经过设计成射极跟随器的三极管(如第一三极管VT1、第二三极管VT2或第三三极管VT3)导入到限幅电路(如第一限幅模块、第二限幅模块或第三限幅模块)，再输入到逆变电路，完成永磁同步电机的三相输入。
由此，通过在给定转速条件下，对永磁同步电机转子的实时转矩与直流侧母线电压最大值进行采样，计算获得给定转速条件下的电机功率，通过电机功率的等级判断该给定转速下直流母线电压应该输入到逆变网络的最大值或合理区间，通过不同的双向限幅电路将直流母线电压输入到逆变网络的电压值限制在该最大值之下，或合理区间内，抑制转速饱和现象的产生。
更可选地，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理，可以包括：
开启的一个限幅模块，具体可以用于检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数。
开启的一个限幅模块，具体还可以用于将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值；以及，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
例如：确定第一限幅模块至第三限幅模块中任一限幅模块电路开始工作后，可以进一步确定每个限幅模块所限定的直流母线电压的限幅值。具体地，确定低频、中频的直流母线电压的限幅值，可以根据永磁同步电机系统的功率等效原则，在不考虑摩擦损耗等条件的理想情况下，永磁同步电机的运行功率与电机的d-q轴电流、d-q轴电压之间存在如电机电功率计算公式如式(2)所示的关系：P＝1.5(udid+uqiq) (2)。
永磁同步电机的矢量控制系统通常应用最大转矩控制策略，即id＝0控制策略，应用id＝0原则以计算iq参考值。因此在电机转速饱和动态模块中进行参数计算时，应用id＝0策略之后，式(2)的数学关系表达式能够被进一步简化，简化后的数学关系表达式如式(3)所示：P＝1.5uqiq (3)。
在永磁同步电机驱动系统中，忽略电路损耗等因素，则电机运行功率与逆变器功率，即直流侧母线功率近似相等，如式(4)所示：
UdcIdc＝Pdc＝Pinv≈Pmotor＝1.5uqiq (4)。其中，Udc为直流侧母线电压，Idc为直流侧母线电流，Pdc为直流侧母线功率，Pinv为逆变器功率，Pmotor为电机功率，uq为直流侧母线电压的最大值，uq为q轴电流。一般认为在给定转速下，iq的值是确定的，通过实时转矩和给定转速计算出功率后，可以计算得到uq的值，再通过计算可以得到Udc的值，限幅电路的限幅值应在该值之下。
由此，通过利用检测获得的电机实时转矩与电机给定转速，计算出电机运行功率的等级信息；利用电机运行功率的等级信息进一步计算出电机的给定q轴电流参考值，以给定q轴电流参考值为基准确定动态幅度限制模块的幅度限制上限，可以保证速度环PI调节器的输出变量在幅度限制范围内变化而不超出控制系统的调节范围，抑制转速积分饱和现象，提高了矢量控制系统的稳定性。
更进一步可选地，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围，可以包括：
开启的一个限幅模块，具体还可以用于对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积。例如：比例计算模块用以将q轴电流参考值iqref以比例系数K放大至Kiqref，其中比例系数K根据实际的电机参数及系统控制要求进行设定。将获得的q轴参考电流输入比例计算模块，获得经比例放大后的最大参考电流。具体地，将q轴电流参考值iqref输入比例计算模块，进行比例运算即可获得转速PI调节器输出的iq*的幅度限制上限Kiqref。K为比例计算模块中的比例系数。针对不同型号与结构的永磁同步电机，比例系数K的确定方法也有所不同。在本发明方法介绍的转速饱和动态抑制模块中，根据转速频率-带宽的数学关系，比例系数K取值为2。
开启的一个限幅模块，具体还可以用于将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。例如：最大幅度限制模块，用以确定并限制转速PI调节器输出变量的上限。最大幅度限制模块的幅度限制上限，由上述等效电流计算模块输出的给定q轴电流参考值与比例系数进行乘法计算获得；当给定q轴电流参考值改变时，最大幅度限制模块的幅度限制上限将根据给定q轴电流参考值改变，以实现对幅度限制上限的动态控制。最大幅度限制模块为一种限幅电路，其以Kiqref为幅度上限，限制转速PI调节器的输出变量幅值不高于Kiqref。
其中，将最大参考电流输入最大幅度限制模块，令幅度限制模块中的限幅电路以输入的最大参考电流作为幅度限制范围的上限。幅度限制模块将使转速PI调节器的输出变量限定在转速积分饱和区之外，抑制转速积分饱和现象。具体地，将iq*的幅度限制上限输入至最大幅度限制模块中，使最大限幅电路以Kiqref为限制范围运行，限制iq*的输出范围。被限制幅度的iq*将被输入至电流环中，完成后续的控制过程。
例如：考虑到是分段进行直流母线电压的限幅，以及Udc*Idc＝1.5*Uq*Iq＝P,且Idc＝Iq。那么：
在低频段，检测最高低频时电机运行功率，在确定Iq参考值后，利用上式确定低频段的直流母线电压最高限幅值。
在中频段，检测最高中频时电机运行功率，在确定Iq参考值后，利用上式确定中频段的直流母线电压最高限幅值。
高频段电机进入弱磁，电机功率不再改变，只需要将直流母线电压限幅在整个电路系统的额定电压值或电路系统允许的最大电压值即可。
其中，q轴电流参考值在电路中只需要计算出绝对值(正向值)得到上限，不需要进行反向处理得到下限。因为需要被限制的直流母线电压是直流电压，不会出现负值，只进行直流母线电压的正向限幅即可。
另外，限幅模块限制的是直流母线电压，而不是转速PI调节器的输出iq，整个电路设计只需要知道各个档位的iq参考值，根据iq参考值计算各个档位的直流母线电压最大值，也是限幅值。
由此，通过在每个限幅模块中，以给定q轴电流参考值为基准确定动态幅度限制模块的幅度限制上限，可以抑制转速积分饱和现象，提高矢量控制系统的稳定性。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障。
根据本发明的实施例，还提供了对应于转速调节电路的一种电机调速系统。该电机调速系统可以包括：以上所述的转速调节电路。
PI调节器是一种线性控制系统，而永磁同步电机则是一种非线性、多变量、多参数的耦合型系统，在电机控制过程中，PI调节器会持续受到永磁同步电机参数变化与系统扰动的影响，其调节能力与稳定性将下降。在电机起动过程与弱磁升速过程中，PI调节器利用误差积分调节模块来消除控制系统中的静态误差，误差的累积会引起转速环与电流环积分饱和现象的出现，当积分饱和现象出现时，控制系统的控制变量进入非线性区间，PI调节器将无法使控制信号跟随给定信号，控制系统的误差增大，控制响应时间大幅度增加，甚至使电机进入失控状态。
另外，在永磁同步电机矢量控制系统的电路中，转速通过外部输入的频率信号给定，频率信号输入到控制芯片，使得控制芯片输出不同占空比的PWM信号，之后的d、q轴电流PI模块，Park正、逆变换模块，Clarke变换模块以及空间矢量脉宽调制模块，均在控制芯片中通过内部相应程序完成。在传统的实际电路中，转速通过外部输入的频率信号给定，频率信号输入到控制芯片，使得控制芯片输出不同占空比的PWM信号，控制逆变电路输出不同频率的交流电，进而使得电机以不同的转速运行。在PWM信号生成过程中起控制作用的转速PI模块、d、q轴电流PI模块，Park正、逆变换，clarke变换以及空间矢量脉宽调制模块，均在控制芯片中通过内部相应程序完成。
当永磁同步电机矢量控制系统的直流母线功率过大时，电机运行功率无法与其匹配，电机转速会持续升高，相电流也会持续增大。PI调节器不断修正电机转速，也不断修正相电流，期间会持续累积着积分误差，电机的实际转速与给定转速的差值也会相应变大。当累积的误差足够大，PI调节器无法及时对转速和电流调节，将会导致电机出现失速，转速波动失控发散，导致电机损坏。
为抑制积分饱和现象，使电机保持正常工作状态，就需要对PI调节器的输出变量进行一定的幅值限制，使PI调节器输出变量保持在合理的范围内的同时，控制系统保留一定的调节空间来处理控制变量。同时，当电机转速改变时，控制系统及其电路能够在不需要改变系统结构与系统参数的条件下，根据当前的电机转速调整PI调节器输出变量的幅值限制范围，实现对转速PI调节器输出变量的动态幅度控制，提高电机调速系统及其电路的控制性能。
在一个可选实施方式中，本发明的方案，提供一种永磁同步电机调速系统的转速饱和动态抑制电路，可以通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障。
可选地，本发明的方案，利用模拟乘法器，根据电机的给定转速与实际负载转矩计算出当前转速条件下，电机应有的运行功率，进而计算得出当前给定转速下直流母线电压的最大值；根据直流母线电压的最大值调节直流母线电压输出幅度限制范围，实现电机调速系统对电机转速的全频段动态饱和抑制，使得电机转速能够被准确控制。从而，解决了永磁同步电机矢量控制系统及其电路中，转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围无法根据转速变化进行调整而导致的电机转速不能被准确控制的问题，实现转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围能够根据转速变化进行调整，使得电机转速能被准确控制。
可选地，本发明的方案，通过电压比较器和限幅电路限制当前给定转速下直流母线电压的幅度范围，使得PI调节器在调节电机转速时不会累积积分误差，可以解决电机因为积分饱和而失控的问题，即解决永磁同步电机矢量控制系统及其电路中因转速积分饱和现象产生的误差而导致的电机失控问题，避免电机因为积分饱和而失控。
在一个可选具体实施方式中，可以结合图2和图3所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。
本发明的方案提供的一种永磁同步电机矢量控制系统的转速饱和动态抑制电路，通过在给定转速条件下，通过对永磁同步电机转子的实时转矩与直流侧母线电压最大值进行采样，计算获得给定转速条件下的电机功率，通过电机功率的等级判断该给定转速下直流母线电压应该输入到逆变网络的最大值或合理区间，通过不同的双向限幅电路将直流母线电压输入到逆变网络的电压值限制在该最大值之下，或合理区间内，抑制转速饱和现象的产生。
在一个可选例子中，本发明的方案提供的一种永磁同步电机矢量控制系统的转速饱和动态抑制电路，主要可以由乘法器、电压比较器及电压比较器的配套电路、译码器、若干三极管、若干限幅电路组成。
图2为本发明的电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的转速饱和动态抑制电路的结构示意图。如图2所示，永磁同步电机矢量控制系统的转速饱和动态抑制电路，可以包括：乘法器，第一至第四电阻(如第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4)，电压比较器，译码器，第一至第三开关管，第一至第三限幅模块，以及逆变电路。第一至第三开关管开关管优选可以是三极管，如第一三极管VT1、第二三极管VT2和第三三极管VT3。三极管可以使用IGBT或者MOSFET代替。
其中，乘法器的第一输入端可以用于输入电机的实时转矩Te，乘法器的第二输入端可以用于输入通过频率信号给出的电机给定转速ω。乘法器的输出端经第一电阻R1后输入至电压比较器的第一输入端即IN1端，乘法器的输出端经第二电阻R2后输入至电压比较器的第二输入端即IN2端，乘法器的输出端还连接至电压比较器的电源端即VDD端。电压比较器的第一输入端即IN1端经第三电阻R3后接地即连接至GND端，电压比较器的第二输入端即IN2端经第四电阻R4后接地即连接至GND端，电压比较器的GND端接地。电压比较器的第一输出端即OUT1端连接至译码器的第一输入端，电压比较器的第二输出端即OUT2端连接至译码器的第二输入端。译码器的En端接电源VCC。译码器的第一输出端即D1端连接至第一三极管VT1的基极(如V1端)，译码器的第二输出端即D2端连接至第二三极管VT2的基极(如V2端)，译码器的第三输出端即D3端连接至第三三极管VT3的基极(如V3端)，第一三极管VT1、第二三极管VT2和第三三极管VT3的发射极均连接至直流母线电压即连接至DCP端。第一三极管VT1的集电极(如VL端)经第一限幅模块后连接至逆变电路，第二三极管VT2的集电极(如VM端)经第二限幅模块后连接至逆变电路，第三三极管VT3的集电极(如VH端)经第三限幅模块后连接至逆变电路。
工作时，乘法器，将实时转矩和给定转速相乘，并输出代表功率等级的代表功率的电压值Vo，该代表功率的电压值Vo输入到电压比较器进行处理。
进一步地，电压比较器，能够根据输入代表功率的电压值Vo水平的不同，输出至少两种不同的输出信号，该输出信号可以让译码器识别并处理。
进一步地，电压比较器的输出信号，输入到译码器进行处理，判断并导通三极管，该三极管处于共集电极电路状态(如处于射极跟随器状态)，发射极输入直流母线电压(即DCP)，集电极输出直流母线电压并连接一个限幅电路。
进一步地，限幅电路，作用是将母线电压限制在某个确定值以下或某个合理的区间内，该限幅电路的输出连接了逆变电路。若送至逆变电路的电压在该确定值以下或合理区间内，可以使得无论逆变电路输入到电机的电流值是怎样的合理电流，电机转速都不会饱和。
图3为本发明的电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的转速饱和动态抑制电路的工作流程示意图。结合图2和图3所示的例子，电机调速系统(如永磁同步电机调速系统)的转速饱和动态抑制电路的工作流程，可以包括：
步骤1、采集乘法器的输入参数：电机的实时转矩Te，通过频率信号给出的电机给定转速ω。将这两个采集到的值输入乘法器(如将电机的实时转矩Te输入乘法器的第一输入端、并将通过频率信号给出的电机给定转速ω输入乘法器的第二输入端)进行相乘，乘法器的输出端输出代表功率的电压值Vo。例如：电机的实时转矩Te和过频率信号给出的电机给定转速ω的乘积，为电机的运行功率，具体可以采用电机运行时机械功率计算公式如式(1)进行计算，将电机运行时机械功率P作为代表功率的电压值Vo。
P＝ω×Te (1)。
步骤2、通过预先设定好的电压比较器，判断代表功率的电压值Vo的电压等级。由于电机的实时转矩变化很小，代表功率的电压值Vo的等级可以反映当前给定转速的等级是低频、中频还是高频。如果电压比较器判断当前Vo等级反映了电机是低频运行，则在其2个或多个输出端输出一种高低电平信号；b、如果判断当前Vo等级反映电机是中频频，则输出第二种高低电平信号；c、如果判断当前Vo等级反映电机是高频运行，则输出第三种高低电平信号。电压比较器输出的高低电平信号可以反映电机运行频率等级，且这种信号可以被译码器识别并处理。
具体地，代表功率的电压值Vo经过第一电阻R1和第三电阻R3分压，得到第一电压值。代表功率的电压值Vo又经过与第一电阻R1、第三电阻R3阻值不同的第二电阻R2、第四电阻R4分压，得到第二分压值。两个不同的电压值(即第一分压值和第二分压值)分别对应输入到电压比较器的第一输入端即IN1端和电压比较器的第二输入端即IN2端，电压比较器将这两个不同的电压值和设定的基准值进行比较，以判断输入的代表功率的电压值Vo等级反应了较小功率(如第一档功率)、较大功率(如第三档功率)、或者是处于较小功率和较大功率之间的中间功率(如第二档功率)。第一档功率、第二档功率和第三档功率的功率值，依次增大。
其中，分压是为了将Vo按比例调整成为不同层次的电压值让电压比较器进行功率确认，两组分压电阻的阻值比例不同。
可选地，若判断输入的代表功率的电压值Vo等级反映了较小功率，即反映了电机当前应处于低频运行状态，则在电压比较器的第一输出端即OUT1端输出高电平，电压比较器的第二输出端即OUT2端输出高电平，可以用信号(1，1)表示。
步骤3、将反映电机运行频率等级的高低电平信号输入译码器，译码器判断并输出信号，选择导通其后的多个三极管之一。这些三极管发射极连接直流母线，集电极连接限幅电路，三极管被设置成射极跟随器，导通后集电极的输出电压为发射极的输入电压，可以当做电路开关使用，控制限幅电路是否工作。
例如：电压比较器的输出信号(1，1)，输入到译码器(如可以选用2-4译码器)中，2-4译码器选择第一输出端即D1端输出高电平信号，其余输出端(如第二输出端即D2端、第三输出端即D3端)为低电平。连接译码器第一输出端即D1端的第一三极管VT1被导通，第一限幅模块如低频限幅电路开始工作。
例如：电机低压运行时，电压比较器输出(1,1)，电机中频运行时输出(1,0)，电机高频运行时输出(0,0)。值得注意的是，低频时输出信号和高频时的输出信号在该解释下的电路中一定是对立存在的，(0,0)和(1,1)的对立，不指定分配。中频的输出根据电压比较器的实际选择有所不同，但也只在(1,0)和(0,1)中选取。
步骤4、确定第一限幅模块至第三限幅模块中任一限幅模块电路开始工作后，可以进一步确定每个限幅模块所限定的直流母线电压的限幅值。
具体地，确定低频、中频的直流母线电压的限幅值，可以根据永磁同步电机系统的功率等效原则，在不考虑摩擦损耗等条件的理想情况下，永磁同步电机的运行功率与电机的d-q轴电流、d-q轴电压之间存在如电机电功率计算公式如式(2)所示的关系：
P＝1.5(udid+uqiq) (2)。
永磁同步电机的矢量控制系统通常应用最大转矩控制策略，即id＝0控制策略，应用id＝0原则以计算iq参考值。因此在电机转速饱和动态模块中进行参数计算时，应用id＝0策略之后，式(2)的数学关系表达式能够被进一步简化，简化后的数学关系表达式如式(3)所示：
P＝1.5uqiq (3)。
在永磁同步电机驱动系统中，忽略电路损耗等因素，则电机运行功率与逆变器功率，即直流侧母线功率近似相等，如式(4)所示：
UdcIdc＝Pdc＝Pinv≈Pmotor＝1.5uqiq (4)。
其中，Udc为直流侧母线电压，Idc为直流侧母线电流，Pdc为直流侧母线功率，Pinv为逆变器功率，Pmotor为电机功率，uq为直流侧母线电压的最大值，uq为q轴电流。
一般认为在给定转速下，iq的值是确定的，通过实时转矩和给定转速计算出功率后，可以计算得到uq的值，再通过计算可以得到Udc的值，限幅电路的限幅值应在该值之下，可以根据限幅值设计限幅电路。
例如：参见图9所示的例子，限幅电路可以包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第五电阻R5、第六电阻R6。第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极连接，第一二极管D1的阴极经第五电阻R5后接第一电源E1的正极，第二二极管D2的阳极经第六电阻R6后接第二电源E2的正极。VA＝E1+(E2-E1)÷(R5+R6)×R5，考虑二极管压降作用，当输入正弦波信号时，如果ui≤VA+0.7V，输出波形为一条直线，输出电压为uo＝VA+0.7V；如果VA+0.7V＜ui≤E2，输出波形与输入波形一致，输出电压等于输入电压uo＝ui；如果ui＞E2，输出波形为一条直线，输出电压为uo＝E2，限幅电路的输出波形幅度与限幅电平的取值有关系。E2是电压上限，E1可以作为电压下限。当输入直流信号时，如果ui≤VA+0.7，输出被限制在VA+0.7V以下；若VA+0.7≤ui≤VB，输出不变；若VB≤ui，输出uo＝E2。
步骤5、直流母线电压通过限幅电路后输入到逆变电路，完成电机的三相输入。
具体地，直流母线电压经过设计成射极跟随器的三极管(如第一三极管VT1、第二三极管VT2或第三三极管VT3)导入到限幅电路(如第一限幅模块、第二限幅模块或第三限幅模块)，再输入到逆变电路，完成永磁同步电机的三相输入。
由于本实施例的电机调速系统所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过电压比较器和限幅电路限制当前给定转速下直流母线电压的幅度范围，使得PI调节器在调节电机转速时不会累积积分误差，可以避免电机因为积分饱和而失控，提升电机运行的稳定性和安全性。
根据本发明的实施例，还提供了对应于电机调速系统的一种电机调速系统的转速调节方法，如图4所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该电机调速系统的转速调节方法可以应用在电机调速系统尤其是永磁同步电机调速系统中，具体可以设置在由速度环和电流环构成的双闭环电机矢量控制系统中的速度环中，位于双闭环电机矢量控制系统中转速PI调节器的输出端，如在转速PI调节器的输出端添加了应用本发明的电机转速饱和动态抑制方案的转速饱和动态抑制模块。在转速环中，转速环闭环误差跟踪反馈单元与转速PI调节器配合设置。永磁同步电机调速系统的电机调速系统的转速调节方法，可以包括：步骤S110至步骤S140。
步骤S110，在由速度环和电流环构成的双闭环电机矢量控制系统中的速度环中，如在电机矢量控制系统的速度环中，获取电机给定转速和电机实时转矩。例如：采集乘法器的输入参数：电机的实时转矩Te，通过频率信号给出的电机给定转速ω。
步骤S120，根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息。
可选地，步骤S120中根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，可以包括：将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到可以用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息。
其中，至少两个等级信息，可以包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息。第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
例如：乘法器，将实时转矩和给定转速相乘，并输出代表功率等级的代表功率的电压值Vo，该代表功率的电压值Vo输入到电压比较器进行处理。
例如：将采集到的电机的实时转矩Te、以及通过频率信号给出的电机给定转速ω，输入乘法器(如将电机的实时转矩Te输入乘法器的第一输入端、并将通过频率信号给出的电机给定转速ω输入乘法器的第二输入端)进行相乘，乘法器的输出端输出代表功率的电压值Vo。例如：电机的实时转矩Te和过频率信号给出的电机给定转速ω的乘积，为电机的运行功率，具体可以采用电机运行时机械功率计算公式如式(1)进行计算，将电机运行时机械功率P作为代表功率的电压值Vo：P＝ω×Te (1)。
例如：利用模拟乘法器，根据电机的给定转速与实际负载转矩计算出当前转速条件下，电机应有的运行功率，进而计算得出当前给定转速下直流母线电压的最大值；根据直流母线电压的最大值调节直流母线电压输出幅度限制范围，实现电机调速系统对电机转速的全频段动态饱和抑制，使得电机转速能够被准确控制。从而，解决了永磁同步电机矢量控制系统及其电路中，转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围无法根据转速变化进行调整而导致的电机转速不能被准确控制的问题，实现转速PI调节器输出端幅度限制模块的幅度限制范围能够根据转速变化进行调整，使得电机转速能被准确控制。
由此，通过将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘的结果作为电机运行功率的等级信息，可以得到在给定转速下的电机功率信息，以根据电机功率信息对转速PI调速器的输出变量进行分档调节，可以在电机功率信息下合理地调节转速PI调速器的输出变量，合理抑制转速饱和现象的出现。
以及，步骤S130，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息。
可选地，步骤S130中根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图5所示本发明的方法中确定限幅范围的档位信息的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S130中确定限幅范围的档位信息的具体过程，可以包括：步骤S210至步骤S230。
步骤S210，根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值。
步骤S220，根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值。第二分压方式与第一分压方式的分压比例不同，分压比例可以通过在每个分压模块中设置阻值不同的分压电阻来实现。
步骤S230，将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息。
其中，所述至少两个档位信息，可以包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。若比较结果属于第一设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第一档位信息；若比较结果属于第二设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第二档位信息；若比较结果属于第三设定阈值范围，则确定限幅范围的档位信息为第三档位信息。
例如：电压比较器，能够根据输入代表功率的电压值Vo水平的不同，输出至少两种不同的输出信号，该输出信号可以让译码器识别并处理。如通过预先设定好的电压比较器，判断代表功率的电压值Vo的电压等级；由于电机的实时转矩变化很小，代表功率的电压值Vo的等级可以反映当前给定转速的等级是低频、中频还是高频。
例如：代表功率的电压值Vo经过第一电阻R1和第三电阻R3分压，得到第一电压值。代表功率的电压值Vo又经过与第一电阻R1、第三电阻R3阻值不同的第二电阻R2、第四电阻R4分压，得到第二分压值。两个不同的电压值(即第一分压值和第二分压值)分别对应输入到电压比较器的第一输入端即IN1端和电压比较器的第二输入端即IN2端，电压比较器将这两个不同的电压值和设定的基准值进行比较，以判断输入的代表功率的电压值Vo等级反应了较小功率(如第一档功率)、较大功率(如第三档功率)、或者是处于较小功率和较大功率之间的中间功率(如第二档功率)。第一档功率、第二档功率和第三档功率的功率值，依次增大。如若判断输入的代表功率的电压值Vo等级反映了较小功率，即反映了电机当前应处于低频运行状态，则在电压比较器的第一输出端即OUT1端输出高电平，电压比较器的第二输出端即OUT2端输出高电平，可以用信号(1，1)表示。
由此，通过第一分压模块、第二分压模块和电压比较器，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，可以得到不同给定转速下的限幅范围的档位信息，可靠且精准。
步骤S140，通过限幅单元，选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，以将转速PI调节器的输出变量控制在所述档位信息所对应的幅度限制范围内。
其中，所述等级信息，可以包括：至少两个等级信息。所述档位信息，可以包括：至少两个档位信息。所述档位信息所对应的幅度限制范围，可以包括：至少两个幅度限制范围。每个等级信息，对应有一个档位信息。每个档位信息，对应有一个幅度限制范围。
例如：为抑制积分饱和现象，使电机保持正常工作状态，就需要对PI调节器的输出变量进行一定的幅值限制，通过检测当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，使PI调节器输出变量保持在合理的范围内的同时，控制系统保留一定的调节空间来处理控制变量，可以保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障。
由此，通过确定当前转速下的电机运行功率，在不同的功率等级下对转速PI调节器的输出变量进行不同的限幅，如在不同的功率等级下对直流母线电压输入到逆变电路的电压进行不同的限幅，可以保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障，有利于保障电机运行的可靠性和安全性。
可选地，所述限幅单元，可以包括：至少两个限幅模块。
相应地，步骤S140中选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图6所示本发明的方法中在所述档位信息所对应的幅度限制范围内对直流母线电压的幅度进行限制的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S140中在所述档位信息所对应的幅度限制范围内对直流母线电压的幅度进行限制的具体过程，可以包括：步骤S310至步骤S330。
步骤S310，确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出可以用于选通信号。所述选通信号，可以用于在限幅单元中的第一限幅模块、第二限幅模块和第三限幅模块中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块。
例如：如果电压比较器判断当前Vo等级反映了电机是低频运行，则在其2个或多个输出端输出一种高低电平信号；b、如果判断当前Vo等级反映电机是中频频，则输出第二种高低电平信号；c、如果判断当前Vo等级反映电机是高频运行，则输出第三种高低电平信号。电压比较器输出的高低电平信号可以反映电机运行频率等级，且这种信号可以被译码器识别并处理。
例如：将反映电机运行频率等级的高低电平信号输入译码器，译码器判断并输出信号，选择导通其后的多个三极管之一。如电压比较器的输出信号(1，1)，输入到译码器(如可以选用2-4译码器)中，2-4译码器选择第一输出端即D1端输出高电平信号，其余输出端(如第二输出端即D2端、第三输出端即D3端)为低电平。
步骤S320，根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启。
例如：三极管发射极连接直流母线，集电极连接限幅电路，三极管被设置成射极跟随器，导通后集电极的输出电压为发射极的输入电压，可以当做电路开关使用，控制限幅电路是否工作。如连接译码器第一输出端即D1端的第一三极管VT1被导通，第一限幅模块如低频限幅电路开始工作。
步骤S330，通过限幅单元，在基于所述选通信号开启一个限幅模块的情况下，利用开启的一个限幅模块，使电机矢量控制系统的直流母线电压通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出，如之后再输出至电机的逆变电路，以调节转速环中转速PI调节器的输出变量在该限幅模块的幅度限制范围，实现动态抑制电机升速过程中产生的转速饱和现象。
例如：直流母线电压通过限幅电路后输入到逆变电路，完成电机的三相输入。直流母线电压经过设计成射极跟随器的三极管(如第一三极管VT1、第二三极管VT2或第三三极管VT3)导入到限幅电路(如第一限幅模块、第二限幅模块或第三限幅模块)，再输入到逆变电路，完成永磁同步电机的三相输入。
由此，通过在给定转速条件下，对永磁同步电机转子的实时转矩与直流侧母线电压最大值进行采样，计算获得给定转速条件下的电机功率，通过电机功率的等级判断该给定转速下直流母线电压应该输入到逆变网络的最大值或合理区间，通过不同的双向限幅电路将直流母线电压输入到逆变网络的电压值限制在该最大值之下，或合理区间内，抑制转速饱和现象的产生。
更可选地，步骤S330中通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图7所示本发明的方法中使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S330中使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理的具体过程，可以包括：步骤S410至步骤S430。
步骤S410，检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数。
步骤S420，将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值。
以及，步骤S430，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
例如：确定第一限幅模块至第三限幅模块中任一限幅模块电路开始工作后，可以进一步确定每个限幅模块所限定的直流母线电压的限幅值。具体地，确定低频、中频的直流母线电压的限幅值，可以根据永磁同步电机系统的功率等效原则，在不考虑摩擦损耗等条件的理想情况下，永磁同步电机的运行功率与电机的d-q轴电流、d-q轴电压之间存在如电机电功率计算公式如式(2)所示的关系：P＝1.5(udid+uqiq) (2)。
永磁同步电机的矢量控制系统通常应用最大转矩控制策略，即id＝0控制策略，应用id＝0原则以计算iq参考值。因此在电机转速饱和动态模块中进行参数计算时，应用id＝0策略之后，式(2)的数学关系表达式能够被进一步简化，简化后的数学关系表达式如式(3)所示：P＝1.5uqiq (3)。
在永磁同步电机驱动系统中，忽略电路损耗等因素，则电机运行功率与逆变器功率，即直流侧母线功率近似相等，如式(4)所示：
UdcIdc＝Pdc＝Pinv≈Pmotor＝1.5uqiq (4)。其中，Udc为直流侧母线电压，Idc为直流侧母线电流，Pdc为直流侧母线功率，Pinv为逆变器功率，Pmotor为电机功率，uq为直流侧母线电压的最大值，uq为q轴电流。一般认为在给定转速下，iq的值是确定的，通过实时转矩和给定转速计算出功率后，可以计算得到uq的值，再通过计算可以得到Udc的值，限幅电路的限幅值应在该值之下。
由此，通过利用检测获得的电机实时转矩与电机给定转速，计算出电机运行功率的等级信息；利用电机运行功率的等级信息进一步计算出电机的给定q轴电流参考值，以给定q轴电流参考值为基准确定动态幅度限制模块的幅度限制上限，可以保证速度环PI调节器的输出变量在幅度限制范围内变化而不超出控制系统的调节范围，抑制转速积分饱和现象，提高了矢量控制系统的稳定性。
更进一步可选地，步骤S430中通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围的具体过程，可以参见以下示例性说明。
下面结合图8所示本发明的方法中确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围的一实施例流程示意图，进一步说明步骤S430中确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围的具体过程，可以包括：步骤S510至步骤S540。
步骤S510，对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积。例如：比例计算模块用以将q轴电流参考值iqref以比例系数K放大至Kiqref，其中比例系数K根据实际的电机参数及系统控制要求进行设定。将获得的q轴参考电流输入比例计算模块，获得经比例放大后的最大参考电流。具体地，将q轴电流参考值iqref输入比例计算模块，进行比例运算即可获得转速PI调节器输出的iq*的幅度限制上限Kiqref。K为比例计算模块中的比例系数。针对不同型号与结构的永磁同步电机，比例系数K的确定方法也有所不同。在本发明方法介绍的转速饱和动态抑制模块中，根据转速频率-带宽的数学关系，比例系数K取值为2。
步骤S520，将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。例如：最大幅度限制模块，用以确定并限制转速PI调节器输出变量的上限。最大幅度限制模块的幅度限制上限，由上述等效电流计算模块输出的给定q轴电流参考值与比例系数进行乘法计算获得；当给定q轴电流参考值改变时，最大幅度限制模块的幅度限制上限将根据给定q轴电流参考值改变，以实现对幅度限制上限的动态控制。最大幅度限制模块为一种限幅电路，其以Kiqref为幅度上限，限制转速PI调节器的输出变量幅值不高于Kiqref。
其中，将最大参考电流输入最大幅度限制模块，令幅度限制模块中的限幅电路以输入的最大参考电流作为幅度限制范围的上限。幅度限制模块将使转速PI调节器的输出变量限定在转速积分饱和区之外，抑制转速积分饱和现象。具体地，将iq*的幅度限制上限分别输入至最大幅度限制模块与最小幅度限制模块中，使最大限幅电路以Kiqref为限制范围运行，限制iq*的输出范围。被限制幅度的iq*将被输入至电流环中，完成后续的控制过程。
由此，通过在每个限幅模块中，以给定q轴电流参考值为基准确定动态幅度限制模块的幅度限制上限，可以抑制转速积分饱和现象，提高矢量控制系统的稳定性。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电机调速系统的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过在保证电机的转速不会进入饱和导致电机故障的前提下，当电机转速改变时，在不需要改变系统结构与系统参数的条件下，根据当前的电机转速调整PI调节器输出变量的幅值限制范围，实现对转速PI调节器输出变量的动态幅度控制，使得电机转速能被准确控制，有利于提高电机调速系统及其电路的控制性能。
综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种转速调节电路，其特征在于，包括：采集单元、确定单元和调节单元；其中，
所述采集单元，用于获取电机给定转速和电机实时转矩；
所述确定单元，用于根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息；以及，
根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息；
所述调节单元，用于选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制；所述调节单元，包括：译码器、开关单元和限幅单元；所述限幅单元，包括：至少两个限幅模块；所述调节单元选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，包括：所述译码器，用于确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出用于选通信号；所述选通信号，用于在所述限幅单元中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块；所述开关单元，用于根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启；所述限幅单元，用于利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出；
其中，所述等级信息，包括：至少两个等级信息；所述档位信息，包括：至少两个档位信息；所述档位信息所对应的幅度限制范围，包括：至少两个幅度限制范围。
2.根据权利要求1所述的转速调节电路，其特征在于，所述确定单元，包括：乘法器；
所述确定单元根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，包括：
所述乘法器，用于将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息；
其中，至少两个等级信息，包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息；第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
3.根据权利要求1所述的转速调节电路，其特征在于，所述确定单元，还包括：第一分压模块、第二分压模块和电压比较器；
所述确定单元根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，包括：
第一分压模块，用于根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值；
第二分压模块，用于根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值；
电压比较器，用于将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息；
其中，所述至少两个档位信息，包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。
4.根据权利要求1所述的转速调节电路，其特征在于，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理，包括：
检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数；
将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值；以及，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
5.根据权利要求4所述的转速调节电路，其特征在于，所述限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围，包括：
对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积；
将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
6.一种电机调速系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任一项所述的转速调节电路。
7.一种如权利要求6所述的电机调速系统的转速调节方法，其特征在于，包括：
获取电机给定转速和电机实时转矩；
根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息；以及，
根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息；
通过限幅单元，选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制；所述限幅单元，包括：至少两个限幅模块；选择所述档位信息所对应的幅度限制范围，并在所述档位信息所对应的幅度限制范围内，对直流母线电压的幅度进行限制，包括：确定与所述档位信息所对应的幅度限制范围；以及，根据与所述档位信息所对应的幅度限制范围，输出用于选通信号；所述选通信号，用于在限幅单元中，选通一个与所述档位信息所对应的幅度限制范围对应的限幅模块；根据所述选通信号，控制所述限幅单元中的一个限幅模块开启；通过限幅单元，利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理后再输出；
其中，所述等级信息，包括：至少两个等级信息；所述档位信息，包括：至少两个档位信息；所述档位信息所对应的幅度限制范围，包括：至少两个幅度限制范围。
8.根据权利要求7所述的电机调速系统的转速调节方法，其特征在于，根据所述电机实时转矩和所述电机给定转速，确定电机运行功率的等级信息，包括：
将所述电机实时转矩和所述电机给定转速相乘，得到用于代表电机运行功率的功率等级的电压信息，作为电机运行功率的等级信息；
其中，至少两个等级信息，包括：第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息；第一等级信息、第二等级信息和第三等级信息所代表的电机运行功率，依次增大。
9.根据权利要求7所述的电机调速系统的转速调节方法，其特征在于，根据所述电机运行功率的等级信息，确定限幅范围的档位信息，包括：
根据第一分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第一分压处理，得到第一分压值；
根据第二分压方式，对所述电机运行功率的等级信息进行第二分压处理，得到第二分压值；
将所述第一分压值、所述第二分压值与设定的基准电压值进行比较，得到比较结果，并根据所述比较结果确定限幅范围的档位信息；
其中，所述至少两个档位信息，包括：第一档位信息、第二档位信息和第三档位信息。
10.根据权利要求7所述的电机调速系统的转速调节方法，其特征在于，通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，使直流母线电压的幅度通过该限幅模块的幅度限制范围进行幅度限制处理，包括：
检测电机调速系统的直流侧母线电压的最大值，得到直流母线电压最大值；对所述直流母线电压最大值进行取倒数和比例计算处理，得到带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数；
将所述电机运行功率的等级信息、以及所述带比例系数的直流侧母线电压最大值的倒数的乘积，确定为电机在所述电机给定转速下的给定q轴电流参考值；以及，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
11.根据权利要求10所述的电机调速系统的转速调节方法，其特征在于，通过限幅单元利用开启的一个限幅模块，以所述给定q轴电流参考值为基准，确定转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围，包括：
对所述给定q轴电流参考值与设定比例系数进行乘积，得到所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积；
将所述给定q轴电流参考值与设定比例系数的乘积，作为转速PI调节器的输出变量的幅度限制范围。
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