CN113179053A - 一种同步电机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种同步电机控制系统及控制方法，同步电机控制系统包括一个负载检测处理模块、一个转速检测处理模块、一个载波频率监测处理模块、一个控制驱动器、一个存储模块；负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输入端分别与电机相连，负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输出端分别与控制驱动器的输入端相连，控制驱动器的输出端与电机相连。该系统能够根据电机的运行状态，在不同阶段以及不同转速下，不同的负载下，采用不同的载波频率以及参数来精准控制电机，可以减少电机的抖动，降低功率器件损坏的风险，延长电机的使用寿命。

Description

一种同步电机控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种同步电机控制系统及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，以及电器设备技术的迅速发展，电机成为了各个电气设备必须参与的执行机构，节能增效也成为了电器设备行业的发展趋势。

电机分为异步电机和同步电机，由于半导体技术的迅速发展，变频调速技术得到不断的完善和提高，逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在异步电机上得到广泛应用。

然而对于同步电机的控制，依旧都是分析直流无刷的方波控制和矢量控制技术的具体实现，亦或是增加滑膜控制，PLL控制等。然而现有的方波控制和空间矢量控制都没有做到变频控制，都是以一定的载波频率去运行。或者有的地方分析了变频控制同步电机，但是方法落后，不能精准的分析出每个频段的特性，以及不能在不同阶段进行平滑的转化，使驱动模块容易出现故障，或出现电机的抖动。其次，相同的载波频率，容易使不同阶段的功率器件的损害更大，导致功率器件损坏，造成了成本的升高和能效的降低。再次，根据电机的载荷不同，电机的控制方法也没有相应的调整。比如在现用的电动汽车控制中，通常采用的频率是10K，当汽车处于高速运行时，电机的开关次数和低速运行时的开关速度一样，这就容易使功率器件经常开关，导致器件损坏。

因此针对这一现状，迫切需要设计和生产一种同步电机控制系统及控制方法，以解决现有技术中驱动模块容易出现故障，电机容易抖动，导致功率器件损坏的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种同步电机控制系统，使用该系统可以减少电机的抖动，降低功率器件损坏的风险，延长电机的使用寿命。

本发明的目的之二在于提供一种同步电机控制方法，该方法应用于以上所述的同步电机控制系统中，能够根据电机的运行状态，在不同阶段以及不同转速下，不同的负载下，采用不同的载波频率以及参数来精准控制电机，减少电机的抖动，降低了功率器件损坏的风险，延长了电机的使用寿命。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种同步电机控制系统，包括一个负载检测处理模块、一个转速检测处理模块、一个载波频率监测处理模块、一个控制驱动器、一个存储模块；

所述负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输入端分别与所述电机相连，所述负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输出端分别与控制驱动器的输入端相连，控制驱动器的输出端与所述电机相连，且控制驱动器与存储模块相连。

作为优选，所述负载检测处理模块包含负载检测传感器及负载处理器，所述负载检测传感器信号输入端与电机连接，负载检测传感器信号输出端与负载处理器信号输入端相连，负载处理器信号输出端与控制驱动器相连。

一种同步电机控制方法，应用于以上任一项所述的同步电机控制系统，同步电机控制方法包括以下步骤：

S1、检测电机的负载及转速；

S2、计算出当前负载下的电机载波频率；

S3、根据步骤S2计算出的载波频率对电机进行控制及驱动；

S4、判断电机的负载是否有变化，如果有变化，则记录当前变化的负载及转速，同时跳转到步骤S2，如果没有变化，直接跳转到步骤S5；

S5、降低电机运行的载波频率，找到在此负载情况下，电机启动的最小载波频率，并对此最小载波频率进行存储；

S6、按照此时负载下，此速度下，最小载波频率进行运行，同时检测目前实时的载波频率；

S7、计算实时的载波频率与最小载波频率之间的偏差值，并将该偏差值与载波频率误差阈值进行比较，判断偏差值是否在载波频率误差阈值内，如果没在，则执行步骤S8，如果在，则执行步骤S9；

S8，对最小载波频率值进行调整，之后返回执行步骤S6；

S9、按照一定比例的阈值阶梯降低或者提高速度，当速度稳定后，执行步骤S10；

S10、计算当前速度下的载波频率，同时跳转到步骤S5，直至计算出各个速度阶段的载波频率。

作为优选，步骤S2中，当前负载下的电机载波频率计算公式(1)如下：

其中，P_PWM为当前负载下的电机载波频率，a为负载系数，T为负载，N为电机的转速。

作为优选，在步骤S7中，载波频率误差阈值根据公式(2)进行计算得出，

P_min＝(∑P_n1-∑P_n2)/N (2)

其中，P_min为载波频率误差阈值，N为采集次数，∑P_n1为上一次采集的总和，∑P_n2为下一次采集的总和。

作为优选，在步骤S9中，加减速的阈值通过公式(3)计算得出，

n_min＝b*log sin T*P_PWM (3)

其中，n_min为加减速的阈值，T为负载，b为负载常数，P_PWM为当前负载下的电机载波频率。

作为优选，加减速的阈值取值为5％。

作为优选，在步骤S5中，所述最小载波频率的确定方法如下：

由控制驱动器根据当前的负载，在确定一个载波频率之后，按照1％的速度降低载波频率，当某一时刻，不能启动电机，则开始按照0.2％的速度曾加载波频率，当电机启动时，再按照0.05％的速度降低载波频率，当再次不能启动电机时，按照0.01％的速度曾加载波频率，此时若电机可以启动，则作为最小载波频率。

作为优选，载波频率按照0.01％进行加减变化。

本发明的有益效果是：

(1)本方案公开了一种同步电机控制系统及控制方法，能够根据电机的运行状态，在不同阶段以及不同转速下，不同的负载下，采用不同的载波频率以及参数来精准控制电机，同时可以对每个阶段的载波进行平滑的转变，减少电机的抖动，极大地优化了电机整体性能以及极大地减少了电机的整体功耗，延长了电机的使用寿命，提升了功率器件的使用次数，满足研发和产品的要求，降低了研发的成本。

(2)本方案设计出了负载、转速及载波频率的关系模型，有利于电机载波频率的计算，提高了电机的性能，降低了电机的功耗。

(3)本方案采用了载波频率误差阈值的计算方法，提高了对载波频率计算的精度以及增加了电机的寿命和功率器件的使用次数。

(4)本方案建立了加减速的阈值的方法，可以对每个阶段的载波进行平滑的转变，减少电机的抖动，极大地优化了电机整体性能。

(5)本方案使用了最小载波频率设计思路和方法，有利于精确的计算出最合适的最小载波频率，提升了电机的控制能力。

附图说明

图1是本实施例提供的同步电机控制系统的结构示意图；

图2是本实施例提供的同步电机控制方法流程图。

图中：

1、电机；2、转速检测处理模块；3、负载检测处理模块；4、载波频率监测处理模块；5、控制驱动器；6、存储模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

装置实施例

如图1所示，本实施例提供的一种同步电机控制系统，其包括一个负载检测处理模块3、一个转速检测处理模块2、一个载波频率监测处理模块4、一个控制驱动器5、一个存储模块6。负载检测处理模块3、转速检测处理模块2、载波频率监测处理模块4的输入端分别与所述电机1相连，负载检测处理模块3、转速检测处理模块2、载波频率监测处理模块4的输出端分别与控制驱动器5的输入端相连，控制驱动器5的输出端与所述电机1相连，且控制驱动器5与存储模块6相连。

信号在该系统中的流向与图1中箭头方向一致。负载检测处理模块3用于检测电机1的负载并对负载进行处理，转速检测处理模块2用于检测电机的速度并对速度进行处理，载波频率监测处理模块4用于检测电机1的实时载波频率并对载波频率进行处理。负载检测处理模块3、转速检测处理模块2及载波频率监测处理模块4将处理后的检测数据均传递给控制驱动器5，控制驱动器5分析各检测处理模块反馈的数据，并设计出合适的算法及控制方法，根据不同的负载、速度来确定用于控制电机1的载波频率。

具体的，控制驱动器5集成了各种公式和算法，采集并分析检测处理模块反馈的负载、速度、载波频率，设计出合适的算法及控制方法，根据不同的负载、速度，确定用于控制电机1的载波频率，同时根据载波频率控制电机1的运行。控制驱动器5的加入，提高了电机1的控制精度，增加了电机1的稳定性，安全性，可靠性，增加了电机1及功率器件的使用寿命，减少了电机1的抖动，提升了功率器件的使用次数，保证了电机1可以在不同阶段，不同状态下，进行不同的控制，提高了电机1的控制性能。

存储模块6主要储存电机不同阶段对应的不同载波频率参数，以及载波频率的计算方法及计算公式，同时记录一些拟合的控制曲线，还要存储一些常规的检测数据，电压电流等，提高了电机的控制效率，缩短的控制的时间。

负载检测处理模块3包含负载检测传感器及负载处理器，所述负载检测传感器信号输入端与电机1连接，负载检测传感器信号输出端与负载处理器信号输入端相连，负载处理器信号输出端与控制驱动器5相连。负载检测传感器用于检测电机1的负载，包括运行中的负载变化以及启动前的有效负载等，把检测的负载信号通过负载处理器传输给控制驱动器5，为控制驱动器5提供了有效的控制数据，有利于提高电机1的控制精度，有利于载波频率的实时调节。

转速检测处理模块2用于采集和处理电机1的转速信息，包括启动和停止时的转速以及实时的转速，有利于控制驱动器5对电机的状态进行分析，保证电机1能够在不同载波频率下，有不同的运行速度。

载波频率监测处理模块4用于检测和处理电机1的当前载波频率，传输给控制驱动器5，载波频率与负载、转速结合，使控制驱动器5能够计算出相应的当前最合适的载波频率，使各个阶段的载波频率平滑过渡，降低了电机1的抖动。

方法实施例

本申请还提供了一种同步电机控制方法，应用于以上所述的同步电机控制系统，如图2所示，同步电机控制方法包括以下步骤：

S1、负载检测处理模块3检测电机的负载，并对数据进行整理，归一化。转速检测处理模块2检测电机的转速，并对数据进行整理，归一化。

S2、控制驱动器5根据公式计算出当前负载下的电机载波频率。

S3、控制驱动器5根据步骤S2计算出的载波频率对电机1进行控制及驱动。

S4、控制驱动器5判断电机的负载是否有变化，如果有变化则记录当前变化的负载及转速，同时跳转到步骤S2，如果没有变化直接跳转到步骤S5。

S5、控制驱动器5降低电机1运行的载波频率，找到在此负载情况下，电机1启动的最小载波频率，并对此最小载波频率进行存储。

S6、电机1按照此时负载下，此速度下，最小载波频率进行运行，同时载波频率监测处理模块4检测目前实时的载波频率。

S7、控制驱动器5计算实时的载波频率与最小载波频率之间的偏差值，并将该偏差值与载波频率误差阈值进行比较，判断偏差值是否在载波频率误差阈值内，如果没在，则执行步骤S8，如果在，则执行步骤S9。

S8，控制驱动器5对最小载波频率值进行调整，之后返回执行步骤S6。

S9、控制驱动器5按照一定比例的阈值阶梯降低或者提高速度，当速度稳定后，执行步骤S10。

S10、控制驱动器5计算当前速度下的载波频率。同时跳转到步骤S5，直至计算出各个速度阶段的载波频率。

作为优选方案，步骤S2中，当前负载下的电机载波频率计算公式(1)如下：

其中，P_PWM为当前负载下的电机载波频率，a为负载系数，T为负载，N为电机的转速。

作为优选方案，步骤S7中，载波频率误差阈值是判断当前载波频率是否满足当前运行条件的依据，主要是根据公式(2)进行计算得出。所述载波频率误差阈值根据工况不同而变化。

P_min＝(∑P_n1-∑P_n2)/N (2)

其中，P_min为载波频率误差阈值，N为采集次数，∑P_n1为上一次采集的总和，∑P_n2为下一次采集的总和。

在步骤S9中，按照一定比例的阈值阶梯进行加速或者减速，其加减速的阈值按照载波频率和负载确定。优选为通过公式(3)计算得出。

n_min＝b*log sin T*P_PWM (3)

其中，n_min为加减速的阈值，每次按照这个阈值进行加速或减速，T为负载，b为负载常数，P_PWM为当前负载下的电机载波频率。

作为优选方案，加减速的阈值取值为5％，但并不局限于此。

在步骤S5中，所述最小载波频率的确定，主要由控制驱动器5根据当前的负载，在确定一个载波频率之后，逐步的降低载波频率，其降低的速度可以按照1％的速度，当某一时刻，不能启动电机1，则开始曾加载波频率。此时按照0.2％的速度往上加，当电机1启动时，再按照0.05％的速度降低载波频率，当再次不能启动电机1时，按照0.01％的速度往上加，此时若电机1可以启动，则作为最小载波频率。

在对应各个阶段的速度下，载波频率的变化应该按照0.01％，进行加减变化，有利于电机的平滑过渡。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种同步电机控制系统，其特征在于，包括一个负载检测处理模块、一个转速检测处理模块、一个载波频率监测处理模块、一个控制驱动器、一个存储模块；

所述负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输入端分别与所述电机相连，所述负载检测处理模块、转速检测处理模块、载波频率监测处理模块的输出端分别与控制驱动器的输入端相连，控制驱动器的输出端与所述电机相连，且控制驱动器与存储模块相连。

2.如权力要求1所述的同步电机控制系统，其特征在于，所述负载检测处理模块包含负载检测传感器及负载处理器，所述负载检测传感器信号输入端与电机连接，负载检测传感器信号输出端与负载处理器信号输入端相连，负载处理器信号输出端与控制驱动器相连。

3.一种同步电机控制方法，其特征在于，应用于权力要求1至2任一项所述的同步电机控制系统，同步电机控制方法包括以下步骤：

S1、检测电机的负载及转速；

S2、计算出当前负载下的电机载波频率；

S3、根据步骤S2计算出的载波频率对电机进行控制及驱动；

S4、判断电机的负载是否有变化，如果有变化，则记录当前变化的负载及转速，同时跳转到步骤S2，如果没有变化，直接跳转到步骤S5；

S5、降低电机运行的载波频率，找到在此负载情况下，电机启动的最小载波频率，并对此最小载波频率进行存储；

S6、按照此时负载下，此速度下，最小载波频率进行运行，同时检测目前实时的载波频率；

S7、计算实时的载波频率与最小载波频率之间的偏差值，并将该偏差值与载波频率误差阈值进行比较，判断偏差值是否在载波频率误差阈值内，如果没在，则执行步骤S8，如果在，则执行步骤S9；

S8，对最小载波频率值进行调整，之后返回执行步骤S6；

S9、按照一定比例的阈值阶梯降低或者提高速度，当速度稳定后，执行步骤S10；

S10、计算当前速度下的载波频率，同时跳转到步骤S5，直至计算出各个速度阶段的载波频率。

4.如权力要求3所述的同步电机控制方法，其特征在于，

步骤S2中，当前负载下的电机载波频率计算公式(1)如下：

其中，P_PWM为当前负载下的电机载波频率，a为负载系数，T为负载，N为电机的转速。

5.如权力要求3所述的同步电机控制方法，其特征在于，在步骤S7中，载波频率误差阈值根据公式(2)进行计算得出，

P_min＝(∑P_n1-∑P_n2)/N (2)

其中，P_min为载波频率误差阈值，N为采集次数，∑P_n1为上一次采集的总和，∑P_n2为下一次采集的总和。

6.如权力要求3所述的同步电机控制方法，其特征在于，在步骤S9中，加减速的阈值通过公式(3)计算得出，

n_min＝b*logsinT*P_PWM (3)

其中，n_min为加减速的阈值，T为负载，b为负载常数，P_PWM为当前负载下的电机载波频率。

7.如权力要求6所述的同步电机控制方法，其特征在于，加减速的阈值取值为5％。

8.如权力要求3所述的同步电机控制方法，其特征在于，在步骤S5中，所述最小载波频率的确定方法如下：

由控制驱动器根据当前的负载，在确定一个载波频率之后，按照1％的速度降低载波频率，当某一时刻，不能启动电机，则开始按照0.2％的速度曾加载波频率，当电机启动时，再按照0.05％的速度降低载波频率，当再次不能启动电机时，按照0.01％的速度曾加载波频率，此时若电机可以启动，则作为最小载波频率。

9.如权力要求3所述的同步电机控制方法，其特征在于，载波频率按照0.01％进行加减变化。

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