CN113595459A

CN113595459A - 弱磁电流控制方法及装置

Info

Publication number: CN113595459A
Application number: CN202110894710.3A
Authority: CN
Inventors: 王声纲; 杨正; 高向军; 唐婷婷
Original assignee: Sichuan Hongmei Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Hefei Changhong Meiling Life Electric Appliance Co ltd
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2041-08-05
Also published as: CN113595459B

Abstract

本说明书实施例提供一种弱磁电流控制方法及装置，方法包括：确定逆变器的最大输出电压值，计算所述逆变器的当前输出电压的平方；计算弱磁电压阈值的平方；判断所述当前输出电压的平方是否大于等于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则开启弱磁；计算在弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值；计算q轴电压最大值；判断所述q轴电压命令值是否大于所述q轴电压最大值；若是，则将所述q轴电压最大值作为所述q轴电压命令值，否则保持所述q轴电压命令值不变；在弱磁状态下，实时判断所述逆变器的当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则退出弱磁状态。本发明通过d轴电压来压制q轴电压，实现对弱磁状态的稳定控制。

Description

弱磁电流控制方法及装置

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及空调技术领域，尤其涉及一种弱磁电流控制方法及装置。

背景技术

现有的永磁同步电机矢量控制方法中，随着电机转速的增加，需要逆变器的输出呈线性增加。但是由于电机的转速受到三个条件的限制，一是逆变器输出的电压限制，二是定子电流空间矢量不能超出电流极限圆，三是控制电压空间矢量不能超过当前转速条件下的电压极限圆。当转速上升时，椭圆缩小。当达到任意一个限制条件时，电机转速就不能进一步提高。此时只能进入弱磁状态，但是目前没有给出具体的实现方案。

发明内容

本说明书一个或多个实施例描述了一种弱磁电流控制方法及装置。

根据第一方面，提供了一种弱磁电流控制方法，包括：

确定逆变器的最大输出电压值，并计算所述逆变器的当前输出电压的平方，所述当前输出电压的平方为当前d轴电压和当前q轴电压的平方和；

根据所述最大输出电压值，计算弱磁电压阈值的平方；

判断所述当前输出电压的平方是否大于等于所述弱磁电压阈值的平方；

若是，则开启弱磁，d轴电流进入弱磁状态；

计算在弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值；

根据所述弱磁电压阈值的平方和所述d轴电压命令值，计算q轴电压最大值；

判断所述q轴电压命令值是否大于所述q轴电压最大值；若是，则将所述q轴电压最大值作为所述q轴电压命令值，否则保持所述q轴电压命令值不变；

在弱磁状态下，实时判断所述逆变器的当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则退出弱磁状态。

根据第二方面，提供了一种弱磁电流控制装置，包括：

第一计算模块，用于确定逆变器的最大输出电压值，并计算所述逆变器的当前输出电压的平方，所述当前输出电压的平方为当前d轴电压和当前q轴电压的平方和；

第二计算模块，用于根据所述最大输出电压值，计算弱磁电压阈值的平方；

第一判断模块，用于判断所述当前输出电压的平方是否大于等于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则开启弱磁，d轴电流进入弱磁状态；

第三计算模块，用于计算在弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值；

第四计算模块，用于根据所述弱磁电压阈值的平方和所述d轴电压命令值，计算q轴电压最大值；

第二判断模块，用于判断所述q轴电压命令值是否大于所述q轴电压最大值；若是，则将所述q轴电压最大值作为所述q轴电压命令值，否则保持所述q轴电压命令值不变；

第三判断模块，用于在弱磁状态下，实时判断所述逆变器的当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则退出弱磁状态。

本说明书实施例提供的弱磁电流控制方法及装置，在弱磁状态中d轴电压命令值和弱磁电压阈值的平方计算q轴电压最大值，即通过所述d轴电压命令值计算q轴电压最大值，通过q轴电压最大值对q轴电压命令值进行限制，即通过d轴电压来压制q轴电压，以免q轴电压命令值过高，实现对弱磁状态的稳定控制，使电机在重载高速下稳定运行。而且，通过弱磁电压阈值的平方来决定是否进入或者退出弱磁状态，这里采用平方的方式可以拉开当前输出电压和弱磁电压阈值之间的差距，这样一些参数的设置相对来说就会容易很多。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本说明书一个实施例中弱磁电流控制方法的流程示意图；

图2是现有技术中永磁同步电机驱动系统的拓扑结构图；

图3是本发明一个实施例中曲线关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本说明书提供的方案进行描述。

第一方面，本发明提供一种弱磁电流控制方法，如图1所示，该方法包括如下步骤S110～S170：

S110、确定逆变器的最大输出电压值，并计算所述逆变器的当前输出电压的平方，所述当前输出电压的平方为当前d轴电压和当前q轴电压的平方和；

在具体实施时，逆变器的最大输出电压值的计算方法有多种，例如，采用第一公式计算所述最大输出电压值，所述第一公式包括：

式中，V_max为所述最大输出电压值，V_DC为所述逆变器的母线电压。

其中，逆变器的当前输出电压的平方为当前输出电压的平方为当前d轴电压和当前q轴电压的平方和，可以表示为如下公式：

可理解的是，通过逆变器的当前输出电压的平方可以反映出逆变器当前输出电压的大小。

S120、根据所述最大输出电压值，计算弱磁电压阈值的平方；

其中，弱磁电压阈值的平方可以用于决定是否开启弱磁状态或者退出弱磁状态，其计算方法有多种，下面提供两种，当然不限于如下两种方式。

(1)可以采用第二公式计算所述弱磁电压阈值的平方，所述第二公式包括：

式中，

为所述弱磁电压阈值的平方，V_max为所述最大输出电压值，A为弱磁电压阈值。

可理解的是，这里依据逆变器的最大输出电压值确定弱磁电压阈值的平方，也就是说，在决定是否进入或退出弱磁状态时依据的一个因素是逆变器的最大输出电压，通过逆变器的最大输出电压对弱磁状态的开启或退出进行一定的控制，而逆变器的最大输出电压既是一个定值又能体现逆变器的输出能力，可以保证对进入或退出弱磁状态的稳定性。

其中，弱磁电压阈值A是决定是否进入或退出弱磁状态时依据的另一个因素，该值是可以根据需要设置的，该值的大小可以决定进入或退出弱磁状态的时间，因此可以通过对弱磁电压阈值A进行调节，实现对进入或退出弱磁状态的时间进行调节。

(2)可以采用第三公式计算所述弱磁电压阈值的平方，所述第三公式包括：

式中，

为所述弱磁电压阈值的平方，V_max为所述最大输出电压值，α为弱磁电压系数。

可见，这里依据逆变器的最大输出电压值和弱磁电压系数确定弱磁电压阈值的平方，即在决定是否进入或退出弱磁状态时依据的两个因素是逆变器的最大输出电压和弱磁电压系数。通过逆变器的最大输出电压对弱磁状态的开启或退出进行控制，保证对进入或退出弱磁状态的稳定性。同时通过对弱磁电压系数进行调节，实现对进入或退出弱磁状态的时间进行调节。

可理解的是，第三公式相对于第二公式来说，其调节能力更强，可以更加快速的实现对进入或退出弱磁状态的时间进行调节。

当然，不限于上述两个公式来计算弱磁电压阈值的平方，当然也可以采用其它的方式来计算弱磁电压阈值的平方。

S130、判断所述当前输出电压的平方是否大于等于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则开启弱磁，d轴电流进入弱磁状态；

也就是说，在逆变器的当前输出电压的平方大于弱磁电压阈值的平方时，进入弱磁状态，否则不进入弱磁状态。

这里采用弱磁电压阈值的平方和当前输出电压的平方进行比较，而非直接采用弱磁电压阈值和当前输出电压进行比较，这样不仅计算方便，而且采用平方的方式更能拉开两个数据之间的差距，即当弱磁电压阈值和当前输出电压相差无几时，某些参数的不同设置，就会产生不同的判断结果，这样对参数的设置造成一定的压力。例如，弱磁电压阈值和当前输出电压比较接近，如果设置两个不同但也比较接近的弱磁电压系数，在一个弱磁电压系数下的判断结果为进入弱磁状态，而在另一个弱磁电压系数下的判断结果为不进入弱磁状态，进而后续的操作都不相同，所以设置一个合适的弱磁电压系数是比较困难的，对工作人员造成压力。而如果采用平方的方式进行比较，就会拉开两个数据之间的差距，弱磁电压系数的设置相对来说就会容易很多。

S140、计算在弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值；

在具体实施时，可以采用如下步骤S141～S143来计算在弱磁状态下的d轴电压命令值：

S141、计算电压误差值，所述电压误差值为所述弱磁电压阈值的平方与所述当前输出电压的平方之间的差值；

其中，电压误差值可以表示为

其中，ΔV为电压误差值，

为所述弱磁电压阈值的平方，V²为当前输出电压的平方。

可理解的是，由于当前输出电压的平方大于等于所述弱磁电压阈值的平方，因此电压误差值小于等于0。

S142、对所述电压误差值进行电压环的PI调节，得到d轴电流命令值；

在具体实施时，可以采用如下公式计算d轴电流命令值：

I_d＝ΔV*k_p+∫(ΔV*k_i)

式中，I_d d轴电流命令值，ΔV为电压误差值，k_p为在电压环中PI调节的比例系数，k_i为在电压环中PI调节的积分系数。

S143、对所述d轴电流命令值进行电流环的PI调节，得到d轴电压命令值。

在具体实施时，可以采用如下公式计算d轴电压命令值：

V_d＝I_d*k_idp+∫(I_d*k_idi)

式中，V_d为d轴电压命令值，I_d为d轴电流命令值，k_idp为在电流环中PI调节的比例系数，k_idi为在电流环中PI调节的积分系数。

通过上述方式计算在弱磁状态下的d轴电压命令值，具有计算流程简单、计算方便的优点。

在具体实施时，可以采用如下步骤S144～S146来计算在弱磁状态下的q轴电压命令值：

S144、获取电机转速w，将预设转速w^*与所述电机转速w进行做差，得到转速差值Δw；

S145、将所述转速差值Δw进行速度环的PI调节，得到q轴电流命令值I_q；

其中，速度环是对流场中某时刻的封闭曲线L作线积分，即为沿该闭合曲线的速度环量。速度环量是标量，有正负号，规定沿曲线逆时针绕行的方向为正方向，沿曲线顺时针绕行的方向为负方向。速度环量是旋涡强度的量度，通常用来描述漩涡场。速度环量表征流体质点沿封闭曲线L方向运动的总的趋势的大小。

S146、将所述q轴电流命令值I_q进行力矩环路的调节，得到q轴电压命令值V_q。

通过上述方式计算在弱磁状态下的q轴电压命令值，具有计算流程简单、计算方便的优点，使得电机转速自动跟踪预设转速w^*。

当然，计算弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值的方式不限于上述步骤，还可以采用其它的方式计算弱磁状态下的d轴电压命令值和q轴电压命令值。

S150、根据所述弱磁电压阈值的平方和所述d轴电压命令值，计算q轴电压最大值；

其中，q轴电压最大值是q轴电压的上限值。具体可以采用第四公式计算所述q轴电压最大值，所述第四公式包括：

式中，V_qmax为所述q轴电压最大值，

为所述d轴电压命令值的平方，

为所述弱磁电压阈值的平方。

这里在计算q轴电压最大值时依据的是d轴电压命令值和弱磁电压阈值的平方，即通过所述d轴电压命令值计算q轴电压最大值，通过q轴电压最大值对q轴电压命令值进行限制，即通过d轴电压来压制q轴电压，以免q轴电压命令值过高，实现对弱磁状态的稳定控制，使电机在重载高速下稳定运行。

S160、判断所述q轴电压命令值是否大于所述q轴电压最大值；若是，则将所述q轴电压最大值作为所述q轴电压命令值，否则保持所述q轴电压命令值不变；

也就是说，若q轴电压命令值大于q轴电压最大值，此时已达饱和状态，则将q轴电压命令值限制在q轴电压最大值，若q轴电压命令值小于等于q轴电压最大值，则保持所述q轴电压命令值不变，以原来的q轴电压命令值输出，避免q轴电压命令值高于q轴电压最大值，实现快速对弱磁状态的稳定控制。

S170、在弱磁状态下，实时判断所述逆变器的当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则退出弱磁状态。

可理解的是，由于不能长期处于弱磁状态，所以在没有必要一定进行弱磁控制时，就需退出弱磁状态。所以对当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方进行判断，当当前输出电压的平方小于弱磁电压阈值的平方时退出弱磁状态。退出弱磁状态后，d轴电流命令值为0。

由于在弱磁状态下，d轴电流命令值是小于零的，如果在上述过程中出现了d轴电流命令值大于0的情况，则将d轴电流命令值置为0。

本发明提供的弱磁控制方法，在弱磁状态中d轴电压命令值和弱磁电压阈值的平方计算q轴电压最大值，即通过所述d轴电压命令值计算q轴电压最大值，通过q轴电压最大值对q轴电压命令值进行限制，即通过d轴电压来压制q轴电压，以免q轴电压命令值过高，实现对弱磁状态的稳定控制，使电机在重载高速下稳定运行。而且，通过弱磁电压阈值的平方来决定是否进入或者退出弱磁状态，这里采用平方的方式可以拉开当前输出电压和弱磁电压阈值之间的差距，这样一些参数的设置相对来说就会容易很多。

在具体场景中，如图2所示，将逆变器应用于永磁同步电机驱动系统中，母线电容随着使用时间的延长，电容容量会逐渐下降，导致永磁同步电机驱动系统性能逐渐下降，当容量下降到一定水平时会导致永磁同步电机驱动系统发生故障。但是现有技术中只能在永磁同步电机驱动系统发生故障时才发现母线电容下降严重，导致永磁同步电机驱动系统的可靠性较差。

为了解决上述问题，可以预先标定电机在额定转速下预设比值与母线电容容量之间的曲线关系，并在所述曲线关系中确定所述母线电容的不同减少程度各自对应的容量区间；其中，所述不同减少程度对所述永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响严重程度不同；所述预设比值为母线电压最小值与母线电压峰值之间的比值。

可理解的是，母线电容容量减少的越多，对永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响越严重。母线电容容量的减少程度可以分为轻度、中度和重度，相应的，对永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响程度也分为轻度、中度和重度。母线电容容量的轻度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统的性能不受影响，但母线电压的波动会增大，不过也在正常范围内；母线电容容量的中度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统的关键指标将会变差，例如，交流输入电流的谐波变大、电机的转矩脉动变大、母线电压的波动变大，且母线电压的波动可能会超出正常范围等。母线电容容量的重度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统会出现过/欠压保护、母线电容损坏(如炸裂)、逆变器的功率器件损坏等。目前没有有效的方法能够对轻度减少、中度减少进行预判，只有明确的故障出现后(例如，电容炸裂、频繁出现过/欠压保护等)，经过测量母线电容容量，才会发现容量减少。

经实验表明，随着母线电容容量的减少，母线电压最小值U_mx会逐渐减小。也就是说，母线电压最小值U_mx与母线电容的容量大小存在一定关系，因此，对于一个确定的永磁同步电机驱动系统，可通过U_mx的高低来判断母线电容的容量变化。但在实际工况中，市电输入电压发生变化，会导致同一容量的母线电容的U_mx在一定范围内变化。同时，永磁同步电机驱动系统的电机转速也在一定范围变化，也会导致同一容量的母线电容的U_mx在一定范围变化。因此通过U_mx来判断母线电容容量变化趋势的准确度收到市电、电机转速等方面的影响。当市电变化时，U_M和U_mx都将随着其趋势变化，为了减小市电变化造成的影响，用U_mx/U_M表示U_mx的变化趋势，即采用预设比值来表示U_mx的变化趋势。其次，为了减小负载轻重对U_mx的影响，兼顾到弱磁控制和负载轻重等因素，选择电机的额定转速为测试点转速。通过变频调速技术使电机工作在额定转速，减小电机转速的变化对U_mx的影响。

在预先标定好曲线关系和相关数据之后，在实际应用场景中，对母线电容进行监测时，将所述电机的转速调至所述额定转速；实时获取当前的母线电压最小值，并实时计算当前的母线电压最小值和所述母线电压峰值之间的当前比值；根据所述当前比值，在所述曲线关系中确定所述母线电容的当前容量；根据所述当前容量所在的容量区间，确定所述母线电容的减小程度；根据所述减小程度，向上位机发出相应的报警信息，并对所述永磁同步电机驱动系统进行相应的处理。

在具体实施时，参见图3，针对母线电容容量衰减到不同的容量区间内时需要采取不同的处理措施：(1)母线电容容量在第一容量区间(例如，Ce～80％Ce，即曲线关系的OA段)内，不进行任何处理，系统继续正常运行；(2)母线电容容量在第二容量区间(例如，80％Ce～70％Ce，即AB段)时，系统正常运行，并向上位机报警“母线电容的容量轻度减小”；(3)母线电容容量在第三容量区间(例如，70％Ce～C点对应的电容量变化，即BC段)，系统正常运行，并向上位机报警“母线电容的容量中度减小”；同时，采用自适应的d-q轴电压补偿控制，以提高系统的稳定性，维持系统运行；(4)母线电容容量在第四容量区间(即C点对应的容量以下)时，需要停止运行，并向上位机报警“母线电容的容量重度减小”。

其中，当母线电容容量在第三容量区间内时，对应的预设比值在第一预设区间内，此时除了向上位机报警之外，还需要进行d-q轴电压补偿控制。

为此在S140之后且S150之前，本发明提供的弱磁控制方法还可以包括：

S147、获取当前的母线电压最小值，计算当前的母线电压最小值和所述母线电压峰值之间的当前比值；根据所述当前比值，确定所述母线电容的当前容量；根据所述当前容量所在的容量区间，确定所述母线电容是否发生容量中度减少；

即，在电机的转速调节至所述额定转速之后，监测母线电压最小值，进而计算当前的母线电压最小值与母线电压峰值之间的当前比值。然后在曲线关系中，找到该当前比值对应的当前容量，进而可以确定当前容量所在的容量区间，进而得知母线电容是否发生容量中度减少。具体当容量区间为第三容量区间时，母线电容发生容量中度减少。

S148、若是，则计算母线电压峰值和母线电压最小值之间的差值，并对所述差值进行PR调节，对PR调节得到的数据进行解耦得到q轴调节电压值和d轴调节电压值；

也就是说，将通过PR调节后得到的输出信号解耦到d/q轴输出电压信号上，这样可以使电机的矢量控制给定的母线电压快速跟踪实际的母线电压，从而提高永磁同步电机驱动系统的稳定控制能力。

S149、根据所述d轴调节电压值和所述q轴调节电压值，对所述d轴电压命令值和所述q轴电压命令值进行更新。

在具体实施时，S149可以包括：将所述q轴电压命令值与所述q轴调节电压值做差，得到更新后的q轴电压命令值，将所述d轴电压命令值与所述d轴调节电压值做差，得到更新后的d轴电压命令值。

也就是说，将本发明提供的弱磁控制方法应用于永磁同步电机驱动系统的母线电容发生容量中度减少的场景中时，计算母线电压峰值和母线电压最小值之间的差值，并对所述差值进行PR调节，将通过PR调节后得到的输出信号解耦到d/q轴输出电压信号上，这样可以使电机的矢量控制给定的母线电压快速跟踪实际的母线电压，从而提高永磁同步电机驱动系统的稳定控制能力。而且由于本发明提供的弱磁控制方法，通过所述d轴电压命令值计算q轴电压最大值，通过d轴电压来压制q轴电压，以免q轴电压命令值过高，实现对弱磁状态的稳定控制，使电机稳定运行。

第二方面，本发明提供一种弱磁电流控制装置，该装置包括：

可理解的是，本发明实施例提供的装置，有关内容的解释、举例、有益效果等部分可以参考上述方法中的相应部分，此处不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、挂件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。