CN114785230B - 永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，在停机减速过程中或者在卸载过程中采用薄膜电容的过压抑制方法，在速度环与电流环之间设置电流分配模块，电流分配模块的具体步骤如下：步骤1：开始，获取目标转速n和反馈转速n_ref，并计算转速差err=n‑n_ref；步骤2：转速差err经过速度环进行PI处理输出控制量S；步骤3：判断控制量S是否为正，若是，则将dq轴的目标电流的分配为：Iq=S，Id=0；若否，则将dq轴的目标电流的分配为Iq=0，Id=‑S，并结束。它控制算法简单，不用大量占据电机微处理器的运算资源，且不用采集母线电压，有效消除延迟时间，进一步提升响应时间，可以有效快速实现直流母线薄膜电容的过压抑制。

Description

永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法。
背景技术
永磁同步电机简称PMSM电机，一般都采用FOC控制策略，FOC的英文表达：Field-Oriented Control，直译是磁场定向控制，也被称作矢量控制(VC，Vector Control)，是目前永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一。FOC控制策略旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。
PMSM电机具体结构，见图1、图2、图3所示，PMSM电机由电机单体1和电机控制器2组成, 所述的电机单体1包括定子组件12、转子组件13 和机壳组件11，包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，定子组件13安装在机壳组件11上，转子组件13 套装在定子组件12 的内侧，电机控制器2包括控制盒22和安装在控制盒22 里面的控制线路板21，控制线路板21上都会安装几个电解电容作为直流母线电容23（即是图4中的直流母线电解电容C1）。其具体的电路结构如图4所示，包括整流电路、直流母线电解电容C1、逆变电路、微处理器MCU和相线电流检测电路。
传统电机控制器采用有电解电容作为直流侧母线电容，其容值在几百微法以上，能够稳定母线电压，以及在电机减速过程中吸收能量，但电解电容存在寿命短、体积大、成本高等问题。采用薄膜电容替代电解电容作为直流侧母线电容，解决电解电容所存在的固有缺陷。但薄膜电容由于容值非常小，大概几十微亨，所以在电机减速停机过程中容易出现过压故障，甚至烧坏功率器件，所以必须进行过压抑制，见图5所示，电机在2000转/分正常运行，当在C点时进行停机减速操作，图6中，从D点开始在0.1秒的时间内直流母线电压从500V上升到2500伏。现有过压抑制技术方案要采样母线电压，并且需要经过控制器调节，然后控制电流，达到电压抑制作用。但现有技术方案所存在的问题是：母线电压采样存在延时，以及PI调节器需要调节时间，而薄膜电容母线电压上升非常快，存在无法有效快速实现过压抑制的风险。见专利号为CN201910480952.0、专利名称为：一种无电解电容永磁同步电机驱动系统防过压控制方法的发明专利，该专利利用母线电压采样来控制，且控制算法非常复杂，大量占据电机微处理器的运算资源。
发明内容
本发明的目的是提供永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，解决现有技术中PMSM在电机减速停机过程中或者在卸载过程中容易出现过压故障，现有直流母线薄膜电容的过压抑制方法存在无法有效快速实现过压抑制的的技术问题。
本发明是通过如下技术方案来实现：
永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，永磁同步电机由电机单体和电机控制器组成, 所述的电机单体包括定子组件和永磁转子组件 ，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，电机控制器包括交流滤波电路、整流电路、直流母线薄膜电容、逆变电路、微处理器MCU和相线电流检测电路，相线电流检测电路检测流过线圈绕组的相电流并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制逆变电路工作，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组的通断电，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制方式；
其特征在于：在停机减速过程中或者在卸载过程中采用薄膜电容的过压抑制方法，在速度环与电流环之间设置电流分配模块，电流分配模块运行的具体步骤如下：
步骤1：开始，获取目标转速n和反馈转速n_ref，并计算转速差err=n-n_ref；
步骤2：转速差err经过速度环进行PI处理输出控制量S；
步骤3：判断控制量S是否为正，若是，则将dq轴的目标电流的分配为：Iq=S，Id=0；若否，则将dq轴的目标电流的分配为Iq=0，Id=-S，并结束。
上述的dq轴的目标电流Iq和Id进入电流环，经过电流环处理得到dq轴目标电压，然后经过坐标变换单元得到三相目标电压，三相目标电压经过空间电压矢量脉宽调制单元处理，输出控制脉冲到逆变电路，完成控制。
上述的整流电路的正极输出端与直流母线薄膜电容之间设置直流滤波电路。
上述的电流分配模块的启动是在转速差ERR为负的前提下。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
1）本发明在电机减速停机过程中或者在卸载过程中的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，控制算法简单，不用大量占据电机微处理器的运算资源，且不用采集母线电压，有效消除延迟时间，进一步提升响应时间，可以有效快速实现直流母线薄膜电容的过压抑制。
（2）本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明
图1是现有技术中的PMSM电机的立体图；
图2是现有技术中的PMSM电机的电机控制器的立体图；
图3是现有技术中的PMSM电机的结构剖视图；
图4是现有技术中的PMSM电机的电机控制器的实施电路方框图；
图5是现有技术中的PMSM电机的进行停机减速时速度随着时间的变化图；
图6是现有技术中的PMSM电机的进行停机减速时直流侧母线电压随着时间的变化图；
图7是本发明的磁场定向控制的PMSM电机的电路方框图；
图8是本发明的PMSM电机在正常运行磁场定向控制的一种流程方框图；
图9是本发明的PMSM电机在正常运行磁场定向控制的另一种流程方框图；
图10是本发明的PMSM电机在停机减速过程中或者在卸载过程中的控制框图；
图11是本发明的PMSM电机在停机减速过程中或者在卸载过程中采用的电流分配模块的软件流程图；
图12是本发明PMSM电机的进行停机减速时速度随着时间的变化图；
图13是本发明PMSM电机的进行停机减速时直流侧母线电压随着时间的变化图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：
如图7所示，本实施例提供的永磁同步电机包括电机单体B7和电机控制器组成,所述的电机单体B7包括定子组件和永磁转子组件 ，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，电机控制器包括交流滤波电路B2、整流电路B3、直流滤波电路B4、直流母线薄膜电容B5、逆变电路B6、微处理器MCU和相线电流检测电路，三相电源B1（是交流电源）依次经过交流滤波电路B2、整流电路B3、直流滤波电路B4对直流母线薄膜电容B5进行充电，直流母线薄膜电容B5为逆变电路B6提供高压直流电；相线电流检测电路检测流过线圈绕组的相电流并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制逆变电路工作，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组的通断电，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制方式；见图8所示，它披露了一种无位置传感器的永磁同步电机的FOC磁场定向控制的方法，这些在教科书或者网络可以查找到，在此不再详细叙述；图9是一种带有位置传感器的永磁同步电机的FOC磁场定向控制的方法，即利用霍尔元件实时检测转子的位置，其算法相对简单，这些在教科书或者网络可以查找到，在此不再详细叙述。永磁同步电机在正常运行都是按图8或者图9所示的流程进行（即FOC磁场定向控制方式运行）。
由于直流母线薄膜电容B5替代电解电容作为直流侧母线电容，在停机减速过程中或者在卸载过程中，直流母线薄膜电容B5会在短时间内承受高压，薄膜电容由于容值非常小，大概几十微亨，所以在电机减速停机过程或者在卸载过程中容易出现过压故障，甚至烧坏功率器件，所以必须进行过压抑制。
如图10所示，本发明的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，是在速度环A1与电流环A3之间设置电流分配模块A2，电流分配模块运行的具体步骤见图11所示：
步骤1：开始，获取目标转速n和反馈转速n_ref，并计算转速差err=n-n_ref；
步骤2：转速差err经过速度环进行PI处理输出控制量S；
步骤3：判断控制量S是否为正，若是，则将dq轴的目标电流的分配为：Iq=S，Id=0；若否，则将dq轴的目标电流的分配为Iq=0，Id=-S，并结束。
本发明在电机减速停机过程中或者在卸载过程中的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，控制算法简单，不用大量占据电机微处理器的运算资源，且不用采集母线电压，有效消除延迟时间，进一步提升响应时间，可以有效快速实现直流母线薄膜电容的过压抑制。
在停机减速过程中要经过速度环A1、电流分配模块A2和电流环A3的处理，得到dq轴目标电压，然后经过坐标变换单元A4处理得到三相目标电压，接着再送到空间电压矢量脉宽调制A5，输出控制脉冲到逆变电路。电机转子位置与转速通过霍尔传感器获得。
整流电路的正极输出端与直流母线薄膜电容B5之间设置直流滤波电路。
电流分配模块的启动是在转速差ERR为负的前提下。
本发明的永磁同步电机采用直流母线薄膜电容的过压抑制方法，其具体实验效果见图12和图13所示，图12是本发明PMSM电机的进行停机减速时速度随着时间的变化图，图中在时间点是0.6秒（即C点）开始进行停机减速，在图13中，在时间点是0.6秒（即D点）观测整个停机减速过程的直流侧母线电压，直流侧母线电压在450V至550V之间波动，有效抑制直流母线薄膜电容的电压波动。
本发明的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，既可以适用单相交流电源输入，也可以适用3相交流电源输入，单相交流电源或3相交流电源都需要经过整流电路整流后对直流母线薄膜电容进行供电。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，永磁同步电机由电机单体和电机控制器组成, 所述的电机单体包括定子组件和永磁转子组件 ，定子组件包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，电机控制器包括交流滤波电路、整流电路、直流母线薄膜电容B5、逆变电路、微处理器MCU和相线电流检测电路，相线电流检测电路检测流过线圈绕组的相电流并送到微处理器MCU，微处理器MCU控制逆变电路工作，逆变电路控制定子组件的各相线圈绕组的通断电，永磁同步电机采用FOC磁场定向控制方式；
其特征在于：在停机减速过程中或者在卸载过程中采用直流母线薄膜电容的过压抑制方法，在速度环与电流环之间设置电流分配模块，电流分配模块运行的具体步骤如下：
步骤1：开始，获取目标转速n和反馈转速n_ref，并计算转速差err=n-n_ref；
步骤2：转速差err经过速度环进行PI处理输出控制量S；
步骤3：判断控制量S是否为正，若是，则将dq轴的目标电流分配为：Iq=S,Id=0；若否，则将dq轴的目标电流分配为：Iq=0,Id=-S，并结束。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，其特征在于：dq轴的目标电流Iq和Id进入电流环，经过电流环处理得到dq轴目标电压，然后经过坐标变换单元得到三相目标电压，三相目标电压经过空间电压矢量脉宽调制单元处理，输出控制脉冲到逆变电路，完成控制。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，其特征在于：整流电路的正极输出端与直流母线薄膜电容B5之间设置直流滤波电路。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的直流母线薄膜电容的过压抑制方法，其特征在于：电流分配模块的启动是在转速差err为负的前提下。
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