本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法及控制裝置。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor,pmsm)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)傳動系統(tǒng)是以pmsm為對象，通過控制器和變頻器控制永磁同步電機(jī)的傳動系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)傳動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速及控制，因此廣泛應(yīng)用在各調(diào)速領(lǐng)域。

在牽引電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，由于供電線路及區(qū)域等因素，軌道交通線路上常出現(xiàn)長短不等的無電區(qū)。

參見圖1，該圖為本專利應(yīng)用的軌道交通牽引電機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖。軌道交通牽引電機(jī)傳動系統(tǒng)主要包括：控制器001、逆變器002、無電檢測單元003、永磁同步電機(jī)004以及直流母線005。其中控制器001通過各傳感器從永磁同步電機(jī)得到轉(zhuǎn)速電流等實(shí)時數(shù)據(jù)，并結(jié)合無電檢測單元003的指令信號發(fā)出脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation,pwm)信號給逆變器002，控制器001發(fā)出的pwm信號控制逆變器002內(nèi)的開關(guān)器件動作，使逆變器002輸出電壓供給永磁同步電機(jī)004。其中無電檢測單元003用于檢測當(dāng)前電網(wǎng)直流母線005上是否有電，發(fā)出脈沖封鎖信號以控制逆變器002得所有開關(guān)器件關(guān)斷。如果母線電壓有電時，則逆變器002正常工作，進(jìn)入閉環(huán)控制；如果母線不帶電，則強(qiáng)制關(guān)斷逆變器002的所有開關(guān)管。

區(qū)別于其他交流電機(jī)，永磁同步電機(jī)004采用永磁體勵磁，只要旋轉(zhuǎn)就有反電勢作用在電機(jī)端。其反電勢計算公式可簡化為e＝ωeψ。其中ωe為電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度，ψ為永磁體磁鏈。從公式中可以看出，永磁體磁鏈大小固定的情況下，反電勢隨著轉(zhuǎn)速升高而增大，還可能出現(xiàn)速度增大使反電勢高于母線電壓的情況。

帶速度重新投入是指列車在帶速運(yùn)行過程中，無電檢測單元003解除脈沖封鎖使逆變器002重新投入，即逆變器002輸出電壓給永磁同步電機(jī)004。此時如果列車正處于無電區(qū)間，則電機(jī)端電壓表現(xiàn)為反電勢，所以永磁同步電機(jī)004的三相電流為零或通過逆變器002中的不可控整流部分整流到直流側(cè)。則當(dāng)列車再次進(jìn)入有電區(qū)間，控制器001中的比例積分調(diào)節(jié)器(picontroller)輸入將變?yōu)橐粋€階躍信號，所以pi將在原有輸出上再疊加一個很大的分量，輸出一個極大的指令電壓值，導(dǎo)致在逆變器002與電機(jī)004之間形成大的電壓差，引起沖擊電流。

沖擊電流會帶來轉(zhuǎn)矩沖擊，可能導(dǎo)致機(jī)械故障；還會產(chǎn)生大量熱量，降低開關(guān)管可靠性，甚至燒壞定子繞組或開關(guān)管。為消除永磁同步電機(jī)帶速重投瞬間引起的沖擊電流，本發(fā)明提出一種新的控制算法，使永磁同步電機(jī)安全帶速投入。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上缺陷，本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法及控制裝置，旨在解決現(xiàn)有控制方法由于pi控制器飽和而失控導(dǎo)致在逆變器與永磁同步電機(jī)上形成大電壓差進(jìn)而對永磁同步電機(jī)和逆變器引入沖擊電流的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法，逆變器的交流端與永磁同步電機(jī)的電氣端連接，逆變器的直流端與電網(wǎng)母線連接，包括以下步驟：

s001當(dāng)檢測到電網(wǎng)母線有電壓時，通過第一控制信號控制逆變器交流端輸出與補(bǔ)償電壓的值相等的第一電壓；

s002通過第二控制信號控制逆變器交流端輸出與工作電壓的值相等的第二電壓；

s003通過閉環(huán)控制信號控制逆變器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；

補(bǔ)償電壓根據(jù)永磁同步電機(jī)電氣端電流和永磁同步電機(jī)反電勢獲得，工作電壓根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流獲得。

優(yōu)選地，步驟s001中當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端無電流時，根據(jù)公式uqc＝ωeψ獲得所述補(bǔ)償電壓的q軸分量，所述補(bǔ)償電壓的d軸分量為零；其中，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度。

優(yōu)選地，步驟s001中當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端有電流時，根據(jù)公式udc＝id·r-ωelqiq獲得補(bǔ)償電壓的d軸分量，uqc＝iq·r+ωeldid+ωeψ獲得補(bǔ)償電壓的q軸分量；其中，id為繞組電流d軸分量，iq為繞組電流q軸分量，r為繞組電阻，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，ld為繞組電感d軸分量、lq繞組電感q軸分量。

優(yōu)選地，步驟s002中第二控制信號使逆變器交流端輸出電壓以斜坡增長方式變換至工作電壓。

作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制裝置，包括：

補(bǔ)償電壓計算單元，用于根據(jù)永磁同步電機(jī)電氣端電流信號和永磁同步電機(jī)反電勢輸出第一控制信號；

工作電壓計算單元，用于根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流輸出第二控制信號；

pi控制器，用于根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流和繞組實(shí)時工作電流輸出閉環(huán)控制信號；以及

邏輯選擇單元，其第一輸入端與補(bǔ)償電壓計算單元輸出端連接，其第二輸入端與工作電壓計算單元輸出端連接，其第三輸入端與pi控制器輸出端連接，其控制端用于接收母線電壓信號，用于根據(jù)母線電壓信號確定閉環(huán)控制信號、第一控制信號以及第二控制信號輸入至逆變器控制端的順序；

當(dāng)母線電壓信號為脈沖封鎖信號向有電信號切換后，逆變器控制端接收到信號的順序?yàn)榈谝豢刂菩盘?、第二控制信號和閉環(huán)控制信號。

優(yōu)選地，當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端無電流時，補(bǔ)償電壓計算模塊輸出第一控制信號使逆變器交流側(cè)輸出電壓為uqc＝ωeψ；其中，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度。

優(yōu)選地，當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端有電流時，補(bǔ)償電壓計算模塊輸出第一控制信號使逆變器交流側(cè)輸出電壓的d軸分量為udc＝id·r-ωelqiq，輸出電壓的q軸分量為uqc＝iq·r+ωeldid+ωeψ；其中，id為發(fā)電狀態(tài)繞組電流d軸分量，iq為發(fā)電狀態(tài)繞組電流q軸分量，r為繞組電阻，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，ld為繞組電感d軸分量、lq繞組電感q軸分量。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠獲得如下有益效果：

1、當(dāng)母線電壓由無電狀態(tài)切換至有電狀態(tài)時，讓逆變器控制端先接收第一控制信號，使逆變器交流端輸出電壓為補(bǔ)償電壓，逆變器交流端與電機(jī)電氣端之間電壓差為零，消除永磁同步電機(jī)反電勢引入的沖擊電流，然后由第一控制信號變化至第二控制信號，使逆變器交流端輸出電壓由補(bǔ)償電壓增加至工作電壓，使永磁同步電機(jī)電氣端電流逐漸上升，減少電流沖擊，當(dāng)變流器交流端電壓增加至工作電壓后進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。通過階梯式改變逆變器交流端輸出電壓，減少了永磁同步電機(jī)帶速度重新投入過程中電流上升速率，有效消除或減小永磁同步電機(jī)帶速度重新投入瞬間的沖擊電流，使整個過程安全平穩(wěn)；

2、讓逆變器交流端輸出電壓以斜坡增長方式從補(bǔ)償電壓增加至工作電壓，能夠減少電壓變化過程沖引入的沖擊電流，有效消除或減小永磁同步電機(jī)帶速度重新投入瞬間的沖擊電流，使整個過程安全平穩(wěn)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法流程圖；

圖3是本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法實(shí)施例流程圖；

圖4是本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制裝置的示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

001表示控制器；002表示逆變器；003表示無電檢測單元；004表示永磁同步電機(jī)；005表示直流母線；006表示補(bǔ)償電壓計算單元；007表示pi控制器；008表示邏輯選擇單元，009表示工作電壓計算單元；s001-s008表示流程圖的各個步驟。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖2為本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法流程圖，逆變器的交流端與永磁同步電機(jī)的電氣端連接，逆變器的直流端與電網(wǎng)母線連接，控制方法包括以下步驟：

s001當(dāng)檢測到電網(wǎng)母線有電壓時，通過第一控制信號控制逆變器交流端輸出與補(bǔ)償電壓的值相等的第一電壓；補(bǔ)償電壓根據(jù)永磁同步電機(jī)電氣端電流和永磁同步電機(jī)反電勢獲得。

s002通過第二控制信號控制逆變器交流端輸出與工作電壓的值相等的第二電壓；工作電壓根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流獲得，預(yù)設(shè)定子繞組電流根據(jù)實(shí)際需要確定。

s003通過閉環(huán)控制信號控制逆變器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

當(dāng)母線電壓由無電狀態(tài)切換至有電狀態(tài)時，讓逆變器控制端先接收第一控制信號，使逆變器交流端輸出電壓為補(bǔ)償電壓，逆變器交流端與電機(jī)電氣端之間電壓差為零，消除永磁同步電機(jī)反電勢引入的沖擊電流，然后由第一控制信號變化至第二控制信號，使逆變器交流端輸出電壓由補(bǔ)償電壓增加至工作電壓，使永磁同步電機(jī)電氣端電流逐漸上升，減少電流沖擊當(dāng)變流器交流端電壓增加至工作電壓后進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)。通過階梯式改變逆變器交流端輸出電壓，減少了永磁同步電機(jī)帶速度重新投入過程中電流上升速率，有效消除或減小永磁同步電機(jī)帶速度重新投入瞬間的沖擊電流，使整個過程安全平穩(wěn)；

圖3是本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制方法實(shí)施例流程圖；控制方法實(shí)施例包括如下步驟：

s001無電檢測單元003檢測母線電壓，若母線電壓為零，則輸出脈沖封鎖信號，否則，輸出有電信號。

判斷無電檢測單元003是否發(fā)出脈沖封鎖信號；如果判定沒有發(fā)出脈沖封鎖信號，則輸出閉環(huán)控制信號控制逆變器輸出工作電壓。

s002如果判定發(fā)出了脈沖封鎖信號，則檢測永磁同步電機(jī)電氣端電流，如果永磁同步電機(jī)電氣端無電流，跳轉(zhuǎn)至s003。如果永磁同步電機(jī)電氣端有電流，即永磁同步電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至s004。

s003補(bǔ)償電壓的q軸分量為uqc＝e＝ωeψ，補(bǔ)償電壓的d軸分量為零；其中，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，并跳轉(zhuǎn)至s005。

s004補(bǔ)償電壓的d軸分量為udc＝id·r-ωlqiq，補(bǔ)償電壓的q軸分量為uqc＝iq·r+ωldid+ωeψ。其中，id為發(fā)電狀態(tài)繞組電流d軸分量，iq為發(fā)電狀態(tài)繞組電流q軸分量，r為繞組電阻，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，ld為繞組電感d軸分量、lq繞組電感q軸分量，并跳轉(zhuǎn)至s005。

s005當(dāng)無電檢測單元003解除脈沖封鎖信號后，控制器001輸出第一控制信號使逆變器交流端輸出與補(bǔ)償電壓值相等的第一電壓，逆變器交流端電壓與永磁同步電機(jī)電氣端電壓相等，消除投入瞬間的沖擊電流；消除沖擊電流后，輸出第二控制信號使逆變器交流端輸出與工作電壓值相等的第二電壓。

根據(jù)如下公式獲得工作電壓

其中，為預(yù)設(shè)定子繞組電流的d軸分量，為工作電壓的d軸分量，為預(yù)設(shè)定子繞組電流的q軸分量，為工作電壓的q軸分量。

通過斜坡增長的方式使逆變器輸出電壓從補(bǔ)償電壓值過渡到工作電壓值，即根據(jù)如下公式進(jìn)行過渡。

slope是斜坡斜率，u為工作電壓、u0為補(bǔ)償電壓，tramp是斜坡作用時間，斜坡作用時間根據(jù)實(shí)際需要確定。為了保證dq軸電壓同時完成斜坡增長，應(yīng)該控制tramp相等。

s007判斷逆變器交流端電壓達(dá)到工作電壓，若是則跳轉(zhuǎn)至s008，否則跳轉(zhuǎn)至s006。

s008向逆變器控制端輸入閉環(huán)控制信號使控制器切入正常工況下的閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)逆變器交流端電流穩(wěn)定。

由于實(shí)際無電區(qū)很短，而牽引系統(tǒng)慣量大，以下過程可認(rèn)為轉(zhuǎn)速不變。持續(xù)檢測母線上的電壓，如果出現(xiàn)無電情況，立即發(fā)出脈沖封鎖信號關(guān)斷逆變器所有開關(guān)器件，進(jìn)入帶速重投計算邏輯。檢測電機(jī)三相電流，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后得到d/q軸電流，開始計算消除沖擊電流需補(bǔ)償?shù)碾妷骸?/p>

繼續(xù)檢測母線上的電壓，如果無電，則重復(fù)上述計算步驟；如果有電，則將上述計算的d/q軸補(bǔ)償電壓作為逆變器輸入，消除沖擊電流。接著通過穩(wěn)態(tài)電壓方程和預(yù)設(shè)定子繞組電流計算重投完成后所需要的d/q軸工作電壓，將逆變器電壓從補(bǔ)償電壓通過斜坡增長的方式逐漸變化至需要的工作電壓，當(dāng)逆變器交流端電壓達(dá)到工作電壓后，最后切入正常工況，完成帶速重投。即逆變器交流端電壓如下公式：

其中，為實(shí)時繞組電流的d軸分量，為實(shí)時繞組電流的q軸分量，為實(shí)時繞組電壓的d軸分量，為實(shí)時繞組電壓的q軸分量。

圖4是本發(fā)明提供的永磁同步電機(jī)帶速度重新投入的控制裝置的示意圖。該控制裝置包括補(bǔ)償電壓計算單元006，工作電壓計算單元009，pi控制器007以及邏輯選擇單元008。邏輯選擇單元008第一輸入端與補(bǔ)償電壓計算單元006輸出端連接，邏輯選擇單元008第二輸入端與工作電壓計算單元009輸出端連接，邏輯選擇單元008第三輸入端與pi控制器007輸出端連接，邏輯選擇單元008控制端用于接收母線電壓信號。

補(bǔ)償電壓計算單元006根據(jù)永磁同步電機(jī)電氣端電流信號和永磁同步電機(jī)反電勢輸出第一控制信號。當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端信號指示永磁同步電機(jī)電氣端無電流時，補(bǔ)償電壓計算模塊006輸出第一控制信號使逆變器交流側(cè)輸出電壓的q軸分量為uqc＝ωeψ，補(bǔ)償電壓的d軸分量為零；其中，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度。當(dāng)永磁同步電機(jī)電氣端信號指示永磁同步電機(jī)電氣端有電流時，補(bǔ)償電壓計算模塊006輸出第一控制信號使逆變器交流側(cè)輸出電壓的d軸分量為udc＝id·r-ωlqiq，使逆變器交流側(cè)輸出電壓的q軸分量為uqc＝iq·r+ωeldid+ωeψ；其中，id為發(fā)電狀態(tài)繞組電流d軸分量，iq為發(fā)電狀態(tài)繞組電流q軸分量，r為繞組電阻，ψ為永磁體磁鏈，ωe為轉(zhuǎn)子電角速度，ld為繞組電感d軸分量、lq繞組電感q軸分量。

工作電壓計算單元009根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流i^*輸出第二控制信號；預(yù)設(shè)定子繞組電流i^*根據(jù)實(shí)際需要確定，工作電壓計算模塊009輸出第二控制信號使逆變器交流側(cè)輸出電壓的d軸分量為其中，為預(yù)設(shè)定子繞組電流的d軸分量，為工作電壓的d軸分量，使逆變器交流側(cè)輸出電壓的q軸分量為為預(yù)設(shè)定子繞組電流的q軸分量，為工作電壓的q軸分量。

pi控制器007根據(jù)預(yù)設(shè)定子繞組電流和繞組實(shí)時工作電流輸出閉環(huán)控制信號，以實(shí)現(xiàn)繞組電流穩(wěn)定在預(yù)設(shè)定子繞組電流。邏輯選擇單元008根據(jù)母線電壓信號確定閉環(huán)控制信號、第一控制信號以及第二控制信號輸入至逆變器控制端的順序。

當(dāng)母線電壓信號為脈沖封鎖信號向有電信號切換時，逆變器控制端接收到信號的順序?yàn)榈谝豢刂菩盘?、第二控制信號和閉環(huán)控制信號；第一控制信號和第二控制信號實(shí)現(xiàn)逆變器交流端電壓由補(bǔ)償電壓向工作電壓切換，當(dāng)切換至工作電壓時，逆變器控制端接收閉環(huán)控制信號使逆變器進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)逆變器繞組電流的穩(wěn)定；補(bǔ)償電壓抵消永磁同步電機(jī)的反電勢，逆變器交流端與永磁同步電機(jī)電氣端之間電壓差為零，減少電壓差引入的沖擊電流，再使逆變器電壓增加至工作電壓，逆變器交流端與永磁同步電機(jī)電氣端之間電壓差由零增加至工作電壓，使永磁同步電機(jī)電氣端電流逐漸上升，減少電流沖擊。當(dāng)母線電壓信號為有電信號時且逆變器輸出電壓為工作電壓時，逆變器接收信號為閉環(huán)控制信號，永磁同步電機(jī)正常工作。母線電壓信號為無電壓信號時，逆變器接收信號為脈沖封鎖信號，永磁同步電機(jī)進(jìn)入無電工作狀態(tài)。

本發(fā)明從系統(tǒng)角度提出全新的控制算法，以一個內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用中有效地消除了永磁同步電機(jī)重新上電時產(chǎn)生的沖擊電流，避免沖擊電流帶來的負(fù)面影響，是一種有效的控制方法。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。