永磁同步电机的效率提升装置及方法

摘要

本发明公开了一种永磁同步电机的效率提升装置及方法，该装置包括：转速控制器、微处理器、测量元件、半导体开关、逆变器、电机和负载；其中，微处理器分别与转速控制器、测量元件、半导体开关、逆变器连接；半导体开关分别与测量元件、逆变器连接；电机分别与逆变器、负载连接；微处理器用于根据测量元件输入的电流信号和转速控制器输入的转速信号，计算出在效率最优情况下的相位角和运行电压，并向逆变器输出所述相位角和运行电压，以供逆变器驱动电机工作。采用本发明技术方案无需电机详细参数，即可实现电机达到最佳效率，避免因环境因素造成控制错误。

权利要求

1.一种永磁同步电机的效率提升装置，其特征在于，包括：转速控制器、微处理器、测量元件、半导体开关、逆变器、电机和负载；

其中，所述微处理器分别与所述转速控制器、所述测量元件、所述半导体开关、所述逆变器连接；

所述半导体开关分别与所述测量元件、所述逆变器连接；

所述电机分别与所述逆变器、所述负载连接；

所述微处理器用于根据所述测量元件输入的电流信号和所述转速控制器输入的转速信号，计算出在效率最优情况下的相位角和运行电压，并向所述逆变器输出所述相位角和运行电压，以供所述逆变器驱动所述电机工作；

所述微处理器包括：磁场定向组件(42)、第一求和单元(72)、第一积分器(74)、第一传感器(76)、电机转换开关(78)、第二求和单元(80)、信号开关(82)、第二积分器(84)、倍增器(86)、第二传感器(88)、决策单元(90)、差分元件(92)和第三积分器(94)；

其中，所述磁场定向组件(42)的电压输入端(60)与所述电机转换开关(78)的输出端连接，所述磁场定向组件(42)的β角信号输入端(62)与所述第三积分器(94)的输出端连接；

所述第一积分器(74)的输入端与所述第一求和单元(72)的输出端连接，所述第一积分器(74)的输出端分别与第一求和单元(72)的负向输入端、所述第一传感器(76)的输入端、所述第二传感器(88)的输入端、第三积分器(94)的输入端连接；

所述第一传感器(76)的输出端分别与所述电机转换开关(78)的第一输入端、所述第二求和单元(80)的正向输入端连接；

所述第二求和单元(80)的输出端与所述电机转换开关(78)的第二输入端连接；所述第二求和单元(80)的第一负向输入端与所述信号开关(82)的输出端连接；所述第二求和单元(80)的第二负向输入端与所述第二积分器(84)的输出端连接；

所述信号开关(82)的第一输入端与0信号输入端连接；所述信号开关(82)的第二输入端与1信号输入端连接；

所述第二积分器(84)的输入端与所述倍增器(86)的输出端连接；

所述倍增器(86)的第一输入端与所述决策单元(90)的输出端连接；所述倍增器(86)的第二输入端与所述第二传感器(88)的输出端连接；

所述决策单元(90)的输入端与所述差分元件(92)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的效率提升装置，其特征在于，所述微处理器与所述测量元件连接，具体为：所述测量元件分别与所述磁场定向组件(42)、所述差分元件(92)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的效率提升装置，其特征在于，所述微处理器与所述转速控制器连接，具体为：所述转速控制器与所述第一求和单元(72)的正向输入端连接。

4.根据权利要求2所述的永磁同步电机的效率提升装置，其特征在于，所述微处理器与半导体开关连接，具体为：所述半导体开关与所述磁场定向组件(42)连接。

5.一种永磁同步电机的效率提升方法，其特征在于，利用权利要求1至4任一项所述的永磁同步电机的效率提升装置来实现，该方法包括以下步骤：步骤A：所述微处理器通过所述逆变器驱动所述电机在第一电压和所述负载下稳定运行，并对所述测量元件进行取样采集，获得第一电流幅值；所述第一电压为预设的电压；

步骤B：所述微处理器通过所述逆变器驱动所述电机在第二电压和所述负载下稳定运行，并对所述测量元件进行取样采集，获得第二电流幅值；其中，所述第二电压小于所述第一电压，且所述第一电压与所述第二电压的差值为第一阈值；

步骤C：所述微处理器判断所述第二电流幅值是否小于所述第一电流幅值；如果是，则执行步骤D，否则，降低所述第二电压，使降低后的电压值与降低前的差值为所述第一阈值，返回步骤B；

步骤D：所述微处理器保持所述电机在所述第二电压下稳定运行，并将所述第二电压和所述第二电流幅值作为最佳效率点参数。

6.根据权利5所述永磁同步电机的效率提升方法，其特征在于，还包括：步骤E：判断所述负载的值是否发生变化；若是，则重复步骤A至D，从而确定新的最佳效率点参数；否则，重复步骤E。

说明书

永磁同步电机的效率提升装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的效率提升装置及方法。

背景技术

[0002] 高效且硬件结构简单的电机是未来的发展趋势，根据电机效率公式E＝Pout/Pin可知，在恒定负载下，公式中的唯一变量是输入功率Pin，而输入功率取决于输入电压和输入电流。一般情况下，输入电压是基本稳定的，因此输入电流是唯一需要控制的变量。另外，电机内部转矩的大小取决于磁通量和转子电流之间的相位角。如果三相电子定子磁通量和定子电流是平行向量，则电机获得的力矩为0，如果两者的方向处于合适的夹角，则能产生最大力矩。

[0003] 现有技术通过控制程序获得合适的相位角，需要一个带反馈的闭环控制系统，以表明磁极位置。这种闭环控制系统通常需要在电机中安装三个传感器来执行，如编码器、光学增量器或电感式传感器。另外，也有使用无传感器控制方式来实现，其主要通过测量电机的感应电动势来达到控制目的。

[0004] 但是使用无传感器控制方式需要事先知道电机的额定电压、功率、额定电流、额定频率、电机极对数等众多参数，而且测量时会根据电流是否达到最低来判断是否达到最佳效率。这意味着对于不同相位或相位角来说，只有更高的电流绝对值才能达到同样的最佳状态，但是由于该测量电流可以是相电流、电机总电流、电阻器的电流或者半导体开关的电流中任意一个，这样会导致某个部分效率最佳，某些部分的效率降低。另外，在无传感器控制方式下，电机详细参数可能由于环境(温度或湿度)的变化而变化，从而导致磁场估计错误和指定控制目标值的错误。

发明内容

[0005] 本发明实施例提出一种永磁同步电机的效率提升装置及方法，无需电机详细参数，即可实现电机达到最佳效率，避免因环境因素造成控制错误。

[0006] 本发明实施例提供一种永磁同步电机的效率提升装置，包括：转速控制器、微处理器、测量元件、半导体开关、逆变器、电机和负载；

[0007] 其中，所述微处理器分别与所述转速控制器、所述测量元件、所述半导体开关、所述逆变器连接；

[0008] 所述半导体开关分别与所述测量元件、所述逆变器连接；

[0009] 所述电机分别与所述逆变器、所述负载连接；

[0010] 所述微处理器用于根据所述测量元件输入的电流信号和所述转速控制器输入的转速信号，计算出在效率最优情况下的相位角和运行电压，并向所述逆变器输出所述相位角和运行电压，以供所述逆变器驱动所述电机工作。

[0011] 进一步的，所述微处理器包括：

[0012] 磁场定向组件(42)、第一求和单元(72)、第一积分器(74)、第一传感器(76)、电机转换开关(78)、第二求和单元(80)、信号开关(82)、第二积分器(84)、倍增器(86)、第二传感器(88)、决策单元(90)、差分元件(92)和第三积分器(94)；

[0013] 其中，所述磁场定向组件(42)的电压输入端(60)与所述电机转换开关(78)的输出端连接，所述磁场定向组件(42)的β角信号输入端(62)与所述第三积分器(94)的输出端连接；

[0014] 所述第一积分器(74)的输入端与所述第一求和单元(72)的输出端连接，所述第一积分器(74)的输出端分别与第一求和单元(72)的负向输入端、所述第一传感器(76)的输入端、所述第二传感器(88)的输入端、第三积分器(94)的输入端连接；

[0015] 所述第一传感器(76)的输出端分别与所述电机转换开关(78)的第一输入端、所述第二求和单元(80)的正向输入端连接；

[0016] 所述第二求和单元(80)的输出端与所述电机转换开关(78)的第二输入端连接；所述第二求和单元(80)的第一负向输入端与所述信号开关(82)的输出端连接；所述第二求和单元(80)的第二负向输入端与所述第二积分器(84)的输出端连接；

[0017] 所述信号开关(82)的第一输入端与0信号输入端连接；所述信号开关(82)的第二输入端与1信号输入端连接；

[0018] 所述第二积分器(84)的输入端与所述倍增器(86)的输出端连接；

[0019] 所述倍增器(86)的第一输入端与所述决策单元(90)的输出端连接；所述倍增器(86)的第二输入端与所述第二传感器(88)的输出端连接；

[0020] 所述决策单元(90)的输入端与所述差分元件(92)的输出端连接。

[0021] 进一步的，所述微处理器与所述测量元件连接，具体为：

[0022] 所述测量元件分别与所述磁场定向组件(42)、所述差分元件(92)的输入端连接。

[0023] 进一步的，所述微处理器与所述转速控制器连接，具体为：

[0024] 所述转速控制器与所述第一求和单元(72)的正向输入端连接。

[0025] 进一步的，所述微处理器与半导体开关连接，具体为：

[0026] 所述半导体开关与所述磁场定向组件(42)连接。

[0027] 相应地，本发明实施例还提供一种永磁同步电机的效率提升方法，利用权利要求1至5任一项所述的永磁同步电机的效率提升装置来实现，该方法包括以下步骤：

[0028] 步骤A：所述微处理器通过所述逆变器驱动所述电机在第一电压和所述负载下稳定运行，并对所述测量元件进行取样采集，获得第一电流幅值；所述第一电压为预设的电压；

[0029] 步骤B：所述微处理器通过所述逆变器驱动所述电机在第二电压和所述负载下稳定运行，并对所述测量元件进行取样采集，获得第二电流幅值；其中，所述第二电压小于所述第一电压，且所述第一电压与所述第二电压的差值为第一阈值；

[0030] 步骤C：所述微处理器判断所述第二电流幅值是否小于所述第一电流幅值；如果是，则执行步骤D，否则，降低所述第二电压，使降低后的电压值与降低前的差值为所述第一阈值，返回步骤B；

[0031] 步骤D：所述微处理器保持所述电机在所述第二电压下稳定运行，并将所述第二电压和所述第二电流幅值作为最佳效率点参数。

[0032] 进一步的，所述永磁同步电机的效率提升方法还包括：

[0033] 步骤E：判断所述负载的值是否发生变化；若是，则重复步骤A至D，从而确定新的最佳效率点参数；否则，重复步骤E。

[0034] 实施本发明实施例，具有如下有益效果：

[0035] 本发明实施例提供的永磁同步电机的效率提升装置及方法，微处理器通过逆变器控制电机在稳定负载和预设电压下运行，同时对电机电流进行取样并记录，然后逐步降低电压，如果电机电流没有随着电压的降低而降低，则让电机保持在该电流和电压下运行。如果有，则降低电压重复测量、取样和对比，直到电流不再降低，让电机保持在该电流和电压下运行，并记录该电流和电压作为最佳效率点参数。相比于现有技术的无传感器控制方式需要电机某些特定参数才能达到控制目的，本发明技术方案无需电机详细参数，可自行感应并获得最佳效率点参数，避免因环境因素造成控制错误。

附图说明

[0036] 图1是本发明提供的永磁同步电机的效率提升装置的一种实施例的结构示意图；

[0037] 图2是本发明提供的永磁同步电机的效率提升装置的另一种实施例的连接结构示意图；

[0038] 图3是本发明提供的永磁同步电机的一种实施例的原理结构图；

[0039] 图4是本发明提供的永磁同步电机的效率提升方法的一种实施例的流程示意图。

具体实施方式

[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作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。

[0041] 参见图1，是本发明提供的永磁同步电机的效率提升装置的一种实施例的结构示意图。如图1所示，该永磁同步电机的效率提升装置，包括：转速控制器70、微处理器95、测量元件56、半导体开关52、逆变器43、电机40和负载48。

[0042] 其中，微处理器95分别与转速控制器70、测量元件56、半导体开关52、逆变器43连接。半导体开关52分别与测量元件56、逆变器43连接。电机40分别与逆变器43、负载48连接。

[0043] 在本实施例中，微处理器95用于根据测量元件56输入的电流信号和转速控制器70输入的转速信号，计算出在效率最优情况下的相位角和运行电压，并向逆变器43输出相位角和运行电压，以供逆变器43驱动电机40工作。

[0044] 在本实施例中，参见图2，图2是本发明提供的永磁同步电机的效率提升装置的另一种实施例的连接结构示意图。如图2所示，该永磁同步电机为三相永磁同步电机，三相电机40的绕组为星型绕组44，电机象征性的描述了永磁电机转子46，该转子为两极转子，可以推广至4、6、8、10极等。当通以正弦电流时，永磁体转子产生恒定力矩。电机40驱动负载48，负载48为风机，风机水泵类似一个大致稳定的负载。测量元件56对直流电路的电流进行测量和取样，测量元件56由测量电阻器或电流变压器组成。交流电源54为整个装置进行供电。

[0045] 如图2所示，微处理器95包括：磁场定向组件42、第一求和单元72、第一积分器74、第一传感器76、电机转换开关78、第二求和单元80、信号开关82、第二积分器84、倍增器86、第二传感器88、决策单元90、差分元件92和第三积分器94。

[0046] 其中，磁场定向组件42的电压输入端60与电机转换开关78的输出端连接，磁场定向组件42的β角信号输入端62与第三积分器94的输出端连接。磁场定向组件42的电压输入端60接受一个电压值 β角信号输入端62接收β角信号，β角决定了电机40的转速。因为电机40是同步电机，本可以去掉转子位置感应器，但是由于需要连续的监测转子46是否仍在运转，是否由于力矩太大而卡转，电机40内部仍需安装位置传感器。

[0047] 在本实施例中，第一积分器74的输入端与第一求和单元72的输出端连接，第一积分器74的输出端分别与第一求和单元72的负向输入端、第一传感器76的输入端、第二传感器88的输入端、第三积分器94的输入端连接。

[0048] 在本实施例中，微处理器95与转速控制器70连接，具体为：转速控制器70与第一求和单元72的正向输入端连接。转速控制器70用于指定磁场定向组件42和逆变器43产生的旋转磁场的频率，向微控制器95输入转速信号。转速控制器70输出信号至第一求和单元72的正向输入端，第一求和单元72产生一个加速时间，控制转速从0到n的时间。第一求和单元72输出信号到第一积分器74。第一积分器74产生一个斜率，且其输出信号作为第一求和单元72的负向输入。

[0049] 在本实施例中，第一传感器76的输出端分别与电机转换开关78的第一输入端、第二求和单元80的正向输入端连接。第二求和单元80的输出端与电机转换开关78的第二输入端连接。第二求和单元80的第一负向输入端与信号开关82的输出端连接；第二求和单元80的第二负向输入端与第二积分器84的输出端连接。

[0050] 电机转换开关78具有第一输入端和第二输入端两个档位。当电机启动加速时或者电机转速改变时开关切换到第一输入端。当电机进入效率优化的搜寻模式时，开关切换到第二输入端。电机转速信号n由第一积分器74给出，输出至第一传感器76，第一传感器76产生一个与速度相关的参数P。参数P根据转速n实时变化而得，决定输出电压的大小，公式为：电压随着转速的上升而增加，在调整模式下，电压大小 通过电机转换开关78(档位1)输入至磁场定向组件42，再输出给逆变器43，从而运行在最佳效率点。而在搜寻模式启动时，电机转换开关78切换到档位2，此时电压输入端60连接第二求和单元80，第二求和单元80计算电压 的大小后，输出给电压输入端60。

[0051] 在本实施例中，信号开关82的第一输入端与0信号输入端连接，信号开关82的第二输入端与1信号输入端连接。

[0052] 在本实施例中，第二求和单元80的正向输入为第一传感器的输入端，即信号n*P。当电机转换开关78切换到第一输入端时，信号开关82的信号0作为负向输入。当电机转换开关78切换到第二输入端时，信号开关82的信号1作为负向输入。

[0053] 在本实施例中，第二积分器84的输入端与倍增器86的输出端连接。第二积分器84的输出信号作为第二求和单元80的另一项负向输入，可控制电压不断下降。

[0054] 在本实施例中，倍增器86的第一输入端与决策单元90的输出端连接。倍增器86的第二输入端与第二传感器88的输出端连接。决策单元90的输入端与差分元件92的输出端连接。倍增器86的输出信号作为积分器84的输入，该信号用于产生电压 减少的梯度。为了控制电压 的降低程度，第二传感器88产生转速相关因素P，作为倍增器86的输入，转速n为第二传感器88的输入。第一传感器76和第二传感器88所产生参数P为同一个参数。决策元件90的输出信号作为倍增器86的输入信号，根据其标准大于等于或小于等于进行决策。差分元件92的输出信号作为决策元件90的输入信号。

[0055] 在本实施例中，微处理器65与测量元件56连接，具体为：测量元件56分别与磁场定向组件42、差分元件92的输入端连接。差分元件92建立连续两次电流的差值。换而言之，在搜寻过程中，电流I差值大小不断变化，直到达到最小值。

[0056] 在本实施例中，第三积分器94对转速n进行积分，并且输出角度β信号至磁场定向组件42。

[0057] 在本实施例中，微处理器95与半导体开关52连接，具体为：半导体开关52与磁场定向组件42连接。

[0058] 在本实施例中，微处理器95可以但不限于为八位微处理器。

[0059] 在本实施例中，逆变器43内设置有三个脉宽调制产生器，以产生三相电流。三个正弦波传感器产生三相正弦电压。详细如图3所示，当电机40启动时，逆变器43产生一个旋转电压场，从而产生一个足够的力矩。当电机40运行时逆变器43产生的旋转场的电压逐步减弱，从而降低电流，当电流达到最小值时，效率达到最佳。图3中显示的电机40有三相电子202、204和206，电机40有永磁转子46，为四极电机。三相定子202、204和206产生三相正弦电流，由μC 95产生一个正弦信号，名为：sin t，sin(t+120°)，sin(t+240°)。三相信号的频率可调节。因为频率决定了转速，因而无须测量转速。在比较器272，274，276中，信号sin t，sin(t+120°)，sin(t+240°)分别与三角信号u 270比较。三角信号产生器268的输出，作为比较器272，274，276的反向输入。三相正弦电流i204，202和206一起构成了三相系统，产生一个旋转磁场驱动永磁转子46，以旋转频率运行。由于转子46的磁化是正弦的，产生大致恒定的力矩。特别的，不需要复杂和昂贵的旋转传感器，电机40运行在最佳效率。

[0060] 为了更好的说明本发明的工作原理和流程步骤，参见图4，图4是本发明提供的永磁同步电机的效率提升方法的一种实施例的流程示意图。该方法是利用本发明的永磁同步电机的效率提升装置来实现的，该方法包括以下步骤：

[0061] 步骤A：微处理器通过逆变器驱动电机在第一电压和负载下稳定运行，并对测量元件进行取样采集，获得第一电流幅值；其中，第一电压为预设的电压。

[0062] 步骤B：微处理器通过逆变器驱动电机在第二电压和负载下稳定运行，并对测量元件进行取样采集，获得第二电流幅值；其中，第二电压小于第一电压，且第一电压与第二电压的差值为第一阈值。

[0063] 步骤C：微处理器判断第二电流幅值是否小于第一电流幅值；如果是，则执行步骤D，否则，降低第二电压，使降低后的电压值与降低前的差值为第一阈值，返回步骤B。

[0064] 步骤D：微处理器保持电机在第二电压下稳定运行，并将第二电压和第二电流幅值作为最佳效率点参数。

[0065] 在本实施例中，第一电压、第二电压、第一电流幅值和第二电流幅值均被存储在存储器中。

[0066] 作为本实施例的一种举例，该方法还包括步骤E：判断负载的值是否发生变化；若是，则重复步骤A至D，从而确定新的最佳效率点参数；否则，重复步骤E。

[0067] 可见，本发明实施例提供的永磁同步电机的效率提升装置及方法，微处理器95通过逆变器43控制电机40在稳定负载和预设电压下运行，同时通过测量元件56对电机40电流进行取样并记录，然后逐步降低电压，如果电机40电流没有随着电压的降低而降低，则让电机40保持在该电流和电压下运行。如果有，则降低电压重复测量、取样和对比，直到电流不再降低，让电机40保持在该电流和电压下运行，并记录该电流和电压作为最佳效率点参数。相比于现有技术的无传感器控制方式需要电机某些特定参数才能达到控制目的，本发明技术方案无需电机详细参数，可自行感应并获得最佳效率点参数，避免因环境因素造成控制错误。

[0068] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

[0069] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。