永磁同步电机的弱磁控制系统、方法、冰箱控制器及冰箱

摘要

本发明提供了一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法，用于对永磁同步电机进行矢量控制，所述弱磁控制系统包括转速环和电流环，转速环的输出为电流环的给定输入，电流环的输出为d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref，其中，还包括弱磁角度环，所述弱磁角度环根据所述电流环的输出及弱磁增益K计算弱磁角度β，并依据所述弱磁角度β确定电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。本发明可降低永磁同步电机在开弱磁频率点处的转速波动。本发明还提供了一种冰箱控制器及冰箱。

权利要求

1.一种永磁同步电机的弱磁控制系统，用于对永磁同步电机进行矢量控制，所述弱磁控制系统包括转速环和电流环，转速环的输出为电流环的给定输入，电流环的输出为d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref，其特征在于，还包括弱磁角度环，所述弱磁角度环根据所述电流环的输出及弱磁增益K计算弱磁角度β，并依据所述弱磁角度β确定电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度，所述弱磁角度环包括：MTPA模块，其用于根据最大转矩电流比算法得出弱磁角度β的下限值βMTPA。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于，所述弱磁角度环包括：滤波模块，用于对电机d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref的均方根进行滤波；

弱磁增益模块，用于对直流母线电压进行比例调节；

反馈运算模块，用于对所述滤波模块的输出和所述弱磁增益模块的输出进行反馈运算；

角度PI调节模块，用于对所述反馈运算模块的输出进行PI调节，得到弱磁角度β。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于，所述弱磁角度环包括：弱磁增益模块，用于对直流母线电压进行比例调节；

反馈运算模块，用于对所述电流环的输出和所述弱磁增益模块的输出进行反馈运算；

角度PI调节模块，用于对所述反馈运算模块的输出进行PI调节，得到弱磁角度β；

滤波模块，用于对所述弱磁角度β进行滤波。

4.根据权利要求2或3所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，其特征在于，所述滤波模块的工作方式为：其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波

后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

5.一种利用权利要求1-4之一所述的永磁同步电机的弱磁控制系统对永磁同步电机进行弱磁控制的方法，其特征在于，包括步骤：利用所述弱磁角度环根据所述电流环的输出和弱磁增益K计算弱磁角度β，并根据计算出的弱磁角度β确定所述电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，具体包括步骤：S10、获取电机转速ω及电机角度θ；

S20、将获取得到的电机转速ω反馈至转速环，进行转速环PI控制；

S30、根据所述电流环的输出和弱磁增益K计算弱磁角度β；

S40、判断弱磁角度β是否满足：βMTPA<β<βmax，其中，βMTPA为根据最大转矩电流比算法得出的角度，βmax为给定值；若满足，则执行步骤S50，否则，执行步骤S60；

S50、以所述弱磁角度β作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度；

* *

S60、以βMTPA或βmax作为电机d轴电流给定值Idref和q轴电流给定值Iqref的角度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S10中，利用反电动势估算电机转速ω及电机角度θ。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S30中，计算弱磁角度β的步骤包括：首先求取Vdref、Vqref的均方根值，然后对所述均方根值进行低通滤波；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；将比例调节后的值与低通滤波后的值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β；

或者，首先求取Vdref、Vqref的均方根值；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；

将比例调节后的值与所述均方根值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β，然后对所述弱磁角度β进行低通滤波。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S30中，低通滤波的实现方式为：其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波

后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S40中，βmax的取值范围为60～90°。

11.一种冰箱控制器，其特征在于，包括权利要求1-4之一所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，以用于控制冰箱压缩机的电机。

12.一种冰箱，其特征在于，包括权利要求11所述的冰箱控制器。

说明书

永磁同步电机的弱磁控制系统、方法、冰箱控制器及冰箱

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的弱磁控制系统及方法。本发明还涉及一种冰箱控制器及冰箱。

背景技术

[0002] 在压缩机采用永磁同步电机的冰箱系统中，普遍存在开弱磁的频率点附近转速波动大的问题。受限于现有技术中对永磁同步电机的弱磁控制方面的不足，本领域中对该问题尚无有效的解决措施。

[0003] 对冰箱系统而言，在不同工况下，开弱磁的频率点是不同的，且由于冰箱系统多种多样，因系统结构、容积大小及运行环境的不同，其耗电量运行频率(即在某一确定工况下耗电量最小的频率点)可能是压缩机运行频率范围内的任何一个频率点。这就要求，冰箱系统应在各个运行频率点均可以正常运行，转速波动应在允许范围内，例如，一般希望在10rpm的范围内。

发明内容

[0004] 基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种永磁同步电机的弱磁控制系统和方法，以降低永磁同步电机在开弱磁频率点附近的转速波动。本发明的另一目的在于提供一种冰箱控制器及冰箱。

[0005] 上述目的通过以下技术方案实现：

[0006] 根据本发明的第一方面，一种永磁同步电机的弱磁控制系统，用于对永磁同步电机进行矢量控制，所述弱磁控制系统包括转速环和电流环，转速环的输出为电流环的给定输入，电流环的输出为d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref，其特征在于，还包括弱磁角度环，所述弱磁角度环根据所述电流环的输出及弱磁增益K计算弱磁角度β，所述弱磁角度环包括：

[0007] MTPA模块，其用于根据最大转矩电流比算法得出弱磁角度β的下限值βMTPA。

[0008] 优选地，所述弱磁角度环包括：

[0009] 滤波模块，用于对电机d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref的均方根进行滤波；

[0010] 弱磁增益模块，用于对直流母线电压进行比例调节；

[0011] 反馈运算模块，用于对所述滤波模块的输出和所述弱磁增益模块的输出进行反馈运算；

[0012] 角度PI调节模块，用于对所述反馈运算模块的输出进行PI调节，得到弱磁角度β。

[0013] 优选地，所述弱磁角度环包括：

[0014] 弱磁增益模块，用于对直流母线电压进行比例调节；

[0015] 反馈运算模块，用于对所述电流环的输出和所述弱磁增益模块的输出进行反馈运算；

[0016] 角度PI调节模块，用于对所述反馈运算模块的输出进行PI调节，得到弱磁角度β；

[0017] 滤波模块，用于对所述弱磁角度β进行滤波。

[0018] 优选地，所述滤波模块的工作方式为：

[0019] 其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

[0020] 根据本发明的第二方面，一种利用前面所述的永磁同步电机的弱磁控制系统对永磁同步电机进行弱磁控制的方法，其包括步骤：

[0021] 利用所述弱磁角度环根据所述电流环的输出和弱磁增益K计算弱磁角度β，并根据计算出的弱磁角度β确定所述电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

[0022] 优选地，所述方法具体包括步骤：

[0023] S10、获取电机转速ω及电机角度θ；

[0024] S20、将获取得到的电机转速ω反馈至转速环，进行转速环PI控制；

[0025] S30、根据所述电流环的输出和弱磁增益K计算弱磁角度β；

[0026] S40、判断弱磁角度β是否满足：βMTPA<β<βmax，其中，βMTPA为根据最大转矩电流比算法得出的角度，βmax为给定值；若满足，则执行步骤S50，否则，执行步骤S60；

[0027] S50、以所述弱磁角度β作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度；

[0028] S60、以βMTPA或βmax作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

[0029] 优选地，步骤S10中，利用反电动势估算电机转速ω及电机角度θ。

[0030] 优选地，步骤S30中，计算弱磁角度β的步骤包括：

[0031] 首先求取Vdref、Vqref的均方根值，然后对所述均方根值进行低通滤波；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；将比例调节后的值与低通滤波后的值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β；

[0032] 或者，首先求取Vdref、Vqref的均方根值；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；将比例调节后的值与所述均方根值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β，然后对所述弱磁角度β进行低通滤波。

[0033] 优选地，步骤S30中，低通滤波的实现方式为：

[0034] 其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

[0035] 优选地，步骤S40中，βmax的取值范围为60～90°。

[0036] 根据本发明的第三方面，一种冰箱控制器，其包括前所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，以用于控制冰箱压缩机的电机。

[0037] 根据本发明的第四方面，一种冰箱，其包括前面所述的冰箱控制器。

[0038] 本发明的控制系统及方法基于电机d、q轴电压给定值获得弱磁角度，进而确定电* *流环中电机d轴电流给定值Idref和q轴电流给定值Iqref的角度，便可降低永磁同步电机在开弱磁频率点处的转速波动。

[0039] 本发明的优选方案通过对电机d、q轴电压给定值进行滤波，或者对计算出的弱磁角度进行滤波，优选再通过增大弱磁增益、并增大转速环参数，能够加快估计转速跟随实际转速的速度，从而可进一步降低开弱磁频率点处的波动。

[0040] 本发明的控制系统和方法在用于冰箱控制器时，使得冰箱控制器可以驱动压缩机正常运行在开弱磁频率点。

附图说明

[0041] 以下将参照附图对根据本发明的永磁同步电机的弱磁控制系统及方法进行描述。图中：

[0042] 图1为本发明的一种优选实施方式的永磁同步电机的弱磁控制系统的原理图；

[0043] 图2为本发明的一种优选实施方式的永磁同步电机的弱磁控制方法的控制流程图；

[0044] 图3为未采用本发明的控制方法时的冰箱压缩机转速波形图；

[0045] 图4为根据本发明的控制方法加入电压滤波后的冰箱压缩机转速波形图；

[0046] 图5为根据本发明的控制方法增大弱磁增益和转速环PI值后的冰箱压缩机转速波形图。

具体实施方式

[0047] 本发明的第一方面提供出了一种永磁同步电机的弱磁控制系统，用于对永磁同步电机进行矢量控制，以降低电机在开弱磁频率点附近的转速波动。如图1所示，该控制系统包括转速环和电流环，其中转速环的输出为电流环的给定输入，电流环的输出为d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref。

[0048] 该控制系统中，还包括PMSM(即永磁同步电机)1、逆变电路2、SVPWM(即空间矢量脉宽调制器)3、Park逆变器4、Clarke变换器5、Park变换器6、以及转速角度获取模块7。其中，永磁同步电机1在三相静止坐标系下的三相电流Ia、Ib和Ic输入Clarke变换器5中，转换为两相静止坐标系下的电流值Iα和Iβ，Iα和Iβ输入Park变换器6中，转换为转子旋转坐标系下的两相电流值，即，d轴反馈电流Id和q轴反馈电流Iq，以用于反馈至电流环中进行比较；在转速环中，给定转速ω*与转速角度获取模块7获得的反馈转速ω相比较，经过转速环PI 9调节后，得到控制总电流Is*，控制总电流Is*经映射模块10映射(例如按正弦、余弦运算)到d轴、q轴上，得到d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref；d轴电流给定值I*dref与d轴反馈电流Id相比较，经过电流环PI 11调节后，输出d轴电压给定值Vdref；q轴电流给定值I*qref与q轴反馈电流Iq相比较，经过电流环PI 11调节后，输出q轴电压给定值Vqref；两相旋转坐标系下的d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref经过park逆变器4变换后，输出两相静止坐标系下的两相电压Vαref和Vβref，两相电压Vαref和Vβref经SVPWM 3的调节，产生脉宽调制波，经逆变电路2后，得到静止三相坐标系下的三相电压Va、Vb和Vc，以驱动永磁同步电机1工作。

[0049] 其中，转速角度获取模块7可以采用有位置传感器(如在电机内部植入霍尔传感器以检测转子的位置，从而获得电机转速ω及电机角度θ)。优选地，本发明中，转速角度获取模块7采用无位置传感器，以节省成本，具体是利用检测电机各相的反电动势，估算出转子的位置，从而获得电机转速ω及电机角度θ。并且其中，电机角度θ输入park逆变器4中用于变换运算。

[0050] 在上述系统结构的基础上，为实现弱磁控制，本发明的控制系统还包括弱磁角度环8，示于图1的虚线框内，所述弱磁角度环8根据所述电流环的输出(即d轴电压给定值Vdref和q轴电压给定值Vqref)及弱磁增益K计算弱磁角度β，并依据所述弱磁角度β确定电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

[0051] 优选地，所述弱磁角度环8可以包括：

[0052] 滤波模块82，用于对电机运行实际需要的电压值进行低通滤波，在滤波之前，应先经过均方根模块81进行均方根运算，得到电压幅值 Vdref为d轴电压给定值，Vqref为q轴电压给定值；

[0053] 弱磁增益模块84，用于对直流母线电压Udc进行比例调节，所用的比例系数即弱磁增益K，反映的是电压利用率；

[0054] 反馈运算模块83，用于对所述滤波模块82的输出和所述弱磁增益模块84的输出进行反馈运算；

[0055] 角度PI调节模块85，用于对所述反馈运算模块83的输出进行PI调节，得到弱磁角度β，例如

[0056] 上述结构的弱磁角度环8主要是对估算的电机d轴、q轴电压给定值Vdref、Vqref的均方根进行滤波，以滤除高频杂波，以便于降低电机开弱磁频率点附近的转速波动。

[0057] 替代地，弱磁角度环中，还可以对计算出的弱磁角度β进行滤波，以滤除高频杂波，也即，将滤波模块设置在角度PI调节模块85的下游，同样可以达到本发明的目的。

[0058] 优选地，所述滤波模块82的工作方式为：

[0059] 其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

[0060] 优选地，弱磁角度环8还包括：

[0061] MTPA模块(即最大转矩电流比模块)86，其用于根据最大转矩电流比算法得出弱磁角度β的下限值，记为βMTPA。

[0062] 优选地，弱磁角度环8在计算出弱磁角度β后，判断是否满足：βMTPA<β<βmax，其中，βmax为给定值，其取值范围例如在60～90°之间。若满足，则以所述弱磁角度β作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度，即，用于在映射模块10中经过映射运算得到* *Idref和Iqref；否则，分别以βMTPA(在β<βMTPA的情况下)或βmax(在β>βmax的情况下)作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

[0063] 采用上述结构的控制系统，能够有效降低永磁同步电机在开弱磁频率点附近的转速波动。

[0064] 本发明的第二方面提出了一种永磁同步电机的弱磁控制方法，其对应于上述的弱磁控制系统，用于对永磁同步电机进行矢量控制，以降低电机在开弱磁频率点附近的转速波动。

[0065] 本发明的弱磁控制方法主要包括步骤：利用所述弱磁角度环根据所述电流环的输出和弱磁增益计算弱磁角度β，并根据计算出的弱磁角度β确定所述电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度。

[0066] 优选地，如图2所示，本发明的方法具体包括步骤：

[0067] S10、获取(优选由电流环估算，例如根据反电动势估算)电机转速ω及电机角度θ；

[0068] S20、将获取得到的电机转速ω反馈至转速环，进行转速环PI控制；

[0069] S30、根据所述电流环的输出(例如估算得到的电机d轴、q轴电压给定值Vdref、Vqref)和弱磁增益K计算弱磁角度β；

[0070] S40、判断弱磁角度β是否满足：βMTPA<β<βmax，其中，βMTPA为根据最大转矩电流比算法得出的角度，βmax为给定值；若满足，则执行步骤S50，否则，执行步骤S60；

[0071] S50、以所述弱磁角度β作为电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度；

[0072] S60、以βMTPA(在β<βMTPA的情况下)或βmax(在β>βmax的情况下)作为电机d轴电流给定* *值Idref和q轴电流给定值Iqref的角度。

[0073] 步骤S50或步骤S60之后，执行电流环PI控制。

[0074] 优选地，步骤S10中，利用反电动势估算电机转速ω及电机角度θ。

[0075] 优选地，步骤S30中，计算弱磁角度β的步骤可以包括：

[0076] 首先求取Vdref、Vqref的均方根值，然后对所述均方根值进行低通滤波；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；将比例调节后的值与低通滤波后的值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β。

[0077] 或者替代地，步骤S30中，计算弱磁角度β的步骤也可以包括：

[0078] 首先求取Vdref、Vqref的均方根值；以弱磁增益K对直流母线电压Udc进行比例调节；将比例调节后的值与所述均方根值进行反馈运算，随后进行角度PI调节，得到所述弱磁角度β，然后对所述弱磁角度β进行低通滤波。

[0079] 优选地，步骤S30中，低通滤波的实现方式为：

[0080] 其中， ωc为截止频率，y(n)为本次滤波后的值，y(n-1)为前次滤波后的值，X(n)为待滤波的值。

[0081] 优选地，步骤S40中，βmax的取值范围为60～90°。

[0082] 在上述工作的基础上，本发明第三方面提供了一种冰箱控制器，其包括前所述的永磁同步电机的弱磁控制系统，以用于控制冰箱压缩机的电机。

[0083] 本发明的第四方面提供了一种冰箱，其包括前面所述的冰箱控制器。

[0084] 以下结合具体实例来说明本发明的控制系统和控制方法为冰箱控制器带来的有益效果。

[0085] 首先参见图3，其示出的是未采用本发明的控制方法时(即，现有技术中未作任何改善)的冰箱压缩机转速波形图。可以明显看出，在该工况下的开弱磁频率点附近(3650rpm左右)的转速波动达到150rpm。如果此时匹配的冰箱系统在某一个工况下的耗电量频率点刚好在61Hz附近，这就会导致冰箱压缩机抖动异常，无法正常运行。

[0086] 再请参见图4，其示出的是与图3相同工况下、仅对估算的电机d、q轴电压给定值进行滤波后所得到的冰箱压缩机转速波形图。其中，低通滤波即为前文中所述的方式实现。可以看出，此时的开弱磁频率点处的转速波动与其他频率点处的转速波动一样，均在10rpm范围内。由于转速波动在正常允许范围内，从而使得该冰箱控制器可以驱动压缩机运行于任何运行频率点，极大扩大了冰箱控制器的匹配范围。

[0087] 特别地，再请参见图5，其示出的转速波形图相比于图4的转速波形图，在控制方面的改变在于：增大转速加速度、增大弱磁增益，并增大转速环参数，以此加快估计转速跟随实际转速的速度，进一步降低开弱磁频率点处的转速波动。图中可以明显看出，转速提升很快，同样是从约3200rpm提升到约4200rpm所需的时间大大减少，并且整个曲线非常平滑，转速几乎无任何波动，且跟踪速度较快，因而完全满足要求。

[0088] 本发明的控制系统及方法基于电机d、q轴电压给定值获得弱磁角度，进而确定电流环中电机d轴电流给定值I*dref和q轴电流给定值I*qref的角度，便可降低永磁同步电机在开弱磁频率点处的转速波动。

[0089] 进一步地，本发明的控制系统及方法的优选方案通过对估算的电机d、q轴电压给定值进行滤波，优选再增大弱磁增益、并增大转速环参数，能够加快估计转速跟随实际转速的速度，从而可降低开弱磁频率点处的波动，将转速波动由150rpm降为10rpm以内，使得冰箱控制器可以驱动压缩机正常运行在开弱磁频率点。

[0090] 因此，本发明的控制系统及方法解决了如下技术问题：(1)解决了冰箱控制器驱动压缩机在弱磁频率点处转速波动大的问题；(2)解决了冰箱控制器不可匹配耗电量频率点刚好为开弱磁频率点的冰箱系统的问题。

[0091] 本发明实现了在冰箱控制器驱动压缩机正常运行转速范围内每一个频率点波动均在允许范围内，解决了不能匹配那些在某些工况、某些环境下耗电量频率刚好为开弱磁频率点的冰箱系统的问题，提高了冰箱控制器的应用范围。

[0092] 本发明的冰箱工作稳定，即使压缩机运行于开弱磁频率点处，也不会出现转速波动。

[0093] 本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

[0094] 应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。