一种电机控制系统、方法及其应用

摘要

本发明公开了一种电机控制系统、方法及其应用，PI控制单元根据多电枢单轴电机的速度反馈信号，以及给定指令速度进行PI控制，输出给定转矩信号至主从选择控制单元；主从选择控制单元根据上位机的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号实现转矩输出同步控制，任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号的互传；主从选择控制单元输出给定转矩信号至间接定子量控制单元，间接定子量控制单元控制逆变单元变频运行；逆变单元驱动多电枢单轴电机运行。本发明能够解决多电枢单轴电机转矩输出效果同步性，及保证船舶稳定可靠运行的技术问题。

权利要求

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：

采用多电枢单轴结构的电机；

多台与所述电机的电枢一一对应并相连的变频器；

所述变频器进一步包括依次相连的PI控制单元、主从选择控制单元、间接定子量控制单元和逆变单元；

每个变频器均采用速度环控制，所述PI控制单元通过速度传感器采集所述多电枢单轴电机的速度反馈信号，并根据给定指令速度进行PI控制，输出给定转矩信号至所述主从选择控制单元；所述主从选择控制单元根据上位机的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号实现转矩输出同步控制；任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号的互传；所述主从选择控制单元输出给定转矩信号作为所述间接定子量控制单元的输入信号，所述间接定子量控制单元通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变单元变频运行，再由所述逆变单元驱动所述多电枢单轴电机运行；

当所有的变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器；所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号；当所述主变频器出现故障时，由所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩作为输出信号。

2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述主变频器的主从选择控制单元包括端口一、端口二和用于接收从变频器传输转矩的端口三，所述从变频器的主从选择控制单元包括端口四、端口五和用于接收主变频器传输转矩的端口六；当所述端口二与端口一连接，所述端口二与端口三断开时，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩；当所述端口五与端口六相连，所述端口五与端口四断开时，所述从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为所述主变频器传输的转矩。

3.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：当所述主变频器发生故障时，立即封锁所述主变频器的逆变单元控制脉冲，所述主变频器将故障信息上传至上位机，所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元的端口五与端口四相连，端口五与端口六断开，不再接收原有主变频器传输的转矩。

4.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：当所述从变频器发生故障时，立即封锁所述从变频器的逆变单元控制脉冲，所述从变频器将故障信息上传至所述上位机，所述主变频器的主从选择控制单元的端口二与端口一连接，端口二与端口三断开，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电机控制系统，其特征在于：所述变频器还包括设置于主从选择控制单元与所述间接定子量控制单元之间的转矩限制单元，所述主从选择控制单元输出的给定转矩信号经所述转矩限制单元进行转矩限制后输出至所述间接定子量控制单元。

6.根据权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于，所述转矩限制单元根据以下公式进行转矩限制计算：T＝Kp*Temc

其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机传输的电机可使用的剩余功率，Pr为电机当前的实际输出功率，PN为电机的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机在全速范围内最大转矩包络线。

7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机采用双电枢单轴结构，所述变频器包括一台主变频器和一台从变频器；

当两台变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，另一台变频器作为从变频器；所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号；

当所述主变频器发生故障时，所述从变频器变为默认的主变频器，所述从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩，所述从变频器的负载转矩从故障发生前的双机负载转矩状态平稳过渡至单机负载转矩状态；

当所述从变频器发生故障时，所述主变频器的主从状态不变，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩，以实现转速平稳控制和负载转矩的平稳过渡。

8.一种电机控制方法，其特征在于，用于多电枢单轴电机控制，该方法包括以下步骤：

S101)PI控制单元根据多电枢单轴电机的速度反馈信号，以及给定指令速度进行PI控制，输出给定转矩信号至主从选择控制单元；

S102)所述主从选择控制单元根据上位机的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号实现转矩输出同步控制，任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号的互传；

S103)所述主从选择控制单元输出给定转矩信号至间接定子量控制单元，所述间接定子量控制单元通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变单元变频运行；

S104)所述逆变单元驱动所述多电枢单轴电机运行；

所述步骤S102)进一步包括：

当所有的变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器；所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号；当所述主变频器出现故障时，由所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩作为输出信号。

9.根据权利要求8所述的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S102)进一步包括：

当所述主变频器发生故障时，立即封锁所述主变频器的逆变单元控制脉冲，所述主变频器将故障信息上传至上位机，所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元不再接收原有主变频器传输的转矩。

10.根据权利要求8所述的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S102)进一步包括：

当所述从变频器发生故障时，立即封锁所述从变频器的逆变单元控制脉冲，所述从变频器将故障信息上传至所述上位机，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的电机控制方法，其特征在于，所述步骤S103)进一步包括：所述主从选择控制单元输出的给定转矩信号经转矩限制单元进行转矩限制后输出至所述间接定子量控制单元。

12.根据权利要求11所述的电机控制方法，其特征在于，在所述步骤S103)中，所述转矩限制单元进一步根据以下公式进行转矩限制计算：T＝Kp*Temc

其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机传输的电机可使用的剩余功率，Pr为电机当前的实际输出功率，PN为电机的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机在全速范围内最大转矩包络线。

13.一种如权利要求8至12中任一项所述电机控制方法在船舶推进系统多电枢单轴电机控制中的应用。

说明书

一种电机控制系统、方法及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种应用于船舶领域的多电枢单轴电机控制系统、方法及其应用。

背景技术

[0002] 作为一种典型的多电枢单轴结构的电机，全电推船用双电枢单轴电机的控制，因为其双电枢单轴结构的特殊性，需对每组电枢进行独立控制，因此很难保证它们之间控制的协同性，难免不会出现相互影响。例如：多个电枢都独立采用速度闭环控制，每组电机的速度信号由于传感器和采样差异，反馈的速度信号就会存在差异，这样作用在轴上的转矩就不一致，导致了力矩效果的不同步性，严重影响了最终的带载能力。另外，当一台变频器发生故障时，另外一台变频器不能及时进行有效的控制，可能会带来严重的负载冲击，从而导致船舶运行不稳定。最后，当发电系统故障，例如：一台柴油机宕机后，剩余功率不够，变频器不能及时进行功率限制，会进一步导致整个发电系统的崩溃或变频器故障。

[0003] 在现有技术中，主要有以下文献与本发明申请相关：

[0004] 文献1为永济新时速电机电器有限责任公司于2010年12月08日申请，并于2015年06月03日公开，公开号为CN102530219B的中国发明专利《电推进系统》。该发明公开了一种双电枢电推系统，双电枢分别由两个独立的逆变器控制，主要实现水上工具适应轻载与重载工况对推进电机输出功率的不同需求，而且能够在电推进系统一路推进出现故障时系统继续运行保证水上工具顺利回港。在轻载时，只使用一路控制工作在额定功率的50％，推进电机工作在高效工作区。重载时，同时使用两路控制工作在额定功率的100％，推进电机仍工作在高效工作区，从而实现推进电机两种不同功率等级的转换，这种系统控制方法，需判断推进电机在什么工况下处于轻载，什么工况下处于重载，即算轻载只用一台电机推进，如果负载功率为10％，这一台电机也不能运行至高效工作区。此外，还需涉及到一台电机带速重新投入或一台电机突然切掉的问题，渔船运行工况复杂，可频繁的运行在轻载或重载间，这都无疑会带来切换冲击和增大控制难度的问题。另外，在该发明申请中并未给出冗余运行的控制方法，只是简单地介绍了根据整机装置给出的功率和转矩进行控制，具体的控制过程没有给出说明，并且没有对转速进行控制，这些都无疑会导致航速不稳的现象。

[0005] 文献2为永济新时速电机电器有限责任公司于2010年11月25日申请，并于2011年06月15日公开，公开号为CN201864035U的中国实用新型专利《水面装备电推进系统》。该实用新型专利介绍了一种水面装备电推进系统，用于解决变频器故障时检修难度大而直接危及船舶安全运行的问题，使得水面装备在变频器故障时仍然能够维持基本运行。该专利具体考虑了两台变频器驱动双电枢电机同时都发生故障，而不可恢复时的情况，增设了主推进柴油发电机组模块与推进电机的直接连接通道，通过柴油机直接驱动电机运行。这种方式增加了整个系统的冗余性，但是通过柴机油控制变频电机，需通过合适的参数匹配，并且是一种开环的驱动方式，控制不好会给电机带来损坏，例如：导致启动过电流或转速不稳的现象。另外，主机频繁地以高低速运行，主机负荷低且不稳定，这不仅油耗高，还会对主机造成损害。

[0006] 文献3为永济新时速电机电器有限责任公司于2012年11月22日申请，并于2015年09月16日公开，公开号为CN102951266B的中国发明专利《电力推进灯光围网渔船》。该发明公开了一种电力推进灯光围网渔船系统，用于解决现有灯光围网渔船动力性能差、节能环保性差、噪音和振动大、装机功率过大、笨重，以及造价高的技术问题。该发明具体地采用了推进变流器和双电枢交流推进电动机的驱动系统，电力推进系统具有柴油机械系统无法比拟的优势，诱鱼灯光系统和辅助系统无需采用单独的辅助发电机组进行供电，而与主推进系统统一用电，实现了电能的统一调配，采用多台发电机组组成发电系统，具有更高的冗余性。

[0007] 文献4为永济新时速电机电器有限责任公司于2013年09月11日申请，并于2015年09月16日公开，公开号为CN103434629B的中国发明专利《一种拖网渔船电推进用变流器》。
该发明公开了一种拖网渔船电推进用变流器结构及各子结构的功能，解决了现有柴油机推进系统导致拖网渔船的机动性较差、应急能力较差、动力性能较差、动力损耗较大、设备选择灵活性较差和运行经济性较差的技术问题。

[0008] 文献5为上海航盛船舶设计有限公司于2013年03月25日申请，并于2014年01月29日公开，公开号为CN203410621U的中国实用新型专利《一种电力推进的围网渔船》。该实用新型公开了一种电力推进的围网渔船系统，主要解决现有的拖网渔船的常规推进方式通常采用柴油机驱动的方式，主机反复以高、低转速交替运行，主机负荷低且不稳定，不仅油耗高，而且会对主机造成损害的技术缺陷。

[0009] 文献6为黎建勋、金娇辉、谌志新发表在《渔业现代化》杂志2012年第5期第39卷第43至48页的论文《电力推进拖网渔船控制系统设计》。该论文介绍了我国第一艘自主研发设计的电力推进拖网渔船控制系统的设计与组成。该系统通过采用电力推进控制，电站功率管理系统，机舱监测报警系统以及网络通信技术，将变频控制技术，数字化和自动化控制技术等船舶前沿科技应用于实船，构建综合控制系统，使渔船柴油机组在各种工况下始终运行于高负荷率工作区，达到渔船节能环保，提高渔船推进系统的操纵性、机动性、可靠性、推进效率和供电系统自动化管理水平的目的。

[0010] 但是，以上专利和论文大多都是围绕着渔船电推进系统来进行介绍，虽然从发电系统、配电系统、主推进系统、辅助系统等都进行了较为宏观的介绍，主要都讲述了电推进系统具有柴油机械系统无法比拟的优点，且都围绕大系统进行展开，讲述了双电枢电机的冗余性优点，但对于具体的控制过程和方法均没有涉及。

发明内容

[0011] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电机控制系统、方法及其应用，以解决多电枢单轴电机转矩输出效果同步性，及保证船舶稳定可靠运行的技术问题。

[0012] 为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电机控制系统的技术实现方案，一种电机控制系统，包括：

[0013] 采用多电枢单轴结构的电机；

[0014] 多台与所述电机的电枢一一对应并相连的变频器；

[0015] 所述变频器进一步包括依次相连的PI控制单元、主从选择控制单元、间接定子量控制单元和逆变单元；

[0016] 每个变频器均采用速度环控制，所述PI控制单元通过速度传感器采集所述多电枢单轴电机的速度反馈信号，并根据给定指令速度进行PI控制，输出给定转矩信号至所述主从选择控制单元。所述主从选择控制单元根据上位机的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号实现转矩输出同步控制。任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号的互传。所述主从选择控制单元输出给定转矩信号作为所述间接定子量控制单元的输入信号，所述间接定子量控制单元通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变单元变频运行，再由所述逆变单元驱动所述多电枢单轴电机运行。

[0017] 优选的，当所有的变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器。所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号。当所述主变频器出现故障时，由所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号。

[0018] 优选的，所述主变频器的主从选择控制单元包括端口一、端口二和用于接收从变频器传输转矩的端口三，所述从变频器的主从选择控制单元包括端口四、端口五和用于接收主变频器传输转矩的端口六。当所述端口二与端口一连接，所述端口二与端口三断开时，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。当所述端口五与端口六相连，所述端口五与端口四断开时，所述从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为所述主变频器传输的转矩。

[0019] 优选的，当所述主变频器发生故障时，立即封锁所述主变频器的逆变单元控制脉冲，所述主变频器将故障信息上传至上位机，所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元的端口五与端口四相连，端口五与端口六断开，不再接收原有主变频器传输的转矩。该默认的主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

[0020] 优选的，当所述从变频器发生故障时，立即封锁所述从变频器的逆变单元控制脉冲，所述从变频器将故障信息上传至所述上位机，所述主变频器的主从选择控制单元的端口二与端口一连接，端口二与端口三断开，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

[0021] 优选的，所述变频器还包括设置于主从选择控制单元与所述间接定子量控制单元之间的转矩限制单元，所述主从选择控制单元输出的给定转矩信号经所述转矩限制单元进行转矩限制后输出至所述间接定子量控制单元。

[0022] 优选的，所述转矩限制单元根据以下公式进行转矩限制计算：

[0023]

[0024] T＝Kp*Temc

[0025] 其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机传输的电机可使用的剩余功率，Pr为电机当前的实际输出功率，PN为电机的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机在全速范围内最大转矩包络线。

[0026] 优选的，所述电机采用双电枢单轴结构，所述变频器包括一台主变频器和一台从变频器。当两台变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，另一台变频器作为从变频器。所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号。当所述主变频器发生故障时，所述从变频器变为默认的主变频器，所述从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩，所述从变频器的负载转矩从故障发生前的双机负载转矩状态平稳过渡至单机负载转矩状态。当所述从变频器发生故障时，所述主变频器的主从状态不变，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩，以实现转速平稳控制和负载转矩的平稳过渡。

[0027] 本发明还另外具体提供了一种电机控制方法的技术实现方案，一种电机控制方法，用于多电枢单轴电机控制，该方法包括以下步骤：

[0028] S101)PI控制单元根据多电枢单轴电机的速度反馈信号，以及给定指令速度进行PI控制，输出给定转矩信号至主从选择控制单元；

[0029] S102)所述主从选择控制单元根据上位机的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号实现转矩输出同步控制，任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号的互传；

[0030] S103)所述主从选择控制单元输出给定转矩信号至间接定子量控制单元，所述间接定子量控制单元通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变单元变频运行；

[0031] S104)所述逆变单元驱动所述多电枢单轴电机运行。

[0032] 优选的，所述步骤S102)进一步包括：

[0033] 当所有的变频器都正常工作时，由所述上位机选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器。所述主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号，所述从变频器的主从选择控制单元选择所述主变频器传输的给定转矩信号作为输出信号。当所述主变频器出现故障时，由所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号作为输出信号。

[0034] 优选的，所述步骤S102)进一步包括：

[0035] 当所述主变频器发生故障时，立即封锁所述主变频器的逆变单元控制脉冲，所述主变频器将故障信息上传至上位机，所述上位机在所述从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元不再接收原有主变频器传输的转矩。该默认的主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

[0036] 优选的，所述步骤S102)进一步包括：

[0037] 当所述从变频器发生故障时，立即封锁所述从变频器的逆变单元控制脉冲，所述从变频器将故障信息上传至所述上位机，所述主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度与自身速度环的速度反馈信号经过PI控制后输出的转矩。

[0038] 优选的，所述步骤S103)进一步包括：所述主从选择控制单元输出的给定转矩信号经转矩限制单元进行转矩限制后输出至所述间接定子量控制单元。

[0039] 优选的，在所述步骤S103)中，所述转矩限制单元进一步根据以下公式进行转矩限制计算：

[0040]

[0041] T＝Kp*Temc

[0042] 其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机传输的电机可使用的剩余功率，Pr为电机当前的实际输出功率，PN为电机的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机在全速范围内最大转矩包络线。

[0043] 本发明还另外具体提供了一种如上所述电机控制方法在船舶推进系统多电枢单轴电机控制中的应用。

[0044] 通过实施上述本发明提供的电机控制系统、方法及其应用的技术方案，具有如下有益效果：

[0045] (1)本发明采用变频器主从协同控制方式，实现了多电枢单轴电机转矩输出效果的同步，从而有效保证了船舶稳定可靠的运行；

[0046] (2)本发明采用变频器主从协同控制方式，通过光纤快速互传主从转矩信息，能完美地解决单台变频器故障时，另一台变频器平稳快速地接管控制的技术问题，能够实现转速的平稳控制，以及负载转矩的平稳过渡；

[0047] (3)本发明利用功率限制比转化为转矩限制比直接作用控制转矩环节上，实现了快速的功率限制功能，保证了柴油机发电系统及变频器安全可靠地运行。

附图说明

[0048] 为了更清楚地说明本发明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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的实施例。

[0049] 图1是本发明电机控制系统一种具体实施例的系统结构框图；

[0050] 图2是图1中变频器一种具体实施例的结构组成框图；

[0051] 图3是本发明电机控制系统一种具体实施例应用于双电枢单轴电机控制的系统结构框图；

[0052] 图4是本发明电机控制系统另一种具体实施例应用于双电枢单轴电机控制的系统结构框图；

[0053] 图5是图1中变频器另一种具体实施例的结构组成框图；

[0054] 图6是本发明电机控制系统一种具体实施例中第一变频器故障，第二变频器从从机变为主机过程的负载转矩波形示意图；

[0055] 图7是本发明电机控制方法一种具体实施例的程序流程图；

[0056] 图中：11-第一变频器，12-第二变频器，1n-第n变频器，2-电机，21-第一电枢，22-第二电枢，2n-第n电枢，31-第一速度传感器，32-第二速度传感器，3n-第n速度传感器，4-上位机，101-端口一，102-端口二，103-端口三，104-端口四，105-端口五，106-端口六，111-第一PI控制单元，112-第一主从选择控制单元，113-第一间接定子量控制单元，114-第一逆变单元，121-第二PI控制单元，122-第二主从选择控制单元，123-第二间接定子量控制单元，124-第二逆变单元，1n1-第n PI控制单元，1n2-第n主从选择控制单元，1n3-第n间接定子量控制单元，1n4-第n逆变单元，1n5-转矩限制单元。

具体实施方式

[0057] 为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

[0058] PI：Proportion Integration，比例积分；

[0059] ISC：Indirect Stator-Quantities Control，间接定子量控制；

[0060] INV：逆变器的简写。

[0061] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0062] 如附图1至附图7所示，给出了本发明电机控制系统、方法及其应用的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0063] 实施例1

[0064] 如附图1、2和5所示，一种电机控制系统的具体实施例，包括：

[0065] 采用多电枢单轴结构的电机2，该电机2包括第一电枢21、第二电枢22、…、第n电枢2n共n个电枢；

[0066] 多台与电机的电枢一一对应并相连的变频器，电机控制系统包括第一变频器11、第二变频器12、…、第n变频器1n共n台变频器；

[0067] 变频器进一步包括依次相连的PI控制单元(如附图2中所示的1n1，n为任意自然数)、主从选择控制单元(如附图2中所示的1n2，n为任意自然数)、间接定子量控制单元(如附图2中所示的1n3，n为任意自然数)和逆变单元(如附图2中所示的1n4，n为任意自然数)；

[0068] 每个变频器均采用速度环控制，PI控制单元通过与相应电枢相连的速度传感器(电机控制系统包括第一速度传感器31、第二速度传感器32、…、第n速度传感器3n共n个速度传感器)采集多电枢单轴电机的速度反馈信号(包括Wr1～Wrn)，并根据给定指令速度W_ref进行PI控制，输出给定转矩信号T_ref至主从选择控制单元。如附图3所示，主从选择控制单元根据上位机4的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号T_ref实现转矩输出同步控制。任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号T_ref的互传。主从选择控制单元输出给定转矩信号T_ref作为间接定子量控制单元的输入信号，间接定子量控制单元控制逆变单元变频运行，再由逆变单元驱动多电枢单轴电机运行。

[0069] 当所有的变频器都正常工作时，由上位机4选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器。主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号T_ref作为输出信号，从变频器的主从选择控制单元选择主变频器传输的给定转矩信号T_ref作为输出信号。当主变频器出现故障时，由上位机4在从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号T_ref作为输出信号。

[0070] 主变频器的主从选择控制单元包括端口一、端口二和用于接收从变频器传输转矩的端口三，从变频器的主从选择控制单元包括端口四、端口五和用于接收主变频器传输转矩的端口六。当端口二与端口一连接，端口二与端口三断开时，主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩。当端口五与端口六相连，端口五与端口四断开时，从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为主变频器传输的转矩。

[0071] 当主变频器发生故障时，立即封锁主变频器的逆变单元控制脉冲，主变频器将故障信息上传至上位机，上位机在从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元的端口五与端口四相连，端口五与端口六断开，不再接收原有主变频器传输的转矩。该默认的主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩。

[0072] 当从变频器发生故障时，立即封锁从变频器逆变单元的控制脉冲，从变频器将故障信息上传至上位机4，主变频器的主从选择控制单元的端口二与端口一连接，端口二与端口三断开，主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩。

[0073] 变频器还包括设置于主从选择控制单元与间接定子量控制单元之间的转矩限制单元(如附图5中所示的1n5，n为任意自然数)，主从选择控制单元输出的给定转矩信号T_ref经转矩限制单元进行转矩限制后输出至间接定子量控制单元。

[0074] 转矩限制单元根据以下公式进行转矩限制计算：

[0075]

[0076] T＝Kp*Temc

[0077] 其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机4传输的电机2可使用的剩余功率，Pr为电机2当前的实际输出功率，PN为电机2的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机2在全速范围内最大转矩包络线。

[0078] 实施例1描述的电机控制系统能够解决如下技术问题：

[0079] (1)多电枢单轴电机转矩输出效果的同步性；

[0080] (2)当一台变频器发生故障时，另一台变频器平稳快速地接管控制，并保证船舶还能稳定可靠地运行；

[0081] (3)当发电系统，如柴油机发生故障时，通过快速的功率限制保护发电系统及变频器。

[0082] 实施例2

[0083] 如附图7所示，一种电机控制方法的具体实施例，用于多电枢单轴电机控制，该方法包括以下步骤：

[0084] S101)PI控制单元根据多电枢单轴电机的速度反馈信号Wrn，以及给定指令速度W_ref进行PI控制，输出给定转矩信号T_ref至主从选择控制单元；

[0085] S102)主从选择控制单元根据上位机4的指令，选择采用本台变频器或是其它变频器的给定转矩信号T_ref实现转矩输出同步控制，任意两台变频器之间能进行数据交互传输，实现给定转矩信号T_ref的互传；

[0086] S103)主从选择控制单元输出给定转矩信号T_ref至间接定子量控制单元，间接定子量控制单元控制逆变单元变频运行；

[0087] S104)逆变单元驱动多电枢单轴电机运行。

[0088] 步骤S102)进一步包括：

[0089] 当所有的变频器都正常工作时，由上位机4选择其中的一台变频器作为主变频器，其它的变频器作为从变频器。主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号T_ref作为输出信号，从变频器的主从选择控制单元选择主变频器传输的给定转矩信号T_ref作为输出信号。当主变频器出现故障时，由上位机4在从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号T_ref作为输出信号。

[0090] 步骤S102)进一步包括：

[0091] 当主变频器发生故障时，立即封锁主变频器的逆变单元控制脉冲，主变频器将故障信息上传至上位机4，上位机4在从变频器中选择一台作为默认的主变频器，该默认的主变频器的主从选择控制单元不再接收原有主变频器传输的转矩。该默认的主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩。

[0092] 步骤S102)进一步包括：

[0093] 当从变频器发生故障时，立即封锁从变频器的逆变单元控制脉冲，从变频器将故障信息上传至上位机4，主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩。

[0094] 步骤S103)进一步包括：主从选择控制单元输出的给定转矩信号经转矩限制单元进行转矩限制后输出至间接定子量控制单元。其中，转矩限制单元进一步根据以下公式进行转矩限制计算：

[0095]

[0096] T＝Kp*Temc

[0097] 其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机4传输的电机2可使用的剩余功率，Pr为电机2当前的实际输出功率，PN为电机2的额定功率，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机2在全速范围内最大转矩包络线。

[0098] 实施例3

[0099] 如附图3和附图4所示，一种如实施例2所述电机控制方法在船舶推进系统多电枢单轴电机控制中应用的具体实施例。其中，电机2具体采用双电枢单轴结构，变频器包括一台主变频器(如：主变频器为第一变频器11)和一台从变频器(如：从变频器为第二变频器12)。

[0100] 主变频器包括：第一PI控制单元111、第一主从选择控制单元112、第一间接定子量控制单元113和第一逆变单元114，主变频器通过第一速度传感器31采集第一电枢21的速度反馈信号Wr1。

[0101] 从变频器包括：第二PI控制单元121、第二主从选择控制单元122、第二间接定子量控制单元123和第二逆变单元124，主变频器通过第二速度传感器32采集第二电枢22的速度反馈信号Wr2。

[0102] 如附图3和附图4所示为双电枢单轴电机的控制框图，双电枢单轴电机由两台变频器共同驱动(第一变频器11和第二变频器12)、每台变频器均采用速度环控制，速度信号由速度传感器采得，对速度环进行PI控制，输出结果作为给定转矩信号T_ref传送至主从选择控制单元，主从选择控制单元根据上位机4的指令，选择自身变频器的给定转矩信号T_ref或是另一台变频器的给定转矩信号T_ref，以实现转矩输出同步性的控制，因此两台变频器之间采用光纤通讯进行快速的数据交互(主要包括速度环PI控制后的给定转矩信号T_ref互传)。如附图5所示，变频器还包括设置于主从选择控制单元与间接定子量控制单元之间的转矩限制单元，由主从选择控制单元输出的给定转矩信号T_ref经过快速功率限制后的转矩作为间接定子量控制单元的输入，以进一步控制逆变单元进行变频运行。

[0103] 当两台变频器都正常工作时，由上位机4选择其中的一台变频器作为主变频器(如第一变频器11)，另一台变频器作为从变频器(如第二变频器12)。主变频器的主从选择控制单元选择自身速度环输出的给定转矩信号T_ref作为输出信号，从变频器的主从选择控制单元选择主变频器传输的给定转矩信号T_ref作为输出信号。当主变频器发生故障时，从变频器变为默认的主变频器，从变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩，从变频器的负载转矩从故障发生前的双机负载转矩状态平稳过渡至单机负载转矩状态。当从变频器发生故障时，主变频器的主从状态不变，主变频器的主从选择控制单元的输出转矩为给定指令速度W_ref与自身速度环的速度反馈信号Wrn经过PI控制后输出的转矩，以实现转速平稳控制和负载转矩的平稳过渡。

[0104] 针对双电枢单轴电机对每组电枢都独立采用速度闭环控制，每组电枢的速度信号由于速度传感器差异和采样差异，反馈的速度信号就会存在差异，这样作用在轴上的转矩就不一致，导致了力矩输出效果的不同步性，严重影响了最终的带载能力。如果采用直接转矩控制模式，就失去了对速度的直接控制，船舶运行的平稳性很难得到保证。本实施例描述的电机控制方法采用速度闭环控制方式，利用主从选择控制单元保证双电枢单轴电机输出转矩的同步性。当两台变频器都没有发生故障时，上位机4选择哪台为主变频器，哪台为从变频器，主变频器选择自身速度环输出的转矩，从变频器不使用自身速度环输出的转矩，而是选择主变频器通过光纤通讯传输过来的转矩信号。当某一台变频器出现故障时，另一台变频器默认为主变频器，使用自身速度环输出的转矩信号，这样既保证了转矩输出的同步性，又能对速度进行稳定控制，同时不影响故障时的单机启动。如附图4所示，例如：当上位机4选择第一变频器11作为主变频器，第二变频器12作为从变频器，第一变频器11的第一主从选择控制单元112的输出转矩为给定指令速度W_ref与速度反馈信号Wr1经过第一PI控制单元111进行PI(Proportion Integration，比例积分)控制输出的给定转矩信号T_ref，第一主从选择控制单元112的端口二(即端口102)与端口一(即端口101)连接，端口二与端口三(即端口103)断开(端口103为接受从变频器传输过来的给定转矩信号T_ref)。第二变频器12的第二主从选择控制单元122的输出转矩为接受第一变频器11通过光纤传输过来的转矩。此时，第二主从选择控制单元122的端口五(即端口105)与端口六(即端口106)相连，端口五与端口四(即端口104)断开。端口之间的连接与断开通过程序语言实现(不理解为硬线信号)，这样输入至间接定子量控制(Indirect Stator-Quantities Control)单元(包括第一间接定子量控制单元113和第二间接定子量控制单元123)的转矩就能够保证同步一致，同时利用第一变频器11的速度闭环控制，能够保证速度的平稳控制。间接定子量控制通过计算定子磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，再通过空间电压矢量调制输出来控制逆变单元(包括第一逆变单元114和第二逆变单元124)。间接定子量控制不但可以保证磁链轨迹为圆形，而且还能对输入转矩信号进行稳态和动态调节，具有很好的稳态和动态性能。而且间接定子量控制具有电流为正弦形、开关频率恒定、噪音小等特点。间接定子量控制基于定子磁链，与传统的矢量控制方式不同，它对电机参数的冗余性比较强，不同于矢量控制，对电机参数的依赖性比较强，在矢量控制下，电机参数的变化会导致定向不准确，转矩出力不准等现象。

[0105] 当一台变频器出现故障时，另外一台变频器如果不能及时进行有效的控制，可能会带来严重的负载冲击从而导致船舶运行不稳定，或需要将两台变频器同时停机后，再启动其中的某一台，这会带来响应不及时的缺陷。本实施例针对双电枢单轴电机采用主从协同控制，能够完美地解决单台变频器故障时，另一台能平稳快速地接管控制，无需同时停机后再启另一台的技术缺陷，负载冲击小、响应迅速。具体过程为：例如第一主变频器11发生故障，作为主变频器的第一主变频器11会立即封锁脉冲并将故障信息上传至上位机4。此时，上位机4采用的控制策略为将作为从变频器的第二变频器12变为主变频器，第二变频器12的第二主从选择控制单元122的命令字将端口105与端口104相连，端口105与端口106断开，第二变频器12的第二主从选择控制单元122不再接收原有主变频器(即第一变频器11)通过光纤传输过来的转矩。这时，由于第二变频器12由从变频器变为主变频器，速度环积分的转矩重新起作用，保证了转速和负载的平稳切换(从附图6可看到模拟主机故障时，从变频器的转速和负载波形，电机2的转速基本无波动，负载平稳切换至双变频器控制前的负载转矩)。例如：第一变频器11发生故障，第二变频器由从变频器状态变为主变频器状态，第二变频器12的速度环积分转矩重新起作用。故障时，第二变频器12的负载转矩由单机转矩状态平稳迅速响应故障前的双机负载转矩，速度在这过程中较为平稳。而当第二变频器12发生故障时，第二变频器12立即封锁脉冲再上传故障信息至上位机4，因为第一变频器11本就为主变频器，所以无需更改第一变频器11的主从状态，直接接管进行控制就可以实现转速的平稳控制，以及负载转矩的平稳过度。

[0106] 变频器包括设置于主从选择控制单元与间接定子量控制单元之间的转矩限制单元，由主从选择控制单元输出的给定转矩信号T_ref经过快速功率限制后的转矩作为间接定子量控制单元的输入。当发电系统(发电系统包括柴油机和电机2，由柴油机带动电机2为整艘船舶供电)，例如：当柴油机宕机后，剩余功率不够，变频器不及时进行功率限制，会进一步导致整个发电系统崩溃或变频器故障。本发明具体实施例在电机2本体的最大转矩包络线基础上利用剩余功率与额定功率的比例(这个比例最大为1，只要柴油机的剩余功率足够，就可进行功率限制，如果不够，此比例关系会小于1)，对输出至间接定子量控制单元前的转矩直接进行限制。这种方式相对于将功率限制转化为转速限制更加直接，而且迅速有效。由于将功率限制转化为转速给定限制，不仅存在一个速度外环的处理时间，而且功率和转速并不为线性关系，但通过对输入至间接定子量控制单元前的转矩直接进行功率限制，所以输出的最大转矩包络线按照功率限制比例下降，功率与转矩呈直接的线性关系，实际转速也自然地下降，达到了快速功率限制的作用，保证了整个发电系统及变频器安全可靠地运行。

[0107] 转矩限制单元的具体技术控制过程为：第一变频器11和第二变频器12同时接收上位机4指令中传输过来的剩余功率指令，转矩限制单元根据每40μs的计算周期计算出转矩限制比例，公式如下：

[0108]

[0109] T＝Kp*Temc

[0110] 其中，Kp为转矩限制百分比，Pl为上位机4传输的电机2可使用的剩余功率(船舶的配电控制系统为整船分配电力，例如照明、空调、侧推进和主推进等，这个系统会根据柴油机当前的输出功率，计算并分配给电机2可以使用的剩余功率)，Pr为电机2当前的实际输出功率(控制系统会根据电机2的当前转速和作用转矩计算出电机2的实时功率)，PN为电机2的额定功率(此功率即为电机2的实际功率)，T为转矩限制单元输出至间接定子量控制单元的转矩，Temc为电机2在全速范围内最大转矩包络线(电机厂家会提供一个电机曲线，包含了各个速度点容许的最大转矩)。

[0111] 通过实施本发明具体实施例描述的电机控制系统、方法及其应用的技术方案，能够产生如下技术效果：

[0112] (1)本发明具体实施例描述的电机控制系统、方法及其应用采用变频器主从协同控制方式，实现了多电枢单轴电机转矩输出效果的同步，从而有效保证了船舶稳定可靠的运行；

[0113] (2)本发明具体实施例描述的电机控制系统、方法及其应用采用变频器主从协同控制方式，通过光纤快速互传主从转矩信息，能完美地解决单台变频器故障时，另一台变频器平稳快速地接管控制的技术问题，能够实现转速的平稳控制，以及负载转矩的平稳过渡；

[0114] (3)本发明具体实施例描述的电机控制系统、方法及其应用利用功率限制比转化为转矩限制比直接作用控制转矩环节上，实现了快速的功率限制功能，保证了柴油机发电系统及变频器安全可靠地运行。

[0115] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0116] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。