CN103259487B - 变频器控制电机的方法和变频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变频器控制电机的方法，包括：在逆变器的三相下桥臂分别串联采样电阻；将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2；计算相间电阻将三相的两两相间电阻的均值作为电机的定子电阻。还公开一种应用上述方法的变频器，上述方法和变频器采样电流简单且准确。

Description

变频器控制电机的方法和变频器

技术领域

本发明涉及变频器技术，特别是涉及一种变频器控制电机的方法和一种变频器。

背景技术

变频器由于能够改变交流电的频率和电压，因此可以用于方便地控制电机的转速。变频器的主要工作原理是先通过整流将工频（一般是50Hz）交流电变为直流电，然后进行滤波处理，接着将直流电经过逆变转换为具有预期频率的交流电。如图1所示，是一种常用的逆变器的电路原理图。该逆变器包括三路IGBT管，以三相输出节点U、V、W为界，每路都分为包括一个IGBT管的上桥臂和下桥臂。每个IGBT管的栅极输入具有一定占空比的PWM信号控制输出电压的波形，从而得到三相电压。

在电机参数辨识和电机控制上，电流采样的准确性至关重要。在高端领域，采用霍尔效应感应来采样电流，但其在低端低成本领域不具备优势。还有就是基于母线采样电流，需要复杂的软件控制，而且这种方法无法对相间短路进行有效保护。

发明内容

基于此，有必要提供一种变频器控制电机的方法，其中的电流采样方式相对简单和准确。

此外，还提供一种变频器。

一种变频器控制电机的方法，包括控制前的电机参数识别步骤，所述电机参数是定子电阻，所述识别步骤具体包括：在逆变器的三相下桥臂分别串联采样电阻；将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2；根据下述公式计算得到所述剩下两相的相间电阻R：计算所得到的三相的两两相间电阻的均值作为电机的定子电阻。

在其中一个实施例中，还包括：在三相的两两相间电阻计算完成之后，计算三个相间电阻的偏差，若超过预设偏差，则报告相间不平衡故障，否则取所述三个相间电阻的均值作为电机的定子电阻。

在其中一个实施例中，所述电机参数包括转子电阻、定子漏感和转子漏感，识别步骤具体包括：使三相中的其中一相开路，在另外两相间施加交流电并使电流达到电机的额定电流；检测采样电流的相位零点；根据电压相位零点和电流相位零点，经计算得到电压和电流的相位差θ；根据所述相位差θ和电机稳态模型计算所述转子电阻、定子漏感和转子漏感；

其中，所述检测采样电流的相位零点的步骤为：采用第一采样频率进行电流采样，当检测到两个相邻的电流符号相反时，将所述两个相邻的电流取绝对值相加作为判断阈值；继续采用第一采样频率进行电流采样，当检测到电流瞬时值小于所述判断阈值时，采用第二采样频率进行电流采样；所述第二采样频率大于第一采样频率；当检测到两个相邻的电流符号相反时，将两个电流的相位取平均值作为相位零点。

在其中一个实施例中，还包括对电机进行正常矢量控制的步骤，所述矢量控制包括三相电流采样，所述电流采样的时刻为每一相的下桥臂开通的中间时刻。

在其中一个实施例中，将当前采样电流时刻前一拍的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最小的一相电流由另外两相电流合成。

一种变频器，包括电机参数识别模块，所述电机参数识别模块用于识别电机的定子电阻，所述变频器的逆变器的三相下桥臂分别串联采样电阻；所述电机参数识别模块在识别定子电阻时具体是：将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1；检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2；根据下述公式计算得到所述剩下两相的相间电阻R：计算所得到的三相的两两相间电阻的均值作为电机的定子电阻。

在其中一个实施例中，所述电机参数识别模块还用于：在三相的两两相间电阻计算完成之后，计算三个相间电阻的偏差，若超过预设偏差，则报告相间不平衡故障。

在其中一个实施例中，所述电机参数识别模块还用于识别转子电阻、定子漏感和转子漏感：使三相中的其中一相开路，在另外两相间施加交流电并使电流达到电机的额定电流；检测采样电流的相位零点；根据电压相位零点和电流相位零点，经计算得到电压和电流的相位差θ；根据所述相位差θ和电机稳态模型计算所述转子电阻、定子漏感和转子漏感；

其中，所述检测采样电流的相位零点的步骤为：采用第一采样频率进行电流采样，当检测到两个相邻的电流符号相反时，将所述两个相邻的电流取绝对值相加作为判断阈值；继续采用第一采样频率进行电流采样，当检测到电流瞬时值小于所述判断阈值时，采用第二采样频率进行电流采样；所述第二采样频率大于第一采样频率；当检测到两个相邻的电流符号相反时，将两个电流的相位取平均值作为相位零点。

在其中一个实施例中，包括矢量控制模块，用于在每一相的下桥臂开通的中间时刻触发对三相电流的采样。

在其中一个实施例中，所述矢量控制模块还用于将当前采样电流时刻前一拍的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最小的一相电流由另外两相电流合成。

上述实施例的方法和变频器，通过在逆变器桥臂上采样电流，能够简单和准确地完成电流采样，并将其用于电机参数识别和电机矢量控制。

附图说明

图1为传统的变频器的逆变器的电路原理图图；

图2为一实施例的变频器的逆变器的电路原理图；

图3为电流流向示意图；

图4为电流采样示意图。

具体实施方式

如图2所示，是一实施例的变频器的逆变器的电路原理图。该逆变器在传统的逆变器结构的基础上，在每一相的下桥臂串联采样电阻R_U、R_V、R_W。分别用于采样每一相的电流。

基于上述的逆变器结构，提供一实施例的变频器控制电机的方法。该方法包括控制前的电机参数识别步骤和正常矢量控制时的电流采样。在变频器连接受控电机时，对电机的各项参数并不了解，而电机的参数是变频器进行电机控制所必须的。在变频器首次与电机连接时或者电机控制不正常需要重新确定电机参数时，需要进行上述电机参数识别的步骤。上述电机参数主要包括定子电阻、转子电阻、定子漏感以及转子漏感等。

识别定子电阻的步骤具体包括识别三相的两两相间电阻，也即UV相间电阻、UW相间电阻以及VW相间电阻。步骤如下：

步骤S101：将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭。以识别UV相间电阻为例，本步骤具体为：将W相的驱动关闭，U相的上桥臂驱动（也即T1）关闭、下桥臂驱动（也即T2）完全开通，V相的上桥臂驱动（也即T3）的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动（也即T4）关闭。此时电流的流向为正母线（+）→T3→电极的UV相间电阻→T2→负母线（-），也即电流能够完全从U相下桥臂流过，参考图3。

步骤S102：检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1。以识别UV相间电阻为例，本步骤具体为：检测并调节U相下桥臂的采样电流，也即检测通过采样电阻RU上的电流，并且经过PI调节手段使其稳定在第一预设值I。在电流稳定在第一预设值I时，对应的母线电压为U1，V相上桥臂的占空比为D1。假设两个IGBT管的压降为X，则此时的电路方程为:

U1×D1＝X+X+R×I。

步骤S103：检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2。以识别UV相间电阻为例，本步骤具体为：检测并调节U相下桥臂的采样电流，也即检测通过采样电阻R_U上的电流，并且经过PI调节手段使其稳定在第二预设值I’。在电流稳定在第二预设值I’时，对应的母线电压为U2，V相上桥臂的占空比为D2。则此时的电路方程为:

U2×D2＝X+X+R×I'。

步骤S104：根据下述公式计算得到所述剩下两相的相间电阻R：

$R=\frac{U2\×D2-U1\×D1}{I^{\′}-I}.$

本步骤的公式由步骤S102和步骤S103两步联立解方程得到。其中第一预设值I可以为额定电流的一半，第二预设值I’为额定电流，或者也可以采用其他不超过额定电流的值。

进一步地，为避免较大的偏差，上述步骤中，还包括：在三相的两两相间电阻计算完成之后，计算三个相间电阻的偏差，若超过预设偏差，则报告相间不平衡故障，否则取所述三个相间电阻的均值作为电机的定子电阻。

其他电机参数如转子电阻、定子漏感和转子漏感的识别步骤具体包括：

步骤S201：使三相中的其中一相开路，在另外两相施加交流电并使电流达到电机的额定电流。例如使W相开路，在UV相之间施加交流电，使电流达到电机的额定电流，采用的方式同样是进行PI调节。根据电机稳态模型，可以在获得电流和电压的相位差的情况下，计算得到转子电阻、定子和转子漏感。

步骤S202：检测采样电流的相位零点。相位零点是一个较为关键的时间节点，从相位到达零点的时刻起，电流矢量按照固定的时间进行周期性的变化。因此准确的相位零点对于电机参数计算精度至关重要。本步骤具体可采用如下方法检测。

步骤S221：采用第一采样频率进行电流采样，当检测到两个相邻的电流符号相反时，将所述两个相邻的电流取绝对值相加作为判断阈值。如图4所示，当相位过零点时，电流必然是由正变负或者由负变正，也即符号会发生改变。同时，这两个电流采样值的绝对值也较小，也就是说，在相位过零点时，电流幅值也较小。将二者电流取绝对值相加作为判断阈值，作为进一步判断的基础。

步骤S222：继续采用第一采样频率进行电流采样，当检测到电流瞬时值小于所述判断阈值时，采用第二采样频率进行电流采样；所述第二采样频率大于第一采样频率。当采样电流小于上述的判断阈值时，即可采用采样频率更大的第一采样频率进行采样来判断相位零点。

优选的，上述第一采样频率为10KHz（即采样周期为100μs），上述第二采样频率为200KHz（即采样周期为5μs）。

步骤S223：当检测到两个相邻的电流符号相反时，将电流的相位取平均值作为当前电流相位。

步骤S203：根据电压相位零点和电流相位零点，经计算得到电压和电流的相位差θ。通过上面处理可以得到更为准确的电压电流相位

需要注意的是，当在相间施加交流电压时，该交流电压分为正负半波电压。当施加正电压时，此时逆变器的控制方式为T2常开，T1常关，V相斩波输出。经分析，此种情况电流流向有2种可能：一种是电流为正，从正母线→T3→电机→T2→负母线；另外一种是电流为负，从负母线→D2→电机→D3→正母线。不管哪种情况，此时电机电流一直经过U相下桥臂采样电阻R_U，所以正电压时，需要采样U相下桥臂采样电流作为实际电流。

而当施加负电压时，此时逆变器的控制方式为：T4常开，T3常关，U相斩波输出。经分析，此种电流流向有2种可能：一种是电流为正，从负母线→D4→电机→D1→正母线；另外是一种电流为负，从正母线→T1→电机→T4→负母线。从上面两种来看，此时电机电流一直经过V相下桥臂采样电阻，所以负电压时，需要采样V相下桥臂采样电流作为实际电流。

步骤S204：根据所述相位差θ和电机稳态模型计算所述转子电阻、定子漏感和转子漏感。

经过电机参数辨识，变频器就可以正确对电机进行控制。

基于图2所示的逆变器结构，本实施例的方法在对电机进行正常矢量控制时，按照如下方式来对三相电流采样：在每一相的下桥臂开通的中间时刻触发所述电流采样。当电机正常运行时，三相下桥臂采样电阻电流与实际每个桥臂流出电流是有差别的。需要特殊处理，才能保证下桥臂采样电流为实际输出电流，如图2所示，以U相为例说明，只有当电流通过T2或者D2时，下桥臂电流R_U才与该桥臂输出电流等同。否则如果电流通过T1或者D1时，下桥臂并无采样电流。为此，将每次采样都在每一相的下桥臂开通的中间时刻触发，这样就能保证流过桥臂的电流即是采样电阻的电流。具体的，本实施例采用TI（德州仪器）生产的C2000系列DSP28035芯片，利用其自带的EPWM模块的功能实现对AD电流采样的定时采样。定时采样的时刻通过对EPWM模块的部分寄存器进行设置来实现下桥臂开通中间时刻来触发电流采样。

此外，在某相桥臂因为输出电压较高发生过调制时，会出现该相下桥臂完全关闭的情况，此时采样电流就会出现错误。为避免出现这种情况，本实施例对当前采样电流时刻前一拍的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，舍掉驱动时间最小的那相电流。该相电流通过另外两相电流合成计算。

一实施例的变频器，其逆变器采用如图2所示的电路结构，并且还包括电机参数识别模块和矢量控制模块。其中电机参数识别模块按照上述实施例的方法对电机的定子电阻、转子电阻、定子漏感以及转子漏感等参数进行识别，而矢量控制模块则按照上述实施例的方法获得采样电流。

上述实施例的方法和变频器，通过在逆变器桥臂上采样电流，能够简单和准确地完成电流采样，并将其用于电机参数识别和电机矢量控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种变频器控制电机的方法，包括控制前的电机参数识别步骤，其特征在于，所述电机参数是定子电阻，所述识别步骤具体包括：

在逆变器的三相下桥臂分别串联采样电阻；

将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭；

检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1；

检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2；

根据下述公式计算得到所述剩下两相的相间电阻R：

$R=\frac{U2\×D2-U1\×D1}{I^{\′}-I};$

计算所得到的三相的两两相间电阻的均值作为电机的定子电阻；

还包括对电机进行正常矢量控制的步骤，所述矢量控制包括三相电流采样，所述电流采样的时刻为每一相的下桥臂开通的中间时刻；

将当前采样电流时刻前一拍的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最小的一相电流由另外两相电流合成。

2.根据权利要求1所述的变频器控制电机的方法，其特征在于，还包括：

在三相的两两相间电阻计算完成之后，计算三个相间电阻的偏差，若超过预设偏差，则报告相间不平衡故障，否则取所述三个相间电阻的均值作为电机的定子电阻。

3.根据权利要求1所述的变频器控制电机的方法，其特征在于，所述电机参数包括转子电阻、定子漏感和转子漏感，识别步骤具体包括：

使三相中的其中一相开路，在另外两相间施加交流电并使电流达到电机的额定电流；

检测采样电流的相位零点；

根据电压相位零点和电流相位零点，经计算得到电压和电流的相位差θ；

根据所述相位差θ和电机稳态模型计算所述转子电阻、定子漏感和转子漏感；

其中，所述检测采样电流的相位零点的步骤为：

采用第一采样频率进行电流采样，当检测到两个相邻的电流符号相反时，将所述两个相邻的电流取绝对值相加作为判断阈值；

继续采用第一采样频率进行电流采样，当检测到电流瞬时值小于所述判断阈值时，采用第二采样频率进行电流采样；所述第二采样频率大于第一采样频率；

当检测到两个相邻的电流符号相反时，将两个电流的相位取平均值作为相位零点。

4.一种变频器，包括电机参数识别模块，其特征在于，所述电机参数识别模块用于识别电机的定子电阻，所述变频器的逆变器的三相下桥臂分别串联采样电阻；

所述电机参数识别模块在识别定子电阻时具体是：

将三相中的其中一相的驱动关闭，剩下两相中的其中一相的上桥臂驱动关闭、下桥臂驱动完全开通，剩下两相中的另外一相的上桥臂驱动的脉宽调制信号的占空比从零开始逐渐增大、下桥臂驱动关闭；

检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第一预设值I，并记录母线电压U1和占空比D1；

检测并调节所述剩下两相中的其中一相的下桥臂的采样电流使其稳定在第二预设值I’，并记录母线电压U2和占空比D2；

根据下述公式计算得到所述剩下两相的相间电阻R：

$R=\frac{U2\×D2-U1\×D1}{I^{\′}-I};$

计算所得到的三相的两两相间电阻的均值作为电机的定子电阻；

还包括矢量控制模块，用于在每一相的下桥臂开通的中间时刻触发对三相电流的采样；

所述矢量控制模块还用于将当前采样电流时刻前一拍的U、V、W三相下桥臂驱动时间进行比较，将驱动时间最小的一相电流由另外两相电流合成。

5.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于，所述电机参数识别模块还用于：在三相的两两相间电阻计算完成之后，计算三个相间电阻的偏差，若超过预设偏差，则报告相间不平衡故障。

6.根据权利要求4所述的变频器，其特征在于，所述电机参数识别模块还用于识别转子电阻、定子漏感和转子漏感：

使三相中的其中一相开路，在另外两相间施加交流电并使电流达到电机的额定电流；

检测采样电流的相位零点；

根据电压相位零点和电流相位零点，经计算得到电压和电流的相位差θ；

根据所述相位差θ和电机稳态模型计算所述转子电阻、定子漏感和转子漏感；

其中，所述检测采样电流的相位零点的步骤为：

采用第一采样频率进行电流采样，当检测到两个相邻的电流符号相反时，将所述两个相邻的电流取绝对值相加作为判断阈值；

继续采用第一采样频率进行电流采样，当检测到电流瞬时值小于所述判断阈值时，采用第二采样频率进行电流采样；所述第二采样频率大于第一采样频率；

当检测到两个相邻的电流符号相反时，将两个电流的相位取平均值作为相位零点。