CN108462425B - 单相电机的变频调速控制方法及*** - Google Patents

Abstract

一种单相电机的变频调速控制方法，通过计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；对M轴偏差电压及T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；将电压角度V₁与电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；计算出给定电压矢量；根据SVPWM方法确定基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变单元中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。此外还提供一种单相电机的变频调速控制***。

Description

单相电机的变频调速控制方法及***

技术领域

本发明涉及变频器，特别是涉及一种调速范围广、精度高的单相电机的变频调速控制方法及***。

背景技术

单相异步电机因其结构简单、价格低廉、坚固耐用，维护方便，广泛的应用于家用电器和小功率工业设备应用场合，如空气压缩机、空气调节器、冰箱、洗衣机、水泵等。目前单相电机调速方法主要有以下方法：

方案一：电抗器调速，在单相电机输入电源侧串入一个带有多个抽头的可变电抗器，通过电抗器对输入电源的分压作用来改变单相电机输入电压，从而实现变压调速的目的。

方案二：抽头调速，在单相电机定子槽中放置主绕组、副绕组以及调速绕组，通过改变调速绕组与主、副绕组的连接方式实现调速目的，该方法调速效率较高，输出力矩特性较好。

方案三：变频器+电感或变压器，在变频器三相(U、V、W)输出的任意两相接足够容量的电感或变压器，再将输出接入单相电机，该方法在不必更改单相电机中电容以及绕上接线方式，能实现连续调速的目的。

现有的电机控制速度调节范围有限，低压时，电机输出力矩小，稳速精度差，只适用于轻载调速场合。或是只能实现有级调速，不能进行连续调速，同时受电机结构限制。或是不适用带离心开关的单相电机，因只用到变频器的两相输出，变频器逆变六桥路功耗不平衡，容易造成其中4桥臂损坏，输出电流大，变频器的容量要比单相电机功率大。

发明内容

基于此，有必要提供一种调速范围广、精度高的单相电机的变频调速控制方法及***。

一种单相电机的变频调速控制方法，包括以下步骤：

计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；

对所述M轴偏差电压及所述T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；

根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；

将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；

根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；

根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；

根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变单元中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。

在其中一个实施例中，所述计算变频器的M轴偏差电压的步骤包括：

将励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到M轴偏差电压。

在其中一个实施例中，还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

在其中一个实施例中，所述计算变频器的T轴偏差电压的步骤包括：

将转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到T轴偏差电压。

在其中一个实施例中，还包括：

获取单相电机的设定频率，对所述设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对所述偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

在其中一个实施例中，还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取转矩电流反馈值。

一种单相电机的变频调速控制***，包括整流模块、逆变模块，还包括主控模块及驱动模块；

所述整流模块用于对输入电源进行整流处理，并将处理后的电源输出给主控模块和逆变模块；所述主控模块用于计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；

所述主控模块还用于对所述M轴偏差电压及所述T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；

所述主控模块还用于根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；

所述主控模块还用于将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；

所述逆变单元用于根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；

所述主控模块还用于根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；

所述驱动模块用于根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制所述逆变模块中的桥臂分时动作，使所述逆变模块控制驱动单相电机运行。

在其中一个实施例中，还包括电流检测模块，所述电流检测模块用于检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；并将W相及U相电流发送给所述主控模块；所述主控模块用于根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于获取单相电机的设定频率，对所述设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

所述主控模块还用于根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对所述偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

在其中一个实施例中，所述主控模块还用于将励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到M轴偏差电压；及

所述主控模块还用于将转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到T轴偏差电压。

上述单相电机的变频调速控制方法及***计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；对M轴偏差电压及T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变单元中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。上述方法及***借助坐标变换和磁场定向解耦电流对单相电机控制，且利用SVPWM调制技术控制单相电机的速度，因而使得单相电机的调速范围广且精度更高。

附图说明

图1为单相单机的变频调速控制方法的流程图；

图2为单相单机的变频调速控制***的模块图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为单相单机的变频调速控制方法的流程图。

一种单相电机的变频调速控制方法，包括以下步骤：

步骤S110，计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压。

在本实施例中，计算变频器的M轴偏差电压的步骤包括：

将励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到M轴偏差电压。

因此，在计算M轴偏差电压之前还需要计算出励磁电流给定值与励磁电流反馈值。

故，单相电机的变频调速控制方法还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

在本实施例中，计算变频器的T轴偏差电压的步骤包括：

将转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到T轴偏差电压。

因此，在计算T轴偏差电压之前还需要计算出转矩电流给定值和转矩电流反馈值。

故，单相电机的变频调速控制方法还包括：

获取单相电机的设定频率，对所述设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对所述偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

故，单相电机的变频调速控制方法还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取转矩电流反馈值。

步骤S112，对所述M轴偏差电压及所述T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out。

步骤S114，根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂。

步骤S116，将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃。

步骤S118，根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量。

步骤S120，根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量。

步骤S122，根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变单元中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。

基于上述实施例，上述单相电机的变频调速控制方法的工作过程如下：

上述方法以跟踪圆形磁场为目标，在磁场定向坐标中将电流矢量进行分解为相互垂直的励磁电流和转矩电流，对两者进行独立控制，分别调节，利用SVPWM技术控制逆变单元的输出电压，达到单相电机调速目的，具体实现主要步骤如下：

在高速中断中，借助电流检测电路检测单相电机三相输出中W、U相电流。

根据单相电机原理，流过主绕组电流与辅助绕组电流在空间上相差90°。其中，流过主绕组电流为力矩电流，流过辅助绕组电流为励磁电流。

根据励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间偏差信号，通过PI调节器得到偏差电压。

通过键盘或外部模拟量得到电机设定频率，再通过加、减速时间处理得到当前时刻给定频率。

将通过速度辨识方法辨识的频率WmId和给定频率之间的偏差信号，通过PI调节器得到转矩电流给定值。

通过转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，通过PI调节器得到的偏差电压UtOut；

将得到的M轴电压UmOut和T轴电压UtOut经过反PARK变换得到两相静止坐标下电压角度V₁，同时计算出电压矢量幅值V_Out；

通过磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂，并与电压角度V₁进行叠加，计算出电压矢量角度V₃。

结合两相六桥臂逆变单元8种开关状态分别对应的8个基本电压空间矢量与电压矢量角度V₃，计算该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量，由这些基本电压矢量和零矢量组合后的平均值与给定电压矢量相等。

采用SVPWM方法，确定基本电压矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量作用时间，输出PWM波控制逆变单元中6桥臂分时动作，驱动单相电机运行。

通常单相电机多采用在副绕组中串联电容，改变流过副绕组与主绕组电流之间的相位差，从而转子获得一定启动转矩，使得单相电机旋转。通过手动切换开关或更改接线方式改变主、副绕组相位差角度进行正转、反转切换。主、副绕组电流相位差为90°时，此时单相电机能获得比较理想圆形旋转磁场，从而输出较大启动转矩，获得较好的运行性能。因此，上述方法提出利用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，从单相电机调速原理出发，借助坐标变换进行磁场定向分解控制，输出PWM波控制两相六桥臂逆变单元输出三相交流电，从而控制单相电机旋转。上述方法驱动单相电机前需将单相电机的电容与切换开关去掉，将主绕组接入逆变单元W相，副绕组接入逆变单元U相，公共端接入逆变单元V相。

如图2所示，为单相电机的变频调速控制***的模块图。

一种单相电机的变频调速控制***，包括整流模块、逆变模块102，还包括主控模块及驱动模块104；

整流模块用于对输入电源进行整流处理，并将处理后的电源输出给主控模块103和逆变模块102；主控模块103用于计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；

主控模块103还用于对M轴偏差电压及T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；

主控模块103还用于根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；

主控模块103还用于将电压角度V₁与电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；

逆变单元用于根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；

主控模块103还用于根据基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；

驱动模块104用于根据SVPWM方法确定基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变模块102中的桥臂分时动作，使逆变模块102控制驱动单相电机运行。

在本实施例中，整流模块将输入220v单相交流电整流成直流电，经滤波处理后为逆变单元以及主控模块103提供电源。

逆变模块102由两相六桥臂逆变模块102组成，受主控模块103控制，经驱动模块104控制逆变单元中六路功率开关管分时动作，将直流电转换成频率和幅值可调的交流电，驱动电机旋转。

故障保护模块针对******进行监控，当出现异常时，将故障异常硬件信号发送给主控模块103，主控模块103对不同的故障信号进行相应处理，以起到对***的保护作用，其中包括过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护等。

***输入、输出模块，为辅助上述***而提供***输入、输出信号，其中包括模拟量输入/输出，开关量输入/输出，继电器输出等。

键盘与显示模块为上述***提供人机界面，方便对***参数设置以及***参数监控。

主控模块103用于故障处理、外部输入、输出数据处理、电流/电压采样、磁场定向分解与控制、SVPWM计算等。

单相电机的变频调速控制***还包括电压检测模块105，电压检测模块105用于检测整流模块输出的电压大小，并反馈给主控模块103。

单相电机的变频调速控制***还包括电流检测模块106，电流检测模块106用于检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；并将W相及U相电流发送给主控模块103；主控模块103用于根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

主控模块103还用于获取单相电机的设定频率，对设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

主控模块103还用于根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

主控模块103还用于将励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到M轴偏差电压；及

主控模块103还用于将转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到T轴偏差电压。

上述单相电机的变频调速控制方法及***计算变频器的M轴偏差电压及T轴偏差电压；对M轴偏差电压及T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；根据变频器的逆变单元开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变单元中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。上述方法及***借助坐标变换和磁场定向解耦电流对单相电机控制，且利用SVPWM调制技术控制单相电机的速度，因而使得单相电机的调速范围广且精度更高。

上述方法及***的启动电流小、可进行频繁启动控制且转、反转切换灵活、加减速时间任意设定；功率因素高、节能效果好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (7)

1.一种单相电机的变频调速控制方法，包括以下步骤：

将励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到变频器的M轴偏差电压，及将转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号，进行PI调节得到T轴偏差电压；

对所述M轴偏差电压及所述T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；

根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；

将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；

根据变频器的逆变模块开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；

根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；

根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制逆变模块中桥臂分时动作，驱动单相电机运行。

2.根据权利要求1所述的单相电机的变频调速控制方法，其特征在于，还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

3.根据权利要求1所述的单相电机的变频调速控制方法，其特征在于，还包括：

获取单相电机的设定频率，对所述设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对所述偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

4.根据权利要求1所述的单相电机的变频调速控制方法，其特征在于，还包括：

检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；

根据单相电机原理，获取转矩电流反馈值。

5.一种单相电机的变频调速控制***，包括整流模块、逆变模块，其特征在于，还包括主控模块及驱动模块；

所述整流模块用于对输入电源进行整流处理，并将处理后的电源输出给主控模块和逆变模块；所述主控模块用于根据励磁电流给定值与励磁电流反馈值之间的偏差信号进行PI调节得到变频器的M轴偏差电压及根据转矩电流给定值和转矩电流反馈值之间的偏差信号进行PI调节得到T轴偏差电压；

所述主控模块还用于对所述M轴偏差电压及所述T轴偏差电压进行反PARK变换得到两相静止坐标下的电压角度V₁，并计算出电压矢量幅值V_Out；

所述主控模块还用于根据磁通辨识计算出MT轴与两相静止坐标的电压角度V₂；

所述主控模块还用于将所述电压角度V₁与所述电压角度V₂进行叠加，计算出电压矢量角度V₃；

所述逆变模块用于根据变频器的逆变模块开关状态对应的电压空间矢量与所述电压矢量角度V₃，计算出该角度下所在扇区的邻近基本空间矢量与零矢量；

所述主控模块还用于根据所述基本空间矢量和零矢量计算出给定电压矢量；

所述驱动模块用于根据SVPWM方法确定所述基本空间矢量的作用顺序，并计算每个基本空间矢量的作用时间，进而输出脉冲调制信号控制所述逆变模块中的桥臂分时动作，使所述逆变模块控制驱动单相电机运行。

6.根据权利要求5所述的单相电机的变频调速控制***，其特征在于，还包括电流检测模块，所述电流检测模块用于检测单相电机三相输出中的W相及U相电流；并将W相及U相电流发送给所述主控模块；所述主控模块用于根据单相电机原理，获取励磁电流反馈值及励磁电流给定值。

7.根据权利要求5所述的单相电机的变频调速控制***，其特征在于，所述主控模块还用于获取单相电机的设定频率，对所述设定频率进行加、减速时间处理得到当前时刻给定频率；

所述主控模块还用于根据速度辨识方法获取频率WmId和当前时刻给定频率之间的偏差信号，并对所述偏差信号进行PI调节获取转矩电流给定值。

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