CN109412490B - 电器设备、电机控制***及感应电机的控制方法、装置 - Google Patents

电器设备、电机控制***及感应电机的控制方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电器设备、电机控制***及感应电机的控制方法、装置。其中，控制方法包括以下步骤：获取电机频率指令值；根据电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；根据电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。该控制方法的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。

Description

电器设备、电机控制***及感应电机的控制方法、装置
技术领域
本发明涉及电器技术领域，特别涉及一种感应电机的控制方法、一种感应电机的控制装置、一种电机控制***及一种电器设备。
背景技术
感应电机由于没有有刷电机的电刷换向问题，也没有永磁同步电机的退磁风险，且具有结构简单、成本低、可靠性高的优点，在工业和家电等领域应用广泛。
目前，三相感应电机的变频控制方法大致分为两类：
一类是V/F控制(恒压频比控制)。如图1所示，
Figure BDA0001380420800000011
分别为电机第一频率指令值和第二频率指令值，
Figure BDA0001380420800000012
是电压矢量幅值，θ*为电压矢量角度。电机第一频率指令值经过一个“指令处理”模块后，生成第二频率指令值，该“指令处理”模块起到平滑指令的作用，可用斜坡函数等实现。第二频率指令值经过“角度计算”模块生成电压角度，该模块可用积分等方式实现。“电压生成”模块根据输入的第二频率指令值，对V/f曲线进行查表，生成电压幅值。电压幅值和角度经“PWM生成”模块生成逆变器脉冲驱动信号，通过逆变器输出电压给电机。
然而，由于V/F曲线是根据经验调试获得，因此不能准确匹配电机，使得V/F控制输出电压与理想输出电压之间有偏差(如图2所示)，容易造成效率低或输出转矩不足问题。
另一类是矢量控制。如图3所示，iabc是经过电流采样得到的电机静止三相坐标系下的电流反馈值，iα,iβ是静止两相坐标系下的电流反馈值，id,iq是按磁场定向的同步旋转坐标系下的dq轴电流反馈值，
Figure BDA0001380420800000013
是同步旋转坐标系下的dq轴电流指令值，
Figure BDA0001380420800000014
分别为静止两相坐标系下的α轴电压指令值和β轴电压指令值，
Figure BDA0001380420800000015
为观测器估计的定向磁链角度。
然而，矢量控制由于是电流闭环，因此需要精确采样电机相电流，或是通过精确采样直流母线电流再估计相电流，这不仅增加了控制器硬件成本，也增加了对电路板布线的要求。另外，为了去掉电机速度传感器以降低整个***的成本，一般通过控制器的观测器软件获得转子磁链位置，而观测器软件算法复杂，且对电机参数高度依赖，在电机参数随温度等外部环境变化时，估计的磁链角度就会偏离实际的磁链角度，进而降低电机的控制性能，甚至发生无法运转的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种感应电机的控制方法，该控制方法的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
本发明的第二个目的在于提出一种感应电机的控制装置。
本发明的第三个目的在于提出一种电机控制***。
本发明的第四个目的在于提出一种电器设备。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种感应电机的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：获取电机频率指令值；根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。
根据本发明实施例的感应电机的控制方法，根据获取的电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，并根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型进行电压计算获得d轴电压指令值和q轴电压指令值。根据电机同步频率指令值进行角度计算获得电机同步转角，根据计算所得的电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换后得到α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。该控制方法的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
另外，根据本发明上述实施例的感应电机的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，当所述电机频率指令值为同步频率指令值时，根据所述电机频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：根据所述同步频率指令值生成电机转矩指令值；根据所述电机转矩指令值和所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行电流计算以获得所述d轴电流指令值和q轴电流指令值。
根据本发明的一个实施例，当所述电机的同步频率小于预设频率时，根据以下公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000031
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为所述电机的励磁电感和转子电感，
Figure BDA0001380420800000032
为所述电机转矩指令值，
Figure BDA0001380420800000033
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当所述电机的同步频率大于等于预设频率时，根据以下公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000034
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure BDA0001380420800000035
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure BDA0001380420800000036
为所述同步频率指令值。
根据本发明的一个实施例，当所述电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，根据所述电机频率指令值，获得同步频率指定值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：根据所述转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值，并将所述滑差频率指令值叠加到所述转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；根据所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行励磁电流计算以获得所述d轴电流指令值；根据所述滑差频率指令值和所述d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得所述q轴电流指令值。
根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000037
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure BDA0001380420800000038
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure BDA0001380420800000039
为所述滑差频率指令值。
根据本发明的一个实施例，根据以下公式计算所述d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure BDA00013804208000000310
Figure BDA00013804208000000311
其中，
Figure BDA00013804208000000312
为所述同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure BDA00013804208000000313
分别为所述d轴电压指令值和q轴电压指令值。
根据本发明的一个实施例，感应电机的控制方法还包括：检测所述逆变器的母线电流，并根据所述逆变器的母线电流调节所述d轴电压指令值和q轴电压指令值以对所述逆变器的母线电流峰值进行限制。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种感应电机的控制装置，所述控制装置包括：获取模块，用于获取电机频率指令值；电流计算模块，用于根据所述电机频率指令值，获取同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；电压计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；角度计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；坐标转换模块，用于根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值；控制模块，用于根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。
根据本发明实施例的感应电机的控制装置，通过获取模块获取电机频率指令值，通过电流计算模块根据电机频率指令值获取同步频率指令值，获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，再通过电压计算模块根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值获得d轴电压指令值和q轴电压指令值，进而通过角度计算模块根据电机同步频率指令值，获得电机同步转角，通过坐标转换模块根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，最后，通过控制模块根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。该控制装置的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
另外，根据本发明上述实施例的感应电机的控制装置还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述电机频率指令值为同步频率指令值时，所述电流计算模块包括：第一负载模型单元，用于根据所述同步频率指令值生成电机转矩指令值；转矩及励磁电流生成单元，用于根据所述电机转矩指令值和所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行电流计算以获得所述d轴电流指令值和q轴电流指令值。
根据本发明的一个实施例，所述转矩及励磁电流生成单元进一步用于，
当所述电机的同步频率小于预设频率时，根据公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000041
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为所述电机的励磁电感和转子电感，
Figure BDA0001380420800000051
为所述电机转矩指令值，
Figure BDA0001380420800000052
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当所述电机的同步频率大于等于预设频率时，根据公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000053
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure BDA0001380420800000054
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure BDA0001380420800000055
为所述同步频率指令值。
根据本发明的一个实施例，当所述电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，所述电流计算模块包括：第二负载模型单元，用于根据所述转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值；叠加单元，用于将所述滑差频率指令值叠加到所述转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；励磁电流生成单元，用于根据所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行励磁电流计算以获得所述d轴电流指令值；转矩电流生成单元，用于根据所述滑差频率指令值和所述d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得所述q轴电流指令值。
根据本发明的一个实施例，所述转矩电流生成单元进一步用于，根据以下公式计算所述q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000056
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure BDA0001380420800000057
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure BDA0001380420800000058
为所述滑差频率指令值。
根据本发明的一个实施例，所述电压计算模块进一步用于，根据以下公式计算所述d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure BDA0001380420800000059
Figure BDA00013804208000000510
其中，
Figure BDA00013804208000000511
为所述同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure BDA00013804208000000512
分别为所述d轴电压指令值和q轴电压指令值。
根据本发明的一个实施例，所述的感应电机的控制装置还包括：电流检测模块，用于检测所述逆变器的母线电流；电压限制模块，用于根据所述逆变器的母线电流调节所述d轴电压指令值和q轴电压指令值以对所述逆变器的母线电流峰值进行限制。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电机控制***，其包括上述感应电机的控制装置。
本发明的电机控制***，采用上述感应电机的控制装置，在对电机进行控制时，成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
进一步地，本发明第四方面实施例提出了一种电器设备，其包括上述电机控制***。
本发明的电器设备，采用上述电机控制***，在对电机进行控制时，成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
附图说明
图1是相关技术中感应电机V/F控制的原理图；
图2是相关技术中感应电机V/F控制的输出电压与理想输出电压的对比示意图；
图3是相关技术中感应电机矢量控制的原理图；
图4是根据本发明实施例的感应电机的控制方法的流程图；
图5是根据本发明第一个实施例的感应电机的控制方法的原理示意图；
图6是根据本发明第二个实施例的感应电机的控制方法的原理示意图；
图7是根据本发明第一个实施例的dq轴电流指令值随频率变化的示意图；
图8是根据本发明第三个实施例的感应电机的控制方法的原理示意图；
图9是根据本发明第四个实施例的感应电机的控制方法的原理示意图；
图10是根据本发明第三个实施例的d轴电流指令值随频率变化的示意图；
图11是根据本发明一个实施例的感应电机的控制装置的方框图；
图12是根据本发明一个实施例的电流计算模块的方框图；
图13是根据本发明另一个实施例的电流计算模块的方框图；
图14是根据本发明另一个实施例的感应电机的控制装置的方框图；
图15是根据本发明实施例的电机控制***的方框图；
图16是根据本发明实施例的电器设备的方框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的电器设备及其感应电机的控制方法、装置与***。
图4是根据本发明实施例的感应电机的控制方法的流程图。
如图4所示，感应电机的控制方法包括以下步骤：
S101，获取电机频率指令值。
在该实施例中，电机频率指令值可以是同步频率指令值，也可以是转子旋转频率指令值。
S102，根据电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值。
可以理解，如果电机频率指令值为同步频率指令值，则直接利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值。
S103，根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值。
S104，根据电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角。
S105，根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。
具体地，感应电机上电运行时，首先获取电机频率指令值ω*。然后，根据电机频率指令值ω*，获得电机同步频率指令值
Figure BDA0001380420800000071
利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值
Figure BDA0001380420800000072
和q轴电流指令值
Figure BDA0001380420800000073
并根据dq轴电流指令值与电机同步频率指令值
Figure BDA0001380420800000074
利用电机数学模型进行电压计算生成d轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000075
和q轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000076
同时，根据电机同步频率指令值
Figure BDA0001380420800000077
进行角度计算以获得电机同步转角θ*，并根据电机同步转角θ*对dq轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000078
和经过坐标变换模块，生成静止两相坐标系下的α轴电压指令值和β轴电压指令值。并根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。由此，该控制方法的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
在本发明的一个实施例中，如图5所示，当电机频率指令值为同步频率指令值时，根据电机频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：根据同步频率指令值生成电机转矩指令值；根据电机转矩指令值和同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值。
在本发明的一个实施例中，当电机的同步频率小于预设频率时，根据以下公式(1)计算d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000081
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为电机的励磁电感和转子电感，
Figure BDA00013804208000000819
为电机转矩指令值，
Figure BDA0001380420800000082
分别为d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当电机的同步频率大于等于预设频率时，根据以下公式(2)计算d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000083
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure BDA0001380420800000084
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure BDA0001380420800000085
为同步频率指令值。
进一步地，可根据以下公式(3)计算d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure BDA0001380420800000086
其中，
Figure BDA0001380420800000087
为同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure BDA0001380420800000088
分别为d轴电压指令值和q轴电压指令值。
具体而言，当所述电机频率指令值为同步频率指令值时，如图5所示，“指令处理”模块可由预先设置好的加速度，并根据频率第一指令值
Figure BDA0001380420800000089
生成频率第二指令值
Figure BDA00013804208000000810
“负载模型”模块可根据应用领域和/或实际负载情况，生成固定的转矩指令值
Figure BDA00013804208000000811
或者随频率第二指令值
Figure BDA00013804208000000812
变化的
Figure BDA00013804208000000813
进而
Figure BDA00013804208000000814
和
Figure BDA00013804208000000815
经过“转矩、励磁电流生成”模块，生成同步旋转坐标系下的d轴电流指令值和q轴电流指令值，即励磁电流
Figure BDA00013804208000000816
和转矩电流
Figure BDA00013804208000000817
图7为一转矩指令
Figure BDA00013804208000000818
下，dq轴电流指令值随同步频率变化的示意图。
其中，当同步频率较低(即小于预设频率)时，母线电压够用，可以根据式(1)计算励磁和转矩电流，即在电流限制值内，选择励磁和转矩电流达到所需转矩。当同步频率升高到一定值(即大于等于预设频率)时，由于电机反电势较高，需要对励磁电流(d轴电流指令值)进行减小处理，以达到降低电机反电势，保证预输出电压在实际电压范围内的目的。此时，可根据式(2)计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，以保证电压在限制值内，且转矩最大。
进一步地，“电机模型”模块根据dq轴电流指令值与同步频率指令值
Figure BDA0001380420800000091
通过式(3)生成dq轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000092
同时，“角度计算”模块可对同步频率
Figure BDA0001380420800000093
进行积分以生成电机同步转角θ*。进而“坐标变换”模块根据θ*对dq轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000094
进行转换，生成静止两相坐标系下的α轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000095
和β轴电压指令值
Figure BDA0001380420800000096
“PWM生成”模块根据
Figure BDA0001380420800000097
通过SVPWM、SPWM等方式生成PWM信号，并送入逆变器，逆变器输出电压给电机，使电机运转。
其中，“指令处理”模块也可根据电机负载的特点生成具有分段加速度特点的曲线，
在该实施例中，还可以检测逆变器的母线电流，并根据逆变器的母线电流调节d轴电压指令值和q轴电压指令值以对逆变器的母线电流峰值进行限制。
具体而言，如果在图5中加入电流采样，则可通过调节输出电压限制电流峰值。如图6所示，idc为逆变器母线电流，
Figure BDA0001380420800000098
为限制后的dq轴电压指令值。与图5相比，图6中多了一个idc和“电压限制”模块。
其中，电机实际运行时，如果idc小于电流限制值iLim，则“电压限制”模块的输出等于输入；如果idc大于电流限制值iLim，则dq轴电压指令值乘以一个系数k(0<k≤1，idc越大，k值越小)，以降低输出的电压。
在本发明的另一个实施例中，当电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，如图8所示，根据电机频率指令值，获得同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：根据转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值，并将滑差频率指令值叠加到转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；根据同步频率指令值，利用电机数学模型进行励磁电流计算以获得d轴电流指令值；根据滑差频率指令值和d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得q轴电流指令值。
在本发明实施例中，感应电机的控制方法根据以下公式计算q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000099
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure BDA00013804208000000910
分别为d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure BDA00013804208000000911
为滑差频率指令值。
进一步地，可以根据以下公式计算d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure BDA0001380420800000101
其中，
Figure BDA0001380420800000102
为同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure BDA0001380420800000103
分别为d轴电压指令值和q轴电压指令值。
具体而言，当电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，如图8所示，“指令处理”模块可由预先设置好的加速度，根据转子旋转频率第一指令值
Figure BDA0001380420800000104
生成转子旋转频率第二指令值
Figure BDA0001380420800000105
“负载模型”模块可结合实际应用的负载情况，根据
Figure BDA0001380420800000106
生成相对应的滑差频率指令值
Figure BDA0001380420800000107
进而
Figure BDA0001380420800000108
与
Figure BDA0001380420800000109
相加后得到同步频率指令值
Figure BDA00013804208000001010
“励磁电流生成”模块根据
Figure BDA00013804208000001011
生成同步旋转坐标系下的d轴电流指令值
Figure BDA00013804208000001012
即励磁电流。图10为生成的励磁电流曲线示意图，如图10所示，即在低速区域，励磁电流指令值
Figure BDA00013804208000001013
可以取较大值，此时电机容易输出较大的转矩，而在中高速区域，励磁电流指令值逐渐减小，以达到降低转子磁链，升高转速的目的。
进一步地，
Figure BDA00013804208000001014
与
Figure BDA00013804208000001015
通过“转矩电流生成”模块利用式(4)生成同步旋转坐标系下的q轴电流指令值
Figure BDA00013804208000001016
即转矩电流。进而dq轴电流指令值与同步频率指令值
Figure BDA00013804208000001017
通过“电机模型”模块利用式(3)生成dq轴电压指令值。同时，同步频率指令值
Figure BDA00013804208000001018
通过“角度计算”模块经过积分等运算器生成电机同步转角θ*。dq轴电压指令值和电机同步转角θ*通过“坐标变换”模块生成静止两相坐标系下的α轴电压指令值和β轴电压指令值。αβ轴电压指令值经过“PWM生成”模块由SVPWM、SPWM等方式获生成PWM，并送入逆变器，逆变器输出电压给电机，使电机运转。
其中，“指令处理”模块也可根据负载的特点生成具有分段加速度特点的曲线。
在该实施例中，还可以检测逆变器的母线电流，并根据逆变器的母线电流调节d轴电压指令值和q轴电压指令值以对逆变器的母线电流峰值进行限制。
具体而言，如果在图8中加入电流采样，则可通过调节输出电压限制电流峰值，如图9所示。
其中，电机实际运行时，如果idc小于电流限制值iLim，则“电压限制”模块的输出等于输入；如果idc大于电流限制值iLim，则dq轴电压指令值乘以一个系数k(0<k≤1，idc越大，k值越小)，以降低输出的电压。
综上，根据本发明实施例的感应电机的控制方法，根据获取的电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，再根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型获得d轴电压指令值和q轴电压指令值，同时根据电机同步频率指令值获得电机同步转角，进而根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。该控制方法的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
图11是根据本发明一个实施例的感应电机的控制装置的方框图。
根据本发明的一个实施例，如图11所示，感应电机的控制装置100包括：获取模块10、电流计算模块20、电压计算模块30、角度计算模块40、坐标转换模块50和控制模块60。
其中，获取模块10用于获取电机频率指令值。电流计算模块20用于根据电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值。电压计算模块30用于根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值。角度计算模块40用于根据电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角。坐标转换模块50用于根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值。控制模块60用于根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。
具体的，当电机频率指令值为同步频率指令值时，如图12所示，电流计算模块包括：第一负载模型单元1和转矩及励磁电流生成单元2。
其中，第一负载模型单元1用于根据同步频率指令值生成电机转矩指令值；转矩及励磁电流生成单元2用于根据电机转矩指令值和同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值。
进一步地，转矩及励磁电流生成单元2还用于当电机的同步频率小于预设频率时，根据公式计算d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000111
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为电机的励磁电感和转子电感，
Figure BDA0001380420800000112
为电机转矩指令值，
Figure BDA0001380420800000113
分别为d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当电机的同步频率大于等于预设频率时，根据公式计算d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000121
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure BDA0001380420800000122
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure BDA0001380420800000123
为同步频率指令值。
具体的，当电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，如图13所示，电流计算模块20包括第二负载模型单元3、叠加单元4、励磁电流生成单元5和转矩电流生成单元6。
其中，第二负载模型单元3用于根据转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值；叠加单元4用于将滑差频率指令值叠加到转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；励磁电流生成单元5用于根据同步频率指令值，利用电机数学模型进行励磁电流计算以获得d轴电流指令值；转矩电流生成单元6用于根据滑差频率指令值和d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得q轴电流指令值。
其中，转矩电流生成单元6进一步用于，根据以下公式计算q轴电流指令值：
Figure BDA0001380420800000124
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure BDA0001380420800000125
分别为d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure BDA0001380420800000126
为滑差频率指令值。
进一步地，当电机频率指令值为同步频率指令值或转子旋转频率指令值时，电压计算模块40均根据以下公式计算d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure BDA0001380420800000127
其中，
Figure BDA0001380420800000128
为同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure BDA0001380420800000129
分别为d轴电压指令值和q轴电压指令值。
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图14所示，感应电机的控制装置100还可以包括：电流检测模块70和电压限制模块80，
其中，电流检测模块70用于检测逆变器的母线电流，电压限制模块80用于根据逆变器的母线电流调节d轴电压指令值和q轴电压指令值以对逆变器的母线电流峰值进行限制。
需要说明的是，本发明实施例的感应电机的控制装置的具体实施方式可参见本发明上述实施例的感应电机的控制方法的具体实施方式，为减少冗余，此处不做赘述。
综上，根据本发明实施例的感应电机的控制装置，通过获取模块获取电机频率指令值，通过电流计算模块获得电机同步频率指令值，根据电机同步频率指令值，利用电机数学模型获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，进而通过电压计算模块根据电机同步频率指令值、d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用电机数学模型获得d轴电压指令值和q轴电压指令值，同时通过角度计算模块根据电机同步频率指令值获得电机同步转角，并通过坐标转换模块根据电机同步转角对d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，进而通过控制模块根据α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制。该控制装置的成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
为达到上述目的，本发明提出了一种电机控制***。
图15是根据本发明实施例的电机控制***的方框图。如图15所示，该电机控制***1000包括上述实施例的感应电机的控制装置100。
本发明实施例的电机控制***，采用上述感应电机的控制装置，在对电机进行控制时，成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
进一步地，本发明提出了一种电器设备。
图16是根据本发明实施例的电器设备的方框图。如图16所示，该电器设备2000包括上述实施例的电机控制***1000。
本发明实施例的电器设备，采用上述电机控制***，在对电机进行控制时，成本优于矢量控制，性能优于V/F控制。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种感应电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电机频率指令值；
根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；
根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；
根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；
根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制；
其中，当所述电机频率指令值为同步频率指令值时，根据所述电机频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：
根据所述同步频率指令值生成电机转矩指令值；
根据所述电机转矩指令值和所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行电流计算以获得所述d轴电流指令值和q轴电流指令值。
2.如权利要求1所述的感应电机的控制方法，其特征在于，
当所述电机的同步频率小于预设频率时，根据以下公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000011
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为所述电机的励磁电感和转子电感，
Figure FDA0002543411720000012
为所述电机转矩指令值，
Figure FDA0002543411720000013
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当所述电机的同步频率大于等于预设频率时，根据以下公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000021
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure FDA0002543411720000022
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure FDA0002543411720000023
为所述同步频率指令值。
3.如权利要求2所述的感应电机的控制方法，其特征在于，根据以下公式计算所述d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure FDA0002543411720000024
Figure FDA0002543411720000025
其中，
Figure FDA0002543411720000026
为所述同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure FDA0002543411720000027
分别为所述d轴电压指令值和q轴电压指令值。
4.如权利要求1-3中任一项所述的感应电机的控制方法，其特征在于，还包括：
检测所述逆变器的母线电流，并根据所述逆变器的母线电流调节所述d轴电压指令值和q轴电压指令值以对所述逆变器的母线电流峰值进行限制。
5.一种感应电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电机频率指令值；
根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；
根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；
根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；
根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值，并根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制；
其中，当所述电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值，包括：
根据所述转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值，并将所述滑差频率指令值叠加到所述转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；
根据所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行励磁电流计算以获得所述d轴电流指令值；
根据所述滑差频率指令值和所述d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得所述q轴电流指令值。
6.如权利要求5所述的感应电机的控制方法，其特征在于，根据以下公式计算所述q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000031
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure FDA0002543411720000032
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure FDA0002543411720000033
为所述滑差频率指令值。
7.一种感应电机的控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取电机频率指令值；
电流计算模块，用于根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；
电压计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；
角度计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；
坐标转换模块，用于根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值；
控制模块，用于根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制；
其中，当所述电机频率指令值为同步频率指令值时，所述电流计算模块包括：
第一负载模型单元，用于根据所述同步频率指令值生成电机转矩指令值；
转矩及励磁电流生成单元，用于根据所述电机转矩指令值和所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行电流计算以获得所述d轴电流指令值和q轴电流指令值。
8.如权利要求7所述的感应电机的控制装置，其特征在于，所述转矩及励磁电流生成单元进一步用于，
当所述电机的同步频率小于预设频率时，根据以下公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000041
其中，is为预设的电流限制值，np是电机极对数，LM、Lr分别为所述电机的励磁电感和转子电感，
Figure FDA0002543411720000042
为所述电机转矩指令值，
Figure FDA0002543411720000043
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值；
当所述电机的同步频率大于等于预设频率时，根据公式计算所述d轴电流指令值和q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000044
其中，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，
Figure FDA0002543411720000045
为漏磁系数，us为预设的电压限制值，
Figure FDA0002543411720000046
为所述同步频率指令值。
9.如权利要求8所述的感应电机的控制装置，其特征在于，所述电压计算模块进一步用于，根据以下公式计算所述d轴电压指令值和q轴电压指令值：
Figure FDA0002543411720000047
Figure FDA0002543411720000048
其中，
Figure FDA0002543411720000049
为所述同步频率指令值，Rs为定子电阻，Ls为定子电感，σ为漏磁系数，
Figure FDA00025434117200000410
分别为所述d轴电压指令值和q轴电压指令值。
10.如权利要求7-9中任一项所述的感应电机的控制装置，其特征在于，还包括：
电流检测模块，用于检测所述逆变器的母线电流；
电压限制模块，用于根据所述逆变器的母线电流调节所述d轴电压指令值和q轴电压指令值以对所述逆变器的母线电流峰值进行限制。
11.一种感应电机的控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取电机频率指令值；
电流计算模块，用于根据所述电机频率指令值，获得电机同步频率指令值，利用电机数学模型进行电流计算以获得d轴电流指令值和q轴电流指令值；
电压计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值、所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，利用所述电机数学模型进行电压计算以获得d轴电压指令值和q轴电压指令值；
角度计算模块，用于根据所述电机同步频率指令值进行角度计算以获得电机同步转角；
坐标转换模块，用于根据所述电机同步转角对所述d轴电压指令值和q轴电压指令值进行坐标转换以获得α轴电压指令值和β轴电压指令值；
控制模块，用于根据所述α轴电压指令值和β轴电压指令值生成控制信号以通过逆变器对电机进行控制；
其中，当所述电机频率指令值为转子旋转频率指令值时，所述电流计算模块包括：
第二负载模型单元，用于根据所述转子旋转频率指令值生成滑差频率指令值；
叠加单元，用于将所述滑差频率指令值叠加到所述转子旋转频率指令值以获得同步频率指令值；
励磁电流生成单元，用于根据所述同步频率指令值，利用所述电机数学模型进行励磁电流计算以获得所述d轴电流指令值；
转矩电流生成单元，用于根据所述滑差频率指令值和所述d轴电流指令值进行转矩电流计算以获得所述q轴电流指令值。
12.如权利要求11所述的感应电机的控制装置，其特征在于，所述转矩电流生成单元进一步用于，根据以下公式计算所述q轴电流指令值：
Figure FDA0002543411720000051
其中，Tr＝Lr/Rr为转子时间常数，Rr为转子电阻，Lr为转子电感，
Figure FDA0002543411720000052
分别为所述d轴电流指令值和q轴电流指令值，
Figure FDA0002543411720000053
为所述滑差频率指令值。
13.一种电机控制***，其特征在于，包括如权利要求7-12中任一项所述的感应电机的控制装置。
14.一种电器设备，其特征在于，包括如权利要求13所述的电机控制***。
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