CN111416565B - 变载波频率的电机控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种变载波频率的电机控制装置及方法，在电机不同阶段以及不同转速下，采用不同载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，极大地的优化了电机的整体性能，减少了电机的整体功耗，延长电机的使用寿命。其技术方案概括为，包括控制模块、存储模块、测试仪器以及电机，所述存储模块以及电机分别与控制模块连接，所述测试仪器与电机连接，所述控制模块用于控制电机启动运行，获取在不同阶段不同转速下的最小目标载波频率，所述存储模块用于储存不同阶段不同转速对应的最小目标载波频率以及调试出的PI环参数与滤波器截止频率，所述测试仪器用于输出电机性能波动曲线图，适用于变载波频率的电机控制装置及方法。

Description

变载波频率的电机控制装置及方法
技术领域
本发明技术涉及电机控制领域，具体涉及一种变载波频率的电机控制装置及方法。
背景技术
随着生活水平的提高，各种各样的家用电器已经被越来越多的家庭所使用，节能增效也早已是家电行业的发展趋势。随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展,变频调速技术得到不断的完善和提高,逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在变频调速电机上得到广泛应用。冰箱，空调行业已从定频压缩机向变频压缩机发展，并且还在进一步的提升能效，减小功耗。
目前对于探讨直流无刷电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)控制技术的文献或专利，都是分析BLDC和PMSM控制技术的具体实现，如梯形波/方波控制技术，空间矢量控制技术(FOC SVPWM)等，亦或是位置观测技术(滑膜观测器，PLL观测器)，电机转子位置识别技术(如高频脉冲注入算法)等。在现有的直流无刷电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)控制技术中，无论是方波控制技术，还是正弦波控制技术，都是采用固定载波频率来进行电机转子的速度控制。也就是在一个固定周期内进行一次电流采样，转子位置估算，PI环反馈计算，调整电压输出等操作。
在现有控制技术中有2点不足。首先是，在电机运行的不同阶段很难用相同的一套控制参数来进行电机转子的精确控制，只能满足各阶段，各转速下的基本性能。有时会出现为了满足启动性能而调试的一组控制参数，而在运行阶段的性能就无法满足。其次，在不同转速下采用固定载波频率时，在转子旋转一圈360度情况下，***对转子的控制即输出电压的调整次数有极大的差别。以家用冰箱变频压缩机为例，通常采用5K载波频率，转速范围在1200rpm至4500rpm，在最低转速下的电压调整次数是最高转速下的3.75倍。由于BLDC和PMSM电机每进行一次电压调整，都会对IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)或IPM(Intelligent Power Module)等功率半导体器件进行1次开关控制。由于功率半导体器件都有开关损耗，因此单位时间内功率半导体器件的开关次数越高，开关损耗越大，电机控制电路板的功耗越大。虽然，固定载波频率控制方式在单位时间内对IGBT或IPM等功率半导体器件的开关次数在转子任何转速下都是一样的。但是分析角度如果从单位时间内的功率半导体器件的开关次数换到转子旋转一圈360度的功率半导体器件的开关次数，那么电机转子在旋转相同圈速的情况下，低速时的功率半导体器件的开关次数就比高速下的高出很多。
发明内容
本发明的目的是提供一种变载波频率的电机控制装置及方法，在不同阶段以及不同转速下，采用不同的载波频率以及参数来精准控制电机，极大地优化了电机整体性能以及极大地减少了电机的整体功耗，延长了电机的使用寿命。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，变载波频率的电机控制装置，包括控制模块、存储模块、测试仪器以及电机，所述存储模块以及电机分别与控制模块连接，所述测试仪器与电机连接；
所述控制模块用于控制电机启动运行，获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率以及能满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率，根据各自对应的最小目标载波频率，调试相对应的PI环参数以及滤波器截止频率，并将调试出的最优PI环参数、滤波器截止频率以及相对应的最小目标载波频率分别记录在存储模块中，用于电机正常启动运行时加载对应记录的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述存储模块用于存储记录启动阶段对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，运行阶段各个转速区间对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述测试仪器用于输出电机性能波动曲线图，电机性能波动曲线图用于辅助获取最小目标载波频率。
变载波频率的电机控制方法，应用于上述所述变载波频率的电机控制装置，包括以下步骤：
步骤(1)、设置电机转速区间；
步骤(2)、获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率；
步骤(3)、根据获得的电机满负荷启动时的最小目标载波频率，获取最优PI环参数以及滤波器截止频率，并将最优PI环参数、滤波器截止频率以及对应的最小目标载波频率记录在存储模块中；
步骤(4)、获取满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率；
步骤(5)、根据在各个转速区间获取的最小目标载波频率，获取最优PI环参数以及滤波器截止频率，并将最优PI环参数、滤波器截止频率以及对应的最小目标载波频率记录在存储模块中；
步骤(6)、电机启动运行，并根据当前电机的状态以及转速加载对应记录在存储模块中的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率。
进一步的是，在步骤(1)中，所述设置电机转速区间的实施步骤包括：设置电机转速为V，电机启动后初始转速为Vmin，最高转速为Vmax，将电机的转速范围划分为N个区间，设置每个区间转速差值为d，d＝(Vmax-Vmin)/N,得到第一转速区间为Vmin≦V≦Vmin+d,第二转速区间为Vmin+d≦V≦Vmin+2d,第N-1转速区间为Vmin+(n-2)*d≦V≦Vmin+(n-1)*d,第N转速区间为Vmin+(n-1)*d≦V≦Vmax。
进一步的是，在步骤(2)中，所述获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率包括以下步骤：
A、控制电机满负荷启动，并将待测载波频率载入电机，观察测试仪器输出的电机性能波动曲线图，根据电机性能波动曲线图的波动峰值计算出中心点值，将中心点值与预定值作差，若差值在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率达到电机满负荷启动要求，执行步骤B，若差值未在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率未达到电机满负荷启动要求，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若不能达到电机满负荷启动要求，则降低之前的待测载波频率为能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率，若能达到电机满负荷启动要求，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若能达到电机满负荷启动要求，则增加之后的待测载波频率为能达到电机满负荷启动的最小目标载波频率，若不能达到电机满负荷启动要求，则继续增加当前待测载波频率，并判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率。
进一步的是，在步骤(3)以及步骤(5)中，所述获取最优PI环参数以及滤波器截止频率的实施步骤包括：根据获得的最小目标载波频率，调试PI环参数以及滤波器截止频率，计算相对应的中心点值与预定值的差值，当差值最小时，最小差值对应的即为最优PI环参数以及滤波器截止频率。
进一步的是，在步骤(4)中，所述控制模块控制电机依次在各个转速区间运行，分别在各个转速区间获取满足电机正常运行的最小目标载波频率包括以下步骤：
A、控制模块控制电机依次在第一转速区间到第N转速区间运行，并依次将各个区间的待测载波频率载入电机，分别计算出在各自转速区间内当电机在最低转速、最高转速以及中间转速运行时对应的中心点值与预定值的差值，若三个差值均在标准误差范围内，则表示当前载波频率能够满足电机在该区间的正常运行，执行步骤B，若三个差值中任意一个不在标准误差范围内，则表示当前载波频率不能满足电机在该区间的正常运行，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若不能满足，则降低之前的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若能够满足，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若能够满足，则增加之后的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若不能满足，则继续增加当前载波频率，并判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率。
本发明控制模块控制电机启动运行，获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率以及能满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率，根据各自对应的最小目标载波频率，调试相对应的PI环参数以及滤波器截止频率，并将调试出的最优PI环参数、滤波器截止频率以及相对应的最小目标载波频率分别记录在存储模块中，电机在正常启动运行时会同时加载对应记录的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；在电机启动阶段加载对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，在电机运行时，根据电机不同转速加载对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，本发明所采用的载波频率为能满足当前阶段以及当前转速的基本性能要求的最小载波频率，并且根据相应的载波频率调试PI环参数以及滤波器截止频率，使得电机性能更加优化，所以极大地优化了电机的整体性能以及极大地减少了电机整体的功耗，延长了电机的使用寿命。
附图说明
图1是本发明变载波频率的电机控制装置的结构框图。
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明变载波频率的电机控制装置，其结构框图如图1，包括控制模块、存储模块、测试仪器以及电机，所述存储模块以及电机分别与控制模块连接，所述测试仪器与电机连接；
所述控制模块用于控制电机启动运行，获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率以及能满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率，根据各自对应的最小目标载波频率，调试相对应的PI环参数以及滤波器截止频率，并将调试出的最优PI环参数、滤波器截止频率以及相对应的最小目标载波频率分别记录在存储模块中，用于电机正常启动运行时加载对应记录的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述存储模块用于存储记录启动阶段对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，运行阶段各个转速区间对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述测试仪器用于输出电机性能波动曲线图，电机性能波动曲线图用于辅助获取最小目标载波频率。
本发明变载波频率的电机控制方法，其方法流程图如图2，包括以下步骤：
步骤201：设置电机转速区间；
步骤202：获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率；
步骤203：根据最小目标载波频率调试PI环参数以及滤波截止频率；
步骤204：将调试出的最优PI环参数、滤波截止频率以及对应的最小载波目标频率记录在存储模块中；
步骤205：获取电机在不同转速区间内对应的最小目标载波频率；
步骤206：根据各个转速区间最小目标载波频率调试对应的PI环参数以及滤波截止频率；
步骤207：将各个区间内调试出的最优PI环参数、滤波截止频率以及对应的最小载波目标频率记录在存储模块中；
步骤208：电机启动运行的同时，加载对应记录在存储模块中的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率。
步骤201中，设置电机转速区间的具体实现手段包括：设置电机转速为V，电机启动后初始转速为Vmin，最高转速为Vmax，将电机的转速范围划分为N个区间，设置每个区间转速差值为d，d＝(Vmax-Vmin)/N,得到第一转速区间为Vmin≦V≦Vmin+d,第二转速区间为Vmin+d≦V≦Vmin+2d,第N-1转速区间为Vmin+(n-2)*d≦V≦Vmin+(n-1)*d,第N转速区间为Vmin+(n-1)*d≦V≦Vmax。
步骤202中，获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率，可以采用如下步骤实现：
A、控制电机满负荷启动，并将待测载波频率载入电机，观察测试仪器输出的电机性能波动曲线图，根据电机性能波动曲线图的波动峰值计算出中心点值，将中心点值与预定值作差，若差值在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率达到电机满负荷启动要求，执行步骤B，若差值未在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率未达到电机满负荷启动要求，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若不能达到电机满负荷启动要求，则降低之前的待测载波频率为能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率，若能达到电机满负荷启动要求，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若能达到电机满负荷启动要求，则增加之后的待测载波频率为能达到电机满负荷启动的最小目标载波频率，若不能达到电机满负荷启动要求，则继续增加当前待测载波频率，并判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率。
步骤204以及步骤207中，调试出的最优PI环参数、滤波截止频率的具体实施手段包括：根据获得的最小目标载波频率，调试PI环参数以及滤波器截止频率，计算相对应的中心点值与预定值的差值，当差值最小时，最小差值对应的即为最优PI环参数以及滤波器截止频率。
其中，计算相应的中心点值与预定值的差值具体实施手段包括：观察测试仪器输出的电机性能波动曲线图，根据电机性能波动曲线图的波动峰值计算出中心点值，将中心点值与预定值作差。
步骤205中，获取电机在不同转速区间内对应的最小目标载波频率具体实施步骤包括：
A、控制模块控制电机依次在第一转速区间到第N转速区间运行，并依次将各个区间的待测载波频率载入电机，分别计算出在各自转速区间内当电机在最低转速、最高转速以及中间转速运行时对应的中心点值与预定值的差值，若三个差值均在标准误差范围内，则表示当前载波频率能够满足电机在该区间的正常运行，执行步骤B，若三个差值中任意一个不在标准误差范围内，则表示当前载波频率不能满足电机在该区间的正常运行，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若不能满足，则降低之前的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若能够满足，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若能够满足，则增加之后的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若不能满足，则继续增加当前载波频率，并判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率。
综上所述，本发明首先获取能满足电机在不同阶段以及不同转速下运行的最小目标载波频率，在根据获取的最小目标载波频率调试PI环参数以及滤波器截止频率，使得电机在相应的最小目标载波频率下电机的性能更优，然后将调试出的最优PI环参数、滤波器截止频率以及各自对应的最小目标载波频率记录在存储模块中，当控制模块控制电机启动运行的同时，加载各阶段各转速对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率，极大地优化了电机的整体性能以及极大地的减少了功耗，延长了电机的使用寿命。

Claims (5)

1.变载波频率的电机控制装置，其特征在于：包括控制模块、存储模块、测试仪器以及电机，所述存储模块以及电机分别与控制模块连接，所述测试仪器与电机连接；
所述控制模块用于控制电机启动运行，获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率以及能满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率，根据各自对应的最小目标载波频率，调试相对应的PI环参数以及滤波器截止频率，并将调试出的最优PI环参数、滤波器截止频率以及相对应的最小目标载波频率分别记录在存储模块中，用于电机正常启动运行时加载对应记录的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述存储模块用于存储记录启动阶段对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率以及运行阶段各个转速区间对应的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
所述测试仪器用于输出电机性能波动曲线图，电机性能波动曲线图用于辅助获取最小目标载波频率；
获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率具体包括：
控制电机满负荷启动，并将待测载波频率载入电机，观察测试仪器输出的电机性能波动曲线图，根据电机性能波动曲线图的波动峰值计算出中心点值，将中心点值与预定值作差，若差值在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率达到电机满负荷启动要求，则降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若不能达到电机满负荷启动要求，则降低之前的待测载波频率为能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率，若能达到电机满负荷启动要求，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率；
若差值未在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率未达到电机满负荷启动要求，则增加当前待测载波频率，判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若能达到电机满负荷启动要求，则增加之后的待测载波频率为能达到电机满负荷启动的最小目标载波频率，若不能达到电机满负荷启动要求，则继续增加当前待测载波频率，并判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率。
2.变载波频率的电机控制方法，应用于如权利要求1所述的变载波频率的电机控制装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、设置电机转速区间；
步骤(2)、获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率；
步骤(3)、根据获得的电机满负荷启动时的最小目标载波频率，获取最优PI环参数以及滤波器截止频率，并将最优PI环参数、滤波器截止频率以及对应的最小目标载波频率记录在存储模块中；
步骤(4)、获取满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率；
步骤(5)、根据在各个转速区间获取的最小目标载波频率，获取最优PI环参数以及滤波器截止频率，并将最优PI环参数、滤波器截止频率以及对应的最小目标载波频率记录在存储模块中；
步骤(6)、电机启动运行，并根据当前电机的状态以及转速加载对应记录在存储模块中的载波频率、PI环参数以及滤波器截止频率；
在步骤(2)中，所述获取能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率包括以下步骤：
A、控制电机满负荷启动，并将待测载波频率载入电机，观察测试仪器输出的电机性能波动曲线图，根据电机性能波动曲线图的波动峰值计算出中心点值，将中心点值与预定值作差，若差值在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率达到电机满负荷启动要求，执行步骤B，若差值未在标准误差范围内，则表示当前待测载波频率未达到电机满负荷启动要求，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若不能达到电机满负荷启动要求，则降低之前的待测载波频率为能达到电机满负荷启动要求的最小目标载波频率，若能达到电机满负荷启动要求，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，若能达到电机满负荷启动要求，则增加之后的待测载波频率为能达到电机满负荷启动的最小目标载波频率，若不能达到电机满负荷启动要求，则继续增加当前待测载波频率，并判断增加之后的载波频率是否能达到电机满负荷启动要求，直到找出能达到电机满负荷启动要求的最小载波频率。
3.根据权利要求2所述的变载波频率的电机控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述设置电机转速区间的实施步骤包括：设置电机转速为V，电机启动后初始转速为Vmin，最高转速为Vmax，将电机的转速范围划分为N个区间，设置每个区间转速差值为d，d=(Vmax-Vmin)/N，得到第一转速区间为Vmin≦V≦Vmin+d，第二转速区间为Vmin+d≦V≦Vmin+2d，第N-1转速区间为Vmin+(n-2)*d≦V≦Vmin+(n-1)*d，第N转速区间为Vmin+(n-1)*d≦V≦Vmax。
4.根据权利要求2所述的变载波频率的电机控制方法，其特征在于：在步骤(3)以及步骤(5)中，所述获取最优PI环参数以及滤波器截止频率的实施步骤包括：根据获得的最小目标载波频率，调试PI环参数以及滤波器截止频率，计算相对应的中心点值与预定值的差值，当差值最小时，最小差值对应的即为最优PI环参数以及滤波器截止频率。
5.根据权利要求2所述的变载波频率的电机控制方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述获取满足电机在各个转速区间正常运行的最小目标载波频率包括以下步骤：
A、控制模块控制电机依次在第一转速区间到第N转速区间运行，并依次将各个区间的待测载波频率载入电机，分别计算出在各自转速区间内当电机在最低转速、最高转速以及中间转速运行时对应的中心点值与预定值的差值，若三个差值均在标准误差范围内，则表示当前载波频率能够满足电机在该区间的正常运行，执行步骤B，若三个差值中任意一个不在标准误差范围内，则表示当前载波频率不能满足电机在该区间的正常运行，执行步骤C；
B、降低当前待测载波频率，判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若不能满足，则降低之前的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若能够满足，则继续降低当前待测载波频率，并判断降低之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率；
C、增加当前待测载波频率，判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，若能够满足，则增加之后的待测载波频率为能够满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率，若不能满足，则继续增加当前载波频率，并判断增加之后的待测载波频率是否能够满足电机在该区间的正常运行，直到找出满足电机在该区间正常运行的最小目标载波频率。
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