一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动方法、装置和系统

摘要

本发明公开了一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制永磁同步电机的驱动控制方法、装置和系统，其中方法包括：S1.PWM电压控制为主控制系统；S2.判断所述的PWM电压控制是否已经达到了极限；S3.PWM与PHASE电压控制联动；S4.判断与PHASE联动控制设置的S-PAM控制开启条件是否达到；S5.S-PAM与PHASE联动控制；S6.判断S-PAM控制提高直流电压Ed是否达到极限值Ed-limit；S7.进入PHASE为主控制系统；S8.判定PHASE控制是否达到电压饱和极限；S9.电压控制PWM、S-PAM、PHASE都同时达到了极限，频率保持。本发明当电压控制到达极限时，可防止速度降低，电压控制回到极限以下时，可立刻恢复速度，提高变频系统综合效率、在有限的输入电源情况下可让压缩机输出最大能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电机驱动控制领域，更具体地说，涉及一种PWM、S-PAM、 PHASE联动控制的电机驱动方法、装置和系统。

背景技术

直流变频空调的最大的优点是能够运行到高频率段而实现快速的制冷或制 热效果，但从节能观点来看，空调机搭载的压缩机驱动用的永久磁铁同步电机 也是年年在高效率化。永久磁铁同步电机的高效率化的方法是：

1.采用高性能磁铁增加磁束量；

2.在线圈的缠绕方法上下功夫，提高狭缝占有率，使用粗的铜线，增加缠 绕圈数；

3.减少电感，提高电机电压利用率等等；

这里面，前两个都是增大发电定量KE，即便是相同速度，也会发生大的诱 起电压。空调机器制冷运转时间长，减少制冷运转的损失对于机器的年消耗电 量降低有很高效果。并且制冷运转在中间速度区域，也不受电机电压的制约， 使发电定量增大的趋向尤其变强，作为此结果，制热的高速运转的控制变难。

1.仅仅是PWM控制和电压相位(PHASE)控制的组合，受电电压低下时， PWM控制就会达到极限，通过弱磁场控制实现的电压位相控制为主体，此时励 磁电流负向增加，变成「极弱状态」，电机电流增加，导致损失加大。并且， 大发电常数KE的电机的条件下，到达电压位相控制极限时，会不得不停止电机 或者牺牲能力，降低速度。

2.仅仅是PWM控制和PAM控制的组合，受电电压低下时，PWM控制就会达 到极限，PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)主回路的PAM电压控制 为主体，结果是升压比变大，PFC主回路损失增加，导致效率减低。

3.加上大发电常数KE的电机的条件下，要更加提高升压比，维持高直流电 压，变频器主回路的损失也会增加，导致装置整体温度上升。为了抑制温度的 上升，要修改散热设计，装置规模需要改为大型化。

某些极端情况下，到达电压位相(PHASE)控制极限时，会不得不停止电 机或者牺牲能力，降低速度。

发明内容

为了解决以上的技术问题，克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种 PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动方法、装置和系统。

本发明公开了一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动的方法，包括：

S1.在电机(也称为马达)低速运转下，负荷较小，PWM电压控制为主控 制系统；

S2.电机频率上升，负荷进一步增大，判断所述的PWM电压控制是否已经达 到了极限；若是，则转到S3，若否，则转到S1；

S3.PWM与PHASE电压控制联动，这时的PHASE控制为浅弱状态；

S4.电机频率继续上升，负荷继续增大，判断与PHASE联动控制设置的S-PAM 控制开启条件是否达到；若是，则转到S5，若否，则转到S3；

S5.S-PAM与PHASE联动控制，其中S-PAM为主控制系统，S-PAM自动提高升 压比Ed/Vs，提高Ed直流电压，减少PHASE控制时间，降低马达电流，提高效率。 其中Ed是指直流电压，Vs是指电源电压的峰值；

S6.电机频率继续上升，负荷继续增大，判断S-PAM控制提高直流电压Ed 是否达到极限值Ed-limit；若是，则转到S7，若否，则转到S5；

S7.进入PHASE为主控制系统；

S8.电机频率继续上升，负荷继续增大，判定PHASE控制达到电压饱和极限， 进入深弱状态；若是，则转到S9，若否，则转到S7；

S9.三种电压控制PWM、S-PAM、PHASE都同时达到了极限，负荷达到极限， 频率保持。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动的方法中，所 述的PHASE控制包括：当变频器的输出电压幅值与电机感应电动势信号相近的 时候，让变频器的输出电压与电机感应电动势错开一个相位，从而让电机在电 压饱和状态仍然能够输出需要的力矩。

本发明公开了一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动控制装置， 用于实现上述的方法，包括：

运行单元，用于实现运行PWM控制、S-PAM、PHASE联动控制；

PWM控制极限判断单元，与所述的运行单元相连，用于判断所述的PWM控制 是否已经达到了极限；

升压比调整单元，与所述的PWM控制极限判断单元以及S-PAM与PHASE联动控 制设定的判断单元相连，用于所述的S-PAM控制将升压比a自动调整，达成高直 流电压Ed的运行状态；其中，升压比：a＝Ed/Vs，Vs为电源电压峰值，Ed为电源 经过S-PAM控制电路转换的直流电压；

直流电压Ed判断单元，与所述的升压比调整单元相连，用于判断所述的直 流电压Ed是否达到了极限值Ed-limit，判断是否转移到以PHASE为主体的控制系 统；

PHASE电流限制单元，与所述的PHASE控制判断单元相连，用于所述的 PHASE电压控制会变成电压饱和状态的运行，转移到以PWM、S-PAM、PHASE 为主体的极限控制系统。

本发明公开了一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动的系统，包 括变频器回路单元、第一驱动接口及控制单元，所述变频器回路单元与永磁体 同步电机相连，所述的控制单元通过第一驱动接口与所述的变频器回路单元交 互信息，还包括PFC回路单元，与所述的变频器回路单元相连，用于接收输入 的交流电，并将所述的交流电转换成直流电，输入到所述的变频器回路单元， 其特征在于，所述的控制单元包括上述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电 机驱控制装置。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，还 包括连接于所述的控制单元与PFC回路单元之间的第二驱动接口。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，所述 PFC回路单元包括：4个整流二极管D1、D2、D3、D4组成的整流电路，所述的 整流电路与高速二极管D5的正极及驱动IGBT TR1漏极相连、平缓电容Cs与直流 电压Ed检测用两个电阻R3、R4并联后一端与所述的高速二极管D5负极相连，另 一端与电源电流Is检出用采样电阻R1相连。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，所述 变频器回路单元包括：6个驱动IGBT TR2～TR7及高速续流二极管D6-D11组 成的逆变电路单元，所述的逆变电路单元通过采样电阻R2与所述的PFC回路单 元相连。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，所述 的控制单元包括：电机控制中心、第一A/D转换器、第二A/D转换器、第一PWM Timer TM1及第二PWM Timer TM2，所述的第一A/D转换器与所述的第一PWM Timer TM1连接后与所述的电机控制中心交互信息；所述的第二A/D转换器与所 述的第二PWM Timer TM1连接后与所述的电机控制中心交互信息。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，还包 括第一增幅器，用于测试电阻R1两端电压并输入至所述的第一A/D转换器。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，还包 括第二增幅器，用于测试电阻R2两端电压并输入到所述的第二A/D转换器。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，所述 的第一驱动接口一端与第一PWM Timer TM1相连，另一端连接于所述的驱动 IGBT TR1的门极。

在本发明所述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系统中，所述 的第二驱动接口一端与第二PWM Timer TM1相连，另一端与所述的驱动IGBT TR2、TR3、TR4、TR5、TR6、TR7的门极的公共接点相连。

实施本发明的一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动方法、装置 和系统，具有以下有益的技术效果：

1.对于各种各样的发电常数KE的电机，都可以实现驱动；

2.即使受电电源电压相当低的情况下，也不会发生停机，能有效保护空调 机能力；

3.可以调整分配发生的损失；

4.三种电压控制PWM、S-PAM、PHASE(相位)，其中无论哪个电压控制 到达极限时，都可以尽力防止速度降低，无论哪个电压控制一旦回到极限以下 时，都可以立刻恢复速度，达到了提高变频系统综合效率、在有限的输入电源 情况下让压缩机输出最大能力的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动方 法流程图；

图2是本发明实施例一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动装 置功能模块图；

图3为本发明实施例一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动系 统结构图；

图4为图3的等效电路图；

图5为本发明新技术S-PAM的控制动作的主要说明图示；

图6为本发明主要部分PWM，S-PAM，PHASE控制的联动控制过程图；

图7为调整Bset值对比其他品牌在同一机型上的频率和功耗测试曲线图；

图8为调整Bset值对比其他品牌在同一机型上的频率和电机电流测试曲线 图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合 实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动的方法，包括：

S1.在电机(也称为马达)低速运转下，负荷较小，PWM电压控制为主控 制系统；其中，所述低速一般指在50HZ以下；

其中，PWM控制，采用单位电流最大输出力矩的控制算法。具体的公式为：

$\tau =\frac{3}{2}p[K_E+(L_d-L_q)I_d]I_q$

$I_d=\frac{K_E}{2(L_d-L_q)}+\sqrt{{\left[\frac{K_E}{2(L_d-L_q)}\right]}^2+{I_q}^2}$

其中，

τ为变频器输出的电磁力矩[Nm]

p为磁极对数

L_d，L_q为同步电感[H]

K_E为发电常数[V/[rad/s]]

I_d，I_q为d，q轴电流[A]

S2.电机频率上升，负荷进一步增大，判断所述的PWM电压控制是否已经达 到了极限；若是，则转到S3，若否，则转到S1；

S3.PWM与PHASE电压控制联动，这时的PHASE控制为浅弱状态；

S4.电机频率继续上升，负荷继续增大，判断与PHASE联动控制设置的S-PAM 控制开启条件是否达到；若是，则转到S5，若否，则转到S3；

■PHASE控制法：PHASE控制是根据电压饱和原则进行控制的。控制的方 法是当变频器的输出电压幅值与电机感应电动势信号相近的时候(电压饱和 时)，让变频器的输出电压与电机感应电动势错开一个相位，从而让电机在电 压饱和状态仍然能够输出需要的力矩，所以PHASE控制也叫做相位控制，也有 称作弱磁控制。

$I_d=-\frac{K_E}{L_d}+\frac{1}{L_d}\sqrt{{\left(\frac{V_{1-\max }-{\mathrm{rI}}_1}{{\omega }_1}\right)}^2+{\left(L_q{I}_q\right)}^2}$

其中，

V_1-max为最大输出相电压基波幅值[V]；

r为绕组电阻[Ω]；

I₁为绕组相电流基波峰值[A]；

ω₁为同步角频率[rad/s]。

S5.S-PAM与PHASE联动控制，其中S-PAM为主控制系统，S-PAM自动提高升 压比Ed/Vs，提高Ed直流电压，减少PHASE控制时间，降低马达电流，提高效率。 其中Ed是指直流电压，Vs是指电源电压的峰值；

S-PAM与PHASE联动控制方法的具体实施例：

设置了调节变频器效率和功率因数调节电路效率的综合系数Bset。在其他条 件相同的情况下，Bset值增大，变频器效率下降，但是功率因数调节电路的损耗 减小、效率提升。调节Bset值可以达到综合效率最高。(0＜Bset＜1)

①设定PHASE电压控制最小输出的d-轴电流Id_max＝-k*Ke/Ld.k为 PHASE控制电流限制的安全系数，一般取值定在0.5-0.7。

②当PHASE电压控制开始后，如果d-轴电流的指令大于Bset*Id_max，那 么，仍然进行正常的PWM电压控制，即S3状态。

③如果d-轴电流的指令小于Bset*Id_max，那么达到S-PAM控制的开启条件， 开始做S-PAM电压控制，提升直流母线电压，从而努力在一定负荷下保持d- 轴电流维持在Bset*Id_max，即S5状态。

④如果上述情况下，负荷继续增加，并且S-PAM控制中，直流母线电压已 经达到最高限定值Ed_limit，系统进入了纯弱磁控制阶段即S7状态，直至d-轴 电流达到Id_max。

S6.电机频率继续上升，负荷继续增大，判断S-PAM控制提高直流电压Ed 是否达到极限值Ed-limit；若是，则转到S7，若否，则转到S5；

S7.进入PHASE为主控制系统；

S8.电机频率继续上升，负荷继续增大，判定PHASE控制达到电压饱和极限， 进入深弱状态；若是，则转到S9，若否，则转到S7；

S9.三种电压控制PWM、S-PAM、PHASE都同时达到了极限，负荷达到极限， 频率保持。

○3种控制系(S-PAM电压控制，PWM电压控制，PHASE控制)协作实施 电压控制，以补充其各自的极限。详细说就是重新设定S-PAM电压可能控制的 升压比，确定PHASE控制的操作量成为一定值。

○准备发生损失的分配调整可能的设定项目，保证当PWM电压控制到达极 限后的状态下，可以选择S-PAM电压控制成为主体，或者是PHASE控制成为控 制主体。

○通过S-PAM电压控制机PHASE控制都没有到达极限状态的模式，和都到 达极限状态的模式分开处理PWM控制，加速3种控制从极限状态的结束。

○请参阅图5图，作为S-PAM新技术的控制动作的主要说明图示，将电源电 压Vs与直流电压Ed的关系，针对复数的升压比a进行描述。

■在通常的运行状态(都在3个电压控制系统的界限以内)升压比a，与设 定值a_set等同。

■PWM电压控制，一旦到达限制状态，PHASE控制开始启动向「微弱」状 态转移，电机电压认识到不足状态，Id_limit控制系统开始启动，将升压比调 整到与电源电压大小无关的升压比，达成高直流电压Ed的运行状态。

■尽管如此电机电压达到不足状态，直流电压一旦超过最大限制值 Ed_limit，S-PAM电压控制会变成限制状态的运行，转移到以PHASE为主体的控 制系统。

请参阅图6，为说明新技术PWM、S-PAM、PHASE电压控制的动作图示， 显示永磁同步电机在从低到高速运转三种电压的控制状态时间图。

以下，3个电压控制系统如何动作，分状态总结：

状态0

主体控制系统：PWM电压控制第一模式

界限状态的电控：没有

励磁电流ID：电流最小化演算部输出Id_MTA

○状态1

■主体控制系统：PHASE控制第一模式，即浅弱状态，即是PWM第一界 限到S-PAM开启条件之间的Phase控制；

■界限状态控制：PWM电压控制第1的界限状态

■励磁电流PI电控输出Id_FW

○状态2

■主体控制系统S-PAM电压控制

界限状态控制：PWM电压控制第一界限状态

■励磁电流Id：Id_limit＝Bset*Id_max

状态3

主体控制体系；PHASE控制第二模式

界限状态控制：PWM电压控制第1的界限状态

S-PAM电压控制界限值Ed-limit

励磁电流ID：弱界磁PI控制输出Id_FW

(注)状态6-3，Ed_limit控制体系动作中

○状态4

■主体控制体系PWM电压控制第2模式

■界限状态控制：S-PAM电压控制

■PHASE控制达到饱和

■励磁电流Id＝Id_max

(注)状态6-4，Ed_limit控制系统动作中

○状态5

■S-PAM极限控制

■PHASE极限控制，即当变频器的输出电压幅值与电机感应电动势信号相 等的时候，也称为深弱状态；

■PWM电压极限控制

■励磁电流Id：Id_max

(注)状态6-5，是Ed_limit控制系统起作用状态

<根据B_set设定值驱动特性不同>

○B_set＝0；PHASE控制不作用，只是S-PAM电压控制

○B_set设定小：S-PAM控制主体(电机电流小，功率因数校正PFC回路损 失大)

○B_set设定大：PHASE控制主体

(电机电流大，PFC回路损失小)

○B_set＝1；S-PAM电压控制不作用，只PHASE控制

请参阅图7及8，以下为调整Bset值对比其他品牌在同一机型上的功耗和频 率、马达电流测试曲线图。

在150V电源电压下，海尔新技术方案和其他品牌方案的压机运行最高频率 对比：

请参阅图2，一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动装置，用于 实现上述的方法，包括：运行单元1、PWM控制极限判断单元2、升压比调整单元 3、直流电压Ed判断单元4、S-PAM电压限制单元5。

运行单元1，用于实现运行PWM控制、PHASE控制及S-PAM控制；

PWM控制极限判断单元2，与运行单元1相连，用于判断所述的PWM控制是否 已经达到了极限；

升压比调整单元3，与PWM控制极限判断单元2相连，用于所述的PHASE控制 将升压比调整到与电源电压大小无关的升压比，达成高直流电压Ed的运行状态； 其中，升压比：a＝Ed/Vs，Vs为电源电压Vs，Ed为电源经过S-PAM电路转换的直 流电压；

直流电压Ed判断单元4，与升压比调整单元3相连，用于判断所述的直流电 压Ed是否达到了极限值；

S-PAM电压限制单元5，与直流电压Ed判断单元4相连，用于所述的S-PAM 电压控制会变成限制状态的运行，转移到以PHASE为主体的控制系统。

请参阅图3，一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动的系统，包 括：PFC回路单元15、变频器回路控制单元20、永磁体同步电机25、第一驱动接 口30、第二驱动接口35、控制单元40，

其中，控制单元40包括上述的PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱控 制装置。

变频器回路控制单元20一端与永磁体同步电机25相连，变频器回路控制单 元20通过第一驱动接口30与控制单元40交互信息，PFC回路单元15与变频器回 路单元20相连，用于接收输入的交流电，并将所述的交流电转换成直流电，输 入到所述的变频器回路单元20，控制单元40通过第二驱动接口35与PFC回路单元 15交互信息。

请参阅图4，图4为本发明图3的等效电路图。

PFC回路单元15包括：4个整流二极管D1、D2、D3、D4组成的整流电路， 所述的整流电路与高速二极管D5的正极及驱动IGBT TR1的门极相连、平缓电容 Cs与直流电压Ed检测用两个电阻R3、R4并联后一端与所述的高速二极管D5负极 相连，另一端与电源电流Is检出用电阻R1相连。

变频器回路单元20包括：6个驱动IGBT TR2～TR7及高速二极管D6-D11组 成的逆变电路单元，所述的逆变电路单元通过电阻R2与所述的PFC回路单元相 连。

控制单元40包括：电机控制中心、第一A/D转换器、第二AD1转换器AD2、 第一PWM Timer TM1及第二PWM Timer TM2，所述的第一个A/D转换器与所述 的第一PWM Timer TM1连接后与所述的电机控制中心交互信息；所述的第二个 A/D转换器与所述的第二PWM Timer TM1连接后与所述的电机控制中心交互信 息。

包括第一增幅器，用于采样电阻R1两端电压并输入至所述的第一A/D转换 器，第二增幅器，用于采样电阻R2两端电压并输入到所述的第二A/D转换器。

第一驱动接口35一端与第一PWM Timer TM1相连，另一端连接于所述的驱 动IGBT TR1的门极

第二驱动接口30一端与第二PWM Timer TM1相连，另一端与所述的驱动 IGBT TR2～TR7门极的公共接点相连。

永磁体同步电机25之N极与S极间具有铁芯。

或者说是：

控制单元40中，有电机控制软件、2个A/D转换器AD1、AD2、以及两个PWM Timer TM1、TM2。

向控制单元40中输入情报：

电源电路IS情报：电源电流检出电阻R1两端电压通过增幅器AMP1，输入到 A/D转换器AD1中。这个AD转换器AD1的对应AD启动信号AD Trigger1是与构成 PFC主回路2的驱动IGBT TR1发出驱动信号同步，因此做成PWM TIMER1。

直流电压Ed情报；将电阻R3，R4分压输入A/D转换器AD1中。

直流电流IDC情报；通过增幅器AMP2将直流电流测出用电阻R2的两端电压 输入A/D转换器AD2中。AD转换器AD2的启动信号AD TRIGGER2，和构成变 频回路3的驱动IGBT TR2～TR7传送驱动信号同步，做成PWM Timer2。

而且得到*指令速度fr*的情报：

也输入以上实行4个情报的电机控制软件，应当进行PFC主回路2的电控以及 变频主回路3的两方电控，输出以下2中信号：PWM Timer1中，通过DRIVE回路， 给构成PFC主回路2的IGBT TR1输送驱动信号；通过DRIVE回路2，给构成变频 主回路3的三极管TR2-TR7输送驱动信号群。

实施本发明的一种PWM、S-PAM、PHASE联动控制的电机驱动方法、装置 和系统，具有以下有益的技术效果：

1.对于各种各样的发电常数KE的电机，都可以实现驱动；

2.即使受电电源电压相当低的情况下，也不会发生停机，能有效保护空调 机能力；

3.可以调整分配发生的损失；

4.三种电压控制PWM、S-PAM、PHASE(相位)，其中无论哪个电压控制 到达极限时，都可以尽力防止速度降低，无论哪个电压控制一旦回到极限以下 时，都可以立刻恢复速度，达到了提高变频系统综合效率、在有限的输入电源 情况下让压缩机输出最大能力的目的。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。