高速变频协同控制电路和变直流母线电压控制方法

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种高速变频协同控制电路和变直流母线电压控制方法。

背景技术

气悬浮压缩机调速范围宽，最大转速高达10万/分钟以上，为了保证全速域高速永磁同步高速永磁同步电机稳定运行，其高速永磁同步电机设计常常满足额定转速段能效最优，反电动势电压匹配额定电源电压最优，其他转速段能效的匹配并非最优，这样就降低了高速变频高速永磁同步电机的工作效率。

发明内容

本申请提供了一种高速变频协同控制电路和变直流母线电压控制方法，以解决高速变频高速永磁同步电机的工作效率低的问题。

第一方面，本申请提供了一种高速变频协同控制电路，所述电路包括：电源控制电路、逆变器、控制器和高速永磁同步电机，所述电源控制电路的输入端与交流电源连接，所述电源控制电路的输出端分别连接所述逆变器的输入端和所述控制器，所述逆变器的输出端与所述控制器和所述高速永磁同步电机连接；所述电源控制电路包括多个并联的子控制电路，每个子控制电路包括上半桥可控硅、下半桥可控硅和下半桥的绝缘栅双极型晶体管，所述上半桥可控硅的输入端与所述交流电源、所述下半桥可控硅的输出端以及所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述下半桥可控硅的输入端分别与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述所述逆变器的输入端连接。

可选地，所述电源控制电路还包括电容组，所述子控制电路中还包括电感；所述上半桥可控硅的输入端通过电感与所述交流电源连接，所述上半桥可控硅的输出端分别与所述控制器、所述电容组的输入端和所述逆变器的第一输入端连接；所述下半桥可控硅的输入端分别与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极和所述逆变器的第二输入端连接；所述绝缘栅双极型晶体管的基极与所述控制器连接；所述电容组的输出端接地。

第二方面，本申请提供了一种变直流母线电压控制方法，所述方法包括：检测到电机初次上电时，控制直流母线电压升高至基准电压，其中，所述基准电压是基于额定电源电压确定的；根据当前电机电压和目标系数确定目标电压，其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的；若所述基准电压和所述目标电压不同，则调整所述直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

可选地，控制直流母线电压升高至基准电压包括：通过控制可控硅的导通角从零调整至最大角度，并控制所述导通角以预设步长增长，控制所述直流母线电压从零升高至基准电压。

可选地，调整所述直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压包括：若所述基准电压小于所述目标电压，则控制所述导通角减小，直至调整后的直流母线电压等于所述目标电压；若所述基准电压大于所述目标电压，则控制所述导通角维持在所述最大角度，通过所述绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于所述目标电压。

可选地，根据当前电机电压和目标系数确定目标电压之前，所述方法还包括：获取高速永磁同步电机的定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数；根据所述定子电阻，所述转子d轴的电感、电流，所述转子q轴的电感、电流，所述转子速度以及所述反电动势系数，确定所述当前电机电压。

可选地，所述直流母线电压的计算方式为：直流母线电压＝预设系数*电源电压。

可选地，所述通过所述绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压包括：根据电压外环、电流内环的矢量，控制所述绝缘栅双极型晶体管的导通和关断；根据所述绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压。

第三方面，本申请提供了一种变直流母线电压控制装置，所述装置包括：控制模块，用于检测到电机初次上电时，控制直流母线电压升高至基准电压，其中，所述基准电压是基于额定电源电压确定的；确定模块，用于根据当前电机电压和目标系数确定目标电压，其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的；调整模块，用于若所述基准电压和所述目标电压不同，则调整所述直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

第四方面，本申请提供了一种电子设备，包括：至少一个通信接口；与所述至少一个通信接口相连接的至少一个总线；与所述至少一个总线相连接的至少一个处理器；与所述至少一个总线相连接的至少一个存储器，其中，所述处理器被配置为：检测到电机初次上电时，控制直流母线电压升高至基准电压，其中，所述基准电压是基于额定电源电压确定的；根据当前电机电压和目标系数确定目标电压，其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的；若所述基准电压和所述目标电压不同，则调整所述直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

第五方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行本申请上述任一项所述的变直流母线电压控制方法。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：目标电压是基于电机转速得到的，直流母线电压是基于电源电压得到的，本申请使调整后的直流母线电压和目标电压相同，实质是使根据电机转速产生的目标电压匹配额定电源电压，减少电源电压产生的压降损耗，不只是有额定转速的目标电压和额定电源电压的匹配最优，其他转速的目标电压和额定电源电压的匹配也最优，从而使高速永磁同步电机在全速域运行时都是能效最优，拓宽了变频器高速运行范围，提升了高速永磁同步电机全速域运行效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本申请实施例提供的一种高速变频协同控制电路；

图2为本申请实施例提供的一种变直流母线电压控制的方法流程图；

图3为本申请实施例提供的Vdc0以下控制直流母线电压的升降的电路示意图；

图4为本申请实施例提供的Vdc0以上控制直流母线电压的升降的电路示意图；

图5为本申请实施例提供的变直流母线电压与恒直流母线的对比示意图；

图6为本申请实施例提供的一种变直流母线电压控制方法流程图；

图7为本申请实施例提供的一种变直流母线电压控制装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本申请提供了一种高速变频协同控制电路，如图1所示，电路包括：电源控制电路、逆变器、控制器和高速永磁同步电机，电源控制电路的输入端与交流电源连接，电源控制电路的输出端分别连接逆变器的输入端和控制器，逆变器的输出端与控制器和高速永磁同步电机连接；电源控制电路包括多个并联的子控制电路，每个子控制电路包括上半桥可控硅、下半桥可控硅和下半桥的绝缘栅双极型晶体管，上半桥可控硅的输入端与交流电源、下半桥可控硅的输出端以及绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，下半桥可控硅的输入端分别与绝缘栅双极型晶体管的发射极和逆变器的输入端连接。

其中，电源控制电路还包括电容组，子控制电路中还包括电感；上半桥可控硅的输入端通过电感与交流电源连接，上半桥可控硅的输出端分别与控制器、电容组的输入端和逆变器的第一输入端连接；下半桥可控硅的输入端分别与绝缘栅双极型晶体管的发射极和逆变器的第二输入端连接；绝缘栅双极型晶体管的基极与控制器连接；电容组的输出端接地。本申请实施例中的电路采用上半桥SCR(Silicon Controlled Rectifier，可控硅)和下半桥无桥三相PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)拓扑构架。

基于高速变频协同控制电路，本申请还提供了一种变直流母线电压控制方法，如图2所示，方法包括：

步骤201：控制直流母线电压升高至基准电压，其中，基准电压是基于额定电源电压确定的。

控制器检测到电机初次上电时，控制直流母线电压Vdc增加至基准电压Vdc0。

其中，直流母线电压＝预设系数*VinV，其中，VinV为电源电压。此时的基准电压是基于额定电压电压(额定电压)得到的，也就是说，基准电压＝预设系数*VinVmax。

其中，预设系数可以为2.45，电源电压VinV可以为220V，也可以为380V。即，直流母线电压＝2.45*VinV。示例性地，导通角的步长为每0.5ms升高1度。

步骤202：根据当前电机电压和目标系数确定目标电压。

其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的。

控制器根据高速永磁同步电机HSPMSM的转速确定当前电机电压Vb0，然后根据当前电机电压Vb0和目标系数确定目标电压，目标电压也可以称为反电动势电压。示例性地，目标系数为20，那么目标电压＝Vb0+20。

由于电机的转速是可以变化的，那么当前电机电压也是可以变化的，那么目标电压也是可以变化的。

其中，确定当前电机电压的方式包括：获取高速永磁同步电机的定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数；根据定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数，确定当前电机电压。

其中，V

步骤203：若基准电压和目标电压不同，则调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

控制器判断基准电压和当前电机电压是否相同，若不同，表示根据电机转速产生的目标电压与根据额定电源电压得到基准电压不匹配，会造成电源电压的压降产生部分损耗，导致高速永磁同步电机全速域运行效率低下。

控制器控制电机以预设转速运转，那么目标电压固定，这时可以调整直流母线电压等于目标电压。

本申请中，目标电压是基于电机转速得到的，直流母线电压是基于电源电压得到的，本申请使调整后的直流母线电压和目标电压相同，实质是使根据电机转速产生的目标电压匹配额定电源电压产生的直流母线电压，减少电源电压产生的压降损耗，不只是有额定转速的目标电压和额定电源电压产生的直流母线电压的匹配最优，其他转速的目标电压和额定电源电压产生的直流母线电压的匹配也最优，从而使高速永磁同步电机在全速域运行时都是能效最优，拓宽了变频器高速运行范围，提升了高速永磁同步电机全速域运行效率，同时也提升了制冷机组的能效。

其中，控制直流母线电压升高至基准电压的方式为：控制下半桥IGBT始终关断，上半桥可控硅D1、D3、D5工作，控制器控制可控硅的导通角α，按照预设步长由0度升高至180度，实现直流母线电压Vdc从0V缓慢增加至基准电压Vdc0。

本申请通过控制上半桥可控硅的导通角大小，控制直流母线电压缓慢升高，实现变频器上电软充电，减小了变频器上电时启动电流冲击损伤变频器的概率，提高了变频器的可靠性。

其中，调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压包括两种实施例。

在第一种实施例中，若基准电压小于目标电压，则控制导通角减小，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

若基准电压小于目标电压，则实现变频器在基准电压Vdc0以下的升降压功能。图3为Vdc0以下控制直流母线电压的升降的电路示意图。如图3所示，控制下半桥IGBT始终关断，上半桥可控硅D1、D3、D5，导通角α由初始180度，每0.5ms升降1度的步长，调节直流母线电压Vdc0＝(Vb0+20)V。图3中示意出了一个子控制电路的电流流向，电流从ua出发，则从ub或uc处回到交流电源，其他子控制电路的电流流向也类似，电流从ub出发，则从ua或uc处回到交流电源；电流从uc出发，则从ua或ub处回到交流电源。

在第二种实施例中，若基准电压大于目标电压，则控制导通角维持在最大角度，通过绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

若基准电压大于目标电压，则实现变频器在基准电压Vdc0以上的升降压功能。图4为Vdc0以上控制直流母线电压的升降的电路示意图。如图4所示，控制上半桥可控硅D1、D3、D5工作，导通角α始终为180度，下半桥按电压外环、电流内环矢量控制IGBT导通或关断，根据绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调节直流母线电压Vdc0＝(Vb0+20)。此外，实现电源电压的波形与标准电流波的波形一致且相位一致，可以实现功率因素校正，使功率因素为1。

本申请根据气悬浮高速永磁同步电机的转速ω与直流母线电压Vdc的能效最优关系，实施变直流母线电压的控制，同比恒直流母线效率，控制效果如图5，大大提升了高速永磁同步电机全速域运行效率。

基于高速变频协同控制电路，本申请还提供了一种变直流母线电压控制方法流程图，如图6所示，方法包括：

模式一：变频器初次上电，控制下半桥IGBT始终关断，导通角α由0度升高到180度，实现直流母线电压从0V缓慢增加至基准电压Vdc0＝2.45*VinV。

启动电机，并计算当前电机电压Vb0。

Vdc<(Vb0+20)时，工作于模式二，Vdc0>(Vb0+20)，工作于模式三。

模式二：实现变频器在基准电压Vdc0以下的升降压功能。控制下半桥IGBT始终关断，上半桥可控硅D1、D3、D5，导通角α由初始180度，每0.5ms升降1度的步长，调节直流母线电压Vdc0＝(Vb0+20)V。

模式三：实现变频器在基准电压Vdc0以上的升降压功能。控制上半桥可控硅D1、D3、D5，导通角α始终为180度，下半桥按电压-电流矢量控制IGBT开关，调节直流母线电压Vdc0＝(Vb0+20)V。

基于相同的技术构思，本申请提供了一种变直流母线电压控制装置，如图7所示，装置包括：

控制模块701，用于检测到电机初次上电时，控制直流母线电压升高至基准电压，其中，基准电压是基于额定电源电压确定的；

确定模块702，用于根据当前电机电压和目标系数确定目标电压，其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的；

调整模块703，用于若基准电压和目标电压不同，则调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

可选地，控制模块701用于：

通过控制可控硅的导通角从零调整至最大角度，并控制导通角以预设步长增长，控制直流母线电压从零升高至基准电压。

可选地，调整模块703用于：

若基准电压小于目标电压，则控制导通角减小，直至调整后的直流母线电压等于目标电压；

若基准电压大于目标电压，则控制导通角维持在最大角度，通过绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

可选地，该装置还用于：

获取高速永磁同步电机的定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数；

根据定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数，确定当前电机电压。

可选地，直流母线电压的计算方式为：直流母线电压＝预设系数*电源电压。

可选地，调整模块703用于：

根据电压外环、电流内环的矢量，控制绝缘栅双极型晶体管的导通和关断；

根据绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压。

如图8所示，本申请实施例提供提供了一种电子设备，包括处理器180、通信接口802、存储器803和通信总线804，其中，处理器180，通信接口802，存储器803通过通信总线804完成相互间的通信。

存储器803，用于存放计算机程序。

在本申请一个实施例中，处理器180，用于执行存储器803上所存放的程序时，实现前述任意一个方法实施例提供的变直流母线电压控制方法：

检测到电机初次上电时，控制直流母线电压升高至基准电压，其中，基准电压是基于额定电源电压确定的；

根据当前电机电压和目标系数确定目标电压，其中，当前电机电压是根据高速永磁同步电机的转速的变化而变化的；

若基准电压和目标电压不同，则调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

可选地，控制直流母线电压升高至基准电压包括：

通过控制可控硅的导通角从零调整至最大角度，并控制导通角以预设步长增长，控制直流母线电压从零升高至基准电压。

可选地，调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压包括：

若基准电压小于目标电压，则控制导通角减小，直至调整后的直流母线电压等于目标电压；

若基准电压大于目标电压，则控制导通角维持在最大角度，通过绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压，直至调整后的直流母线电压等于目标电压。

可选地，根据当前电机电压和目标系数确定目标电压之前，方法还包括：

获取高速永磁同步电机的定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数；

根据定子电阻，转子d轴的电感、电流，转子q轴的电感、电流，转子速度以及反电动势系数，确定当前电机电压。

可选地，直流母线电压的计算方式为：直流母线电压＝预设系数*电源电压。

可选地，通过绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压包括：

根据电压外环、电流内环的矢量，控制绝缘栅双极型晶体管的导通和关断；

根据绝缘栅双极型晶体管的导通和关断调整直流母线电压。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述任意一个方法实施例提供的变直流母线电压控制方法的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。