一种电机的起动控制装置、方法和电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种电机的起动控制装置、方法和电机，尤其涉及一种无电解电容永磁同步电机的起动控制装置、方法和电机。

背景技术

永磁同步电机是一种结构简单、低成本、高效率的电动机，其被广泛应用在如航空航天、数控机床以及电动车辆等工业工程领域中。永磁同步电机驱动系统为矢量控制系统，矢量控制系统利用转速环与电流环两组闭环反馈控制环路来控制永磁同步电机的驱动电压，驱动永磁同步电机在给定的转速与负载工况下稳定运行。永磁同步电机的供电系统包括交流电源、整流电路、逆变器等部件，其通过将交流电源电压整流成直流电压，再将直流电压通过逆变器转换为电机驱动电压的方式为电机供电。一些方案中，供电系统的直流电压母线侧会并联一个大电容值的电解电容，此电解电容起稳定直流母线电压、吸收电流谐波的作用。电解电容由内部的电解液吸收与储存电能量，其体积通常较大，成本较高，且在温差较大的环境下容易损坏，极大地降低了电路系统的可靠性。

无电解电容控制技术采用一种电容值较小的薄膜电容来替换直流侧母线端并联的大型电解电容，小电容值的薄膜电容成本较低且稳定性较好，替换后的控制系统控制能力与系统稳定性都将会提升。但由于更改后的薄膜电容的电容值较小，无法吸收较多的电能量，因此替换后的控制系统中直流侧母线电压将会产生波动现象，这一电压波动现象将会为控制系统与电机运行带来负面影响，如影响电机起动过程等。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电机的起动控制装置、方法和电机，以解决无电解电容的电机调速系统中直流侧母线电压会产生波动现象而影响电机起动过程的问题，达到减小直流母线电压波动对电机起动过程的影响以提高电机起动的成功率的效果。

本发明提供一种电机的起动控制装置，包括：转速比较模块、陷波滤波器模块和切换式调节模块；所述陷波滤波器模块，设置在所述电机的电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中；所述转速比较模块和所述切换式调节模块，设置在所述转速环中；其中，所述转速比较模块，被配置为在所述电机的起动过程中，获取所述电机的实际转速，并比较所述电机的实际转速与所述电机的给定转速的大小关系，得到比较结果；所述陷波滤波器模块，被配置为根据所述比较结果，切换自身的陷波增益状态，并以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除；所述切换式调节模块，被配置为根据所述比较结果，切换自身的调节模式，并以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节。

在一些实施方式中，所述实际信号，包括：转速环中电机的实际转速，以及电流环中电机的实际d轴电流和实际q轴电流；所述比较结果，包括：所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速；或者，所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速。

在一些实施方式中，所述陷波滤波器模块，包括：第一陷波滤波器、第二陷波滤波器、第三陷波滤波器和陷波增益调节器；其中，所述陷波滤波器模块，根据所述比较结果，切换自身的陷波增益状态，包括：所述陷波增益调节器，被配置为若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至高陷波增益状态；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至低陷波增益状态；所述陷波滤波器模块，以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除，包括：所述第一陷波滤波器，被配置为对所述电机的实际转速中的波动分量进行滤除；所述第二陷波滤波器，被配置为对所述电机的实际d轴电流中的波动分量进行滤除；所述第三陷波滤波器，被配置为对所述电机的实际q轴电流中的波动分量进行滤除。

在一些实施方式中，所述第一陷波滤波器、第二陷波滤波器和第三陷波滤波器中任一陷波滤波器，包括：具有双零点与双极点的滤波器。

在一些实施方式中，所述切换式调节模块，包括：转速PD模块、调节模式切换器和转速PI模块；其中，所述切换式调节模块，根据所述比较结果，切换自身的调节模式，包括：所述调节模式切换器，被配置为若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PD调节模式；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PI调节模式；所述切换式调节模块，以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节，包括：所述转速PD模块，被配置为在所述转速PD调节模式下，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流；所述转速PI模块，被配置为在所述转速PI调节模式下，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PI调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

在一些实施方式中，所述转速PD模块，包括：比例控制环节、微分控制环节与反馈微分控制环节；其中，所述转速PD模块，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，包括：所述比例控制环节，被配置为消除所述电机起动升速过程中所述转速环的动态转速误差；所述微分控制环节，被配置为对消所述转速环中滤波作用产生的信号延迟现象；所述反馈微分控制环节，被配置为对所述转速环中限幅模块的输入输出变量差值进行反馈微分调节，以进一步消除转速环输入变量中其他控制环节引入实际信号部分的积分饱和误差；所述其他控制环节，包括：滤波环节。

在一些实施方式中，所述转速PD模块的比例系数，大于所述转速PI模块的比例系数。

与上述装置相匹配，本发明再一方面提供一种电机，包括：以上所述的电机的起动控制装置。

与上述电机相匹配，本发明再一方面提供一种电机的起动控制方法，包括：在所述电机的起动过程中，获取所述电机的实际转速，并比较所述电机的实际转速与所述电机的给定转速的大小关系，得到比较结果；根据所述比较结果，切换陷波滤波器模块的陷波增益状态，并以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除；根据所述比较结果，切换切换式调节模块的调节模式，并以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节。

在一些实施方式中，所述实际信号，包括：转速环中电机的实际转速，以及电流环中电机的实际d轴电流和实际q轴电流；所述比较结果，包括：所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速；或者，所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速。

在一些实施方式中，所述根据所述比较结果，切换陷波滤波器模块的陷波增益状态，包括：通过陷波增益调节器，若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至高陷波增益状态；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至低陷波增益状态；所述以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除，包括：通过第一陷波滤波器，对所述电机的实际转速中的波动分量进行滤除；通过第二陷波滤波器，对所述电机的实际d轴电流中的波动分量进行滤除；通过第三陷波滤波器，对所述电机的实际q轴电流中的波动分量进行滤除。

在一些实施方式中，所述根据所述比较结果，切换自身的调节模式，包括：通过调节模式切换器，若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PD调节模式；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PI调节模式；所述以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节，包括：通过转速PD模块，在所述转速PD调节模式下，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流；通过转速PI模块，在所述转速PI调节模式下，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PI调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

在一些实施方式中，通过转速PD模块，对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，包括：通过比例控制环节，消除所述电机起动升速过程中所述转速环的动态转速误差；通过微分控制环节，对消所述转速环中滤波作用产生的信号延迟现象；通过反馈微分控制环节，对所述转速环中限幅模块的输入输出变量差值进行反馈微分调节，以进一步消除转速环输入变量中其他控制环节引入实际信号部分的积分饱和误差；其中，所述转速PD模块的比例系数，大于所述转速PI模块的比例系数。

由此，本发明的方案，通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，并将转速环中的调节模块设置为PD调节器和PI调节器切换的切换式调节模块，在电机起动升速过程中切换为PD调节器，在电机的实际转速升速至给定转速时切换为PI调节器，能够减小直流母线电压波动对电机起动过程的影响，提高电机起动的成功率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电机的起动控制装置的一实施例的结构示意图；

图2为一种永磁同步电机矢量控制系统的一实施例的结构示意图；

图3为本发明的电机的起动控制装置的一实施例的结构示意图，具体为无电解电容永磁同步电机调速系统及起动控制装置的一实施例的结构示意图；

图4为本发明的电机的起动控制装置中转速环可切换式调节器的一实施例的结构示意图；

图5为本发明的电机的起动控制装置的一实施例的电机的起动控制流程示意图；

图6为无电解电容控制系统的直流侧母线电压波形示意图；

图7为1800(npm)转速条件下应用本发明的电机的起动控制方法前后的无电解电容控制系统实际起动q轴电流波形对比示意图；

图8为1800(npm)转速条件下应用本发明的电机的起动控制方法前后的无电解电容控制系统实际起动转速对比示意图；

图9为3000(npm)转速条件下应用本发明的电机的起动控制方法前后的无电解电容控制系统实际起动q轴电流波形对比示意图；

图10为3000(npm)转速条件下应用本发明的电机的起动控制方法前后的无电解电容控制系统实际起动转速对比示意图；

图11为陷波频率为100Hz的陷波滤波器陷波增益ζ

图12为转速环反馈系统的系统函数等效变换方法示意图；

图13为本发明的电机的起动控制方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种电机的起动控制装置。参见图1所示本发明的装置的一实施例的结构示意图。该电机的起动控制装置能够应用在电机调速系统(如无电解电容永磁同步电机调速系统)对电机(如永磁同步电机)的起动控制过程中，在电机(如永磁同步电机)的起动控制过程中，电机(如永磁同步电机)的起动控制装置，包括：转速比较模块、陷波滤波器模块和切换式调节模块。所述陷波滤波器模块，设置在所述电机的电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中。所述转速比较模块和所述切换式调节模块，设置在所述转速环中。

具体地，所述转速比较模块，被配置为在所述电机的起动过程中，获取所述电机的实际转速(如电机实际转速w)、以及所述电机的给定转速(如电机的给定转速w*)，并比较所述电机的实际转速与所述电机的给定转速的大小关系，得到比较结果。

其中，所述比较结果，包括：在所述电机的起动过程中，所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，即所述电机处于起动过程中的起动升速状态；或者，在所述电机的起动过程中，所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，即所述电机处于起动过程中的升速完成后的稳定运行状态。所述电机的给定转速，是预先给定的。所述电机的实际转速，是电机控制系统中的检测模块检测获得的。在电机起动控制过程中，采集控制系统所需要的电路参数：电机的给定转速w*，此信号由外部设定并输入至控制系统(即电机调速系统)中；电机的实际转速w，此信号由控制系统的转速检测模块获得；电机的实际d-q轴电流，即实际d轴电流i

具体地，所述陷波滤波器模块，被配置为根据所述比较结果，切换自身的陷波增益状态，并以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除。例如：对永磁同步电机调速系统的转速环与电流环进行了结构上的改进，在转速环与电流环的实际信号反馈环路中添加了陷波频率为2倍交流输入电源电压频率的陷波滤波器模块，抑制实际驱动电流的波动现象，提高实际驱动电流的平均值从而使电机在起动过程中保持以较大实际驱动电流提升转速。通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，在电机起动过程中，减少电机起动过程中驱动电流平均值降低引起的异常现象发生几率。

其中，所述实际信号，包括：转速环中电机的实际转速，以及电流环中电机的实际d轴电流和实际q轴电流(如电机的实际d轴电流i

在一些实施方式中，所述陷波滤波器模块，包括：第一陷波滤波器、第二陷波滤波器、第三陷波滤波器和陷波增益调节器；即，陷波滤波器模块包含一个陷波增益调节器与三组陷波滤波器，分别配置在转速环的实际转速反馈环路与电流环的两组实际d-q轴电流反馈环路上，且三组陷波滤波器的增益系数由陷波增益调节器同步控制。

在电机起动控制过程中，控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并将转速比较的结果传送至陷波滤波器模块中。陷波滤波器模块包含一个陷波增益调节器与三组陷波滤波器，分别配置在转速环的实际转速反馈环路与电流环的两组实际d-q轴电流反馈环路上，且三组陷波滤波器的增益系数由陷波增益调节器同步控制。三组陷波滤波器中每个陷波滤波器的陷波频率被设置为2倍交流输入电源的电压频率，此频率与直流侧母线电压波动频率一致。当电机处于起动升速状态时，陷波滤波器被调整为高陷波增益模式，高陷波增益模式的陷波滤波器能够滤除大部分实际信号中的脉动分量，提升电机起动过程中实际转速与实际驱动电流的平均值，保证电机以最大驱动电流升速；当电机处于稳定运行状态时，陷波滤波器被调整为低陷波增益模式，低陷波增益模式的陷波滤波器将工作在低陷波增益状态使一部分实际信号中的脉动分量得到保留，从而令电机的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压同步波动，保持“同频率同相位”状态以提高控制系统(即电机调速系统)的输入功率因数。

其中，所述陷波滤波器模块，根据所述比较结果，切换自身的陷波增益状态，包括：所述陷波增益调节器，被配置为若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至高陷波增益状态；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至低陷波增益状态。其中，高陷波增益状态与低陷波增益状态是相对而言的。

具体地，调节陷波增益时，陷波增益调节器根据电机起动时的不同运行状态调整陷波滤波器的增益系数ζ

所述陷波滤波器模块，以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除，包括以下至少一个滤波过程：

第一个滤波过程：所述第一陷波滤波器，设置在转速环中转子位置检测模块与第一比较器的反相输入端之间，被配置为对所述电机的实际转速中的波动分量进行滤除，即对电机的实际转速w进行陷波滤波处理。

第二个滤波过程：所述第二陷波滤波器，设置在电流环中Park变换模块的实际d轴电流i

第三个滤波过程：所述第三陷波滤波器，设置在所述电流环中Park变换模块的实际q轴电流i

具体地，陷波滤波器为可调节陷波增益的陷波滤波器，即在电机起动升速过程中，陷波滤波器被切换为高陷波增益状态，使陷波滤波器尽可能地滤除实际转速与实际驱动电流中的波动分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值；如在所述电机起动升速过程中，抑制所述电机的实际驱动电流的波动现象，以使所述电机在起动升速过程中保持以大于设定电流的实际驱动电流升速。也就是说，使所述电机在起动升速过程中的实际驱动电流，大于设定电流。而在电机的实际转速升速至给定转速，达到稳定运行状态时，陷波滤波器将被切换至低陷波增益状态，陷波滤波器对控制系统实际信号中波动分量的滤除能力降低，使稳态状态下的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压保持同步的波动状态，提高控制系统在稳态时的输入功率因数。

由此，通过陷波增益调节器，根据电机起动时的转速变化调节陷波滤波器的陷波增益，使陷波滤波器在电机起动升速过程中保持高陷波能力，滤除大部分的实际信号波动分量；在电机稳态运行时，陷波滤波器则保持低陷波能力，使实际信号中的波动分量得到一定程度的保留，从而使控制系统实际信号与直流侧母线电压同步波动，提高控制系统的输入功率因数。

在一些实施方式中，所述第一陷波滤波器、第二陷波滤波器和第三陷波滤波器中任一陷波滤波器，包括：具有双零点与双极点的滤波器。具有双零点与双极点的滤波器，能够消除特定窄频段范围内的信号而不影响其他频率的信号。

具体地，所述切换式调节模块，作为所述转速环的调节模块(如转速调节器)，被配置为根据所述比较结果，切换自身的调节模式，并以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节。通过在转速环中设置切换式调节模块，减小控制环节中实际信号与给定信号之间的误差，提高控制系统的跟踪控制能力，提高电机起动的成功率，强化控制系统的稳定性。

由此，通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，并在转速环中设置切换式调节模块，在电机起动过程中，通过陷波滤波器模块，能够滤除无电解电容控制系统的转速环与电流环中反馈回控制系统的实际转速与实际驱动电流中包含的波动信号分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值，使电机在起动过程中保持以较大驱动电流提升转速的状态；通过切换式调节模块(即可切换式调节器模块)，能够根据电机起动升速过程中的转速变化调节转速环的控制结构，从而减小直流母线电压波动对电机起动过程的影响，提高电机起动的成功率。

在一些实施方式中，所述切换式调节模块，包括：转速PD模块、调节模式切换器和转速PI模块。在电机的起动控制过程中，控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并根据转速比较的结果切换转速环调节器的调节模式，在控制系统(即电机调速系统)运行过程中，切换转速调节器的调节模式与切换陷波滤波器的陷波增益大小的切换操作同步进行。切换转速调节模式时，转速比较模块将给定转速w*与实际转速w的比较结果输出至调节模式切换器，调节模式切换器根据获得的转速比较结果切换转速环调节器的调节模式。当实际转速w小于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为起动升速状态，并将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器；当实际转速w等于或大于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为稳定运行状态，并将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器。

其中，所述切换式调节模块，根据所述比较结果，切换自身的调节模式，包括：所述调节模式切换器，被配置为若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PD调节模式。若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PI调节模式。

具体地，调节模式切换器，被配置为根据电机起动时的实时转速(如实际转速w)的变化来切换可切换式调节器模块的结构，当电机处于起动升速状态时，电机的实际转速w小于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器模式；当电机的实际转速w升速至给定转速w*，达到稳态运行状态时，电机的实际转速w等于或大于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器模式。

在一些实施方式中，所述切换式调节模块，以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节，包括以下至少一种调节过程：

第一种调节过程：所述转速PD模块，被配置为在所述转速PD调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PD调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

具体地，转速PD模块，可以是比例微分(PD)调节器，被配置为对电机的给定转速w*与电机的实际转速w之差进行比例微分调节，输出在电机的给定转速w*条件下的给定电机q轴电流i

第二种调节过程：所述转速PI模块，被配置为在所述转速PI调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PI调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PI调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

具体地，转速PI模块，可以是比例积分(PI)调节器，被配置为对电机的给定转速w*与电机的实际转速w之差进行比例积分调节，输出在电机的给定转速w*条件下的给定电机q轴电流i

由此，通过在所述电机的起动升速过程中，切换为PD调节器调节的PD调节模式，对所述电机的起动升速过程中的所述转速差值进行PD调节，以消除所述转速环中给定转速与实际转速之间的动态误差与积分超调现象，并对消所述陷波滤波器模块产生的信号相位滞后的延迟现象；在所述电机的实际转速升速至给定转速的情况下，切换为PI调节器的PI调节模式，对所述电机的实际转速升速至给定转速情况下的所述转速差值进行PI调节，以消除所述电机运行过程中的转速稳态误差。

在一些实施方式中，所述转速PD模块，包括：比例控制环节、微分控制环节与反馈微分控制环节。

其中，所述转速PD模块，在所述转速PD调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PD调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，包括以下任一环节的调节过程：

第一环节的调节过程：所述比例控制环节，被配置为消除所述电机起动升速过程中所述转速环的动态转速误差。

第二环节的调节过程：所述微分控制环节，被配置为对消所述转速环中滤波作用产生的信号延迟现象。

第三环节的调节过程：所述反馈微分控制环节，被配置为对所述转速环中限幅模块的输入输出变量差值进行反馈微分调节，以进一步消除转速环输入变量中其他控制环节引入实际信号部分的积分饱和误差；所述其他控制环节，包括：滤波环节。

具体地，PD调节器的比例控制环节，被配置为调节给定转速w*与实际转速w之间的动态误差，完成跟踪控制过程；微分控制环节则是被配置为消除被控制信号受控制系统(即电机调速系统)中的滤波环节等影响而产生的信号延迟现象，超前抑制控制信号中稳态误差的出现。

由此，比例微分调节器中去除了转速环调节器(如转速PI调节模块)中的积分控制环节，消除了电机起动升速过程中积分控制环节引起的转速误差超调现象。通过对转速环的控制结构进行了改进，将转速PI模块(即PI调节器)结构改进为一种可切换式PD调节器-PI调节器模块，在电机起动升速过程中，可切换式调节器模块能够将转速环调节器切换为不含有积分环节的PD调节器以消除积分误差带来的转速超调现象，同时应用PD调节器中的微分环节对消陷波滤波器模块导致的信号相位滞后的延迟现象；当电机的实际转速升速至给定转速时，将转速环调节器切换为PI调节器以消除电机运行时的稳态误差。

在一些实施方式中，所述转速PD模块的比例系数，大于所述转速PI模块的比例系数。其中，比例微分调节器中的比例控制环节的大比例系数，被配置为快速消除电机起动升速过程中的动态转速误差。

具体地，由于在电机起动过程中，给定转速w*与实际转速w误差较大，取较大的比例调节系数能够更快地消除起动过程中的转速动态误差。因此，PD调节器中的比例系数取值与PI调节器中的比例系数取值不同，PD调节器的比例系数取值较大。在电机处于起动升速状态时，将转速环调节器切换为无积分控制环节，且比例系数K

这样，PD调节器中的比例系数取值与PI调节器中的比例系数取值不同，PI调节器的比例系数在合理范围内取值较小，原因是在电机稳态运行时，较大的比例调节系数会延长控制系统(即电机调速系统)调节误差并恢复稳态的时间，控制系统(即电机调速系统)的稳定性将会降低。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过在无电解电容控制系统(即无电解电容电机调速系统)中的转速环与电流环的反馈环节添加陷波滤波器模块的方式，改善了转速环与电流环的控制结构，使由直流母线电压波动产生、并反馈回控制系统的实际转速与实际驱动电流中的波动分量得到抑制，提高了电机起动过程中驱动电流的平均值，使电机起动成功率进一步增加，减少电机起动过程中驱动电流平均值降低引起的异常现象发生几率。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的起动控制装置的一种电机。该电机可以包括：以上所述的电机的起动控制装置。

当永磁同步电机驱动系统的直流侧母线端大电容值的电解电容被替换为小电容值的薄膜电容后，母线电容吸收电能的能力大幅降低，因此直流母线电压将会由稳定的直流电压变为波动的近似正弦信号的电压，此波动电压信号是由整流电路对交流输入电压信号进行处理获得，因此此波动电压信号的波动频率为交流输入电压频率的2倍。相比于稳定的直流母线电压，波动的直流母线电压的平均值会降低，这会导致在电机起动过程中，电机升速时的电机驱动电压平均值降低，电机驱动电流平均值减小进而使电机无法正常升速，出现转子卡顿、停机等现象；同时，波动的直流母线电压会导致电机的相电流产生频率相同的波动，使电机起动升速时的反馈电流与给定电流之间误差进一步增大，过大的误差会使电机控制系统中的PI调节器无法较好地完成跟踪控制过程，出现电机转速失调或转速超调等现象。

也就是说，无电解电容控制系统受其直流侧母线电容电容值降低的影响，具有直流侧母线电压以2倍交流侧输入电源电压频率波动的特点，若交流输入电源电压频率为50Hz，受整流电路特性的影响，无电解电容控制系统的直流侧母线电压波动频率为50Hz的2倍，即为100Hz。相比于采用电解电容的控制系统中较为稳定的直流侧母线电压，此100Hz周期性波动的直流侧母线电压的平均值将会因波动效果而降低。永磁同步电机在起动升速过程中，控制系统需要控制电机以最大驱动电流运行以快速将电机转速提升至给定转速，如果控制系统的直流侧母线电压出现波动，则电机的平均驱动电压将会降低，电机的平均驱动电流随之降低，电机无法保持以最大驱动电流升速，将会出现起动异常、失步、停机等现象。

在一些实施方式中，本发明的方案，针对无电解电容控制系统的特点，设计一种应用在无电解电容控制系统中的电机起动方案，即一种无电解电容永磁同步电机起动控制方案，具体为一种无电解电容永磁同步电机的起动控制方法及应用该方法的电机的起动控制装置，涉及永磁同步电机变频驱动领域。本发明的方案提供的一种无电解电容永磁同步电机的起动控制方法及应用该方法的电机的起动控制装置，适用于无电解电容系统或小电容值直流母线电容电机控制系统，能够减小直流母线电压波动对电机起动过程的影响，提高电机起动的成功率，强化控制系统的稳定性。

在本发明的方案中，通过在无电解电容控制系统(即无电解电容电机调速系统)中的转速环与电流环的反馈环节添加陷波滤波器模块的方式，改善了转速环与电流环的控制结构，使由直流母线电压波动产生、并反馈回控制系统的实际转速与实际驱动电流中的波动分量得到抑制，提高了电机起动过程中驱动电流的平均值，使电机起动成功率进一步增加，减少电机起动过程中驱动电流平均值降低引起的异常现象发生几率。从而，解决了无电解电容永磁同步电机控制系统控制电机起动过程中由直流侧母线电压波动使电机驱动电压平均值降低导致电机驱动电流平均值减小，进而引起的电机起动异常的问题。

在本发明的方案中，利用陷波滤波器模块抑制转速环与电流环中实际信号的波动分量，使控制环节中的实际信号转换为相对稳定的被控信号，减小控制环节中实际信号与给定信号之间的误差，提高控制系统的跟踪控制能力。从而，解决了无电解电容永磁同步电机控制系统控制电机起动过程中由直流侧母线电压波动导致电流环部分的给定d-q轴电流与实际d-q轴电流之间误差过大的问题，提高了电机起动过程中实际d-q轴电流的稳定性。

在本发明的方案中，在转速环中应用了一种变结构式调节器控制方式，将转速环中的PI调节器改进为一种可切换的比例微分(PD)调节器-比例积分(PI)调节器模块的控制结构，在电机起动升速过程中应用大比例系数的PD调节器以消除给定转速与实际转速之间的动态误差与积分超调现象，并同时利用调节器中微分环节对消反馈环路中由陷波滤波器模块造成的信号延迟现象，使电机起动过程中的转速超调量降低、起动过程中实际转速误差减小。当电机转速提升至给定转速进入稳态运行区间时，将PD调节器切换为相对较小比例系数的PI调节器以消除电机转速稳态误差，达到精准控制电机稳态运行的效果。从而，解决了无电解电容永磁同步电机控制系统控制电机起动过程中电机转速误差累积导致的电机转速超调现象，通过改善转速环的控制结构抑制了电机转速超调现象。

可见，本发明的方案提供的一种无电解电容永磁同步电机起动控制方案，具体可以是一种无电解电容永磁同步电机的起动控制方法及起动控制装置，在控制系统转速环中应用了一种变结构式PI-PD可切换式调节器结构，并通过一种陷波滤波器抑制电机起动时的电流波动现象，提高起动电流平均值，提高电机起动成功概率。

其中，本发明的方案中，PD调节器中没有积分控制环节，且微分环节为正常微分器与反馈微分器两部分；PD调节器比例系数与微分系数随控制系统特性修改，并非固定值；具有抗饱和特性的PD调节器中无积分环节。电机起动时去掉积分环节，只应用比例环节进行线性控制，可以抑制转速超调现象，而PD调节器中加入的微分环节则是用于消除控制系统中滤波环节带入的信号延迟现象，同时能够消除电机起动时其他控制环节引入的动态积分误差。

下面结合图2至图12所示的例子，对本发明的方案的具体实现过程进行示例性说明。

图2为一种永磁同步电机矢量控制系统的一实施例的结构示意图。如图2所示的永磁同步电机矢量控制系统，包括：供电系统和电机调速系统。

在图2所示的例子中，供电系统，包括：交流电源U

在图2所示的例子中，电机调速系统，包括：转速环和电流环以及其他控制模块。转速环，包括：第一比较器、转速PI模块。电流环，包括：第二比较器、q轴电流PI模块、第三比较器、d轴电流PI模块。其他控制模块，包括：电流检测模块、Clarke变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、转子位置检测模块以及SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)模块。

在图2所示的例子中，电流检测模块，能够检测逆变器输出端，即永磁同步电机输入端的第一电流i

在图2所示的例子中，转子位置检测模块，能够检测永磁同步电机的实际转速w。给定转速w*输入至第一比较器的同相输入端，第一比较器的反相输入端输入转子位置检测模块检测到的实际转速w。第一比较器的输出端输出至转速PI模块的输入端，转速PI模块的输出端输出给定q轴电流i

其中，Park变换(即派克变换)，将定子的a、b、c三相电流投影到随着转子旋转的直轴(d轴)，交轴(q轴)与垂直于d-q平面的零轴(0轴)上去，从而实现了对定子电感矩阵的对角化，对同步电动机的运行分析起到了简化作用，即将abc坐标系内的变量变换到d-q坐标系内。Park逆变换是Park变换的逆变换。Park变换是将abc坐标系内的变量变换到旋转的d-q坐标系内。而Clarke变换是将abc坐标系内的变量变换到静止的α-β坐标系内。

图3为本发明的电机的起动控制装置的一实施例的结构示意图，具体为无电解电容永磁同步电机调速系统及起动控制装置的一实施例的结构示意图。

在一些实施方式中，如图3所示的例子，在图2所示的例子的基础上，对永磁同步电机调速系统的转速环与电流环进行了结构上的改进，在转速环与电流环的实际信号反馈环路中添加了陷波频率为2倍交流输入电源电压频率的陷波滤波器模块，抑制实际驱动电流的波动现象，提高实际驱动电流的平均值从而使电机在起动过程中保持以较大实际驱动电流提升转速。在图3所示的例子中，图2所示的例子中的电解电容C1被替换为薄膜电容C2。

如图3所示的例子，在图2所示的例子的基础上，对转速环的控制结构进行了改进，将图2所示的例子中的转速PI模块(即PI调节器)结构改进为一种可切换式PD调节器-PI调节器模块，在电机起动升速过程中，可切换式调节器模块能够将转速环调节器切换为不含有积分环节的PD调节器以消除积分误差带来的转速超调现象，同时应用PD调节器中的微分环节对消陷波滤波器模块导致的信号相位滞后的延迟现象；当电机的实际转速升速至给定转速时，将转速环调节器切换为PI调节器以消除电机运行时的稳态误差。

在图3所示的例子中，陷波滤波器模块和可切换式PD调节器-PI调节器模块，同时在控制系统中起作用才能实现实验结果中展示的效果。

在一些实施方式中，在图3所示的例子中，陷波滤波器模块，包括：三个陷波滤波器与一个陷波增益调节器。其中，三个陷波滤波器，可以为第一陷波滤波器、第二陷波滤波器和第三陷波滤波器。第一陷波滤波器，设置在转子位置检测模块与第一比较器的反相输入端之间，能够对电机的实际转速w进行陷波滤波处理。第二陷波滤波器，设置在Park变换模块的实际d轴电流i

这样，通过陷波滤波器模块，能够滤除无电解电容控制系统的转速环与电流环中反馈回控制系统的实际转速与实际驱动电流中包含的波动信号分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值，使电机在起动过程中保持以较大驱动电流提升转速的状态。

在一些实施方式中，第一陷波滤波器、第二陷波滤波器和第三陷波滤波器中任一陷波滤波器，为一种具有双零点与双极点的滤波器。具有双零点与双极点的滤波器，能够消除特定窄频段范围内的信号而不影响其他频率的信号。

本发明的方案中所采用的陷波滤波器结构为一种可调节陷波增益的陷波滤波器结构，即在电机起动升速过程中，陷波滤波器被切换为高陷波增益状态，使陷波滤波器尽可能地滤除实际转速与实际驱动电流中的波动分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值；在电机的实际转速升速至给定转速，达到稳定运行状态时，陷波滤波器将被切换至低陷波增益状态，陷波滤波器对控制系统实际信号中波动分量的滤除能力降低，使稳态状态下的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压保持同步的波动状态，提高控制系统在稳态时的输入功率因数。

具体地，以上所述的陷波增益调节器被配置为根据电机起动时的转速变化调节陷波滤波器的陷波增益，使陷波滤波器在电机起动升速过程中保持高陷波能力，滤除大部分的实际信号波动分量；在电机稳态运行时，陷波滤波器则保持低陷波能力，使实际信号中的波动分量得到一定程度的保留，从而使控制系统实际信号与直流侧母线电压同步波动，提高控制系统的输入功率因数。

在一些实施方式中，以上所述的可切换式调节器模块，被配置在转速环中，转速环中还设置有转速比较模块。可切换式调节器模块，包含：转速PD模块(如比例微分调节器)、转速PI模块(如比例积分调节器)和调节模式切换器。第一比较器的输出端，分别连接至转速比较模块的输入端、转速PD模块的第一输入端和转速PI模块的第一输入端。转速比较模块的第一输出端，连接至调节模式切换器的输入端。转速比较模块的第二输出端，连接至陷波增益调节器的输入端。调节模式切换器的第一输出端，连接至转速PD模块的第二输入端。转速PD模块的输出端连接至第二比较器的同相输入端。调节模式切换器的第二输出端，连接至转速PI模块的第二输入端。转速PI模块的输出端连接至第二比较器的同相输入端。

这样，通过可切换式调节器模块，能够根据电机起动升速过程中的转速变化调节转速环的控制结构。

图4为本发明的电机的起动控制装置中转速环可切换式调节器的一实施例的结构示意图。在如图4所示的例子中，调节模式切换器，被配置为根据电机起动时的实时转速(如实际转速w)的变化来切换可切换式调节器模块的结构，当电机处于起动升速状态时，电机的实际转速w小于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器模式；当电机的实际转速w升速至给定转速w*，达到稳态运行状态时，电机的实际转速w等于或大于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器模式。

调节模式切换器参见图4中虚线所示的部分，此调节模式切换器可以是一个判断模块，根据转速差值与0之间的大小关系来选择哪种调节模式，PD模式或是PI模式。

在图3和图4所示的例子中，转速比较模块前端中的比较器是用于求解出给定转速与实际转速的差值，并将此差值输入后续的转速环调节器完成调节过程。转速比较模块则是用于比较此转速差值的状态，检测其是大于等于0或者小于0，从而切换调节器模式和陷波器增益。

比例积分(PI)调节器，包括：比例控制环节K

比例控制环节K

比例微分(PD)调节器，包括：比例控制环节K

其中，比例微分调节器中去除了转速环调节器(如转速PI调节模块)中的积分控制环节，消除了电机起动升速过程中积分控制环节引起的转速误差超调现象。

可见，本发明的方案提供的一种无电解电容永磁同步电机的起动控制方法及电机的起动控制装置中，通过改善无电解电容控制系统的控制结构，在永磁同步电机无电解电容控制系统的基础上添加了可变增益的陷波滤波器以抑制控制系统中实际转速与实际驱动电流中的波动分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值，控制电机以较高驱动电流起动升速，提高电机起动的成功几率。同时，本发明的方案，改进了无电解电容控制系统的转速环控制结构，采用一种可切换式调节器结构来分别对电机起动升速过程与电机稳态运行过程进行控制，使电机升速过程中的积分误差超调现象被抑制，电机升速过程中滤波环节产生的信号延迟现象得到了一定的改善。

图5为本发明的电机的起动控制装置的一实施例的电机的起动控制流程示意图。如图5所示，本发明的方案中的电机的起动控制流程，包括：

步骤1、采集控制系统所需要的电路参数。本发明的方案所需的电路参数包括：a、电机的给定转速w*，此信号由外部设定并输入至控制系统(即电机调速系统)中；b、电机的实际转速w，此信号由控制系统的转速检测模块获得；c、电机的实际d-q轴电流，即实际d轴电流i

步骤2、控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并将转速比较的结果传送至陷波滤波器模块中。

步骤3、陷波滤波器模块包含一个陷波增益调节器与三组陷波滤波器，分别配置在转速环的实际转速反馈环路与电流环的两组实际d-q轴电流反馈环路上，且三组陷波滤波器的增益系数由陷波增益调节器同步控制。三组陷波滤波器中每个陷波滤波器的陷波频率被设置为2倍交流输入电源的电压频率，此频率与直流侧母线电压波动频率一致。当电机处于起动升速状态时，陷波滤波器被调整为高陷波增益模式，高陷波增益模式的陷波滤波器能够滤除大部分实际信号中的脉动分量，提升电机起动过程中实际转速与实际驱动电流的平均值，保证电机以最大驱动电流升速；当电机处于稳定运行状态时，陷波滤波器被调整为低陷波增益模式，低陷波增益模式的陷波滤波器将工作在低陷波增益状态使一部分实际信号中的脉动分量得到保留，从而令电机的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压同步波动，保持“同频率同相位”状态以提高控制系统(即电机调速系统)的输入功率因数。陷波滤波器的传递函数如式(1)所示：

在式(1)中，w

其中，式(1)为陷波滤波器的传递函数。在实际应用中，此公式中的陷波频率w

调节陷波增益时，陷波增益调节器根据电机起动时的不同运行状态调整陷波滤波器的增益系数ζ

步骤4、控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并根据转速比较的结果切换转速环调节器的调节模式，在控制系统(即电机调速系统)运行过程中，切换转速调节器的调节模式与切换陷波滤波器的陷波增益大小的切换操作同步进行。

切换转速调节模式时，转速比较模块将给定转速w*与实际转速w的比较结果输出至调节模式切换器，调节模式切换器根据获得的转速比较结果切换转速环调节器的调节模式。当实际转速w小于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为起动升速状态，并将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器；当实际转速w等于或大于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为稳定运行状态，并将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器。

步骤5、当电机处于起动升速控制过程时，电机的初始转速为0，电机凭借最大驱动电流产生最大的磁力，拖动电机转子以最大加速度旋转，以达到快速升速至给定转速的目的。在电机从转速为0升速至给定转速w*的过程中，电机的给定转速w*与实际转速w之间存在较大误差。图2所示的例子中永磁同步电机控制系统(即电机调速系统)采用双环反馈控制方式，电机转速由给定转速与实际转速之间的差值通过比例积分(PI)调节器控制以达到实时跟踪控制的效果。PI调节器的时域表达式如式(2)所示：

其中，式(2)为PI调节器的时间域表达式。在使用此公式时，应根据控制系统(即电机调速系统)具体情况设定及调整系数K

转速PI调节器中的积分环节会将给定转速与实际转速之间的误差进行积分处理，在电机起动升速时，转速误差较大，则较大误差的积分会导致电机在达到给定转速时电机加速度不能及时减小，电机转速会在短时间内进一步上升，产生转速超调现象。控制系统(即电机调速系统)需要更长的时间处理转速超调现象产生的超调误差，控制系统(即电机调速系统)的稳定性将会降低。因此电机起动过程中引起转速超调现象的根本原因为PI调节器中的误差积分控制环节。为消除转速超调现象，可以在电机起动过程中，将转速环调节器中的积分控制环节取消，基于此改进策略，当步骤4中所述调节模式切换器判定电机处于起动升速状态时，将转速调节器切换为不含有积分控制环节的比例微分(PD)调节器，比例微分调节器的时域表达式如式(3)所示：

在式(3)中，K

其中，式(3)为PD调节器的时间域表达式。在使用此公式时，应根据控制系统(即电机调速系统)具体情况设定及调整系数K

上述PD调节器的比例控制环节，被配置为调节给定转速w*与实际转速w之间的动态误差，完成跟踪控制过程；微分控制环节则是被配置为消除被控制信号受控制系统(即电机调速系统)中的滤波环节等影响而产生的信号延迟现象，超前抑制控制信号稳态误差的出现。微分控制环节的控制过程可以由以下示例进行描述：

以本发明方法中电机起动升速过程应用的不含有积分控制环节的PD调节器作为示例。此处应用了本发明的方案中的PD调节器的模式作为例子来介绍微分环节对消滤波延迟现象的功能。此PD调节器本身不含有积分环节(即PI调节器的I)，且此PD调节器没加入微分D环节之前，其本质为比例调节器，即P调节器，此处目的为介绍添加D环节后的调节器效果。在电机控制系统(即电机调速系统)中，若控制系统转速环不含有积分控制环节且并未引入微分控制环节，则视为控制系统在电机起动升速时仅采用比例调节器控制方式控制，此时转速环可以被等效为一个一阶惯性环节，其传递函数如式(4)所示：

在式(4)中，s为转速环的输入变量，G(s)为转速环的输出变量，K为转速环的增益系数，T为转速环的时滞时间常数。式(4)为一般控制系统(即电机调速系统)转速环的传递函数的表达形式，若在转速环的反馈控制环节中存在滤波环节，则转速环的闭环传递函数形式将会发生改变。以一个较为常用的二阶低通滤波器作为示例，低通滤波器的传递函数如式(5)所示：

其中，式(5)为二阶低通滤波器的一般传递函数，为微分调节器改善信号延迟的原理验证中数学推导所使用的示例。

在式(5)中，w

其中，式(6)为加入低通滤波器后的系统闭环传递函数示例。图12为添加PD调节器降低信号延迟现象推导过程中，转速环反馈系统的系统函数等效变换方法示意图。

在式(6)中，s项的各项系数均为常数。从式(6)可以得出，在转速环反馈环节加入二阶低通滤波器之后，转速环引入了额外的积分环节(即作为分母的s多项式的最高次项次数增大为3次且大于分子s多项式最高次项的次数)，被控制信号将出现信号延迟的现象，同时，滤波器引入的积分环节依然会导致积分误差的累积。若在转速环调节器中引入一阶微分控制环节，则式(4)可以转化为式(7)的表达形式：

其中，式(7)为一阶比例微分PD调节器的传递函数，是式(4)加入微分项后的形式。

式(7)中的τ

从式(8)可以得出，改进后的控制系统(即电机调速系统)闭环传递函数的分子多项式与分母多项式的最高次项次数相同，均为3次。若能够令式(8)中的分子多项式与分母多项式之间保持线性的比例关系，则可以求解出能够使式(8)中分子多项式与分母多项式保持比例关系的合理系数τ

其中，式(8)，是改进后的闭环传递函数，分子分母多项式最高次项均为3次，没有出现分母多项式最高次项次数高于分子多项式最高次项次数的情况，因此滤波器的积分环节被对消掉了。

其中，式(4)-式(8)，是数学推导及验证PD调节器中微分项(D项)对控制信号中的滤波环节引入的延迟作用的改善效果。式(4)-式(8)均为示例，PD调节器改善信号延迟的应用方式不仅限于此四个公式。

步骤6、当电机起动升速至给定转速w*或控制系统(即电机调速系统)检测到电机实际转速w大于给定转速w*时，步骤3中所述调节模式切换器判定电机处于稳定运行状态，将转速调节器切换为含有积分控制环节的比例积分(PI)调节器，比例积分调节器的积分控制环节能够消除电机转速的稳态误差，达到令电机稳定运行的效果。在本发明的方案中，PD调节器中的比例系数取值与PI调节器中的比例系数取值不同，PI调节器的比例系数在合理范围内取值较小，原因是在电机稳态运行时，较大的比例调节系数会延长控制系统(即电机调速系统)调节误差并恢复稳态的时间，控制系统(即电机调速系统)的稳定性将会降低。

为验证本发明方法的控制效果，采用应用本发明方法及控制装置的无电解电容控制系统(即电机调速系统)驱动某种永磁同步电机，实验检测其应用本发明方法及控制装置前后，电机起动升速过程的控制效果。实验采用直流母线电容为10uF的无电解电容控制系统(即电机调速系统)，相比于传统矢量控制系统(即电机调速系统)，此无电解电容控制系统(即电机调速系统)的直流侧母线电容值大幅度降低；控制系统(即电机调速系统)使用220V，50Hz的交流电源作为输入电源，通过计算可得出，直流侧母线电压的波动频率为50Hz的2倍，即100Hz；电机的起动控制装置中的陷波滤波器增益系数被设置为可调节增益系数，当电机处于起动升速状态时，陷波增益系数ζ

图6所示为无电解电容控制系统(即电机调速系统)的直流侧母线电压信号示意图，从图中可以得出，无电解电容控制系统(即电机调速系统)的直流侧母线电压会产生较大幅度的波动现象，图中电压信号的波动周期为0.01s，可换算出波动频率为100Hz。图中所示的电压信号最大值为310V，有效值为220V，与交流输入电压有效值相同，但波动直流母线电压的平均值如图中所示约为250V，相比于稳定的310V最大值的直流母线电压，此波动母线电压的平均值降低约20％。

图7为1800(npm)给定转速条件下应用本发明起动控制方法前后的无电解电容控制系统(即电机调速系统)实际起动q轴电流波形对比示意图，由于电机采用i

图8为1800(npm)给定转速条件下应用本发明起动控制方法前后的无电解电容控制系统(即电机调速系统)实际起动转速对比示意图，图8中虚线信号为传统系统的实际起动转速，实线信号为改进系统的实际起动转速，从图8中可以得出，改进系统的实际起动转速波动现象大幅减少，起动转速呈现较为理想的线性状态，大部分转速超调量被消除。

图9为3000(npm)给定转速条件下应用本发明起动控制方法前后的无电解电容控制系统(即电机调速系统)实际起动q轴电流波形对比示意图，由于电机采用i

图10为3000(npm)给定转速条件下应用本发明起动控制方法前后的无电解电容控制系统(即电机调速系统)实际起动转速对比示意图，图10中虚线信号为传统系统的实际起动转速，实线信号为改进系统的实际起动转速，从图10中可以得出，改进系统的实际起动转速波动现象大幅减少，起动转速呈现较为理想的线性状态，且改进系统能够更快提升电机转速至给定转速。综合1800npm与3000npm给定转速条件下的实验结果，可以得出结论：本发明方法与应用本发明方法的电机的起动控制装置能够有效地在电机起动升速过程中抑制无电解电容控制系统(即电机调速系统)直流母线电压波动引起的电机驱动电流波动现象，提升电机起动升速过程中的驱动电流平均值，并抑制电机转速提升过程中的超调现象与滤波环节带来的信号延迟现象。

在图6中，横轴坐标为时间(s)，纵轴坐标为直流母线电压(V)。在图7中，横轴坐标为时间(s)，纵轴坐标为q轴电流(A)。在图8中，横轴坐标为时间(s)，纵轴坐标为转速(npm，转/分钟)。在图9中，横轴坐标为时间(s)，纵轴坐标为q轴电流(A)。在图10中，横轴坐标为时间(s)，纵轴坐标为转速(npm，转/分钟)。在图11中，横轴坐标为频率(Hz)，纵轴坐标为幅值(dB，分贝)。

图12中，R(s)为输入变量，C(s)为输出变量，G(s)为开环传递函数，G

由于本实施例的电机所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本发明的技术方案，通过利用陷波滤波器模块抑制转速环与电流环中实际信号的波动分量，使控制环节中的实际信号转换为相对稳定的被控信号，减小控制环节中实际信号与给定信号之间的误差，提高控制系统的跟踪控制能力；并在电机起动升速过程中应用大比例系数的PD调节器以消除给定转速与实际转速之间的动态误差与积分超调现象，并同时利用调节器中微分环节对消反馈环路中由陷波滤波器模块造成的信号延迟现象，使电机起动过程中的转速超调量降低、起动过程中实际转速误差减小。

根据本发明的实施例，还提供了对应于电机的一种电机的起动控制方法，如图13所示本发明的方法的一实施例的流程示意图。该电机的起动控制方法能够应用在电机调速系统(如无电解电容永磁同步电机调速系统)对电机(如永磁同步电机)的起动控制过程中，在电机(如永磁同步电机)的起动控制过程中，电机(如永磁同步电机)的起动控制方法，包括：步骤S110至步骤S130。

在步骤S110处，通过转速比较模块，在所述电机的起动过程中，获取所述电机的实际转速(如电机实际转速w)、以及所述电机的给定转速(如电机的给定转速w*)，并比较所述电机的实际转速与所述电机的给定转速的大小关系，得到比较结果。

其中，所述比较结果，包括：在所述电机的起动过程中，所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，即所述电机处于起动过程中的起动升速状态；或者，在所述电机的起动过程中，所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，即所述电机处于起动过程中的升速完成后的稳定运行状态。所述电机的给定转速，是预先给定的。所述电机的实际转速，是所述电机调速系统中的电流检测模块检测得到的。在电机起动该控制过程中，采集控制系统所需要的电路参数：电机的给定转速w*，此信号由外部设定并输入至控制系统(即电机调速系统)中；电机的实际转速w，此信号由控制系统的转速检测模块获得；电机的实际d-q轴电流，即实际d轴电流i

在步骤S120处，根据所述比较结果，切换陷波滤波器模块的陷波增益状态，如可以通过陷波滤波器模块，根据所述比较结果，切换自身的陷波增益状态，并以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除。例如：对永磁同步电机调速系统的转速环与电流环进行了结构上的改进，在转速环与电流环的实际信号反馈环路中添加了陷波频率为2倍交流输入电源电压频率的陷波滤波器模块，抑制实际驱动电流的波动现象，提高实际驱动电流的平均值从而使电机在起动过程中保持以较大实际驱动电流提升转速。通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，在电机起动过程中，减少电机起动过程中驱动电流平均值降低引起的异常现象发生几率。

其中，所述实际信号，包括：转速环中电机的实际转速，以及电流环中电机的实际d轴电流和实际q轴电流(如电机的实际d轴电流i

在一些实施方式中，所述陷波滤波器模块，包括：第一陷波滤波器、第二陷波滤波器、第三陷波滤波器和陷波增益调节器；即，陷波滤波器模块包含一个陷波增益调节器与三组陷波滤波器，分别配置在转速环的实际转速反馈环路与电流环的两组实际d-q轴电流反馈环路上，且三组陷波滤波器的增益系数由陷波增益调节器同步控制。

在电机起动控制过程中，控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并将转速比较的结果传送至陷波滤波器模块中。陷波滤波器模块包含一个陷波增益调节器与三组陷波滤波器，分别配置在转速环的实际转速反馈环路与电流环的两组实际d-q轴电流反馈环路上，且三组陷波滤波器的增益系数由陷波增益调节器同步控制。三组陷波滤波器中每个陷波滤波器的陷波频率被设置为2倍交流输入电源的电压频率，此频率与直流侧母线电压波动频率一致。当电机处于起动升速状态时，陷波滤波器被调整为高陷波增益模式，高陷波增益模式的陷波滤波器能够滤除大部分实际信号中的脉动分量，提升电机起动过程中实际转速与实际驱动电流的平均值，保证电机以最大驱动电流升速；当电机处于稳定运行状态时，陷波滤波器被调整为低陷波增益模式，低陷波增益模式的陷波滤波器将工作在低陷波增益状态使一部分实际信号中的脉动分量得到保留，从而令电机的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压同步波动，保持“同频率同相位”状态以提高控制系统(即电机调速系统)的输入功率因数。

其中，步骤S120中所述根据所述比较结果，切换陷波滤波器模块的陷波增益状态，包括：通过陷波增益调节器，若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至高陷波增益状态；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将所述第一陷波滤波器、所述第二陷波滤波器和所述第三陷波滤波器的陷波增益状态调节至低陷波增益状态。其中，高陷波增益状态与低陷波增益状态是相对而言的。

具体地，调节陷波增益时，陷波增益调节器根据电机起动时的不同运行状态调整陷波滤波器的增益系数ζ

在一些实施方式中，步骤S120中所述以切换后的陷波增益状态对所述转速环与所述电流环的实际信号中的波动分量进行滤除，包括以下至少一个滤波过程：

第一个滤波过程：通过第一陷波滤波器，设置在转速环中转子位置检测模块与第一比较器的反相输入端之间，对所述电机的实际转速中的波动分量进行滤除，即对电机的实际转速w进行陷波滤波处理。

第二个滤波过程：通过第二陷波滤波器，设置在电流环中Park变换模块的实际d轴电流i

第三个滤波过程：通过第三陷波滤波器，设置在所述电流环中Park变换模块的实际q轴电流i

具体地，陷波滤波器为可调节陷波增益的陷波滤波器，即在电机起动升速过程中，陷波滤波器被切换为高陷波增益状态，使陷波滤波器尽可能地滤除实际转速与实际驱动电流中的波动分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值；如在所述电机起动升速过程中，抑制所述电机的实际驱动电流的波动现象，以使所述电机在起动升速过程中保持以大于设定电流的实际驱动电流升速。也就是说，使所述电机在起动升速过程中的实际驱动电流，大于设定驱动电流。而在电机的实际转速升速至给定转速，达到稳定运行状态时，陷波滤波器将被切换至低陷波增益状态，陷波滤波器对控制系统实际信号中波动分量的滤除能力降低，使稳态状态下的实际转速与实际驱动电流与直流侧母线电压保持同步的波动状态，提高控制系统在稳态时的输入功率因数。

由此，通过陷波增益调节器，根据电机起动时的转速变化调节陷波滤波器的陷波增益，使陷波滤波器在电机起动升速过程中保持高陷波能力，滤除大部分的实际信号波动分量；在电机稳态运行时，陷波滤波器则保持低陷波能力，使实际信号中的波动分量得到一定程度的保留，从而使控制系统实际信号与直流侧母线电压同步波动，提高控制系统的输入功率因数。

在步骤S130处，根据所述比较结果，切换切换式调节模块的调节模式，如可以通过切换式调节模块，作为所述转速环的调节模块(如转速调节器)，根据所述比较结果，切换自身的调节模式，并以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节。通过在转速环中设置切换式调节模块，减小控制环节中实际信号与给定信号之间的误差，提高控制系统的跟踪控制能力，提高电机起动的成功率，强化控制系统的稳定性。

其中，转速比较模块、陷波滤波器模块和切换式调节模块；所述陷波滤波器模块，设置在所述电机的电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中；所述转速比较模块和所述切换式调节模块，设置在所述转速环中。

由此，通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，并在转速环中设置切换式调节模块，在电机起动过程中，通过陷波滤波器模块，能够滤除无电解电容控制系统的转速环与电流环中反馈回控制系统的实际转速与实际驱动电流中包含的波动信号分量，提高实际转速与实际驱动电流的平均值，使电机在起动过程中保持以较大驱动电流提升转速的状态；通过切换式调节模块(即可切换式调节器模块)，能够根据电机起动升速过程中的转速变化调节转速环的控制结构，从而能够减小直流母线电压波动对电机起动过程的影响，提高电机起动的成功率。

在一些实施方式中，所述切换式调节模块，包括：转速PD模块、调节模式切换器和转速PI模块；在电机的起动控制过程中，控制系统(即电机调速系统)获得给定转速w*与实际转速w之后，控制系统(即电机调速系统)转速环中的转速比较模块对电机起动升速阶段的给定转速w*与实际转速w进行比较，并根据转速比较的结果切换转速环调节器的调节模式，在控制系统(即电机调速系统)运行过程中，切换转速调节器的调节模式与切换陷波滤波器的陷波增益大小的切换操作同步进行。切换转速调节模式时，转速比较模块将给定转速w*与实际转速w的比较结果输出至调节模式切换器，调节模式切换器根据获得的转速比较结果切换转速环调节器的调节模式。当实际转速w小于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为起动升速状态，并将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器；当实际转速w等于或大于给定转速w*时，调节模式切换器判定此状态为稳定运行状态，并将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器。

其中，步骤S130中所述根据所述比较结果，切换自身的调节模式，包括：通过调节模式切换器，若所述电机的实际转速小于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PD调节模式；若所述电机的实际转速大于或等于所述电机的给定转速，则将自身的调节模式切换至转速PI调节模式。

具体地，调节模式切换器，被配置为根据电机起动时的实时转速(如实际转速w)的变化来切换可切换式调节器模块的结构，当电机处于起动升速状态时，电机的实际转速w小于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例微分(PD)调节器模式；当电机的实际转速w升速至给定转速w*，达到稳态运行状态时，电机的实际转速w等于或大于给定转速w*，此时调节模式切换器将转速环调节器切换为比例积分(PI)调节器模式。

在一些实施方式中，步骤S130中所述以切换后的调节模式对所述转速环中电机的实际转速与给定转速差值的变化情况进行调节，包括以下至少一种调节过程：

第一种调节过程：通过转速PD模块，在所述转速PD调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PD调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

具体地，转速PD模块，可以是比例微分(PD)调节器，被配置为对电机的给定转速w*与电机的实际转速w之差进行比例微分调节，输出在电机的给定转速w*条件下的给定电机q轴电流i

第二种调节过程：通过转速PI模块，在所述转速PI调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PI调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PI调节，输出在所述电机的给定转速条件下的所述电机的给定q轴电流。

具体地，转速PI模块，可以是比例积分(PI)调节器，被配置为对电机的给定转速w*与电机的实际转速w之差进行比例积分调节，输出在电机的给定转速w*条件下的给定电机q轴电流i

由此，通过在所述电机的起动升速过程中，切换为PD调节器调节的PD调节模式，对所述电机的起动升速过程中的所述转速环进行PD调节，以消除所述转速环中给定转速与实际转速之间的动态误差与积分超调现象，并对消所述陷波滤波器模块产生的信号相位滞后的延迟现象；在所述电机的实际转速升速至给定转速的情况下，切换为PI调节器的PI调节模式，对所述电机的实际转速升速至给定转速情况下的所述转速环进行PI调节，以消除所述电机运行过程中的稳态误差。

在一些实施方式中，所述转速PD模块，包括：比例控制环节、微分控制环节与反馈微分控制环节。

其中，通过转速PD模块，在所述转速PD调节模式下，对所述转速环中电机的实际转速的变化情况进行PD调节，即对所述电机的给定转速与所述电机的实际转速之间的转速差进行PD调节，包括以下任一环节的调节过程：

第一环节的调节过程：通过比例控制环节，消除所述电机起动升速过程中所述转速环的动态转速误差。

第二环节的调节过程：通过微分控制环节，对消所述转速环中滤波作用产生的信号延迟现象。

第三环节的调节过程：通过反馈微分控制环节，对所述转速环中限幅模块的输入输出变量差值进行反馈微分调节，以进一步消除转速环输入变量中其他控制环节引入至实际信号部分的积分饱和误差；所述其他控制环节，包括：滤波环节。

具体地，PD调节器的比例控制环节，被配置为调节给定转速w*与实际转速w之间的动态误差，完成跟踪控制过程；微分控制环节则是被配置为消除被控制信号受控制系统(即电机调速系统)中的滤波环节等影响而产生的信号延迟现象，超前抑制控制信号稳态误差的出现。

由此，比例微分调节器中去除了转速环调节器(如转速PI调节模块)中的积分控制环节，消除了电机起动升速过程中积分控制环节引起的转速误差超调现象。通过对转速环的控制结构进行了改进，将转速PI模块(即PI调节器)结构改进为一种可切换式PD调节器-PI调节器模块，在电机起动升速过程中，可切换式调节器模块能够将转速环调节器切换为不含有积分环节的PD调节器以消除积分误差带来的转速超调现象，同时应用PD调节器中的微分环节对消陷波滤波器模块导致的信号相位滞后的延迟现象；当电机的实际转速升速至给定转速时，将转速环调节器切换为PI调节器以消除电机运行时的稳态误差。

在一些实施方式中，所述转速PD模块的比例系数，大于所述转速PI模块的比例系数。其中，比例微分调节器中的比例控制环节的大比例系数，被配置为快速消除电机起动升速过程中的动态转速误差。

具体地，由于在电机起动过程中，给定转速w*与实际转速w误差较大，取较大的比例调节系数能够更快地消除起动过程中的转速动态误差。因此，PD调节器中的比例系数取值与PI调节器中的比例系数取值不同，PD调节器的比例系数取值较大。在电机处于起动升速状态时，将转速环调节器切换为无积分控制环节，且比例系数K

这样，PD调节器中的比例系数取值与PI调节器中的比例系数取值不同，PI调节器的比例系数在合理范围内取值较小，原因是在电机稳态运行时，较大的比例调节系数会延长控制系统(即电机调速系统)调节误差并恢复稳态的时间，控制系统(即电机调速系统)的稳定性将会降低。

由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述电机的实施例、原理和实例，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。

经大量的试验验证，采用本实施例的技术方案，通过在电机调速系统的转速环与电流环的实际信号反馈环路中设置陷波滤波器模块，并将转速环中的调节模块设置为PD调节器和PI调节器切换的切换式调节模块，在电机起动升速过程中切换为PD调节器，在电机的实际转速升速至给定转速时切换为PI调节器，能够有效地在电机起动升速过程中抑制无电解电容控制系统(即电机调速系统)直流母线电压波动引起的电机驱动电流波动现象，提升电机起动升速过程中的驱动电流平均值，并抑制电机转速提升过程中的超调现象与滤波环节带来的信号延迟现象。

综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。