一种电机驱动的动态过载自动降载的控制方法及系统与流程

本发明涉及电机驱动控制领域，尤其涉及一种电机驱动的动态过载自动降载的控制方法及系统。

背景技术：

电机及驱动器都有一个额定负载功率，如果在某种情况下使电机的实际使用功率超过电机的额定功率，则称这种现象为电机过载。目前，在电动汽车驱动、变频器驱动、交流伺服驱动、电梯驱动等领域，电机过载发生后，基于安全起见，为了保护电机及相关电气设备，驱动器一般会进行保护报警并停机处理，如此，会导致用户使用的停滞，并带来不便。举例而言，在动感平台的应用中，当运动控制指令变化率较大时，电机驱动很容易产生短暂动态过载停机保护的问题，如此，极大地影响了用户体验。另外，在很多应用场合，电机发生短暂动态过载而导致设备停止运行甚至会导致危险发生。

因此，为了避免电机发生过载，很多用户会把电机及驱动器的选型选大，或者降低电机控制指令的动态性。但是，这样会导致电机及驱动器的成本增加且性能降低的不理想情况。另外，目前一般的驱动器，由于自身不具备过载自动降载的功能，在动感伺服平台等设备上的应用中，导致用户需要反复尝试控制指令的加减速等平滑滤波方法或参数，带来诸多不便或不必要的额外硬件和时间成本。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电机驱动的动态过载自动降载的控制方法及系统，能够实现电机驱动过载时的自动降载，从而避免因电机动态过载造成设备停机及损坏的情况。

为了达到上述技术目的，本发明提供一种电机驱动的动态过载自动降载的控制方法，包括：获取用于描述电机驱动过载的物理量的额定值、过载倍数、过载时间、实际测量值及电机运行时间；根据获取的额定值、过载倍数以及过载时间，确定物理量的过载累计门限值，并根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值；当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值。

进一步地，所述根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值之后，该方法还包括：当所述过载累计值小于零时，对所述过载累计值进行归零处理。

进一步地，所述确定物理量的过载累计门限值为：(n-1)·p₀·T_d，其中，p₀表示物理量的额定值，n为过载倍数，T_d为过载时间。

进一步地，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

进一步地，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

进一步地，所述确定物理量的过载累计值为：

其中，OL表示物理量的过载累计值，p₀表示物理量的额定值，p表示物理量的实际测量值，T表示电机运行时间。

进一步地，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{\Σ}[\frac{{(i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2}{2}-{(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2]\·T\mathrm{mod},$

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间。

进一步地，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{\Σ}[\frac{i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}}{\sqrt{2}}\·I_b-k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b]\·T\mathrm{mod},$

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间。

进一步地，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值包括：当物理量为电机电流时，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，通过闭环控制降低转矩电流指令值至小于或等于转矩电流的额定值，以调节电机电流，使得电机电流的当前实际测量值小于或等于额定值。

进一步地，该方法还包括：当确定出的过载累计值不大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值位于预设范围内，其中，所述预设范围为不小于额定值且不大于最大输出值。

本发明还提供一种电机驱动的过载自动降载的控制系统，包括：数据获取模块，用于获取用于描述电机驱动过载的物理量的额定值、过载倍数、过载时间、实际测量值及电机运行时间；运算模块，用于根据获取的额定值、过载倍数以及过载时间，确定物理量的过载累计门限值，并根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值；控制模块，用于当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值。

进一步地，该系统还包括处理模块，用于在所述运算模块根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值之后，当所述过载累计值小于零时，对所述过载累计值进行归零处理。

进一步地，所述运算模块，具体用于：确定物理量的过载累计门限值为：(n-1)·p₀·T_d，

其中，p₀表示物理量的额定值，n为过载倍数，T_d为过载时间。

进一步地，所述运算模块，具体用于：当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

进一步地，所述运算模块，具体用于：当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

进一步地，所述运算模块，具体用于：确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{OL}=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}(p-p_0)\mathrm{dt},$

其中，OL表示物理量的过载累计值，p₀表示物理量的额定值，p表示物理量的实际测量值，T表示电机运行时间。

进一步地，所述运算模块，具体用于：当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计值为：

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间。

进一步地，所述运算模块，具体用于：当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计值为：

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间

进一步地，所述控制模块，具体用于：当物理量为电机电流时，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，通过闭环控制降低转矩电流指令值至小于或等于转矩电流的额定值，以调节电机电流，使得电机电流的当前实际测量值小于或等于额定值。

进一步地，所述控制模块，还用于当确定出的过载累计值不大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值位于预设范围内，其中，所述预设范围为不小于额定值且不大于最大输出值。

本发明提供的电机驱动的动态过载自动降载的控制方法及系统，通过计算确定用于描述电机驱动过载的物理量的过载累计门限值和过载累计值，当过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值，如此，使得电机驱动的输出功率降低，从动态过载状态自动降载。本发明提供的控制方法可以使过载累计值小于或等于过载累计门限值，从而使得电机驱动工作于最大输出能力状态下，当短时动态过载时(即过载累计值大于过载累计门限值时)，通过对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值降低，从而使得电机驱动自动降额进入安全工作边界，保留额定持续驱动能力而不会保护停机。此外，驱动器应用本发明提供的控制方法及系统后，不但具有峰值过载能力，还具有自动降载及自动恢复动态过载的能力，在动感伺服平台等设备上的应用中，避免了用户反复尝试控制指令的加减速等平滑滤波方法或参数，减少了不必要的额外硬件和时间成本。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的电机驱动的动态过载自动降载的控制方法的流程图；

图2为本发明较佳实施例提供的电机驱动的动态过载自动降载的控制原理图；

图3为本发明较佳实施例提供的电机驱动的动态过载自动降载的标幺化处理原理图；

图4为本发明较佳实施例提供的控制系统应用于伺服驱动器的部分原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本发明较佳实施例提供的电机驱动的动态过载自动降载的控制方法的流程图。如图1所示，本发明较佳实施例提供的电机驱动的动态过载自动降载的控制方法包括以下步骤：

步骤11：获取用于描述电机驱动过载的物理量的额定值、过载倍数、过载时间、实际测量值及电机运行时间。

具体而言，过载能力由过载倍数和过载周期两个指标决定。所谓的过载倍数指额定负载的百分比，过载周期指过载倍数的通断周期。因此，过载能力是由系统功率器件硬件决定的，与散热面积、过载倍数的允许条件有关，而与电机控制无关。可见，用于描述电机驱动过载的物理量的过载倍数及过载时间由电机及驱动器硬件确定。物理量的额定值根据电机设备的设置确定。此外，物理量的实际测量值在电机实际运行过程中检测得到，电机运行时间根据电机实际运行情况确定。

步骤12：根据获取的额定值、过载倍数以及过载时间，确定物理量的过载累计门限值，并根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值。

本步骤中，确定物理量的过载累计门限值为：(n-1)·p₀·T_d，

其中，p₀表示物理量的额定值，n为过载倍数，T_d为过载时间。

本步骤中，确定物理量的过载累计值为：

其中，OL表示物理量的过载累计值，p₀表示物理量的额定值，p表示物理量的实际测量值，T表示电机运行时间。

于本步骤之后，该方法还包括：当所述过载累计值小于零时，对所述过载累计值进行归零处理。换而言之，若过载累计值OL小于零，则将过载累计值OL归零，从而保证过载累计值是一个非负量。

于第一实施例中，当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，I_r^p_a^u_te为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

于第一实施例中，当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{\Σ}[\frac{{(i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2}{2}-{(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2]\·T\mathrm{mod},$

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间。

于第二实施例中，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计门限值为：

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值。

于第二实施例中，当物理量为电机电流时，所述确定物理量的过载累计值为：

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数(k)，Tmod为采样时间。

步骤13：当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值。

在本步骤中，过载累计值大于过载累计门限值即为OL大于(n-1)·p₀·_dT。

于第一实施例中，当物理量为电机电流时，过载累计值大于过载累计门限值，即为式3.1成立：

$\mathrm{\Σ}[\frac{{(i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2}{2}-{(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2]\·T\mathrm{mod}>(n-1){(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2\·T_d$ (式3.1)

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数(其中，k>＝1)，n为过载倍数，T_d为过载时间，Tmod为采样时间。

具体而言，定义电机电流额定值为I_rate，定义电机电流额定峰值作为电机电流基值，即：则电流标幺化形式的过程如下：

$I_{\mathrm{rate}}^2=\frac{I_b^2}{2}\⇒{\left(I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\right)}^2={\left(\frac{I_{\mathrm{rate}}}{I_b}\right)}^2=\frac{1}{2}$

即，电机电流额定值的标幺值

因此，式3.1最后可等效为式3.2：

$\mathrm{\Σ}[{\left(i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}\right)}^2-k^2]>k^2\·\frac{(n-1)\·T_d}{T\mathrm{mod}}$ (式3.2)。

于此，当式3.2成立时，电机驱动处于电流热过载状态。

于第二实施例中，当物理量为电机电流时，过载累计值大于过载累计门限值，即为式4.1成立：

$\mathrm{\Σ}[\frac{i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}}{\sqrt{2}}\·I_b-k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b]\·T\mathrm{mod}>(n-1)(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)\·T_d$ (式4.1)

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数(其中，k>＝1)，n为过载倍数，T_d为过载时间，Tmod为采样时间。

具体而言，定义电机电流额定值为I_rate，定义电机电流额定峰值作为电机电流基值，即：则电流标幺化形式的过程如下：

$I_{\mathrm{rate}}^2=\frac{I_b^2}{2}\⇒{\left(I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\right)}^2={\left(\frac{I_{\mathrm{rate}}}{I_b}\right)}^2=\frac{1}{2}$

即，电机电流额定值的标幺值

因此，式4.1最后可等效为式4.2：

$\mathrm{\Σ}[i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}-k]>\frac{k\·(n-1)\·T_d}{T\mathrm{mod}}$ (式4.2)

于此，当式4.2成立时，电机驱动处于电流过载状态。

此外，当没有电流检测时，即物理量为非电流时，可以将电流的概念通 过等效换算为电压或其他可知物理量进行过载累计值及过载累计门限值的计算。其中，将电流等效换算为电压或其他可知物理量属于本领域技术人员的公知技术，具体实现并不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

另外，于本实施例中，当确定出的过载累计值不大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值位于预设范围内，其中，所述预设范围为不小于额定值且不大于最大输出值。

举例而言，当物理量为电机电流时，当确定出的过载累计值不大于过载累计门限值时，通过闭环控制使得电机电流的当前实际测量值位于预设范围内，其中，预设范围例如为不小于额定值(作为最小值)且不大于电机电流最大输出值(作为最大值)。其中，最小值亦可通过参数进行设定。

本步骤中，当物理量为电机电流时，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，通过闭环控制降低转矩电流指令值至小于或等于转矩电流的额定值，以调节电机电流，使得电机电流的当前实际测量值小于或等于额定值。

具体而言，以电流热过载状态为例，当电机电流的过载累计值大于过载累计门限值时(即式3.2成立时)，根据设置的比例积分(PI)控制参数对过载累计门限值与过载累计值的差值进行比例和积分处理得到控制数据，由于电机电流的转矩电流分量对电机过载产生关键影响，因此，根据该控制数据对电机电流的转矩电流分量进行调节(如降低转矩电流指令值)，在电机驱动电路中，转矩电流分量的降低会影响电机电流的实际测量值，使得电机电流的实际测量值降低，从而自动使得电机驱动的输出功率降低，以实现自动降载的效果。于此，转矩电流分量的最小电流值例如为小于或等于额定电流值的电流值。一旦电机发生超载，通过比例积分控制获得的控制数据可将转矩电流分量降低至最小电流值进行工作。其中，设置不同的PI控制参数(如比例系数及积分时间常数)，动态过载自动降载的电流过程会有不同的平滑过程。于此，设置不同PI控制参数，使得输出信号具有不同的平滑效果，属于本领域技术人员的惯用技术手段，具体实现并不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

另外，当物理量为非电流时，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，可通过闭环调节该物理量，以使得电机驱动的输出功率降低，以实现 自动降载的效果。然而，本发明对此并不限定。于实际应用中，可根据实际情况确定需要闭环调节的物理量。

此外，本发明较佳实施例还提供一种电机驱动的动态过载自动降载的控制系统，包括：

数据获取模块，用于获取用于描述电机驱动过载的物理量的额定值、过载倍数、过载时间、实际测量值及电机运行时间；

运算模块，用于根据获取的额定值、过载倍数以及过载时间，确定物理量的过载累计门限值，并根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间，确定物理量的过载累计值；

控制模块，用于当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值小于或等于额定值。

于本实施例中，运算模块，具体用于：

确定物理量的过载累计门限值为：(n-1)·p₀·T_d，

其中，p₀表示物理量的额定值，n为过载倍数，T_d为过载时间；

确定物理量的过载累计值为：

其中，OL表示物理量的过载累计值，p₀表示物理量的额定值，p表示物理量的实际测量值，T表示电机运行时间。

于一实施例中，运算模块，具体用于：

当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计门限值为：

$(n-1){(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2\·T_d,$

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值；

当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{\Σ}[\frac{{(i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2}{2}-{(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2]\·T\mathrm{mod},$

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标 幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数，Tmod为采样时间。

于另一实施例中，运算模块，具体用于：

当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计门限值为：

$(n-1){(k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b)}^2\·T_d,$

其中，n为过载倍数，T_d为过载时间，k为超载使用系数，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值；

当物理量为电机电流时，确定物理量的过载累计值为：

$\mathrm{\Σ}[\frac{i_{\mathrm{mag}}^{\mathrm{pu}}}{\sqrt{2}}\·I_b-k\·I_{\mathrm{rate}}^{\mathrm{pu}}\·I_b]\·T\mathrm{mod},$

其中，为电机电流矢量的幅值的标幺值，为电机电流额定值的标幺值，I_b为电机电流基值，k为超载使用系数(k)，Tmod为采样时间。

于一较佳实施例中，上述系统还包括处理模块，用于在运算模块根据获取的额定值、实际测量值及电机运行时间确定过载累计值之后，当过载累计值小于零时，对所述过载累计值进行归零处理。

于一较佳实施例中，控制模块，具体用于：当物理量为电机电流时，当确定出的过载累计值大于过载累计门限值时，通过闭环控制降低转矩电流指令值至小于或等于转矩电流的额定值，以调节电机电流，使得电机电流的当前实际测量值小于或等于额定值。

于一较佳实施例中，控制模块，还用于当确定出的过载累计值不大于过载累计门限值时，对物理量进行闭环调节，使得当前实际测量值位于预设范围内，其中，所述预设范围为不小于额定值且不大于最大输出值。

如图2所示，以电流热过载的处理为例，于此，运算模块例如包括积分器，积分器用于确定过载累计值，处理模块例如为归零处理器，用于当过载累计值为负数时进行取零处理。控制模块例如为比例积分PI控制器，用于根据确定出的过载累计值和过载累计门限值，调节转矩电流分量。其中，转矩电流分量的最大电流值例如为电机正常工作的最大输出值，最小电流值例如为小于或等于额定电流值的电流值。关于比例积分PI调节同上述方法步骤13所述，故于此不再赘述。其中，当比例积分控制参数的比例增益和积 分增益很大时，PI控制器可等效为邦邦(Bang-Bang)控制器，即采用Bang-Bang控制代替PI控制。关于Bang-Bang控制的具体设置，属于本领域技术人员的惯用技术手段，具体实现并不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

于实际应用中，可将图2所示的过程进行标幺化处理等效为图3所示的过程，以便于实际应用实现。如图3所示，于此，运算模块例如包括积分器与标幺处理器，积分器用于确定过载累计值，标幺处理器用于对确定的过载累计值进行标幺化计算，得到过载累计值的标幺值。

此外，关于本发明较佳实施例提供的系统具体操作过程同上述方法所述，故于此不再赘述。

图4所示为本发明较佳实施例提供的控制系统应用于伺服驱动器的部分原理框图。其中，应用所述控制系统的伺服驱动器采用双核数字信号处理(DSP)的快速电流环浮点CLA内核处理实现全浮点的数字化矢量控制，且具有良好的动态跟随性。如图4所示，电机电流采样后，通过Clarke和Park变换到同步坐标上，经处理后得到电流矢量的幅值i_mag。过载自动降载控制系统用于根据得到的电流矢量的幅值i_mag进行过载自动降载处理，其内部原理如图2或图3所示。过载限制模块用于根据过载自动降载控制系统的输出对转矩电流命令值进行幅值限制，该限制包括正负两个方向。通过对转矩电流值的限制，调节电流矢量的幅值i_mag，实现对电机电流的过载累计值的闭环调节，自动降低伺服驱动的输出功率，以实现自动降载的效果。其中，在图4中，过载限制模块的输出经逆Park变换、空间矢量脉宽调制至电压源型逆变器，及电机电流采样后通过Clarke和Park变换得到电流矢量的幅值i_mag的电路部分，属于本领域技术人员的现有技术手段，具体实现并不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。

如此，该伺服驱动器应用本发明提供的控制系统后，不但具有峰值过载能力，还具有自动降载及自动恢复过载的能力，在动感伺服平台等设备上的应用中，避免了用户反复尝试控制指令的加减速等平滑滤波方法或参数，减少了不必要的额外硬件和时间成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发 明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。