本發明涉及永磁同步電機控制技術領域，特別是涉及一種永磁同步電機防退磁控制系統、方法及無人飛行器。

背景技術：

永磁同步電機由于具備功率密度高、體積小、不需要勵磁、功率因素高以及位置控制精度高等優點，在高性能控制系統中得到了越來越廣泛的應用。

然而，因高溫和大電流所引起的電樞反應、短路故障、過載運行或瞬時過負荷運行等情形，都將產生大于額定電流數倍的大電流，而所述大電流將在電樞中產生較大的去磁磁動勢，從而使永磁體產生局部退磁或者全部退磁的可能。而且，永磁同步電機受運行環境散熱條件的限制，使永磁體運行時溫度進一步升高，超過了永磁體的工作溫度，增加了永磁體產生退磁故障的可能。進一步地，在永磁體發生部分退磁時，為了滿足負荷運行的需求，需要增加定子電流，形成較大的退磁磁勢，然而定子電流的增加將會進一步使永磁同步電機的溫度升高，從而進一步使永磁體失磁，形成一個惡性循環，使永磁體可能會產生不可逆退磁的嚴重后果。

技術實現要素：

本發明實施方式主要解決的技術問題是提供一種永磁同步電機的防退磁控制系統、方法及無人飛行器，其能夠預防永磁同步電機產生退磁。

為解決上述技術問題，本發明實施方式采用的一個技術方案是：提供一種永磁同步電機的防退磁控制系統，包括電流檢測模塊、電壓調節器和控制器，所述控制器與所述永磁同步電機電連接，所述電流檢測模塊和所述電壓調節器分別與所述控制器電連接，所述電流檢測模塊與所述電壓調節器通信連接；

所述電流檢測模塊用于檢測控制器中的電流峰值；

所述電壓調節器用于根據所述電流峰值，對給定q軸電壓進行調制；

所述控制器用于根據調制后的給定q軸電壓控制輸出電流，進而驅動所述永磁同步電機運行。

在其中一些實施方式中，所述控制器包括信號處理單元和逆變器，所述電流檢測模塊與所述逆變器的輸出端電連接，所述電壓調節器的輸出端與所述信號處理單元的輸入端電連接。

在其中一些實施方式中，經過標幺化處理后，所述給定q軸電壓的大小與所述永磁同步電機的給定轉速的大小相等。

在其中一些實施方式中，所述電流檢測模塊包括比較單元，所述比較單元用于將所述電流峰值與預設于所述比較單元中的電流最大值進行比較。

本發明實施方式還提供一種永磁同步電機的防退磁控制方法，包括：

輸入給定q軸電壓；

檢測電流峰值，并根據所述電流峰值與預設的電流最大值的比較結果調制所述給定q軸電壓；

根據調制后的調制給定q軸電壓驅動永磁同步電機。

在其中一些實施方式中，經過標幺化處理后，所述給定q軸電壓的大小與所述永磁同步電機的給定轉速的大小相等。

在其中一些實施方式中，輸入給定q軸電壓后，還包括增加所述給定q軸電壓的步長。

在其中一些實施方式中，所述方法進一步包括：

檢測所述電流峰值是否達到電流最大值的80％；若否，輸出所述給定q軸電壓；若是，降低所述給定q軸電壓的步長。

在其中一些實施方式中，所述方法進一步包括：

檢測所述電流峰值是否達到電流最大值的100％；若否，輸出所述給定q軸電壓；若是，減小所述給定q軸電壓。

在其中一些實施方式中，所述方法進一步包括：

檢測所述電流峰值是否達到電流最大值的80％；若否，輸出所述給定q軸電壓；若是，降低所述給定q軸電壓的步長；

繼續檢測所述電流峰值是否達到電流最大值的100％；若否，輸出所述給定q軸電壓；若是，減小所述給定q軸電壓。

本發明實施方式還提供一種無人飛行器，包括機身和安裝于所述機身上的永磁同步電機組件，所述永磁同步電機組件包括如上述中任一項所述的永磁同步電機的防退磁控制系統。

本發明實施方式的有益效果是：本發明的永磁同步電機的防退磁控制系統，通過電流檢測模塊檢測電流峰值，再通過電壓調節器根據電流峰值對給定q軸電壓進行調制，控制器根據調制后的調制q軸電壓控制輸出電流，從而使輸入永磁同步電機中的電流處于安全閾值以下，進而防止了永磁同步電機產生退磁。

附圖說明

圖1是本發明實施方式的永磁同步電機的防退磁控制系統的方框示意圖。

圖2是圖1所示的防退磁控制系統的一具體實施方式的矢量控制方框示意圖。

圖3是本發明實施方式的永磁同步電機的防退磁方法流程圖。

圖4是圖3所示的永磁同步電機的防退磁方法的一具體實施方式的流程圖。

圖5是現有技術的永磁同步電機的控制系統的實驗結果圖。

圖6是本發明實施方式的永磁同步電機的防退磁控制系統的實驗結果圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

需要說明的是，當一個元件被稱為“電連接”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“電連接”另一個元件，它可以是接觸連接，例如，可以是導線連接的方式，也可以是非接觸式連接，例如，可以是非接觸式耦合的方式。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發明。

下面結合附圖，對本發明的一些實施方式作詳細說明。在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

圖1示出了本發明實施方式的永磁同步電機100的防退磁控制系統的方框示意圖，所述防退磁控制系統包括電流檢測模塊200、電壓調節器300和控制器400。電流檢測模塊200用于檢測控制器400中的電流峰值。電壓調節器300用于根據電流檢測模塊200所檢測的電流峰值，對給定q軸電壓進行調制，并將調制給定q軸電壓輸出至控制器400中。控制器400用于根據調制給定q軸電壓控制輸出電流，進而驅動永磁同步電機100安全運行。

本發明實施方式的永磁同步電機100的防退磁控制系統通過檢測電流峰值，以調整q軸給定電壓，從而使永磁同步電機100中的電流處于安全閾值以下，進而防止了永磁同步電機100產生退磁的可能。

請同時參閱圖2，為永磁同步電機100的矢量控制方框示意圖。控制器400包括坐標變換單元401、控制單元403、信號處理單元405以及逆變器407。逆變器407的輸出端與永磁同步電機100的輸入端連接，坐標變換單元401的輸入端連接在逆變器407和永磁同步電機100之間，坐標變換單元401的輸出端與控制單元403的輸入端連接，控制單元403的輸出端與信號處理單元405的輸入端連接，信號處理單元405的輸入端與逆變器407的輸入端連接。

在進一步描述永磁同步電機100的控制系統的工作過程之前，值得說明的是，本發明實施方式中，永磁同步電機100的控制系統需要預先進行標幺化處理，以使采用標幺值表示的形式與實際值表示的形式一致。本發明實施方式中，優選永磁同步電機100的額定電壓和額定電流作為永磁同步電機100的控制系統的基準值進行標幺化，其他物理量均可由所述兩個基準值推算出來。

坐標變換單元401用于將永磁同步電機100的三相定子電流I_a、I_b和I_c轉換成d-q同步旋轉坐標系下的定子電流I_d和I_q。具體來說，坐標變換單元401包括用于將三相定子電流I_a、I_b和I_c轉換到αβ兩相靜止坐標系下的定子電流I_α和I_β的變換，即Clarke變換4011，以及用于將定子電流I_α和I_β轉換到d-q同步旋轉坐標系下的定子電流I_d和I_q的變換，即Park變換4012。

控制單元403用于根據給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d計算輸出給定d軸電壓U_dref，即控制單元403包括一個電流環。本發明實施方式中，控制單元403包括減法器4031和電流環積分分離PI調節器4032。具體來說，首先，上位系統輸入給定定子電流I_dref至減法器4031，同時坐標變換單元401輸出實際定子電流I_d至減法器4031；其次，減法器4031根據給定定子電流I_dref和實際定子電流I_d得出的差值；再其次，減法器4031將所述差值輸出至電流環積分分離PI調節器4032，電流環積分分離PI調節器4032對所述差值進行比例、積分計算，得到所述給定d軸電壓U_dref。本發明實施方式中，給定定子電流I_dref＝0。本發明中的術語“上位系統”是指與永磁同步電機100的控制系統通信連接的其他系統，例如數字信息處理系統。

信號處理單元405用于根據控制單元403輸出的所述給定d軸電壓U_dref和經電壓調節器300調制后輸出的調制給定q軸電壓U_qref處理調制成控制信號。本發明實施方式中，信號處理單元405包括PARK逆變換單元4051和空間矢量調制器4052。具體來說，首先，PARK逆變換單元4051將所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref轉換成αβ兩相靜上坐標系下的電壓分量U_α和U_β；其次，PARK逆變換單元4051將電壓分量U_α和U_β輸出至空間矢量調制器4052，空間矢量調制器4052對所述電壓分量U_α和U_β計算處理，輸出脈寬控制信號。可以理解的是，信號處理單元405也可以僅包括空間矢量調制器4052，也就是說，所述給定d軸電壓U_dref和所述給定q軸電壓U_qref直接輸入空間矢量調制器4052，并由空間矢量調制器4052計算處理，輸出脈寬控制信號。

逆變器407用于根據信號處理單元405輸出的控制信號，得到控制定子三相對稱繞組的實際電流，驅動永磁同步電機100運行。

電流檢測模塊200與逆變器407的輸出端電連接，用于檢測輸入至永磁同步電機100的電流峰值。電流檢測模塊200還包括比較單元，所述比較器用于將檢測到的電流峰值與在電流檢測模塊200中預設的電流最大值進行比較，然后將所述電流峰值與所述電流最大值的比較結果輸出至電壓調節器300。電流檢測模塊200可以采用采樣電阻、電流傳感器或者電流互感器等方法對電流峰值進行檢測。本發明實施方式中，電流檢測模塊200優選采用電流傳感器對電流峰值進行檢測。可以理解的是，電流檢測模塊200的輸出端可以與電壓調節器300電連接，以使電流檢測模塊200的比較結果可以輸出至電壓調節器300；或者電流檢測模塊200可以與電壓調節器300通過無線通信連接，以使電流檢測模塊200的比較結果通過無線通信傳輸至電壓調節器300。

電壓調節器300的輸入端輸入給定q軸電壓U_qref，電壓調節器300的輸出端與信號處理單元405的輸入端電連接，電壓調節器300用于根據電流檢測模塊200輸出的所述電流峰值與所述電流最大值的比較結果，對給定q軸電壓U_qref進行調制，得到調制給定q軸電壓U_qref，再將所述調制給定q軸電壓U_qref輸出至信號處理單元405。本發明實施方式中，輸入至電壓調節器300的給定q軸電壓U_qref的大小與永磁同步電機100的給定轉速ω_ref的大小相等。

本發明實施方式中，當電流檢測模塊200檢測到的所述電流峰值小于所述電流最大值的80％時，電壓調節器300不對給定q軸電壓U_qref進行調制，即電壓調節器300輸出的調制給定q軸電壓U_qref與輸入電壓調節器300的給定q軸電壓U_qref相同；當電流檢測模塊200檢測到的所述電流峰值大于或等于所述電流最大值的80％，且小于所述電流最大值的100％時，電壓調節器300對給定q軸電壓U_qref進行調制，降低所述給定q軸電壓U_qref的步長；當電流檢測模塊200檢測到的所述電流峰值大于或等于所述電流最大值的100％時，電壓調節器300對給定q軸電壓U_qref進行調制，先降低所述給定q軸電壓U_qref的步長，再減小所述給定q軸電壓U_qref的值。

可以理解的是，電流檢測模塊200中設置的電流峰值與電流最大值的比較值標準不局限于80％和100％，也就是說，可以根據永磁同步電機不同的控制需求，設置電流檢測模塊200中電流峰值與電流最大值的比較值的標準，例如，電流峰值與電流最大值的比較值的標準可以為70％或者75％等。同樣可以理解的是，電流檢測模塊200中設置的電流峰值與電流最大值的比較值標準也不局限于80％和100％兩個標準值，根據不同的控制需求，可以僅設置一個電流峰值與電流最大值的比較值標準，當電流峰值與電流最大值的比較值起過所述標準時，直接減小給定q軸電壓U_qref的值；或者還可以設置三個或三個以上的電流峰值與電流最大值的比較值標準，實現對給定q軸電壓U_qref進行更精確地調制。

可以理解的是，電流檢測模塊200也可以不包括比較單元，也就是說，電流檢測模塊200可以僅用于檢測電流峰值，并輸出所述電流峰值至預設有電流最大值的外置比較單元，所述比較單元將所述電流峰值和所述電流最大值進行比較，輸出比較值至電壓調節器300。還可以理解的是，所述比較單元可以設置于電壓調節器300中，也就是說，所述電流峰值和所述電流最大值的比較可以在電壓調節器300中進行。

本發明的永磁同步電機100的防退磁控制系統，通過電流檢測模塊200實時檢測電流峰值，并將所述電流峰值與所述電流最大值進行比較；再通過電壓調節器300根據所述電流峰值與所述電流最大值的比較結果對給定q軸電壓U_qref進行調制，并將調制給定q軸電壓U_qref輸出至控制器400，控制器400根據調制給定q軸電壓U_qref輸出電流，從而使輸入永磁同步電機100中的電流一直處于安全閾值以下，進而防止了永磁同步電機100產生退磁。

請參閱圖3，本發明實施方式還提供一種采用上述永磁同步電機100的防退磁控制系統的防退磁方法，包括：

S11：輸入給定q軸電壓U_qref。

本發明實施方式中，輸入給定q軸電壓U_qref至電壓調節器300中。

S12：檢測電流峰值，并根據所述電流峰值與預設的電流最大值的比較結果調制所述給定q軸電壓U_qref。

本發明實施方式中，通過電流檢測模塊200實時檢測電流峰值，并將所述電流峰值與預設于電流檢測模塊200中的電流最大值進行比較，得到比較值。可以理解的是，所述電流最大值也可以不是預設于電流檢測模塊200中，也就是說，電流檢測模塊200可以僅用于檢測電流峰值，并輸出所述電流峰值至預設有電流最大值的比較模塊，所述比較模塊將所述電流峰值和所述電流最大值進行比較，輸出比較值至電壓調節器300。還可以理解的是，所述比較模塊可以設置于電壓調節器300中，也就是說，所述電流峰值和所述電流最大值的比較可以在電壓調節器300中進行。

S13：根據調制后的調制給定q軸電壓U_qref驅動永磁同步電機100。

本發明實施方式中，所述調制給定q軸電壓U_qref輸入至控制器400，控制器400根據所述調制給定q軸電壓U_qref控制輸出電流，從而驅動永磁同步電機100。

本發明的永磁同步電機100的防退磁方法中，通過檢測到的電流峰值與電流最大值的比較，對給定q軸電壓U_qref進行調制，并通過調制給定q軸電壓U_qref控制輸入到永磁同步電機100的電流大小，使輸入永磁同步電機100中的電流一直處于安全閾值以下，進而防止了永磁同步電機100產生退磁。

請參閱圖4，為上述永磁同步電機100的防退磁方法的一個具體實施方式，具體包括以下步驟：

S21，輸入給定q軸電壓U_qref；

本發明實施方式中，輸入給定q軸電壓U_qref至電壓調節器300中，并且輸入至電壓調節器300的給定q軸電壓U_qref的大小與永磁同步電機100的給定轉速ω_ref的大小相等。

S22，增加在S21中給定q軸電壓U_qref的步長；

本步驟S22中，增加給定q軸電壓U_qref的步長，以使永磁同步電機100的控制系統可以快速響應。

S23，檢測電流峰值是否達到電流最大值的80％；若否，輸出步驟S22中的給定q軸電壓U_qref至步驟S27；若是，繼續步驟S24；

本發明實施方式中，通過電流檢測模塊200實時檢測電流峰值，并將所述電流峰值與預設于電流檢測模塊200中的電流最大值進行比較，得到比較值。可以理解的是，步驟S23中，電流峰值與電流最大值的比較標準不局限于80％，還可以設定為電流峰值是否達到電流最大值的75％或者70％等其他比例，只需根據永磁同步電機的控制需求進行調整即可。

S24，降低S22中給定q軸電壓U_qref的步長；

S25，檢測電流峰值是否達到電流最大值的100％；若否，輸出S24中的給定q軸電壓U_qref至步驟S27；若是，繼續步驟S26；

可以理解的是，步驟S25中，電流峰值與電流最大值的比較標準不局限于100％，還可以設定為電流峰值是否達到電流最大值的95％或者90％等其他比例，只需根據永磁同步電機的控制需求進行調整即可。

S26，減小S24中給定q軸電壓U_qref；

S27，得到調制給定q軸電壓U_qref，并根據所述調制給定q軸電壓U_qref驅動永磁同步電機100。

可以理解的是，上述防退磁方法的具體實施方式中，步驟S22可以取消，則后續步驟直接對S21中的給定q軸電壓U_qref進行調制。還可以理解的是，步驟S23和S24也可以取消，或者步驟S25和S26也可以取消，也就是說，上述防退磁方法中可以僅對給定q軸電壓U_qref進行一次調制。

請參閱圖5，為現有技術的未包括防退磁控制系統的永磁同步電機的實驗結果。當給定q軸電壓U_qref突變時，實際電流波形500遠遠超過最大電流波形600，此時極易造成永磁同步電機電流過流，從而導致永磁同步電機產生退磁。

請參閱圖6，為采用本發明的防退磁控制系統的永磁同步電機100的實驗結果。當給定q軸電壓U_qref突變時，實際電流波形500一直位于最大電流波形600的范圍內，也即，因為防退磁控制系統的控制，使實際電流不會超過最大電流，永磁同步電機100不會產生電流過流，從而防止了永磁同步電機100產生退磁。

本發明實施方式還提供一種無人飛行器，所述無人飛行器包括機身、安裝于所述機身上的永磁同步電機組件，永磁同步電機組件用于給所述無人飛行器提供動力。永磁同步電機組件包括本發明實施方式的防退磁控制系統。從而所述無人飛行器的永磁同步電機100降低了產生退磁的可能性，保證了所述無人飛行器飛行時的安全。

以上所述僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。