具体实施方式

下面结合附图，对本说明书提供的方案进行描述。

本发明提供一种永磁同步电机驱动系统的母线电容容量监测方法，如图2所示，该方法包括如下步骤S100～S400：

S100、预先标定永磁同步电机在额定转速下预设比值与母线电容容量之间的曲线关系，并在所述曲线关系中确定所述母线电容的不同减少程度各自对应的容量区间；

其中，所述不同减少程度对所述永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响严重程度不同；所述预设比值为母线电压最小值与母线电压峰值之间的比值。

可理解的是，母线电容容量减少的越多，对永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响越严重。母线电容容量的减少程度可以分为轻度、中度和重度，相应的，对永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响程度也分为轻度、中度和重度。母线电容容量的轻度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统的性能不受影响，但母线电压的波动会增大，不过也在正常范围内；母线电容容量的中度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统的关键指标将会变差，例如，交流输入电流的谐波变大、永磁同步电机的转矩脉动变大、母线电压的波动变大，且母线电压的波动可能会超出正常范围等。母线电容容量的重度减少，与正常情况相比，永磁同步电机驱动系统会出现过/欠压保护、母线电容损坏(如炸裂)、逆变器的功率器件损坏等。目前没有有效的方法能够对轻度减少、中度减少进行预判，只有明确的故障出现后(例如，电容炸裂、频繁出现过/欠压保护等)，经过测量母线电容的容量，才会发现容量减少。

参见图3，两个正弦波形为市电的波形，母线电压公式：u_dc＝|u_ac|(|u_ac|＞U_mx)或U_mx(|u_ac|≤U_mx)，u_ac是市电电压，横轴2Π为一个周期，U_M是母线电压峰值，C_e为永磁同步电机驱动系统中的母线电容的额定容量，K_X为小于1的系数，K_XC_e代表的永磁同步电机驱动系统中的不同母线电容容量(用来表示母线电容在不同减少程度时的容量)，U_mx是永磁同步电机驱动系统中不同母线电容容量对应的母线电压最小值。当K_X为1时，此时母线电容为额定容量C_e，此时一个周期内对应的母线电压波形包括四段，第一段为直线段，第二段为与第一个正弦波重叠的一段曲线，第三段为位于两个正弦波之间的直线段，第四段为与第二个正弦波重叠的一段曲线。当母线电容衰减到K_xC_e时，母线电压波形也类似，只不过随着母线电容容量的减少，母线电压波形的四段均向下移动。从图3中可以看出，母线电压峰值U_M不会变化，等于正弦波的最大幅值，U_mx为直线段和曲线段的交接点的幅值，随着母线电容容量的减少，U_mx会逐渐减小。也就是说，母线电压最小值U_mx与母线电容的容量大小存在一定关系，因此，对于一个确定的永磁同步电机驱动系统，可通过U_mx的高低来判断母线电容的容量变化。

但在实际工况中，市电输入电压发生变化，会导致同一容量的母线电容的U_mx在一定范围内变化。同时，永磁同步电机驱动系统的电机转速也在一定范围变化，也会导致同一容量的母线电容的U_mx在一定范围变化。因此通过U_mx来判断母线电容容量变化趋势的准确度收到市电、电机转速等方面的影响。当市电变化时，U_M和U_mx都将随着其趋势变化，为了减小市电变化造成的影响，用U_mx/U_M表示U_mx的变化趋势，即在S100中，采用预设比值来表示U_mx的变化趋势。其次，为了减小负载轻重对U_mx的影响，兼顾到弱磁控制和负载轻重等因素，选择电机的额定转速为测试点转速。通过变频调速技术使电机工作在额定转速，减小电机转速的变化对U_mx的影响。所以在S100中进行预先标定时电机的转速是额定转速。

在具体实施时，S100可以具体包括如下步骤S110～S170：

S110、在市电电压变化区间内选取多个市电电压；根据所述永磁同步电机驱动系统的母线电容的额定容量和预设容量减小步长，选取多个电容；

可理解的是，由于市电电压是有一定的变化范围的，例如，在220v的上下10％内浮动，因此需要在市电电压变化区间内选取多个电压值，例如，187v/50Hz、220v/50Hz、242v/50Hz这三个电压/频率，其中频率是相同的。

可理解的是，在预先标定阶段，可以采用多个不同容量的电容来表示母线电容的不同容量减少程度。例如，额定容量为C_e，以10％C_e为预设容量减小步长，则可以选择的多个电容的容量分别为：C_e、90％C_e、80％C_e、70％C_e、60％C_e、50％C_e、40％C_e、30％C_e、20％C_e、10％C_e。

S120、在所述多个市电电压中的每一个市电电压下，将所述永磁同步电机的转速控制在所述额定转速，并将所述多个电容中按照电容容量从高到低的顺序更换所述永磁同步电机驱动系统的母线电容；

S130、在所述母线电容替换为所述多个电容中的任意一个电容后，监测所述永磁同步电机驱动系统的多个运行指标，并在任一运行指标超出其预设指标标准时，记录当前的母线电压最小值和当前电容的容量；

例如，在187v/50Hz下将电机转速调节至额定转速，然后将容量为C_e的电容替换母线电容，因此不确定此时母线电容是否有衰减。对永磁同步电机驱动系统的多个运行指标进行监测，以确定运行指标是否有变化，并记录相关的数据，例如发生变化的指标、该指标发生何种变化、该指标发生变化时的电容以及当前的母线电压最小值。然后将容量为90％C_e的电容替换母线电容，并进行指标监测和数据记录等。接着将容量为80％C_e的电容替换母线电容，并进行指标监测和数据记录等。依次类推，直到所有的电容都替换完成。接着，在220v/50Hz下将电机转速调节至额定转速，重复执行上述过程。最后，242v/50Hz下将电机转速调节至额定转速，重复执行上述过程。

S140、在同一电容下，对所述多个市电电压下相同运行指标发生相同变化时分别记录的多个母线电压最小值求平均，得到该电容对应的母线电压平均最小值；

例如，针对70％C_e的电容，187v/50Hz、220v/50Hz、242v/50Hz下永磁同步电机的振动幅值超出预设范围时，将在三个电压下记录的三个当前的母线电压最小值求平均值，得到该电容对应的母线电压平均最小值。

S150、计算在所述多个电容分别对应的母线电压平均最小值与所述母线电压峰值之间的比值，得到所述多个电容分别对应的所述预设比值；

例如，分别计算上述10个电容分别对应的母线电压平均最小值与母线电压峰值之间的比值，得到10个预设比值。

S160、根据所述多个电容的容量和所述多个电容分别对应的所述预设比值，确定所述曲线关系；

例如，以预设比值为横轴，以电容容量为纵轴，在图中标出上述10个预设比值与10个电容容量对应的点，进而将各个点用平滑线连接起来，便可以得到如图4所示的曲线关系图。

S170、在采用所述多个电容更换所述母线电容的过程中，根据所述永磁同步电机驱动系统的多个运行指标的变化情况，确定对所述永磁同步电机驱动系统的运行过程产生不同影响严重程度所对应的不同电容容量区间。

在得到曲线关系图后，根据在曲线关系上不同点对应的运行指标的不同变化情况，可知得知此时永磁同步电机驱动系统的运行情况，进而得知不同的电容容量对永磁同步电机驱动系统的影响严重程度，根据不同的影响严重程度，可以确定多个不同容量区间。

在具体实施时，所述多个运行指标中可以包括所述永磁同步电机的振动幅值和市电输入电流谐波；此时，S130可以包括：在所述母线电容替换为所述多个电容中的任意一个电容后，监测所述振动幅值和所述市电输入电流谐波，若所述振动幅值和所述市电输入电流谐波中的至少一个运行指标超出对应的指标标准时，记录当前的母线电压最小值和当前电容的容量，并将所述当前电容的容量作为第一容量区间的下限值，所述第一容量区间的上限值为预设先验值，所述第一容量区间对应的所述影响严重程度为轻度。

也就是说，第一容量区间的上限值为预设先验值，例如，80％C_e，下限值为引起所述振动幅值和所述市电输入电流谐波中的至少一个运行指标超出对应的指标标准时对应的电容容量，例如，70％C_e。当母线电容的容量衰减到第一容量区间内时，会引起所述振动幅值和所述市电输入电流谐波中的至少一个运行指标超出对应的指标标准，其影响程度属于轻度。

在具体实施时，S130还可以具体包括：若所述永磁同步电机驱动系统出现欠电压、过电压、电容炸裂和逆变器损坏中的任意一个，则记录当前的母线电压最小值和当前电容的容量，并将所述当前电容的容量作为第二容量区间的下限值，所述第二容量区间的上限值为所述第一容量区间的下限值，所述第二容量区间对应的所述影响严重程度为中度。

也就是说，第二容量区间的上限值为第一容量区间的下限值，例如，70％C_e，下限值为引起欠电压、过电压、电容炸裂和逆变器损坏中的任意一个时对应的电容容量，例如40％C_e。当母线电容的容量衰减到第二容量区间内时，会引起欠电压、过电压、电容炸裂和逆变器损坏中的任意一个，其影响程度属于中度。

当然，所述电容容量区间还包括第三容量区间和第四容量区间；所述第三容量区间的上限值为所述第二容量区间的下限值，所述第三容量区间的下限值为0，所述第三容量区间对应的所述影响严重程度为重度；所述第四容量区间的上限值为所述额定容量，所述第四容量的下限值为所述预设先验值，所述第四容量区间为所述永磁同步电机驱动系统的正常运行区间。

也就是说，第三容量区间的上限值为第二容量区间的下限值，例如40％C_e，下限值为0。当母线电容的容量衰减到第三容量区间内时，永磁同步电机驱动系统已经不能工作，其影响程度属于重度。

这里还设置了一个第四容量区间，其上限值为述额定容量，下限值为第一容量区间的上限值，第四容量区间为所述永磁同步电机驱动系统的正常运行区间，因此第四容量区间为母线电容容量的正常浮动区间。

参见图4，曲线OA段对应第四容量区间，此区间内永磁同步电机驱动系统的运行不受影响；AB段对应第一容量区间，对永磁同步电机驱动系统的影响程度为轻度；BC段对应第二容量区间，对永磁同步电机驱动系统的影响程度为中度；C点及以下对应第三容量区间，对永磁同步电机驱动系统的影响程度为重度，此时永磁同步电机驱动系统出现比较严重的故障，不能工作，需要立即进行处理。

在具体实施时，针对母线电容容量衰减到不同的容量区间内时需要采取不同的处理措施：(1)母线电容容量在第四容量区间(例如，Ce～80％Ce，即曲线关系的OA段)内，不进行任何处理，系统继续正常运行；(2)母线电容容量在第三容量区间(即C点对应的容量以下)时，需要停止运行，并向上位机报警“母线电容的容量重度减小”；(3)母线电容容量在第一容量区间(例如，80％Ce～70％Ce，即AB段)时，系统正常运行，并向上位机报警“母线电容的容量轻度减小”；(4)母线电容容量在第二容量区间(例如，70％Ce～C点对应的电容量变化，即BC段)，系统正常运行，并向上位机报警“母线电容的容量中度减小”；同时，采用自适应的d-q轴电压补偿控制，以提高系统的稳定性，维持系统运行，其控制框图如图5所示，具体补偿控制过程后文中详细说明。

在具体实施时，将图4中曲线关系、关键点信息(例如，各个容量区间的上、下限值)、以及各个容量区间对应的处理方式均存储至控制单元MCU中。可理解的是，上述S100为准备阶段需要执行的步骤，后续的S200～S400为实际应用阶段的步骤。

S200、在所述永磁同步电机驱动系统的连续工作时长超过预设时长之后，判断所述永磁同步电机的转速与所述额定转速之间的差值的绝对值是否小于预设值；若是，则将所述永磁同步电机的转速调至所述额定转速；

在实际应用场景中，由于母线电容容量的减少是一个缓慢的过程，因此不必在永磁同步电机驱动系统的运行阶段实时进行监测，可以在永磁同步电机驱动系统的连续工作一段时间后决定是否监测。预设时长可以根据需要设置，例如，24小时。

当永磁同步电机驱动系统连续工作超过预设时长后，判断永磁同步电机的转速是否在额定转速附近，如果永磁同步电机的转速不在额定转速的附近，不必强制的将永磁同步电机的转速调节至额定转速，以免影响永磁同步电机驱动系统的正常工作。只有当永磁同步电机的转速在额定转速的附近，即永磁同步电机的转速与所述额定转速之间的差值的绝对值小于预设值时，才将永磁同步电机的转速调节至额定转速，才决定进行容量监测，从而减少容量监测对永磁同步电机驱动系统的正常工作产生影响。

S300、当所述永磁同步电机工作在所述额定转速之后，实时监测当前的母线电压最小值，并实时计算当前的母线电压最小值和所述母线电压峰值之间的当前比值；

S400、根据所述当前比值，在所述曲线关系中确定所述母线电容的当前容量；根据所述当前容量所在的容量区间，确定所述母线电容的减小程度；根据所述减小程度，向上位机发出相应的报警信息，并对所述永磁同步电机驱动系统进行相应的处理。

在永磁同步电机的转速调节至所述额定转速之后，实时监测母线电压最小值，进而计算当前的母线电压最小值与母线电压峰值之间的当前比值。然后在曲线关系中，找到该当前比值对应的当前容量，进而可以确定当前容量所在的容量区间，进而进行相应的处理。

在具体实施时，S400可以包括如下至少一项：

(1)若所述当前容量所在的容量区间为所述第一容量区间，则所述母线电容的减小程度为轻度，向所述上位机发出母线电容容量轻度减少的报警信息，所述永磁同步电机驱动系统继续正常运行；

也就是说，在当前电容在第一容量区间时，母线电压的减少程度较轻，此时永磁同步电机驱动系统继续正常运行，但是需要上位机发出警报信息，以告知上位机此时母线电容容量轻度减少。

(2)若所述当前容量所在的容量区间欸所述第二容量区间，则所述母线电容的减少程度为中度，向所述上位机发出母线电容容量中度减少的报警信息，并对所述永磁同步电机驱动系统通过d/q轴电压进行补偿控制；

也就是说，在当前容量处于第二容量区间时，需要进行电压补偿控制，且需要上位机发出警报信息，以告知上位机此时母线电容容量中度减少。

(3)若所述当前容量在的容量区间欸所述第三容量区间，则所述母线电容的减少程度为重度，向所述上位机发出母线电容容量重度减少的报警信息，并控制所述永磁同步电机驱动系统停止运行。

也就是说，在当前容量处于第三容量区间时，需要上位机发出警报信息，以告知上位机此时母线电容容量重度减少，且控制永磁同步电机驱动系统停止运行。

在具体实施时，参见图5，上述对所述永磁同步电机驱动系统通过d/q轴电压进行补偿控制的过程可以包括如下步骤：

S410、计算所述母线电压峰值和所述母线电压最小值之间的差值，并对所述差值进行PR调节，对PR调节得到的数据进行解耦得到q轴调节电压值和d轴调节电压值

其中，PR调节是指利用比例谐振调节器进行调节。

S420、确定q轴电流命令值和d轴电流命令值对所述q轴电流命令值和所述d轴电流命令值分别进行PI调节后得到q轴电压输出值u_q和d轴电压输出值u_d，并将所述q轴电压输出值u_q与所述q轴调节电压值做差，得到q轴电压命令值将所述d轴电压输出值u_d与所述d轴调节电压值做差，得到d轴电压命令值

S430、通过所述q轴电压命令值和所述d轴电压命令值对所述永磁同步电机驱动系统进行电压控制。

也就是说，将通过PR调节后得到的输出信号解耦到d/q轴输出电压信号上，这样可以使永磁同步电机的矢量控制给定的母线电压快速跟踪实际的母线电压，从而提高永磁同步电机驱动系统的稳定控制能力。

可见，在上述过程中开启了弱磁控制，为了控制弱磁状态的进入和退出，以及对弱磁状态快速稳定的控制，S410之前，所述方法还包括：

S405、确定逆变器的最大输出电压值，计算所述逆变器的当前输出电压的平方，所述当前输出电压的平方为当前d轴电压和当前q轴电压的平方和；根据所述逆变器的最大输出电压值，计算弱磁电压阈值的平方；判断所述当前输出电压的平方是否大于等于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则开启弱磁，d轴电流进入弱磁状态，允许执行S410的步骤；

其中，可以采用第一公式计算所述最大输出电压值，所述第一公式包括：

式中，V_max为所述最大输出电压值，V_DC为所述逆变器的母线电压。

其中，可以采用如下公式计算弱磁电压阈值的平方：

式中，为所述弱磁电压阈值的平方，V_max为所述最大输出电压值，α为弱磁电压系数。通过调节该系统，可以决定进入或退出弱磁状态的时间长短，从而可以实现快速的进入或退出弱磁状态。

对应的，S410具体包括：在通过所述q轴电压命令值和所述d轴电压命令值对所述永磁同步电机驱动系统进行电压控制的过程中，根据所述弱磁电压阈值的平方和所述d轴电压命令值，计算q轴电压最大值；判断所述q轴电压命令值是否大于所述q轴电压最大值；若是，则将所述q轴电压最大值作为所述q轴电压命令值，否则保持所述q轴电压命令值不变；并实时判断所述逆变器的当前输出电压的平方是否小于所述弱磁电压阈值的平方；若是，则退出弱磁状态，并将d轴电流命令值设置为0，停止通过所述q轴电压命令值和所述d轴电压命令值对所述永磁同步电机驱动系统进行电压控制。

其中，可以采用第二公式计算计算所述q轴电压最大值，所述第二公式包括：

式中，V_qmax为所述q轴电压最大值，为所述d轴电压命令值的平方，为所述弱磁电压阈值的平方。

可见，在这个过程中，通过所述弱磁电压阈值的平方判断是否进入或退出弱磁状态，并且在弱磁状态中，通过所述d轴电压命令值计算q轴电压最大值，通过q轴电压最大值对q轴电压命令值进行限制，即通过d轴电压来压制q轴电压，以免q轴电压命令值过高，实现对弱磁状态的稳定控制。

本发明提供的永磁同步电机驱动系统的母线电容容量监测方法，预先对预设比值和母线电容容量之间的曲线关系进行标定，确定不同的容量区间对永磁同步电机驱动系统的运行过程的影响程度，其中预设比值为母线电压最小值与母线电压峰值之间的比值，即采用母线电压最小值与母线电压峰值之间的比值来代表母线电压最小值的变化趋势，从而减少市电变化等因素对母线电压最小值的影响。并且在标定过程中电机保持额定转速，也可以减少电机转速的变化对母线电压最小值的影响。在标定好相关数据后，在实际应用场景中，电机连续工作一段时间后，在判断电机转速是否在额定转速附近，只有当电机转速在电机转速附近时才将电机转速调至额定转速，以减少母线电容的监测过程对电机的正常工作产生影响。监测当前的母线电压最小值，计算出当前比值，进而在之前标定的曲线关系中确定对应的当前容量，从而确定母线电容对应的容量区间，从而得知母线电容的减少程度以及会对永磁同步电机驱动系统产生何种程度的影响，进而进行相应的处理和发出相应的报警信息。本发明不仅可以区分母线电容的重度减少，而且对于轻度减少和中度减少也可以区分开来，这样可以在对永磁同步电机驱动系统发生损坏之前进行相应的处理，例如，在发生重度减少之前，申报维修，对母线电容进行更换，以免母线电容进入到重度减少的容量区间后，使永磁同步电机驱动系统发生故障。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、挂件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。