CN102577090A

CN102577090A - 一种控制电动机的方法

Info

Publication number: CN102577090A
Application number: CN2010800347483A
Authority: CN
Inventors: F·迪·桑托; E·马罗迪恩; E·伯托托
Original assignee: Reel SRL
Current assignee: KSB AG
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-06-04
Also published as: CN102577090B; DK2438677T3; BRPI1009618A2; RU2566301C2; WO2010140137A3; WO2010140137A2; US8710776B2; IT1394426B1; US20120119686A1; JP2012529262A; RU2011152792A; ITPD20090165A1; EP2438677A2; EP2438677B1

Abstract

一种通过反相器和矢量技术来控制电动机的方法，其包含以下步骤：检测对电动机产生所需扭矩所必要的正交电流I_q的值；通过作为电动机的扭矩常数所依赖的电流矢量的相的函数的方程，计算要供给电动机的直接电流的值；依据直接电流和正交电流计算所述电动机的供电电流；通过反相器向电动机提供供电电流。

Description

一种控制电动机的方法

技术领域

本发明一般寻求在电动机的电驱动装置领域的应用。

特别地，本发明涉及通过通常装备有反相器的电驱动装置控制电动机。

背景技术

在现代技术中，电动机是各种应用中被最广泛使用的元件。根据特殊的应用类型，很多不同类型的电动机被研发出和使用起来。举例来说，电动机可被归类为同步和异步电动机，或者是DC或AC电动机。

无论如何，越来越感到需要提高这样的电动机的效率。根据以上观点来看，在不同工作时间电动机可以提供可变扭矩这一方面就有很多应用。因此，为了提高效率，当电动机工作于慢运转状态时，通过改变电动机速度来避免能量浪费可能是有用的。

因此，使用了适于调节电动机速度的带有反相器的电驱动装置。

通过所述驱动装置实现的主要电动机控制技术之一是矢量技术，而该技术的一个例子是场定向技术。

简短来说，自从DC电动机被用作模型以来，由于偏置励磁电流与扭矩产生电枢电流之间的显著差别，一般的电动机是通过矢量技术来控制的，而该技术允许将所述供电电流分成两个分量，即，直接(direct)电流和正交(quadrature)电流，而其可类比为DC电流的励磁电流和电枢电流，因此所述电动机可理想地如上所述的模型电动机一样使用。这会最大化任何电动机在各种旋转速度下的扭矩、速度精确度以及效率方面的性能表现。

在矢量控制中，直接电流近似为励磁电流，而正交电流对应于电枢电流。一旦确定了电动机特定的直接电流，通过调节正交电流来控制扭矩产生。

一个典型的例子是同步磁阻电动机，其中，如上所述，直接电流控制可被直接磁通控制所替代。

考虑到场定向矢量技术的例子，在现有技术的电动机的控制中，只有通过将直接电流设定为额定值才能获得准备响应，同时由速度或扭矩调整器设置正交电流。然而，这会影响效率，因为电动机总是以最大能力被供电，甚至是在最小扭矩需求的情况下，即，当电动机可以运转在低速时。换句话说，尽管这种布置在高的运转速度下保持电动机的效率不变，但在低运转速度下效率降低，可能会很大程度地降低。

基于这些原因，已知这样的控制器，其可通过按照负载在电动机的末端调整其电压来改变直接电流。

虽然这样通过降低在低运转速度下对其供应的电流，改进了电动机的效率，但是这种方法仍有缺陷，即，这种控制是以一种间接的，非最佳方式对直接电流进行作用。

进一步地，这是通过在有预定负载的情况下通过提供预定直接电流来获得。这种解决方案显然不是最佳的，特别是在有混合负载的情况下。

换句话说，即使当通过场定向(field orientation)矢量技术来控制现有技术的电动机，以将其类比为DC电动机时，在低运转速度下它们仍会有效率损失，尽管控制涉及正交电流和直接电流两者的改变。

一个特殊的例子是，具有在矢量模式中操作的控制器的电动机，该控制器不带有位置传感器或旋转速度传感器，也被称为无传感器矢量控制。在这种电动机中，这种问题更严重。虽然在高运转速度下，通过反电动势可以测得转子的旋转速度和位置，但是电动机的固有阻抗阻止在低运转速度下使用这种方法。当与反电动势的绝对值相比较时，电压损失导致不可忽视的错误。因此，在低运转速度下，额外的零均值时变电压被增加到供给电压。合适的控制算法，表示电动机反相器组件，如旋转变压器-数字转换器，其中，电动机作为旋转变压器运作，而反相器将所得结果解码为被增加的噪声改变的电压信号，并提供与实际位置和估计位置之间的差大致成比例的数值，增加的信号与反相器的基频分量同时产生。

无论如何，在低运转速度下，这样的被增加的电压导致了电动机中的额外工作，这会导致效率损失。

发明内容

本发明的目的是，通过提供一种用于控制电动机的方法，使得即使在低扭矩设置下也能提高效率，来至少部分地克服上述缺陷。

另一个目的是提供一种用以控制电动机在低运转速度下增加效率的方法，甚至可用在无传感器电动机(即，不具有在工作时用于检测旋转速度和转子位置的传感器的电动机)中。

如随后将更详细地说明的这些以及其它目标，将通过主要权利要求中限定的控制电动机的方法来实现。

特别地，所述方法使用矢量技术和反相器。该方法主要包括以下步骤：

-确定对电动机产生所需的扭矩来说必要的正交电流I_q的值；

-依据方程式计算提供给电动机的直接电流I_d的值：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

-其中，k_t是已知所述电动机的扭矩常数所依据的电流矢量的相位；

-通过所述直接电流I_d和所述正交电流I_q计算所述电动机的供电电流；

-通过所述反相器来为所述电动机提供所述供电电流。

换句话说，直接电流I_d不是恒定的，而是随所述正交电流I_q改变的。这允许按照设计开发的扭矩来最优化提供给所述电动机的供电电流。因此，这样被控制的电动机的效率被最优化。

在本发明的一个方面，电动机的扭矩常数是可在任何负载条件下获得的最大扭矩常数，并在一个特定的步骤中被确定，在该步骤中，所述电动机被特征化为直接电流I_d和正交电流I_q的函数，以获得最大的扭矩常数曲线。

因此，直接电流I_d按照正交电流I_q的变化与最大可获得的扭矩常数相关，即，提供给所述电动机的供电电流的最优化与最大扭矩常数相关。这提供了最大化的电动机效率。

相同目的也通过实现上述方法的电动机控制装置实现。因此，该装置将包括用于为电动机供电的至少一个反相器、以及作用在所述反相器上以控制供给电动机的电力的处理单元。

在本发明的一个方面，处理单元被设计为从直接电流I_d和正交电流I_q计算电源电流，基于所述电动机被设计以控制(即，在制动扭矩的情况下吸收，或在动力扭矩的情况下传递)的机械扭矩值来确定所述正交电流I_q。通过方程式由处理单元来计算直接电流I_d：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

其中，k_t是定义电动机的扭矩常数的电流矢量的相位。

本发明的优选的实施例根据从属权利要求所限定。

例如，所述方法可包括调节直接电流I_d的步骤，其中，所述被用来获得所述供电电流的直接电流值被预定的最小阈值所限制。

所述电动机磁通取决于直接电流I_d，其防止在最小负载下电动机的消磁。

同样地，所述方法可包括调节所述直接电流I_d的附加步骤，其中，后者被预定最大限制值所限制。这防止过度磁通使电动机饱和。

附图说明

通过对于一种用于控制电动机的方法以及一个依据本发明的适于实现所述方法的控制装置的非独有的实施例的一些优选实施例的详细说明(作为非限定性的例子来描述)，本发明的更多的特征和优点将会更加明显：

图1是本发明的方法的示意图；

图2示出了一个功能性的例子，其限定了基于所述供电电流的电动机扭矩最大化点；

图3是本发明的方法的另一示意图；

图4示出了一个表示电动机的附加电源电压的百分比的曲线的例子，所述电压是电动机的运转速度的百分比的函数。

具体实施方式

参考图1，描述了一种用于通过矢量技术和反相器来控制电动机的方法。

如上所述，矢量技术的使用允许控制一个普通的电动机(比如，它是一个DC电动机)，从其得到所有益处。因此，这里描述的本发明将涉及一个普通的电动机，甚至当其被特别地应用于控制同步磁阻电动机时。

这里描述的方法包括第一步骤，用数字1表示，在该步骤中确定正交电流I_q。众所周知，并且在上面已经提到过，该电流对于电动机所产生的机械扭矩负有责任。一旦得知负载和电动机所传递的扭矩，就能确定正交电流I_q。

在下一步，用数字2表示，被提供给电动机的直接电流I_d可由以下方程确定：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

其中，k_t是电流的相位，已知其与此处限定的电动机的扭矩常数相关。

直接电流I_d将在电动机中产生偏置磁通。如上所述，在现有技术中其恒定地保持在一个额定值，或根据与假定施加的负载类型相关的规则改变，这引起电动机效率的损失。在低运转速度下，可响应于实际需求进行最优化，以避免不期望的浪费。进一步地，在突然请求高于预期的扭矩的情况下，所述***并不能正确工作，并且由于缺少到所述电动机的磁通，甚至可能暴露于完全失去控制的风险。

因此，本方法改进所控制的电动机的效率，因为对其提供的直接电流I_d不是恒定的，并且不会根据一个先前估计的规则而改变，而是根据正交电流I_q而改变，即，根据实际的扭矩需求，通过扭矩系数k_t改变。

一旦直接电流I_d和正交电流I_q已知，将要提供给电动机的供电电流就可以确定，如步骤3中所显示的。在最后一步，用数字4表示，所述反相器被控制用以为电动机提供该电流。

在本发明的一个方面，供电电流计算与电动机的类型有关。例如，在异步电动机的情况下，通过直接电流I_d和正交电流I_q的矢量相加来确定供电电流，这可以被类比为具有与预先计算的值相同的模量的两个矢量。

在DC电流的情况下，两个电流值通过转换器被分别供给到电动机。

特别地，在同步磁阻电动机的示例情况下，与异步电动机一样，直接电流I_d直接提供直接磁通，其为本专利的实现的有关参数。

在本发明的另一方面，电动机的扭矩常数K_t具有最大可获得值。这导致了电动机的效率进行进一步优化。因为直接电流I_d和正交电流I_q具有这样的数值，以使得所得到的矢量具有恒定角度，与最大的可获得扭矩常数K_t相对应，所以在操作期间电动机的效率必要地最大化。

在任何情况中，扭矩常数K_t是电动机特定的参数，其是通常在特定的计算步骤中确定。

举例来说，当将到电动机的供电电流视为具有恒定模量的旋转矢量时，最高扭矩所产生的点可沿着这样的电流矢量的圆周轨迹找到。当电流模量增加时，确定限定电流相关的扭矩最大点的函数。由于供电电流矢量可被分为直接电流I_d和正交电流I_q的矢量，因此该确定的函数可被表达为这两个电流的函数。图2中可找到一个例子。例如，在同步磁阻电动机中，该函数可被近似为一条线，其斜度作为电动机规格的函数而改变。

这种参数可通过电动机的设计者来数学地确定。应当理解的是，这个步骤被执行用于检查和/或升级这个参数。

在本发明的进一步的方面，该控制方法包括至少一个调整直接电流I_d的步骤，其在图3中由数字4表示。

在第一调整的例子中，用于确定供电电流的直接电流I_d等于之前所提及的方程关于高于预定阈值的数值所确定的直接电流I_d，并且当所确定的直接电流I_d低于该阈值时，其等于该预定阈值。

换而言之，直接电流I_d具有较低的限定值，即，最小容许值，超过该值其不再降低，且其等于预定阈值。

当后者需要输送最小的扭矩时，这能防止电动机的全消磁，并保证即使在最小负载下的电动机控制。所述低的电流操作区是近似的，其中，上述与扭矩常数K_t相关的函数通常不是线性的。

实验性的测试显示，优化阈值是一个允许电动机磁通到达约60％额定值的值。

在调整直接电流I_d的另一个示例性的步骤中，其还可以被实现为额外的调整步骤，用于确定供电电流的直接电流I_d由以上所述的方程对于低于预定最大限制值的数值所确定，且对于较高的值时，其等于该预定的最大限制值。

换句话说，直接电流I_d具有较高的限制值，即，最大容许值，超过该值，其就不再增加了，该值等于预定阈值。

这防止了磁通的增加导致到电动机的供给电压的饱和。同样，确保了额定磁通可被超出以进一步增加电动机的效率，只要确保与供给电压饱和值的距离。

如上所述，控制可以是无传感器型的。

通过由此生成的反电动势确定转子的位置和旋转速度。尽管如此，在低运转速度下，电动机承受效率损失，如在背景技术中所提的缺陷，不能使用反电动势，因为它的值可与电动机阻抗上的压降相比，并被其改变。

在这种情况中，附加的电压，通常是零均值正弦曲线电压，通常已知被加到供给电压，用以实现所想要的检测。尽管如此，即便这个电压是很小的值，在低运转速度时，相对于如上所述被降低以增加电动机效率的供给电压也不再是可忽略的。因此，虽然附加电压具有零均值的数值，它仍然引发了一个在电动机内的不可忽略的额外的工作，并因此影响效率。

由于这个原因，本方法也可包括一个***这样的附加电压的步骤，在该步骤中，该电压的产生涉及可变的模量。

特别地，附加电压的幅值将确保转子位置的正确估计。实验测试确认了在低运转速度时需要高幅值附加电压，反之，在高运转速度时幅值的影响被降低。高幅值附加电压被发现在特别高的转速下是有害的，其中扭矩相对于低值较高。该行为被解释为：在中-高运转速度下，附加电压虽然具有零均值数值，但仍导致通量变化。在这种情况下，电压的改变增加了电动势，并导致电动机的饱和。增加的电压的量必须被降低并限制为电动机的运转速度的函数。图4中示出了一个限制性的例子，其中，X轴指示电动机的工作速度基于最高速度的百分比，而Y轴指示增加的电压基于最适宜的值的百分比。一个理想的阈值(附加电压的幅值高于该阈值则应当被降低，例如，使用图4中所示的线性函数)是在电动机的对应于最高速度的40％的工作速度下实验性地找到的。

此外，本发明的所述方法可包括计算和调整附加电压的步骤，其中，后者是作为所述正交电流I_q的函数而被确定的，即，作为要传递的扭矩的函数而被确定的。特别地，附加电压的模量作为所述正交电流的函数而被降低，当正交电流的值小时，不需要高的电压值。

这允许使用所述附加电压技术来检测所述转子的旋转速度和位置，同时保持电动机的效率。

应注意的是，除其它事项外，在低运转速度下，附加电压导致电动机发出噪声。以上所述的步骤也有利于降低这种噪声。

在本发明的另一个方面，因为反电动势技术可被用在高运转速度下，所以两种技术可以同时使用，对在高运转速度下利用反电动势获得的结果和在低运转速度下利用附加电压技术获得的结果分配优先级。在中间运转速度下混合所述结果。需要注意的是，这允许附加电压幅值的进一步降低，并因此进一步降低由此在电动机中产生的效率损失。由电动机产生的噪声也被降低。

还应注意的是，所述附加电压导致进一步的效率损失，因为反相器调节电动机的基本电压，因此它需要消耗电能。这种消耗是附加电压频率的函数，频率越高，消耗就越高。因为在增加电压的同时，频率被增加以降低电动机所产生的噪声，所以任何如上所述获得的噪音的减少将明显地允许附加电压频率的降低，并从而导致反相器的能量消耗的降低。换而言之，通过这种控制能承受进一步的电动机效率最大化。

根据本发明的一个方面，附加电压的频率也可持续改变，由此通过控制来优化电动机效率，并最小化由此所产生的噪音的百分比。

特别地，通过使用随机或伪随机计算技术来使得大体上是正弦曲线的附加电压的频率可变。

根据以上所述，本发明也涉及一种用于控制电动机的装置，该装置可实现以上所述的方法。

因此，所述装置包括用于为电动机提供电力的至少一个反相器，和工作于反相器上、用于控制到电动机的电力供应的处理单元。

因此，这种处理单元适于计算由直接电流I_d和正交电流I_q提供的供电电流。所述正交电流I_q将依据电动机所产生的机械扭矩值来确定，而直接电流I_d将通过方程由处理单元计算：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

其中k_t是定义电动机的扭矩常数的电流矢量的相位。

所述装置此处并未进行进一步的细节描述，以避免重复，所述装置具有能够实现上述方法的这样的特征。

需要进一步注意的是，所述本发明的方法被设计用以通过适当的IT产品实现，所述IT产品也落入本发明的概念内。特别地，所述IT产品被设计以载入计算机的存储器中，以由其来运行。该计算机可组成或成为本发明装置的处理单元的一部分。

以上公开内容清楚地显示了本发明的所述方法和装置至少部分地消除了现有技术缺陷。

特别地，它们甚至在低运转速度下增加电动机效率。

也就是说，这种效率增长在无传感器控制的情况下特别显著，并且增加电压噪声。

在附加的权利要求公开的发明概念内，本发明的方法和装置易于进行很多变化或变形。在不偏离本发明范围的情况下，这里所有的细节可被替换为其它技术等同部分，且材料可根据不同需要变化。

虽然特别参考指定的附图描述了方法和装置，但公开文本和权利要求中的附图标记都只是用于让人更好的理解本发明，而不是要以任何方式限定权利要求的范围。

Claims

1.一种用于通过反相器和矢量技术控制电动机的方法，该方法包括以下步骤：

-确定所述电动机产生所需扭矩所必需的正交电流I_q的值；

-通过以下方程计算要被提供给所述电动机的直接电流I_d的值：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

其中，k_t是所述电动机的扭矩常数所基于的电流矢量的相位；

-通过所述反相器来为所述电动机提供所述供电电流。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机的所述扭矩常数是可获得的最高扭矩。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在确定所述正交电流I_q步骤之前，包含确定所述扭矩常数的步骤。

4.如在前所述的任一权利要求的方法，其特征在于，包含调整所述直接电流I_d的步骤，其中，所述直接电流I_d的值的最低值被限定为预定阈值。

5.如在前所述的任一权利要求的方法，其特征在于，包含调整所述直接电流I_d的步骤，其中，所述直接电流I_d的值最高被限定为预定最大值。

6.如在前所述的任一权利要求的方法，其特征在于，包含确定所述电动机的转子的旋转速度和位置的步骤，所述电动机不具有位置和速度传感器。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述转子的旋转速度和位置的所述确定步骤包括：计算到所述电动机的所述电压源的额外的大体为正弦曲线的动力电压的和。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述额外的动力电压具有可随所述电动机的负载而改变的模量。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述额外的动力电压具有可随所述转子的旋转速度而改变的模量和/或随具有其负载的电动机所需的扭矩而改变的模量。

10.如权利要求7-9中任何一个所述的方法，其特征在于，所述额外的动力电压具有可随具有其负载的电动机所需的扭矩而改变的模量，以及由偶然或伪偶然计算技术确定的可变频率。

11.一种用于控制电动机的装置，该电动机包括用于向所述电动机提供电力的至少一个反相器，和工作于所述反相器上用以控制到所述电动机的供电电流供给的处理单元，其中，所述处理单元易于通过直接电流I_d和正交电流I_q计算所述供电电流，通过所述电动机必须产生的扭矩常数来确定所述正交电流I_q，通过以下方程由所述处理单元计算所述直接电流I_d：

I_{d} = \frac{I_{q}}{\tan (k_{t})}

其中，k_t是所述电动机的扭矩常数所依据的电流矢量的相位。