CN103580577B - 用于测定电机的电磁转矩的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测定电机（ASM，SM）的电磁转矩（melek）的方法（100），该方法包括用于借助于第一算法（ah）测定在第一转数范围（rωh）内的电磁转矩（melek）的第一步骤（110）。该方法还包括借助于区别于第一算法（ah）的第二算法（akASM，akSM）测定（120）在第二转数范围（rωk）内的电磁转矩（melek）的第二步骤（120）。此外，本发明还涉及一种用于测定电机（ASM，SM）的电磁转矩（melek）的装置，该装置准备借助于根据本发明的方法（100）测定电机（ASM，SM）的电磁转矩（melek）。

Description

用于测定电机的电磁转矩的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于测定电机的电磁转矩的方法，其中，该方法包括借助于第一算法测定第一转数范围内的电磁转矩的第一步骤。
此外，本发明还涉及一种用于测定电机的电磁转矩的装置。
背景技术
日本专利文献JP2000-287472A描述了一种转矩调节装置。为了避免转矩调节装置在转数较低时的不稳定性，设置了用于根据转数情况而抑制预估的负载力矩值的抑制函数。
德国专利文献DE102010006593A1描述了一种具有安全监控器的驱动***，该安全监控器以两种不同的、彼此独立的方式确定转矩。
德国专利文献DE10251095A1描述了一种用于电机的、具有用于检验实际转矩的可靠性的装置的控制***。此外还提出了测定与第一实际转矩进行比较的、冗余的、第二实际转矩。
德国专利文献DE10100565A1描述了一种用于对转向模块可靠地进行转矩测定的装置。为了测定由异步电动机产生的转矩，采用两种不同的测定方法。当两种测定方法的结果的差值超出阈值时，则识别出错误。
在用于工业领域的、能够改变转数的电动的三相交流驱动装置中（例如在生产机械、机床或电动车辆中），为了保护人和机器而应用了安全技术。在此设置了例如“受到安全限定的速度”、“安全的停机”和“安全的停止运行”的功能。利用现有技术水平中的这些功能无法控制所有的危险情况。
这通过以下的例子来说明：机器组件由受到驱动的滚筒（类似于轧压机）构成。货物通过滚筒来运输或加工。为了实现维护的目的、为了实现修理的目的以及为了实现清洁的目的或为了移除被卡住的货物，操作者必须进入机器组件中。对于维护-、修理-或清洁过程而言，滚筒的运动也是必需的。为此使滚筒以“安全缓慢的速度”运行。然而，尽管速度减缓，但却依然存在潜在的危险性。例如如果手指卷入滚筒之间便会受伤。或者对于人而言，在发生危险时不能从机器组件中脱身。其它的例子有汽车中的车窗玻璃升降器或电梯门。
因此，除了安全的速度限定之外还要求进行安全的力矩限定。在此应将转矩限制在这样的范围内，即当手指被卷入滚筒之间时，滚筒所产生的最大转矩尚不至于导致存在致使操作者受伤的危险或者手指的平衡力矩能够使滚筒停止运转。“安全的力矩限定”这一功能是IEC61800-5-2（CD）中的新加入的组成部分，其被称为力矩安全限定（SLT:safelylimited Torque）。
在发生故障的情况下，同样也不允许在电动车辆中出现危险的状态。在电动车辆中（借助于油门）为驱动装置预设转矩额定值。驱动装置的实际转矩只可稍微地偏离额定值或最多允许其稍微地超出额定值。因为当偏差较大时，车辆有可能不再受控制。因此，具有相应的监控的、可靠的转矩检测是必要的。在现有的技术水平中，为此使用联轴节、滑动联轴节、预定断裂点或转矩传感器。
从德国专利文献DE102006042038B3中公开了一种用于对永磁同步电机（PSM）进行可靠地转矩限制的装置。对此，通过可靠地产生的以及检测到的转子位置角度和电机相位电流在磁场坐标系中的矢量变换形成垂直于转子通量轴的和平行于转子通量轴的电流分量。电磁转矩随后则从矢量积中得出。然而，该方法不适用于异步电机并且仅有限地适用于转数较高的情况。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种方法和一种装置，利用该方法能够在较大的转数范围内更精确地测定电机的电磁转矩。
根据本发明，该目的这样实现，即提出一种用于测定电机的电磁转矩的方法，其中，该方法包括借助于第一算法测定在第一转数范围内的电磁转矩的第一步骤和该方法包括借助于区别于第一算法的第二算法测定在第二转数范围内的电磁转矩的第二步骤。在此，第二转数范围的上限仅稍微高于第一转数范围的下限。
在用于测定电机的电磁转矩的装置的方面，该目的这样实现，即该装置准备借助于根据本发明的方法测定电机的电磁转矩。
通过采用用于测定在第二转数范围内的转矩的另一算法而可能的是，对于第二转数范围应用这样的算法，即该算法在第二转数范围内提供的结果比第一算法在第二转数范围内提供的结果更精确。同时，通过根据本发明的措施而可能的是，在第一转数范围内使用这样的算法，即该算法在第一转数范围内提供的结果比第二算法在第一转数范围内提供的结果更精确。
有利的是，测定在第一转数范围内的电磁转矩的步骤可以包括测定电机的机器参数和/或运行参数，其中，将在第一转数范围内测定出的机器参数和/或运行参数用于测定在第二转数范围内的电磁转矩的步骤中测定电磁转矩。由此能够借助于在第一转数范围内测定出的机器参数和/或运行参数随后导入或纠正第二算法的不足之处。
特别有利的是，该机器参数和/或运行参数可以是转子电阻和/或该机器参数和/或运行参数可以是磁通量值。由此而在随后导入或纠正对于在测定第二转数范围内的转矩而言非常重要的机器参数和/或运行参数。
通过使第二转数范围的上限仅稍微地高于第一转数范围的下限，得出预设的算法在电机运行的总转数范围上的明确的分配。另一方面能够借助于（第一转数范围和第二转数范围的）稍微的重叠而产生滞后区域，在该滞后区域内避免了第一和第二转数范围的算法之间的不必要的切换。
优选的是，第一算法和第二算法之间的转换取决于可靠地测定出的转数信息。由此能够确保对于任一转数而言均使用相应最优的算法以测定转矩。
如果根据机器类型的不同而从至少两种不同的算法中挑选出在第二转数范围内采用的算法，便会产生特别的应用优点。由此，对于任一机器类型而言，均能够在第二转数范围内采用最优的算法以测定转矩，而不必为不同的机器类型设计不同的控制装置或不同的控制软件。
可替换的或附加的方案是，也能够根据机器的类型从至少两种不同的算法中挑选出在一种第一转数范围内采用的算法。由此，对于任一机器类型而言，均能够在第一转数范围内采用最优的算法以测定转矩，而不必为不同的机器类型设计不同的控制装置或不同的控制软件。
也可能有利的是，为了测定转矩，在第一转数范围内使用借助于转数传感器可靠地测定出的转数信息。与仅从EMK中测定出转数信息的情况相比，能够由此以更高的精确性和/或可靠性测定转数。例如能够在同步电机中采用以其转数乘以极对数的方式，而不是通过EMK来测定定子频率。由此能够避免处理带有谐波的值。出于相应的原因，如果为了测定转矩而可替换地或附加地在第二转数范围内使用可靠地检测到的转子位置角度，那么也是非常适宜的。
该方法也可以包括用于测定电机的机械转矩的步骤，在该步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为第一转数范围测定牵引力矩。可替换的或附加的是，该方法也可以包括用于测定电机的机械转矩的步骤，在该步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为第二转数范围测定牵引力矩。与仅将电磁转矩的值作为机械转矩的情况相比，由此能够以更高的精确度测定机械转矩。铁损耗能够参考磁场频率和磁通量（例如根据斯坦麦茨公式（Steinmetz-Formel））测定出。
附图说明
通过附图详细地说明本发明。图中示出：
图1示意性地示出用于异步电机的矢量图，通过将转子通量轴和转子轴之间的角度设为零度，该矢量图也能够用于观察同步电机的特性；
图2示意性地示出用于测定电机在上方的（第一）转数范围内的电磁和机械转矩的第一算法；
图3示意性地示出用于不同的转数范围和用于不同的机器类型的不同的算法的归类；
图4示意性地示出用于测定同步电机在下方的（第二）转数范围内的电磁和机械转矩的第二算法；
图5示意性地示出用于测定异步电机在下方的（第二）转数范围内的电磁和机械转矩的第三算法；和
图6示意性地示出用于测定电磁和机械转矩的方法的流程。
后面详细说明的实施例是本发明的优选的实施方式。
具体实施方式
图1示出用于异步电机ASM的矢量图ZD。通过将转子通量轴LFA和转子参考轴LA之间的角度设为零度，该矢量图也能够用于观察同步电机SM的特性。参考标号具有以下含义：e代表电动势（EMK：Elektromotorische Kraft），L1δ代表定子杂散电感率，R1代表定子电阻，u代表外部电压，α，β代表以定子频率旋转的笛卡尔坐标系中的定子轴，d，q代表笛卡尔坐标系中的转子轴，代表以转差频率旋转的角度和ΨL代表转子通量。矢量ΨL指向转子通量轴LFA的方向，直线LA指向转子参考轴的方向，和直线LS指向定子参考轴SA的方向。
图2示出用于借助于从中间值定子功率p1，定子频率dβ/dt和极对数zp中测定出商melek=（3zp/2）p1/（2π.dβ/dt）而测定电机的电磁转矩melek和电机的机械转矩mmech的第一算法ah。
该对于专业技术人员而言已知的算法ah在上方的（第一）转数范围rωh中不仅为同步电机SM、而且为异步电机ASM提供对于众多应用而言足够精确的结果。其原因主要在于，异步电机ASM的取决于温度的转子电阻R2在转数较高时对电机的转矩melek仅起到微小的和通常可忽略不计的影响。相应地在永磁同步电机PSM中，取决于温度的、永磁的转子通量ΨL在转数较高时对电机SM的转矩melek仅起到微小的和通常可忽略不计的影响。
然而，当转数较小时，电压u（见图1）也非常低，因为EMK e和杂散电压降（diα/dt）L1δ，（diβ/dt）L1δ与定子频率dβ/dt成正比。此外，转数越小，欧姆电压降iαR1，iβR1越占主导地位。由此，在确定定子电阻、通量和频率时的非常小的不精确性都会导致在确定转矩时的巨大的错误。通过这种方式根本无法测定出电机SM，ASM静止时的转矩melek，因为这将会导致除数为零的情况出现。出于以上原因，当转数较小时，借助于第一算法ah并通过功率值p1不能或者最多只能在承受某些弊端时才能测定出转矩。
为了也能够以足够的精确度测定出在下方的转数范围rωk内的转矩，本发明提出，通过电流iα，iβ，机器参数Ψd，Ψq和转换VD，具有角度Λe0ek，β，的26测定下方的转数范围内的转矩melek。在此从可靠地产生的或可靠地检测到的值（如转子位置角度Λmech，转数dΛmech/dt，相位电流iR，iS，iT，相位电压uR，uS，uT和温度）出发。为了可靠地产生上述值，已知多个能够根据所使用的硬件和软件拓扑选择的变体。
图3示出对于不同的转数范围rωh，rωk和用于不同的机器类型ASM，SM的不同的算法ah，akASM，akSM的归类的例子。在此，在上方的第一转数范围rωh内，对于两种机器类型ASM，SM而言采用同一共同的算法ah。在下方的第二转数范围rωk内，对于不同的机器类型ASM，SM而言采用不同的算法akASM和akSM。在后面分别为这两种算法akASM和akSM各说明一种实施方式。
图4示出用于测定同步电机SM在下方的（第二）转数范围rωk内的电磁转矩melek和机械转矩mmech的算法akSM的例子。首先借助于坐标变换器22将电动机相位电流iR，iS，iT变换为笛卡尔坐标系中的定子电流iα，iβ。随后借助于机械的转子角度Λelek与电机的极对数zp的相乘24测定电磁转子角度Λelek。接着借助于矢量旋转器VD和电磁转子角度Λelek将定子电流转换为笛卡尔坐标系中的转子电流分量id，iq。从该笛卡尔坐标系中的转子电流分量id，iq中借助于另一转换26（例如借助于表格）测定笛卡尔坐标系中的转子通量分量Ψd，Ψq。随后将测定出的、主向d上的、笛卡尔坐标系中的转子通量分量Ψd的值与测定出的、横向q上的转子电流分量iq相乘。此外还将测定出的、横向q上的、笛卡尔坐标系中的转子通量分量Ψq的值与测定出的、主向d上的转子电流分量id相乘。接着将这两个乘积Ψd·iq和Ψq·id相加并且将和与极对数zp的一点五倍值相乘，以便因此获得电磁转矩melek。
图5示出对于用于测定异步电机ASM在下方的（第二）的转数范围内的电磁转矩melek和机械转矩mmech的算法akASM的例子。首先借助于坐标转换器22将发动机相位电流iR，iS，iT转化为笛卡尔坐标系中的定子电流iα，iβ。随后借助于机械转子角度Λmech与电机的极对数zp的相乘24测定电磁转子角度Λelek。为此，从笛卡尔坐标系中的转子电流分量id，iq和电流模型28中测定以转差频率旋转的角度的变化速度借助于集成30从中测定以转差频率旋转的角度。将该以转差频率旋转的角度与测定出的电磁转子角度Λelek相加，由此得出以定子频率dΛelek/dt旋转的角度β。随后借助于矢量旋转器VD和（以定子频率dΛelek/dt旋转的）角度β将定子电流iα，iβ转换为笛卡尔坐标系中的转子电流分量id，iq。从主向d上的、笛卡尔坐标系中的转子电流分量id中借助于磁化特征曲线32（例如借助于表格）测定转子通量ΨL。在此参考转子电感率（L2δ+Lh）和转子电阻R2之间的比例关系（L2δ+Lh）/R2。随后将测定出的转子通量ΨL的值与测定出的横向q上的转子电流分量iq相乘。接着将乘积ΨL·iq与极对数zp的一点五倍值和转子的主磁场电感率份额Lh/（L2δ+Lh）相乘，以便由此获得电磁转矩melek。
图6示出用于测定电机ASM，SM的电磁转矩melek的方法100的流程，该方法包括以下步骤：借助于第一算法ah对在第一转数范围rωh内的电磁转矩melek的测定110；和
借助于区别于第一算法ah的第二算法akASM，akSM对第二转数范围rωk内的电磁转矩melek的测定120。由此，为了检测不同转数范围rωh，rωh内的转矩而采用不同的算法ah，akASM，AkSM。
安全性的提升能够借助于双通道结构实现（例如为了达到SIL-以及ASIL-水平）。
在示出的算法ah，akASM，AkSM中，首先测定出电磁转矩melek。这对于众多应用而言已经足矣，因为机械转矩mmech通常成比例地稍微偏离电磁转矩melek。
如果不考虑（例如定子电阻R1、转子电阻R2、永磁体的磁场强度和/或其他参数）对温度的依赖性，那么根据图2至图5的算法ah，akSM，akASM对电磁转矩melek或机械转矩mmech的测定也已是足够精确的。
为了进一步提高测量精确度以及为了测定机械转矩mmech，也可以参考铁损耗、涡流损耗、摩擦损耗和由样本决定的特征值。这优选地通过部分地为多维的表格34实现。其中，输入值可以是电流i、电压u、转数dΛmech/dt和其它值。取决于温度的参数（如R1，R2，ΨL）能够通过（例如借助于定子绕组中的传感器）测量温度而随后导入。温度（例如转子温度）的检测可以双通道地实施。或者也可以通过模型或其它的测量点的可信化（例如借助于冷却剂温度）进行。也能够可替换地设想无接触的测量方法，例如通过热电堆传感器。

Claims (12)

1.一种用于测定电机(ASM，SM)的电磁转矩(melek)的方法(100)，其中，所述方法包括用于借助于第一算法(ah)测定在第一转数范围(rωh)内的电磁转矩(melek)的第一步骤(110)；其中，所述方法包括用于借助区别于所述第一算法(ah)的第二算法(akASM，akSM)测定(120)在第二转数范围(rωk)内的电磁转矩(melek)的第二步骤(120)，其特征在于，所述第二转数范围(rωk)的上限(rωkmax)稍微地高于所述第一转数范围(rωh)的下限(rωhmin)；测定所述第一转数范围(rωh)内的所述电磁转矩(melek)的所述第一步骤(110)包括测定所述电机(AMS，SM)的机器参数和/或运行参数，其中，在所述第一转数范围(rωh)内测定出的所述机器参数和/或所述运行参数在测定在所述第二转数范围(rωk)内的所述电磁转矩(melek)的第二步骤(120)中被用于测定所述电磁转矩(melek)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述机器参数和/或所述运行参数是转子电阻(R2)，或者所述机器参数和/或所述运行参数是磁通量值(Ψ)。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述第一算法(ah)和所述第二算法(akASM，akSM)之间的切换取决于可靠地测定出的转数信息(dΛ/dt)。
4.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在所述第二转数范围(rωk)内采用的算法根据机器类型从至少两种不同的算法(akASM，akSM)中挑选出。
5.根据权利要求3所述的方法(100)，其特征在于，在所述第二转数范围(rωk)内采用的算法根据机器类型从至少两种不同的算法(akASM，akSM)中挑选出。
6.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在所述第一转数范围(rωh)内采用的算法根据机器类型从至少两种不同的算法中挑选出。
7.根据权利要求5所述的方法(100)，其特征在于，在所述第一转数范围(rωh)内采用的算法根据机器类型从至少两种不同的算法中挑选出。
8.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，在所述第一转数范围(rωh)内，为了测定所述电磁转矩而应用借助于转数传感器可靠地测定出的转数信息(dΛ/dt)和/或在所述第二转数范围(rωk)内，为了测定所述电磁转矩而应用可靠地检测到的转子位置角度(Λmech)。
9.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，在所述第一转数范围(rωh)内，为了测定所述电磁转矩而应用借助于转数传感器可靠地测定出的转数信息(dΛ/dt)和/或在所述第二转数范围(rωk)内，为了测定所述电磁转矩而应用可靠地检测到的转子位置角度(Λmech)。
10.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，所述方法也包括用于测定所述电机(ASM，SM)的机械转矩(mmech)的一个步骤，在所述一个步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为所述第一转数范围(rωh)测定牵引力矩(mSchlepp)，和/或所述方法也包括用于测定所述电机(ASM，SM)的机械转矩(mmech)的另一个步骤，在所述另一个步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为所述第二转数范围(rωk)测定牵引力矩(mSchlepp)。
11.根据权利要求9所述的方法(100)，其特征在于，所述方法也包括用于测定所述电机(ASM，SM)的机械转矩(mmech)的一个步骤，在所述一个步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为所述第一转数范围(rωh)测定牵引力矩(mSchlepp)，和/或所述方法也包括用于测定所述电机(ASM，SM)的机械转矩(mmech)的另一个步骤，在所述另一个步骤中，在考虑到机械损耗和/或在考虑到铁损耗的情况下为所述第二转数范围(rωk)测定牵引力矩(mSchlepp)。
12.一种用于测定电机(ASM，SM)的电磁转矩(melek)的装置，其特征在于，所述装置准备借助于根据权利要求1至11中任一项所述的方法(100)测定电机(ASM，SM)的电磁转矩(melek)。
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