CN110383651A - 用于同步磁阻电机的重启策略 - Google Patents

Abstract

公开了同步磁阻电机(SynRM)控制的独特***、方法、技术和装置。一个示例性实施例是一种控制设备，该控制设备被构造为操作被耦合到同步磁阻电机的变流器并且接收电流的测量。该设备包括变流器控制器，该变流器控制器被构造为：检测电源恢复；操作变流器以便向同步磁阻电机的定子传输相对于静止参考系的一系列电压矢量；在传输电压矢量中的每个电压矢量之后，接收电流测量；使用电压矢量的特性和与至少一个电压矢量相对应的所接收的电流测量来估计转子位置；使用电压矢量的特性和与至少两个电压矢量相对应的所接收的电流测量来估计转子速度；以及操作变流器以便向定子施加电压。

Description

用于同步磁阻电机的重启策略

说明性实施例的公开内容

为了清楚、简要且准确地描述本公开的非限制性示例性实施例以及制造和使用本公开的方式和过程，并且为了使得能够实践、制造和使用本公开，现在将参考某些示例性实施例(包括在附图中示出的实施例在内)，并且将使用特定语言用描述这些实施例。然而，应当理解，由此不会产生对本公开的范围的限制，并且本公开包括并保护本领域技术人员受益于本公开而所想到的示例性实施例的这些改变、修改和进一步应用。

发明内容

示例性实施例包括用于同步磁阻电机控制***的独特***、方法、技术和装置。根据以下描述和附图，本公开的其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将变得显而易见。

附图说明

图1是图示了示例性控制***的框图。

图2是图示了由图1中的示例性控制***传输的电压矢量的曲线图。

图3是图示了对由图1中的示例性控制***传输的一系列电压矢量的电流响应的曲线图。

图4是图示了利用图1中的控制***进行电流采样的曲线图。

图5是图示了由图1中的示例性控制***执行的同步磁阻电机的瞬时停电重启(flying restart)的曲线图。

具体实施方式

参考图1，图示了示例性控制***100，其被构造为在电力故障之后重启具有转动转子的同步磁阻电机。应当领会，控制***100可以被配置为控制适应不同机器的变化的机器参数的任何同步磁阻电机。

控制***100被耦合到多相同步磁阻电机SynRM 101和电力变流器103。机器101包括定子和转子，并且被构造为利用机器101的定子的而从电力变流器103接收AC电力。在某些实施例中，机器101可以被构造为驱动高惯性负载，诸如例如，飞轮、离心机、削片机、剥皮机或粉碎机。机器101的转子速度和转矩输出可以通过改变提供给机器101的定子的电力的电压和频率来控制，这也称为标量控制。本领域普通技术人员应当领会，控制***100可以备选地使用矢量控制或直接转矩控制来控制机器101，而无需对本文所述的实施例进行显著修改。机器101的操作可以用以下等式在转子参考系中表示，其中p表示微分算子，R_s是绕组电阻，v_d和v_q是d轴定子输入电压和q轴定子输入电压，i_d和i_q是d轴定子电流和q轴定子电流，L_d和L_q是d轴定子电感和q轴定子电感，并且ω_r是转子的电角频率：

变流器103包括多个开关设备。在所图示的实施例中，变流器103是脉宽调制控制电压源逆变器。在其他实施例中，变流器103可以是另一种类型的变流器，其被构造为向同步磁阻电机101提供受控电力并且与控制***100通信。电力变流器103被构造为从电源接收电力，将电力转换为输出电压和频率受控的AC电力，以及向机器101提供经转换的电力。在某些实施例中，控制***100向变流器103的多个开关设备传输多个致动信号，使得变流器103根据标量控制而将所接收的电力转换为具有期望电压和频率的AC。在其他实施例中，控制***100将电压和频率输入值传输到变流器103，并且变流器103生成致动信号，该致动信号被构造为操作变流器103的开关，使得变流器103输出具有期望电压和频率的AC电力。

有时，向机器101提供电力的电源可能经历电力故障事件，诸如消除或减少通过变流器103提供给机器101的电力。在电力故障事件之后，当电源返回到电力故障前事件操作时，电力恢复事件发生。控制***100被构造为：检测电源故障事件，检测电力恢复事件，以及在电力恢复事件之后在机器101的转子不完全停止的情况下重启机器101(也称为瞬时停电重启(flying restart))。为了执行瞬时停电重启，控制***100需要用于机器101的电压/频率额定数据，但不需要与诸如电感值之类的其他机器参数(这些参数通常是用户不知道的并且还随温度和电流而变化，从而导致速度和θ估计都不准确)相关的数据。由控制***100执行的瞬时停电重启操作成功地估计转子速度和转子位置，使得机器101可以在不会引起过电流和制动转矩的情况下重启。

控制***100包括电压命令模块105、积分器模块107和加法模块109。在正常操作中，电压命令模块105和积分器107通过选择器121接收转子速度参考值ω_ref*。命令模块105被构造为使用ω_ref*生成参考电压V_s，并且将值V_s传输到变流器103。积分器模块107被构造为通过选择器121接收ω_ref*，并且通过积分ω_ref*来计算转子位置改变Δθ_e。由于仅在电力恢复事件之后计算θ_est，所以Δθ_e被传输到变流器103。

在电力恢复事件之后，转子速度参考值ω_ref*不可用。因此，控制***100被构造为利用位置和速度估计器110来估计转子位置和转子速度。首先，电压命令模块105向变流器103传输一系列电压值，该变流器103又向机器101提供一系列电压矢量(也称为电脉冲)，该电脉冲具有带有固定占空比的脉冲宽度。在某些实施例中，该系列电压矢量包括三个电压矢量。在其他实施例中，该系列电压矢量仅包括两个电压矢量。在每个脉冲结束时，测量每个相电流。测量可以基于物理传感器或虚拟传感器而可以是直接的或间接的，并且还可以基于前述的组合。例如，一个或多个传感器可以测量电特性，诸如电压、磁通量或电阻，以便确定相电流，或者传感器可以直接测量相电流的电特性。利用平均模块111，在相电流中的一个相电流中来标识DC偏移电流。使用用于该系列电压矢量的相电流测量i_a和i_b，利用转子位置模块113和转子速度模块115来估计转子速度ω_est和转子位置θ_est。电压命令模块105被构造为使用ω_est生成命令电压V_s，并且向变流器103传输值V_s。通过使用额定v/f比率来计算命令电压。定子电压的频率是估计的值。积分器模块107被构造为通过选择器121接收ω_est，并且通过积分ω_est来计算转子位置改变Δθ_e。加法模块109被构造为将转子位置改变Δθ_e与所估计的转子位置θ_est进行组合以计算当前转子位置θ_e，其被提供给变流器103。使用所接收的数据，变流器103被构造为向定子施加电压。所施加的定子电压从零逐渐地增加，直到电压达到额定v/f比率。例如，所施加的定子电压可以以比电机的额定电压斜率大两倍的速率而逐渐地增加。定子电压逐渐增加的一个目的在于防止可以通过施加阶跃电压而生成的浪涌电流。最后，使用一系列电流测量，变流器103被构造为：在使用反馈控制器测量变流器103输出电流来稳定电压命令输入之后，继续正常操作。

参考图2，示出了曲线图200，其图示了由α轴和β轴表示的静止参考系与由d轴和q轴表示的转子参考系之间的关系。曲线图200图示了电机(诸如图1中的机器101)的两个参考系。α轴垂直于β轴，而d轴垂直于q轴。α轴与d轴之间的角度θ_r表示转子相对于定子的位置。转子参考系相对于静止参考系的速度用ω_r表示。为了使示例性控制***(诸如图1中的控制***100)在电力故障之后执行瞬时断电重启操作，控制***100被构造为估计转子位置θ_r和转子速度ω_r。曲线图200还包括非零电压矢量V1，其与静止参考系中的α轴对齐。利用控制***100执行瞬时断电重启的第一步是利用电压矢量V1激励机器101。在其他实施例中，电压矢量V1是不与α轴对齐的非零矢量。静止参考系的电压矢量V1可以被表达为转子参考系中的以下等式组，其中V_dc是电压矢量脉冲的幅度：

参考图3，示出了曲线图300，其图示了一系列电压矢量脉冲307，每个电压矢量脉冲具有脉冲宽度301并且从示例性控制***(诸如图1中的机器101和控制***100)提供给机器。每个脉冲的宽度是开关周期301的百分比，并且电压矢量307中的两个电压矢量之间的时间由时间段305来表示。重要的是要注意每个脉冲307的宽度不是由开关频率确定的，因为增加这种电压矢量脉冲的宽度可能导致具有小电感的定子绕组中的过电流并且可能导致转子高速转动。在考虑到由电流感测引起的过电流条件和估计误差的情况下，确定脉冲宽度303。在一个实施例中，评估对一系列电压矢量脉冲307中的第一电压矢量脉冲的电流响应以确定脉冲宽度303。例如，脉冲宽度303可以是开关周期301的宽度的80％。电流曲线309描绘了流向机器101的电流的幅度。在每个电压矢量脉冲307结束时，电流曲线309达到局部最大值311。控制***100被配置为接收每个局部最大值311的测量。

当施加电压矢量307时，假设宽度303是远小于定子时间常数(τ_d＝L_d/R_s，τ_q＝L_q/R_s)的短的时间段。因此可以忽略定子电阻。使用拉普拉斯变换，所得三相电流可以如以下等式组而被计算：

通过施加电压矢量307而获得的三相电流由两部分(由转子速度和转子位置生成的DC偏移电流部分和振荡部分)组成。

参考图4，图示了多个曲线图400，其图示了机器101对由控制***100传输的一系列电压矢量的响应。如曲线图400所示，转子速度为1,200rpm并且所施加的电压脉冲占空比为80％。多个曲线图400图示了0.0秒与0.5秒之间的操作的时间段。曲线图410图示了实际转子位置，曲线图420图示了响应于该系列电压矢量而在机器101中生成的电流，并且曲线图430图示了由该系列电压矢量生成的转矩。

如曲线图420所示，响应于该系列电压矢量而在机器101中生成的相电流包括DC偏移。为了使用三相电流来估计转子速度和位置，应当消除DC偏移项。可以通过对转子的至少一转内的每相电流进行平均、并且从所测量的相电流中减去所确定的平均值来获得DC偏移。没有DC偏移的三相电流ia_1、ib_1、ic_1用以下等式表示：

i_{a_1}(t)＝K cos(2θ_r)

其中K如下：

通过采用克拉克变换，可以获得静止参考系中的两个相电流如下：

其中T(0)表示如下：

使用等式(5)的结果，可以通过使用以下等式来估计转子位置，其中θ_est是所估计的转子角度，θ_r是实际转子角度，并且Δθ_error是所估计的转子角度的误差项：

如等式(6)所示，由于可以仅使用两个相电流测量来确定θ_est，所以控制***100不需要知道机器101的电感值来估计转子位置和转子速度。

Δθ_error由电流感测的准确性确定。在某些实施例中，Δθ_error小于10度，以便安全地重启机器101。作为结果，所提出的方法可以通过使用所测量的三相电流和通过使用平均方法获得的DC偏移来估计转子位置。

可以通过使用两个电压矢量脉冲来估计转子速度。如果两个脉冲之间的间隔时间足够短，则转子速度可以被假定为常数。因此，可以通过使用两个估计的转子位置值来估计转子速度。转子速度可以用下等式计算，其中t_pulse是电压矢量脉冲被施加到定子绕组的时间，τ是图3中所示的两个电压矢量脉冲之间的时间，并且ω_est是转子的所估计的电角频率：

由于两个脉冲之间的时间τ较长，因此转子速度估计可以使用以下等式而被更精确地表示：

当选择间隔时间τ时，应当考虑转子的额定速度，使得间隔τ短于一个电转所花费的时间，如以下等式所示：

θ_r2-θ_r1＝ω_r·(τ+t_pulse)＜2π (9)

如果在转子完成一个电转之后施加第二脉冲，则更可能错误地估计转子的转动速度。

以下等式表示实际转子速度和所估计的转子速度，其中N是两个转子位置值之间的转子转数，ω_r是实际速度，并且ω_est是所估计的速度。仅当N为零时，所估计的速度将与实际速度相同。

参考图5，图示了多个曲线图500，其图示了电力恢复事件之后的机器101的操作。在0.0秒与时间501之间，曲线图500图示了由控制***100估计转子速度和转子位置的时间段。在时间501与时间503之间，控制***100向机器101的定子施加逐渐增加的电压。在时间503，机器101达到额定v/f比率。在时间503与0.7秒之间，曲线图500图示了稳定回路的操作以及返回到正常操作。曲线图510图示了转子速度的所估计的值和实际值；曲线图520图示了所估计的转子位置521和实际转子位置523；曲线图530图示了机器101的定子电压；并且曲线图540图示了机器101的定子电流。

现在，应当提供对多个示例性实施例的进一步书面描述。一个实施例是一种同步磁阻电机***，包括同步磁阻电机，该同步磁阻电机包括：定子和转子；变流器，被构造为从电源接收电力并且向同步磁阻电机供应AC电力；至少一个传感器，被构造为测量在变流器与同步磁阻电机之间流动的电流的电特性；变流器控制器，被构造为：在电源故障之后检测电源恢复，操作变流器以便向同步磁阻电机的定子传输具有经计算的宽度和幅度的一系列电脉冲，从至少一个传感器接收一系列电特性测量，使用以下中的至少一项来估计转子位置：至少一个电脉冲的所接收的电特性测量、至少一个电脉冲的宽度信息以及至少一个电脉冲的幅度信息，使用以下来估计转子速度：与至少两个电脉冲相对应的所接收的电流测量、电脉冲宽度数据、以及至少两个电脉冲的电脉冲幅度宽度信息以及至少两个电脉冲的幅度信息，以及在实际转子速度降低至零之前操作变流器以使用所估计的转子速度和转子位置来向定子施加电压。

在前述***的某些形式中，由变流器控制器接收的电特性是从变流器流到同步磁阻电机的电流的测量。在某些形式中，变流器是AC/AC变流器，该AC/AC变流器被构造为：从电源接收AC电力，将所接收的AC电力转换为DC电力，并且将DC电力转换为AC电力，并且向同步磁阻电机提供经转换的AC电力。在某些形式中，电脉冲是相对于定子的静止参考系的等效电压矢量，并且每个电脉冲的宽度小于定子时间常数。在某些形式中，电脉冲在转子的一转内被传输到同步电机。在某些形式中，变流器控制器被构造为接收v/f比率数据，使用标量控制来操作变流器，并且使用v/f比率数据和所估计的定子频率来计算要被逐渐地施加到定子的电压。在某些形式中，同步磁阻电机被构造为驱动高惯性负载。

另一示例性实施例是一种控制设备，该控制设备被构造为操作被耦合到同步磁阻电机的变流器并且接收从变流器流到同步磁阻电机的电流的测量，该同步磁阻电机包括变流器控制器，该变流器控制器被构造为：检测电源恢复事件；操作变流器以便向同步磁阻电机的定子传输相对于静止参考系的一系列电压矢量；在传输电压矢量中的每个电压矢量之后，接收电流测量；使用电压矢量的特性和与至少一个电压矢量相对应的所接收的电流测量，来估计转子位置；使用电压矢量的特性和与至少两个电压矢量相对应的所接收的电流测量，来估计转子速度；以及操作变流器以便向定子施加电压，该电压是使用所估计的转子速度和转子位置而被计算的。

在前述设备的某些形式中，电脉冲的宽度被构造为防止同步磁阻电机中的过电流。在某些形式中，通过消除电流测量的DC偏移分量并且将电流测量变换到静止参考系来估计转子速度和转子位置。在某些形式中，使用所估计的转子速度和转子位置而被计算的施加到定子的电压从0增加到命令电压值。在某些形式中，设备使用标量控制来控制变流器，并且使用同步磁阻电机的v/f比率额定值和所估计的频率来计算命令电压值。在某些形式中，不需要同步磁阻电机的电感值来估计转子位置和转子速度。

另一示例性实施例是一种用于在电力故障之后重启具有转动转子的同步磁阻电机的方法，该方法包括：利用控制***来检测电源恢复事件；利用控制***来操作变流器，以便向同步磁阻电机的定子传输具有预先确定的宽度和预先确定的幅度的一系列电脉冲；利用控制***来计算对该系列电脉冲的电流响应；使用与至少一个电脉冲相对应的所计算的电流响应、电脉冲宽度数据和电脉冲幅度数据，利用控制***来估计转子位置；使用与至少两个电脉冲相对应的所接收的电流测量、电脉冲宽度数据和电脉冲幅度数据，利用控制***来估计转子速度；以及利用控制***来操作变流器，以便在实际转子速度降低至零之前，使用所估计的转子速度和转子位置来向定子逐渐地施加电压。

在前述方法的某些形式中，估计转子位置包括：通过将同步磁阻电机定子绕组的一个相位的电流测量进行平均来标识DC偏移电流，并且消除DC偏移电流。在某些形式中，该方法包括：使用电流反馈回路来稳定变流器的电流。在某些形式中，该方法包括继续变流器的正常操作。在某些形式中，继续变流器的正常操作包括：通过使用被提供给控制***的转子速度参考值来确定标量控制方法的电压和频率控制值、使用标量控制来操作同步磁阻电机。在某些形式中，变流器***作以传输一系列电脉冲，使得电脉冲在转子的一转内被传输到同步磁阻电机的定子，并且使得每个电脉冲的宽度不在同步电机中引起过电流。在某些形式中，控制***使用标量控制来操作同步磁阻电机。

应当设想，除非明确地相反说明，否则来自各个实施例的各个方面、特征、过程和操作可以用于任何其他实施例中。所图示的某些操作可以由在非暂态计算机可读存储介质上执行计算机程序产品的计算机来实现，其中计算机程序产品包括指令，该指令使得计算机执行操作中的一个或多个操作、或者向其他设备发出命令以执行该一个或多个操作。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本公开，但是这些图示和描述被认为是说明性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些示例性实施例，并且落入本公开精神内的所有改变和修改都期望被保护。应当理解，虽然在上面的描述中利用诸如优选的、优选地、优选或更优选之类的词语来表示如此描述的特征可能是更期望的，但是该特征可能不是必需的，并且缺少该特征的实施例可以被视为在由所附权利要求限定的本公开的范围内。在阅读权利要求时，除非在权利要求中另有指出，否则当使用诸如“一(a)”、“一个(an)”、“至少一个(at least one)”或“至少一个部分(at least one portion)”之类的词语时，并不旨在将权利要求限制为仅一个项目。术语“of”可以表示与另一项目的关联或连接，并且可以表示与使用该术语的上下文所通知那样的属于其他项目或与该其他项目连接。除非另有明确说明，否则术语“耦合到(coupled to)”、“与…耦合(coupled with)”等包括间接连接和耦合，并且还包括(但不要求)直接耦合或连接。除非另有说明，否则当使用语言“至少一部分(at least a portion)”和/或“一部分(a portion)”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目。

Claims (20)

1.一种同步磁阻电机***，包括：

同步磁阻电机，包括定子和转子；

变流器，被构造为从电源接收电力并且向所述同步磁阻电机提供AC电力；

至少一个传感器，被构造为测量在所述变流器与所述同步磁阻电机之间流动的电流的电特性；

变流器控制器，被构造为：

在电源故障之后，检测电源恢复；

操作所述变流器，以便向所述同步磁阻电机的所述定子传输具有计算的宽度和幅度的一系列电脉冲；

从所述至少一个传感器接收一系列电特性测量；

使用以下中的至少一项来估计所述转子位置：至少一个电脉冲的所接收的所述电特性测量、所述至少一个电脉冲的宽度信息以及所述至少一个电脉冲的幅度信息；

使用以下来估计所述转子速度：与至少两个电脉冲相对应的所接收的电流测量、电脉冲宽度数据、以及所述至少两个电脉冲的电脉冲幅度宽度信息以及所述至少两个电脉冲的幅度信息；以及

在实际转子速度降低至零之前，使用所估计的所述转子速度和位置来操作所述变流器，以向所述定子施加电压。

2.根据权利要求1所述的***，其中由所述变流器控制器接收的所述电特性是从变流器流到所述同步磁阻电机的电流的测量。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述变流器是AC/AC变流器，所述AC/AC变流器被构造为：从所述电源接收AC电力，将所接收的AC电力转换为DC电力，将所述DC电力转换为AC电力，以及向所述同步磁阻电机提供经转换的AC电力。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述电脉冲是相对于所述定子的静止参考系的等效电压矢量，并且每个电脉冲的所述宽度小于所述定子的时间常数。

5.根据权利要求4所述的***，其中所述电脉冲在转子的一转内被传输到所述同步电机。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述变流器控制器被构造为：接收v/f比率数据，使用标量控制来操作所述变流器，并且使用所述v/f比率数据和所估计的定子频率来计算要被逐渐地施加到所述定子的所述电压。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述同步磁阻电机被构造为驱动高惯性负载。

8.一种控制设备，被构造为操作被耦合到同步磁阻电机的变流器，并且接收从所述变流器流到所述同步磁阻电机的电流的测量，所述控制设备包括：

变流器控制器，被构造为：

检测电源恢复事件；

操作所述变流器，以便向所述同步磁阻电机的所述定子传输相对于静止参考系的一系列电压矢量；

在所述电压矢量中的每个电压矢量的所述传输之后，接收电流测量；

使用所述电压矢量的特性和与至少一个电压矢量相对应的所接收的所述电流测量来估计所述转子位置，

使用所述电压矢量的所述特性和与至少两个电压矢量相对应的所接收的所述电流测量来估计所述转子速度；以及

操作所述变流器以便向所述定子施加电压，所述电压使用所估计的所述转子速度和位置而被计算。

9.根据权利要求8所述的控制设备，其中所述电脉冲的宽度被构造为防止所述同步磁阻电机中的过电流。

10.根据权利要求8所述的控制设备，其中所述转子速度和位置通过消除所述电流测量的DC偏移分量并且将所述电流测量变换到所述静止参考系而被估计。

11.根据权利要求8所述的设备，其中使用所估计的所述转子速度和位置而被计算的施加到所述定子的电压从0增加到命令电压值。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述设备使用标量控制来控制所述变流器，并且所述命令电压值使用所述同步磁阻电机的v/f比率额定值和所估计的频率而被计算。

13.根据权利要求8所述的设备，其中不需要所述同步磁阻电机的电感值来估计转子位置和转子速度。

14.一种用于在电力故障之后重启具有转动转子的同步磁阻电机的方法，所述方法包括：

利用控制***来检测电力恢复事件；

利用所述控制***来操作变流器，以便将具有预先确定的宽度和预先确定的幅度的一系列电脉冲传输到所述同步磁阻电机的所述定子；

利用所述控制***来计算对所述系列电脉冲的电流响应；

使用与至少一个电脉冲相对应的所计算的所述电流响应、电脉冲宽度数据以及电脉冲幅度数据，利用所述控制***来估计所述转子位置；

使用与至少两个电脉冲相对应的所接收的电流测量、电脉冲宽度数据以及电脉冲幅度数据，利用所述控制***来估计所述转子速度；以及

利用所述控制***来操作所述变流器，以便在实际转子速度降低至零之前，使用所估计的所述转子速度和位置来向所述定子逐渐地施加电压。

15.根据权利要求14所述的方法，其中估计所述转子位置包括：通过将所述同步磁阻电机定子绕组的一个相的所述电流测量进行平均来标识DC偏移电流，并且消除所述DC偏移电流。

16.根据权利要求14所述的方法，包括使用电流反馈回路来稳定所述变流器的电流。

17.根据权利要求16所述的方法，包括继续所述变流器的正常操作。

18.根据权利要求17所述的方法，其中继续所述变流器的正常操作包括：通过使用被提供给所述控制***的转子速度参考值来确定标量控制方法的电压和频率控制值、使用所述标量控制来操作所述同步磁阻电机。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述变流器***作以传输一系列电脉冲，使得所述电脉冲在所述转子的一转内被传输到所述同步磁阻电机的所述定子，并且使得每个电脉冲的所述宽度不在所述同步电机中引起过电流。

20.根据权利要求14所述的方法，其中所述控制***使用标量控制来操作所述同步磁阻电机。