CN113839590A - 调节旋转电流电机的方法和用于该方法的旋转电流机*** - Google Patents

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Abstract

用于控制电动旋转电流机(3)的旋转电流机***和方法，所述旋转电流机(3)特别是感应机(2)，具有转子、定子和至少两个相绕组(U，V，W)，其中，将至少一个电信号、特别是电压信号(UU，V，W(t))施加到旋转电流机(3)的至少一个相绕组(U，V，W)上，优选的是施加到所有相绕组(U，V，W)上，并且测量所述至少一个相绕组(U，V，W)中的电流波形(iU，V，W(t))，其中，使用互调信号分量(θinter)来控制旋转电流机(3)，互调信号分量(θinter)是通过开槽效应和磁饱和效应在旋转电流机中感应的，并根据在所述至少一个相绕组(U，V，W)中测得的电流波形(i(U,V,W)(t))确定。

Description

调节旋转电流电机的方法和用于该方法的旋转电流机***
技术领域
本发明涉及一种用于控制电动旋转电流机、特别是感应机的方法，这种电动旋转电流机具有转子、定子和至少两个相绕组，其中，至少一个电信号、特别是电压信号被施加至旋转电流机的至少一个相绕组上，优选施加至所有相绕组上，并且测量或确定所述至少一个相绕组中的电信号波形，特别是电流波形。
本发明还涉及一种用于执行这种方法的旋转电流机***。
背景技术
在旋转电流机的现代控制方法中，通常需要知道转子的角位置。为了获得该信息，可以使用增量式旋转编码器、绝对式旋转编码器或分解器等传感器，这些传感器可能基于各种物理原理。然而，所有类型的旋转编码器的缺点是增加额外的成本。此外，旋转编码器的使用寿命有限，往往小于旋转电流机的计划使用寿命。三相驱动器的疑似故障通常是由于此类传感器的故障造成的。然而，故障和停机时间，例如铁路线上故障列车的故障和停机时间，可能牵涉到相当大的努力和高昂成本，因此，应尽可能避免。
为了避免在旋转电流机或三相驱动器中使用这种传感器，开发出了所谓的无传感器控制方法，其中，可以根据旋转电流机中各电气变量的波形确定流动链的角位置，而无需使用转子角度或转速传感器。在这些过程中，激励信号通常通过转换器施加，机器的响应信号作为激励信号的结果进行测量。借助于适当的评估，可以确定转子的角位置或转速。
无传感器控制方法利用以下事实：旋转电流机表现出因为其设计原因或在工作过程中由于电或磁效应造成的不对称性，所述不对称性会随时间和位置而变化。不对称性的变化通常会导致电感发生变化，因此可以通过例如电流上升的变化检测出来。文献WO99/39430A1描述了一种无传感器控制方法。
与设计相关的不对称性的一个例子是永磁激励同步机(PSM)的转子，它在某些特定位置具有永磁体，它们与周围有铁的区域相比具有更低的相对磁导率，因此相对于有铁区域，增加了永磁体区域中的磁阻。当PSM转子旋转时，沿气隙周边的磁阻随时间和位置变化，该变化表现为电感的变化。
电或磁不对称性的例子是旋转电流机中磁通路径的局部饱和现象。
旋转电流机中与转子相关的不对称性越弱，不使用传感器检测转子旋转角的变化就越困难。不使用传感器(即，不使用上述类型的传感器，诸如增量旋转编码器)确定感应机转子的角位置尤其困难，这是因为感应机，尤其是与同步机相比，具有更低的不对称性。在异步机中，通常将所测电流波形中包含的槽信号分量与其他信号分量隔离开并且进行评估，或者使用饱和信号。槽信号分量是由于转子槽旋转经过定子槽以及相关电感变化造成的。因为经过的槽所引起的电感变化比较小，所以槽信号分量通常很小，因此，依据感应机的工作状态和设计，可能难以识别槽信号分量并从其他信号分离出来。特别是随着感应机负载的增加，很难或不可能将槽信号分量与其他信号分量区分开。
发明内容
鉴于这些评论，本发明的目的是减轻甚至完全消除现有技术的缺点。特别是，本发明的目的是提供一种上述类型的方法，其中，旋转电流机(特别是感应机)的转子的角位置和/或转速，可以以改进的方式通过至少一个电信号波形而确定，而且可以在很宽的转速和负载范围内确定。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。因此，根据本发明，规定：在上述类型的方法中，通过开槽和磁饱和效应在旋转电流机中感应的互调信号分量，用于控制旋转电流机，互调信号分量根据所述至少一个相绕组中测量或确定的电信号波形确定。互调信号分量尤其是可以用于确定转子位置，即转子的角位置，转子角位置随后可用于控制旋转电流机。优选的是，至少一个电流波形被测量或确定，并用作电信号波形。出于这个原因，以下评述针对的是测得的电流波形。然而，也可以使用测量或确定的电压波形。确定旋转电流机的所述至少一个相绕组中的信号波形、尤其是电流波形，可以例如通过测量转换器的直流链路(中间电路)中、转换器的电源中或转换器机器侧的入口端中的电流和/或电压来进行。特别是，旋转电流机的相电流可以基于中间电路电流来确定。由于该方法特别适用于具有至少部分类似异步电机特征的感应机或电机(例如具有阻尼笼的同步电机)，因此以下评论主要针对的是感应机。在一个优选实施例中，电动旋转电流机可以具有两个、三个或多于三个相绕组。电动旋转电流机优选是三相机。本发明基于以下发现：如下文进一步解释的，在互调信号分量和表示转子角位置或转速的槽信号分量之间存在一定的数学或物理关系，因此，控制信号和位置信号可以从互调信号分量导出并用于控制旋转电流机。于是，通常难以确定的槽信号分量不再需要直接使用。在旋转电流机响应激励信号的信号响应中的互调信号分量，在大多数旋转电流机工作状态下都明显大于槽信号分量，因此，可以更容易地识别并与其他信号分量分开。可以在时域和/或频域中评估互调信号分量。特别是，转子的角位置和/或转速随后可以由互调信号分量确定。为此，还可以使用饱和信号分量并将其与互调信号分量相关联(见下文)。互调信号分量主要是由旋转电流机的转子或定子的槽效应以及由旋转电流机内磁通路径的磁饱和效应引起的。在大多数工作状态下，互调信号分量与槽信号分量及饱和信号分量相比具有不同的基频。所描述的效应进而引起分离的信号分量，这些信号分量也包含在至少一个测得的电流波形中。电流波形中由旋转电流机的转子和定子开槽产生的信号分量称为“槽信号分量”。槽信号分量的基频通常基本上对应于转子的旋转频率的N倍，其中，N对应于转子的槽数。在电流波形中感应的、由旋转电流机内磁通路径的磁饱和的暂时和局部变化所引起的信号分量，称为“饱和信号分量”。饱和信号分量的基频通常基本上对应于电机基频或工作周期的两倍。通过将上述两种效应物理地组合起来，它们在旋转电流机中的信号分量也被组合起来，从而产生互调信号分量，其频率在大多数工作状态下不同于饱和信号分量的频率和槽信号分量的频率(互调)。所描述互调效应尤其出现在异步机和具有至少部分类似异步机特征的电动机中，这就是为什么根据本发明的方法特别适用于控制异步机的原因。在从现有技术已知的先前应用中，机器对激励信号的响应中的互调信号分量被认为是干扰分量并被消除。如已经提到的那样，本发明基于以下发现：在互调信号分量和表示转子角位置和转速的槽信号分量之间存在相关性，因此，互调信号也适用于控制旋转电流机。互调信号分量、槽信号分量和饱和信号分量的频率之间的关系为
ωinter＝±ωsta-ωslot， (1)
其中，ωinter是互调信号分量的频率，ωsat是饱和信号分量的频率，ωslot是槽信号分量的频率。等式(1)中ωsat的符号取决于旋转电流机的构造和设计。为了通过计算从互调信号分量中恢复槽信号分量，可以特别使用饱和信号分量，优选是其基频。饱和信号分量可以根据旋转电流机的相绕组中的电流确定。除了基频之外，所提到的信号分量也可能具有谐波，但为了简化解释而且因为它们的影响很小，这些谐波将被忽略。本发明还基于以下发现：互调信号分量和槽信号分量之间的相关性可用于通过互调信号分量确定转子的角位置和/或转速，而无需确定或使用直接来自电流波形的槽信号分量。因此，互调信号分量可以有利地用于所有需要了解转子角位置或流动链角位置的控制方法中。与本发明相反，在现有技术中，互调信号通常作为干扰信号被消除，并且槽信号分量或饱和信号分量被直接用于控制。
如果电信号、尤其是电压信号被施加到旋转电流机的所有相绕组，并且每个相绕组所产生的电流波形被确定，尤其是被测量、评估并且被用于确定互调信号分量，则是特别有利的。所施加的电信号尤其是可以包含激励信号。机器对激励信号的响应允许获得关于机器工作状态的信息，从而可以确定互调信号分量。可以提供不同类型和形状的激励信号。激励信号可以是例如电压信号，其被施加(无论如何)以在气隙中产生旋转场。激励信号可以是转换器的功率半导体的开关操作的结果，例如PWM(脉宽调制)或类似方法。通过开关操作，转换器在气隙中产生旋转场。于是，可以将激励信号整合到旋转场激励中。例如，PWM的载波频率或其谐波也可以被认为是并用作激励信号。于是，开关序列的若干部分用于操作旋转电流机，并且确定和评估它们的电流波形。激励信号也可以是与用于产生旋转电流机的旋转场的开关序列无关的激励信号或测试信号，这些激励信号或测试信号被施加在用于在气隙中产生旋转场的开关序列之间，并且/或者叠加在它们上。矩形脉冲优选用作激励信号，因为它们可以使用转换器容易地产生。激励信号也可以是例如正弦的、瞬态的、脉冲的和/或旋转的信号。激励信号本身也可以是PWM调制的。唯一重要的一点是，可以确定机器对激励信号(例如电流波形)的响应，这使得可以得出关于前面提到的旋转电流机不对称性变化的结论。优选的是，当施加的激励信号不是用于操作旋转电流机的开关序列的一部分时，即，不是用于产生旋转磁场时，激励信号的频率以如此的方式被选择，使得它们对气隙中产生的旋转场或扭矩没有影响，或影响最小。
在一个优选实施例中，规定：转子的角位置和/或转速由互调信号分量确定，并且角位置和/或转速被用于控制旋转电流机。例如，可以使用公式(1)来确定转速。因此，在确定角位置和/或转速时，可以使用饱和信号分量，特别是其角度或其角度表示。在一个实施例中，通过对角速度ωslot进行积分，可以通过逆计算恢复转子的角位置。角位置可以尤其用于表示在控制方法中调节所需的物理量，特别是电气量。
优选的是，互调信号分量由所述至少一个时间电流波形、特别是其变化率确定。在不同相位的多个电流波形进行可能组合之后，也可以通过数学方程确定相应的变化率。
另一实施例规定：在旋转电流机的至少两相绕组中，特别是在三相绕组中，确定电流波形，特别是它们的变化率，并且借助于数学方程、特别是用于计算空间矢量的方程，对所述电流波形(优选地，它们的变化率)进行组合，以形成组合信号，并且从该组合信号中确定互调信号分量。测得的电流波形优选是离散时间信号。然而，测得的电流波形也可以是时间连续的信号。也可以使用电压波形代替电流波形。
在确定旋转电流机内部状态时，由于电气关系
Figure BDA0003120699570000051
所以，如果电流波形的变化率通过数学方程组合或组合后确定组合信号的变化率，这是很方便的，因为允许评估转子角位置或转速的不对称性可以尤其通过电感的变化来确定，而电感L与电压u(t)除以电流变化率di(t)/dt有关。如果施加的电信号基本上是正弦电压信号，则测得的电流值，特别是幅值或RMS值，也可以基本上直接使用和组合，这是因为基于复数AC计算，根据等式(2)的关系简化为
U(t)＝jωLI(t) (3)
其中，U还是表示电压，j表示虚数单位，ω为角速度/频率，L为电感，I为电流。作为用于关联电流波形、特别是它们变化率的方程，可以使用用于计算空间矢量的方程，例如
Figure BDA0003120699570000061
或者
Figure BDA0003120699570000062
其中，iU,V,W(t)表示旋转电流机的相绕组U、V、W中的电流波形(或diU,V,W(t)/dt其一阶时间导数)，j表示虚数单位，e表示欧拉数，π表示圆常数。在这种情况下，组合信号
Figure BDA0003120699570000063
是一个复向量，相当于一个空间矢量。空间矢量用于将物理量、特别是多相***的量映射在具有实部和虚部的复平面中。然后可以从组合信号中确定互调信号。
在一个实施例中，规定：通过消除其他信号分量，优选的是通过消除由于磁饱和效应引起的饱和信号分量以及/或者由于旋转电流机中开槽效应引起槽信号分量，优选从组合信号分量中提取互调信号分量。换言之，将互调信号分量隔离出来。还可以消除其他的信号分量。消除互调信号之外的信号分量可以通过例如滤波来执行。消除也可以通过减去不需要的信号分量来进行。例如，可以对频率、幅值和相位中不需要的信号分量进行估计，然后从电流波形或相关联的电流信号中减去。这可以例如通过机器的在先识别和使用成本函数来执行，例如W.Fahrner、M.A.Vogelsberger和T.Wolbank在“Identification andCompensation of High-order Harmonic Distortions in Saliency Based SensorlessControl of Induction Machines”(“基于显著性的感应机无传感器控制中高阶谐波失真的识别和补偿”)中描述的那些方法，或Brown、Ian Paterson和Robert D.Lorenz在“Induction Machine Design Methodology for Self-Sensing:Balancing Salienciesand Power Conversion Properties”(“自感测的感应机设计方法：平衡显著性和功率转换特性”)中描述的方法。
在一个实施例中，规定：根据互调信号分量的角度，通过将互调信号分量的角度与包含在电流波形中的饱和信号分量的角度例如借助于计算规则
θslot(t)＝-θinter(t)±θsat(t) (5)
结合起来，确定槽信息，特别是槽角。
其中，θslot(t)对应于计算出的槽角，θinter(t)对应于互调信号分量的角度，而θsat(t)对应于饱和信号分量的角度。以此方式确定的槽角θslot(t)基本上对应于槽信号分量的角度。换言之，通过组合互调信号分量的角度θinter(t)和饱和信号分量的角度θsat(t)，确定或计算槽角θslot(t)。角度θslot(t)、θinter(t)和θsat(t)可以是相位角，特别是各个效应的基频的相位角。饱和信号分量的角度θsat(t)可以通过将定子电流的角度加倍来确定，其中，可以提供与负载相关的偏移值用于校正。偏移值可以例如通过从对旋转电流机的测量值导出的成本函数来确定。
为了计算机械转子角位置，在一个实施例中可以规定：转子的机械角位置通过将槽角除以转子的槽数来确定。优选的是，槽数对应于转子的总槽数。
在使用根据本发明的方法进行实验的过程中发现：互调信号分量的角度可以表现出作为旋转电流机转速和/或负载的函数的偏差，使得根据互调信号分量确定的转子角位置可能偏离实际角位置。因为这个原因，例如，使用互调校正值，作为旋转电流机负载、特别是扭矩和/或转速的函数，校正互调信号分量的角度，可能是有利的。互调校正值可以在应用该方法之前例如通过对机器进行测量或通过计算确定，并存储在例如表格中，或者通过数学函数建模。
此外，实验表明，饱和信号分量的角度也可以显示出作为旋转电流机的转速和/或负载的函数的偏差。因为这个原因，可以规定：饱和信号分量的角度可以使用饱和校正值作为旋转电流机负载、尤其是扭矩和/或转速的函数进行校正。饱和校正值可以在应用该方法之前例如通过对机器进行测量或通过计算确定，并存储在例如表格中，或者通过数学函数建模。
在一个实施例中可以规定：施加到旋转电流机上的电信号具有基本上与旋转电流机的旋转场的基频分量无关的激励信号，激励信号的时间基频优选为用于产生旋转电流机的旋转场的相绕组(U，V，W)中电压基频的时间频率至少五倍高，更优选的是至少十倍高。优选的是，激励信号是电压信号。在另一实施例中，激励信号的基频是感应机的工作滑差频率的至少两倍。激励信号也可以由基本上为矩形的电压脉冲序列(阶跃函数)产生，该序列既可以通过转换器的若干单个开关操作形成，也可以通过具有沿时间轴为阶梯形和/或不同占空比的多个单独脉冲的组合形成。
在一个实施例中规定：电激励信号是电流信号，并且评估旋转电流机的响应，尤其是旋转电流机上的电压，以确定互调信号分量。
上述目的还通过根据权利要求10所述的旋转电流机***实现。三相***包括：
-具有转子、定子和至少两个相绕组的旋转电流机，尤其是感应机；
-功率单元，特别是转换器，其电连接到旋转电流机，其中，功率单元被配置为将激励信号、特别是电压信号或电流信号施加到旋转电流机的至少一个相绕组，优选所有相绕组上；
-至少一个测量装置，其被配置为测量或确定至少一个相绕组中或转换器的直流链路中或转换器的电源中或转换器的机器侧入口端中的机器响应的时间波形，特别是电流波形或电压波形；
-控制单元，其被配置为基于由旋转电流机中开槽和磁饱和效应引起的互调信号分量控制旋转电流机，该互调信号分量包含在所述至少一个测得的电流波形中，尤其是包含在它的变化率中。
该旋转电流机***被配置为执行上述方法。因此，关于优点、技术效果以及其他特征，可参见上述方法。功率单元可以借助于开关操作产生激励信号。为此，功率单元可以包括多个电开关，例如半导体开关。测量装置可以包括至少一个电流或电压测量传感器。优选的是，测量装置可用于确定旋转电流机所有相的电流波形。为此，可以在旋转电流机的每个相绕组中设置电流测量传感器。对于m个相绕组，也可以只在m-1个相绕组中设置电流测量传感器，并且使用节点法则计算第m相绕组的电流。
旋转电流机的相电流也可以通过转换器的直流链路中、转换器的电源中或转换器的机器侧入口端中的测量值进行确定或计算。
例如，控制单元可以是独立单元或另一单元的一部分，特别是微处理器。控制单元可以集成在转换器中。旋转电流机的相绕组形成线圈，或连接至可以在旋转电流机的转子和定子之间的气隙中产生磁通量的线圈。
附图说明
在下文中，本发明通过参考附图进行描述，但并不意图受其限制。
图1示出的是具有转换器和旋转电流机的旋转电流机***的示意图；
图2示出的是感应机的横截面图；
图3A示出的是一个示例性激励信号的示意图；
图3B示出的是响应于根据图3A的激励信号的示意性电流波形(在不同的转子位置)；
图4A示出的是时域中的组合信号，其由旋转电流机的所有相绕组的电流波形的组合产生；
图4B示出的是频域中的图4A的组合信号；
图5示出的是组合信号的实数分量；
图6示出的是互调信号分量的实数分量；
图7A-7D示出的是旋转电流机在其不同工作状态下的不同信号波形；
图8A-8C各图示出的是校正值的波形；
图9示出的是作为本发明一个示例实施方式的电路框图；
图10A-10C图示的是激励信号和产生的电流波形。
具体实施方式
下面基于对感应机的应用进一步详细解释根据本发明的方法。
图1示出的是旋转电流机***1的示意图，其中旋转电流机3设计为由转换器4驱动的感应机2，转换器4具有多个电子开关(未示出)，例如半导体开关。转换器4被配置为通过适当的开关操作在输出端6处输出具有预定频率、幅值和(零)相角的电压。转换器4的输出端6连接到感应机2的相绕组U、V、W。由于转换器4产生的电压，在转子21和定子20(见图2)之间的感应机2的气隙中产生旋转磁场，旋转磁场在感应机2的转子21中感应出电压，并由于产生的转子电流使转子旋转。
感应机2在图1中作为电路图示意性地示出。感应机2具有三相绕组U、V、W，三相绕组U、V、W分别具有相绕组电阻RU、RV、RW和相绕组电感LU、LV、LW。电压EU、EV、EW表示在感应机2的定子20中感应的电压(反电动势)。在相绕组U、V、W中流动的电流IU、IV、IW可以使用测量装置8a或8b的电流测量传感器7a和/或7b分别测量或确定。相电流也可以使用电流测量传感器7b(例如基于流入转换器4的电流)确定。可能的情况是，在每个相绕组U、V、W中都提供电流测量传感器7a。电流测量传感器7a或7b可以集成到转换器4中，或者可以是独立的元件。借助于电流测量传感器7a和/或7b，可以确定相绕组U、V、W中电流IU、IV、IW的时域电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)。
图2示意性地示出了没有绕组的感应机2的横截面，其具有定子20、转子21，以及转子21和定子20每一个上面的槽23。为了图示，指出了转子21的角位置θmech(t)。
如上所述，感应机2表现出可根据时间和位置而变化的不对称性，从而允许获得关于角位置θmech(t)和/或转子21的转速的信息。这种不对称性的一个示例是转子21和/或定子20的开槽23。不对称的另一个例子是感应机2中磁通路径的饱和。这两种不对称性都导致感应机2工作中的时间和空间电感变化，这些变化可以通过评估电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)来确定。例如，在一个用于图示说明不对称性的大幅简化的模型中，可以假设，例如，相绕组U、V、W中的三相绕组电感LU、LV、LW均具有平均值L0，并且作为转子21的机械角位置θmech(t)的函数，按正弦方式(幅值LM)偏离该平均值L0：
LU(θmech(t))＝LU，0+LU，Msin(θmech(t)) (6A)
Figure BDA0003120699570000101
Figure BDA0003120699570000102
转子21的角位置θmech(t)的变化因此也改变了电感LU、LV、LW。因此，可变电感分量也可以称为调制电感。电感LU、LV、LW的变化可以例如由转子21或定子20的槽23以及/或者旋转电流机3中磁铁路径的磁饱和引起。
迄今为止，确定感应机2的转子21的角位置θmech(t)是一项重大挑战，这是因为：感应机2具有小得多的不对称性，特别是与大多数同步电机相比，从而在工作中具有小得多的电感波动。
为了确定电感变化，将电信号、优选电压信号UU(t)、UV(t)、UW(t)施加到感应机2的相绕组U、V、W上，并且使用电流测量传感器7测量产生的电流波形iU(t))、iV(t)、iW(t)。由转换器4施加的用以操作感应机2的电压或电压脉冲可以用作电压信号UU(t)、UV(t)、UW(t)。电信号可以包含用以确定旋转电流机3的工作状态的激励信号9。激励信号9可以基本上独立于旋转电流机3的旋转场的产生。这里，可以使用激励信号9，激励信号9被施加在由转换器4产生的用于产生旋转场的电压(脉冲)之间，或者叠加在它们上。还可以使用电压波形，其频率高于用于产生旋转场的基频分量的频率。
在图10A至图10C中，图示说明了在旋转电流机3的相绕组U、V、W中施加示例激励信号9和所产生的电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)。这里可以忽略任何欧姆电阻。图10A-C示出了转换器4的两个开关位置，利用转换器4可以产生具有正电压+U和负电压-U的矩形激励信号9(幅值VDC)。如果如图10B所示，施加这样的激励信号9，其在图10A的上部部分图像中随时间变化t示出，则在电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)得到相应的电流增量diU/dt、diV/dt、diW/dt。在图10B中，示出了每个相绕组U、V、W的电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)和电流斜率diU/dt、diV/dt、diW/dt。具有施加的激励信号9的电压+U和-U的感应机2的电气等效电路图示出在图10A的下方两个图像中。如果施加激励信号9，具有正电压+U(具有根据图1的电气符号约定)，则正电流斜率diU/dt开始时出现在相绕组U中(于是跨越相绕组电感LU为正电压降)，负电流斜率diV/dt或diW/dt出现在每个相绕组V和W中(于是跨越相绕组电感LV和LW为负压降)。对于激励信号9的负电压-U，情况相反。
因为旋转电流机3中的不对称性而导致不同的相绕组电感LU、LV、LW，获得了电流斜率diU/dt、diV/dt、diW/dt的附加偏差。该附加偏差未在图10B中示出，但可以在图3B中看到。
在一个实施例中，诸如图3A中所示的那些矩形激励信号9，被施加到感应机2的相绕组U、V、W，用以确定电感。图3A示出了归一化形式的激励信号9。激励信号9可以被例如施加在被施加用来在感应机2中产生旋转场的电压脉冲之间，作为这种激励信号9的结果，由于等式(2)中所示的关系，在相绕组U、V、W中出现电流斜率diU/dt、diV/dt、diW/dt。这里通常可以忽略任何欧姆电阻。
在图3B中，作为一个示例，在不同时间处并因此针对旋转电流机3的不对称性造成的不同相绕组电感LU(参见等式6A-6C)，示出了相绕组U中的相电流IU的三个不同电流斜率diU/dt。类似的图示说明也适用于其余的相绕组V和W。图中所示的图示说明已被简化，旨在示意性地说明电感确定原理。电流波形iU(t)、iV(t)、iW(t)随时间的变化允许获得关于电感LU、LV、LW变化的信息。
相绕组U、V和W中的电流斜率diU/dt、diV/dt、diW/dt优选的是以规则间隔确定，可以接着使用数学方程组合成组合信号
Figure BDA0003120699570000111
然而，特别是在正弦激励信号9的情况下，也可以使用和组合电流IU、IV、IW的电流值，即幅值或RMS值或瞬时值。优选的是，使用计算空间矢量的数学方程来组合电流波形，例如
Figure BDA0003120699570000121
组合信号
Figure BDA0003120699570000122
也可以称为“显著性信号”。当信号
Figure BDA0003120699570000123
作为空间矢量进行计算时，
Figure BDA0003120699570000124
表示一个张量。
图4A示出了张量
Figure BDA0003120699570000125
的轨迹，其中，横坐标和纵坐标均表示以安培/秒(A/s)为单位的幅值。横坐标代表信号
Figure BDA0003120699570000126
的实部，纵坐标代表虚部。
图4B图示说明了频域中的图4A所示信号
Figure BDA0003120699570000127
其中，横坐标绘制的是信号的谐波Nharmonisch。从图4B中可以看出，
Figure BDA0003120699570000128
包含三个不同的信号分量。第一个明显信号分量由槽信号分量
Figure BDA0003120699570000129
形成，其可归因于旋转电流机3的转子21和定子20的槽23。第二个明显信号分量由饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001210
形成，其可归因于旋转电流机3中磁通路径的饱和。第三个显著信号分量由互调信号分量
Figure BDA00031206995700001211
形成，其可归因于槽信号分量
Figure BDA00031206995700001212
和饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001213
的物理互联。槽信号分量
Figure BDA00031206995700001214
饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001215
和互调信号分量
Figure BDA00031206995700001216
各自具有不同的基频。
在现有技术中，在使用槽信息的无传感器控制中，互调信号分量
Figure BDA00031206995700001217
和饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001218
之前作为干扰信号被消除，槽信号分量
Figure BDA00031206995700001219
用于确定转子的角位置和/或转速。然而，从图4B中可以看出，在当前情况下，槽信号分量
Figure BDA00031206995700001220
与其他信号分量相比相对较小。因此，可能难以识别和提取槽信号分量
Figure BDA00031206995700001221
特别是在旋转电流机3的负载更高时。在图4B中，槽信号分量
Figure BDA00031206995700001222
已经具有与饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001223
近似相同数量级的高次谐波幅值。
根据本发明，因此规定：不直接使用槽信号分量
Figure BDA00031206995700001224
来控制旋转电流机3，而是使用互调信号分量
Figure BDA00031206995700001225
及其间接包括的槽或转子角度信息来控制电动旋转电流机2。根据本发明的方法可以在控制单元12(见图1)中实施。互调信号分量
Figure BDA00031206995700001226
是
Figure BDA00031206995700001227
信号在宽转速范围内的主要信号分量，因此可以很容易识别。本发明基于的发现是：互调信号分量
Figure BDA00031206995700001228
的基频与槽信号分量
Figure BDA00031206995700001229
的基频之间存在一定关系，允许获得关于转子21角位置和/或转速的信息。该关系可以用等式(1)来描述
ωinter＝±ωsat-ωslot， (1)
其中，ωinter表示互调信号分量
Figure BDA0003120699570000131
的基频，ωsat表示饱和信号分量
Figure BDA0003120699570000132
的基频，ωslot表示槽信号分量
Figure BDA0003120699570000133
的基频。ωsat的符号取决于旋转电流机3的设计和构造。
为了确定可用于控制旋转电流机2的转子的角位置，要将互调信号分量
Figure BDA0003120699570000134
与其他信号分量分开，即：基本上隔离开，例如通过滤波，或者对不需要的信号分量进行估计并且减去。角度θinter(t)由信号
Figure BDA0003120699570000135
特别是其基频确定。该角度可以是随时间变化的相位角。例如，这可以使用PLL(锁相环)来实现。此外，确定饱和信号分量
Figure BDA0003120699570000136
的角度θsat(t)，特别是相位角，尤其是根据其基频进行确定。为获得槽角的计算角度θslot(t)，将两个角度θsat(t)和θinter(t)组合在一起，例如，使用等式
θslot(t)＝-θinter(t)±θsat(t) (5)
在本公开内容中，θ用于指代角度，而
Figure BDA0003120699570000137
表示信号或信号分量。由等式(5)确定的槽角θslot(t)本质上是槽信号分量
Figure BDA0003120699570000138
的计算角。通过将槽角θslot(t)除以转子的槽数N，可以根据θslot(t)确定转子21的机械角位置θmech(t)。θmech(t)随后可用于例如控制旋转电流机3。例如，θmech(t)可用于表示转子参考坐标系中的电变量，或用于控制转子的角位置(角位置控制)和/或转速(速度控制)。
图5示出的是以秒为单位的组合电流信号
Figure BDA0003120699570000139
的实分量时间波形。该信号包含槽信号分量
Figure BDA00031206995700001310
饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001311
和互调信号分量
Figure BDA00031206995700001312
图6示出的是互调信号分量
Figure BDA00031206995700001313
的实部的时间波形，以秒为单位，其中，槽信号分量
Figure BDA00031206995700001314
和饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001315
已经被消除。但是，显示的信号仍然包含其自身的谐波和其他信号分量的谐波。
图7A-7D示出的是感应机2在不同时间的不同工作状态的信号波形。以秒为单位的时间t绘制在所有图7A-7D中的横坐标上。图7A示出了互调信号分量
Figure BDA00031206995700001316
的实部10和虚部11。图7B示出了转子21随时间变化的以每分钟转数(rpm)为单位的机械转速ωmech。图7C示出了由旋转电流机3产生的随时间变化的相对于标称扭矩的扭矩。图7D示出了通过根据本发明的方法确定的转子机械角位置θmech(t)与使用旋转编码器确定的以度为单位的机械角位置之间的角偏差θdev。在图7D中，很明显，根据本发明的方法可用于确定转子的机械角位置θmech(t)，该角位置显示出与实际(测得的)机械角位置的偏差小于1°。
实验表明，通过考虑互调信号分量
Figure BDA0003120699570000141
的角度θinter(t)和饱和信号分量
Figure BDA0003120699570000142
的角度θsat(t)对于旋转电流机3的转速和/或负载的相关性，可以进一步提高根据本发明的方法的精度。已经表明了，互调信号分量
Figure BDA0003120699570000143
的角度θinter(t)和饱和信号分量
Figure BDA0003120699570000144
的角度θsat(t)可以显示出作为旋转电流机3负载、特别是扭矩M函数的偏差。在一个实施例中，因此可以规定：借助于互调校正值θinter_corr，互调信号分量
Figure BDA0003120699570000145
的角度θinter(t)作为旋转电流机3负载、特别是扭矩M的函数得到校正。图8A中示出了旋转电流机3中θinter_corr对于扭矩M的相关性(单位为相对于额定扭矩的％)。
还可以规定：饱和信号分量
Figure BDA0003120699570000146
的角度θsat(t)借助于饱和校正值θsat_corr作为旋转电流机3的负载和转速、特别是扭矩M的函数进行校正。图8B中示出了旋转电流机3中θsat_corr对于扭矩M的相关性(单位为相对于额定扭矩的％)。
互调信号分量
Figure BDA0003120699570000147
的角度θinter也可能取决于旋转电流机3的转速(见图8C)。除了扭矩相关性之外或作为扭矩相关性的替代，还可以借助于互调校正值θinter_corr来考虑这种相关性。
图9示出了根据本发明的方法的一种可能实施方式的示意图。在所示的示例性实施例中，所使用的输入变量是互调信号分量
Figure BDA0003120699570000148
电角度θele(t)、扭矩M和机械角速度ωmech。θele(t)表示定子电流的基波分量的角度，并且可以根据测得的相电流IU、IV、IW确定，例如作为空间矢量。ωmech可以根据互调信号分量
Figure BDA0003120699570000149
确定。通过将电角度θele(t)乘以一个优选为2的因子，可以获得饱和信号分量
Figure BDA00031206995700001410
的角度θsat(t)，该角度可以借助于之前确定的饱和校正值θsat_corr得到校正。借助于锁相环(PLL)信号处理单元，可以根据互调信号分量
Figure BDA00031206995700001411
得到互调信号分量
Figure BDA00031206995700001412
的角度θinter(t)，并借助于互调校正值θinter_corr进行校正。通过组合两个角度θinter(t)和θsat(t)，特别是使用等式(5)，可以计算出槽角θslot(t)。在UNWRAP块(展开块)中计算出槽角θslot(t)以给出连贯的角路径(展开相位)，然后除以转子的槽数N以获得转子的机械角位置θmech(t)。然后该机械角位置可以在WRAP块(卷绕块)中再转换回来，使得θmech(t)以角度间隔表示，特别是在[-180°；180°]或[0°；360°]之间(包裹相位)。然后，可以使用θmech(t)来控制旋转电流机3。

Claims (14)

1.用于控制电动旋转电流机(3)、特别是感应机(2)的方法，旋转电流机(3)具有转子(21)、定子(20)和至少两个相绕组(U，V，W)，其中，将至少一个电信号、特别是电压信号(UU，V，W(t))施加到旋转电流机(3)的至少一个相绕组(U，V，W)上，优选的是施加到所有相绕组(U，V，W)上，并且测量或确定所述至少一个相绕组(U，V，W)中的电信号波形，特别是电流波形(iU，V，W(t))，
其特征在于，使用互调信号分量
Figure FDA0003120699560000011
来控制旋转电流机(3)，互调信号分量
Figure FDA0003120699560000012
是在旋转电流机中通过开槽效应和磁饱和效应引起的，该互调信号分量通过在所述至少一个相绕组(U，V，W)中确定或测量的信号波形来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过互调信号分量
Figure FDA0003120699560000013
确定转子的机械角位置(θmech(t))和/或转速，并使用所述角位置(θmech(t))和/或转速来控制旋转电流机(3)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述至少一个信号波形、特别是电流波形(iU，V，W(t))的变化率来确定所述互调信号分量
Figure FDA0003120699560000014
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在旋转电流机(3)的至少两个相绕组(U，V，W)中，特别是在三个相绕组(U，V，W)中，确定电流波形(iU,V,W(t))，特别是其变化率(diU,V,W(t)/dt)，并借助于数学方程将电流波形(iU,V,W(t))、特别是其变化率(diU,V,W(t)/dt)组合在一起，以形成组合信号
Figure FDA0003120699560000015
并且根据组合信号
Figure FDA0003120699560000016
确定互调信号分量
Figure FDA0003120699560000017
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述数学方程是用于计算张量、特别是空间矢量的方程。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过消除其他信号分量，优选的是通过消除由于旋转电流机(3)中的磁饱和效应引起的饱和信号分量
Figure FDA0003120699560000018
和/或由于开槽效应引起的槽信号分量
Figure FDA0003120699560000019
提取互调信号分量
Figure FDA00031206995600000110
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据互调信号分量
Figure FDA0003120699560000021
的角度(θinter(t))，通过将互调信号分量
Figure FDA0003120699560000022
的角度(θinter(t))与包含在至少一个信号波形中的饱和信号分量
Figure FDA0003120699560000023
的角度(θsat(t))组合起来而确定槽角(θslot(t))，例如应用以下计算规则：
θslot(t)＝±θsat(t)-θinter(t)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过将槽角(θslot(t))除以转子的槽数，确定转子的机械角位置(θmech(t))。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，借助于互调校正值(θinter_corr)，作为转子(21)的转速和/或旋转电流机(3)上的负载、特别是扭矩(M)的函数，校正互调信号分量
Figure FDA0003120699560000024
的角度(θinter(t))。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，借助于饱和校正值(θsat_corr)，作为转子的转速和/或旋转电流机(3)上的负载、特别是扭矩(M)的函数，校正饱和信号分量
Figure FDA0003120699560000025
的角度(θsat(t))。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，电信号包括激励信号(9)，所述激励信号(9)基本上独立于旋转电流机(3)的基波的产生，并且激励信号(9)的基频优选是用于产生旋转电流机(3)的基波的相绕组(U，V，W)中电压的基波的时间频率的至少五倍，更优选是至少十倍。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，电信号是电流信号，评估旋转电流机(3)对所述电流信号的响应，以确定互调信号分量
Figure FDA0003120699560000026
13.一种旋转电流机***(1)，包括：
-旋转电流机(3)，特别是感应机(2)，其具有转子、定子和至少两个相绕组(U，V，W)；
-转换器(4)，其电连接至旋转电流机(3)，其中，所述转换器(4)被配置为将电信号、特别是电压信号(UU，V，W)施加到旋转电流机(3)的至少一个相绕组(U，V，W)上，优选是施加到所有相绕组(U，V，W)上；
-至少一个测量装置(8a，8b)，其被配置为测量或确定至少一个相绕组(U，V，W)中的至少一个电信号波形，特别是电流波形(iU，V，W(t)),
其特征在于，
-提供控制单元(12)，其被配置为基于互调信号分量
Figure FDA0003120699560000031
来控制旋转电流机(3)，互调信号分量
Figure FDA0003120699560000032
是由旋转电流机(3)中的开槽效应和磁饱和效应引起的，该互调信号分量
Figure FDA0003120699560000033
包含在至少一个测得的信号波形中。
14.根据权利要求11所述的旋转电流机***(1)，其特征在于，所述控制单元(12)集成在所述转换器(4)中。
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