CN101292163A - 用于高速电动机的速度控制的速度测量系统 - Google Patents

Abstract

一种用于使用移动平均滤波器来测量高速电动机速度的系统。位置传感器产生转子位置信号。信号处理模块根据所述转子位置信号来确定转子角度。速度观察器模块根据所述转子角度来计算原始的电动机速度。滤波器模块根据原始的电动机速度来有选择地产生过滤的电动机速度。频率到周期的变换器模块根据原始的电动机速度和过滤的电动机速度之一来计算转子周期。除法器模块根据所述转子周期来计算移动平均值中的点数目。移动平均滤波器模块使移动平均值的窗口大小适应转子周期。移动平均滤波器从所述原始的电动机速度中移除波纹和所述波纹的谐波。

Description

用于高速电动机的速度控制的速度测量系统

技术领域

本发明涉及高速电动机的速度控制，并且尤其涉及用于测量高速AC电动机的速度的系统和方法。

背景技术

在用于控制电动机速度的反馈控制系统中，所述电动机的速度被测量并反馈到控制系统。图1示出了用于控制AC电动机22的速度的典型系统20。诸如解算器(resolver)24或编码器(未示出)之类的转子位置传感器和信号处理模块26测量转子角度θ_rm。速度测量模块28根据转子角度来确定电动机速度ω_rm。比较器模块30确定在所测量速度ω_rm和命令速度ω_rm ^*之间的差异ω_{rm_err}。所述差异被馈送到速度控制器模块32，用于产生用来使所述差异最小化的转矩命令T_e ^*。根据转矩命令，转矩到电流映射模块34产生命令电流I_ds ^e*和I_qs ^e*。

电流传感器(未示出)测量静止相位电动机电流I_as、I_bs和I_cs。静止到同步相位变换器模块36把电流I_as、I_bs和I_cs转换为d和q轴同步相位电流I_ds ^e和I_qs ^e。

比较器模块38确定在电流I_ds ^e*和I_ds ^e之间的差异。另一比较器模块40确定在电流I_qs ^e*和I_qs ^e之间的差异。根据电流中的差异，电流控制器模块42产生同步相位命令电压V_ds ^e*和V_qs ^e*。

同步到静止相位变换器模块44把电压V_ds ^e*和V_qs ^e*转换为静止相位命令电压V_a ^*、V_b ^*和V_c ^*。根据所述命令电压，逆变器模块46产生用于以命令速度来驱动电动机的三相电压。

应当准确地测量电动机速度，这是因为在所测量的速度中的误差被反馈到控制系统并且可能导致速度波动、系统不稳定以及电动机发热。由于诸如位置传感器的偏心率、电气模块的不准确性等因素，转子角度一般具有周期性误差，如图2所示。从而，根据转子角度所计算的电动机速度具有被称作波纹的波动误差，如图3所示。所述波纹被反馈到速度控制器模块并且使命令电流失真，如图4所示。命令电流中的波纹随后使用于驱动电动机的命令电压失真。结果，电动机速度波动。从而，被测量并反馈到控制系统的电动机电流包含波纹，如图4所示。这使控制系统变得不稳定。电动机速度中的波纹还由于谐波而导致发热和损失。值得注意地是，波纹的幅度与电动机速度成正比。因此，电动机速度波动、控制系统不稳定性和电动机发热在高电动机速度时很高。

传统上，通过使用低通滤波器来使波纹最小化，如图5所示。然而滤波器的截止频率无法被设置为低到完全消除波纹，这是因为低截止频率会在反馈回路中导致延迟。另一方面，还可以通过降低速度控制器、电流控制和速度观察器的控制带宽来使波纹最小化。然而此方法牺牲了控制动态性，并且因此不足以用于高速电动机的速度控制。

发明内容

据此，本发明提供了一种用于测量高速电动机的速度的系统。

依照另一特征，位置传感器产生转子位置信号。

依照另一特征，信号处理模块根据转子位置信号来确定转子角度。

依照另一特征，速度观察器模块计算原始的电动机速度。

依照另一特征，滤波器模块根据原始的电动机速度有选择地产生过滤的电动机速度。

依照另一特征，频率到周期的变换器模块根据原始的电动机速度和过滤的电动机速度之一来计算转子周期。

依照又一特征，除法器模块根据转子周期来计算移动平均值中的点数目。

依照又一特征，移动平均滤波器模块使移动平均值的窗口大小适应转子周期。

依照另一特征，移动平均滤波器从原始的电动机速度中移除波纹和波纹的谐波。

根据以下所提供的详细描述，本发明的进一步适用范围将变得更加清楚。应当理解，详细描述和具体例子虽然表明本发明的优选实施例，不过只意在用于图示目的并且不意在限制本发明的范围。

附图说明

根据以下详细描述和附图，将更加完全理解本发明，其中：

图1是用于图示用来控制电动机速度的典型控制系统的功能框图；

图2是用于图示使用位置传感器所测量的转子角度中的示例性误差的图表；

图3是用于图示根据转子角度所计算的电动机速度的示例性波纹分量的图表；

图4是用于图示使用具有波纹的速度所产生的示例性电流波形的图表；

图5是用于图示使用通过使用低通滤波器所获得的速度信息所产生的示例性电流波形的图表；

图6是用于图示用于使用本发明来控制高速AC电动机速度的控制系统的功能框图；

图7是用于图示用于使用本发明来测量高速AC电动机速度的系统的功能框图；

图8是用于图示在用于依照本发明测量高速电动机系统的速度的方法中所执行的步骤的流程图；

图9是用于图示移动平均滤波器的频率响应的图表；

图10是用于图示在移动平均滤波器的窗口大小和转子速度之间的示例性关系的图表；

图11A是用于图示在低转子速度时的移动平均滤波器的窗口大小和波纹之间的示例性关系的图表；

图11B是用于图示在高转子速度时的移动平均滤波器的窗口大小和波纹之间的示例性关系的图表；

图12是用于图示本发明的速度测量方法的示例性性能的图表；

图13是用于图示在移动平均滤波器和低通滤波器的频率响应之间的示例性比较的图表；

图14是用于图示使用本发明的速度测量方法所获得的示例性电流波形的图表。

具体实施方式

以下具体实施方式实际上仅仅是示例性的并且决不旨在限制本发明、其应用或使用。为了清楚起见，在附图中使用相同的附图标记来标识类似的元素。如这里所用，术语模块、控制器和/或设备指的是专用集成模块(ASIC)、电子模块、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组)和存储器、组合逻辑模块和/或提供所描述功能的其它适当组件。

现在参照图6，电动机速度控制系统100包括电动机22。诸如解算器24或编码器(未示出)之类的位置传感器和信号处理模块26测量转子角度θ_rm。速度测量模块110根据转子角度来确定电动机速度ω_rm。比较器模块30确定在所测量速度ω_rm和命令速度ω_rm ^*之间的差异。差异ω_{rm_err}被馈送到速度控制器模块32，所述速度控制器模块32产生转矩命令T_e ^*来使速度差异最小化。根据转矩命令，转矩到电流映射模块34产生d和q轴命令电流I_ds ^e*和I_qs ^e*。

电流传感器(未示出)测量静止相位电动机电流I_as、I_bs和I_cs。静止到同步相位变换器模块36把电流I_as、I_bs和I_cs转换为d和q轴同步相位电流I_ds ^e和I_qs ^e。比较器模块38确定在电流I_ds ^e*和I_ds ^e之间的差异。另一比较器模块40确定在电流I_qs ^e*和I_qs ^e之间的差异。根据电流中的差异，电流控制器模块42产生同步相位命令电压V_ds ^e*和V_qs ^e*。

同步到静止相位变换器模块44把电压V_ds ^e*和V_qs ^e*转换为静止相位命令电压V_a ^*、V_b ^*和V_c ^*。根据所述命令电压，逆变器模块46产生用于以命令速度来驱动电动机的三相电压。

现在参照图7，将详细描述用于测量电动机速度的系统。速度测量模块110包括速度观察器112。速度观察器112根据转子角度θ_rm来计算原始的转子速度ω_{rm_raw}。如果代替解算器24使用编码器(未示出)，那么可以使用信号处理模块26根据脉冲列数据来计算原始的转子速度。

转子角度由于诸如传感器的偏心率、电气模块的不准确性等因素而具有周期性误差。结果，原始的转子速度ω_{rm_raw}具有称作波纹的波动误差。低通滤波器模块114减少原始的转子速度中的波纹并且产生过滤的转子速度ω_{rm_LPF}。频率到周期的变换器模块116使用以下方程式根据转子的速度来计算转子的旋转周期T：

$T=\frac{2\mathrm{\π}}{\left|{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rm}\_\mathrm{LPF}}\right|}$

对于控制系统执行控制的每个采样时间T_s来说，除法器模块118通过把转子的周期T除以采样时间T_s来计算移动平均值中的点数目M。

通过把移动平均值中的点数目M乘以给定采样时间T_s来获得移动平均滤波器(MAF)的窗口大小。从而，给定了采样时间T_s，具有M个点的MAF的窗口大小为MT_s。然而，通常窗口大小可以简单地由M来表示。

MAF模块120使MAF的窗口大小适应转子周期T。MAF从原始的转子速度中移除波纹以及所述波纹的所有谐波，并且使用以下方程式来产生电动机速度ω_rm：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rm}}\left[i\right]=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rm}\_\mathrm{raw}}[i+j].$

现在参照图8，将进一步详细描述用于测量电动机速度的方法。方法150在步骤152在采样时间T3开始。在步骤154，使用解算器24或编码器(未示出)和信号处理模块26来测量转子角度θ_rm。在步骤156，速度观察器模块112根据转子角度来确定原始的转子速度ω_{rm_raw}。在步骤158，低通滤波器114从原始的转子速度中移除一些波纹并且产生速度ω_{rm_LPF}。

在步骤160，频率到周期的变换器模块116把2π除以ω_{rm_LPF}以便获得转子的旋转周期T。在步骤162，除法器模块118把周期T除以采样时间T_s以便获得移动平均值中的点数目M。在步骤164，MAF模块120使MAF的窗口大小适应转子的周期T。在步骤166，MAF模块120从ω_{rm_LPF}移除波纹以及所述波纹的所有谐波，并且产生电动机速度ω_rm。在步骤168，速度ω_rm被反馈到速度控制系统100，并且所述方法在另一采样时间T_s重复。

MAF通过平均来自输入信号的多个点来操作以便生成输出信号中的每个点。这可以依照方程式形式被表示为：

$y\left[i\right]=\frac{1}{M}\underset{j=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}x[i+j],$

其中x[]是输入信号，y[]是输出信号，并且M是平均值中的点数目。

从而，在7点MAF中，例如，输出信号中的点10由下式给出：

$y\left[10\right]=\frac{x\left[10\right]+x\left[9\right]+x\left[8\right]+x\left[7\right]+x\left[6\right]+x\left[5\right]+x\left[4\right]}{7}.$

可以借助以下方程式来表达MAF的频率响应：

$G\left[f\right]=\frac{\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_{s}M\right)}{M\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_s\right)},$

其中f是用赫兹表示的输入信号的频率，T_s是用秒表示的采样周期，并且M是平均值中的点数目。

MAF的频率响应是如此以致它具有在频率上的无限衰减，并使周期等于滤波器的窗口大小MT_s及其第n个谐波。从而，对于频率 $f=\frac{n}{T_{s}M}$ 来说，其中n是正整数(n＝1，2，3，...)，MAF的频率响应为零并且可以依照方程式形式来表示：

$G\left[f\right]=\frac{\sin \left(\mathrm{\πnf}{T}_{s}M\right)}{M\sin \left(\mathrm{\πf}{T}_s\right)}=\frac{\sin \left(\mathrm{\πn}\right)}{M\sin (\mathrm{\π}/M)}=0.$

从而，如图9所示，MAF的频率响应在频率 $(\frac{1}{T_{s}M},\frac{2}{T_{s}M},\frac{3}{T_{s}M},\frac{4}{T_{s}M},...,\frac{n}{T_{s}M})$ 为零。

因此，如果使MAF的窗口大小适应波纹的基本周期，那么所述MAF完全地移除所述波纹以及所述波纹的所有谐波。由于波纹的基本周期等于转子的周期T，所以使MAF的窗口大小适应转子的周期T以便从转子的速度中完全地移除波纹以及所述波纹的所有谐波。

然而窗口大小具有上下限。从而，当测量在特定的最小值以下以及在特定的最大值以上的电动机速度时无法完全地移除波纹。如图10所示，窗口大小与转子的速度成反比。在非常低的速度，窗口大小变得非常大，MAF的阻带频率变得非常低，并且速度控制系统的性能降级。因此，窗口大小具有最大限制M_MAX，并且其值确定了在没有波纹的情况下可以测量的最低转子速度。类似地，窗口大小具有最小值M_MIN，并且其值确定了在没有波纹的情况下可以测量的最高转子速度。图11A进一步图示了在低转子速度时的MAF的窗口大小和波纹之间的示例性关系。类似地，图11B图示了在高转子速度时的MAF的窗口大小和波纹之间的示例性关系。

值得注意地是，MAF的窗口大小由于在原始的转子速度中所存在的波纹而出现波动。如果窗口大小波动，那么在原始的转子速度中的波纹被减少而不是被完全移除。使用低通滤波器来移除在原始的转子速度中的一些波纹减少了MAF的窗口大小中的波动。从而，当使用低通滤波器来计算MAF的窗口大小时，所述MAF更有效地减弱在原始的转子速度中所存在的波纹。

如图12所示，当MAF的窗口大小适应转子的周期T时，速度ω_rm不包含任何波纹。这是因为如图13所示，当其窗口大小适应转子的周期时，MAF的衰减是无穷大的。

从而，当在MAF的窗口大小适应转子周期的情况下使用所述MAF来测量电动机速度ω_rm时，从ω_{rm_err}中显著地消除波纹，如图14所示。结果，显著地减少了命令电流和实际电动机电流中的周期性波动。电动机电流中的残留波动是由于诸如所使用的传感器数目、电动机的漏电感等因素所引起的电流测量误差。图14还示出了当使用MAF时电动机电流波形基本上是正弦曲线的并且包含很少的谐波。电动机电流中的此低失真还减少了由谐波所引起的发热和损失。

那些本领域技术人员现在根据上述描述应当理解，可以依照各种形式来实现本发明的广阔教导。因此，虽然已经结合其特定例子描述了本发明，然而本发明的真正范围不应当被这样限制，这是因为当学习附图、说明书和随后的权利要求之后其它修改对技术人员来说是显而易见的。

Claims (8)

1.一种用于测量高速电动机的速度的方法，包括：

产生转子位置信号；

根据所述转子位置信号来确定转子角度；

根据所述转子角度来计算原始的电动机速度；

根据所述原始的电动机速度来有选择地产生过滤的电动机速度；

根据原始的电动机速度和过滤的电动机速度之一来计算转子周期；并且

根据所述转子周期来计算移动平均值中的点数目。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括使所述移动平均值的窗口大小适应所述转子周期。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括从原始的电动机速度中移除波纹和所述波纹的谐波。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括从原始的电动机速度中移除所述波纹的谐波。

5.一种用于测量高速电动机的速度的系统，包括：

位置传感器，用于产生转子位置信号；

信号处理模块，用于根据所述转子位置信号来确定转子角度；

速度观察器模块，用于根据所述转子角度来计算原始的电动机速度；

滤波器模块，用于根据所述原始的电动机速度来有选择地产生过滤的电动机速度；

频率到周期的变换器模块，用于根据原始的电动机速度和过滤的电动机速度之一来计算转子周期；和

除法器模块，用于根据所述转子周期来计算移动平均值中的点数目。

6.如权利要求5所述的系统，进一步包括移动平均滤波器模块，用于使移动平均滤波器的窗口大小适应所述转子周期。

7.如权利要求6所述的系统，进一步包括移动平均滤波器，用于从所述原始的电动机速度中移除波纹。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述移动平均滤波器从所述原始的电动机速度中移除所述波纹的谐波。

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