CN102084587A - 用于控制电机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于查找电动机的工作点的方法。该方法包括步骤：生成扰动信号；将扰动信号和与电动机相关的驱动系统的电流量值相组合，或者将扰动信号和与电动机相关的功率量值相组合，产生组合的信号；以及基于该组合的信号，发送通量调节信号以调节电动机的通量。还提出了一种对应的设备。

Description

用于控制电机的方法和设备
技术领域
本发明涉及电动机，更具体涉及与电动机相关的优化控制。
背景技术
当使用逆变器馈电的电动机时，根据期望的标准有各种最佳工作点。例如，在某些情况下，对于给定的负载转矩要求，期望查找要求尽可能少的电流的工作点。这也称为每安培最大转矩MTPA。在其他情况下，期望查找最大效率点ME，(或者最小输入有功功率(kw)，其中电动机以电机中的最小损失提供特定的负载转矩。其他测量也是可能的，比如最大功率因数(MPF)，最小输入伏特安培(kVA)，最大转矩变化率(MRT)，以及每伏特最大转矩(MTPV)控制。系统ME控制关注的是电动机加逆变器系统的总体效率。
在与名称为EPE 2007的会议一同公布的ISBN 9789075815108第1到10页上的标题为“Self-tuning of MTPA current vector generation scheme in IPM synchronous motor drives”的文章中，提出了一种获得MTPA的方法。该文章提出利用电流矢量生成方案的驱动原型，其可以“准实时”地被自调节到每安培轨迹的实际最大转矩。
该文章提出了通过在电流偏好(current preference)的相位角中注入扰动信号，来获得MTPA工作点的方法。通过调节MTPA点附近的电流相位，查找了MTPA，其中电流的绝对值出于其最小值。
尽管看起来该方法似乎将查找MTPA点，但改变电流角来查找最佳点是有问题的。电动机的转矩与电流直接相关；因此，上面提出的变化，将产生明显的转矩变动。取决于应用，这样的转矩变动对于特定的应用可以是从不期望的到破坏性的范围内的任何变动。
因此，存在有在查找电动机的最佳工作点时转矩波纹增加的问题。
发明内容
本发明的目的之一是解决或者至少减轻上面提出的问题。
根据本发明的一个方面，提出一种查找电动机的工作点的方法。该方法包括步骤：生成扰动信号；将扰动信号和与电动机的驱动系统相关的电流量值相组合，或者将扰动信号和与电动机相关的功率量值相组合，产生组合的信号；以及基于该组合的信号，发送通量调节信号以调节电动机的通量。
使用本发明的实施方式，可以动态地查找最佳工作点。因此，可以在没有操作员输入或者任何新的标识运行的情况下，补偿操作环境中的变化。例如，如果电动机的绕组电阻由于温度变化而改变，这可以被自动补偿。这产生对电动机和驱动系统的更有效使用。此外，这样的调节使用电动机的基准通量来实现，由于通量并不直接联系于转矩，因此这对电动机的转矩从而对电动机的速度没有影响或者只有极其微小的影响。应注意到，最佳工作点是实际最佳值，而不一定是处于确切的理论或者真实最佳值。而是，发现最佳值在实际确切最佳点的附近，只有很小的差异。
该方法不仅可以用于查找工作点，还可以用于在工作点运行。
扰动信号可以使用伪随机信号发生器来生成，或者是具有零rms(均方根)的任何传统信号，或者正弦信号。
可以重复所述生成、组合和发送的步骤。以这种方式，实现了持续控制方法以达到最佳工作点。
该方法可以在所述电流量值或者所述功率量值稳定时结束。例如当针对特定的时间量电流量值或者功率量值在误差裕度内恒定时，可以确定稳定性。替代地，该方法无期限地运行。
通过一旦有稳定的组合信号就结束优化，这很可能处于最佳点上。因此，在此时刻可以关闭优化，并且在需要时再次启动。
该方法可以在电动机的转矩的基准信号的变化比阈值量更多时结束。换言之，当给电动机的基准信号中有显著变化时，优化被关闭，以允许电动机对条件的变化快速地反应。
该方法可以在电动机的工作点由于电动机外部的因素而改变并且与工作点改变相关的基准信号稳定时开始。基准信号中任一个或者两个的稳定性可以确定为针对特定的时间量，所考虑的信号在误差裕度内恒定。因此，在基准信号改变并且达到电动机的稳定点之后，开启根据该方法的优化。
外部因素可以选自下述组中，该组包括转矩基准改变、速度基准改变或者两者的组合。
该方法可以周期性地开始。换言之，可以周期性地查找最佳工作点。这可以补偿例如绕组电阻针对内部温度增加的改变，环境温度改变等。可以调节周期以适合特定的环境。例如，该周期可以是30分钟或者一个小时，或者若干分钟到若干小时之间的任何时间。
组合可以涉及将扰动信号与电流量值或者功率量值相乘。由于高于和低于此处被定义为最佳通量量值值的最佳工作点的被比较信号的不同相位关系，所以相乘能起作用。
功率量值可以作为电动机的功率而获得。这可以从反馈电流和/或逆变器DC链路电压信号来计算或者估计。计算的功率不要求额外的传感器，从而节省解决方案的成本和组件复杂度。
功率量值可以作为包括电动机、逆变器和整流器的电动机系统的功率而获得。通过对整个系统的功率进行优化，可以优化总的效率。这降低了总体能量使用率并降低了发热。
功率量值可以作为最小输入伏特安培功率而获得。
功率量值可以至少部分使用对电流或者电压的测量而获得。
与所述电动机相关的电流量值可以通过测量电动机的电流而获得。
电流量值或者所述功率量值信号在与所述扰动信号组合之前可以经过高通滤波器和低通滤波器。高通滤波器和低通滤波器可以由带通滤波器替换。
在将扰动信号与所述电流量值信号或者所述功率量值信号组合之前，扰动信号可以经过高通滤波器和低通滤波器。高通滤波器和低通滤波器可以由带通滤波器替换。
调节信号可以从比例积分控制器输出。替代地，可以使用任何具有积分部分的控制器，例如纯积分控制器。
本发明的第二方面是一种用于查找电动机的工作点的设备。该设备包括：扰动信号生成器，用于生成扰动信号；组合器，用于将所述扰动信号和与所述电动机的驱动系统有关的电流量值相组合，或者将扰动信号和与所述电动机有关的功率量值相组合，从而产生组合的信号；以及调节器，用于基于所述组合的信号发送通量调节信号以调节所述电动机的通量。
该设备可以布置为查找同步磁阻电动机的工作点。
该设备可以布置为查找感应电动机的工作点。替代地，该设备可以布置为查找永磁同步电动机或者永磁辅助同步磁阻电动机(PMaSynRM)的工作点。
该设备可以还包括用于控制电动机的直接转矩控制模块。
该设备可以还包括用于控制电动机的矢量控制模块。
第三方面是包括根据第二方面的设备以及电动机的系统。
电动机可以是同步磁阻电动机或者异步电动机。
还需要注意，第一、第二和第三方面的任何特征可以在适当时应用到其他方面。
一般而言，权利要求中使用的所有术语应当根据其在技术领域中的常规意义来解释，除非文中另外明确定义。对“一/一个/该元件，设备、组件、装置、步骤等”的所有提及应当被开放地解释为指的是所述元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。文中公开的任何方法的步骤不必要以确切地公开的顺序执行，除非另有明确说明。
附图说明
现在将参考附图以示例方式描述本发明，附图中：
图1是针对同步磁阻电动机的示例性图表，其示出了作为电流量值|i|和电流角度θ的函数的转矩M和通量量值|λ|的等高线图；
图2是在|λ|高于|λ|MTPA值的情况下，作为磁通量值变化的函数的电流量值变化的图表，其中|λ|MTPA值是对于给定工作点的MTPA的最佳磁通量值。
图3是在|λ|低于|λ|MTPA值的情况下，作为磁通量值变化的函数的电流量值变化的图表；
图4是在|λ|在|λ|MTPA值的区域中的情况下，作为磁通量值变化的函数的电流量值变化的图表；
图5是示出自动MTPA搜索算法的实施方式的框图；
图6是示出基本对应于图2到图4的作为磁通|λ|的函数的电流量值|i|的示意图；
图7a-图7c是示出当对于同步磁阻电机而言磁通基准在标称工作点附近变化时各种测量值的变化的三个示例图表，其中图7a是关于总功率损失，图7b是关于功率因数，而图7c是关于电流；以及
图8是示出本发明可以应用的环境的示意图。
具体实施方式
现在下文中，将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的某些实施方式。然而本发明可以以多种不同形式实施并且不应当被视为局限于此处公开的实施方式；相反，这些实施方式作为示例提供，以便使得本公开透彻而完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。贯穿说明书相同的附图标记指代相同的元件。
本发明的实施方式覆盖多种优化策略。具体地，可以进行优化来获得在电机或者系统级别(包括缺席的逆变器)的最大效率(ME)，最大功率因数(MPF)，最小输入伏特安培(kVA)，最大转矩变化率(MRT)，以及每伏特最大转矩(MTPV)。
现在将首先参照图1到图4描述基于MTPA的优化场景。然而，相同的原理适用于所有优化。
图1为针对也称为SynRM的同步磁阻电动机的示例性等值线图，其示出作为电流量值|i|和电流角度θ的函数的转矩M和通量量值|λ|。
为了理解该图，参见例如1.4的通量线以及500的转矩线。这两条线在两个点交叉，产生两个潜在的工作点。然而，期望查找较低工作点，其要求较少的电流。
如可以看到的，将被称为|i|MTPA对于给定转矩M的最低电流量值是利用将被称为|λ|MTPA的唯一通量量值值来获得的。如果电动机不是在MTPA点处工作，则通量量值值不同于|λ|MTPA。MTPA是每安培最大转矩的简写，即用最小电流量值产生预定级别的转矩。
给定定义电动机工作点的(M，|λ|)对，通量量值变化和电流量值变化之间存在关系。特别是，可能发生三种不同情况：
首先，如果|λ|高于|λ|MTPA值，那么通量量值降低将对应于电流量值降低，而通量量值增加将对应于电流量值增加。换言之，扰动信号和输入信号的相位并不对应，并且相乘将产生具有负导数的曲线，如图2中所示。
其次，如果|λ|低于|λ|MTPA值，那么通量量值降低将对应于电流量值增加，而通量量值增加将对应于电流量值降低。换言之，扰动信号和输入信号的相位对应，并且相乘将产生具有正导数的曲线，如图3中所示。
第三，如果|λ|确切地等于|λ|MTPA值，那么通量量值增加或降低将总是引起电流量值增加。换言之，存在最小值，其是最优解。
在图2、图3和图4中，电流量值变化被绘制为通量量值变化的函数。该曲线是通过对DTC(直接转矩控制)算法所控制的SynRM的MATLAB/Simulink仿真而获得的，其中强迫通量级别以随机方式在三个不同工作点附近变化。图2示出其中通量高于|λ|MTPA的示例，图3示出其中通量低于|λ|MTPA的示例，图4示出其中通量在|λ|MTPA的区域中的示例。在这些仿真中，对电流量值采样四秒钟。
从图2到图4很清楚，可以从对|λ|-|i|关系的敏锐在线分析收集关于MTPA点的一些信息。下面将示出利用自动在线过程取得最佳点比如MTPA点的非侵入方式，该自动在线过程可以与如图8所示的DTC算法容易地集成。如上面所解释的，可以使用相同的方法为各种其他策略而不仅是MTPA查找最佳点。例如，可以考虑的控制策略是：最大功率因数(MPF)控制，最大效率(ME)控制，并且对于场弱化区域为：每伏特最大转矩(MTPV)控制。
基于上述考虑，可以实施简单的自动最佳点搜索算法，如图5所示。通过选择适当的输入信号25来查找期望的最佳点。例如，输入信号25可以选择为电流量值以便针对MTPA进行优化，选择为Pinput以对输入功率进行优化(例如在电动机级别或者在系统级别)，或者输入信号25可以选择为功率因数以便针对功率因数进行优化。
代替将纯正弦扰动用于通量基准信号，将具有一致分布的伪随机信号叠加到|λ|*，其是针对DTC控制器的基准通量。选择该基本特征是因为纯正弦信号对于整个驱动系统可能是危险的。如果负载未知或者仅被部分建模，确切地命中机械共振的风险可能是实际的问题。因此，可以替代使用具有非常高周期性的伪随机信号，从而将谐波含量扩散在较宽的频率范围上。
在伪随机信号生成中有一些限制。很明显，DTC算法和逆变器自身不能在通量基准信号中再现太快的变化。这是为何要用具有时间常数Tperturb的一阶低通滤波器20(即，使用滤波器20中的1/(1+sTperturb)滤波函数)对信号扰动19进行滤波的原因。滤波动作还改进了输入信号反馈信号中的干扰检测的有效性。来自低通滤波器20的输出被添加到通量量值的基准，|λ|*。
如果期望更简单的配置，则还可以使用正弦扰动，这带有略微高一些的谐振风险。
分别使用具有时间常数Tlpf的一阶低通滤波器23和具有时间常数Thpf的一阶高通滤波器24来去除输入信号25上的DTC纹波和平均值。因而滤波器23的滤波函数可以表示为1/(1+sTlpf)，而滤波器24的滤波函数可以表示为sThpf/(1+sThpf)。将相同的滤波器应用到扰动信号，以便保持两个信号之间相同的相位关系。换言之，滤波器21等效于滤波器23而滤波器22等效于滤波器24，即分别具有相同的时间常数。因而，有两个经过滤波的信号的相乘以及利用具有时间常数Tdetect的一阶低通滤波器26的滤波动作，即，使用滤波器26中的1/(1+sTdetect)的滤波函数。检测器的最后部分是PI控制器27，其生成补偿信号28，该补偿信号28被添加到通量量值基准信号。因而该检测器或者任何其他种类的硬件或者软件解调器允许查找到最佳值。
检测器可以持续运行，或者检测器可以仅在需要时被开启，以避免产生通量的纹波。然而，检测器可以在存储器(见图8中的61)中存储特定电机的最佳工作点，由此如果在以后检测到类似的条件，这样的最佳工作点是查找新的最佳工作点的良好的开始点。在电动机没有改变的假设下，这将显著减少查找新的工作点所需要的时间。
图6是示出在低通滤波器26的输出处的、作为通量量值|λ|的函数的优化信号29的示意图。在通量量值点41可以看到最佳值，在此点优化信号29处于最小值。
如上结合图2-图4所述，已经发现当工作点低于最佳通量点即在区域40中时，电流中的变化与注入的扰动信号反相。信号的相反符号产生具有负均值的相乘信号。另一方面，当工作点高于最佳通量级别，即在区域42中时，电流变化相对于通量基准中的注入扰动信号同相；这产生具有正均值的相乘信号。
当通量基准处于或者非常接近最佳点41时，乘积量值非常小或者为零(理想地)。可以使用PI调节器来对该误差信号进行积分，以获得可以从通量基准中减去的补偿信号，如图5中所示。这允许图5的控制结构使用相对简单的结构查找最佳点。还要注意，可以使用具有主要积分特性的任何其他适当的调节器。
该解决方案可以用于为很多不同的策略查找最佳点。例如，可以考虑的控制策略为：每安培最大转矩(MTPA)控制，最大功率因数(MPF)控制，最大效率(ME)控制，每kVA最大转矩(MTPkVA)，以及对于场弱化区域为：每伏特最大转矩(MTPV)控制。
假定用于被优化的同步磁阻机器的参数具有关于通量变化的最小值，则也可以将基于扰动的优化施加到这些方案。图7a-图7c是示出当对于同步磁阻电机磁通基准在标称工作点附近变化时各种测量值的变化的三个示例图表。图7a是关于总功率损失，图7b是关于功率因数，而图7c是关于电流。需注意到，内部功率因数IPF也可以用于优化。
需注意到，并不必要但仍然可能根据要查找的最佳值的类型来调节时间常数。
在图7a中，功率损失的最佳值可以在点30a查找，在图7b中，功率因数的最佳值(是最大值)可以在点30b查找，并且在图7c中是电流的最佳值。
因此，使用上面的图5的配置，通过选择适当的输入信号25，查找到了期望的最佳值点。
特别是，对于MTPA，输入信号25选择为输入电流。为了功率优化，输入信号25选择为Ploss，其例如可以计算为：
Ploss＝Pe-Pm                                (1)
类似地，输入信号25可以被选择为Pinput以便优化输入功率(例如在电动机或者系统级别)，或者输入信号25可以选择为功率因数以便对功率因数进行优化。
需要注意到，上述输入需要的参数可以计算、测量、估计或者是这些策略的组合，以便获得值。这包括实际输入值比如|Is|和Ploss，即，此处示出的公式仅是获得这些值的示例方式。
图8是示出本发明可以应用的环境的示意图，其包括直接转矩控制系统。将基准角速度ω*58馈送给系统。将基准角速度ω*58与实际角速度ω比较，并且将差异馈送给速度控制器51。速度控制器51输出基准转矩M*，其与估计的转矩M比较，并且差值被馈送给转矩和通量量值比较器53。转矩和通量量值比较器53馈送转矩M和通量量值|λ|的基准值给最佳值切换逻辑模块54。使用这些值和|λ|sextant的输入，切换信号Sabc例如脉宽调制(PWM)信号被发送给逆变器55。逆变器55使用来自整流器59的DC功率实现切换。整流器59将AC功率60从普通电网(通常三相电)转换成直流电。因而逆变器55的输出用于给电动机56供电。电动机56可以是同步磁阻电动机或者感应电动机或者PMSM或者永磁辅助的SynRM。
注意到本发明还可以在将矢量控制用于控制电动机的系统中实施。
转矩和通量量值估计器57使用三个输入来估计转矩M和通量量值|λ|。首先，从最佳值切换逻辑模块54获得切换信号Sabc。其次，从到逆变器55的输入获得DC电源UDC的电压。最后，获得供给电动机56的测量的三相电流Iabc。除了提供对转矩M和通量量值|λ|的估计，转矩和通量量值估计器57还向最佳工作点控制器52提供输入。特别是，转矩和通量量值估计器57提供电流量值|i|，功率损失值Ploss，输入功率值Pinput，以及内部功率因数值IPF。此外，最佳工作点控制器52从速度控制器51接收基准转矩M*。可选地，当已经达到最佳工作点时，该基准转矩M*存储在存储器61中。因而该转矩基准M*可以用作查找新的工作点的起始点。
在该实施方式中，图5的各个模块位于最佳工作点控制器52中。最佳工作点控制器52的输出，即最佳通量值与通量估计值组合作为对转矩和通量量值比较器53的输入。类似地，并且如上所述，速度控制器的转矩基准M*与转矩估计值M组合为至转矩和通量量值比较器53的第二输入。
现在下文跟着的是关于如何开始和结束优化的讨论。大体上，重复该优化直到查找到选择的最佳工作点。之后优化可以在组合的信号25稳定时结束。输入信号25的稳定性可以确定为输入信号25对于特定的时间量在误差裕度内恒定。替代地，输入信号25的稳定性可以确定为输入信号的导数小于阈值导数。
通过一旦有稳定的输入信号25就结束优化，达到了最佳点。因此，在此时刻关闭优化，并且在稍后的时间需要时再次启动。
可以关闭优化的另一个点是如果基准信号显著变化时。例如，当电动机转矩或速度的基准信号的变化比阈值量更多时，优化结束。通过在基准信号中有变化时关闭优化，允许电动机对条件的变化快速地反应。
一旦在基准信号中的变化之后达到了稳定点，可以开启优化来查找最佳工作点。当转矩和速度基准信号中的一个或者两个稳定时，可以确定稳定点。
在一个实施方式中，优化可以周期性地开始，周期性地查找最佳工作点。这可以补偿例如由于内部电阻的温度改变，环境温度改变等。可以调节周期以适合特定的环境。例如，周期可以是30分钟或者一个小时，或者在1分钟到3个小时之间的任何时间。
需要注意，上述的解决方案不仅适用于同步磁阻电动机，还适用于永磁同步电动机以及感应电动机。此外，上述的解决方案可以同样适用于对发电机的适当测量。
上面主要参照几个实施方式描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易知道的，在如所附权利要求书所限定的本发明的范围内还可能存在除了上述以外的其他实施方式。

Claims (22)

1.一种用于查找电动机的工作点的方法，包括步骤：
生成扰动信号；
将所述扰动信号和与所述电动机相关的电流量值相组合，或者将所述扰动信号和与所述电动机的驱动系统相关的功率量值相组合，从而产生组合的信号；以及
基于所述组合的信号，发送通量调节信号以调节所述电动机的通量。
2.根据任一前述权利要求的方法，其中所述扰动信号使用伪随机信号发生器来生成。
3.根据权利要求1的方法，其中重复所述生成、组合和发送的步骤。
4.根据权利要求3的方法，其中所述方法在所述电流量值或者所述功率量值稳定时结束。
5.根据任一前述权利要求的方法，其中所述方法在所述电动机的转矩的基准信号的改变比阈值量更多时结束。
6.根据任一前述权利要求的方法，其中所述方法在所述电动机的工作点由于所述电动机外部的因素而改变并且与所述工作点改变相关的基准信号稳定时开始。
7.根据权利要求6的方法，其中所述外部因素选自包括转矩基准改变、速度基准改变或者其组合的组。
8.根据任一前述权利要求的方法，其中所述方法周期性地开始。
9.根据任一前述权利要求的方法，其中所述组合涉及将所述扰动信号与所述电流量值或者所述功率量值相乘。
11.根据任一前述权利要求的方法，其中所述功率量值作为所述电动机的功率输入而获得。
12.根据任一前述权利要求的方法，其中所述功率量值作为包括电动机、逆变器和整流器的电动机系统的功率输入而获得。
13.根据任一前述权利要求的方法，其中所述功率量值作为最小输入伏特安培功率而获得。
14.根据任一前述权利要求的方法，其中所述功率量值至少部分使用对电流或者电压的测量而获得。
15.根据任一前述权利要求的方法，其中所述功率量值是功率因数。
16.根据任一前述权利要求的方法，其中与所述电动机相关的所述电流量值通过测量所述电动机的电流而获得。
17.根据任一前述权利要求的方法，其中所述电流量值或者所述功率量值信号在与所述扰动信号组合之前经过高通滤波器和低通滤波器。
18.根据任一前述权利要求的方法，其中在将所述扰动信号与所述电流量值信号或者所述功率量值信号组合之前，所述扰动信号经过高通滤波器和低通滤波器。
19.根据任一前述权利要求的方法，其中所述调节信号从比例积分控制器输出。
20.一种用于查找电动机的工作点的设备，包括：
扰动信号生成器，用于生成扰动信号；
组合器，用于将所述扰动信号和与所述电动机相关的电流量值相组合，或者将所述扰动信号和与所述电动机的驱动系统相关的功率量值相组合，从而产生组合的信号；以及
调节器，用于基于所述组合的信号，发送通量调节信号以调节所述电动机的通量。
21.根据权利要求20到22的任一项的设备，还包括直接转矩控制模块。
22.根据权利要求20到21的任一项的设备，还包括矢量控制模块。
23.一种包括根据权利要求20到22的任一项的设备以及电动机的系统。
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