CN102375117A - 识别交流同步电动机电等效电路图参量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

识别交流同步电动机电等效电路图参量的设备和方法。该方法用于无编码器地识别所述等效电路图参量，至少包括如下步骤：-寻找转子停止位置，使转子d磁通轴线方向相对定子α轴线方向对齐；-在同步电动机d磁通轴线方向上馈入测试信号电压U_1d，q横向轴线方向保持不通电；-测量同步电动机d磁通轴线方向测量信号电流I_1d；-基于测试信号电压U_1d和测量信号电流I_1d识别所述等效电路图参量；其中，到同步电动机中的测试信号馈入如此实现，即转子保持无转矩。所述设备涉及用于确定同步电动机等效电路图参量的识别装置及包括其的电动机控制设备，其中，识别的等效电路图参量可用于确定、优化和监控电动机控制。最后提出将该识别方法用于控制电气驱动。

Description

识别交流同步电动机电等效电路图参量的设备和方法

技术领域

本发明源于一种用于无编码器地识别交流同步电动机的电等效电路图参量的方法、装置、设备和方法应用。电的等效电路图参量实现了交流电动机借助于电的等效电路图部件的表征，从而可模拟电动机在运行中的电特性。 

背景技术

由现有技术公知各种不同的用于确定交流电动机的电特性的方法。通常进行在电动机处的直流试验、空转试验和短路试验，以便能测量在此类运行情景中的电特性，且能由此推导出用于其它运行情况的电运行特性。交流同步电动机包括带有至少三个定子线圈的定子和带有或者由永磁体引起的或者由以直流电流流经的电刷供电的线圈产生的永久磁化的转子。典型地，为了表征同步电动机的电特性而使用所谓的等效电路图，在等效电路图中定子线圈借助于欧姆电阻R₁和电感L₁以及用于考虑反感应的电压的电压源U_P来模拟。借助于直流试验和短路试验典型地尝试确定用于交流电动机的等效电路图的集中的构件参量的大小。前面所提及的试验是时域方法，在时域方法中电动机运动，且该试验要求电动机在测试环境中驱动。在短路试验时电动机必须固定，其中，可能产生过载的危险。在直流试验时可确定欧姆定子电阻R₁，其中，可产生电过载的危险。由短路试验可推断出电感L₁。 

前面所提及的短路试验和直流试验在许多情况中考虑机械传感器例如位置传感器、角度传感器或转速传感器的测量结果，以便于能在各种不同的转圈速度中推导出电动机的运行特性的相互关系。 

在三相系统中，在Y型或Δ型接线中通过两相的馈入，在缺乏中 性点接地时根据定律I_u+I_v+I_w＝0相应地得出第三相的电流。出于该原因，三相系统同样可借助于两个坐标来描述，其中，为了描述总电流可考虑在复平面中的坐标系，在复平面中实部和虚部两个坐标可根据图1称为关于定子绕组的固位取向的α坐标和β坐标。α/β坐标系例如描述了电流的方向或在交流电动机的定子的静止的参考系中的转子磁通轴线。关于旋转体的磁性的取向可引入旋转的第二坐标系，所述第二坐标系的轴线称作转子的d轴线和q轴线，如其在图2中示出的那样。d轴线表示旋转体磁通的方向，而q轴线表示对此呈直角的横向磁通轴线。α/β定子坐标系到旋转的d/q转子坐标系的变换可通过在定子的相位U的绕组轴线与转子磁场的纵轴线之间的转角β_k来产生。就此而言，总电动机电流I或者该总电动机电流的三个相电流I_U、I_V和I_W可在定子固定的α/β坐标系中或在与旋转体一起旋转的d/a坐标系中研究。关于交流同步电动机的线电流到α/β坐标系中的换算适用下面的关系式： 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{3}& -\frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right),$ $\left(\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right),$

所述关系式借助于相对定子的旋转体磁通角度β_k的考虑可被修改用于d/q坐标系。为了随后在数学上获取关系式，根据图2执行在α/β定子坐标系中的研究，其中，在图4中示出的等效电路图描述了在带有馈电电压和馈电电流U₁、I₁以及U₂、I₂的单相系统中的交流同步电机的等效电路图表征。 

在图4中示出了在停止(n＝0)中的同步电动机关于α/β向量图在无磁阻影响情况下的等效电路图，其中，在知道所提及的等效电路图参数的情形下，可估计交流电动机在各种不同的运行情况中的电运行特性： 

$U_{1\mathrm{\α}}=R_1{I}_{1\mathrm{\α}}+L_1\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}$

$U_{1\mathrm{\β}}=R_1{I}_{1\mathrm{\β}}+L_1\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}.$

两个微分方程在频率范围中显示出了PT1特性。由此可确定电动机在运行特性中的导纳，该导纳根据下面的方程得出： 

$G=\underset{\‾}{Y}=\frac{1}{R_1+s{L}_1}=\frac{1}{b_0+s{b}_1}$

上面所提及的作为传递函数G＝Y＝I_1d/U_1d的导纳在假设转速n＝0的情形下推导出，因为在这种情况下在定子线圈中不产生反电压，且可忽略项U_p。 

基于相电压U_U、U_V和U_W和线电流I_U、I_V和I_W，其根据上述的变换被转变到d/q坐标系中。由此，交流同步电机的电特性可借助输入参数U₁和输出参数I₁来研究。就此而言，可执行关于d坐标和q坐标分开的研究方法，从而得出传递函数或者说导纳，其中： 

G₁＝I_1d/U_1d。 

通过确定传递函数G₁可确定传递函数的未知的系数。 

根据现有技术，为了确定交流电动机的机械特性参数，尤其地为了机械部件的故障诊断或为了在运行时在机械联合体中的机械的系统识别，由现有技术所公知的是，使用伪噪声二进制信号(PRBS)作为电的测试激励。在此，机械的系统是SISO系统(信号输入信号输出)，在SISO系统中可借助唯一的机械输入参数或电输入参数测量唯一的机械输出参数。输入参数借助伪噪声二进制信号来激励，从而可在输出参数中确定SISO系统的宽带特性。借助根据频率特性的参量识别和频率变换的信号理论方法，可在知道基础的系统方程时推导出机械系统的特性参数。 

然而，在电特性参数的情况中，其是所谓的MIMO系统(多输入多输出)，在其中必须馈入多个输入参数(线电压)且必须提取多个输出参数(线电流)。出于该原因，由用于识别机械参数的方法所公知的方式不可被用于交流电动机的电的系统表征。机械系统的识别包括在SebastianVillwock的论文“Identifikationsmethoden für die automatisierte Inbetriebnahme und Zustandsüberwachung elektrischer Antriebe”， 

，2007，(出版物[1])中地进行说明。此外，就此而言所使用的用于机械系统的参量识别的信号理论方法在期刊文章：S.Villwock，J.M.Pacas：“Application ofthe Welch-Method for the Identification of Two and Three Mass Systems”，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Vol.55，No.1，Januar2008，S.457-466(出版物[2])中进行说明。在会议文章的范围内，相似类型的方法在如下文章：P.Szczupak，J.M.Pacas：“Automatic Identification of a PMSM Drive Equipped with an Output LC-Filter”，IEEE Industrial Electronics，IECON2006，32^nd Annual Conference on November 2006，S.1143-1148(出版物[3))中进行介绍。 

发明内容

本发明的任务是，基于交流同步电机的电等效电路图提出一种用于确定等效电路图特性参数的方法，其中，参量识别在无电动机的电的或机械的负荷时实现，转子停止且可通过唯一的测量对于大的频率范围而言探明用于描述交流电动机的电特性的所有电等效电路图参量。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。 

在本发明的第一方面中，提出了一种用于无编码器地识别交流同步电动机的电等效电路图参量的方法，该方法至少包括下面的步骤： 

-转子的停止位置寻找，从而使得转子的d磁通轴线方向相对定子的α轴线方向对齐； 

-在同步电动机的d磁通轴线方向上馈入测试信号电压U_1d，其中，q横向轴线方向保持不通电； 

-测量同步电动机的d磁通轴线方向的信号电流度量I_1d； 

-基于在d磁通轴线方向上的测试信号电压U_1d和测量信号电流I_1d识别同步电动机的等效电路图参量； 

其中，到同步电动机中的测试信号馈入以如下方式实现，即，使转子保持无转矩，也就是说不运动。 

转子的停止位置意味着，转子相对定子的角度不改变，且由此在α与d轴线之间的转角是恒定的，且必要时是已知的。在占据转子的停止位置之后，在转子的d磁通轴线方向上馈入测试信号电压且测量产生的测量信号电流。在d轴线方向上的电流灌入引起转子的取向，其中，无转矩施加到转子上。测试信号的结构确定了哪些频率成分或频率范围能被测量且能以哪个精度识别等效电路图参量，其中，可与测试信号的频率覆盖范围相符地提取参量。测试电压U_1d的馈入产生可探明的测量信号电流I_1d。 

相对异步电动机，在测试信号在两个转子轴线方向d和q上相同地馈入时将造成转矩形成，进而造成电动机轴的机械运动。为了避免这个情况，可首先执行止动位置寻找，由此，d磁通轴线的位置是已知的。区别于异步电机，随后通过仅在d方向上馈入测试信号实现频率响应测量，因为定子电流的d分量I_1d不有助于转矩形成。止动位置寻找可在第一步骤中避免，方法是：机器在α方向上的通电以直流电流进行。那么，转子取向在α轴线处，从而使得α轴线和d轴线一致。由此，测试信号可在第二步骤中通过此时与d轴线相一致的α轴线馈入到交流电动机中。结果，无力矩地实现自识别，且电动机轴不引起机械运动。作为备选地，如果同步电机的止动位置(别名极位置)事先已知，就将测试信号同样直接作为电压U_1d合适地馈入到定子绕组中。 

用于测量线电流的线电压馈入例如可借助于2相/3相变流器实现，所述2相/3相变流器可依照上述的矩阵关系且在考虑转子转角β_k的情 形下由两个电压U_1d和U_1q产生三相电压U_U、U_V和U_W，或者可由三个测得的电流I_U、I_V和I_w变换成两个电流I_1d和I_1q。测试信号的馈入例如可通过控制交流电动机的电动机控制设备的逆变器实现。作为备选地，可将测试信号电压在绕开电动机控制逆变器的情形下与d轴线的位置相符地直接馈入到同步电机的支线中。线电流的测量可通过相同的电流测量仪器实现，该电流测量仪器在无编码器的调节时使用在交流电动机的运行中。在时域中，所馈入的测试信号电压和测得的测量信号电流可作为数字式获取的时间上的采样值来记录，且可在这些采样值的基础上提取等效电路图参量。这优选地通过频率范围分析实现，也就是说通过所记录的时域数据的频率变换和测得的传递函数G₁的频率响应的分析实现。在知道前面所提及的可表示为在频率范围中的传递函数的导纳函数的情形下，传递函数的参量可借助于合适的信号理论方法来探明，其中，这些参量可使用于识别等效电路图特性参数R₁和L₁。 

在测试信号在d转子坐标方向上馈入期间，在机器中不产生转矩，从而使得转子无转矩地且保持在其位置中。由此，可进行在电动机的停止中的测量，其中，不须考虑传感器数据，并且可自行地提取在安装状态中的电动机在机械的驱动系内的参量，随后可提取等效电路图参量，而驱动系的形式不影响于测量结果。为此，可有利地考虑的是，改变测试信号电压U_1d的高度且相应地执行带有改变的电压值的参量识别，其中，得出的参量能以平均值或加权的参量从各个参量识别的结果中探明。由此可避免在确定中的错误，从而可获得更精确的结果。 

传递函数G的频率响应在知道基础的导纳公式Y的情形下的确定使得等效电路图参量的提取成为可能。由此，可通过馈入尤其是宽带的测试信号而借助于唯一的测量说明交流电动机的等效电路图特性参数。为此使用如下信号理论方法，即，这些方法将测得的时域数据变换成频率范围数据，其中，频率响应可根据公式获取，且可借助于由频率响应的参量提取识别基础的传递函数的参量，进而可识别等效电 路图参数。 

原则上，作为测试电压预设和测量电流确定的替代，同样可实现带有测量电压获取的测试电流预设。然而，尤其功率增强的电动机具有高感应的特性，从而为了灌入呈矩形的电流开关脉冲必须供应高的驱动器电压，由此可仅以高的耗费实现测试电流灌入。 

根据本发明的一种有利的改进方案，停止位置可以是止动位置，也就是说转子的磁极轮位置(Polradlage)，在该止动位置中，转子的d磁通轴线方向与定子的α轴线方向一致，或者停止位置可以是通过对同步电动机恒定通电到α轴线方向上而强制的停止强制位置或预知的转子位置。如果转子的d磁通轴线方向与定子的α轴线方向一致，则转子位置角度为β_k＝0，也就是说占据了限定的磁极轮角度。由此，在α轴线方向上的通电引起d磁通轴线方向的取向，其中，转子保持无转矩。如果例如通过限定的机械挡块知道转子位置或通过转角传感器知道位置信息，则可实现定子绕组在d转子轴线的位置方向上的通电。同样地，定子线圈在任意的位置中的恒定通电迫使d轴线取向到出现的定子磁场的轴线上。止动位置取向具有如下优点，即，自行在结束转子的恒定通电之后固定地保持在其位置中，从而使得足够小的、可自身具有小的q轴线部分的测试信号电压不可能会引起转子由止动位置起的不期望的旋转运动。用于止动位置寻找的方法，已实施在许多由现有技术公知的电动机控制设备中。 

根据一种有利的改进方案，测试信号是伪噪声二进制信号。测试信号应具有高的带宽，以便于实现电的电动机特性的尽可能高的频率分辨率。白噪声具有均匀分布的宽带的频谱。伪噪声二进制信号(PRBS)是接近白噪声的频谱的二进制信号。典型地，可假设值+1和-1，且相对白噪声可作为备选地使用。尤其有利的是信号的可再现性，其中，经常在调节技术上使用PRB信号，用于借助于最大长度序列分析脉冲响应。PRB测试信号可容易地通过线性反馈的移位寄存器产生，且可 例如通过DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)或用于驱控逆变器的电动机调节器的微处理器产生。由此，每个电动机驱控电子设备可这样产生不带有更大变化的PRB信号，且作为电动机电压馈入到电动机中。 

原则上，采样的时域数据的频率范围变换为了识别在频率范围中的等效电路图参量而可任意地实现。根据本发明的一种有利的改进方案，等效电路图参量的识别可包括根据周期图方法、优选根据Bartlett方法、尤其根据Welch方法的傅里叶变换。在周期图方法的情况中，功率谱密度通过各个数据块的傅里叶变换来达到。频谱估算的质量可以改进，方法是：彼此独立的周期图的数量被平均。该方法在文献中已公知称为Bartlett方法，将在Bartlett方法中测得的信号被划分成区段。Welch方法是Bartlett提出的操作方法的扩展。为了降低泄漏效应(英文Leakage-effect)而使用此处确定的窗函数。当信号区段不是周期的、周期的整数倍时或该信号区段在边沿处不等于零时，会出现干扰的泄漏效应。Welch方法在两质量系统或三质量系统的识别中的使用已由上面所提及的出版物[2]公知。Welch方法将M采样值分裂成K子序列，该K子序列以窗函数来加权，且应用到一个傅里叶变换中。在出版物[1]中介绍的Welch方法实现了将任意数量的采样值以尽可能高的精度变换到频率范围中。在此，对时域数据被加窗处理，将加窗处理后的数据划分成子序列且进行傅里叶变换，且由此探明为了确定传递函数(在该情况中为导纳函数)而可用在频率范围中的周期图。 

然而，对此作为备选地同样可使用相关图方法，相关图方法在文献中同样以名称BlackmanTukey估算而公知。在此，基于自相关函数(AKF)和交叉相关函数(KKF)实现频谱估算，该频谱估算由测试信号(激励信号)和测量信号(响应信号)计算。在该方式中，通过事先估算的AKF和KKF的傅里叶变换获得功率谱密度。然而，Welch方法提供了更稳固的结果。 

基于已知的传递函数例如导纳变化过程在频率范围中存在的图示，可提取交流电动机的等效电路图参量。为此，已经存在一些数字的方式。特别有利地，Levenberg-Marquardt算法可使用在本发明的一种改进方案中，以便于借助于传递函数-参量确定识别等效电路图参量。作为备选地，例如可使用根据Nelder和Mead的方法，然而其中，Levenberg-Marquardt算法尤其地在强噪声的数据记录时提供更稳固的结果。Levenberg-Marquardt算法属于梯度方法的类别，其中，通过故障的重复的最小化可计算更好的与传递函数的系数相符的参量向量。Levenberg-Marquardt方法当前适合作为用于非线性的优化的标准方法。Levenberg-Marquardt方法是梯度方法和Hesse矩阵的倒置的混合，且在文献中也称作最速下降法。Hesse矩阵的倒置也称作Gauss Newton方法。在出版物[1]中呈示了Levenberg-Marquardt算法的应用的详细的图示，其中，基于如下传递函数： 

$G=\underset{\‾}{Y}=\frac{1}{b_{1}s+b_0}$

且在提供系统的频率响应的情形下可确定未知的系数b₀和b₁。与上面所提及的导纳图示相比，这些系数与如下物理参量相符：b₀＝R₁，b₁＝L₁。通过探明未知的系数b₀和b₁可探明等效电路图参量R₁和L₁。 

根据本发明的一种有利的改进方案，已识别的等效电路图参量可用在逆变器控制参量的调整和/或优化中，和/或用于电动机监控。在现代的同步电机的调节中使用电动机控制设备，所述电动机控制设备在快速的转速转变中或在提供可动态调节的从动能量时由于知道电的等效电路图参量而可相应地控制逆变器或者能以如下方式预先给定支线驱动电压，即，机器可优化地在无超调的情况下满足所期望的工作任务。就此而论，同义地使用控制和调节的概念。因此，电路径的等效电路图参量的获悉可用于电流调节器的参数化，该电流调节器对较高的动力学性能的要求作为最内部的调节器是最高的。尤其是高要求的、超越了常规的PI调节器的调节方法的调节方法要求非常精确地知道机械参量，尤其是等效电路图参量。在这种情况下，尤其可称为状态空 间调节器、无差拍调节器或模型跟踪调节器。因为在近期尤其使用无传感器的电动机控制，所以借助于所提出的无编码器的方法可在复杂的机械环境中探明已经整合在机械驱动系中或已更换的交流电动机的等效电路图参量，且电动机调节器在现场调整。等效电路图参量再次给出了电的电动机特性，从而尤其在机器的复杂的瞬态的转变过程的调节中实现逆变器的精确驱控。在这种情况下，实现电动机的无超调的调节设置和优化的快速动态调节。尤其可考虑的是，这样的经优化的电动机调节在精确地知道等效电路图参量的情形下应用在印刷机、合成材料表面制造和加工机器或轧制机和包装机的领域中，在其中必须使用动态优化的电动机控制方法。尤其在四色印刷机中，在彩色印刷中的最小偏差可在电动机控制不精确时辨认出。在极其光滑和薄的合成材料表面的制造中，合成材料层的均匀的厚度仅可在优化的动态调节时达到，其中，不可出现合成材料材料的外观的污染。在等效电路图参量的分析期间，转子处在停止中，且由此可在已安装的状态中在不影响从动系的情形下被电识别。调节器参数化用于逆变器的控制参量的优化，其中，等效电路图参量的偏差可例如由先前的用于电动机的故障监控或用于磨损控制的测量来考虑。尤其地，该方法在电动机的“状态监测”的情况中的使用可以是有利的，从而该方法不时重新探明等效电路图参量、适配地匹配电动机调节器且在相对事先识别的或可预调设的参量值有明显偏差时可发出故障信号，从而可检查电动机或驱控电子机构。 

根据本发明一个并列方面，提出了一种用于无编码器地识别交流同步电动机的电等效电路图参量的识别装置，该识别装置适用于执行根据前面所提及的方法中任一个所述的方法。为此，识别装置包括逆变器接口单元，该逆变器接口单元为了控制的通讯且为了转子位置确定而可与逆变器控制装置相连接。此外，接口单元包括用于产生d/q测试信号的测试信号发生装置、用于将d/q测试信号变换成U/V/W控制测试信号的变换单元、用于将测得的U/V/W测量信号电流变换成d/q测量信号电流的d/q变换单元和用于识别等效电路图参量的参量识别 单元。 

由此，本发明涉及一种识别装置，所述识别装置设计为用于如下，即，实施前面所提及的方法且为此开启如下可能性，即，借助于逆变器接口单元与逆变器控制装置尤其地与逆变器的半导体开关构件连通，以便于接通它们或者查询其运行状态。通过对于很长一段时间的逆变器的禁用和/或制动器的激活可确定转子的停止。此外，例如转速传感器和旋转编码器传感器可提供关于转子的停止的信息，且必要时提供d轴线相对α轴线的转子角度β_k。然而，这些传感器不需被用于参量识别，关于假设的转子停止的自发式的识别在绝大多数情况中可以是足够的。识别装置包括可产生d测试信号的测试信号发生装置，其中，测试信号尤其是PRB噪声信号可借助于U/V/W变换单元依赖于转子角度β_k转换成相应的U/V/W控制测试信号，所述U/V/W控制测试信号可被输送给逆变器控制装置。在电动机中，控制测试信号产生在三个电动机支线中的相应的测试信号电压。此外，识别装置包括d/q变换单元和参量识别单元，所述d/q变换单元可将测得的I_U、I_V和I_W测量信号电流转换成d/q测量信号电流I_d和I_q，所述参量识别单元基于在时域中存在的测试信号电压U_d和测得的测量信号电流I_d可执行根据前面所提及的方法的参量识别。此类识别装置例如可多件式地构造，其中，为了产生测试信号可使用电动机控制设备的电动机控制器。测得的电流同样可由电动机控制设备记录。外部的计算机可读出测得的和馈入的电压和电流，将测得的和馈入的电压和电流变换到频率范围中且执行参量识别。 

根据识别装置的一种有利的改进方案，参量识别单元可包括傅里叶变换器件和参量确定器件，所述傅里叶变换器件尤其是用于将非连续的d/q采样信号值根据Welch方法进行傅里叶变换的FFT/DFT器件，所述参量确定器件尤其是Levenberg-Marquardt传递函数-参量确定器件。相应地，参量识别单元包括用于转化所馈入的和测得的电压时间采样值和电流时间采样值U_1d、I_1d的傅里叶变换器件和参量确定器件， 所述参量确定器件基于在频率范围中存在的传递函数G₁可进行传递函数系数b₀和b₁的确定，且由此确定系统参量。为此必需的计算方法例如可在DSP、FPGA的微处理器、PC或小型计算机内执行，其中，可实现在测试信号产生、采样值信号存储、傅里叶变换和参量确定之间的逻辑的和结构的分离。信号处理和随后的数字方法可有利地设置成至少部分在电动机调节器或者电动机控制设备上的软件实施。 

那么可考虑的是，将傅里叶变换器件构造成FPGA，以便于借助静态的电路实现快速傅里叶变换，且参量识别器件实施为在电动机控制调节器的高功率DSP上的可变的计算软件。测试信号产生和测量值存储可在逆变器电动机控制设备内执行。傅里叶变换和参量识别同样可通过电动机控制设备或通过外部的具有用于与电动机控制设备通讯的接口的识别装置实现。由此，电动机控制设备可配备较低的计算能力，且高要求的信号理论上的任务在可被联接到电动机控制设备处的外部的识别装置中完成，由此可节省硬件耗费。 

根据一种有利的改进方案，该装置此外可包括监控和优化单元，所述监控和优化单元安置为基于已识别的等效电路图参量来确定、优化和/或监控逆变器控制装置的控制参量。监控和优化单元接收参量识别单元的确定的等效电路图参量且可基于确定的等效电路图参量，尤其鉴于动态调节特性和/或过滤性能优化电动机控制设备的控制参量，以便于降低同步电动机的感应特性对电网的影响。此外，可优化电动机控制的有效率的运行，且可监控电动机变化，或者在电动机故障或错误行为时发出故障信号。为此所需要的等效电路图参量可在“状态监测”的情况中通过监控和优化单元例行地在确定的时间间隔之后或例如在更换电动机或电动机部件时重新采用。 

在并列的方面中，本发明提出了一种用于无编码器地控制或者调节交流同步电动机的电动机控制设备，该电动机控制设备包括先前所描述的用于无编码器地识别电等效电路图参量的识别装置，其中，已 识别的等效电路图参量可用于确定、优化和监控电动机和/或电动机控制。由此，该方面提出了一种电动机控制设备，该电动机控制设备能以通常的方式进行同步电动机的转速特性的基于传感器的或无编码器的控制，且该电动机控制设备包括识别装置或与这样的识别装置连接，且该电动机控制设备使用已识别的等效电路图参量以用于优化调节特性、用于确定用于驱控电动机和用于监控同步电动机的无故障的特性和/或电动机控制的电的参数。那么，所探明的等效电路图参量可用于优化地调整控制特性曲线，从而可无超调地实现动态的调节特性。由此，已识别的参量可用于优化同步电动机的电流消耗和能效，且例如使用于用于调整电子过滤器的过滤器的参数化或该已识别的参量可用于监控电动机控制设备和/或同步电动机的无故障的特性。在已识别的参量相对经事先确定的或预先给定的等效电路图参量有可预先确定的偏差的情况中可假设故障，或者可执行等效电路图参量的重新确定。在电动机的维修或更换的情况中，电动机控制设备可适配地识别新电动机的等效电路图参量且优化地调整适应于新的电动机。电动机控制设备的自校准可在工厂或在机器在客户处的安装时或者在“状态监测”的情况中的持续运行中进行。 

在一种有利的改进方案中作如下建议，即，电动机控制设备以如下方式安装，即，至少能在最初的调试时，优选能多次在运行寿命期间，在转子停止时进行等效电路图参量的自动化的识别，其中，在已识别的等效电路图参量与先前确定的、存储的和/或模型相关的等效电路图参量有可预调设的偏差时，可触发故障信号发送。因此，该方面建议如下，即，至少在最初的调试或者试验运转时在工厂，然而优选在“状态监测”的情况中，或在电动机的部件的维修和更换时进行参量识别，其中，用于优化、调整和监控电动机的电动机控制设备可考虑等效电路图参量。由此，可创造一种“通用的”电动机控制设备，该电动机控制设备可适配地匹配于一整个系列的不同的同步电动机，其中，在电动机停止中可进行电参数的识别。电动机的时效决定的变化可通过调节器参量的适配的修正来考虑，且电动机或电动机控制监 控的故障可辨认出。 

最后，在本发明的一个并列的方面中提出了前面所提及的方法的用于确定、优化和监控用于控制或者调节电气驱动的电动机调节参量的应用，尤其是用于调整电动机控制设备的调节参量的应用。在该方面中作如下建议，即，所探明的等效电路图参量被用于调节器优化、参数化和监控。等效电路图参量的探明例如对于同步电动机的一个产品系列而言可单次地在样机处进行，且将相应的调节参量为了为此所使用的电动机控制设备进行优化和匹配。这可在工厂实现。如果识别装置设置在电动机控制设备中设置有或在外部可联接，则该识别装置可在电动机的已安装的状态中在初次调试时、在维修措施或例行的或持续的状态监控(“状态监测”)时进行参量的重新识别。为此，方法的部分(例如频率范围变换和参量确定)可在外部的计算机上实施，且其它部分(例如测试信号的馈入和三相系统到两坐标系中的转换)可在电动机控制设备内进行。然而关键的是，已识别的等效电路图参量可用于优化的调节器参数化、过滤器调整、电的构件尺寸度量。 

附图说明

其它优点由下面的附图说明得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求组合地包含众多特征。本领域技术人员同样适宜将这些特征单个地研究且被结合成其它有意义的组合。 

其中示例性地： 

图1示出了以星形连接形式的同步电动机定子线圈的等效电路图； 

图2示出了在两分量坐标系与三相坐标系之间的关系的图示； 

图3示意性地示出了带有鼠笼式转子的同步电动机的构造； 

图4示出了同步电动机的等效电路图； 

图5示出了本发明的电动机控制设备的第一实施例； 

图6示出了根据本发明的电动机控制设备的一个实施例； 

图7示出了根据本发明的方法的实施例的流程图； 

图8示意性地示出了将测试信号馈入到同步电动机的数学模型中的一个实施例； 

图9a-b示出了在使用根据本发明的方法时由测得的时域数据构成的导纳的绝对值相位曲线； 

图10a-b示出了在不对称和对称的测试信号馈入时的转子位置特性。 

在图中，相同的或类似的组件以相同的附图标记标示。 

具体实施方式

为了阐释本发明，图1示出了交流电动机的定子线圈01的等效电路图。每个线圈支线U、V和W包括电阻R_s03和电感L_s05。三个线圈支线07在其第一端部处彼此连接且在其第二端部处联接到逆变器输出端的三相U、V、W处。定子线圈01与以可旋转的方式支承的转子线圈11相互作用，该转子线圈在d磁通轴线方向上具有恒定的磁化。转子磁场可通过沿着转子周边安装的永磁体或通过经由滑环馈入的直流电流在转子绕组中产生。转子磁场紧跟着旋转的定子磁场且由此能以定子磁场的频率旋转转子。由转子线圈11和定子线圈01构成的系统可作为在三相系统U/V/W中的替代在定子两坐标系α/β或转子两坐标系d/q中研究，由此可推导出电动机9在图4中示出的等效电路图。 

为此，首先图2示出了带有三个坐标方向1(0°)、e^j2π/3(120°)和e^j4π/3(240°)的三相系统U/V/W相对带有实部α和虚部β的复平面的坐标系α/β的空间上的关联。在假设总电流I的情形下，该总电流可关于三相系统划分成三个分电流I_U、I_V和I_W。以相同的方式，电流可通过在定子固定的复数坐标系中的分电流I_α和I_β来表示。在I_α、I_β与I_U、I_V和I_W之间的关系已进一步在上面说明。在使用复数的图示I_α和I_β的情形下，其说明了固位的定子轴线方向，且从上述的变换准则可推导出三个线电流I_U、I_V和I_W。转子具有旋转的坐标系d/q，该坐标系具有转 子磁通轴线d和横向磁通轴线q。在旋转的坐标d/q与固位的坐标α/β之间的关系可通过转子转角β_k来建立。 

在图3中示意性地示出了永磁交流同步电动机09(PMSM)的构造。在一种简单的实施方案中，所述交流同步电动机包括带有线圈支线U1、U2(07-U)、V1、V2(07-V)和W1、W2(07-W)的三相定子13。固位的定子线圈限定了三个线圈轴线A1、A2和A3，这些线圈轴线与在图2中所显示的三个相轴线1、e^j2π/3和e^j4π/3相符。转子11包括永久装备的旋转体，其中，转子11的永久磁场紧跟着电旋转的定子磁场进而引起转矩，从而将转子11置于旋转中。 

此外，图4示出了带有线电流I₁和线电压U₁的同步电动机的等效电路图。电压源U_P表示了在旋转体线圈中的转子磁场的互感作用。根据图4的等效电路图描述了在带有R₁、L₁03、05的定子线圈01中的电过程。基于等效电路图，可推导出下面的导纳函数： 

$G=\underset{\‾}{Y}=\frac{1}{R_1+s{L}_1}=\frac{1}{b_0+s{b}_1}$

此时，本发明的任务是，确定在图4中说明的等效电路图参数R₁、L₁。基于知道这些等效电路图参数，在馈入电压U_d时可预测出现的电流I_d，其中，所期望的转速和转矩可通过调整调节参量来优化。在此，基本的是瞬态特性的描述，其中，电动机的电特性的唯一分析提供了关于等效电路图参量的尽可能精确的识别。 

图5示意性地示出了电动机驱控线路16，在该电动机驱控线路中交流供电网络17的相位借助于三相桥式整流器19转换成直流中间电路21的直流电压。在直流中间电路21中设置有缓冲电容器23，缓冲电容器使电压平滑，并且例如在电力故障时提供用于电动机09的可控的应急运行的缓冲能量。逆变器25包括三个开关桥(Schaltbrücken)，在这些开关桥中功率半导体开关元件27可相对直流中间电路21的直流电压+DC和-DC相协调地开关电动机支线U/V/W，且因此转速可变 地提供用于交流电动机09的PWM形成的驱控电压U_U、U_V、U_W。每个可包括IGBT晶体管、功率晶体管或类似物的功率半导体开关元件27借助于续流二极管29来防止过压，尤其是不受穿过电动机09的感应的反作用。线电压U_U、U_V、U_W31以及线电流I_U、I_V、I_W33在至交流电动机09的输送导线中被量取，并且被输送给电动机控制设备35。线电压不须被必要地量取，因为所述线电压可由逆变器25预先给定，其中假设额定电压值与实际电压值相符。 

电动机控制设备35包括控制导线，以便于按照电动机09的所期望的转速特性相位正确地驱控各个功率半导体开关元件27。在基于传感器的调节的情况中，电动机控制设备35此外与位置角度传感器和加速度传感器联接，其中，同样可联接温度传感器，用于监控电动机09的工作温度。在无旋转编码器的场定向的调节的情况中，电动机控制设备35可仅通过识别线电压31和测得的线电流33进行逆变器开关构件27的转速优化的驱控。电动机控制设备35的调节参量可通过识别电动机09的电特性来设置，该电特性可通过在图4中示出的等效电路图进行描述。为此，电动机控制设备35包括识别装置39，如其在图6中示出的那样。 

在图6中示出了电动机控制设备35的一个实施例，该电动机控制设备包括用于提取交流同步电动机09的等效电路图参量的识别装置39。电动机控制设备35具有用于获取交流电动机09的三个线电流I_U、I_V和I_W33以及三个线电压U_U、U_V和U_W31的输入端，其中，仅两个线电压和线电流的获取是足够的，因为第三个量根据基尔霍夫定律得出。此外，电动机控制设备35包括用于发出用于操纵逆变器25的功率半导体开关元件27的逆变器开关信号的开关输出端61。逆变器开关信号61的相位正确的产生借助于是逆变器控制装置37的PWM(脉宽调制)微处理器实现，以便于无传感器地或经传感器支持地进行交流电动机09的转速调节和转矩调节。识别装置39接收线电压31和线电流33且包括d/q变换单元41，该d/q变换单元将线电压和线电流转换 成复数的两坐标系的分电压U_d、U_q以及分电流I_d、I_q。将已转换的线电压和线电流馈入到参量识别单元67中，该参量识别单元一方面包括傅里叶变换器件45且另一方面包括参量提取器件47。将傅里叶变换应用到线电压的和线电流的时域数据上，从而使得这些数据存在在频率范围中且可构成在上面所限定的导纳传递函数G₁。作为导纳函数的替代，参量可基于另一传递函数尤其是阻抗函数或其它有意义的电函数关系式，且确定这些函数关系式的参量。基于传递函数的变化过程，参量提取器件47的参量识别单元67在知道基本的导纳描述函数的情形下可从曲线变化过程中提取待识别的参量。由此，可探明在图4中示出的等效电路图的等效电路图参量R₁、L₁，并且在其基础上，能进行电动机调制以及脉宽产生的参量调整的优化的优化单元49可产生用于逆变器控制装置37的参数化、优化和监控的控制参量以及过滤参量。所述控制参量以及过滤参量被传输到PWM接口53处，进而可被传递到逆变器控制装置37处，以便于实现同步电动机的优化的调节。 

在参量提取的情况中，可将通过测试信号发生单元51生成的测试信号馈入。在该实施例中，作为测试信号产生伪噪声二进制信号(PRBS)，伪噪声二进制信号借助于U/V/W变换单元43将噪声信号均匀地作为U_α/U_β提供且分配到三个线电压U_U、U_V和U_W上。将该输入信号传输到逆变器控制装置37处，该逆变器控制装置根据逆变器25以如下方式控制，即，使电动机09根据测试信号通电。 

在图7中示出了用于执行根据本发明的方法的程序流程图的一个实施例。在步骤S1中，首先将转子带到停止位置中，在该停止位置中转数中转数n等于0。在步骤S2中，进行作为PRB信号的测试信号在转子的d主磁通轴线上的馈入。这是基本的前提条件，从而使得能不出现转子的转矩。从d/q测试信号中执行到线电压U_U、U_V和U_W的转换，进而驱控电动机。驱控的电压信号U(n)以及测得的电流值I(n)在时域中被采样且借助于傅里叶变换尤其是DFT(离散傅里叶变换)或FFT(快速傅里叶变换)在使用Welch方法的情形下转化到频率范围中， 也就是说在该情况中转化到拉普拉斯域中，从而得出频率范围值U(k)、I(k)。在拉普拉斯域中，导纳的传递函数可表示为： 

G(k)＝I(k)/U(k)， 

该传递函数形成用于参量提取的基础。在知道传递函数的情形下，可借助于系统识别例如基于Levenberg-Marquardt算法执行参量提取，以便于由曲线变化过程探明传递函数系数b₀和b₁。由此可推导出等效电路图参量R₁、L₁的值，且可用于调整电动机控制参量、用于优化负荷变换或转矩变换且用于调整和设计用于电动机电流或电动机电压的过滤的过滤参量。通过获悉电路径的等效电路图参量，可进行逆变器控制装置37的参数化，其中，电动机特性的高动力学性能可通过作为最内部的调节器的逆变器控制装置的调节特性的优化来实现。在此，因为存在电的机械参量的精确的识别，可实现高要求的、远超出同步电动机的常规的PI调节器的可能性的调节方法。尤其地，可精确地调整用于状态空间调节器、无差拍调节器或模型更新调节设备的调节器参量。 

在图8中示意性地示出了测试信号发生单元51的测试信号到作为在Matlab-Simulink仿真的情况中的d/q模型的交流同步电动机59的数学模型中的馈入。测试信号发生单元51包括d测试信号发生器件63，该d测试信号发生器件产生伪噪声二进制信号，伪噪声二进制信号被时钟脉冲地提供给通常以16kHz时钟脉冲频率也就是说62.5μs时钟脉冲周期工作的逆变器控制装置37。因为d/q电动机模型59能以一定程度上类似的信号来调制，所以插入采样提高单元55，该采样提高单元由经粗略地采样的16kHz测试信号产生一定程度上连续的测试信号。将该测试信号通过测试信号增强器57增强地作为电动机电压Ud馈入到d/q同步电动机模型59中。与此并行地，同样由测试信号发生单元51所包括的q测试信号发生器件65产生零信号或直流电压信号，即，作为横向轴线电压U_q馈入到同步电动机模型59中。在此，利用Matlab-Simulink实现仿真，以便于执行方法的在数学上的验证。基于数字仿真，线电流的变化过程通过信号记录单元69来记录，由此得出 为0的所产生的转矩，如在图10a中示出的那样。相应地可得出如下结论，即，在基于该方法的输出方程中在测试信号不对称馈入时预期停止的无转矩的转子。 

在图9a和9b中示出了在导纳函数G＝Y的0-1kHz的频率范围上的绝对值变化过程和相位变化过程，该导纳函数由已识别的电系统和由精确的机械模型推导出。可清楚辨认的是，传递函数G₁几乎与精确的机械模型相一致且具有理论上可预见的PT1特性。所研究的电动机是带有额定功率P_N＝2.9kW、额定转速n_N＝3000^-1、极对数p＝4且额定电流I_N＝8.2A的Baumüller DSD071电动机。由此，可借助于数字仿真证实理论模型的验证。基于在时域中测得的采样的线电压和线电流，可推导出交流电动机09的电特性的几乎相同的系统表征。 

在图10a中示出了在使用根据本发明的方法时在自识别期间测得的位置信号的波形图曲线。可辨认出的是，转子11的转角 

在测试信号馈入和测量期间停止，因为在测试信号不对称馈入的情况中不产生可将转子11置于旋转中的转矩。然而，一个例外是在根据图10b的转角曲线 

中，其中，在该情况中为了复核而在同步电动机09的两个通道d/q中进行对称的测试信号馈入。可清楚辨认出的是，在到转子的d轴线以及到q轴线中的馈入在测量期间不停止，而是高频率地往复运动。在已安装的状态中，机械的驱动系会运动，或者通过驱动系的测量提供歪曲的值。由此作如下说明，即，测试信号在电动机09的d坐标方向上的仅一次不对称的馈入提供了可用的结果。 

本发明的原则上的思想基于交流电动机在两坐标空间d/q中的信号理论研究，其中，借助于作为转子的d主磁通轴线方向上的电动机电压的宽带测试信号(优选为PRB信号)的非对称的馈入，评估信号、测量信号存在为测量的电动机电流，该电动机电流可在频率范围内优选地借助于Welch方法变换。在此基础上，由所馈入和测得的信号可提取传递函数，且可借助于优选为Levenberg-Marquardt算法的参量识 别方法评估基础的系统描述参量。通过获悉传递函数的根据公式的关系，可识别各个函数参量，进而表征电动机在大频率范围上的电特性。本发明的特别的重点在于特别的馈入形式、传递函数的结构和分析规则，在其中，在转子的停止中实现电等效电路图参数的确定。该方法描绘了电动机在大工作频率范围或者转速范围上的瞬态特性，且可用于调整、优化和监控电动机。尤其在使用在电动机控制设备中时可提供通用的电动机控制设备，该通用的电动机控制设备可适配地在工厂或在安装电动机之后在与机械的从动系联接时用于确定电动机特性。描述机器的参量的保护电动机的且快速的确定由此实现。该方法可在软件技术上在现存的电动机控制设备例如Baumüller b maXX-电动机控制设备和伺服调节器尤其是b maXX1000-5000中改进，并且开启描述电动机的参量的自动的识别和监控。 

附图标记列表 

01  同步电动机的定子线圈等效电路图 

03  线圈电阻 

05  线圈电感 

07  U/V/W线圈支线 

09  同步电动机 

11  转子 

13  定子 

15  同步电动机的定子线圈的等效电路图 

16  电动机驱控线路 

17  交流供电网络 

19  三相桥式整流器 

21  直流中间电路 

23  缓冲电容器 

25  逆变器 

27  功率半导体开关元件 

29  续流二极管 

31  线电压 

33  线电流 

35  电动机控制设备 

37  逆变器控制装置 

39  识别装置 

41  α/β变换单元 

43  U/V/W变换单元 

45  傅里叶变换器件 

47  参量确定器件 

49  优化单元 

51  测试信号发生单元 

53  逆变器接口单元 

55  采样率提高单元 

57  测试信号增强器 

59  α/β同步电动机模型 

61  逆变器开关信号 

63  d测试信号发生器件 

65  q测试信号发生器件 

67  参量识别单元 

69  信号记录单元。 

Claims (12)

1.用于无编码器地识别交流同步电动机(09)的电的等效电路图参量(03、05、15)的方法，

至少包括如下步骤：

-寻找转子(11)的停止位置，从而使得所述转子的d磁通轴线方向相对定子(13)的α轴线方向对齐；

-在所述同步电动机(09)的d磁通轴线方向上馈入测试信号电压U_1d，其中，q横向轴线方向保持不通电；

-测量所述同步电动机(09)的d磁通轴线方向的测量信号电流I_1d；

-基于在d磁通轴线方向上的所述测试信号电压U_1d和所述测量信号电流I_1d识别所述同步电动机(09)的等效电路图参量(03、05、15)；

其中，到所述同步电动机(09)中的测试信号馈入以如下方式进行，即，使所述转子(11)保持无转矩。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

所述停止位置是所述转子(11)的止动位置，在所述止动位置中，所述d磁通轴线方向与所述α轴线方向一致，或者所述停止位置是通过对所述同步电动机(09)恒定通电到α轴线方向上而强制的停止强制位置或预知的转子位置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述测试信号是伪噪声二进制信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述等效电路图参量(03、05、15)的识别包括根据Welch方法进行时间离散信号的傅里叶变换。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述等效电路图参量(03、05、15)的识别包括尤其根据Levenberg-Marquardt算法的传递函数-参量确定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

将已识别的等效电路图参量(03、05、15)使用在逆变器控制参量的调整和/或优化中，和/或使用于电动机监控。

7.用于无编码器地识别交流同步电动机(09)的电的等效电路图参量(03、05、15)的识别装置(39)，所述识别装置适用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，

所述识别装置包括逆变器接口单元(39)，所述逆变器接口单元为了控制的通讯且为了转子位置确定而能与逆变器控制装置(37)连接，

其特征在于，

所述识别装置(39)此外包括用于产生d/q测试信号的测试信号发生装置(51)、用于将所述d/q测试信号变换成U/V/W控制测试信号的U/V/W变换单元(43)、用于将测得的U/V/W测量信号电流变换成d/q测量信号电流的d/q变换单元(41)和用于识别等效电路图参量(03、05、15)的参量识别单元(67)。

8.根据权利要求7所述的装置，

其特征在于，

所述参量识别单元(67)包括傅里叶变换器件(45)和参量确定器件(47)，所述傅里叶变换器件尤其是用于将非连续的d/q信号值根据Welch方法进行傅里叶变换的FFT/DFT器件，所述参量确定器件尤其是Levenberg-Marquardt传递函数-参量确定器件。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的装置，

其特征在于，

此外包括监控和优化单元(49)，所述监控和优化单元安置为基于已识别的等效电路图参量(03、05、15)来确定、优化和/或监控逆变器控制装置(37)的控制参量。

10.用于无编码器地控制交流同步电动机(09)的电动机控制设备(35)，

其特征在于，

包括根据前述权利要求7至10中任一项所述的用于无编码器地识别交流同步电动机(09)的电的等效电路图参量(03、05、15)的识别装置(39)，其中，已识别的等效电路图参量(03、05、15)能用于确定、优化和监控所述电动机(09)和/或电动机控制。

11.根据权利要求10所述的设备，

其特征在于，

所述设备以如下方式安置，即，至少能在最初调试时，优选能多次在运行寿命期间，在转子停止时进行所述等效电路图参量(03、05、15)的自动化的识别，其中，在已识别的等效电路图参量(03、05、15)与事先确定的、存储的和/或模型相关的等效电路图参量(03、05、15)有能预调设的偏差时，能触发故障信号发送。

12.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法的用于确定、优化和监控用于控制电气驱动的电动机调节器参量的应用，尤其用于调整电动机控制设备(35)的调节参量的应用。

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