CN102375119A - 识别交流同步电动机磁力机械特性参数的设备和方法 - Google Patents

Abstract

识别交流同步电动机磁力机械特性参数的设备和方法。该方法用于无旋转编码器地识别所述特性参数，尤其是惯性矩J和在转子与定子间的永磁磁通Ψ_PM，其至少包括如下步骤：-在d磁通轴线方向上馈入恒定电压U_1d；-在q横向磁通轴线方向上馈入测试信号电压U_1q；-测量q横向磁通轴线方向的测量信号电流I_1q；-基于测试信号电压U_1q与测量信号电流I_1q识别同步电动机磁力机械特性参数；其中，转子能实施带有可预先限定的最大幅度的偏转运动。所述设备涉及用于确定同步电动机磁力机械特性参数的识别装置以及包括识别装置的电动机控制设备，其中，已识别的特性参数可用于确定、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磁力机械特性参数的设备和方法

技术领域

本发明以一种用于无旋转编码器地识别交流同步电动机的磁力机械特性参数尤其是转子的惯性矩J和在转子与定子之间的永磁磁通Ψ_PM的方法、装置、设备和方法应用为出发点。磁力机械特性参数使得交流电动机关于在定子与转子之间的磁性相互作用和机械的动态特性的表征成为可能，从而使得不仅电动机的磁性特性而且电动机的机械回转特性也可在运行中得到表征。

背景技术

由现有技术公知各种方法，以便于确定交流电动机的磁性的和机械的特性。为了确定磁性特性，通常评估位置指示器、转角指示器或转速指示器的传感器数据，且在考虑交流电动机的机械的结构数据的情形下确定转子的惯性矩J：其中，

为与转子的旋转轴线间距为r的容积V内的质量密度。然而，现代的无旋转编码器地调节的电气驱动不可能依靠传感器数据，从而不能在正常的运行中探明机械的特性参数。

惯性矩J说明了转子在改变转子转动状态时的阻力，且由此描述了电动机的旋转动力学性能。由该旋转动力学性能可借助于

计算转矩M。为了确定在定子与转动体之间的磁通量Ψ_PM可使用磁场传感器，例如霍尔传感器、AMR传感器或类似物，以便于测量磁通密度B的大小。磁通的大小提供了关于最大待达到的转矩的信息，该转矩由洛伦兹力得出。

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永久磁化的转子，所述永久磁化或者由永磁体引起或者由以直流电流流经的、由电刷供电的线圈产生。典型地，为了简化地表征同步电动机的电特性而使用等效电路图，如其在图4d中示出的那样，在该等效电路图中定子线圈借助于欧姆电阻R₁和电感L₁以及用于考虑感应的电压的电压源Up来模仿。为了确定磁力机械参数，电的参数的获悉可能是有利的。

在三相系统中，在Y型或Δ型接线中通过两相的馈入，在缺乏星形中性点接地的情形中根据定律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称为关于定子磁场的固位的取向的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。关于转动体可引入旋转的第二坐标系，该坐标系的轴线称为转子的d轴线和q轴线，如其在图2中示出的那样。d轴线标明了转动体的主磁通方向，而q轴线标明了对此呈直角的横向磁通轴线。定子磁场在转子的d轴线的方向上的取向在一定程度上引起转子的止位，而在转子的q轴线的方向上的定子磁场取向引起到转子上的转矩。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的绕组轴线和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坐标系中或在与转动体一起旋转的d/q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：

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

可借助于转动体角度β_k的考虑修改所述关系式，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4d中示出的等效电路图描述了带有馈电电压和馈电电流U₁、I₁以及U₂、I₂的交流同步电机的单相等效电路图表征。

在图4d中示出了同步电动机关于α/β指针图的等效电路图，其中，在识别所提及的等效电路图参数的情形下可在各种不同的运行情况中表征交流电动机的电运行特性：

U_1α＝R₁ $I_{1\mathrm{\α}}+L_1\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}+U_P\sin \left({\mathrm{\β}}_K\right)=R_1$

U_1β＝R₁ $I_{1\mathrm{\β}}+L_1\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}+U_P\sin \left({\mathrm{\β}}_K\right)=R_1$

其中，β_K＝∫Ω_K(t)dt＝Ω_Kt。

两个微分方程在频率范围中示出了带有作为激励源的感应项UP的PT1特性，所述感应项又取决于电动机的转速进而依赖于电动机的机械特性。通过测量电的参数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：

$G_{\mathrm{\α}/\mathrm{\β}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=Y_{\mathrm{\α}/\mathrm{\β}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{I_{1\mathrm{\α}/\mathrm{\β}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}{U_{1\mathrm{\α}/\mathrm{\β}}\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

基于相电压U_U、U_V和U_W和线电流I_U、I_V和I_W，该导纳根据上述的变换转化到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α轴线和β轴线或者d/q轴线的分开的研究方法，从而例如关于d轴线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参量。例如存在如下想法，即，通过相似的方式在假设转子停止(n＝0-＞U_P＝0)的情形下确定电的等效电路图参数L₁、R₁。

由现有技术，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的联合体中的机械的系统识别，可使用伪噪声二进制信号(PRBS)作为电测试激励。在此，机械的系统是SISO系统(信号输入信号输出)，在SISO系统中可借助于唯一的机械的输入参数或电的输入参数，借助于机械的旋转编码器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，从而使得在输出参数中可确定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的情形中推导出机械系统的特性参数。

然而，在基于纯粹电的参数的馈入和测量确定磁力机械特性参数的情形中，涉及所谓的MIMO系统(多输入多输出)，在MIMO系统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措施不可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 automatisierteInbetriebnahme 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 of the Welch-Method for theIdentification of Two and Three Mass Systems”，IEEE Transactions onIndustrial Electronics，Vol.55，No.1，Januar 2008，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中：P.Szczupak，J.M.Pacas：“Automatic Identification of a PMSM DriveEquipped with an Output LC-Filter”，IEEE Industrial Electronics，IECON2006，32^nd Annual Conference on November 2006，S.1143-1148(出版物[3])进行介绍。

发明内容

本发明基于如下任务，即，基于交流同步电机的电等效电路图提出一种用于确定磁力机械特性参数尤其是转子的和驱动系的惯性矩J和在转子与定子之间的永磁磁通Ψ_PM的方法，其中，参量识别在无旋转编码器传感器的情形中实现，转子仅实施带有可预先限定的最大幅度的小偏转运动且可通过唯一的测量探明磁力机械特性参数。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。

本发明的另一任务在于，提出一种用于无旋转编码器的识别的设备，在该设备中磁力机械特性参数的识别可仅通过电的参数的测量来进行，从而不须使用传感器来确定带有接上了的从动系的同步电机的磁性的或机械的特性。

在本发明的第一方面中建议了用于无旋转编码器地识别交流同步电动机的磁力机械特性参数尤其是转子的或者驱动系的惯性矩J和在转子与定子之间的永磁磁通Ψ_PM的方法。该方法至少包括如下步骤：

-通过输入直流电流I_1d＝I_DC在转子的d磁通轴线方向上馈入恒定电压U_1d；

-在转子的q横向轴线方向上馈入测试信号电压U_1q，其中，d磁通轴线方向保持直流通电；

-测量q横向磁通轴线方向的测量信号电流测量I_1q；

-基于测试信号电压U_1q和测量信号电流I_1q识别同步电动机的磁力机械特性参数；

其中，到同步电动机中的测试信号馈入以如下方式实现，即，转子由于测试信号馈入可实施带有可预先限定的最大幅度的偏转运动。

测试信号馈入和测量信号测量在U/V/W系统中通过定子电压的馈入和定子电流的测量实现。然而，电压与转子的d主磁通轴线的已知位置相关地执行。d轴线的方向例如可通过机械的挡块、通过转角传感器或通过转子相对定子的α/β轴线的有针对性的取向或者止动位置寻找来确定或者限定。产生的频率响应数据包含至少关于机械特性参数J(惯性矩)和磁性特性参数Ψ_PM(永磁磁通)的信息，其中，根据本发明的方法仅基于电的参数(电压和电流)实现用于同步电动机尤其是用于永磁激励的同步电动机(PMSM)的惯性矩J和磁性的永磁磁通Ψ_PM的识别。在此，该方法不仅考虑电动机的惯性矩J而且考虑可能机械地联接的从动系(例如变速器和所连接的机器的运动的机械部件)的惯性矩J。

带有转子的可预先限定的最大幅度的偏转运动意味着，转子相对定子的角度仅在可预先确定的角度量中变化，从而不可实现转子的完全旋转且转子相对定子取向地保持在可限定的角度范围中。最大幅度仅允许以如下大小衰失，即，可接受如下简化，即，转子停止，由此可认为d/q轴线系统相对α/β系统固定。在占据转子的停止位置之后，将测试信号电压馈入到转子的q磁通轴线方向上并且测量产生的测量信号电流I_1q。在d轴线方向上的恒定电流输入I_1d引起转子相对定子的对齐，其中，无转矩施加到转子上。转子构成弹簧质量系统，如在图4中示出的那样，其中，在d方向上所馈入的磁场引起复位且在q方向上所馈入的电流引起系统的激励。质量与转子或者驱动系的惯性矩相符。机械的驱动系由电驱动机器的转子和必要时所联接的机械负荷(包括变速器、轴和类似物)构成。测试信号U_1q的结构确定了哪些频率成分或频率范围可测量和能以哪个精度识别等效电路图参量，其中，特性参数可根据测试信号的频率覆盖范围来提取。测试电压U_1q的馈入产生可测量的测量信号电流I_1q。额外的测量技术不是必需的，因为预先给定的额定电压能以测试信号的形式例如在电动机驱控的逆变器装置的控制器或信号处理器(DSP)中产生，并且，虽然此处识别机械参数，但此外测量用于电流调节的电流。

相对异步电动机，在测量信号在两个转子轴线方向d和q上的馈入相同时将产生不能控制的转矩形成，进而产生电动机轴的不受控制的机械运动。为了能避免该运动，可首先执行d轴线相对定子的α/β轴线的止动位置寻找或者对齐，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q方向上馈入测试信号实现频率响应测量，因为定子电流的q分量I_1q有助于转矩形成。可避免止动位置寻找，方法是：机器在α方向上的通电以直流电流实现。于是，转子在α轴线处取向，从而使得α轴线和d轴线一致。由此，测试信号可通过此时与d轴线相一致的α轴线馈入到交流电动机中。结果，转子可在d轴线方向上在一定程度上固定，其中，在d方向上的恒定通电引起复位作用，从而在q方向上的测试信号馈入虽然实现了转子运动，但通过复位作用而提供了到可限定的转子位置中的返回。作为备选地，如果同步电机的止动位置(又称极位置)先前已知，将测试信号直接作为电压U_1q和恒定电压U_1d合适地馈入到定子绕组中。

用于测量线电流的线电压的馈入例如可借助于2相/3相变流器实现，该2相/3相变流器依照上述的矩阵关系且在考虑转子转角β_k的情形下可由两个电压U_1d和U_1q产生三相电压U_U、U_V和UW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空气设备的逆变器来实现。作为备选地，可将测试信号电压根据d轴线的位置直接馈入到同步电机的支线中。线电流的测量可通过同一个电流测量仪器实现，该电流测量仪器在无旋转编码器的调节的情形中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以作为数字获取的时间上的采样值来记录，且可在所述采样值的基础上提取特性参数。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范围变换和测得的传递函数G₁的频率响应的分析来实现。在知道前面所提及的导纳函数的情形下，该导纳函数可表示为在频率范围中的传递函数，传递函数的系数进而各个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磁力机械特性参数。

传递函数G的频率响应在知道基础的导纳公式Y的情形下的确定实现了磁力机械特性参数的提取。由此，可通过借助于唯一的测量的尤其宽带的测试信号的馈入说明交流电动机的磁性特性参数和机械特性参数。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识别等效电路图参数。

原则上，作为测试电压预规定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规定。然而，尤其功率较强的电动机具有高感应的特性，从而使得为了输入呈矩形的电流开关脉冲必须激励出高驱动器电压，由此可仅以高耗费实现测试电流输入。

根据本发明的一种有利的改进方案，在知道d/q转子轴线方向相对α/β定子轴线方向的位置的情形下进行相应的U_1α、U_1β馈入，从而可在d磁通轴线方向上执行恒定的定子磁场且在q横向磁通轴线方向上执行测试信号馈入。通过d转子轴线相对α定子轴线的位置获悉而已知转子位置角度β_k，从而可将恒定电压以及构成转矩的测量电压输入到定子绕组处，以便于将转子有针对性地在测量振荡中偏置以转子位置角度β_k。

特别有利的是，转子的d磁通轴线方向可相对定子的α轴线对齐，从而使得转子位置角度β_k＝0。通过在定子的α轴线方向上馈入恒定电压U_1α，转子的d磁通轴线关于定子的α轴线的对齐可通过输入直流电流I_1α＝I_DC来引起；且实现在β轴线方向上的测试信号馈入U_1β，其中，α轴线方向保持直流通电，从而使得β轴线方向的测量信号电流测量I_1β可测量。由此，在α轴线方向上的恒定通电引起d磁通轴线方向的取向，其中，转子保持无转矩。如果转子静止位置(也就是说β_k)例如通过限定的机械挡块或通过转角传感器的位置信息已知，则可实现定子绕组在d转子轴线的位置方向上的恒定通电。同样地，定子线圈在任意的位置中的恒定通电强制d轴线取向到调整出的定子磁场的轴线中。用于止动位置寻找的方法，已在许多由现有技术公知的电动机控制设备中实施。

在d轴线向α轴线对齐的情况中，得出下面根据公式说明的简化，从而可特别简单地识别磁力机械特性参数。通过恒定电压U_1α＝常数(例如10V)的馈入，将机器定向到磁通轴线(d轴线)上，其中，机器的轴可能运动。此时，α轴线与d轴线相符且β轴线此时与q轴线相符。在整个识别过程期间，必须维持该恒定馈入，也就是说即使在测试信号馈入的期间，如下面所讨论的那样。由此，可产生类似弹簧的效果。利用合适的U_1β测试信号在该情况中到β轴线(也就是说q轴线)中的馈入，转子的稳定的位置受到干扰且产生偏转进而产生转矩。与之相反，恒定的电流I_1α起作用且转子将再次被拉到磁通轴线上。

在这种情况下，适用下面的模型方程：

在定子固定的参考系统中的电压方程：

U_1α＝R₁I_1α-Ω_K ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·\sin \left({\mathrm{\β}}_K\right)+L_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}$

U_1β＝R₁I_1β+Ω_K ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·\cos \left({\mathrm{\β}}_K\right)+L_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}},\mathrm{mit}{\mathrm{\β}}_K={\mathrm{\Ω}}_K\·t$

通过U_1α＝常数的馈入，α轴线＝d轴线适用于小的偏转：

→β_K≈0，

→sin(β_K)≈β_K和cos(β_K)≈1。

由此得出如下电压方程：

U_1α＝R₁I_1α-Ω_K ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·{\mathrm{\β}}_K{+L}_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\α}}}{\mathrm{dt}}$

U_1β＝R₁I_1β+Ω_K ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·1{+L}_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}$

假设I_1α＝常数，得出：

U_1α＝R₁I_1α-Ω_KΨ_PM·β_K

U_1β＝R₁I_1β+Ω_K ${\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}{+L}_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_{1\mathrm{\β}}}{\mathrm{dt}}.$

此时产生在转子角度β_k与测量信号电流I_1q之间的关系式的导出：研究的出发点构成在图9中示出的方块图：方块图的输入参数是定子电流I_1q的构成转矩的分量。输出参数是永磁铁的磁链在定子固定的α/β坐标系中的角度β_k，其中p表示极对数。

对于转矩常数K_T而言适用如下关系式： $K_T=\frac{3}{2}p{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}$

由此适用： ${\mathrm{\β}}_K=K_T\frac{1}{\mathrm{sJ}}{I}_{1q}\frac{1}{s}p$

此外，在磁通固定的坐标系中适用如下：

I_1q＝I_1βcos(β_K)-I_1αsin(β_K)。

$\→{\mathrm{\β}}_K=\frac{K_{T}p}{s^{2}J}[I_{1\mathrm{\β}}\cos \left({\mathrm{\β}}_K\right)-I_{1\mathrm{\α}}\sin \left({\mathrm{\β}}_K\right)]$

对于小β_k而言产生简化：

${\mathrm{\β}}_K=\frac{K_{T}p}{s^{2}J}[I_{1\mathrm{\β}}-I_{1\mathrm{\α}}{\mathrm{\β}}_K]$

$\→{\mathrm{\β}}_K=\frac{K_{T}p{I}_{1\mathrm{\β}}}{s^{1}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}$

其中， ${\mathrm{\Ω}}_K=\frac{{\mathrm{d\β}}_K}{\mathrm{dt}}$ 或者Ω_K＝s β_K

${\mathrm{\Ω}}_K=\frac{K_{T}p{I}_{1\mathrm{\β}}s}{s^{2}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}$

此时，对于β电压方程而言得出如下：

$U_{1\mathrm{\β}}=R_1{I}_{1\mathrm{\β}}+{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·\frac{K_{T}p{I}_{1\mathrm{\β}}s}{s^{2}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}+L_1\·I_{1\mathrm{\β}}\·s=[R_1+{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}\·\frac{K_T\mathrm{p\; s}}{s^{2}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}+L_1\·s]\·I_{1\mathrm{\β}}$

人们获得下面的传递函数：

$G_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=\frac{I_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}{U_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}=\frac{s^{2}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}{s^{3}J{L}_1+s^{2}J{R}_1+s(L_1{K}_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}+{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}{K}_{T}p)+R_1{K}_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}$

该传递函数仅包含2个未知量，这些未知量是在该识别的情况中待探明的磁力机械特性参数J、Ψ_PM，其中，惯性矩包含在项K_T中。传递函数能以如下形式进行描述：

$G_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=\frac{I_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}{U_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}=\frac{a_2{s}^2+a_0}{b_3{s^3}_1+b_2{s}^2+b_{1}s+b_0}$

通过所馈入的测试电压U_1β和测得的测量信号电流I_1β到拉普拉斯域的变换，上面提到的传递函数可通过微分构成且借助于通常的识别方法来确定系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。由此可在获知如下的情形下，即，a₀＝K_TpI_1α，a₂＝J，b₀＝R₁K_TpI_1α，b₁＝L₁K_TpI_1α+Ψ_PMK_Tp，b₂＝JL₁，确定参数机械系统的惯性矩J以及永磁磁通Ψ_PM。

根据一种有利的改进方案，恒定电压U_1d相对测试信号电压U_1q的比例能如此优化地选择，以便于在一定高度上达到偏转运动的最大幅度，从而使得可以可预先确定的精度探明可调整的弹簧质量系统的磁力机械特性参数。在测试信号到d转子坐标方向上的馈入期间在机器中不产生转矩，从而使得转子首先无转矩地保持在其位置中。在此，按照大小选择恒定电压U_1d，从而使得在测试信号在q方向上馈入时，转子可“弹性地”返回到其静止位置中。太小的恒定电压导致转子相对定子的不期望的扭转，从而不能执行有针对性的d/q通电。相对测试信号电压U_1q过高的横定电压将引起定子的止位，从而使得将不出现机械的运动，进而不出现自感。因此，在两种情况中不能探明机械的特性参数。由此，如下是重要的，即，恒定电压的和测试信号的幅度处在适当的比例中。如果恒定电压在d轴线上明显过大，则效果如同被机械地制动的机器。此处所描述的方法基于如下，即，机器从磁通轴线中移出且可自行返回到其中。为此，可以有利地考虑的是，改变恒定电压U_1d相对测试信号电压U_1q的比例和/或恒定电压U_1d的高度且相应地执行带有变化的电压值的参量识别，其中，得出的参量作为平均值或加权的参量可从各个参量识别的结果中探明。由此，可减少在确定中的错误，从而可获得较精确的结果。

根据一种有利的改进方案，为了识别磁力机械特性参数可考虑或同样识别同步电动机的其它特性参数、尤其是等效电路图特性参数L₁、R₁以及机械的结构参数如极对数p和/或电测量参数如I_1α、I_1β，尤其是I_1α＝I_DC。根据上述的公式关系式，为了确定惯性矩J和永磁磁通Ψ_PM需要知道极对数p、等效电路图参量L₁、R₁以及止位电流I_1α的参数。这些值可结构性地限定、根据经验确定或在测量技术上获取。对于尤其等效电路图参量L₁、R₁在测量技术上的获取而言，基于有针对性的测试信号馈入来提供电等效电路图参量的有关系的参量识别，所述测试信号馈入是并行的专利申请的对象，并且在该测试信号馈入中测试信号在d方向上馈入，其中，q方向保持不通电。此外，在传递函数的系数中表征的特性参数或等效电路图参量同样可在参量识别的情况中确定。那么可考虑的是，由传递函数的确定的系数提取所有纳入到传递函数中的参量，至少是电的等效电路图参量。

根据一种有利的改进方案，测试信号可以是伪噪声二进制信号。测试信号应具有高带宽，以便于实现电的电动机特性的尽可能高的频率分辨率。白噪声具有平均分配的宽带的频谱。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，值+1和-1可以假设且相对白噪声可备选地使用。尤其信号的可再现性是有利的，其中，经常在调节技术上使用用于借助于最大长度序列分析脉冲响应的PRB信号。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。该方法在文献中已知称为Bartlett方法，将在Bartlett方法中测得的信号划分成区段。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提及的出版物[2]所公知。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。在这种情况下，对时域数据加窗处理，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，作为对此备选地，同样可使用相关图方法，该相关图方法在文献中同样以名称Blackman Tukey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磁力机械特性参数。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，以便于首先识别传递函数系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂、基于这些传递函数系数的参量和建立在此基础上的磁力机械特性参数。作为备选地，例如可使用根据Nelder和Mead的方法，其中，然而Levenberg-Marquardt算法尤其地在强噪声的数据记录的情形中提供更稳固的结果。Levenberg-Marquardt方法属于梯度方法的组别，其中，通过故障函数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优化的标准方法。该方法是梯度方法和Hesse矩阵的倒置的混合，且在文献中也称为最速下降法。Hesse矩阵的倒置也称为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：

$\underset{\‾}{Y}\frac{a_2{s}^2+a_0}{b_3{s^3}_1+b_2{s}^2+b_{1}s+b_0}$

且在提交系统的频率响应的情形下可确定未知的系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。与上面所提及的导纳图示相比，这些未知的系数与电的和磁力机械的参量相符：a₀＝K_TpI_1α，a₂＝J，b₀＝R₁K_TpI_1α，b₁＝L₁K_TpI_1α+Ψ_PMK_Tp，b₂＝JL₁。由此，通过探明这些参数可探明惯性矩J和永磁磁通Ψ_PM的特性参数。

根据本发明的一种有利的改进方案，已识别的特性参数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，该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的情形中由于知道磁性的和机械的特性参数而可相应地控制逆变器，或者可以如下方式预先给定支线驱动电压，即，使机器可优化地在无超调的情形中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，驱动路径的磁性的和机械的特性参数的识别可用于电流调节器的参数化，该电流调节器对高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精确地识别机械特性参数，尤其是惯性矩和磁通量。在这种情况下，尤其可叫做状态空间调节器、无差拍调节器或模型跟踪调节设备。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旋转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的驱动系中或已更换的交流电动机的磁性的和机械的特性参数，并且在现场调整电动机调节器。磁性的和机械的特性参数影响电特性，从而尤其地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，实现了电动机的无超调的调节调整和优化的快速动态调节。尤其可考虑的是，这样的优化的电动机调节在精确地识别机械特性参数和磁性特性参数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。尤其在四色印刷机的情形中，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。在磁性的和机械的特性参数的分析期间，转子仅在较小的范围内运动，且由此在已安装的状态中仅在较少影响到从动系的情形下仅通过电的电流测量/电压测量来识别。调节器参数化用于逆变器的控制参量的优化，其中，可考虑特性参数例如与先前的用于电动机的故障监控或用于磨损控制的测量的偏差。尤其地，该方法在电动机的“状态监测”情况中的使用可以是有利的，从而使得该方法不时重新探明特性参数，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特性参数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。

本发明的并列的方面涉及一种识别装置，所述识别装置用于无旋转编码器地识别磁力机械特性参数尤其是转子的惯性矩J和在交流同步电动机的转子与定子之间的永磁磁通Ψ_PM，所述识别装置适用于执行根据前面所提及的实施例中任一个所述的方法。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，该识别装置包括用于产生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U/V/W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磁力机械特性参数的参量识别单元。

由此，本发明涉及一种识别装置，该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连通，尤其与逆变器的半导体开关构件连通，以便于接通它们或者询问其运行状态。通过逆变器的指向的驱控可进行d转子主磁通轴线相对α定子轴线的对齐，以及进行到q转子横向磁场轴线中的测试信号馈入。在此，例如转速传感器或旋转编码器传感器可提供转子的定向且必要时提供d轴线相对α轴线的转子角度β_k。然而，这些传感器不需用于参量识别，关于假设的转子停止的自发式的获悉在绝大多数情况中可以是足够的。识别装置包括测试信号发生装置，该测试信号发生装置可产生q测试信号，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转换到相应的U/V/W控制测试信号中，该U/V/W控制测试信号可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。此外，识别装置包括d/q变换单元和参量识别单元，该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，该参量识别单元可基于在时域中存在的测试信号电压U_q和测得的测量信号电流I_q执行根据前面所提及的方法的参量识别。此类识别装置可多件式地构造，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。测得的电流可由电动机控制设备记录。外部的计算机可读出测得的和所馈入的电压和电流，可变换到频率范围中且可执行参量识别。

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_1q、I_1q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G可进行传递函数系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂的确定，且由此可进行基础的系统参量的确定。为此需要的计算方法例如可在DSP、FPGA的微处理器、PC或小型计算器内执行，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。

由此可考虑的是，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上的可变计算软件。测试信号产生和采样值信号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运算性能，且高要求的信号理论上的任务在可联接到电动机控制设备处的外部的识别装置中完成，由此可节省硬件成本。

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磁力机械特性参数来确定、优化和/或监控逆变器控制装置的控制参数。监控和优化单元接收参量识别单元的已识别的特性参数且可基于确定的磁性的和机械的特性参数，尤其地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。为此所需要的磁性的和机械的特性参数可在“状态检测”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旋转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介绍的用于无旋转编码器地识别磁性特性参数和机械特性参数的识别装置，其中，已识别的特性参数可用于确定、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或者说电动机调节设备，该电动机控制设备或者说电动机调节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旋转编码器的控制或者调节，且该电动机控制设备或者说电动机调节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或者说电动机调节设备使用磁性的和机械的特性参数，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，所探明的特性参数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，已识别的特性参数可用于优化同步电动机的电流消耗和能效，且例如用于调整电子过滤器的过滤器参数化，或者该已识别的特性参数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。在已识别的特性参数相对事先确定的或预先给定的磁性的和机械的特性参数有可预先确定的偏差的情况中可假设故障，或者可执行特性参数的重新确定。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特性参数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安装时或者在“状态监测”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置，即，至少能在最初的调试中，优选能多次在运行寿命期间进行特性参数的自动化的识别，其中，在识别的特性参数与先前确定的、存储的、和/或关于模型的特性参数有可预调设的偏差时，可触发故障信号发送。由此，该方面建议如下，即，至少在最初的调试或者测试运转时在工厂，然而优选在“状态监测”的情况中，或在电动机的部件维修和更换时进行特性参数识别，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已识别的磁性特性参数和机械特性参数。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的参数的识别。电动机的时效决定的变化可通过调节器参量的适合的修正来进行考虑，且电动机和电动机控制监控设备的故障可辨认出。

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，所探明的特性参数用于调节器优化、参数化和监控。磁性的和机械的特性参数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或在外部可连接，则该识别装置可在电动机的已安装状态中在初次调试时、在维修措施或者例行的或持续的状态监控(“状态监测”)时进行特性参数的重新识别。为此，方法的部分(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从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，已识别的特性参数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介绍得出。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地将这些特征单个研究并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示出了在二元坐标系与三相坐标系之间的关系的图示；

图3a-b示意性地示出了带有鼠笼式转子()的同步电动机的构造；

图4a-d示意性地示出了根据本发明的测量方法的弹簧质量原理草图以及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一个实施例的流程图；

图8示意性地示出了到同步电动机的数学模型中的测试信号馈入的一个实施例；

图9示意性地示出了在测量信号电流I_1q与转子位置角度β_k之间的关系的图示；

图10a-f示出了在将根据本发明的方法使用到不同的同步电机类型上时由模拟的时域数据和机械模型构成的导纳的绝对值相位曲线比较；

图11示出了在使用根据本发明的方法的情形中由测得的时域数据构成的导纳的绝对值相位曲线。

在图中，相同的或类似的组件以相同的附图标记表示。

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相连接且在其第二端部处连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，所述转子线圈在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久磁铁或通过经由滑环馈入的直流电流在转子绕组中产生。转子磁场跟随着旋转的定子磁场，并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，作为在三相系统U/V/W中的替代可在定子两坐标系α/β或转子两坐标系d/q中进行研究，由此可推推导出电动机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地在上面说明。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3a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，该永磁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中所示的三个相位轴线1、e^j2π/3和e^j4π/3相符。转子11包括永久装备的转动体，其中，转子11的永久磁场跟随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。在图3b中示意性地示出了转子11和定子13在电流线圈07-U通电时的磁通量Ψ_PM，其中，定子主轴线α和转子主磁通方向d一致。

在图4a和4b中示意性地示出了测试信号到永磁转子11上的馈入的效果。首先，在图4a中d轴线与α轴线对齐，为此将恒定电压U_1α例如以在α方向上的10V直流馈入到定子中，从而得出恒定通电I_1α。由此，将电动机定向到磁通轴线(d轴线)上，其中，转子的轴运动。此时，α轴线与d轴线相符且β轴线此时与q轴线相符。恒定馈入必须在整个识别流程期间保持，也就是说在测试信号馈入期间保持，如下面讨论的那样。由此，下面可产生类似弹簧的效果。在图4b中，此时与恒定电压馈入并行地，实现作为PRB信号的测试信号U_1β在β轴线方向上的馈入。利用PRBS在β轴线(对于该情况而言＝q轴线)中的馈入，转子的稳定的位置被干扰并且产生偏转，进而产生转矩。与之相反，恒定的电流I_1α起作用并且将转子再次拉到磁通轴线中。

因此重要的是，恒定电压和PRBS的幅度处在适当的比例中。如果在α轴线上的恒定电压明显过大，效果就会如同被机械地制动的机器。此处所介绍的方法基于如下，即，机器可从磁通轴线中运动出来且返回到其中。

由此构成的弹簧质量系统示意性地在图4c中示出。恒定通电I_1α引起转子定子磁链的构造，该转子定子磁链引起质量系统的偏转运动75的类似弹簧的复位。偏转运动通过到与q轴线相符的β轴线上的通电I_1β来引起。

图4d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描述了在定子线圈01中的转子磁场的互感作用。根据图4d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，在包含d轴线相对α轴线的对齐的简化且使用感应定律的情形下可推导出下面的导纳函数：

$G_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=\frac{I_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}{U_{1\mathrm{\β}}\left(s\right)}=\frac{s^{2}J+K_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}{s^{3}J{L}_1+s^{2}J{R}_1+s(L_1{K}_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}+{\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{PM}}{K}_{T}p)+R_1{K}_{T}p{I}_{1\mathrm{\α}}}$

此时，本发明的任务是，由图4d的电路图推推导出特性参数J和Ψ_PM。从等效电路图参数L₁、R₁的认识出发，这些等效电路图参数可由已知的或类似的识别参量事先确定，在电压U_β馈入时可测量出现的电流I_β且在频率范围中确定传递函数G_β。借助于合适的参量识别方法可确定未知的传递参量且识别磁力机械特性参数。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的分析提供了关于磁力机械参量的尽可能精确的认识。

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转换到直流电路21的直流电压中。在直流电路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的标准的应急运行而言的缓冲能量。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，进而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、双极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来保护不过压，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_W 31以及线电流I_U、I_V、I_W 33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，同样可连接温度传感器，用于监控电动机09的运行温度。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的电特性来调整，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的特性参数的识别装置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_W 31的输入端，其中，仅两个线电压和线电流的获取足够，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中。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于频率范围中且可构成在上面限定的导纳传递函数G₁。作为导纳函数的替代，可基于另一传递函数尤其是阻抗函数或其它有意义的电的函数关系式，并且确定其参量。从传递函数的变化过程出发，参量提取器件47的参量识别单元67在知道基础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系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。由此，可探明系统参量尤其是磁性的和机械的特性参数，且在其基础上，可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，进而可被传送到逆变器控制装置37处，以便于实现同步电动机的优化的调节。

在特性参量识别的情况下，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)，所述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，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流程图的一个实施例。在步骤S 1中，首先将转子带到限定的固定位置和停止位置中，在所述固定位置和停止位置中转圈数n等于0。在此，通过在定子的α轴线方向上的直流恒定电压的馈入实现恒定通电，从而使得d转子轴线沿α定子轴线取向。直流通电在整个测量过程期间维持。在步骤S2中，进行作为PRB信号的测试信号到与转子的q轴线相符的β轴线上的馈入。由α直流和β测试信号执行到线电压U_U、U_V和U_W的变换，进而驱控电动机。所驱控的电压信号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，导纳的传递函数可示出为：

G(k)＝I(k)/U(k)，

该传递函数形成用于特性参量识别的基础。在知道传递函数且获知极对数p、恒定电流量I_1a和等效电路图参量L₁、R₁的量的情形下，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a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。由此可推导出系统参数，尤其是磁性的和机械的特性参数J和Ψ_PM的值，且系统参数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。通过获悉磁力机械特性参数，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优化作为最内部的调节器的逆变器控制装置的调节特性来实现。在此，可实现高要求的、远超出同步电动机的常规PI调节器的可能性的调节方法，因为存在电的机械参量的精确获悉。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跟踪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09的数学模型中的馈入，其中假设，d轴线与α轴线一致。测试信号发生单元51包括α/d测试信号发生器件65，该α/d测试信号发生器件产生伪噪声二进制信号，该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采样的16kHz的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U_β/q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包括的α测试信号发生器件63产生直流电压信号，即，作为主磁通轴线电压U_d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，由此得出用于在狭窄的角度范围中的“摇摆”的转子运动的产生的转矩。

图9示意性地示出了用于基于测量电流I_1q确定转子位置角度β_k的计算规则。方块图的输入参数是定子电流I_1q的构成转矩的分量。该构成转矩的分量与转矩常数K_T相乘且得出转矩M＝Jα。通过由惯性矩J的积分和微分得出旋转频率Ω_K，将该旋转频率再次积分且与极对数p相乘，获得转子位置角度β_k。在拉普拉斯域中，积分可由通过s的微分替代。

在图10a至10f中示出了不同的同步电动机类型的在导纳函数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。可清楚看出的是，传递函数G几乎相同地与相应的精确的机械模型相符。由此，可借助于数字仿真来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11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。所研究的电动机是带有额定功率为P_N＝2.9kW、额定转速为n_N＝3000^-1、极对数为p＝4且额定电流为I_N＝8.2A的Baumüller DSD071电动机。在该情况中，用于模型函数的参量借助机器的数据页来估算。可知在测得的频率响应和模型函数之间的非常良好的一致性。

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，借助于宽带测试信号(优选作为电动机电压的PRB信号)在转子的q主磁通轴线方向上的非对称的馈入，可以优选借助于Welch方法变换作为电动机电流存在的评估信号。在此基础上，可由所馈入和测得的信号提取传递函数，且借助于优选为Levenberg-Marquardt算法的参量识别方法评估基础的磁性的和机械的系统描述参量。通过获悉传递函数的根据公式的关系，可识别各个系数，进而表征电动机在大频率范围上的机械的和磁性的特性。本发明的特别的重点在于特别的馈入类型、传递函数的结构和分析规则，在其中实现磁力机械特性参数的确定。该方法描绘了电动机在大工作频率范围或者转速区域上的瞬态特性，并且可用于调整、优化和监控电动机。尤其当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，所述通用的电动机控制设备可适配地使用在工厂或根据电动机的结构使用在与用于确定电动机特性的机械从动系的联接中。描述机器的特性参数的在不带有特别的硬件耗费的情形下的保护电动机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  同步电动机的静止体线圈的等效电路图

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  逆变器控制接口单元

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  α测试信号发生器件

65  β测试信号发生器件

67  参量识别单元

69  信号记录单元

71  倍增器

73  积分器

75  偏转运动

77  弹簧质量系统

79  磁力机械参数惯性矩J和永磁磁通Ψ_PM

Claims (15)

1.用于无旋转编码器地识别交流同步电动机(09)的磁力机械特性参数(79)、尤其是惯性矩J和在转子(11)与定子(13)之间的永磁磁通Ψ_PM的方法，

至少包括如下步骤：

-通过输入直流电流I_1d＝I_DC在所述转子(11)的d磁通轴线方向上馈入恒定电压U_1d；

-在所述转子(13)的q横向轴线方向上馈入测试信号电压U_1q，其中，所述d磁通轴线方向保持直流通电；

-测量所述q横向磁通轴线方向的测量信号电流I_1q；

-基于所述测试信号电压U_1q和所述测量信号电流I_1q识别所述同步电动机(09)的磁力机械特性参数(79)；

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，所述转子(11)能由于所述测试信号馈入而实施带有能预先限定的最大幅度的偏转运动(75)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在知道d/q转子轴线方向相对α/β定子轴线方向的位置的情形下进行相应的U_1α、U_1β馈入，从而使得能在d磁通轴线方向上实现恒定的定子磁场且能在q横向磁通轴线方向上执行测试信号馈入。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

在所述定子(13)的α轴线方向上的恒定电压馈入U_1α通过输入直流电流I_1α＝I_DC引起所述转子(11)的d磁通轴线关于所述定子(13)的α轴线的对齐；且

-在β轴线方向上进行测试信号电压馈入U_1β，其中，所述α轴线方向保持直流通电；从而使得

-能测量所述β轴线方向的测量信号电流测量I_1β。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

恒定电压U_1d相对测试信号电压U_1q的比例能如此优化地选择，以便于在一定高度上达到所述偏转运动(75)的最大幅度，从而使得能调整的弹簧质量系统(77)的磁力机械特性参数(79)能以能预先确定的精度探明。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

为了识别所述磁力机械特性参数(79)而考虑或同样识别所述同步电动机(09)的其它特性参数，尤其是等效电路图特性参数L₁、R₁(03、05、15)以及机械的结构参数如极对数p和/或电的测量参数如I_1α、I_1β，尤其是I_1α＝I_DC。

6.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。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述磁力机械特性参数(79)的识别包括根据Welch方法进行时间离散信号的傅里叶变换。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述磁力机械特性参数(79)的识别包括尤其根据Levenberg-Marquardt算法的传递函数-参量确定。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

将已识别的磁力机械特性参数(79)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。

10.用于无旋转编码器地识别交流同步电动机(09)的磁力机械特性参数(79)、尤其是转子(11)的惯性矩J和在转子(11)与定子(13)之间的永磁磁通Ψ_PM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)和用于识别所述磁力机械特性参数(79)的参量识别单元(67)。

11.根据权利要求10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。

12.根据权利要求10或11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磁力机械特性参数(79)来确定、优化和/或监控逆变器控制装置(37)的控制参量。

13.用于无旋转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，

包括用于无旋转编码器地识别交流同步电动机(09)的磁力机械特性参数(79)的根据前述权利要求7至9中任一项所述的识别装置(39)，其中，已识别的特性参数(79)能用于确定、优化和监控所述电动机(09)和/或电动机控制。

14.根据权利要求13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进行所述磁力机械特性参数(79)的自动化的识别，其中，在所述磁力机械特性参数(79)与事先确定的、存储的和/或关于模型的特性参数(79)有能预调设的偏差时，能触发故障信号发送。

15.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，尤其是用于调整电动机控制设备(35)的调节参量的应用。

Images