CN102577081B - 电机类型识别 - Google Patents

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Abstract

为了识别交流(AC)电机400的电机类型，首先将直流电(DC)施加到定子401以便将转子402的d轴与定子401的磁场方向对准。其次，在电流角度θ上将DC电流施加到定子401上，这导致永磁电机(PM)和同步磁阻电机(SynRM)的转子402在不同的方向上施以扭矩。检测转子402的扭矩方向406，并且基于扭矩方向信息来识别电机类型。根据扭矩方向406将电机类型识别为PM或SynRM。如果没有检测到扭矩，则将电机类型识别为感应电机(IM)。

Description

电机类型识别
技术领域
本发明涉及用于识别交流(AC)电机的类型的方法和设备。该识别基于从转子检测到的扭矩方向信息。
背景技术
存在多种不同类型的交流(AC)电机，包括感应电机(IM)和同步电机。同步电机还包括同步磁阻电机(SynRM)和永磁电机(PM)。对于每个AC电动机类型，存在一种合适的控制方案，电动机控制器根据该控制方案来驱动该AC电动机。操作员必须知道所连接的是哪种类型的AC电动机，从而他可以选择合适的控制方案。但是，对于操作员而言难以识别电动机的类型，因为不同类型的AC电动机的外观可能非常相似。
US2008/0074070公开了一种基于电动机的特征值自动识别电动机的类型的方法。电动机的特征值被测量并且与已知的特征值进行比较。基于比较，识别电动机的类型。例如，两个具有不同绕组的拖动电动机可以在被引起电动机在相反的方向上转动的相位序列激励时，基于其旋转方向而得以识别。
JP11055991公开了一种具有用于检测转子位置的装置的SynRM以及一种借助于位置信息驱动SynRM的方法。
US-B2-6,570,358公开了一种具有用于识别所连接的电机的类型的电机类型识别装置的AC电动机控制装置。通过测量直轴(d轴)的感应系数和与该d轴正交并且在电角度上超前90°的正交轴(q轴)的感应系数来识别电机类型。该识别基于d轴和q轴的测量的感应系数之间的幅度关系。还公开了根据电动机控制方案的AC电动机的控制。
但是用于电机类型识别的上述方法的实现是复杂的。因此需要一种可以以简单并且不复杂的方式来识别AC电机类型的方法
发明内容
因此本发明的一个目的在于提供一种用于AC电机的改进的电机类型识别方法。本发明的另一个目的在于提供一种用于AC电机的电机类型识别的改进的设备。
通过根据本发明的方法和根据本发明的设备来实现这些目的。
本发明基于不同类型的转子在某些电流角度值上在不同方向上施以扭矩这一认识，并且通过检查扭矩方向可以识别各自的电机类型。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于包括定子和转子的AC电机的电机类型识别的方法，该方法包括以下步骤：将包括DC分量的电流施加到该定子；检测扭矩方向信息或旋转信息；并且基于该扭矩方向信息或该旋转信息识别该电机类型。这些方法步骤提供了用于识别电机是否是IM的简单方法，因为IM电机是当施加电流时不施以扭矩的唯一的电机类型。
根据本发明的一个实施方式，该方法包括以下步骤：在电流角度θ上将包括DC分量的电流施加到该定子，这导致PM和SynRM的转子在不同的方向上施以扭矩或者旋转不同的角度；检测该转子的扭矩方向或旋转角度；并且基于该扭矩方向信息或该旋转角度信息识别该电机类型。这些方法步骤提供了用于在IM、SynRM和PM之间进行区别的简单方法。
根据本发明的一个实施方式，该方法包括以下步骤：将包括DC分量的电流施加到该定子从而获得磁场方向；将该转子的d轴与该磁场方向对准使得它们重合。通过首先在已知方向上对准该转子，获得参考方向，对于将该方法应用于绝对转子位置未知的电机而言，该参考方向是必要的。
根据本发明的一个实施方式，通过使得该转子旋转到平衡点来对准该转子的d轴与该磁场方向。当该电机类型识别期间允许该转子的旋转时，该方法步骤是适用的并且是优选的。
根据本发明的一个实施方式，通过改变该磁场方向的方向直到找到平衡点为止来对准该转子的d轴与该磁场方向。当该电机类型识别期间允许该转子的旋转时，简化为采取该方法步骤。
根据本发明的一个实施方式，在来自绝对位置传感器的转子位置信息的帮助之下，对准该转子的d轴与该磁场方向。当该电机包括绝对位置传感器时，该方法步骤是适用的并且是优选的。
根据本发明的一个实施方式，电流角度θ具有90°和180°之间的绝对值，如100°和140°之间，如110°和130°之间的绝对值。尽管本方法理论上对90°和180°之间的任何电流角度θ起作用，但是110°和130°之间的电流角度θ的使用是优选的，因为在此电流角度θ上在典型的SynRM和典型的PM电机两者中施以相对高的扭矩。
根据本发明的一个实施方式，该方法包括如果该扭矩方向等于该电流角度θ的方向或者该旋转角度等于该电流角度θ，则将该电机识别为PM的步骤。该方法步骤提供了一种用于将电机识别为PM的简单方法。
根据本发明的一个实施方式，该方法包括如果该扭矩方向与该电流角度θ的方向相反或者该旋转角度等于180°-θ，则将该电机识别为SynRM的步骤。该方法步骤提供了一种用于将电机识别为SynRM的简单方法。
根据本发明的一个实施方式，该方法包括如果没有检测到扭矩或旋转，则将该电机识别为IM的步骤。该方法步骤提供了一种用于将电机识别为IM的简单方法。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于包括定子和转子的AC电机的电机类型识别的设备，该设备包括：DC装置，用于在多个电流角度θ上将包括DC分量的电流施加到该定子；检测装置，用于检测该转子的扭矩方向或旋转角度；以及控制单元，被配置为控制该DC装置，其中该控制单元被配置为执行根据本发明的电机类型识别的方法中的任意一个所述的步骤。通过这些措施，提供了一种用于AC电机的电机类型识别的简单设备。
附图说明
将参考附图来更详细地解释本发明，其中：
图1a显示了SynRM的转子，其中示出了d轴、q轴和电流角度θ；
图1b显示了PM的转子，其中示出了d轴、q轴和电流角度θ；
图2是用于显示用于SynRM和PM的随电流角度θ而变化的扭矩的图形；
图3是用于说明根据本发明的一个实施方式的方法的流程图；并且
图4是用于说明根据本发明的一个实施方式的这种的方框图。
具体实施方式
参考图1a和1b，在图1a中显示了SynRM转子100a的横截面图并且在图1b中显示了PM转子100b的横截面图。转子100a、100b两者具有两个电极，并且因此它们与双电极定子兼容。对于转子100a、100b中的每一个，定义q轴101和d轴102，转子100a、100b试图将它们的d轴102与定子的磁场方向104对准。在磁场方向104与d轴102之间定义电流角度θ。如对于本领域的熟练技术人员已知的，在电机的环境中，所述角度意味着电角度，每个电极覆盖180°的电角度。不管电极数量是多少，q轴101与d轴102之间的电角度永远是90°。对于双电极转子，电角度和物理角度是相同的。
两个转子100a、100b之间的重要的差异在于SynRM转子100a是关于q轴101对称的，而PM转子100b不是。因此，SynRM转子100a具有附加的d’轴103，d’轴103与d轴102功能上相同。SynRM转子100a试图将d轴102和d’轴103中的任意一个与磁场方向104对准，并且因此SynRM转子100a具有两个平衡点而PM转子100b仅具有一个平衡点。
设想转子100a、100b最初处于静止并且在任意方向104上施加磁场。当电流角度θ具有0°和90°之间的绝对值时，转子100a、100b两者行为相同，即它们试图在相同方向上旋转。但是当电流角度θ具有90°和180°之间的绝对值时，两个转子100a、100b试图在相反的方向(转子100a顺时针并且转子100b逆时针)上旋转。因此，取决于施以的扭矩的方向，可以识别转子100a、100b的类型。
在图2中进一步说明以前解释过的两种类型的转子之间的差异，其中图2显示了用于SynRM和PM的随电流角度θ而变化的扭矩。
参考图3，在根据本发明的一个实施方式的方法中，首先在任意方向上将DC施加到定子。该转子在扭矩为零的平衡点处将其自身对准到静止位置。接下来，在120°的电流角度处将DC施加到该定子，这导致PM和SynRM的转子在不同的方向上施以扭矩。检测施以的扭矩的方向，并且可以基于扭矩方向信息识别电机类型。如果扭矩方向是正的，即与电流角度θ的方向相同，则将该电机识别为PM。如果扭矩方向是负的，则将该电机识别为SynRM。如果没有检测到扭矩则将该电机识别为IM。
不必为了识别电机类型而检测施以扭矩的方向。还可以通过检测转子旋转的角度来识别电机类型。PM电动机一直在与电流角度值相等的角度上旋转，而SynRM在角度180°-θ上旋转，具有90°和180°之间的电流角度值。IM一直保持静止，而不管电流角度值是什么。为了确定电机类型，在120°的电流角度上将DC施加到定子，这导致PM和SynRM的转子在不同的角度上旋转。如果旋转角度等于施加的电流角度120°，则将该电机识别为PM。如果旋转角度等于180°-120°＝60°，则将该电机识别为SynRM。如果没有检测到旋转则将该电机识别为IM。
为了在PM和SynRM的转子上施以相反的扭矩，可以使用90°和180°之间的任意电流角度值，但是120°是优选值，因为如图2中所可以证实的，其在两种类型的转子上施以高的扭矩(相对于最大扭矩)。事实上，合适的电流角度值还可以是负的，如-90°和-180°之间，或者其可以具有与图1的第二和第三象限相对应的任意值，如180°和270°之间，450°和540°之间，等等。
在一些应用中在电机类型识别期间不允许或不可能使得转子旋转。必须稍微修改根据图3的方法，以便能够识别电机类型而无需显著的旋转。该修改方法仍然需要始于转子在平衡点处于静止位置的对准。但是，不旋转转子，而是改为改变磁场方向直到找到不施以扭矩的方向为止。可以如下执行该试验和误差序列。在初始幅度接近零的初始电流角度上将DC电流施加到该定子。逐渐增加该DC电流的幅度，直到检测到该转子的扭矩或移动为止。通过在相反方向上施加电流来对抗所获得的扭矩，以防止该转子的任意显著的移动。用不同的电流角度重复该过程，直到找到具有零扭矩的平衡点为止。该方法的其余部分遵循图3的流程图，差别之处在于在电流角度120°上的DC电流逐渐增加并且一旦检测到扭矩或移动就将其减少或控制到相反方向。
要注意到当电动机已经具有工厂校准的绝对位置传感器时，转子的平衡点是已知的，并且不需要执行将转子与静止位置对准的方法步骤。
图4示意性地显示了根据本发明的一个实施方式的设备。可以是IM、PM或SynRM类型的AC电动机400包括定子401和可相对于定子401旋转的转子402，并且根据常规技术来设计AC电动机400。将适用于供应多相电源的控制单元405连接到AC电动机400。由于应该以不同方式控制不同类型的AC电动机400，所以控制单元405需要被配置为根据与该AC电动机类型相关联的具体控制方案来驱动并且控制具体AC电动机400。为了能够选择正确的控制方案，控制单元405需要电动机类型信息。
控制单元405包括DC装置403，DC装置403用于在多个电流角度θ上将DC施加到AC电动机400。可以用本领域熟练技术人员已知的各种方式设计DC装置403本身。
提供检测装置404，检测装置404用于检测转子402的扭矩方向。检测装置404可以具有任意合适的传感器形式，如位置传感器、移动传感器、扭矩传感器或速度传感器。无需这些传感器中的任意一个也可以完成扭矩方向或旋转的检测。该检测可以例如基于通过追踪最大磁阻的轴来确定转子位置。这是通过除了基波电流之外还向定子注入电流或电压，并且测量电动机的电压或电流响应来完成的。该方法是从文献公知的并且因此是本领域的熟练技术人员已知的。
为了自动获得电动机类型信息，控制单元405被配置为执行上述电机类型识别方法的步骤。可以用本领域的熟练技术人员已知的各种方式设计控制单元405。
本发明不限于以上所示实施方式，但是在由权利要求所定义的本发明的范围内，本领域的熟练技术人员当然可以用多种方式来修改它们。特别而言，施加到定子的电流无需是纯DC而是可以是任意电流如AC、包括DC分量。此外，虽然整个描述将转子叙述为是电机的一部分，但是所公开的方法在已作必要的修正之后适用于线性电动机。
除了在以上的公开中所述的交流电机类型之外，PM电机还可以被划分成内置式永磁电机(IPM)和表面永磁电机(SPM)。还存在永磁辅助同步磁阻电机(PMaSynRM)。虽然所述方法不适用于区别不同类型的PM电机，但是可以利用用于区别甚至IPM、SPM和PMaSynRM之间的其它方法来补足所述方法。

Claims (12)

1.一种用于包括定子(401)和转子(100a、100b、402)的AC电机(400)的电机类型识别的方法，所述方法包括以下步骤：
在电流角度(θ)上将包括DC分量的电流施加到所述定子(401)，这导致PM和SynRM的所述转子(100a、100b、402)在不同的方向上施以扭矩或者旋转不同的角度；
检测所述转子(100a、100b、402)的扭矩方向(406)或旋转角度；并且
基于所述扭矩方向信息或所述旋转角度信息，识别所述电机类型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
将包括DC分量的电流施加到所述定子(401)从而获得磁场方向(104)；
将所述转子(402)的d轴(102)与所述磁场方向(104)对准使得它们重合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过使得所述转子(100a、100b、402)旋转到平衡点来对准所述转子(402)的d轴(102)与所述磁场方向(104)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中通过改变所述磁场方向(104)的方向直到找到平衡点为止来对准所述转子(402)的d轴(102)与所述磁场方向(104)。
5.根据权利要求2所述的方法，其中在来自绝对位置传感器的转子位置信息的帮助之下，对准所述转子(402)的d轴(102)与所述磁场方向(104)。
6.根据前述任意一个权利要求所述的方法，其中电流角度(θ)具有90°和180°之间的绝对值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中电流角度(θ)具有100°和140°之间的绝对值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中电流角度(θ)具有110°和130°之间的绝对值。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述方法包括：如果所述扭矩方向(406)等于所述电流角度(θ)的方向或者所述旋转角度等于所述电流角度(θ)，则将所述电机识别为PM的步骤。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述方法包括：如果所述扭矩方向(406)与所述电流角度(θ)的方向相反或者所述旋转角度等于180°-θ，则将所述电机识别为SynRM的步骤。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述方法包括：如果没有检测到扭矩或旋转，则将所述电机识别为IM的步骤。
12.一种用于包括定子(401)和转子(100a、100b、402)的AC电机的电机类型识别的设备，所述设备包括：
DC装置(403)，用于在多个电流角度(θ)上将包括DC分量的电流施加到所述定子(401)；
检测装置(404)，用于检测所述转子(100a、100b、402)的扭矩方向(406)或旋转角度；以及
控制单元(405)，被配置为控制所述DC装置(403)；
其特征在于，所述控制单元(405)被配置为执行步骤：
在电流角度(θ)上将包括DC分量的电流施加到所述定子(401)，这导致PM和SynRM的所述转子(100a、100b、402)在不同的方向上施以扭矩或者旋转不同的角度；
检测所述转子(100a、100b、402)的扭矩方向(406)或旋转角度；并且
基于所述扭矩方向信息或所述旋转角度信息，识别所述电机类型。
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