CN102687387B - 用于运行电机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于通过施加可变相位电压(U_X)运行多相位电机(1)的方法和装置，具有以下步骤：-提供相位电流分布，该相位电流分布为所述电机(1)的每个相位指明各自相位电流(I_X)的取决于转子位置的进程；-取决于相位电流信息，为每个相位确定在预定时窗期间待施加的恒定相位电压(U_X)，该相位电流信息指明了在所述预定时窗开始时通过相位电流分布预定的相位的相位电流(I_X)和所述预定时窗结束时通过相位电流分布预定的相位的相位电流(I_X)之间待施加的相位电流(I_X)的线性化进程。

Description

用于运行电机的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于运行永磁体激励同步机的方法，特别是用于调整这种同步机中电流分布的方法。

背景技术

为控制永磁体激励同步机，公知在该同步机的单个相位上施加电流分布。该电流分布定义了在特定转子位置(转子角度)上用于每个电动机相位的预期根据运行点的相位电流或者说在同步机转子的特定位置角度区域内的电流的预期根据运行点的进程。通过施加相位电压调整特定位置角度上或者说特定位置角度区域内的相位电流，该相位电压在转子位于特定角度区域内期间各自恒定确定。可以借助合适的驱动器电路，例如H桥接电路或B86驱动器电路提供所述相位电压。

在各自位置角度区域内施加的相位电压的参数化迄今都根据经验实施。在此特别参数化由位置角度区域中各自相位电压的施加而导致的电流上升，电流平稳阶段，电流下降。这样做是成本较高的，并且例如同步机的电属性由于老化而发生的变化要求重新进行参数化。

预定电流分布尽可能精确的调整对同步机的运行而言是必需的，从而可以使得运行同步机时发出的噪音尽可能更低。通常为此测量一个或多个相位电流并通过合适的电流调节，例如通过匹配相应的相位电压而将相应的相位电流匹配为期望的预定相位电流。但是用于根据电流分布调整相位电流的这种电流调整的设置成本较高而且可能导致运行状态不稳定。

发明内容

因此本发明的任务在于提供用于运行永磁体激励同步机的方法和装置，其中确定待施加的相位电压，以进行任意电流分布。特别是本发明的任务还在于可以无需实施电流测量而在受控运行中进行电流调整。

上述任务通过权利要求1所述用于运行同步机的方法以及通过并行权利要求所述的装置得以解决。

其它有利的设计方案在从属权利要求中给出。

根据第一方面，设置通过施加可变相位电压运行多相位电机的方法。该方法包括下列步骤：

-提供相位电流分布，该相位电流分布为电机的每个相位指明各自相位电流的取决于转子位置的进程；

-取决于相位电流信息，为每个相位确定在预定时窗期间待施加的恒定相位电压，该相位电流信息指明了在预定时窗开始时通过相位电流分布预定的相位的相位电流和预定时窗结束时通过相位电流分布预定的相位的相位电流之间待施加的相位电流的线性化进程。

上述方法的目标在于在预定指明电机转子位置上的电流进程的电流分布时提供相位电压，利用该相位电压可以达到预定电流分布。该措施可以无需相位电流测量而实现，从而可以在受控运行中调整电流。通过假设电流分布段状作为线性电流进程并且根据相位电流信息确定和施加相位电压，从而实现上述措施。

此外可以显示预定时窗内的相位电流的进程作为预定时窗内的相位电流的平均值。特别可以确定在预定时窗期间待施加的相位的相位电流的平均值，其方法在于累加并平分时窗开始时通过相位电流分布预定的相位的相位电流和时窗结束时通过相位电流分布预定的相位的相位电流。

根据另一实施方式此外还可以取决于各自磁通量的估算的变化为每个相位确定待施加的相位电压，其中借助通过相位电流分布预定的相位电流确定所述磁通量的变化。

因此此外还可以在考虑永磁体的通量链的情况下确定相位电压并借助电动机方程确定自电感和耦合电感。由此可以舍弃高成本的参数化，因为仅需要电机的单个束的自电感和耦合电感以及永磁体的通量链。

此外特别可以取决于转子位置估算磁通量的变化。为此可以设置确定磁通量的变化作为预定时窗结束时的估算磁通量和预定时窗开始时的估算磁通量的差。

特别可以确定电机的转子的转子位置，其中分配给相位之一的磁通量的变化通过取决于转子位置的永磁体的磁通量链与由通电的相位线圈引起的取决于转子位置和该相位的相位电流的磁通量的和得以确定，其中借助通过相位电流分布预定的相位的相位电流估算由通电的相位线圈引起的磁通量。

特别可以设置当转速低于转速阈值时，在确定分配给相位之一的磁通量的变化的情况下，忽略由通电的相位线圈引起的磁通量。

此外还可以确定相位的待施加相位电压作为分配给该相位的除以预定时窗的持续时间的磁通量的变化。

可以设置确定相位的待施加相位电压作为分配给该相位的除以预定时窗的持续时间的磁通量的变化与相位的在预定时窗期间待施加的相位电流的平均值和绕组电阻的积的和。

根据另一方面，设置用于通过提供可变相位电压运行多相位电机的装置。该装置构成，

-以提供相位电流分布，该相位电流分布为电机的每个相位指明各自相位电流的取决于转子位置的进程；

-取决于相位电流信息，为每个相位确定在预定时窗期间待施加的恒定相位电压，该相位电流信息指明了在预定时窗开始时通过相位电流分布预定的相位的相位电流和预定时窗结束时通过相位电流分布预定的相位的相位电流之间待施加的相位电流的线性化进程。

根据另一方面设置一种包括计算机程序的计算机程序产品，当该计算机程序在数据处理单元上执行时，该计算机程序执行上述方法。

附图说明

下面借助附图详细阐述用于运行电机的方法和装置的实施方式。其中：

图1示出了同步机的横截面；

图2a和图2b示出了用于同步机的两相位或三相位驱动器电路；

图3示出了相位电压，相位电流以及相位相关通量链的进程以图示作为用于运行同步电动机的方法基础的假设；

图4示出一个图表用于显示在使用用于运行同步机的方法的情况下感应电压的相位电流的相位电压以及用于例如同步机的相位相关通量链。

具体实施方式

图1中示出了同步机1的图示横截面显示图。该同步机1包括具有圆形凹槽的定子设备2，在该凹槽中同心旋转可动地设置环绕转子轴的转子4。定子设备2在示出的示例12中具有径向向内指向的定子齿3。也可以设置其它数量的定子齿3。

定子设备2的定子齿3各自配备有定子线圈7。根据同步机1的相位P1，P2，P3的数量将定子线圈7相互错接在星形电路或三角电路中的两个、三个或更多个组中(未示出)，以实现同步机1的多相位运行。定子线圈7的可能的错接在现有技术中公知并且此处不再详细描述。

在示出的实施例中，转子4具有永磁体5，从而构成相应的转子极，该转子极以“S”和“N”标出。由转子极构成的激励磁场径向向外定向。也可以设置其它数量的永磁体和/或转子极。

通过适当控制定子线圈7可以产生磁场，该磁场与通过转子4的永磁体5产生的磁场相互作用并由此驱动转子4。

在图1中示出的同步机1仅为示例性示出，并且结合下面描述的方法通常可以以所述运行方法运行具有带有定子线圈的定子设备的每个电机。

借助驱动器电路控制定子线圈7，通过该驱动器电路将各自合适的相位电压施加到相应的定子线圈7上或定子线圈7的相应互连电路上。在图2a和图2b中示出的是驱动器电路的两个可能的示例。

在图2a中示出的是一个2H驱动器电路，利用该2H驱动器电路可以运行两相位同步机。2H驱动器电路具有两个分离可控的H桥接电路11，该H桥接电路各自由两个串联的功率半导体开关T1，T2；T3，T4；T5，T6；T7，T8构成。在功率半导体开关之间的节点之间由每个H桥接电路的各自两个串联电路截取分配的相位电压。

第一H桥接电路11具体包括第一功率晶体管T1，其第一接口连接高供电电位V_H并且其第二接口连接第一输出节点A。第二功率晶体管T2以第一接口连接第一输出节点A并以第二接口连接低供电电位V_L。H桥接电路11的第二串联电路由功率晶体管T3，T4类似构成，在所述功率晶体管之间设置节点B作为第二输出接口。第二H桥接电路11同样类似于第一H桥接电路11由功率晶体管T5至T8构成。

借助控制设备15控制单个功率半导体开关T1至T8。为了提供相位电压到H桥接电路11的各自相位输出上，可以通过闭合(接通，导电连接)第一功率半导体开关T1和第四功率半导体开关T4并断开第二和第三功率半导体开关T2，T3时施加正供电电压U_DC，并且可以通过闭合第二和第三功率半导体开关T2，T3并在第一和第四功率半导体开关T1，T4断开时施加负供电电压-U_DC。为了提供0V的电压作为H桥接电路11的输出端上的相位电压，可以或者接通第一和第三T1，T3(并断开功率半导体开关T2和T4)，或者在断开功率半导体开关T1和T3时闭合第二和第四功率半导体开关。

具有正供电电压U_DC和负供电电压-U_DC之间的电压水平的相位电压可以通过适当控制功率半导体开关T1-T8根据由控制设备15运行的脉宽调制方法产生。在此在明显小于期间施加恒定相位电压的时长的预定周期时间内，例如在周期时间内的第一时窗期间把正供电电压U_DC施加到H桥接电路11的输出端上，并在直到周期时间结束的第二时窗期间把0V的电压施加到H桥接电路11的输出端上。占空比，即第一时窗的时长与周期时间(第一时窗和第二时窗时长之和)之间的比例确定施加到H桥接电路11的输出端上的有效相位电压。

在图2b中示出的是B6拓扑中的另一驱动器电路。B6拓扑中的驱动器电路用于控制三相位的同步机。B6驱动器电路具有三个由各自两个功率半导体开关T1至T6组成的串联电路，其中位于串联电路的两个功率半导体开关之间的节点表示B6驱动器电路的相位输出。该相位输出与连接三相位同步机的各自电动机接口相连。B6驱动器电路也可以通过附加用于同步机的串联电路以不同数量的相位扩展。

在B6驱动器电路中也可以通过调整有效电压借助在控制设备15中运行的脉宽调制方法调整各自相位电压。由相位电压可以计算出同步机1的相位接口的电压差。相位接口的电压随后能够以合适的相同电压左右移动，从而可以在0V和供电电压U_DC之间的区域内通过占空比调整每个电压。用于控制串联电路的两个功率半导体的占空比确定在同步机1的各自相位接口上施加的平均电压。

为了运行在图1中示出的同步机1，需要调整用于相位电流的特定电流分布。电流分布显示关于同步机1的转子位置的电流进程。电流分布基本上取决于运行点并特别取决于待提供的扭矩，实际转速以及已知大小的同步机的特征参数。为了这种描述，其出发点在于用于控制同步机1的电流分布由上一级控制设备15预先给定。

为了调整用于控制同步机的特定电流分布，必须在同步机上施加特定相位电压。通常连续时窗内的相位电压施加为恒定电压。随后用于确定各自待施加相位电流的原则通常借助图3中的简图示出。

对n束机器，即具有n个相位的电机而言，存在电流矢量I＝【I1，…In】，该电流矢量通过预定为相位电压的平均电压的电压矢量U＝【U1，…Un】自调整。为了确定需要的调整电压，在该调整电压下可以达到由状态1(I1，α1)(I1：第一状态1时的电流矢量，α1：第一状态1下的转子角位置)到状态2(I2：第二状态2时的电流矢量，α2：第二状态2下的转子角位置)的预定电流分布，对于电机的每个相位x都适用下列方程：

U_x＝R·I_x+dψ_x/dt     (1)

其中x对应于各自相位。

在对应于状态1的并且电机的转子具有角度位置α1的第一时刻t1和对应于状态2的时刻并且电机的转子(Laeufer)具有角度位置α2的第一时刻t2之间得出方程(1)的积分：

${\∫}_{t1}^{t2}{U}_x\mathrm{dt}=R\·{\∫}_{t1}^{t2}{I}_x\mathrm{dt}+{\∫}_{t1}^{t2}d{\mathrm{\ψ}}_x/\mathrm{dtdt}---\left(2\right)$

因为在积分路径期间待调整的相位电压恒定并且为根据第一时刻和第二时刻之间的电流分布的电流进程而接收线性进程，因此相应地：

$U_x\mathrm{\Δt}=R\·\frac{I_{t1}+I_{t2}}{2}\mathrm{\Δt}+{\mathrm{\ψ}}_x(I2,{\mathrm{\α}}_2)-{\mathrm{\ψ}}_x(I1,{\mathrm{\α}}_1)---\left(3\right).$

可以得到：

$U_x=R\·\frac{T_{t1}+T_{t2}}{2}+\frac{{\mathrm{\ψ}}_x(I2,{\mathrm{\α}}_2)-{\mathrm{\ψ}}_x(I1,{\mathrm{\α}}_1)}{\mathrm{\Δt}}---\left(4\right).$

通过知晓由状态1到状态2所需要的必需时间Δt，可以计算出用于每个相位的电压Ux(x＝1，2，…，n)，该电压由在第一角度位置α₁下的电流矢量I1变为第二角度位置α₂下的电流矢量I2。

如果磁路没有出现饱和，则可以取决于永磁体Ψ_pm(α)的通量链和必要时取决于位置的电感矩阵L(α)假设单个相位x的通量链Ψ如下：

ψ＝ψ_pm(α)·L(α)·I     (5)

例如三相位电机适用：

ψ₁＝ψ_pm1(α)+L₁(α)·I₁+M₁₂·I₂+M₁₃·I₃

ψ₂＝ψ_pm2(α)+L₂(α)·I₂+M₂₁·I₁+M₂₃·I₃

ψ₃＝ψ_pm3(α)+L₃(α)·I₃+M₃₁·I₁+M₃₂·I₂

其中自电感的L和耦合电感的M_ab在相位a和相位b之间对应。

在不具有显著磁位置依赖性的对称电机中，自电感和耦合电感L，M假设为同等大小。与相位的数量无关，还可以简化预定在通过电流分布预定的每个计算时刻仅有两个电流在两个相位束中流过，即I_soll，-I_soll。就是说，电流流入电机的相位束并由电机的另一相位束流出。这种简化实现了在利用电流加载的相位中计算电流的通量如下：

ψ₁(α)＝ψ_pm1(α)+(L-M)·I_soll     (7)

在图4中示出的是期望相位电流I_1Soll，I_2Soll，I_3Soll，第一相位的相位电压的感应电压U_ind和第一相位的通量Ψ的时间进程。在图4中预定了电流分布的采样点，并由通过指明期望电流进程的线性连接线通过粗体示出的线相互连接。灰色区域各自指明了在通过各自相位电流的采样点定义的子区域期间施加的相位电压。虚线各自指明了每个相位的感应电压U_ind。

由图4可以看出，可以为每个采样点计算一个相位x的相应通量Ψ_X。根据方程(7)借助取决于位置的永磁体的通量链Ψ_pm(α)和电机的自电感和耦合电感L，M进行这种计算。可以在各自对应所述采样点的时刻施加这样通过方程(4)确定的，在预定电流分布或者说相应采样点的情况下可以由电流分布算出的相位电压U_X，并将其根据电流分布保持施加到下一采样点的时刻。

为了执行扫描的控制可以在时刻t₀算出下一扫描时刻的估算角度位置α_t0+Ts。这例如可以借助转速外插法根据下述方程而进行：

α_t0+Ts＝α_t0+ω_t0·T_S     (8)

其中瞬间转速(作为角速度)的ω_t0和所述扫描之间的时间周期的T_S。由此可以根据预定的电流分布确定下一个额定电流矢量I_t0+Ts。电流分布可以根据查询表或根据取决于运行点的函数预先给定。

然后额定通量链Ψ_t0+Ts的矢量可以利用下列方程得以确定：

${\mathrm{\ψ}}_{t0+\mathrm{Ts}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}1}\left({\mathrm{\α}}_{t0+\mathrm{Ts}}\right)+(L\left({\mathrm{\α}}_{t0+\mathrm{Ts}}\right)\·I_{t0+\mathrm{Ts}}$

通过等量设置时间差Δt和方程(4)中的扫描周期T_S，可以得到以下方程：

$U_{t0}=R\·\frac{I_{t0}+I_{t0+\mathrm{Ts}}}{2}+\frac{{\mathrm{\ψ}}_{t0+\mathrm{Ts}}\left(I_{t0+\mathrm{Ts}}{\mathrm{\α}}_{t0+\mathrm{Ts}}\right)-{\mathrm{\ψ}}_{t0}(I_{t0},{\mathrm{\α}}_{t0})}{T_s}$

为了求得时刻t0时的相位电压，在上述方法中只需要关于永磁体的通量链Ψ_pm(α)和仅取决于借助位置探测器待确定的转子位置的电感L(α)根据预定电流分布以及线圈电阻R在时刻t0和t0+Ts时的相位电流的两个采样点上的信息。

上述方法的构思在于通过预定电流分布和通过适当近似假设可以确定相位电压，在时窗期间定义的长度施加为恒定电压。所述简化假设例如为电流的进程根据电流分布在两个连续的采样点之间假设为线性并且在两个采样点之间施加的电压恒定不变。

通过其它简化，例如通过假设自电感和耦合电感L，M取决于位置并且每个相位都相同设置并且永磁体Ψ_pm的通量链仅取决于角度位置并不取决于电机的运行点，可以借助传统的电动机方程计算出待施加的相位电压。这可以以更佳的方式实现而不需要进行电流调节以仅通过控制在电机中调整电流分布。

Claims (1)

1.用于通过施加可变相位电压（U_X）运行多相位电机（1）的方法，具有以下步骤：

- 提供相位电流分布，该相位电流分布为所述电机（1）的每个相位指明各自相位电流（I_X）的取决于转子位置的进程；

- 取决于相位电流信息，为每个相位确定在预定时窗期间待施加的恒定相位电压（U_X），该相位电流信息指明了在所述预定时窗开始时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）和所述预定时窗结束时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）之间待施加的相位电流（I_X）的线性化进程，其中还取决于各自磁通量（Ψ_X）的估算的变化为每个相位确定待施加的相位电压（U_X），其中借助通过相位电流分布预定的相位电流（I_X）确定所述磁通量（Ψ_X）的变化。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述预定时窗中的相位电流（I_Soll）的进程被显示为所述预定时窗中的相位电流（I_X）的平均值。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中确定在所述预定时窗期间待施加的相位的相位电流（I_X）的平均值，其方法在于累加并平分所述时窗开始时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）和所述时窗结束时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）。

4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述相位电流信息对应于所述时窗结束时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）。

5. 根据权利要求1所述的方法，其中此外还取决于转子位置估算磁通量（Ψ_X）的所述变化。

6. 根据权利要求1所述的方法，其中确定磁通量（Ψ_X）的所述变化作为所述预定时窗结束时的估算磁通量（Ψ_X）和所述预定时窗开始时的估算磁通量（Ψ_X）的差。

7. 根据权利要求3或4所述的方法，其中确定所述电机（1）的转子（4）的转子位置，其中分配给相位之一的磁通量（Ψ_X）的变化通过取决于转子位置的永磁体（5）的磁通量链与由通电的相位线圈（7）引起的取决于转子位置和该相位的相位电流（I_X）的磁通量（Ψ_X）的和得以确定，其中借助通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）估算由所述通电的相位线圈（7）引起的磁通量（Ψ_X）。

8. 根据权利要求7所述的方法，其中当转速低于转速阈值时，在确定分配给所述相位之一的磁通量（Ψ_X）的变化的情况下，忽略由所述通电的相位线圈（7）引起的磁通量（Ψ_X）。

9. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中作为分配给该相位的除以所述预定时窗的持续时间的磁通量（Ψ_X）的变化，确定相位的待施加相位电压（U_X）。

10. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中作为分配给该相位的除以所述预定时窗的持续时间的磁通量（Ψ_X）的变化与相位的在所述预定时窗期间待施加的相位电流（I_X）的平均值和绕组电阻的积的和，确定相位的待施加相位电压（U_X）。

11. 用于通过提供可变相位电压（U_X）运行多相位电机（1）的装置，该装置构成，

- 以提供相位电流分布，该相位电流分布为所述电机的每个相位指明各自相位电流（I_X）的取决于转子位置的进程；

- 以取决于相位电流信息，为每个相位确定在预定时窗期间待施加的恒定相位电压（U_X），该相位电流信息指明了在所述预定时窗开始时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）和所述预定时窗结束时通过所述相位电流分布预定的相位的相位电流（I_X）之间待施加的相位电流的线性化进程，其中还取决于各自磁通量（Ψ_X）的估算的变化为每个相位确定待施加的相位电压（U_X），其中借助通过相位电流分布预定的相位电流（I_X）确定所述磁通量（Ψ_X）的变化。