CN102714477A - 应用到周期性负载的用于电动机的控制系统以及应用到周期性负载的用于电动机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其应用到被设计成驱动周期性负载的电动机的系统和控制方法。本系统包括电动机（10）、至少一个电子控制单元（20）和至少一个电子电源单元（30）。电动机（10）由电子电源单元（30）电驱动，电子控制单元（20）电命令电子电源单元（30），所述系统包括通过电子控制单元（20）实现的平均速度控制器，该平均速度控制器被设计成监视电动机（10）的瞬时速度（V_i）并且提供电动机（10）的平均速度值，电子控制单元（20）被设计成从获得的平均速度计算平均电压（V_m），电子电源单元（30）被设计成通过瞬时电压值（V_ins）电驱动电动机（10），该瞬时电压值（V_ins）通过将平均电压（V_m）乘以瞬时速度（V_i）除以平均速度的结果而计算。

Description

应用到周期性负载的用于电动机的控制系统以及应用到周期性负载的用于电动机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制无刷DC梯形类型的电动机以及尤其是永磁电动机的系统和方法，目的在于优化在驱动周期性负载方面的电能消耗的效率。

更特别地，本发明被推荐用于涉及使用周期性负载（诸如压缩机中看到的那些负载）的应用，所述周期性负载在压缩周期期间具有与吸气周期期间存在的转矩相比高得多的转矩。

背景技术

无刷DC类型的永磁电动机在要求低成本和高性能的应用中正变得越来越受欢迎。无刷DC类型的电动机与其中永磁体安装到转子上的上下倒置安装的DC电动机类似。尽管在DC电动机中电流的颠倒通过开关和电刷来实现，但是在无刷DC电动机的情况下，电流通过驱动定子线圈的功率逆变器而颠倒。

为了获得最大的转矩以及能耗方面的最高效率，有必要在电动机的各相中使电流与感应电压同步。这可以通过使用耦合到电动机轴的传感器或者通过观测电动机各相中的感应电压或电流来完成。耦合到电动机轴的传感器具有以下缺陷：给电动机的设计添加额外的元件，从而大大地增加解决方案的最终成本。而且，电动机经受的空间和环境本身的限制可能使得这些类型的传感器的使用不可行。这就是为什么电压或电流观测器的使用在大多数情况下构成最佳的选择的原因。

北美专利US6922027公开了一种使用利用由电压比较器、电容器和电阻器形成的网络构建的电压观测器的技术。比较器输出被发送至微处理器，该微处理器确定电动机驱动器的换向时刻。尽管该解决方案经过微处理，但是它需要使用许多外部部件。

ANDRICH等人使用了一种其中示出、数学处理电动机的三相并且然后彼此进行比较以便确定电动机的换向时刻的技术。该技术的优点是在确定电动机的位置中消除了模拟电路、在依照电动机的机械结构调节观测器中的灵活性、对于部件的参数变化的较低的敏感性、以及校准电路的可能性。

无刷DC电动机可以用于驱动应用到冷却系统的压缩机。这种类型的应用满足了在本发明的范围中限定的周期性负载条件。将这种类型的电动机应用到冷却系统针对的是系统冷却能力的变化，所述系统冷却能力可以通过改变冷却流进行控制。冷却流量进而与电动机的平均速度成正比。因此，控制器的主要规格应当是平均旋转速度的控制。

压缩机的工作可以划分成两个工作阶段：吸气阶段和压缩阶段。吸气发生在每个周期的开始并且由液压缸内的活塞回退表征。在该处理期间，液压缸填充有冷却流体。压缩周期进而在活塞颠倒其位移方向时开始。在该阶段期间，流体在液压缸内被压缩。压缩该流体产生比由完整机械循环引起的平均转矩大得多的转矩。记住该行为每机械循环重复，在电动机工作期间可以在转矩的变化中看出周期性行为。

机械循环内的转矩变化造成电动机速度的变化，从而在压缩周期期间减小电动机的速度。通常，在控制动作中不存在如下的偏移：在机械循环内调节电动机的瞬时速度，以便偏移压缩周期期间的速度。开发用于驱动压缩机的控制器假设对于冷却系统而言重要的是控制平均冷却流，其基本上通过平均旋转速度限定。

然而，电动机的平均速度的简单控制可能由于吸气和压缩周期期间的旋转的变化而呈现电流波形的失真。电流波形的这种变形不是所希望的，因为它由于电动机功率因数的降低而减小电能消耗的效率。

记住例如压缩周期，注意，电动机中的感应电压由于增加的转矩造成速度的降低而维持幅度的降低。常规的控制器并不用来修改施加到电动机的平均电压，并且这就是存在施加到电动机线圈的电位差的增加的原因，所述电位差限定为逆变器施加的电压与电动机的感应电压之间的差异。施加到电动机线圈的电位差的增加于是造成压缩周期期间的电流的增加。通过相同的方式，在吸气周期中电流由于电动机中感应电压的幅度降低而减小。

因此，施加到电动机中的电流在压缩周期期间增加并且在吸气周期期间减小。这种行为恰恰与感应电压的行为相反，所述感应电压在压缩周期期间减小并且在吸气周期期间增加。电压和电流之间的这种颠倒行为的影响在电动机功率因数上，该电动机功率因数即随着电流波形变得与感应电压波形不同而减小的因数。

发明内容

本发明目的是通过调节施加到无刷DC电动机的电流波形而改进应用到周期性负载的驱动器的无刷DC电动机功率因数。电流波形的这种调节由于由机械循环内的速度变化引起的电动机的感应电压的变化而应当被执行。

因此，一种实现本发明目的的方式是通过提供一种用于电动机的控制系统，所述控制系统包括电动机、至少一个电子控制单元和至少一个电子电源单元，电动机由电子电源单元电驱动，电子控制单元电命令电子电源单元，所述系统包括通过电子控制单元实现的平均速度控制器，该平均速度控制器被设置成监视电动机的瞬时速度并且提供电动机的平均速度值，电子控制单元被设置成基于获得的平均速度计算平均电压，电子电源单元被设置成通过瞬时电压值来电驱动电动机，该瞬时电压值通过将平均电压乘以瞬时速度与平均速度之间的除法结果而计算。

另一种实现本发明目的的方式是通过提供一种用于电动机的控制方法，所述方法具有以下步骤：

i）基于电动机的瞬时速度读数计算电动机的平均速度，

ii）使用先前步骤的平均速度计算平均电压，

iii）监视电动机的瞬时速度，

iv）通过瞬时电压值来电驱动电动机，该瞬时电压值通过将平均电压乘以瞬时速度与平均速度之间的除法结果而计算。

上面描述的系统和方法依照本发明的教导实现电流波形的调节。因此，所述控制方法修改施加到电动机的电压，将先前由速度控制限定的平均电压乘以瞬时速度与平均速度之间的除法。以所描述的方式在施加到电动机的电压中执行的校正设法调节电流的波形，使得它类似于感应电压的波形。

这项工作也强调了电流的任何变化的强加将通过改变输送至电动机的瞬时电压而发生，而不改变由速度控制网络计算的平均电压。

附图说明

将参照附图描述本发明，这些附图出于解释的目的而被提供并且其中：

图1：（a）表示具有4个极的三相、无刷DC类型的永磁电动机的驱动系统的框图，梯形电压处于120o电度的水平。该图包括整流器、电容滤波器、由电源开关组表征的三相逆变器、永磁电动机、电压观测器和控制单元。在（b）中，电动机驱动器的波形特性；

图2：呈现用于使用平均速度控制器驱动电动机的框图。该解决方案的控制是通过监视电动机的平均速度；

图3：（a）电动机各相之一中向应用到电动机轴的恒定负载所施加的平均电压FA和感应电压EA的波形。在该相同情况下，（b）呈现了电动机的电流波形；

图4：（a）和（c）在机械周期内的不同时刻施加到电动机的电压FA和感应电压EA之间的差异的细节。此外，（b）和（d）示出了电动机中得到的相应电流；

图5：由应用到恒定负载的平均速度控制方法引起的电动机三相中的电流。三相的电流呈现了机械循环内的相同波形；

图6：应用到由平均速度控制器驱动的电动机的周期性负载的特性曲线；

图7：（a）呈现了施加到电动机的电压FA和感应电压EA的波形。（b）呈现了电动机中得到的电流的波形。感应电压EA的变化是机械循环内电动机的速度变化的直接后果；

图8：（a）最大速度时刻期间施加到电动机的电压FA与感应电压EA之间的差异的细节。（b）最大速度时刻期间得到的电流。（c）最小速度时刻期间施加到电动机的电压FA与感应电压EA之间的差异的细节。（d）最小速度时刻期间得到的电流；

图9：呈现了由应用到周期性负载的平均速度控制方法引起的电动机三相中的电流；

图10：提出用于改进电动机功率因数的控制方法的框图。在该图中强调了负责调节电流波形的框；

图11：（a）呈现了通过所提出的控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的波形。（b）呈现了电动机中得到的电流的波形；

图12：（a）最大速度时刻期间通过所提出的控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的细节。（b）最大速度时刻期间得到的电流。（c）最小速度时刻期间通过所提出的控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的细节。（d）最小速度时刻期间得到的电流；以及

图13：呈现了通过本发明中提出的控制方法校正的电动机三相中的电流。

具体实施方式

图1（a）示出了控制图的基本设置以及（b）示出了电动机10的驱动器中存在的理想波形，所述电动机在这种情况下即具有四极梯形波的无刷DC类型三相永磁电动机。

举例而言，在下文中，该电动机应当用于分析其余图形。然而，本发明对于无刷DC类型的任何永磁电动机也是有效的。在正常工作下，所述控制分析电压和/或电流观测器的输入并且依照检测的位置以图1（b）中所示的顺序驱动开关SW1-SW6。

此外，已知通过使用耦合到电动机轴的传感器、感应电压或电流的观测器，有可能测量电动机的速度。在所提出的设置中，使用如图1（a）中所示的电压观测器，但是任何其他的速度测量设备都可以应用于所提出的发明。

图2示出了通过电动机10的平均速度进行的控制的框图。这一典型的设置示出了电动机和逆变器、以及可以监视速度的传感器。在这种情况下，控制器负责连同所述系统限定的基准或设定点一起处理关于来自传感器的速度的信息。

图3进而针对向轴强加恒定负载的情况呈现了由常规平均速度控制器驱动的电动机10的响应。恒定负载的条件有利于这种类型的控制，因为实际旋转速度在机械周期期间保持恒定。

速度的这种恒定行为反映在电动机中的感应电压波形中。按照图3（a），感应电压维持均匀形状，即它在机械周期期间不改变。结果，如图3（b）中所呈现的，由电动机中的电流引起的波形也呈现均匀的行为，并且在机械循环期间不改变。

图4（a）和图4（c）详述了施加到电动机10的电压FA和感应电压EA之间的差异，其在机械循环内保持近似恒定。图4（b）和图4（d）示出了由于施加到电动机的电压FA和感应电压EA之间的差异的维持而使电动机10中得到的相电流的波形在机械循环内也是相同的。

因此，如图5中可见的，在电动机三相中得到的电流的波形是相同的，没有展示出机械周期期间的任何种类的失真。

然而，在驱动周期性负载（诸如针对应用到冷却系统的压缩机所预见的周期性负载）的情况下，所述行为并不适用。

图6呈现了周期性负载的一个实例，其包括围绕平均TM操作点的振荡。具有典型周期性特性的负载是由可替换的压缩机产生的负载。对由常规平均速度控制器操作的电动机速度的影响是围绕平均速度RPMM的振荡。

速度振荡造成感应电压EA幅度的变化，这示于图7中。由于通过速度控制器施加到电动机的电压FA在机械循环期间是恒定的，因而感应电压EA越高，由电动机引起的IA电流就越低。

因此，在图8（a）和图8（b）中强调的最大速度时刻期间，感应电压EA非常接近于施加到电动机的电压FA。结果，存在IA电流幅度的减小。在图8（c）和图8（d）中强调的最小速度时刻期间，发生颠倒现象。

在图9中概括了速度变化对电动机电流的影响，清楚地示出机械循环内相电流IA、IB和IC的失真。感应电压增加期间电动机中得到的电流的减小或者感应电压减小期间电流的增加直接影响电动机功率因数的降低。

因此，为了改进电动机功率因数，电流应当具有与感应电压相同的格式。因此，当存在感应电压的减小时，有必要降低电流并且反之亦然。但是，使用常规速度控制器而发生的现象正好相反。与电动机的机械循环期间的感应电压不成比例的该电流变化损害电动机功率因数并且因此减小系统的效率。

沿着这些路线，本发明提供了如下的系统和方法：所述系统和方法尤其被设计成优化应用到周期性负载的驱动器的电动机功率因素，由此调节电动机10的电流波形。所提出的控制系统以图10中的框图的形式表示。在图中强调了负责调节电流波形的框。

如所设想的应用到周期性负载的用于电动机的控制系统包括电动机10、至少一个电子控制单元20和至少一个电子电源单元30。

电动机10通过电子电源单元30进行电驱动，后者如图1a中所示的那样由被设置成控制电动机10的每相电压的一组电子电源开关SW2N驱动。

此外，电子控制单元20电命令所述电子电源单元30。

与现有技术相比较创新的是，本系统包括：平均速度控制器，由电子控制单元20实现，使得该平均速度控制器被设置成监视电动机10的瞬时速度V_i并且因此提供电动机10的平均速度值。

进而，电子控制单元20被设置成基于获得的平均速度计算平均电压V_a。相比之下，电子电源单元30被设置成通过瞬时电压值V_ins电驱动电动机10，该瞬时电压值V_ins通过将平均电压V_a乘以瞬时速度V_i与平均速度之间的除法结果而计算。

如已经提到的，本发明优选地针对无刷DC类型的电动机理想化，然而，依照本发明的教导，可以使用其他类似的电动机。

在本发明的范围内，提供了计算瞬时电压值V_ins以便提供与电动机10的感应电压波形基本上一致的电动机10的电流波形。

此外，本发明提供了使用被设置成改进电动机10的速度读数的滤波器。

如先前所提到的，本发明也提供了一种用于电动机10的控制方法，该控制方法尤其被设计用于使用周期性负载的电动机。

通过上面描述的系统实现的所述方法基本上包括以下步骤：

i）基于电动机的瞬时速度V_ins读数计算电动机10的平均速度RPM_average，

ii）使用先前步骤的平均速度计算平均电压V_a，

iii）监视电动机10的瞬时速度V_i，以及

iv）通过瞬时电压值V_ins电驱动电动机10，该瞬时电压值V_ins通过将平均电压V_a乘以瞬时速度V_ins与平均速度之间的除法结果而计算。

因此，依照本发明的教导的控制方法修改施加到电动机10的电压，将先前由速度控制限定的平均电压V_a乘以瞬时速度V_i与平均速度RPM_average之间的除法

。

如所述的施加到电动机的电压中执行的校正设法调节电流的波形，使得它类似于感应电压的波形。图11（a）呈现了感应电压EA和施加到电动机的电压FA的波形。图11（b）中示出的校正电流IA的幅度此后与感应电压EA成正比。

因此，在图12（a）和图12（b）中强调的最大速度时刻期间，施加到电动机的电压FA增加，从而提供电流IA幅度的增加。在图12（c）和图12（d）中强调的最小速度时刻期间，发生颠倒现象。

在图13中呈现了相电流IA、IB和IC的调节结果。在这个意义上，现在由电流呈现的振荡有利于改进功率因数，因为它们与感应电压呈现的相同变化同相。

根据上述，与现有技术相比较有利的是，本发明提供了一种用于由周期性负载操作的电动机的优化控制，其在依照现在提出的系统和方法来考虑所调节的功率因数的增加时显著地降低了设备的电能消耗。

最后，必须指出的是，所讨论的发明对于其中使用冷却压缩机的应用也是尤其有利的，因为它们在与现在要求保护的对象的控制提议显著一致的操作周期中工作。

描述了优选实施例的实例，应当理解的是，本发明的范围涵盖其他可能的变化并且仅仅由附于此处的权利要求内容、包含于其中的潜在等效方案限制。

Claims (7)

1.应用到周期性负载的用于电动机的控制系统，所述控制系统包括：

- 电动机（10）；

- 至少一个电子控制单元（20）；

- 至少一个电子电源单元（30）；

- 电动机（10）由电子电源单元（30）电驱动；

- 电子电源单元（30），由电子控制单元（20）电命令，

所述系统的特征在于包括通过电子控制单元（20）实现的平均速度控制器，该平均速度控制器被设置成监视电动机（10）的瞬时速度（V_i）并且提供电动机（10）的平均速度值RPM_average，电子控制单元（20）被设置成基于获得的平均速度计算平均电压（V_m），电子电源单元（30）被设置成通过瞬时电压值（V_ins）电驱动电动机（10），该瞬时电压值（V_ins）通过将平均电压（V_m）乘以瞬时速度（V_i）与平均速度RPM_average之间的除法结果而计算。

2.依照权利要求1的系统，特征在于其中电动机（10）为无刷DC类型。

3.依照权利要求1的系统，特征在于其中电子电源单元（30）包括被设置成控制电动机（10）的每相中的电压的一组电子电源开关（SW2N）。

4.依照权利要求1的系统，特征在于其中计算瞬时电压值（V_ins）以便提供与电动机（10）中的感应电压波形基本上一致的电动机（10）的电流波形。

5.依照权利要求1的系统，特征在于使用被设置成优化电动机（10）的速度读数的滤波器。

6.应用到周期性负载的用于电动机（10）的控制方法，该方法特征在于包括以下步骤：

i）基于电动机的瞬时速度（V_i）读数计算电动机（10）的平均速度RPM_average

ii）基于先前步骤的平均速度RPM_average计算平均电压（V_m），

iii）监视电动机（10）的瞬时速度（V_i），

iv）通过瞬时电压值（V_ins）电驱动电动机（10），该瞬时电压值（V_ins）通过将平均电压（V_m）乘以瞬时速度（V_i）与平均速度RPM_average之间的除法结果而计算。

7.依照权利要求6的用于电动机（10）的控制方法，特征在于其中所述步骤通过权利要求1-5中限定的控制系统来实现。

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