CN102971960A - 用于确定电子换向的电机的瞬时转矩以及用于调节平均转矩的方法和设备 - Google Patents

用于确定电子换向的电机的瞬时转矩以及用于调节平均转矩的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定多相电机（2）的实际转矩的方法，其中借助驱动电路（3）来控制该电机（2），其方式是在电机（2）的各相支路上施加相电压或相电势的变化曲线，该方法包括以下步骤：-确定电机（2）所吸收的电功率（PEI）和电机（2）的欧姆损耗功率；-依据所吸收的电功率和欧姆损耗通过功率平衡来确定电机（2）所提供的机械功率（PMech）；以及-借助所确定的机械功率（PMech）来确定实际转矩（MIst）。

Description

用于确定电子换向的电机的瞬时转矩以及用于调节平均转矩的方法和设备
技术领域
本发明涉及电子换向的电机，尤其是应当根据预先给定的额定转矩提供转矩的电机。
背景技术
诸如同步电动机、异步电动机等的多相电子换向的电机是普遍公知的。为了运行这种电机而使用控制单元，所述控制单元操控驱动电路以通过预先给定相电压变化曲线来调整出期望的转矩。相应的相电压可以借助所谓的脉宽调制来调整，其方式是在各相支路上分别交替地施加高电势和低电势。从而通过脉宽调制的预先给定的占空比，可以有效地调整施加在相支路上的电压。
关于由电机提供的转矩的反馈一般通过分析相电流来获得，从而借助面向场的调节可以调节由电机提供的转矩。相电流的测量一般要费事地实现，并且例如可能在使用测量电阻（分流器）的情况下导致测量损耗，所述测量损耗影响电机的功率并因此是不期望的。
发明内容
因此本发明的任务是提供用于确定电机的瞬时转矩、尤其是用于在转矩调节中使用的方法和设备，其中无需费事地测量相电流也能确定转矩。
该任务通过根据权利要求1的用于确定电机的转矩的方法、通过根据并列权利要求的用于调节电机平均转矩的方法以及设备来解决。
其它有利设计在从属权利要求中说明。
根据第一方面，设计一种用于确定多相电机的实际转矩的方法。借助驱动电路来操控该电机，其方式是在电机的各相支路上施加相电压或相电势的变化曲线。该方法包括以下步骤：
-确定电机的所吸收的电功率和欧姆损耗功率；
-依据所吸收的电功率和欧姆损耗通过功率平衡来确定电机所提供的机械功率；
-借助所确定的机械功率来确定实际转矩。
上述方法的思想在于，借助功率平衡来确定由电机瞬时提供的转矩，其中取决于所提供的转矩的机械功率由所输送的电功率和电热损耗得到，尤其是由所输送的电功率与电热损耗之差得到。由此可以在确定瞬时实际转矩时放弃对各个相电流的测量，而代替地仅执行唯一的电流测量以测量总共输送给电机的电动机电流。
此外，确定电机的所吸收的电功率和欧姆损耗功率可以借助总耗用电流来执行，其中确定驱动电路的总耗用电流，以检测流过电机的各相支路的总电动机电流。
根据一种实施方式，可确定绝对的转子位置，其中借助所确定的绝对的转子位置来确定机械功率。
驱动电路可以根据脉宽调制来控制电机，其中依据脉宽调制的占空比来确定欧姆损耗功率。
可以规定，相电压或相电势的变化曲线正弦形地形成，从而总电动机电流的低频部分不具有或仅具有少量的定子位置依赖性。
所确定的总电动机电流或者所确定的总电动机电流的低频部分可以被施加形状因子，该形状因子由通过操控类型确定的相电压或相电势的变化曲线确定。
所确定的总电动机电流或者所确定的总电动机电流的低频部分可以除以cos                                               以被校正，
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
作为期望电流与电压之间的相移。
根据另一方面设置一种用于调节电机的转矩的方法。该方法包括以下步骤：
-根据上述方法确定实际转矩；
-依据实际转矩和所提供的额定转矩确定通过相电压或相电势确定的电压矢量的绝对值；
-通过施加具有所确定的绝对值的电压矢量来操控电机。
根据另一方面设置一种用于确定多相电机的实际转矩的设备，其中借助驱动电路来操控该电机，其方式是在电机的各相支路上施加相电压或相电势的变化曲线，具有以下步骤：
-确定电机的所吸收的电功率和欧姆损耗功率；
-依据所吸收的电功率和欧姆损耗通过功率平衡来确定电机所提供的机械功率；
-借助所确定的机械功率来确定实际转矩。
根据另一方面设置一种电动机系统，包括：
-电机；
-驱动电路；
-控制设备，该控制设备具有上述设备和调节装置，以依据实际转矩和所提供的额定转矩确定通过相电压或相电势确定的电压矢量的绝对值，并且借助驱动电路通过施加具有所确定的绝对值的电压矢量来操控电机。
附图说明
下面借助附图更详细阐述本发明的优选实施方式。
图1示出电动机系统的示意图；
图2a和2b示出多相电机的驱动电路的可能拓扑；以及
图3示出图1的电动机系统的控制设备的结构框图。
具体实施方式
图1示出电动机系统1的示意图，该电动机系统1具有可以构成为同步电动机、异步电动机等的电机2。下面假定电动机2作为电机2；但是也可以是用转矩驱动的发电机。电动机2是电子换向的，也就是说电动机不具有必须由外部的、例如经由机械换向器或经由滑动触头电供给的转子绕组。在同步电动机的情况下，转子设置有永久磁铁，所述永久磁铁构成转子极以提供激励磁场。此外在相应的定子上设置多个相支路，这些相支路通过施加相电压或相电势得到操控，以便在取决于通过相电压确定的电压矢量的方向上产生磁场。该磁场相对于转子的运动方向和通过永久磁铁产生的磁场的方向被提前产生，从而可以提供转矩。由电动机2提供的转矩基本上取决于马达参数、电压矢量的电压绝对值以及通过电压矢量引起的定子磁场相对于通过转子产生的激励磁场提前的角度。
下面示例性地描述借助同步电动机2的实施方式，其中所介绍的方法也可以用其它类型的电子换向的电机来执行。
同步电动机2由驱动电路3操控，该驱动电路输出相电压或相电势以提供电压矢量。驱动电路3用于提供运行同步电动机2的电功率。相电压或相电势通过在驱动电路3上施加合适的控制信号来产生。这些控制信号由控制设备4提供。
在图2a和2b中示出驱动电路3的示例。图2a示意性示出第一驱动电路31。第一驱动电路31以所谓的B6拓扑构建，以便向具有在所示实施例中相互连接成星形电路的相支路21a，21b，21c的三相同步电动机供应相电势VU，VV，VW。
第一驱动电路31针对每个相支路21a，21b，21c具有逆变器电路33a，33b，33c，这些逆变器电路分别具有高压侧功率开关34a，34b，34c以及对应的低压侧功率开关35a，35b，35c。高压侧功率开关34a，34b，34c和低压侧功率开关35a，35b，35c可以分别构成为诸如MOSFET、晶闸管、IGBT、IGCT等的功率晶体管。
在每一个逆变器电路33a，33b，33c中，高压侧功率开关34a，34b，34c与对应的低压侧功率开关35a，35b，35c串联地连接在高供应电势VH和低供应电势VL之间。在高和低供应电势VH，VL之间对应地施加供应电压UDC。分别在功率开关34a，34b，34c和35a，35b，35c之间的连接节点KU,KV,KW与同步电动机2的相支路21a，21b，21c连接。功率开关34a，34b，34c和35a，35b，35c通过控制信号T1至T6得到操控。
通过对控制信号T1至T6的对应选择可以在连接节点KU,KV,KW上生成相电势。根据一种操控类型，总是有两个逆变器电路33a，33b，33c是活跃的，即在所涉及的连接节点KU,KV,KW上施加高的或低的供应电势VH，VL，而在其余逆变器电路33a，33b，33c的连接节点上不输出电压电势。对应的连接节点是浮动的，即该连接节点具有浮动电势。这种类型的操控称为块换向；但是也可以考虑其它操控和运行同步电动机2的可能性。
总之，通过选择连接节点KU,KV,KW上的相电压电势VU，VV，VW生成具有特定的绝对值和相位角的电压矢量。为了产生有效的相电压VU，VV，VW，所述相电压的绝对值位于高供应电势VH和低供应电势VL之间，使用脉宽调制，其中确定逆变器电路33a，33b，33c的高压侧功率开关34a，34b，34c和对应的低压侧功率开关35a，35b，35c周期性地交替接通，其中功率开关的接通时间分别通过脉宽调制的占空比来确定。该占空比一般被说明为以下持续时间与整个周期持续时间的比例，在所述持续时间期间对应逆变器电路33a，33b，33c的高压侧功率开关34a，34b，34c之一在恒定的周期持续时间内是导通的。
第一驱动电路31的输入侧设置有电容36，该电容用于对供应电压UDC进行平滑并且减小在用于对驱动电路3供应电压的供应电压线路上的电流波纹。
在图2b中示出驱动电路3的另一种实施方式。图2b的第二驱动电路32用于操控两相同步电动机2并且具有2H拓扑的结构。在2H拓扑的情况下，两相同步电动机2的两个相支路分别连接在两个逆变器电路37a，37b；37c，37d之间。逆变器电路37a，37b；37c，37d在其结构方面与第一驱动电路31的逆变器电路33a，33b，33c对应，并且包括分别通过控制信号T1至T8得到操控的功率开关。此外第二驱动电路32设置有与供应电压UDC并联连接的电容36。
同步电动机2的相支路分别连接在两个逆变器电路37a，37b的连接节点Ka1,Ka2之间和逆变器电路37c，37d的连接节点Kb1,Kb2之间。一般要在相支路上施加相电压，其方式是被分配给一个相支路的逆变器电路之一被脉宽调制地操控，同时被分配给相支路的各其它逆变器电路的低压侧功率开关导通地连接。由此可以根据哪一个逆变器电路被脉宽调制地操控，经由每一个相支路在+UDC和-UDC之间施加电压。
驱动电路3,31,32的操控通过控制设备4进行，所述控制设备提供对额定转矩MSoll的说明作为预先给定参量V。控制设备4实施转矩调节并且为此从设置在同步电动机2处的位置检测器5获得转子位置信息
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
来作为反馈参量。位置检测器5例如可以借助霍尔传感器或GMR（GMR：Giant Magnetic Resistance，巨磁电阻）传感器来相对或绝对地说明转子位置并且将该转子位置传送给控制设备4。如果位置检测器5仅仅说明了一次转子位置变化，则可以规定由此例如借助计数器确定绝对的转子位置。
此外，驱动电路3设置有电压传感器6和电流传感器7，以检测供应电压UDC和直接流过逆变器电路33a，33b，33c或37a，37b，37c，37d的电流IZK，并且向控制设备4提供对应的说明。电流IZK等于供应电流减去流过对应电容36,39的电流。
在图3中示意性地作为结构框图示出控制设备4的功能。
控制设备4包括转矩调节器41形式的调节装置作为主要单元，该转矩调节器接收对额定转距MSoll和由同步电动机2瞬时提供的实际转矩MIst的说明作为预先给定参量V。依据额定转矩MSoll和实际转矩MIst之间的差，预先给定用于脉宽调制的占空比，该占空比在控制信号生成块42中被转换为控制信号T1至T6或T1至T8。
控制信号生成块42依据瞬时转子位置
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
和依据预先给定的占空比来产生控制信号T1至T6或T1至T8，所述占空比由转矩调节器作为关于待提供的转矩的说明而预先给定。转子位置由位置确定块43提供。位置确定块43与同步电动机2处的位置检测器5连接，确定关于瞬时绝对转子位置
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
的说明并且将该说明以合适的方式提供给控制信号生成块42。如果位置检测器5检测同步电动机2的转子的相对位置变化，则位置确定块43例如可以具有计数器。计数器依据同步电动机2的转子的旋转方向及其湿度或转速递增或递减。计数器值随时都表示关于当前转子位置
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
的说明，该说明可以被提供给控制信号生成块42。此外，位置确定块43通过当前转子位置变化的时间导数提供关于同步电动机2的转速ω的说明。
此外，控制设备4包括电压采集块44，该电压采集块经由模拟数字转换器45与电压检测器6连接以采集供应电压UDC。电压采集块44提供关于所施加的供应电压UDC的数字化说明。
此外设置耗用电流采集块46，该耗用电流采集块经由第二模拟数字转换器47与电流检测器7连接。耗用电流采集块46提供关于由逆变器电路（在此也是附图标记？）吸收的总电流IZk的说明。所采集的电动机电流在此是流经驱动电路和同步电动机2的一个或多个相支路的电流。耗用电流采集块应当尽可能不测量流过电容36,39的电流或其它不流经同步电动机2的相支路的电流。
转矩调节器41依据额定转矩MSoll和实际转矩MIst之间的差调节当前由同步电动机2提供的转矩。例如，如果额定转矩MSoll和实际转矩MIst之间的差为正，则提高预先给定的占空比，反之如果额定转矩MSoll和实际转矩MIst之间的差为负，则减小预先给定的占空比。
转矩调节器41可以包括预控制器和/或可以构成为P-、PI-、PD-或PID-调节器。
实际转矩MIst在当前的控制设备4中借助功率平衡来确定。对于同步电动机的运行下式成立：
Figure 2011800348885100002DEST_PATH_IMAGE004
其中PEI对应于电功率，PVerlust对应于热损耗，PMag对应于磁功率，PMech对应于机械功率。磁功率PMag可以被忽略，因为磁功率的平均值等于0。其中：
Figure 2011800348885100002DEST_PATH_IMAGE006
其中M对应于实际转矩，ω对应于关于同步电动机2的转速的说明，下式成立：
Figure 2011800348885100002DEST_PATH_IMAGE008
其中RM对应于同步电动机2的在相接头之间的绕组电阻，IM对应于电动机电流。电动机电流IM以如下方式由总电流和占空比得到：
Figure 2011800348885100002DEST_PATH_IMAGE010
。
接着：
Figure 2011800348885100002DEST_PATH_IMAGE012
。实践中为了避免除以0必须限制PWM信号和转速说明ω。
为了能确定瞬时的实际转矩MIst，需要在驱动电路中或更确切地说在驱动电路的逆变器电路中测量有效电流IDC。为了将供应电流IDC假定为有效电流IZK，所得到的耗用电流应当尽可能恒定。这例如可以通过以下方式实现，即在控制信号生成块42中执行的脉宽调制借助控制信号T1至T6或T1至T8生成相电压或相电势的电压轮廓，该电压轮廓优选是正弦形的，以避免驱动电路3的耗用电流的位置依赖性。但是其它调制类型，例如块换向或梯形换向也是可行的，其中于是需要在测量电动机电流IDC时对该电动机电流施加形状因子，以确定有效电动机电流。对有效电动机电流的这种确定可以在电流采集块46中执行，从而向转矩计算块48提供关于所提供的有效电动机电流的说明。

Claims (10)

1. 一种用于确定多相电机（2）的实际转矩的方法，其中借助驱动电路（3）来操控该电机（2），其方式是在电机（2）的各相支路上施加相电压或相电势的变化曲线，该方法包括以下步骤：
-确定电机（2）的所吸收的电功率（PEI）和欧姆损耗功率；
-依据所吸收的电功率和欧姆损耗通过功率平衡来确定电机（2）的所提供的机械功率（PMech）；以及
-借助所确定的机械功率（PMech）来确定实际转矩（MIst）。
2. 根据权利要求1的方法，其中确定电机（2）的所吸收的电功率（PEI）和欧姆损耗功率借助总耗用电流来执行，其中确定驱动电路（3）的总耗用电流，以检测流过电机（2）的各相支路的总电动机电流（IM）。
3. 根据权利要求1或2的方法，其中确定绝对的转子位置，其中借助所确定的绝对的转子位置来确定机械功率（PMech）。
4. 根据权利要求1至3之一的方法，其中驱动电路（3）根据脉宽调制来操控电机（2），其中依据脉宽调制的占空比来确定欧姆损耗功率。
5. 根据权利要求4的方法，其中相电压或相电势的变化曲线正弦形地形成，从而总电动机电流具有恒定的变化曲线。
6. 根据权利要求4的方法，其中所确定的总电动机电流被施加形状因子，该形状因子由通过操控类型确定的相电压或相电势变化曲线确定。
7. 根据权利要求6的方法，其中所确定的总电动机电流（IM）除以期望的形状因子cos                                               
Figure 2011800348885100001DEST_PATH_IMAGE002
。
8. 一种用于调节电机（2）的转矩的方法，包括以下步骤：
-根据权利要求1至7之一的方法确定实际转矩；
-依据实际转矩和所提供的额定转矩（MSoll）确定通过相电压或相电势确定的电压矢量的绝对值；
-通过施加具有所确定的绝对值的电压矢量来操控电机（2）。
9. 一种用于确定多相电机的实际转矩的设备，其中借助驱动电路（3）来操控该电机（2），其方式是在电机（2）的各相支路上施加相电压或相电势的变化曲线，具有以下步骤：
-确定电机（2）的所吸收的电功率（PEI）和欧姆损耗功率；
-依据所吸收的电功率（PEI）和欧姆损耗通过功率平衡来确定电机（2）的所提供的机械功率（PMech）；以及
-借助所确定的机械功率（PMech）来确定实际转矩（MIst）。
10. 一种电动机系统（1），包括：
-电机（2）；
-驱动电路（3）；
-控制设备（4），该控制设备具有根据权利要求9的设备和调节装置（41），以依据实际转矩（MIst）和所提供的额定转矩（MSoll）确定通过相电压或相电势确定的电压矢量的绝对值，并且借助驱动电路（3）通过施加具有所确定的绝对值的电压矢量来操控电机（2）。
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