CN104253572A - 用于开环电机驱动操作的稳定性控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于开环电机驱动操作的稳定性控制的方法和设备。本发明公开了用于无传感器电机速度控制的电机驱动器(10)和控制方法(100)，其中，从逆变器输出端采样逆变器的输出电流(i_a，i_b，i_c)，并且基于电流反馈和一个或多个电压指令(V^* _a，V^* _b，V^* _c)或者一个或多个电压反馈信号(V_a，V_b，V_c)来确定频率调制值(25a)。至少部分根据频率调制值(25a)来调整速度或频率设定点(21，31)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)，其随后用于控制(110)逆变器(14)以提供稳定性控制，从而减轻摆动或电机停机。

Description

用于开环电机驱动操作的稳定性控制的方法和设备

技术领域

本文所公开的主题涉及功率转换，更具体地，涉及用于无传感器电机控制的设备和技术。

背景技术

无传感器电机驱动用于各种应用中，特别是在电机负载处直接提供位置和/或速度传感器是困难的或不切实际的应用中。典型的无传感器系统采用根据期望的电机速度或频率提供电压设定点的电压-频率(V/F，或者称为伏特每赫兹，V/Hz)控制器，并且这种形式的无传感器控制已主要与感应电机一起使用。在某些应用中，升压变压器可以用来提高电机驱动输出电压，以允许使用低电压驱动来为中压感应电机提供电力，和/或减少I2R损耗，并且便于使用在电机驱动和从动电机之间运行的长电缆的较小直径电缆线。某些应用还采用了正弦波滤波器如LC滤波器，以抑制与脉冲宽度调制(PWM)变频驱动相关联的反射波的电压尖峰。然而，无传感器的电压-频率控制技术的使用可能会导致一些问题，特别是在变压器和/或正弦波滤波器连接在电机驱动和电机负载之间的情况下。因此，传统的无传感器磁场定向控制(FOC)或其它开环速度控制技术被发现通常不适于使用输出滤波器和变压器的低速电机驱动操作(如在电潜泵(ESP)中)，并且这些困难在驱动永磁同步电机(PMSM)上是特别成问题的。此外，在起始条件下，结合正弦波滤波器的电压-频率控制可能导致电机不能够启动，且具有针对低频率指令的转子轴上的大的振荡。在无传感器速度控制应用中的电机也遭受在负载跳变或速度设定点调整之后转子速度关于设定点速度的振荡，特别是在低转速。此外，在某些情况下，从动电机可能因为不稳定的电机速度的振荡而不能成功地从停止状态启动。因此，对于无传感器的电机速度控制，特别是对于驱动永磁电机以提供改进的稳定性控制，需要改进的技术和电机驱动。

发明内容

现概述本发明的各个方面，以助于本发明的基本理解，其中这个概述不是本发明的详尽概述，并且既不旨在确定本发明的某些元素，也不描绘其范围。相反，本概述的主要目的是为了在下文呈现更详细的说明之前以简化的形式呈现本公开的各种概念。本发明提供电机驱动设备和控制技术，通过其有助于提高电机速度的稳定性，并且发现了与涉及异步或同步电机的开环或无传感器速度控制的应用相关的特定用途，其直接从动或与输出滤波器和/或输出变压器组合。此外，所公开的技术可以在使用电压-频率和/或电流-频率控制算法的系统中采用。

根据用于在电机驱动器中的无传感器电机速度控制的本发明的一个或多个方面公开了方法。该方法包括从电机驱动器逆变器的输出中采样一个或多个AC输出电流反馈信号或值，并且基于输出电流反馈和/或一个或多个电压指令或电压反馈信号或值来计算频率调制值。此外，该方法包括全部或部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点值，以提供调整的频率或速度设定点值，以及根据调整的频率或速度设定点值来控制电机驱动器逆变器。原始速度或频率设定点在某些实施方式中可以根据调制值速率上限制先前的调整。此外，调整可以包括从速率限定的或原始频率或速度设定点值减去调制值。此外，在某些实施方式中，调制值的计算可以包括计算在开环角和估计的转子位置之间的估计的电机性能值，如估计的电磁转矩、转矩角、角度、功率因数、功率因数角、功率或误差，或者可以根据当前反馈和/或一个或多个电压信号来估计的与电机的操作相关的其它性能值。此外，估计的电机性能值在某些实施方式中可以通过高通滤波，以在接收的速度或频率设定点的调整之前消除任何DC偏移。

根据本发明的另一方面提供了电机驱动器，包括逆变器，其提供AC输出功率以驱动电机负载，以及无传感器的电机速度控制器，其至少部分基于频率或速度设定点来提供切换控制信号，以操作逆变器。电机速度控制器实施信号生成器，该信号生成器根据表示逆变器的输出电流的一个或多个AC输出电流反馈信号或值，和/或根据用于控制逆变器的一个或多个电压指令信号或值来计算频率调制值。此外，电机速度控制器包括调整部件，其全部或部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点值，以便提供调整的频率或速度设定点值，以及指令生成器，其至少部分根据调整的频率或速度设定点值来将切换控制信号提供给逆变器。

在某些实施方式中，信号生成器基于AC输出电流反馈和/或基于一个或多个电压指令或电压反馈信号或值来计算估计的电机性能值，并且根据估计的电机性能值来计算频率调制值。此外，电机速度控制器可以包括高通滤波器，其用于对估计的电机性能值进行滤波，并且作为结果的滤波的估计的电机性能值在某些实施方式中用于计算频率调制值。在某些实施方式中，信号生成器计算估计的电机性能值作为估计的转矩值、功率因素值、功率因数角值或功率值。在某些实施方式中，无传感器的电机速度控制器包括限速器，其可操作于对频率或速度设定点进行速率限制，并且调整部件从速率限制的频率或速度设定点值减去频率调制值，以提供用于操作逆变器的调整的频率或速度设定值。在一些实施方式中，调整部件从频率或速度设定点值减去频率调制值，以提供调整的频率或速度设定点。

其它实施方式提供用于电机驱动控制的方法，包括对来自逆变器的一个或多个输出电流反馈信号或值进行采样；至少部分根据输出电流反馈信号或值来计算频率调制值；以及至少部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点，并且根据调整的频率或速度设定点值来控制逆变器。在某些实施方式中，频率和速度设定点值受到速率限制，并且从速率限制的设定点减去频率调制值，以提供调整的频率或速度设定点值。在某些实施方式中，估计的每单元输出电流信号或值根据输出电流反馈信号或值来计算，而频率调制值至少部分基于估计的每单元输出电流信号或值来计算。输出电流反馈信号或值在某些实施方式中被高通滤波，而频率调制值至少部分根据滤波的估计的输出电流信号或值来计算。此外，在某些实施中，滤波的信号或值可以通过增益因子放大，以提供放大的信号，并且利用至少部分基于范围限制的放大的信号计算的频率调制值，放大的信号的范围被选择性地限制。

在某些实施方式中，估计的每单元输出电流信号或值被计算，并且频率调制值被相应地计算。估计的每单元输出电流信号或值在某些实施方式中可以被高通滤波，并且频率调制值至少部分基于滤波的估计的每单元输出电流信号或值来计算。滤波的估计的每单元输出电流信号或值在某些实施方式中可以通过增益因子来放大，并且利用至少部分基于范围限制的放大的信号计算的频率调制值，放大的信号的范围可以选择性地被限制。在某些实施方式中，输出电流反馈信号或值被转换到同步参考系，并且在同步参考系中，频率调制值至少部分基于估计的输出电流信号或值来计算。

根据本发明的其它方面提供了非暂态计算机可读介质，其具有在电机驱动器中用于无传感器电机速度控制的计算机可执行指令，包括用于对至少一个AC输出电流反馈信号或值进行采样的指令，用于基于输出电流反馈和/或基于至少一个电压指令或反馈信号或值来计算频率调制值的指令以及用于至少部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点值和根据调整的频率或速度设定点值来控制逆变器的指令。

根据本发明的其它方面提供了电机驱动器，包括逆变器和无传感器电机速度控制器，该无传感器电机速度控制器具有：信号生成器；其基于至少一个AC输出电流反馈信号或值来计算频率调制值；调整部件，其至少部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点值；以及指令生成器部件，其至少部分根据调整的频率或速度设定点值来将切换控制信号提供给逆变器。

附图说明

下面的说明和附图在细节上阐述了本发明的示例性实施，其表示其中本公开的各种原理可以被进行的几个示例性方式。然而，图示的示例并不穷举本发明的许多可能的实施方式。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优势和新颖性特征将在下面详细说明，其中：

图1A是示出根据本发明的一个或多个方面的具有生成用于调整速度或频率设定点以生成用于增强无传感器电机速度控制稳定性的逆变器切换控制信号的频率调制值的稳定性信号生成器的示例性电机驱动器的示意图；

图1B是示出用于通过正弦波滤波器和变压器连接到逆变器输出的电机的无传感器速度控制中的具有稳定性信号生成器的电机驱动器的示意图；

图2是示出具有稳定性信号生成器和电压-频率控制配置的示例性电机驱动控制器的示意图；

图3是示出具有稳定性信号生成器和电流-频率控制器的另一示例性电机驱动控制器的示意图；

图4是示出具有稳定性信号生成器和电流-频率控制器的又一电机驱动控制器的示意图，其中电流-频率控制器具有用于通过正弦波滤波器和变压器来驱动电机的缩减带宽比例-积分(PI)控制器；

图5是示出用于基于估计的定子磁通量来计算估计的电磁转矩值的电机驱动控制器中的示例性频率调制(FM)信号生成器的示意图；

图6是示出用于基于估计的转子磁通量来计算估计的电磁转矩值的另一示例性频率调制信号生成器的示意图；

图7是示出对用于速度或频率设定点的选择性调整的估计的功率因数值进行计算的又一FM信号生成器的示意图；

图8是示出对用于调整速度或频率设定点的估计的功率因数角进行计算的另一示例性FM信号生成器的示意图；

图9是示出计算用于调整速度或频率设定点的估计的功率值的又一FM信号生成器的示意图；

图10是示出在电机驱动控制器中的静止参考系变换的曲线图；

图11是示出针对不需要用于阶跃负载改变的稳定性控制的电机驱动的电机速度、电流和负载转矩的曲线图；

图12是示出使用本发明的稳定性控制概念的电机驱动的电机速度、电流和负载转矩的曲线图；

图13是示出根据本发明的其它方面的用于电机驱动中无传感器电机速度控制的示例性方法的流程图；

图14是示出具有稳定性信号生成器和电压-频率控制配置的另一示例性电机驱动控制器的示意图；以及

图15是示出图14的控制器中的示例性转换的示意图。

具体实施方式

现参照附图，在下文中，结合附图描述了几个实施方式或实施，其中相同的标记用于指代全文中相同的元件，并且其中各种特征不一定按比例绘制。

参照2013年4月23日提交的题为“Position Sensorless Open LoopControl for Motor Drives with Output Filter and Transformer”的序列号为13/868,216的美国专利申请，其全部内容通过引用并入本文。还参照2013年6月29日提交的题为“METHOD AND APPARATUS FORSTABILITY CONTROL OF OPEN LOOP MOTOR DRIVEOPERATION”的序列号为13/931,839的美国专利申请，其全部内容通过引用并入本文。

下面介绍用于使用稳定性信号生成器作为电机驱动控制器的一部分的无传感器或开环电机速度控制的方法100和电机驱动设备10。控制技术和电机驱动器可以用于多种应用，包括但不限于无论包括感应电机或永磁同步电机(PMSM)的驱动电动潜水泵，并且可以在以下情况下采用，其中电机驱动器直接连接到从动电机或者其中在输出逆变器和从动电机之间连接一个或多个中间部件(如正弦波滤波器和/或变压器)。此外，本发明的概念可以结合任何适当形式的控制指令算法，包括但不限于电压-频率和/或电流-频率控制，使用任何适当的内部闭环反馈调节的配置(如比例积分或PI控制部件)。此外，本发明公开的技术可以成功地应用于改善操作永磁体和/或感应电机的稳定性，以避免或减轻不期望的“摆动”(振荡)和/或不期望的电机停止或无法启动，特别是对于低速运行和/或负载和/或期望的设定点运行速度的改变或扰动的存在。在这方面，下面各种示例性实施方式中示出和描述的本发明的各个方面，特别是稳定性控制技术可以在各种电机驱动应用中、电机驱动控制器结构等中使用，并且各种概念不限制于所示的实施方式。

首先参照图1A和图1B，在下文中展现处于无传感器或开环速度控制配置下的各种示例性电机驱动器10，其中不提供电机速度或位置的直接测量。虽然这些情况是在远程从动电机的情况(如潜水泵的应用等)下常见的，但是本发明的各种稳定性控制方面也可以在实际电机速度被直接测量并且反馈信号被提供给电机驱动控制器的系统中实施。如图1A和图1B所示，功率转换系统2通常包括AC电源4，其将单相或多相功率(如480V AC，50或60Hz)提供给电机驱动功率转换器10。电机驱动器10又包括具有提供单相或多相AC输出电流(如在图示的示例中的三相输出电流IA、IB和IC)以驱动电机负载6的逆变器14的一个或多个功率转换级。如图1A所示，电机负载6可以直接由电机驱动逆变器14的输出驱动，或者如图1B所示，在逆变器14和电机负载6之间可以连接一个或多个中间电路，如正弦波滤波器16和/或变压器18中的一个或两个，以及潜在的长电缆8。

在这些示例中，驱动器10包括有源或无源整流器12，其提供所接收的(如三相)AC输入功率的整流，以在包括电容C的DC链路电路13两端产生DC总线电压。可以使用任何适当形式的整流器12，包括但不限于无源整流器(如一个或多个整流二极管)，或在AC输入源的基频(基本前端或FFE)或接近该AC输入源的基频处或在较高和可能可变的切换频率处操作的切换整流器，如有源前端(AFE)整流器，其执行附加功能如功率因数校正等。DC链路电路13将DC输入电压提供给切换逆变器14。在这个示例中，逆变器14包括根据来自控制器20的逆变器切换控制信号22操作的切换装置S1、S2、S3、S4、S5和S6，以将DC功率转换成用于驱动电机负载6的AC输出电流IA、IB和IC。虽然示出的逆变器14提供三相两电平输出，但是本公开的范围之内其它单相或多相或多电平输出的实施也是可能的。可以使用任何适当的逆变器切换装置S1-S6，包括但不限于绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅控制整流器(SCR)、栅极可关断晶闸管(GTO)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)等。控制器20及其元件和部件可以包括适当的逻辑或基于处理器的电路，并且还可以包括信号电平放大和/或驱动器电路(未示出)，以提供足以选择性地使切换装置S1-S6致动的适当的驱动电压和/或电流电平，比如像比较器、载波生成器或数字逻辑/处理器元件和信号驱动器等。此外，控制器20可以根据任何适当的脉冲宽度调制技术提供切换控制信号22，该脉冲宽度调制技术包括但不限于空间矢量调制(SVM)、基于载波的脉冲宽度调制、选择性谐波消除(SHE)等。此外，控制器20实施如下文详述的各种计算功能，并且可以包括适当的模拟到数字和数字到模拟转换部件和基于处理器的或单独的或与模拟电路组合的其它可编程逻辑电路，以执行如本文中所描述对信号或值的各种操作。此外，控制器20的某些实施方式可以包括处理元件和用于存储数据和程序指令的电子存储器，通过该处理元件和电子存储器，控制器20可以实施本文详述的各种方法(如下述方法100)。

图1B中的系统2在一个示例中进一步包括正弦波或输出滤波器16、在各个输出线中具有一系列滤波电感器LF的三相LC滤波器以及在相应的相线和公共连接点之间耦合的相应滤波器电容器CF。可以使用具有以任何适当的增量或Y配置连接的一个或多个系列的元件和其它滤波器元件(如滤波器电容器CF)的其它输出滤波器拓扑结构如LCL滤波器、CLC滤波器等。图1B的示例还包括在滤波器16和电机电缆8之间的变压器18。尽管可以使用任何适当的变压器的初级和/或次级绕组的配置或拓扑结构，图示的变压器18具有三相三角形连接的初级以及Y连接的次级。此外，在某些实施方式中变压器18可以是升压变压器。例如，升压变压器18可以有助于低压驱动器10的使用，以为中压或高压电机6供电，或者允许中压驱动器10的使用以为高压电机6供电。而且或者与之相结合，升压变压器18可以对允许由电缆8所携带的电流水平的降低是有用的，从而有助于在电缆8中较小直径电缆线的使用。此外，电缆8可以具有用于将电机驱动器输出、正弦波滤波器16和/或变压器18与电机负载6进行对接的任何适当的构造。

电机驱动器10和控制器20以无传感器的方式操作，以控制驱动电机负载6的一个或多个操作参数。例如，控制器20提供了逆变器切换控制信号22，以控制电机6的位置和/或速度和/或转矩而不需要直接感测任何这些控制参数。在图示的实施中，例如，电流传感器27设置在逆变器14的输出，以将反馈信号或值28(如i_a、i_b和i_c)提供给控制器20，该反馈信号或值28表示逆变器输出电流IA、IB和IC，和/或这些输出电流的值可以从反馈信号或值28来计算、获取或者估计。可以使用任何适当的电流传感装置27，以生成或提供信号和/或值28，并且可以提供模拟信号28，并且/或者传感器27可以是提供表示在逆变器14的输出处生成的输出电流IA、IB和IC的数字值28的智能传感器。

控制器20使用反馈信号或值28以及一个或多个期望的操作参数，以调节或调整输出电流IA、IB和IC。然而，总的来说，由于没有从电机6本身获得直接的反馈信号，所以由所示的控制器20实施的控制技术相对于从动驱动电机负载6的实际操作条件下(如速度和/或位置)基本上是无传感器或开环的。在图1A和图1B的示例中，例如，控制器20从监控控制系统部件(未示出)接收期望的频率或电机速度值f*21，该监控控制系统部件可以是分布式控制系统(DCS)元件、用户可调整的旋钮、本地用户接口等。此外，控制器20包括电压指令生成器部件23，其可以是电压-频率24或电流-频率控制部件24a(如下面图2至图4)。还可以有闭环控制器如比例-积分(PI)控制器26，其在某些实施方式中可以是缩减带宽PI控制器(如下面图4)。在操作中，图3中的控制部件24a和26根据期望的速度或频率信号或值21和反馈信号或值28通过提供逆变器切换控制信号22来调节逆变器输出电流IA、IB和IC。

此外，根据本发明的一个或多个方面，控制器20实施稳定性信号生成器部件25，其基于用于控制逆变器14的电流反馈信号或值i_a、i_b和i_c以及一个或多个电压指令信号或值37v_a*、v_b*和v_c*来计算频率调制值25a(如Δf*)。如在图1A和图1B中看到的那样，例如，电压指令生成器部件23内部生成电压指令v_a*、v_b*和v_c*，并且将这些提供给稳定性信号生成器部件25，用于生成频率调制值25a。无传感器电机速度控制器20还包括调整部件29(如在一个示例中为加法器)，其至少部分基于频率调制值25a来调整频率或速度设定点21，以提供调整的频率或速度设定点31a(如在下面图2至图4中的f_AD)，并且至少部分根据调整的频率或速度设定点值31a，指令生成器23将切换控制信号22提供给逆变器14。在图示的示例中，调整部件29从频率或速度设定点值21减去频率调制值25a，以提供调整的频率或速度设定点值31a。其它实现是可能的，其中调整部件29执行不同类型的调整如偏移、乘法、除法、加法或它们的组合等，其中，本发明的概念不限于图示的减法示例。

还参考图2至图4，图2示出了具有稳定性信号生成器25和在电压指令生成器23中实施的电压-频率控制配置的示例性电机驱动控制器20的进一步细节。电压指令生成器23包括电压-频率(V-F)控制部件24，其从调整部件29接收调整的频率设定点31a，并且相应地生成δ轴电压设定点(v^* _δ)35。控制器20利用参考静止(如a、b、c)参考系的接收的反馈信号或值28和生成的切换控制信号22实施各种部件，例如在处理器执行的软件或固件中，并且在同步的δ,γ参考系中操作某些变量。在这方面，所示的δ,γ参考系随着常规场换向控制(D，Q)参考系以相同的频率旋转，但是位置不需要是相同的，并且γ和δ某种程度上类似于“d”和“q”，但它们不必要对齐(如γ可能在D轴和Q轴之间的某处，且γ和δ彼此正交)。还应当理解，所描述的电压和/或电流调节可以在其它的参考系来执行。在图2的示例中的电压-频率控制部件24基于调整的频率或速度设定点信号或值31a来提供电压设定点输出35。此外，如图2所示，可以选择地包括限速器30，以在速率上限制频率或速度设定点值21，从而提供速率限制的频率或速度设定点值31(f_RL)，并且在这个示例中的调整部件29从速率限制的频率或速度设定点值31减去频率调制值25a，以提供调整的频率或速度设定点值31a作为到控制部件24的输入。

图示的电压-频率控制部件24实施了如图所示的多范围的曲线或函数，其中具有零电压值V_BOOST对应于零频率值(如0Hz)的电压-频率关系，并且在V_BOOST保持恒定直到预定的升压频率F_BOOST。由控制部件24实施的电压-频率关系还包括具有对应于从升压频率F_BOOST到截止频率值F_CUT频率范围的增大的电压值的第二部分，以及具有对应于高于截止频率F_CUT的频率的恒定电压值(如V_MAX)的较高部分，其中V_MAX在某些实施中可以是逆变器14的最大额定输出电压，而截止频率F_CUT优选设定成对应于电机6的额定工作频率(如在一个实施中大约为60Hz)。在某些实施方式中，控制部件24可以使用查找表或参数函数来实施。电压-频率输出v^* _δ是δ轴电压设定点35。在图示的实施方式中，尽管本发明的所有实施不是严格的要求，控制器23根据零γ轴值34(v^* _γ＝0)操作。

此外，如图2和图10所示，图示的稳定性信号生成器25包括静止参考系转换器部件50和51，其用于将电流反馈信号28和电压指令信号或值37通过图10中所示的示例性变换从a、b、c参考系到静止“α，β”参考系的各自的转换。以这种方式，转换器50提供α，β参考系电流反馈信号i_α和i_β，并且转换器51将电压指令信号v_α*和v_β*提供给频率调制(FM)信号生成器部件52。此外，在图2的实施方式中，基于AC输出电流反馈i_a、i_b和i_c(转换到信号或值i_α和i_β)，并且还基于电压指令信号或值v_a*、v_b*和v_c*(如转换的信号或值v_α*和v_β*)，信号生成器部件25采用FM信号生成器部件52来计算估计的电机性能值52a，在这种情况下是估计的(每单位的)转矩值特别地，信号生成器52包括第一部件53，其根据下面的公式(1)和(2)，基于输出电流反馈i_α和i_β、电压指令v_α*和v_β*，并且基于对应于电机6和任何中间电缆8的电阻的输出负载电阻值R来计算估计的转子磁通量链值

$\left(1\right)---{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\αr}}=-i_{\mathrm{\α}}L+\∫(v_{\mathrm{\α}}^{*}-i_{\mathrm{\α}}R),$ 以及

$\left(2\right)---{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\βr}}=-i_{\mathrm{\β}}L+\∫(v_{\mathrm{\β}}^{*}-i_{\mathrm{\β}}R),$

其中，L是电机和任何中间电缆的电感。

此外，信号生成器52包括第二部件54，其可操作于根据下面的公式(3)，基于估计的转子磁通量值和以及电流反馈i_α和i_β来计算估计的转矩值

其中，P是在电机6中的极对的数量，T_rated是用于电机6的额定转矩。在某些实施方式中，估计的转矩值可以使用定子磁通量值计算，并且在其它实施方式中可以根据转子磁通量值计算。

然后，估计的转矩或其它估计的电机性能值52a被信号生成器部件25使用以计算频率调制值25a。此外，如图2所示，图示的实施方式包括高通滤波器55，以对估计的电机性能值52a进行滤波，以提供滤波的估计的电机性能值55a，从而从估计的电机参数52a去除不期望的DC偏移。然后，信号生成器25至少部分基于滤波的估计的电机性能值55a来计算FM值25a。在图示的示例中，提供增益部件56以放大滤波的信号55a，并且可以包括限制器电路57以限制放大的信号的范围所示的实施方式还包括可选乘法器59，其中针对估计的电机性能值52a的一些实施方式，基于所期望的频率或速度设定点输入信号或值21的符号(正或负，即正向或反向)，限制器57的输出乘以来自符号函数58的符号信号。乘法器59的输出将频率调制值25a提供给用于接收的(以及可选的速率限制的)速度或频率设定点的调整的求和连接点调整器部件29，以生成调整的设定点31a。

调整的设定点31a将输入提供给电压指令生成器23和其控制部件24。此外，V-F控制器24分别提供γ和δ轴电压设定点信号或值输出v_γ*34和v_δ*35，其中该输出由转换器36使用相位角信号或值43转换成静止参考系(δ、γ到a、b、c)，且该相位角信号或值43从调整的频率设定点31a经由提供频率输出41(ω)的乘法器40(2π)和积分器42获得，以产生角输出43。参考系转换器36转而提供一组三个静止参考系电压设定点信号或值37(v_a*、v_b*和v_c*)作为到脉冲宽度调制(PWM)部件38的输入，其包括任何适当的形式的调制、隔离、放大器、栅极驱动电路等，以使用已知技术生成用于控制逆变器14的逆变器切换控制信号22。

图3示出另一控制器实施方式20，其中稳定性信号生成器25再次提供用于基于估计的转矩值52a来稳定性控制的频率调制信号25a。然而，在这种情况下，电压指令生成器23包括连同PI控制器26的电流-频率控制器24a。此外，在这种情况下，a、b、c到δ、γ转换器44提供δ、γ电流反馈信号i_γ48和i_δ46作为到PI控制器26的输入，且该PI控制器26用于相对于其当前设定点i_δ*32和i_γ*33(＝0)的闭环调节。在这个示例中电流-频率(I-F)控制部件24a接收调整的频率或速度设定点31a，并且相应地生成δ轴电流设定点(i^* _δ)32。在一个可能的实施中，电流-频率控制部件24a实施了如图所示的双量程曲线或函数，其中的电流-频率关系是零电流值对应于零频率值(如0Hz)。如图3所示，由控制部件24a实施的电流-频率关系包括对应于从零频率值到截止频率值F_CUT的第一频率范围的增大的电流值的第一部分，以及具有对应于高于截止频率F_CUT的频率的恒定电流值(如I_MAX)的第二部分，其中I_MAX在某些实施中可以是逆变器14的最大额定输出电流，而截止频率F_CUT优选设定成对应于电机6的非常低的工作频率(如大约0.5-1.0Hz)。在某些实施方式中的电流-频率控制部件24a可以使用查找表或参数函数来实施。在这点上，电流-频率关系包括第一倾斜部分直到截止频率，在此之后，需要最大的电流，由此，控制部件24a避免在零频率将DC电流发送到任何包括的输出变压器18(如下面的图4)。

电流-频率控制器24a的输出(i^* _δ)是δ轴电流设定点32，其被提供给PI控制部件26。PI控制不限于本发明的所有实施方式的要求，其中，任何适当的电流调节算法可以用来调节逆变器输出电流IA、IB和IC，并且在某些实施方式中的PI算法可以具有小于任何包含的正弦波滤波器16的谐振频率的算法带宽(如图4所示)。在图示的实施方式中，尽管本发明的所有实施方式不是严格的要求，PI控制器26根据零γ轴值33(i^* _γ＝0)操作。

此外，在图3的示例中，FM信号生成器52包括部件53和54，在这种情况下，根据下面的公式(4)和(5)，根据与从动电机6相关联的电机电阻值R_motor经由部件53基于估计的定子磁通量链值来计算估计的电机性能值52a作为估计的转矩：

$\left(4\right)---{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\αs}}=\∫(v_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}{R}_{\mathrm{motor}}),$ 以及

$\left(5\right)---{\widehat{\mathrm{\λ}}}_{\mathrm{\βs}}=\∫(v_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}{R}_{\mathrm{motor}}).$

其中，v_α和v_β是在a、b、c到α、β的转换51后测量的电机电压。此外，部件54根据下面的公式(6)计算估计的转矩值：

图4示出具有稳定性信号生成器25和生成电压指令的电压指令生成器23的另一电机驱动控制器20，其中包括的PI控制器是通过正弦波滤波器16和变压器18用于驱动电机6的减少带宽的比例-积分控制器。此外，如在上面的示例中，信号生成器25计算用于获取频率调制值25a的估计的每单位转矩值本发明人已经认识到，限制PI控制器26的带宽避免或减轻了在功率上升期间的大的浪涌电流，特别是在驱动10通过正弦波滤波器16和/或变压器18提供输出电流时。在某些应用中，例如，正弦波滤波器16使逆变器输出特别容易受到大的浪涌电流，并且限制PI控制器26(或由控制器20实施的其它电流调节控制算法)的带宽刚好小于正弦波滤波器的谐振频率，有助于减轻或避免高浪涌电流水平，特别是在功率上升时。

还参考图5至图9，上述示例使用频率调制信号生成器52，其计算估计的转矩值52a，且该估计的转矩值52a可选地使用滤波器55进行高通滤波、经由部件56、57适当的定标和限定，并且经由部件58和59可选地进行符号调整，以提供频率调制值25a。各种其它实施方式是可能的，其中一些示于图5至图9，其中基于不同的估计的电机性能值52a获取值25a。例如，图5示出基于使用定子磁通量值计算的每单元电磁转矩的示例，其中定子磁通量值使用部件53从测量的电流和指令电压来计算，而图6示出根据计算的转子磁通量估计值的从测量的电流和测量的电压计算的每单位估计的转矩值的示例。如图7所示，另一可能的实施提供了估计的功率因数值52a(PF)，其根据来自部件53的实部和虚部功率值P和Q，从测量的电流和测量的电压来计算。图8示出了其中这些实部和虚部功率值是由部件53从测量的电流和指令电压来计算的实施，并且部件54计算估计的功率因数角值θ_PF52a。图9示出又一示例，其中FM信号生成器52提供每单元的功率估计值52a(P_PU)，基于其执行频率调制值25a的计算。其它可能的示例包括随着在开环角和估计的转子位置之间的误差的估计的性能值52a的计算。

现在参照图11和图12，曲线60和70分别示出了针对阶跃负载变化用于不具有和具有本公开的稳定性控制的概念的电机驱动器10的电机速度62、72，电流64、74和负载转矩66和76的曲线。如图11的曲线60，在没有通过上述讨论的频率调制调整概念实现的稳定控制的优势时，特别对于低电机速度，在负载转矩的阶跃负载增加的产生使开环(无传感器)的操作遭受潜在的显著的不稳定性或在电机速度曲线62的“摆动”，从而导致负载转矩曲线66的振荡。然而，在图12中，曲线70示出在曲线76的负载转矩增加导致在电机速度曲线72暂时下降并随后恢复控制(假设恒定的期望电机速度设定点值)。在这方面，经由调整的频率设定点值31a的频率设定点的控制调制通过基本上是非相位频率调制信号25a的补偿有效地消除不稳定性或摆动的效果。以这种方式，不稳定性被减轻，从而防止或减少过度的电机速度或位置摆动的可能性，并且减少了对不希望的电机中断的可能性。

还参考图13，提出了用于在电机驱动器(如上述的电机驱动器10)中无传感器电机速度控制的方法100。虽然以一系列的动作或事件的形式描写和描述了示例性方法100，但可以理解，本公开的各种方法不受这样的动作或事件的所示顺序的限制，除非本文具体提出。在这方面，如在下文中具体规定的除外，一些动作或事件可能以不同的顺序和/或与其它动作或事件共同发生，除了那些本文所示和描述的，而不是所有说明的步骤都可能需要根据本公开来实施过程或方法。示出的方法可以在硬件、处理器执行的软件或其组合中实施，以提供如本文所述的无传感器的电机控制，并且各种实施方式或实施包括具有执行图示和描述的方法的计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质。例如，通过执行存储在可操作地与控制器20相关联的电子存储器中的指令，方法100可以使用与控制器20相关联的一个或多个处理器来实施。

在图13中，方法100开始于频率或速度设定点f*(如上述21)的接收的102处，其表示电机负载6所需的操作速度。设定点21可以在102处从任何适当的源接收，如来自于分布式控制系统中的另一个元件、用户界面等的输入。在104处，测量或采样一个或多个逆变器的输出电流(如上述表示由逆变器14提供且使用电流传感器27感测的三相输出电流i_a、i_b和i_c的反馈信号28)。此外，采样的输出电流可以直接与实际测量的逆变器输出电流成正比，或者信号28可以被滤波、移相或进行任何适当的信号处理，使得值28表示由逆变器14提供的电流输出，以助于如上所讨论的一个或多个估计的电机操作参数的计算。在图13中的106处，至少部分根据AC输出电流反馈，还根据一个或多个电压指令信号或值(如以上v*_a、v*_b和v*_c)来计算频率调制值(如上述Δf*信号或值25a)。在这方面，电压指令信号或值可以是任何适当的参考系(如静止参考系、同步参考系等)中的任何电压指令设定点，其用于或可用于控制逆变器的操作。在一个示例中，例如，用于在先前的控制周期的先前计算的电压指令信号或值v*_a、v*_b和v*_c可以针对在抵消用于下次或以后的控制周期的频率或速度设定点的使用，用于计算估计的电机操作参数。在108处，无论先前速率限制与否(如以上速率限制的频率设定点f_RL31)，至少部分根据频率调制值Δf*，例如，通过从原始或速率限制的频率或速度设定点21、31减去频率调制值Δf*来调整频率或速度设定点21(f*)，以提供调整的设定点f_AD。在110处，使用调整的频率或速度设定点f_AD控制逆变器14，在这之后，如图所示重复过程100。

现在参照图14和图15，在图14示出另一示例性电机驱动控制器实施方式20，其中电压-频率控制部件24用来生成δ-轴电压指令信号或值35(v*_δ)。信号或值35通过γ,δ到a、b、c同步到静止参考系转换器部件36来转换，以将静止参考系电压指令信号或值v_a*、v_b*、v_c*提供给脉冲宽度调制部件38，用于生成切换控制信号的以操作逆变器14。其它实施是可能的，针对在逆变器14的脉冲宽度调制操作中的使用，代替使用电流-频率控制部件来生成电流控制指令信号或值。图15示出在转换器部件36中转换等式的一个非限制性的示例，以使用从调整的频率设定点信号或值31a经由调整的频率信号或值31a乘以2π的增益级40而获得的相位角θ来提供δ-轴电压指令信号或值35(使用v*γ＝0)，以获得频率信号或值41(ω以弧度为单位)，并且积分器部件42根据下面的等式(7)-(9)提供角θ：

(7)v_a*＝v_γ*sin(θ)+v_δ*cos(θ)，

(8)v_b*＝v_γ*sin(θ–2π/3)+v_δ*cos(θ–2π/3)，

(9)v_c*＝v_γ*sin(θ+2π/3)+v_δ*cos(θ+2π/3)。

此外，在图14的示例中，角θ43还被提供给a、b、c到γ,δ静止到同步参考系转换器部件44，其从逆变器14的输出经由电流传感器27接收AC输出电流反馈信号或值28i_a、i_b和i_c，并且通过计算δ-轴估计的输出电流信号或值46(i_δ)将这些转换到同步γ,δ参考系。图15示出静止-双同步参考系转换器44的示例性实施，利用该实施，在控制器20中可以根据下面的等式(10)和(11)来计算δ-轴估计的输出电流信号或值46(如以及γ-轴值i_γ48)：

(10)i_γ＝2/3[i_a sin(θ)+i_b sin(θ-2π/3)+i_c sin(θ+2π/3)]，

(11)i_δ＝2/3[i_a cos(θ)+i_b cos(θ-2π/3)+i_c cos(θ+2π/3)]。

在这个实施方式中，控制器20使用转换的输出电流信号或值46，以计算频率调制值25a(Δf*)，并且采用求和部件29以选择性地调整频率或速度设定点值f*21(或速率限制的值f_RL31)，以提供调整的频率或速度设定点值31a(f_AD)，基于此电压-频率控制部件24计算δ-轴电压指令信号或值35。在这个实施方式中，频率调制值25a(Δf*)可以以任何适当的方式全部或部分基于AC输出(一个或多个)电流反馈信号(一个或多个)或值28、46来计算，并且频率调制值25a可以用于以任何适当的方式修改原始频率或速度设定点信号或值21和/或速率限制的信号或值31。在一个可能的实施方式中，通过从频率或速度设定点信号或值21或31减去频率调制值25a来执行调整，以提供调整的频率或速度设定点值31a。

此外，在各种实施方式中，如图14所示，可以提供增益级52b中，其用于在同步(δ,γ)参考系中，基于估计的δ-轴输出电流信号或值(46)来计算估计的每单元输出电流信号或值52a(i_{δ_PU})，并且至少部分基于估计的每单元输出电流信号或值52a来计算频率调制信号或值25a。此外，在图示的实施方式中，估计的每单元输出电流信号或值i_{δ_PU}是经由滤波器部件55高通滤波的，从而有利地提供具有至少部分去除的任何DC分量的滤波的估计的每单元输出电流信号或值55a，从而提供具有AC分量的信号55a，在开始低频率指令输入设定点21期间和/或在紧随着负载转变或速度设定点调整的转子速度关于设定点速度隔离的期间，特别是在低速度，具有AC分量的信号55a指示在电机6的转子轴中输出电流振荡或与大的隔离相关联的搜索。

在某些实施方式中，滤波的估计的信号或值55a被提供作为频率调制信号或值25a，用于调整输入设定点信号或值21、31。此外，在图示的实施方式中，信号或值55a可以通过增益因子(K_P)来放大，并且在某些非限制性实施方式中可以包括限制器电路57，以限制放大的信号的范围。在某些实施方式中，可以实施乘法器59，以用来自基于期望的频率或速度设定点输入信号或值21的符号(正或负，即正向或反向)的符号函数58的符号信号乘以限制器57的输出。在所示实施方式中的乘法器59的输出将频率调制值25a提供给求和连接点调整器部件29，用于接收的(以及可选地速率限制的)速度或频率设定点的调整，以提供调整的设定点31a。

如上所示和所述，提供了用于无传感器的电机速度控制的电力转换系统、控制装置、方法和具有计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，其中经由对至少一个AC输出电流反馈信号或值进行采样；至少部分基于输出电流反馈和/或基于至少一个电压指令或反馈信号或值来计算频率调制值，以及至少部分基于频率调制值来调整频率或速度设定点值，并且根据调整的频率或速度设定点值来控制逆变器。

上面的示例仅是对本公开各个方面的几个可能的实施方式的说明，其中基于本说明书和附图的阅读和理解，本领域技术人员可以进行等同的改变和/或修改。特别是关于由以上描述的部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，除非另外说明，否则用于描述这样的部件的术语(包括参考“装置”)旨在对应任何部件，如硬件、处理器执行的软件或其组合，即使结构上不等同于在公开的所述实施中执行功能的公开的结构，也执行所描述的部件的指定功能(即功能上等效)。此外，尽管本公开的特定特征可能已经仅相对于几个实现中的一个公开，这样的特征可以与其它实施的一个或多个其它特征结合，如可能是针对任何给定或特定的应用的期望的和有利的其它实施。此外，即使术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“具有”或其变体被用于详细的说明中和/或权利要求中，这样的术语旨在以类似于术语“包括”的形式包括。

Claims (15)

1.一种用于电机驱动器(10)中的无传感器电机速度控制的方法(100)，所述方法(100)包括：

接收(102)表示用于从动电机(6)的期望电机速度的频率或速度设定点值(21，31)；

从所述电机驱动器(10)的逆变器(14)的输出中采样(104)至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)；

基于所述至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)以及基于至少一个电压指令或反馈信号或值(V_a，V_b，V_c)来计算(106)频率调制值(25a)；

至少部分基于所述频率调制值(25a)来调整(108)所述频率或速度设定点值(21，31)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)；以及

根据调整的频率或速度设定点值(31a)来控制(110)所述逆变器(14)。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，调整(108)所述频率或速度设定点值(21，31)包括：

对所述频率或速度设定点值(21)进行速率限制，以提供速率限制的频率或速度设定点值(31)；以及

从速率限制的频率或速度设定点值(31)减去所述频率调制值(25a)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)。

3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，调整(108)所述频率或速度设定点值(21，31)包括：从所述频率或速度设定点值(21，31)减去所述频率调制值(25a)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)。

4.根据权利要求1所述的方法(100)，其中，计算(106)所述频率调制值(25a)包括：

基于所述至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)以及基于所述至少一个电压指令或反馈信号或值(V_a，V_b，V_c)来计算估计的电机性能值(52a)；

至少部分基于估计的电机性能值(55a)来计算(106)所述频率调制值(25a)。

5.根据权利要求4所述的方法(100)，其中，计算(106)所述频率调制值(25a)包括：

对估计的电机性能值(52a)进行高通滤波，以提供滤波的估计的电机性能值(55a)；以及

至少部分基于滤波的估计的电机性能值(55a)来计算(106)所述频率调制值(25a)。

6.根据权利要求4所述的方法(100)，其中，计算估计的电机性能值(52a)包括计算估计的功率因数值、估计的功率因数角值和估计的功率值中的至少一个，其中，所述频率调制值(25a)至少部分根据至少一个估计的功率因数值、功率因数角值或功率值来计算。

7.一种用于电机驱动器(10)的无传感器电机速度控制的方法(100)，所述方法(100)包括：

从所述电机驱动器(10)的逆变器(14)的输出中采样(104)至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)；

基于所述至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)来计算(106)频率调制值(25a)；

至少部分基于所述频率调制值(25a)来调整(108)频率或速度设定点值(21，31)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)；以及

根据调整的频率或速度设定点值(31a)来控制(110)所述逆变器(14)。

8.根据权利要求7所述的方法(100)，其中，调整(108)所述频率或速度设定点值(21，31)包括：

对所述频率或速度设定点值(21)进行速率限制，以提供速率限制的频率或速度设定点值(31)；以及

从速率限制的频率或速度设定点值(31)减去所述频率调制值(25a)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)。

9.根据权利要求7所述的方法(100)，其中，计算(106)所述频率调制值(25a)包括：

对估计的每单元输出电流信号或值(i_{δ_PU})进行高通滤波，以提供滤波的估计的每单元输出电流信号或值(55a)；以及

至少部分基于滤波的估计的每单元输出电流信号或值(55a)来计算(106)所述频率调制值(25a)。

10.根据权利要求7所述的方法(100)，其中，计算(106)所述频率调制值(25a)包括：

通过增益因子(K_p)对滤波的估计的每单元输出电流信号或值进行放大，以提供放大信号；

选择性地限制所述放大信号的范围，以提供范围限制的放大信号；以及

至少部分基于范围限制的放大信号来计算(106)所述频率调制值(25a)。

11.根据权利要求7所述的方法(100)，其中，调整(108)所述频率或速度设定点值(21，31)包括：从所述频率或速度设定点值(21，31)减去所述频率调制值(25a)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)。

12.根据权利要求7所述的方法(100)，其中，计算(106)所述频率调制值(25a)包括：

基于所述至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)来计算估计的每单元输出电流信号或值(i_{δ_PU})；以及

至少部分基于估计的每单元输出电流信号或值(i_{δ_PU})来计算(106)所述频率调制值(25a)。

13.一种电机驱动器(10)，包括：

逆变器(14)，其包括多个切换装置(S1-S6)，可操作用于根据切换控制信号(22)来提供AC输出功率以驱动电机负载(6)；以及

无传感器电机速度控制器(20)，其将所述切换控制信号(22)提供给所述逆变器(14)，以至少部分根据频率或速度设定点值(21，31)来调节所述AC输出功率，所述无传感器电机速度控制器(20)包括：

信号生成器部件(25)，其可操作用于基于表示所述逆变器(14)的至少一个AC输出电流的至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)，并且基于在控制所述逆变器(14)中使用的至少一个电压指令或反馈信号或值(V_a，V_b，V_c)，来计算频率调制值(25a)；

调整部件(29)，其可操作用于至少部分基于所述频率调制值(25a)来调整所述频率或速度设定点值(21，31)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)；以及

指令生成器部件(23)，其可操作用于至少部分根据调整的频率或速度设定点值(31a)将所述切换控制信号(22)提供给所述逆变器(14)。

14.根据权利要求13所述的电机驱动器(10)，其中，所述信号生成器部件(25)可操作用于基于所述至少一个AC输出电流反馈信号或值(i_a，i_b，i_c)以及基于所述至少一个电压指令或反馈信号或值(V_a，V_b，V_c)来计算估计的电机性能值(52a)，并且至少部分基于估计的电机性能值(55a)来计算所述频率调制值(25a)。

15.根据权利要求13所述的电机驱动器(10)，其中，所述调整部件(29)可操作用于从所述频率或速度设定点值(21，31)减去所述频率调制值(25a)，以提供调整的频率或速度设定点值(31a)。