CN104283464A - 用于判定电机的起动的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于判定电机的起动的设备，其中估计出从电动机输入的3相电流的频率以使用所估计的频率与配置为驱动电动机的逆变器的输出电压的频率之间的差值来判定电动机是否已经起动。

Description

用于判定电机的起动的设备

技术领域

依照本公开的示例性实施例的教导一般地涉及一种用于判定电机的起动的设备。

背景技术

通常，诸如感应电动机和同步电机的3相电动机在具有位置传感器时和不具有位置传感器时在运转方法上有区别。

诸如编码器和解算器的位置传感器频繁地用于测量转子的位置和速度，而位置传感器的使用在除了易于出错之外，还不利地增加整个系统的成本、整个系统的维护成本以及体积。为了克服这些缺点，工业对不具有位置传感器的3相电动机的无传感器运转存在需求。然而，常规的3相电动机的无传感器运转受到在无传感器运转的起动之后不能判定电动机的起动的困扰，这是由在转子速度和位置估计之间的误差而产生的。

特别是，难以精确地掌握在转子的低速区域处的转子速度和位置估计方面的电动机的运转状态，使得难以判定电动机是否已经成功起动。

发明内容

本公开在于提供一种用于判定电机的起动的设备，其配置为判定在3相电机的无传感器运转期间是否已经成功地执行了起动。

本公开还提供一种用于判定电机的起动的设备，其配置为当在无传感器运转期间已经成功执行了起动时允许电动机连续运转，并且当电动机未能起动时允许电动机停止运转并重新起动。

在本公开的一个总的方案中，提供了一种用于判定电机的起动的设备，包括:

转换器，其配置为输出与从逆变器输入至3相电动机的至少一个相位电流的频率分量的第一AC(交流电)信号和相位角比所述第一AC信号滞后90度的第二AC信号；

估计器，其配置为估计所述第二AC信号的频率；以及

判定器，其配置为使用由所述估计器估计的频率与所述逆变器的输出电压的频率之间的差值来判定3相电动机是否已经起动。

优选地，但不是必需地，所述设备可以进一步包括带宽决定单元，其配置为决定所述估计器的控制带宽。

优选地，但不是必需地，由所述带宽决定单元决定的控制带宽可以由所述估计器的增益来决定。

优选地，但不是必需地，所述估计器的所述增益可以选为比所述3相电动机的运转频率高的值。

优选地，但不是必需地，所述估计器可以接收使所述电动机不能运转的正输入频率以在未执行电动机的起动时输出所述输入频率并且判定所述电动机的起动是否已经成功执行。

优选地，但不是必需地，当由所述估计器估计的频率与所述逆变器的输出电压的频率之间有差别时，所述判定器可以判定所述起动已经失败。

本公开的有益效果

因而所论述的本公开具有的有益效果在于：估计出在电动机的无传感器运转期间输入到3相电动机的相位电流的频率以通过将相位电流的频率与配置为控制电动机的逆变器的输出电压的频率相比较来判定电动机是否已经成功起动。

附图说明

图1是示出根据本公开的电动机控制系统的结构图。

图2是示出图1的速度控制器的详细结构图。

图3a和图3b是示出图1的电流控制器的详细结构图。

图4是示出用于判定电机的起动的设备的详细结构图。

具体实施方式

在下文中将参照附图来描述多个示例性实施例，附图中示出了一些示例性实施例。然而，本发明的概念可以以许多不同形式来体现并且不应被解释为对在此阐述的示例实施例的限制。而是，所描述的方案旨在包含落入本公开的范围和新观点之内的所有这种替换、修改和变化。

现在，将详细参照附图来描述本公开的示例性实施例。

图1是示出根据本公开的电动机控制系统的结构图，这里根据本公开的示例性实施例的电动机控制系统1操作3相电动机2，并且这里电动机2可以是例如感应电动机或同步电动机。

参照图1，根据本公开的电动机控制系统1可以包括速度控制器10、电流控制器20、第一转换器30、第二转换器40、逆变器50、转子速度和位置估计器60、电流测量计70:70a,70b,70c，以及用于判定电机的起动的设备80，这里在本公开的控制系统1中的用于判定电机的起动的设备80(在下文中称作设备)判定电动机2的起动是否成功并且将该判定发送到更高级别的控制器(未示出)。

速度控制器10使用转子速度指令以及实际转子速度作为输入并且输出在同步参照系上的q轴电流指令。电流控制器20根据同步参照系的d、q轴电流指令和实际电流来输出同步参照系的d、q电压。第一转换器30将电流控制器20的输出电压转换成在静止参照系上的电压。第二转换器40将由电流测量计70所测量的电动机2的相位电流转换成在同步参照系上的d、q轴电流。逆变器50将电压施加至电动机2，并且转子速度和位置估计器60使用由电流测量计70所测量的相位电流和第一转换器30的输出电压作为输入以估计转子速度和转子位置。电流测量计70测量从电动机2输入的相位电流。

当电动机2的起动成功时，设备80可以输出‘S’，并且当电动机2的起动不成功时，设备80可以输出‘F’，并且可以将该输出发送到更高级的控制器(未示出)。设备80可以额外地输出用于重新起动的信号。现在，将详细描述各部件。

图2是示出图1的速度控制器10的详细结构图。

参照图2，根据本公开的速度控制器10使用比例积分控制根据速度参考值和反馈速度之间的差值来输出q轴电流指令。根据本公开的速度控制器10可以包括比例积分控制器11a，11b、限幅器12以及抗积分饱和增益设定单元(anti-windup gain setting unit)13，这里限幅器12限制速度控制器10的输出并且增益设定单元13用于防止当限幅器12工作时造成积分控制器11b的发散。速度控制器10的输出成为在同步参照系上的q轴电流。

图3a和图3b是示出图1的电流控制器20的详细结构图，这里图3a是同步参照系的d轴电流控制器的配置，并且图3b是在同步参照系上的q轴电流控制器的配置。

参照图3a和图3b，d、q轴电流控制器可以包括比例积分控制器和前馈器，比例积分控制器用于分别控制在同步参照系上的d、q轴电流。即，本公开的电流控制器20包括：比例积分控制器21a、21b、24a、24b；前馈器22，25；以及抗积分饱和增益设定单元23、26，其中比例积分控制器21a、21b、24a、24b配置为根据电流指令和反馈电流来控制电流。

前馈器22、25可以根据3相电动机2的建模而可变地配置。此外，增益设定单元23、26用于防止当电流控制器20的输出偏离逆变器50能够合成的电压的大小时造成积分控制器21b、24b的发散。

图1的第一转换器30将作为电流控制器20的输出的同步参照系上的电压转换成静止参照系上的电压，并且输出由以下等式所表示的输出。

【等式1】

$V_{\mathrm{ds}}^s=V_{\mathrm{ds}}^{e*}\cos {\mathrm{\θ}}_e-V_{\mathrm{qs}}^{e*}\sin {\mathrm{\θ}}_e$

【等式2】

$V_{\mathrm{qs}}^s=V_{\mathrm{ds}}^{e*}\cos {\mathrm{\θ}}_e-V_{\mathrm{qs}}^{e*}\cos {\mathrm{\θ}}_e$

此外，第二转换器20根据以下等式由接收自电流测量计70的电动机2的相位电流来输出同步参照系上的d、q轴电流。

【等式3】

$i_{\mathrm{ds}}^s=\frac{{2i}_{\mathrm{as}}-i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{3}$

【等式4】

$i_{\mathrm{qs}}^s=\frac{i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{\sqrt{3}}$

【等式5】

$i_{\mathrm{ds}}^e=i_{\mathrm{ds}}^s\cos {\mathrm{\θ}}_e+i_{\mathrm{qs}}^s\sin {\mathrm{\θ}}_e$

【等式6】

$i_{\mathrm{qs}}^e=-i_{\mathrm{ds}}^s\sin {\mathrm{\θ}}_e+i_{\mathrm{qs}}^s\cos {\mathrm{\θ}}_e$

转子速度和位置估计器60使用自电动机2输入的电流和自逆变器50输入的电压作为输入以输出转子速度和转子磁通位置(rotor fluxposition)，其详细配置对本领域技术人员而言是公知的，从而将不对其进行更进一步的详尽说明。

图1中的设备80使用自电动机2输入的电流的频率来判定电动机2的起动。尽管图1示出了设备80从电流测量计70接收电动机2的所有的输入电流，但是设备80可以接收一路或两路电流。

现在，将参照图4来详细描述本公开的设备。

图4示出用于判定电机的起动的设备的详细结构图。

参照图4，本公开的设备80可以包括电流转换器81、频率估计器82、带宽决定单元83以及判定器84。

电流转换器81根据输入自电动机2的相位电流(x＝a，b，c)来产生信号qi′_xs和i′_xs，qi′_xs比AC信号i′_xs在相位角上滞后90度，i′_xs相应于由逆变器50施加的频率，并且电流转换器81包括减法器(deductor)81a、增益设定单元81b、减法器81c、乘法器81d、积分器81e、积分器81f以及乘法器81g。

频率估计器82估计输入自电动机2的相位电流的频率，并且包括：减法器82a，82b、增益设定单元82c、积分器82d以及加法器82e。

带宽决定单元83决定频率估计器82的控制带宽，并且包括乘法器83a，83b、加法器83c、除法器83d以及增益设定单元83e。

判定器84使用电动机2的频率估计器82的输出来判定起动是否已经成功，并且包括减法器84a和决定单元84b。

现在，将详细描述设备80的操作。

当自电动机2输入的相位电流的频率是ω′时，电流转换器81可以使用以下等式来决定i′_xs和qi′_xs。

【等式7】

$D\left(S\right)=\frac{{i^{\′}}_{\mathrm{xs}}\left(s\right)}{i_{\mathrm{xs}}\left(s\right)}=\frac{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}}$

【等式8】

$Q\left(S\right)=\frac{{{\mathrm{qi}}^{\′}}_{\mathrm{xs}}\left(s\right)}{i_{\mathrm{xs}}\left(s\right)}=\frac{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s}{s^2+k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}s+{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}}$

仅仅ω′的频率分量可以从等式7中的电动机2的所测量的相位电流中提取，并且可以由等式8来决定比由等式7所决定的分量在相位上滞后90度的信号。

频率估计器82检测输入到电动机2的相位电流的频率，这里作为积分器81e，81f的输出的x1，x2可以根据以下等式通过电流转换器81来分别初次决定。

【等式8】

$\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x_1}\\ \stackrel{\·}{x_2}\end{array}\right]=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bv}=\left[\begin{array}{cc}-k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}& -{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{k}_1{\mathrm{\ω}}^{\′}\\ 0\end{array}\right]i_{\mathrm{xs}}$

【等式9】

$y=\left[\begin{array}{c}{i^{\′}}_{\mathrm{xs}}\\ {{\mathrm{qi}}^{\′}}_{\mathrm{xs}}\end{array}\right]=\mathrm{Cx}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& {\mathrm{\ω}}^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]$

此时，当关系是按照以下等式10时，正常状态可以具有按照以下等式11的条件。

【等式10】

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}^{\′}=-k_2{x}_2{\mathrm{\ω}}^{\′}(i_{\mathrm{xs}}-x_1)$

【等式11】

$\stackrel{\·}{{\mathrm{\ω}}^{\′}}=0$

ω＝ω′

x₁＝i_xs

等式8可以使用等式11的条件用以下方式来定义。

【等式12】

${\stackrel{.}{\stackrel{\‾}{x}}|}_{{\mathrm{\ω}}^{\′}=0}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1\\ {\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& -{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}\\ 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{x}}_1\\ {\stackrel{\‾}{x}}_2\end{array}\right]$

以下关系可以通过定义等式12来决定。

【等式13】

${\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1={-\mathrm{\ω}}^2{\stackrel{\‾}{x}}_2$

接下来，将描述带宽决定单元83的操作。

当使用各变量的平均值时，可以推导以下等式。

【等式14】

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i=i_{\mathrm{xs}}-{\stackrel{\‾}{x}}_1=\frac{1}{k_1{\mathrm{\ω}}^{\′}}({\stackrel{\·}{\stackrel{\‾}{x}}}_1+{\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}{\stackrel{\‾}{x}}_2)$

【等式15】

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_f={\mathrm{\ω}}^{\′}{\stackrel{\‾}{x}}_2{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i=\frac{{{\stackrel{\‾}{x}}_2}^2}{k_1}({\mathrm{\ω}}^{{\′}^2}-{\mathrm{\ω}}^2)$

等式15中的ω′²-ω²可以化简为2ω′(ω′-ω)并且因此，可以将带宽决定单元83的估计频率决定为具有以下控制带宽。

【等式16】

$\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^{\′}}{\mathrm{\ω}}=\frac{k_2}{s+k_2}$

因而，参照等式16，可以认识到控制带宽是通过频率估计器82的增益设定单元82c的增益而决定的。因而，增益设定单元82c的增益优选地选为比电动机2的运转频率高的值。

判定器84的减法器84a输出作为频率估计器82的输出的估计电流的频率ω′与由逆变器50输出的电压的频率ω_INV之间的差值，并且决定单元84b在减法器84a的差值超过作为预设容许频率范围的Δω时输出‘F’，判定为起动失败，并且在差值处在预设容许频率范围之内时输出‘S’，判定为起动成功。

当3相电动机2的无传感器运转正常时，必定输出与由逆变器50施加的电压的频率相同的电流频率。此时，由逆变器50施加的电压的频率ω1是由更高级控制器(未示出)已知的变量，在正常运转期间由频率估计器82所估计的输入到电动机2的相位电流的频率ω′必定相同(ω1＝ω′)。即，当频率估计器82的输出与逆变器50的输出电压频率相同时，意味着3相电动机2正常运转，并且当该值不同时，意味着3相电动机2被判定为在无传感器运转方面显现问题，使得更高级控制器停止该运转并可以重新起动。

此时，当频率估计器82的输入ω′_c被选为使电动机2不能运转的值的量时，并且当未实现电动机2的起动时，频率估计器82的输出变成ω′_c以容易地判定电动机2是否已经成功起动。

正如从前文中注意到的，设备80能够测量输入到电动机2中的所有的三路电流，或测量一路或两路电流，这里当没有从所有电流中输出‘S’时，更高级的控制器判定电动机2的起动失败。

尽管已经参照其多个示例性实施例来描述了实施例，应当理解，本领域技术人员可以设计出将落入本公开的原理的精神和范围内的许多其他修改和实施例。尤其是，在本公开、附图以及所附权利要求的范围内的主题组合布置的成分和/或布置中的多种变化和修改是可能的。

Claims (6)

1.一种用于判定电机的起动的设备，包括：

转换器，其配置为输出与从逆变器输入到3相电动机的至少一个相位电流的频率分量对应的第一AC(交流电)信号和在相位角上比所述第一AC信号滞后90度的第二AC信号；

估计器，其配置为估计所述第二AC信号的频率；以及

判定器，其配置为使用由所述估计器估计的频率与所述逆变器的输出电压的频率之间的差值来判定所述3相电动机是否已经起动。

2.根据权利要求1的设备，进一步包括带宽决定单元，所述带宽决定单元配置为决定所述估计器的控制带宽。

3.根据权利要求2的设备，其中由所述带宽决定单元决定的控制带宽由所述估计器的增益来决定。

4.根据权利要求3的设备，其中所述估计器的所述增益选为比所述3相电动机的运转频率高的值。

5.根据权利要求1-3中任意一项的设备，其中所述估计器接收使所述电动机不能运转的正输入频率以在未执行电动机的起动时输出所述输入频率并且判定所述电动机的起动是否已经成功执行。

6.根据权利要求1-3中任意一项的设备，其中当由所述估计器估计出的频率与所述逆变器的输出电压的频率之间有差别时，所述判定器判定所述起动已经失败。