CN104335478A - 用于控制同步磁阻电动机的方法 - Google Patents

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Abstract

在此提出了一种用于控制同步磁阻电动机(2)的方法(29)，其中对施加至该同步磁阻电动机(2)的电压(7)加以控制，并且其中对所述电压(7)的控制是基于d-q参考系(25，26)中的电流(14)。

Description

用于控制同步磁阻电动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制同步磁阻电动机或永磁铁辅助同步磁阻电动机的方法，其中对施加至该同步磁阻电动机的至少一个电压加以控制。另外，本发明涉及一种用于控制永磁铁辅助同步磁阻电动机或同步磁阻电动机的控制器单元。此外，本发明涉及一种电动机单元。
背景技术
现今基本上在所有技术领域的众多不同应用中都采用了电动机。取决于对应的电动机的实际用途，采用不同类型和不同尺寸的电动机。
举例而言，如果电动机必须用于一种其中可以使用或者甚至要求该电动机的恒定转动速度的应用，则可以使用一种不具有整流子的同步电动机，特别是在可获得交流电的情况下。然而，如果必须驱动大惯性矩的负载，则启动这种电动机将会是困难的。
然而，如果必须使该电动机提供可变转动速度的话(并且另外在直流电流源的情况下)，传统的方法是使用包括整流子的电动机(即所谓的异步电动机)。与这样的整流式电动机器相关的一个问题是整流子，因为这是一个特别容易受到不可忽略的磨损的部件。此外，当使用整流子时，典型地在该电动机转动时产生火花。这样的火花可能导致所得到的电动机不能使用于某些应用，特别是在周围存在可燃气体的情况下，除非采取额外的防护措施。
随着现代的基于半导体的功率电子器件的出现，使用同步电动机、特别是同步磁阻电动机已经变得越来越普遍。对于这样的同步电动机，可以省去整流子。此外，通过提供具有可变频率的交流电流，基本上能够以任何旋转速度来驱动同步电动机。甚至可以实现转动速度的改变。这使得某些以前难以实现的应用(如果实现了的话)成为可能。
随着电动机数量的增多，对于控制电动机的简单方法的兴趣日益增加。这是因为通过这种方式，用于控制电动机的必需电子器件可以变得更简单且因此更小、能量消耗更小、更可靠并且尤其成本更低。
尽管现有技术中已知了用于电动机的许多不同的控制器以及用于驱动电动机的各种各样的方法，但对于进一步改善仍然存在需要。
因此，本发明的目的是提供一种在当前已知的用于控制同步磁阻电动机的方法上改进的、用于控制同步磁阻电动机的方法。本发明的另一个目的是提供一种在当前已知的用于控制同步磁阻电动机的控制器单元上改进的、用于控制同步磁阻电动机的控制器单元。本发明的又一个目的是提供一种在根据现有技术的电控制器单元上改进的电动机单元。
所提出的发明寻求的是实现这些目的。
发明内容
在此提出了执行一种用于控制同步磁阻电动机或永磁铁辅助同步磁阻电动机的方法，其中对施加至该同步磁阻电动机的至少一个电压加以控制，其方式为使得对所述电压的控制是至少部分地和/或至少偶尔地基于d-q参考系中的至少一个电流。d-q参考系通常是与电动机的轴相连的旋转转子的参考系。因此，该参考系可以被认为是“旋转机械参考系”的某种类型。该参考系通常不同于定子的旋转磁场系统(该旋转磁场系统典型地被称为所谓的定子参考系和/或x-y参考系)，特别是如果有负载强加在该电动机上时。典型地，如果该电动机上的负载增大，则d-q参考系与x-y参考系之间的角度将增大。典型地，一旦d-q参考系与x-y参考系之间的角度超过90°，则该电动机不可能维持正常的机械旋转。优选地是对该电压在矢量意义上加以控制，即，既控制其量值又控制其方向(矢量参数)。优选地，基本上在大部分时间(或者基本上始终)基于所述至少一个电流来执行这种控制。然而，在缺失了控制输入等等的过程中，可能优选的是在像一种紧急关闭操作那样的“不寻常”情形的情况下预知这种规则的例外。最初的实验已表明，通过使用所建议的方法，能够以非常简单的算法实现对同步磁阻电动机的非常有效的控制。特别地说，甚至有可能通过测量和计算单一值、将其与一个单一参考值进行比较并且产生适当的输出信号来基本上执行对该同步磁阻电动机的控制。“值”涵盖了矢量值和/或单一参数。矢量可以包括若干个维数、特别是两个、三个、四个、五个、六个或者更多个维数。因此，用于实施所提出方法的任何措施可以相应地是简单的。
优选地，采用该方法的方式为，使得所述至少一个电流是d方向上的电流。该d-q参考系的d轴线典型地被定义为所施加的电流的、为创造磁场的原因的那部分(磁化电流)，而d-q参考系的q方向是该电流的、产生了所生成转矩的那部分(转矩产生电流)。最初的实验已表明，对于实施用于控制同步磁阻电动机的方法而言，d方向上的电流是特别有用的。
根据本发明的一个优选实施例，执行该方法的一种方式为，将所述至少一个电流与至少一个参考值进行比较。这种比较既可以相对于单一参数(例如电流的量值或电流的角度)又可以相对于两个和/或更多个参数的组合和/或相对于一个或多个矢量(举例而言，矢量电流；其中该矢量的维数可以是二、三、四、五、六或者更高，和/或可以使用多个矢量)来进行。最初的实验已表明，可以相对容易地进行这样的比较，并且这种比较的结果通常非常适合于控制同步磁阻电动机，至少作为进一步计算的“起点”。该参考值可以是固定的或者可以根据工作条件和/或外部参数(包括用户命令在内)而变化。作为工作条件的实例，可以使用温度、所需转矩、电动机和/或与该电动机相连的部件的机械限制、功率消耗限制、电动机的转动速度等。
此外有可能的是，以一种方式执行该方法而基本上使用单一电流来确定所述电压。使用这样一个优选实施例，控制算法通常是特别简单的。因此，用于实施这样一种方法的装置典型地可以相应地是简单的。然而，如最初的实验已表明的，能够以一种非常适合的方式来执行对该同步磁阻电动机的控制。
甚至更加优选地，提出了以一种方式来执行该方法而使得所述至少一个电流是从所测量的、通过由该方法控制的同步磁阻电动机的电流而计算出的。使用这个优选的实施例，通过能以相对小的努力来进行非常好的控制。特别地说，通常无论如何必须确定通过电动机的电流以执行多种(如果不是全部)控制策略。因此，典型地，对应的传感器是已经存在的。然而，应当提及的是，还能够根据致动模式(例如脉宽比、电压、电气参数的变化等)来确定这些电流的至少一部分。通常，一个、两个或相对小数目的电流足以执行对该电动机的相对好的控制。举例而言，如果按所提出的来致动一个三相电动机，则可以测量单相的、两相的、三相的电流以及额外推测的一个星点电流。
特别地说，能够以一种方式来执行该方法以使得所测量的这个(这些)电流被首先转换到一个旋转参考系(优选的是x-y系统)中。以此方式，可以特别容易地执行控制策略(特别是一个电流参数/一组参数与一个参考参数/一组参考参数之间的比较)。应当指出的是，所测量的这个(这些)电流是在一个静态参考系中测量的。典型地，这个(这些)电流随时间呈正弦变化。该旋转参考系应当优选地至少只要工作条件(特别是强加到该电动机上的机械负载)不改变就以与该电动机的转子相同的旋转速度进行旋转。因此，仍然有可能的是，在所述旋转参考系与该电动机的转子之间可以发生“缓慢改变”，特别是如果工作条件改变的话。这种重新计算不能只进行一次，而是进行甚至若干次(举例而言，两次)。特别地说，另外和/或替代性地，可以进行从一个旋转参考系到另一个旋转参考系的重新计算。根据优选实施例，外部电流(根据该电动机的转动速度而周期性变化)可以被首先转换到x-y参考系中并且然后转换到d-q参考系中。
此外，能以一种方式执行该方法以使得对所述至少一个电压的控制是另外至少偶尔基于至少一个传感器信号和/或至少偶尔基于至少一个控制命令。以此方式，对该电动机的控制可以甚至更好地适应用户偏好和/或该电动机的所需行为和/或适应该电动机的当前工作条件。特别地说，可以使用一个传感器来确定该电动机的温度、其转动速度等。
另外，提出了以一种方式来执行该方法从而至少偶尔地使用至少一个衰减回路。该衰减回路使用一个高通滤波器以便调制给该机器的供应频率。这是被提供用于稳定该机器，因为在没有这个衰减回路的情况下总体上不可能使同步磁阻机器暴跳。
此外提出了以一种方式来执行该方法从而至少部分地和/或至少偶尔地应用至少一种限制功能，优选地是用于限制被施加给该电动机的至少一个电压和/或至少一个电流、和/或所产生的至少一个机械力的至少一个限制功能。以此方式，有可能避免超载状况，并且因此通常可以改善该系统的可靠性。甚至在一种“两步法”中采用可以该限制功能，这意味着，举例而言，可以在某些条件下和/或在某一时间段的过程中超过某个极限，而一个第二限制值包括一个绝不被超过的“绝对值”。使用这样的一种两步法，有可能甚至进一步地优化所得到的系统。特别地，可以避免针对仅很少出现的工作条件而使用不必要地大的电动机。
该方法的另一个优选实施例可以在以下情况下实现：至少部分地和/或至少偶尔地应用针对至少一个电气部件和/或电子部件的非线性行为进行校正的至少一种校正功能。以此方式，对该电动机的总体控制可以变得甚至更精确，从而得到甚至更被改进的系统。特别地说，根据所采用的电动机单元、同步磁阻电动机和/或控制器单元的优选实施例可以修正该校正功能。
此外，提出了一种控制器单元，该控制器单元以一种方式被设计和安排成用于执行一种根据以上建议的方法。这样一种控制器单元可以用于驱动同步磁阻电动机。所得到的控制器单元和/或所得到的由该控制器单元驱动的同步磁阻电动机可以至少类比地展示先前描述的特征和优点。而且，同样针对该控制器单元可以至少类比地采用根据先前说明的变化和改进。
特别地，有可能的是，该控制器单元包括至少一个逆变器单元。这样的逆变器单元典型地用于将直流电流改变成交流电流(典型地具有可变频率)。而且，这样的逆变器单元可以用于改变交流电流的频率。原则上，该逆变器单元可以具有任何设计。例如，可以使用DIAC、TRIAC、晶闸管、IGBT、FET、MOSFET等。
根据该控制器单元的一个优选实施例，可以使用至少一个电流测量装置、优选地是一个电流测量装置阵列。以此方式，可以使用特别精确的值作为控制该电动机的输入参数。典型地，这样的电流测量装置是相对便宜的。这些电流测量装置可以基本上具有任何设计，特别是根据现有技术中已知的任何设计。
优选地，该控制器单元包括一个可编程存储器装置。在该可编程存储器装置中，可以存储一种根据先前说明的方法。
当然，能够以各种方式来设计该控制器单元。特别地说，一种部分模拟和/或部分数字的设计是可能的。特别地说，为此目的可以采用多个可编程的计算机装置(例如多个单板计算机)。
此外，提出了一种电动机单元、特别是一种至少包括同步磁阻电动机单元的电动机单元，该电动机单元包括根据先前说明的至少一个控制器单元和/或以一种方式被设计和安排成用于执行一种根据先前说明的方法。这样的电动机单元可以至少类比地展示如先前说明的相同特征和优点。此外，同样可以至少类比地根据先前说明来对这样一种电动机单元进行修改。
附图说明
当察看将参照附图进行描述的本发明可能实施例的以下说明时，本发明及其特征将变得更加清楚，这些附图中示出了：
图1：一种电动机的可能实施例的框图；
图2：用于计算电压矢量的一个可能实施例的一部分的更详细的框图；
图3：示出了不同参考系中不同矢量之间的关系的一个矢量图；
图4：用于电动机的方法一个可能实施例。
具体实施方式
在图1中示出了电动机1的一个可能实施例的示意性框图。当前所示实施例的电动机单元1包括一个具有同步磁阻电动机设计(同步磁阻机器或永磁铁辅助同步磁阻电动机)的电动机2。一个逆变器单元3电驱动该电动机2，该逆变器单元用于给电动机2提供具有可变频率的电流4。在当前所示实施例中，用于驱动电动机2的电流4(并且因此是由逆变器单元3提供的电流4)是三相类型的。在当前所示实施例中，逆变器单元3从直流电流(图1中未示出直流源)中产出电流4。
对逆变器3的控制由一个电子控制器单元5执行，该电子控制器单元在当前所示实施例中是单板计算机类型的。在表示电子控制器单元5的方框内，指明了表示电子存储器6的另一个方框，用于经由逆变器单元3来致动电动机2的一个程序被存储在该电子存储器中。
应当理解的是，通过电动机2的电流4不是由电子控制器单元5和/或电力逆变器单元3直接控制的。其实，该驱动电压矢量7的矢量值是一个受直接控制的值。这个值是电子控制器单元5的输出值(电压矢量7)并且因此是逆变器单元3的输入值。电流4(具体地说当前是电流4的三个相u、v、w)已经包含电动机2的某种“响应功能”，因此，可以测量电流4并将其用作电子控制器单元5的(通常)主要输入值。另外，图1中指明了一条用户输入线8。这条用户输入线8可以用于请求某个转动速度等。此外，可以预知一些传感器9(只在图1中示意性地指明)被用于收集额外的数据。举例而言，一个传感器9可以探测温度、转子的机械位置、转子10的转动速度等。然而，应当理解的是，根据当前提出的本发明，单独使用电流4足以实现所要求的对电动机2的控制，并且因此典型地这些传感器9被省去。因此，电动机单元1(特别是电子控制器单元5)可以是简单的、小的并且相对便宜的。
测量的电流4(其中该测量可以由在此未指明的电流传感器来完成)形成了电子控制器单元5的“主要”数据输入源。测量的电流4(是在一个静止参考系中测量出的并且因此随时间变化；典型地具有正弦形状)首先被转换到x-y系统(x-y参考系；还参见图3)中。该x-y系统对应于由电动机2的定子产生的旋转磁场。该x-y系统将以电动机2的驱动轴10/转子的旋转频率ω旋转。因为该x-y系统与电动机2的转子一起旋转，所以输出电流12isx和isy随时间是相对恒定的。具体地讲，这些输出电流不随电动机2的旋转频率变化。然而，当然由于不同的旋转速度、电动机2上的不同负载等造成的改变仍然是可能的。
在x-y系统中计算出的电流isx、isy12被传递至下一个逻辑方框13，在这里这些电流被重新计算一次而进入d-q系统(还参见图3)。该d-q系统(d-q参考系)以与x-y系统相同的、并且因此与该电动机的转子相同的频率ω旋转。然而，如果将一个负载施加至电动机2的旋转轴10，通常将发生x-y系统与d-q系统之间的偏移。这种偏移本身将表现为所谓的负载角27的形式。这将参照图3作进一步的阐明。此时，我们具有在d-q系统中的电流14(包括其多个不同的分量)。
平行地，使用测量的总定子电流is并且将其与不同的用户输入8进行比较。由此，在isdRef计算方框15中计算所命令的参考定子电流isdRef16。定子电流is是由q轴分量(iq)和d轴分量(id)形成的一个矢量。该矢量相对于d轴的角度是转矩角28(参见图3)。
所命令的参考电流16的值是定子电流控制器框17的三个主要输入参数之一。另外两个至关重要的参数是该定子电流的与x-y系统中的x轴平行的部分isx 12a以及该定子电流的与d-q系统中的q轴平行的部分isq 14a，如在图1中可看到的。定子电流控制器框17计算出在x方向上应当存在的定子电流并且将其与在x方向上测量出的定子电流isx 12a进行比较。在x方向上的计算出的与测量出的定子电流之间的差异被用于产生一个电压误差项ucomp 18，该电压误差项是定子电流控制框17的主要输出。这个误差电压18用作电压矢量控制框19的一个输入，在该电压矢量控制框中计算电压矢量usy 7。电压矢量7的计算值被传输至用于驱动该电动机2的电流逆变器单元3。
在图2中示出了制备不同的信号的更加详细图解。特别地，人们必须认识到，优选地执行了其间的一些更多步骤。特别地，这些不同的测量电流和计算电流12、14、20在它们被用于进一步处理之前首先被传递通过多个低通滤波器21a、21b。这是重要的，因为否则由电动机单元1的逆变器单元3产生的电噪声本身会明显地干扰控制回路并且因此导致不想要的波动以及电动机2的不想要的行为。
图2中指明了又一种修改。这种修改是修改方框22，其中根据d-q系统中的稳态同步磁阻机器电动机模型来计算电压uSd和usq。通过使用这个修改方框22，针对电压矢量7的计算，考虑了不同的半导体部件的死区时间和/或电压降。最初的实验已显示，通过使用这个修改方框22，特别可以改善电动机2的低速性能。
在图3中展示了这些不同的参考系以及这些(矢量)参数中的一些参数。x-y系统(x-y参考系)由x轴23和y轴24生成。该x-y系统表示由电动机2的定子产生的旋转磁场的坐标系。
d-q系统(d-q参考系)由d轴25和q轴26生成。d-q系统还与x-y系统以相同的频率ω旋转。然而，如果将一个负载施加至电动机2的旋转轴10，将发生x-y系统与d-q系统之间的偏移。这种偏移本身将表现为所谓的负载角27(y轴24与q轴26之间的角度)的形式。
在图4中，以流程图29的形式示出了用于致动电动机2的方法的一个可能实施例的示意性概览。首先，逻辑以一个启动步骤30开始。在启动步骤30的过程中，可以读进多个不同的参数，特别是电动机2或电动机单元1的其他部件的一些设计参数。例如，这些数据可以从一个电子存储器6读出。
然后，在步骤31中测量当前电流。在第一转换步骤32中，测量的电流(更准确地讲：电流4的三相u、v、w)被转换到x-y系统中。因此，获得isx和isy电流12。
然后，在定子电流计算步骤33中计算d方向上的定子电流参考值isdRef 16。
在此之后，在滤波步骤34中对这些计算值和测量值应用滤波器功能。
在此之后，在衰减步骤35中应用衰减功能。
由此，在误差电压计算步骤36中计算驱动电压ucomp 18的误差信号。基于此，在电压矢量计算步骤37中计算驱动电压矢量7。这既涉及电压矢量7的量值又涉及其方向(电压矢量角)。
在此之后，该回路以一个步骤返回功能38结束。
可以从与由同一申请人于同一天以申请人参考号PA 15278提交的标题为“Variable torque angle for electric motor(电动机的可变转矩角)”(该申请要求GB 1210706.6的优先权)的另一篇申请中获取额外的信息。这篇申请的内部被全部结合到本申请中。
本发明的上述实施例仅仅是通过举例的方式提供的。本领域技术人员将会知道可以在不背离本发明范围的情况下做出许多修改、改变和替代。本发明的权利要求书旨在覆盖落在本发明的精神和范围内的所有这样的修改、改变和替代。

Claims (15)

1.用于控制同步磁阻电动机(2)的方法(29)，其中对施加至该同步磁阻电动机(2)的至少一个电压(7)加以控制，其特征在于，对所述电压(7)的控制是至少部分地和/或至少偶尔地基于d-q参考系(25，26)中的至少一个电流(14)。
2.根据权利要求1所述的方法(29)，其特征在于，所述至少一个电流是d方向(26)上的电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法(29)，其特征在于，将所述至少一个电流与至少一个参考值(16)进行比较。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，本质上使用一个单一电流来确定所述电压(7)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，根据所测量的、通过由该方法控制的同步磁阻电动机(2)的电流(4)来计算所述至少一个电流(12)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，这些测量的电流被首先转换到一个旋转的参考系中、优选x-y参考系中。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，对所述至少一个电压(7)的控制是至少偶尔地额外基于至少一个传感器信号(9)和/或至少偶尔地基于至少一个控制命令(8)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，至少部分地和/或至少偶尔地使用至少一个衰减回路。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，至少部分地和/或至少偶尔地应用至少一种限制功能，优选地是限制被施加给该同步磁阻电动机(2)的至少一个电压(7)和/或至少一个电流(4)和/或所产生的至少一个机械力的至少一种限制功能。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)，其特征在于，至少部分地和/或至少偶尔地应用针对至少一个电气部件和/或电子部件(3)的非线性行为进行校正的至少一种校正功能(22)。
11.控制器单元(5)，其特征在于，所述控制器单元(5)是以一种方式被设计和安排成用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法(29)。
12.根据权利要求11所述的控制器单元(5)，其特征为至少一个逆变器单元(3)。
13.根据权利要求11或12所述的控制器单元(5)，其特征为至少一个电流测量装置、优选地一个电流测量装置阵列。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的控制器单元(5)，其特征为一个可编程的存储器装置(6)。
15.电动机单元(1)，其特征在于，该电动机单元(1)是以一种方式被设计和安排成用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法(29)，和/或其特征在于，该电动机单元包括至少一个根据权利要求11至14中任一项所述的控制器单元(5)。
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