CN105191114A - 用于同步电机的调节系统以及用于运行同步电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行同步电机的方法，该方法具有以下步骤：为大量不同的、由在所述同步电机的固定在转子上的坐标系中所设定的有效通电值构成的2元组相应地求取在所述同步电机的、沿着极轴方向的转子电感与所述同步电机的、沿着极隙方向的转子电感之间的差值；根据所述有效通电值的2元组来编制用于所求得的差值的综合特性曲线；在考虑到所求得的、沿着有待确定的工作点轨迹的差值的大小的情况下确定用于所述有效通电值的2元组的、取决于转矩的工作点轨迹；并且按照所确定的工作点轨迹来运行所述同步电机。

Description

用于同步电机的调节系统以及用于运行同步电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于同步电机的调节系统以及一种用于运行同步电机的方法。

背景技术

在调节比如用在用电运行的车辆的、电动的驱动系统中的同步电机时，对于所述同步电机的、转子的相对于定子的相对位置的了解起着主要的作用。为了用同步电机提供所要求的转矩，在所述电机的定子中产生旋转的电场，该电场与所述转子同步地旋转。为了产生这种场，需要所述转子的、当前的角度，用于进行所述调节。

一种用于确定转子角的可行方案在于，将测试电压信号馈入到所述同步电机的相位中的一个或者多个相位中并且通过对于在所述同步电机的星形汇接点中的相电流的测评来测量系统响应，用于从中推断出当前的转子角。

比如，公开文献WO2009/136381A2公开了一种用于测定同步电机的转子角的方法，对于所述同步电机来说通过脉宽调制的相操控的节拍模式（Taktmuster）的移动来优化对在所述星形汇接点中的电压进行测量的测量周期。一种示范性的、用于交流电机的测试信号喷射方法在IEEEInternational,IEMDC2003年ElectricMachinesandDrivesConfereneceLinke,M.等人的“Sensorlessspeedandpositioncontrolofsynchronousmachinesusingalternatingcarrierinjection”中得到说明。最后，公开文献DE102006046638A1公开了另一种用于求取同步电机的转子的相位信息的测试信号方法。

这些无传感器的方法中的许多方法基于相偏移的电压脉冲的馈入，所述电压脉冲利用同步电机的各向异性，用于从不同的系统响应中获取转子位置信息。根据所述同步电机的有效通电，可能在某些工作点上出现这种各向异性的减小现象，从而再也不能或者至少再也不能足够可靠地从测量值中提取所述转子位置信息。为了能够拓宽无传感器的方法的使用范围，因此存在着对在同步电机的操控中的解决方案的需求，所述解决方案可以为用于求取转子角的方法的可靠性及稳定性提供更好的边缘条件。

发明内容

本发明按照一个方面提供一种用于运行同步电机的方法，该方法具有以下步骤：为大量不同的、由在所述同步电机的固定在转子上的坐标系中所设定的有效通电值构成的2元组相应地求取在所述同步电机的、沿着极轴方向的转子电感与所述同步电机的、沿着极隙方向的转子电感之间的差值；根据所述有效通电值的2元组来编制用于所求得的差值的综合特性曲线；在考虑到所求得的、沿着有待确定的工作点轨迹的差值的大小的情况下确定用于所述有效通电值的2元组的、取决于转矩的工作点轨迹，并且按照所确定的工作点轨迹来运行所述同步电机。

按照另一方面，本发明提供一种用于同步电机的调节系统，该调节系统具有调节装置和控制装置，其中所述调节装置被设计用于：为所述同步电机实施场定向的调节，其中所述控制装置被设计用于：按照所述按本发明的方法来为所述调节装置的场定向的调节确定工作点轨迹。

本发明的构思是，尤其以较低的转速来拓宽用于同步电机的、无传感器的转子角测定方法的使用范围。本发明基于以下认识：通过对于同步电机的工作点轨迹的调整，可以提高根据无传感器的转子角测定方法产生的并且求得的系统响应的幅度并且由此可以改进所述转子角测定方法的可靠性及精度。为此如此调节所述同步电机的工作点轨迹，使得所述同步电机的、在固定在转子上的坐标系中的d电感与q电感之间的差尽可能地高。借助于事先有待确定的、关于在所述固定在转子上的坐标系中的有效通电值的、所有可能的2元组的综合特性曲线来确定所述同步电机的工作点轨迹，在所述固定在转子上的坐标系中作为等高线绘示出所述系统响应的幅度。根据在所述同步电机的效率与所述同步电机的d电感与q电感之间尽可能高的差之间的平衡，可以作为在所述转子角测定的精度与电机运行的效率之间的折衷方案来确定所述工作点轨迹。

这种处理方式的巨大的优点在于，可以拓宽用于所述同步电机的转子角测定方法的工作范围。比如可以在较高的转矩的范围内通过有效通电来相应地降低所述同步电机的饱和度，由此提高所述转子位置信息的意义。

按照所述按本发明的方法的一种实施方式，相应地求取在所述同步电机的、沿着极轴方向的转子电感与所述同步电机的、沿着极隙方向的转子电感之间的差值这个过程包括以下步骤：用工作频率产生大量的测试电压脉冲；相应地用在所述同步电机的转子旋转一整圈的范围内分布的、不同的、相对于所述同步电机的转子的转子位置的相偏移来馈入所述大量的测试电压脉冲；测量所述同步电机的相电流来作为对所述大量所馈入的测试电压脉冲的系统响应；根据所设定的相偏移来求得所测量的相电流的相电流特性曲线的幅度，用于求得差值；并且相应地为了大量不同的、由在所述同步电机的固定在转子上的坐标系中所设定的有效通电值构成的2元组，使所述产生、馈入、测量以及求取这些步骤迭代。许多转子角测定方法刚好建立在将测试信号馈入到所述同步电机的转子中这个措施的基础上。尤其对于这些方法来说，所述按本发明的方法非常合适。

按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，可以在同时考虑到所述同步电机的效率的情况下确定所述工作点轨迹。这能够在所述同步电机的有效的运行与所述转子角测定方法的精度之间实现平衡。

按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，可以如此确定所述工作点轨迹，使得所求得的、沿着工作点轨迹的差值尽可能地小并且所述同步电机的、沿着工作点轨迹的效率不低于能够预先确定的阈值。由此可以尽可能容易地对边界值问题中的工作点轨迹进行优化。

按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，可以如此确定所述工作点轨迹，使得所述沿着工作点轨迹的有效通电值的总幅度尽可能地小。

按照所述按本发明的调节系统的一种实施方式，此外所述调节系统可以具有同步电机，该同步电机被设计用于，通过所述调节装置按照所述控制装置的所确定的工作点轨迹来运行该同步电机。

本发明的实施方式的其它特征和优点从以下说明中参照附图来获得。

附图说明

附图示出：

图1是用于按照本发明的一种实施方式的同步电机的调节系统的示意图；

图2是按照本发明的另一种实施方式、用于在同步电机的q电感与d电感之间的电感差与有效通电值的相关性的示意性的综合特性曲线；并且

图3示出了用于对按照本发明的另一种实施方式的同步电机的工作点进行调节的方法的示意图。

相同的附图标记通常表示同类的或者起相同作用的组件。在附图中示出的、示意性的信号曲线和参数曲线仅仅具有示范性的性质，所述信号曲线和参数曲线出于简明原因仅仅在理想化的情况下绘出。不言而喻，在实际上由于有差别的边界条件而可能产生有差别的信号曲线及参数曲线，并且所示出的信号曲线及参数曲线仅仅用于说明本发明的原理及功能的方面。

本发明的意义上的同步电机是相应的电机，其中恒定地经过磁化的电枢或者转子同步地由在环绕的定片或者定子中的取决于时间的旋转磁场通过磁性的相互作用来驱动，使得所述转子执行与在所述定子中的电压比同步的运动，也就是说，所述转速在极偶数目的范围内取决于所述定子电压的频率。本发明意义上的同步电机比如可以是交流电-同步电机，所述交流电-同步电机比如构造为拥有转子和定子的外极电机或者内极电机。此外，所述本发明意义上的同步电机可以包括凸极电机或者隐极电机。隐极电机拥有转子的不取决于轴的电感，而凸极电机则具有凸出的极轴、也称为d轴，沿着所述极轴的方向由于较小的气隙主电感比沿着极隙的方向-也被称为q轴-大。下面所提到的方法和控制装置原则上同样可以用于隐极电机和凸极电机，除非下面明确地参照对于同步电机类型的不同的探讨。

具体实施方式

图1示出了用于具有逆变器5a的电动的驱动单元5的、调节系统10的示意图，所述逆变器5a向同步电机5b馈给交流电。

所述同步电机5b比如可以是三相的同步电机。但是，原则上也可以为所述同步电机设置其它数目的相位。在此，对于所述同步电机5b的调节在所述电动的驱动单元5中起着主要作用。为了用同步电机5b提供所要求的转矩，在所述电机的定子中产生旋转电场，所述旋转电场与所述转子同步旋转。为了产生这种电场，需要所述转子的当前的角度，以进行所述调节。

因此，所述调节系统10包括调节装置2，该调节装置在所述固定在转子上的d,q-坐标系中对所述驱动单元的同步电机5b或者逆变器5a实施场定向的调节。为此，向所述调节装置2馈给额定力矩T_S，并且该调节装置动用在所述固定在转子上的d,q-坐标系中的、通过第一变换装置1提供的、当前的有效通电值Iq、Id。所述第一变换装置1为此测量所述同步电机5b的相电流Ip，并且将所述相电流Ip转换为所述有效通电值Iq、Id。

所述调节装置2将在所述同步电机5b的固定在转子上的坐标系中的操控电压Udq输出给第二变换装置4，该第二变换装置相应地将所述操控电压Udq转换为用于所述同步电机5b的相操控电压Up。不仅所述第一变换装置1而且所述第二变换装置4都为了进行变换而动用所述同步电机5b的转子的、关于该同步电机5b的定子的、取决于时间的转子角φo。这个转子角φo通过观测程序（Beobachter）8来产生，该观测程序又可以动用位置传感器6的所检测到的转子角φs并且/或者动用转子角差Δφ，在此根据所述同步电机5b的所测量的系统响应通过角度估计算法7来求得所述转子角差Δφ。

所述位置传感器6比如可以比如通过对于在所述同步电机5b的星形汇接点上的电压的检测来检测所述同步电机5b的电的工作参数。所述观测程序8比如可以具有卡尔曼（Kalman）观测程序、卢恩贝格（Luenberger）观测程序、豪图斯（Hautus）观测程序或者吉尔拜尔特（Gilbert）观测程序，用于支持所述角度观测φo并且对其进行可信性检测。

为了馈给角度估计算法7，在调节装置2与第二变换装置4之间设置了加法元件3，借助于该加法元件比如可以将具有特定的工作频率ω_o的测试电压脉冲u_d、u_q调制到所述操控电压Udq。这些测试电压脉冲u_d、u_q可以在输入接头3a上通过控制装置9来馈入，所述控制装置可以接受所述角度估计算法7的所观测的角度差。

但是，所述调节系统10同样适合于每种其它的、无传感器的转子角测定方法，也就是说，作为馈入测试电压脉冲u_d、u_q的方法的替代方案，也可以利用其它的方法，用于能够测量系统响应。比如可以通过在合适的时刻在脉宽调制的相操控中对星形汇接点中的电压进行测量的方式将系统响应用于进行转子角测定。也可以将测试信号方法用于进行转子角测定，其中将具有较高的工作频率的测试信号调制到所述操控信号。一般来说，每种建立在所述同步电机5b的沿着极轴方向的转子电感L_d与沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差的基础上的、无传感器的测定方法适合于馈给所述用于对角度差进行测评的角度估计算法7。

所述同步电机5b的系统响应尤其取决于所述有效通电，所述有效通电的数值影响着沿着极轴方向的转子电感L_d与沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差。永久激励的同步电机的纵向电流I_d和I_q在取决于沿着极轴方向的转子电感L_d与沿着极隙方向的转子电感L_q以及所加载的电压U_d或者U_q的情况下表现如下：

这一点对于所述同步电机5b的转子的角速度ω_e、有效电阻R以及所述磁极转子电压U_p适用。除此以外要认为，不在饱和中运行所述极靴，也就是说，电流与磁通量之间的关系是线性的关系并且相应的电感不取决于电流强度。

但是，对于所述同步电机5b的较高的有效通电水平来说，可能出现所述同步电机5b的转子核心的前述的饱和状态，使得电流与磁通量之间的关系具有非线性特征。尤其对于在所述固定在转子上的坐标系中的、有效通电Id、Iq的、特定的2元组来说可能出现以下情况：沿着极轴方向的转子电感L_d与沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差消失。无传感器的转子角测定方法可能在这样的工作点上失去关联性，其中所述无传感器的转子角测定方法给出了这种电感差，以用于得到有说服力的测量值。

下面对这样的转子角测定方法的、一种示范性的转子角测定方法进行说明。为了确定所述角度误差Δφ，将以下测试信号[u_d、u_q]加载到所述同步电机5b上：

因为可以将所述同步电机5b的、用于较高的频率的电的特性描述为纯感应的负荷，所以作为对所述测试信号[u_d、u_q]的系统响应产生以下电流矢量[i_d、i_q]：

为了通过信号处理从这些电流中提取角度信息，需要在所述同步电机5b的固定在转子上的坐标系中的、所测量的相电流与在所述固定在转子上的坐标系中的电流之间的关联。根据所述同步电机5b的所估计的d方向，对于在所述固定在转子上的坐标系中的电流来说产生以下关联：

为了从在所述固定在转子上的坐标系中的、电流[i_d、i_q]的、所测量的数值中提取具有角度差信息Δφ的所期望的项，可以在高通滤波、用工作频率ω_o进行的卷积以及紧随其后的低通滤波之后得到一种项，该项包含所述角度差信息Δφ：

如可以容易地看出的那样，所测量的相电流的说服力由所述角度差信息Δφ看来取决于所述电感L_q和L_d的差-所述差越小，对于所述角度差Δφ的测定就不精确。

为了抑制这种现象，有利的是，尽可能如此选择所述同步电机5b的工作点，使得所述电感L_q和L_d的差尽可能大地保持，也就是说所述同步电机5b尽可能在转矩较高时也不在饱和状态中运行。

图2为此示出了一种用于同步电机的在q电感与d电感之间的电感差的、与有效通电值Iq和Id的相关性的、综合特性曲线K的示意图。

为了调节所述同步电机5b的工作点，图1中的控制装置9比如可以产生大量的测试电压脉冲，将这些测试电压脉冲相应地用在所述同步电机5b的转子旋转一整圈的范围内分布的不同的、相对于所述同步电机5b的转子的转子位置的相偏移调制到所述操控电压Udq，借助于所述角度估计算法7来测量所述同步电机5b的相电流Ip作为对所述大量的所馈入的测试电压脉冲的系统响应，并且根据所设定的相偏移来求得所测量的相电流Ip的相电流特性曲线的幅度。

相应地，对于大量不同的、由在所述同步电机5b的固定在转子上的d,q-坐标系中所设定的有效通电值Id和Iq构成的2元组来说通过所述控制装置9使这些步骤迭代。而后通过所述有效通电值Id和Iq的2元组的二维图形来产生所述综合特性曲线K。在图2中，示范性地示出了标准化到所述有效通电的总幅度的情况，但是其中并非强制地进行标准化。

而后在这条综合特性曲线K中，比如作为等高线ΔL1、ΔL2、ΔL3和ΔL4示出了所述系统响应的所求得的幅度、也就是所述电感L_q和L_d的差。比如所述等高线ΔL1示出了较小的电感差，并且所述等高线ΔL2到ΔL4则相应地示出了连续上升的电感差。

一般来说，用每种任意的无传感器的转子角测定方法来产生所述等高线ΔL1、ΔL2、ΔL3和ΔL4，方法是：为大量不同的、由在所述同步电机5b的d,q-坐标系中所设定的有效通电值Id和Iq构成的2元组相应地求取在所述同步电机5b的、沿着极轴方向的转子电感L_d与所述同步电机5b的、沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差值。而后这些差值用作在所述综合特性曲线K中的等高线ΔL1、ΔL2、ΔL3和ΔL4的图形的基础。

对于相应预先给定的转矩来说，可以如通过相应的虚线T1、T2和T3所勾画出来的那样从所述有效通电值Id和Iq的2元组中选择不同的子组合。对于所述取决于转矩的工作点来说，一般来说设置了工作点轨迹A1，按照MTPA方法（“maxiumumtorqueperampere”，每安培最大的转矩）来确定所述工作点轨迹A1。沿着这条工作点轨迹A1，可以达到所述同步电机5b的最佳的效率。

不过如可以从所述工作点轨迹A1的曲线中所表明的那样，这条工作点轨迹大部分通过具有较小的电感差的工作点区域、比如在用ΔL1标识的区域之内伸展。为了现在改进建立在这种电感差的基础上的转子角测定方法的可靠性和意义，可以确定另一种用于所述有效通电值Id和Iq的2元组的、取决于转矩的工作点轨迹A2，该工作点轨迹考虑到所求得的幅度的大小。在此要忍受在所述同步电机5b的效率与足够高的电感差之间的某种折衷。

比如可以在同时考虑到所述同步电机5b的效率的情况下完成所述工作点轨迹A2，使得所求得的、沿着工作点轨迹A2的差值尽可能地小并且所述同步电机5b的、沿着工作点轨迹A2的效率不低于能够预先确定的阈值。此外，可以注意，所述沿着工作点轨迹A2的有效通电值Id和Iq的总幅度尽可能地小。所述工作点轨迹A2在图2中在此仅仅具有示范性的特性，并且很清楚，同样可以按对所述同步电机5b的调节的要求来选择许多其它的工作点轨迹。比如可以用有待确定的工作点轨迹来跟踪在所述综合特性曲线K中的等高线ΔL2。

图3示出了一种用于对同步电机、尤其是如在图1中示范性地示出的那样的同步电机5b的工作点进行设定的方法20的示意图。在此，所述方法20可以动用结合图1和2所解释的关联。

首先在普遍地用附图标记25所表示的步骤25中为大量不同的、由在所述同步电机的固定在转子上的d,q-坐标系中所设定的有效通电值构成的2元组相应地求取在所述同步电机的、沿着极轴方向的转子电感L_d与所述同步电机的、沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差值。

这比如可以通过以下方式来实现：在第一步骤21中用工作频率产生大量的测试电压脉冲。而后在第二步骤22中，可以用相应地在所述同步电机的转子旋转一整圈的范围内分布的、不同的、相对于所述同步电机的转子的转子位置的相偏移来馈入所述大量的测试电压脉冲。而后可以在步骤23中测量所述同步电机的相电流来作为对所述大量所馈入的测试电压脉冲的系统响应。最后可以在步骤24中根据所设定的相偏移来求得所测量的相电流的相电流特性曲线的幅度。

接着可以相应地为大量不同的、由在所述同步电机的固定在转子上d,q-坐标系中所设定的有效通电值来使所述步骤21到24迭代。

在不取决于如何在步骤25中确定在所述同步电机的、沿着极轴方向的转子电感L_d与所述同步电机的、沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差值的情况下，在步骤26中根据所述有效通电值的2元组确定用于所求得的差值的综合特性曲线K。而后在步骤27中，可以在考虑到所求得的、沿着有待确定的工作点轨迹的幅度的大小的情况下，确定用于所述有效通电值的2元组的、取决于转矩的工作点轨迹。然后可以在步骤28中将这种所确定的取决于转矩的工作点轨迹用于操控所述同步电机。

Claims (7)

1.用于运行同步电机（5b）的方法（20），具有以下步骤：

为大量不同的、由在所述同步电机（5b）的固定在转子上的坐标系（d、q）中所设定的有效通电值（Id；Iq）构成的2元组相应地求取（25）在所述同步电机（5b）的、沿着极轴方向的转子电感L_d与所述同步电机（5b）的、沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差值；

根据所述有效通电值（Id；Iq）的2元组来编制（26）用于所求得的差值（ΔL1、ΔL2、ΔL3和ΔL4）的综合特性曲线（K）；

在考虑到所求得的、沿着有待确定的工作点轨迹（A2）的差值的大小的情况下确定(27)用于所述有效通电值（Id、Iq）的2元组的、取决于转矩的工作点轨迹（A2）;并且

按照所确定的工作点轨迹（A2）来运行（28）所述同步电机（5b）。

2.按权利要求1所述的方法（20），其中相应地求取（25）在所述同步电机（5b）的、沿着极轴方向的转子电感L_d与所述同步电机（5b）的、沿着极隙方向的转子电感L_q之间的差值这个过程包括以下步骤：

用工作频率产生（21）大量的测试电压脉冲；

相应地用在所述同步电机（5b）的转子旋转一整圈的范围内分布的、不同的、相对于所述同步电机（5b）的转子的转子位置的相偏移来馈入（22）所述大量的测试电压脉冲；

测量（23）所述同步电机（5b）的相电流来作为对所述大量所馈入的测试电压脉冲的系统响应；

根据所设定的相偏移来求得（24）所测量的相电流的相电流特性曲线的幅度，用于求得所述差值；并且

相应地为了大量不同的、由在所述同步电机（5b）的固定在转子上的坐标系（d、q）中所设定的有效通电值（Id、Iq）构成的2元组，使所述产生（21）、馈入（22）、测量（23）以及求取（24）这些步骤迭代。

3.按权利要求1和2中任一项所述的方法（20），其中在同时考虑到所述同步电机（5b）的效率的情况下确定（27）所述工作点轨迹（A2）。

4.按权利要求3所述的方法（20），其中如此确定（27）所述工作点轨迹（A2），使得所求得的、沿着工作点轨迹（A2）的差值尽可能地小并且所述同步电机（5b）的、沿着工作点轨迹（A2）的效率不低于能够预先确定的阈值。

5.按权利要求1到4中任一项所述的方法（20），其中如此确定（27）所述工作点轨迹（A2），使得所述沿着工作点轨迹（A2）的有效通电值（Id、Iq）的总幅度尽可能地小。

6.用于同步电机（5b）的调节系统（10），具有：

调节装置（2），该调节装置被设计用于为所述同步电机（5b）实施场定向的调节；以及

控制装置（9），该控制装置被设计用于，按照按权利要求1到5中任一项所述的方法来确定用于对于所述调节装置（2）的场定向的调节的工作点轨迹（A2）。

7.按权利要求6所述的调节系统（10），此外具有：

同步电机（5b），该同步电机被设计用于，按照所述控制装置（9）的所确定的工作点轨迹（A2）通过所述调节装置（2）来运行该同步电机。