CN106026820B - 自动调谐电机参数方法和系统 - Google Patents
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Abstract
在一个示例性实施例中,一种方法包括确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的第一调节值,确定用于感应电动机的电感的第二调节值,并且基于第一调节值和第二调节值分别地调谐转子的滑差频率和感应电动机的电感。
Description
技术领域
示例性实施例涉及电动驱动装置系统和/或用于控制电动驱动装置的方法。
背景技术
电动驱动装置,如交流(AC)感应电动机用于驱动以下系统,如混动/电动车辆、辅助泵、空气压缩机、风扇等,交流感应电动机已经广泛地用于工业应用。用于驱动装置的控制器控制驱动装置的操作。控制器生成施加到驱动装置的端子的控制信号。
通常地,控制器基于多个电机参数控制驱动装置。对于驱动装置的矢量控制,在控制器上执行的控制算法使用从制造商或从电机特性得到的电机参数。电机参数的两个示例是驱动装置的转子时间常数和磁化电感。
在驱动装置的通常的操作过程中,该电机参数从其初始值改变,这可能不利地影响驱动装置的性能。
发明内容
一些示例性实施例涉及用于生成可变输出电压的方法和设备。
在一个示例性实施例中,一种方法包括确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的第一调节值,确定用于感应电动机的电感的第二调节值,以及基于第一调节值和第二调节值分别地调谐转子的滑差频率和感应电动机的电感。
在一个示例性实施例中,一种装置包括处理器和被配置成用于将计算机可读指令存储在其上的存储器。处理器被配置成用于执行计算机可读指令以确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的第一调节值,确定用于感应电动机的电感的第二调节值,以及基于第一调节值和第二调节值分别地调谐转子的滑差频率和感应电动机的电感。
附图说明
将根据与附图结合的下文的详细描述更清楚地理解示例性实施例。图1-5表示如本文中所述的非限制性示例性实施例。
图1图示了图1A-1B的框图;
图1A-1B是根据示例性实施例的用于控制电动马达的系统的框图;
图2是根据示例性实施例的与图1A-1B一致的电子数据处理系统的框图;
图3A-3B图示了根据一个示例性实施例的感应电动机的等效电路;
图4是根据一个示例性实施例的、图示所确定的直轴/交轴和实际的直轴/交轴位置之间的差值的曲线图;
图5描述了根据一个示例性实施例的用于实时调谐感应电动机的滑差频率的方法;
图6图示了根据一个示例性实施例的将转子的滑差频率的调节值应用到滑差频率的估算值的表格;
图7图示了根据一个示例性实施例的调谐感应电动机的磁化电感的方法;和
图8图示了根据一个示例性实施例的将转子的磁化电感的调节值应用到磁化电感值的表格。
具体实施方式
现在将更充分地参照图示一些示例性实施例的附图来描述多个示例性实施例。
因此,尽管能够对示例性实施例进行各种修改并且形成可替换形式,但是附图通过示例的方法示出所述实施例并且本文将详细描述所述实施例。然而,应该理解,不旨在将示例性实施例限制到所公开的具体形式,而是相反,示例性实施例将覆盖落入权利要求的范围内的所有的修改、等同物和替换。在对附图的所有描述中,相同的数字指示相同的元件。
将理解,虽然术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件,但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语仅用于区别一个元件与另一元件。例如,第一元件可以被称为第二元件,并且,类似地,第二元件可以被称为第一元件,这没有脱离示例性实施例的范围。如本文所用,术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意结合和所有结合。
将理解,当元件被称为“连接”或“联接联接”到另一元件时,其可以直接连接或联接到可以存在的另一元件或插入元件。相反,当元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另一元件时,其中不存在插入元件。应该以相同方式理解用于描述元件之间的关系的其它措辞(例如,″在...之间″与″直接在…之间″、″邻近″与″直接地邻近″等)。
本文中使用的术语仅为了描述具体的实施例并且不旨在限制示例性实施例。如本文所用,单数形式“a”、“an”和“the”旨在同样包括复数形式,除非上下文以其他方式明确指明。将进一步理解,当在本文中使用术语“包括”、“包含”和/或“含有”时,指出存在规定的部件、整数、步骤、操作、元件和/或构件,但是不排除存在或增加一个或多个其它的部件、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
还应该注意,在一些可替换的实现方式中,所描述的功能/作用可以以不按照图中图示的次序出现。例如,实际上可以大致同时执行或有时可以以相反次序执行连续示出的两个图,这取决于涉及的功能/作用。
除非另有规定,否则本文中使用的所有术语具有的意义与示例性实施例所属的技术领域中的人员通常理解的意义相同。将进一步理解,例如限定在通常使用的字典中的那些术语应该理解成具有的意义与其在相关技术的内容中的意义一致,而不应理解成理想化的意义或过度正式的意义,除非本文中明确地如此限定。
根据处理器呈现示例性实施例和对应的详细描述的部分,该处理器被具体地程控以执行软件或关于计算机存储器中数据位的操作的算法和符号表示。这些描述和表示是本领域的技术人员向本领域的其他技术人员有效表达其工作的实质的方式。算法,作为本文使用的术语,并且如其被通常使用的那样,被认为是通向结果的一序列有条理的步骤。该步骤对物理量进行要求的物理操纵。通常,虽然不一定,这些物理量采取能够被存储、传送、组合、比较、和以其他方式操纵的光信号、电信号、或磁信号的形式。主要由于普遍使用的原因,有时方便地将这些信号称为位、值、要素、符号、字符、术语、数字等。
在以下描述中,将参照可以被实现为执行具体任务或采用具体的抽象数据类型的、包括编程、程序、对象、构件、数据结构等的程序模块或功能性过程并且可以使用现有的硬件执行的操作的动作和符号表示来描述说明性实施例。这些现有硬件可以包括一个或多个中央处理器(CPUs)、数字信号处理器(DSPs)、专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGAs)计算机等。
然而,应该明白,所有的这些术语和类似的术语将与适当的物理量相关并且仅是应用于这些物理量的方便的符号。除非以其他方式具体地规定,或如从讨论所显而易见的,诸如“处理”或“计算”或“推算”或“确定”或“显示”等术语指操作被表示为计算机系统的寄存器和存储器中的物理量的数据并且将其转换成类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它的这种信息存储、传送或显示装置中的物理量的其它数据的计算机系统或类似的电子计算装置的作用和过程。
还注意到,执行示例性实施例的方面的软件通常被编码在一些有形的实体存储介质上或通过一些类型的传送介质来执行。有形存储介质可以是电子存储器、只读非挥发性电子随机存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据闩锁电路、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器等。
在一个示例性实施例中,一种方法包括确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的第一调节值,确定用于感应电动机的电感的第二调节值,以及基于第一调节值和第二调节值分别地调谐转子的滑差频率和感应电动机的电感。
在示例性实施例中,确定步骤和调谐步骤被实时执行。
在示例性实施例中,确定第一调节值包括,使用第一方法和第二方法确定感应电动机的直轴电压,并且基于使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压来确定第一调节值。
在示例性实施例中,使用第一方法确定直轴电压包括,将直轴电压确定为直轴端子电压命令的估算值。
在示例性实施例中,使用第二方法确定直轴电压包括,将直轴电压确定为感应电动机中的定子的观测直轴电压。
在示例性实施例中,定子直轴电压不依赖于或独立于滑差频率的变化。
在示例性实施例中,当通过第一调节值对第一滑差频率进行调谐时,使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压之间的比率等于1。
在示例性实施例中,确定第二调节值包括估算感应电动机的电磁转矩,并且基于转矩命令和感应电动机的估算的电磁转矩确定第二调节值。
在示例性实施例中,基于转子的机械功率和机械速度以及感应电动机的定子磁通量的估算值中的至少一个,估算电磁转矩。
在示例性实施例中,该方法进一步地包括确定感应电动机的定子的第一功率损耗值,确定转子的第二功率损耗值,并且基于确定的第一功率损耗和确定的第二功率损耗来调节感应电动机的功率。基于被调节的功率和转子的机械速度,估算电磁转矩。
在示例性实施例中,当通过第二调节值对感应电动机的电感进行调谐时,转矩命令和估算的电磁转矩之间的比率等于1。
在示例性实施例中,该方法包括基于调谐后的滑差频率和调谐后的电感来驱动感应电动机。
在一个示例性实施例中,一种装置包括处理器和被配置成用于将计算机可读指令存储在其上的存储器。该处理器被配置成用于执行计算机可读指令以确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的第一调节值,确定用于感应电动机的电感的第二调节值,以及基于第一调节值和第二调节值分别地调谐转子的滑差频率和感应电动机的电感。
在示例性实施例中,该处理器被配置成用于实时确定第一调节值和第二调节值,并且实时调谐感应电动机的滑差频率和电感。
在示例性实施例中,该处理器被配置成通过使用第一方法和第二方法确定感应电动机的直轴电压,以及基于使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压来确定第一调节值,从而确定第一调节值。
在示例性实施例中,该处理器被配置成通过将直轴电压确定为直轴端子电压命令的估算值而使用第一方法确定直轴电压。
在示例性实施例中,该处理器被配置成通过将直轴电压确定为感应电动机中的定子的观测直轴电压而使用第二方法确定直轴电压。
在示例性实施例中,定子直轴电压不依赖于或独立于滑差频率的变化。
在示例性实施例中,当处理器通过第一调节值对滑差频率进行调谐时,使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压之间的比率等于1。
在示例性实施例中,该处理器被配置成通过估算感应电动机的电磁转矩,以及基于转矩命令和感应电动机的估算的电磁转矩确定第二调节值,从而确定第二调节值。
在示例性实施例中,该处理器被配置成基于转子的机械功率和机械速度以及感应电动机的定子磁通量的估算值中的至少一个,来估算电磁转矩。
在示例性实施例中,该处理器进一步地被配置成确定感应电动机的定子的第一功率损耗值,确定转子的第二功率损耗值,并且基于确定的第一功率损耗和确定的第二功率损耗来调节感应电动机的功率。处理器被配置成用于基于调节后的功率和转子的机械速度来估算电磁转矩。
在示例性实施例中,当处理器通过第二调节值对感应电动机的电感进行调谐时,转矩命令和估算的电磁转矩之间的比率等于1。
根据示例性实施例,图1A-1B图示了用于控制诸如电动马达或电动机(例如,交流感应电动机)之类的载荷的驱动系统100。驱动系统100可以称为用于载荷的控制装置或电源。驱动系统100被配置成用于在两个不同控制模式中的一个下操作。一个模式是矢量控制模式或间接磁场定向控制模式,所述矢量控制模式或间接磁场定向控制模式允许电动机在四个象限中操作,其中电动机作为感应发电机以电压控制模式、速度控制模式或转矩模式中的一种运行。另一个模式是频率控制模式,频率控制模式允许设置电压/频率(V/Hz)关系。
电动机可以是诸如感应电动机(IM)的电动机、另一交流电机或直流电机。该电动机具有额定直流总线电压(例如,320伏特)。额定电压是指定电压(named voltage)。例如,电动机的额定电压可以是320伏特,但是电动机可以在高于和低于320伏特的电压下操作。
在示例性实施例中,除载荷117和逆变器开关电路188外,该系统可以称为控制器。
应该理解,驱动系统100可以包括图1A-1B中未示出的额外特征。图1A-1B中示出的特征被图示以便于描述驱动系统100,并且应该理解,驱动系统100应该不受限于图1A-1B示出的特征。
系统100包括电子模块、软件模块或二者。在示例性实施例中,驱动系统100包括电子数据处理系统120以支持存储、处理或执行一个或多个软件模块中的软件指令。电子数据处理系统120由图1A-1B中的虚线表示并且在图2中被更详细地示出。电子数据处理系统120也可以称为用于载荷或负载117的控制器和/或处理器。数据处理系统120被配置成用于确定控制模式、选择调制模式并且基于控制模式确定电机的多个端子相电压。调制模式可以表示脉宽调制(PWM)方波、三角波或正弦波、或与任意前述参数相关联的频率、占空比或停滞时间。控制模式可以例如是电压控制模式和频率控制模式中的一种。
数据处理系统120连接到逆变器电路188。逆变器电路188可以是三相逆变器。逆变器电路188包括半导体驱动电路,所述半导体驱动电路驱动或控制开关半导体(例如,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或其它的功率晶体管)以输出用于载荷117的控制信号。逆变器电路188又连接到载荷117。
在示例性实施例中,电压命令生成模块105被配置成用于接收来自用户的用户命令UCMD、来自用户的模式选择信号SEL、估算的电机端子电压Vterm和次级极限LimitAC_Sec。可以通过车辆数据总线118接收用户命令UCMD和模式选择信号SEL。电压命令生成模块105被配置成用于基于用户命令UCMD、模式选择信号SEL、估算的电机端子电压和次级极限生成电压命令VCMD。用户命令UCMD表示电压控制模式中的期望电压或频率控制模式中的期望的频率与电压关系。模式选择信号SEL表示电压控制模式和频率控制模式中的一种。
频率命令生成模块110被配置成用于基于用户命令UCMD和模式选择信号SEL生成频率命令FCMD。
如图1所示,电压命令VCMD和频率命令FCMD被馈送到车辆数据总线118以用于监测。
电流调整限制器111能够与频率命令生成模块110通信。电流调整限制器111接收相应的最终d-q轴电流命令(例如,id*和iq*)和实际d-q轴电流(例如,id和iq)。d-q轴电流表示适用于诸如载荷117的矢量控制交流电机的背景中的直轴电流和交轴电流。尽管使用了术语电流命令,但是应该理解电流命令表示目标电流值。
电流调整限制器111根据实际d-q轴电流生成电流极限VHz_Curr_Limit。电流极限VHz_Curr_Limit表示偏斜的(slewed)最终电流极限命令。电流调整限制器111限制电流极限的上坡道速率(up-ramp rate)和下坡道速率(down-ramp rate)。当最大电流极限或最小电流极限的上坡道速率比上坡道速率设置点大时,电流极限坡道速率将被限制为上坡道速率设置点的值。当最大电流极限或最小电流极限的下坡道速率比下坡道速率设置点大时,电流极限坡道速率将被限制为下坡道速率设置点的值。
在示例性实施例中,脉宽调制生成模块112提供用于控制逆变器电路188的脉冲命令,并且向端子电压估算模块127提供用于逆变器电路188的每个相(a、b和c)的占空比da、db、dc。处理系统120确定三相占空比da、db、dc,如名称为“Methods of Determining MachineTrminal Voltage and Systems thereof”的美国14/141,631号专利申请中所述,该专利申请的全部内容通过引用特此被纳入此文。
然后,基于电压命令Vα和Vβ、占空比、停滞时间和脉宽调制(PWM)载波,脉宽调制脉冲通过脉宽调制生成模块112被产生并且被传送到逆变器电路188。三相占空比da、db、dc被传送到端子电压估算模块127。脉宽调制生成模块112的输出连接到逆变器电路188。逆变器电路188的输出级(例如,输出目前的相电压VAN_actual、VBN_actual和VCN_actual)提供脉宽调制电压波形或其它的电压信号以用于控制载荷117。例如,电压VAN、VBN和VCN可以被称为相电压、电流控制阶跃电压或目前的控制阶跃电压。在示例性实施例中,逆变器电路188被直流(dc)电压总线驱动。
逆变器电路188包括半导体驱动电路,所述半导体驱动电路驱动或控制开关半导体(例如,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或其它的功率晶体管)以输出用于载荷117的控制信号。逆变器电路188又连接到载荷117。传感器(例如,位置传感器、变压器或编码位置传感器)可以与电动机轴或电动机的转子相关联。例如,传感器和载荷117连接到数据处理系统120以提供除了其它可能的反馈数据或信号的反馈数据(例如,电流反馈数据,诸如相电流值ia、ib和ic)、原始位置信号。其它可能的反馈数据包括,但是不受限于,绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据或用于载荷117的其它热信息或性能信息。
位置处理模块114基于频率命令FCMD确定位置θ,如下所述:
θ=∫ωcmd dt (1)
其中θ是位置数据,ωCMD是频率命令,并且dt是处理系统120的采样速率。
用于载荷117的位置数据θ被从位置处理模块114传送到相转换器121(例如,两相至两相逆向派克变换模块),相转换器121将电压命令VCMD从d-q电压命令转换成用于脉宽调制模块112的电压命令Vα和Vβ。
感测电路124的输入端连接到载荷117的端子以用于至少感测测量的三相电流和直流(dc)总线的电压电平(例如,可以向逆变器电路188提供直流功率的高压直流总线)。感测电路124的输出端连接到模数转换器122以用于数字化感测电路124的输出。模数转换器122的数字输出又连接到次级处理模块116,次级处理模块输出测量的直流总线电压Vdc、相绕组的温度Tp、IGBT温度Tig和测量的三相电流is、ib和ic。感测电路124与载荷117相关联以用于测量三相电流(例如,施加到载荷117的绕组的电流、在绕组中引起的反EMF(电动势)或二者)。
位置处理模块114和次级处理模块116的某些输出馈送至相转换器113。例如,相转换器113可以应用派克变换或其它的换算公式(例如,本领域的技术人员已知的适当的某些换算公式)以基于来自次级处理模块116的数字三相电流数据ia、ib和ic和来自位置处理模块114的位置数据θ将测量的三相电流表示转换成两相电流表示。相转换器113模块的输出(id、iq)连接到电流调整限制器111。
基于三相占空比da、db、dc、由脉宽调制生成模块112生成的脉宽调制载波、和相电流ia、ib和ic,电机端子电压估算模块127估算实际的逆变器输出电压VAN_actual、VBN_actual和VCN_actual的目前的逆变器相电压VAN、VBN和VCN。然后被估算的逆变器输出电压VAN、VBN和VCN被电机端子电压估算模块127使用以计算估算的电机端子电压。比较被估算的端子电压与端子电压极限将产生传送到PI控制器的误差,以产生和调节控制器直轴(d-axis)电流并且最终调节交轴(q-axis)电流。
图2是根据示例性实施例的与图1A-1B一致的电子数据处理系统的框图。在图2中,电子数据处理系统120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储装置260和一个或多个数据端口(268,270,272和274)。数据处理器264、数据存储装置260和一个或多个数据端口连接到数据总线262以支持数据在数据处理器264、数据存储装置260和一个或多个数据端口之间或之内的通信。
在示例性实施例中,数据处理器264可以包括电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程序逻辑阵列、逻辑电路、运算器、专用集成电路、数字信号处理器、比例积分微分(PID)控制器或另一数据处理装置。
数据存储装置260可以包括用于存储数据的任一磁性、电子或光学装置。例如,数据存储装置260可以包括电子数据存储装置、电子存储器、非挥发性电子随机存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据闩锁电路、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器等。
如图2所示,数据端口包括第一数据端口268、第二数据端口270、第三数据端口272和第四数据端口274,但是可以使用任何适当数量的数据端口。每个数据端口都可以包括例如收发器和缓冲存储器。在示例性实施例中,每个数据端口都可以包括任一串行输入/输出端口或并行输入/输出端口。
在如图2所示的示例性实施例中,第一数据端口268连接到车辆数据总线118。车辆数据总线118又连接到控制器266。在一个配置中,第二数据端口270可以连接到逆变器电路188;第三数据端口272可以连接到模数转换器122;并且第四数据端口274可以连接到端子电压反馈模块108。模数转换器122连接到感测电路124。
在数据处理系统120的示例性实施例中,转矩命令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口268相关联或被第一数据端口268支持。第一数据端口268可以连接到车辆数据总线118,诸如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可以向电压命令生成模块105和频率命令生成模块110提供具有电压和频率命令的数据总线信息。用户可以经由用户界面、控制器266或其它的控制装置生成电压命令。
在一些示例性实施例中,主处理模块114可以与数据处理系统120的端口相关联或被所述端口支持。
数据处理器264可以被具体地程控以运行电压命令生成模块105、频率命令生成模块110、电流调整限制器111、脉宽调制生成模块、相转换器113、位置处理模块114、次级处理模块116、次级限制器125、端子电压反馈模块108和电机端子电压估算模块127。
载荷117可以是任何类型的电动驱动装置,如用于驱动诸如混动/电动车辆的系统的交流(AC)感应电动机。如上所述,驱动装置可以具有数个参数,驱动装置基于所述数个参数运行。两个这种参数是转子时间常数和磁化电感。为更好理解驱动装置的操作和上述两个参数,在下文一些概念和变量将被限定和描述。
在下文,将参照作为一个类型的驱动装置的感应电动机描述示例性实施例。然而,示例性实施例不受限于感应电动机并且还可以同样地应用于其它类型的驱动装置。
感应电动机是包括定子和转子的异步电动机。感应电动机依赖于定子转动磁场和转子轴速度之间的小的速度差,该速度差称为用于在转子交流绕组中引起转子电流的滑差(slip)。转子的(即,与定子速度同步的)同步速度和转子的实际速度的之间的差值被称为滑差。滑差是无单位的值或可以可选地表示为滑差频率(slip frequency)。滑差频率的概念和滑差频率的调节将具体地在下文被描述。
图3A-3B图示了根据一个示例性实施例的感应电动机的等效电路。图3A图示了根据一个示例性实施例的感应电动机的常规的等效电路。图3B图示了根据一个示例性实施例的感应电动机的稳态等效电路。
除了其它的部分,感应电动机具有定子和转子。在图3A中,感应电动机的等效电路具有磁化支路301和转子支路302。此外,是定子的电压,rs是定子的电阻,jXls是定子的漏电抗,jXlr是转子的漏电抗,jXm是磁化电抗,是定子的电流,是转子的电流,是磁化支路301两端的电压,是转子支路302中的转子电阻两端的转子电压,表示为其中S表示滑差。
可以使用参照比率α获得感应电动机的稳态等效电路。在一个示例性实施例中,并且为执行用于感应电动机的转矩分析,参照比率α可以被选择成使得转子支路302中的转子的绕组电抗jXlr是零。特别地,参照比率α可以根据以下公式被选择。
其中Lm是磁化电感并且Lr是感应电动机的转子电感。
图3B图示了当参照比率α施加到图3A的常规等效电路时感应电动机的等效稳态电路,即感应电动机的等效电路。
在图3B中,是施加在感应电动机的定子处的稳态电压,是位于感应电动机的定子处的稳态电流,rs是定子电阻,Ls是磁化电感,Lm是磁化电感,Lr是感应电动机的转子电感,是转子的稳态电流,是转子两端的稳态电压,并且表示转子的电阻,S为滑差。
其中ωslip是滑差频率并且方程(3)的其余变量如上所述。
根据方程(3),滑差频率可以通过方程(4)确定,如下所示。
如上所述,电机参数的两个示例是驱动装置的转子时间常数和磁化电感。在驱动装置的通常的操作过程中,该电机参数从其初始值改变,这可能不利地影响驱动装置的性能。
转子时间常数由以下方程限定。
其中,τr是转子时间常数,并且Lr=Lm+Llr,其中Lr是转子电感,并且rr是转子电阻,Lm是磁化电感,并且Llr是转子漏电感。
转子电阻rr可能随着转子的温度改变,这不利地影响转子时间常数。此外,考虑到Lr和Lm之间的关系,磁化电感也影响转子时间常数τr。
转子电阻rr和磁化电感Lm的改变可能导致在转子磁通位置中产生误差并且可以建立磁化电流。转子磁通量对于感应电动机的间接磁场定向控制是重要的。
在一个示例性实施例中,并且在感应电动机的直接磁场定向控制中,转子磁通量可以对准直轴。因此,由于转子磁通量的改变,在感应电动机的间接磁场定向控制中,控制器估算的直轴电流和交轴电流可以不对准实际的直轴电流和交轴电流。这又将导致感应电动机在失谐状态下操作。
感应电动机在失谐状态下的操作可能导致与命令转矩值不同的稳态转矩值、非瞬时转矩、电机损耗和可在逆变器电流极限处获得的电动机峰值转矩的可能减少以及转子磁通位置的误差,转子磁通位置是转子的同步位置。
为解决感应电动机在失谐状态中操作的问题,在下述示例性实施例中,磁化电感Lm和滑差频率ωslip的实时自动调谐将被描述以补救失谐状态中感应电动机的性能的不足。
如上所述,影响感应电动机性能的参数中的一个是转子的时间常数。在一个示例性实施例中并且为补偿转子时间常数的改变,滑差频率ωslip被调节(调谐),如将在下文所述。
在一个示例性实施例中,处理器264可以确定转子的同步位置。如此,使用感测电路124的处理器264确定转子实际位置θr。随后,处理器264将滑差频率的估算值增加到转子的被确定的实际位置。因为实际的转子电阻和电感值对于处理器264不是已知的,因此计算的滑差频率是电动机的实际滑差频率的估算值。因此,处理器264确定的同步位置是转子磁通量的实际同步位置的估算值。
在一个示例性实施例中,在执行上述派克变换时,处理器264利用转子磁通量的估算同步位置。然而,因为控制器估算的同步位置与实际同步位置不同,因而控制器估算的直轴/交轴位置不同于电机直轴/交轴。换句话说,处理器264确定的直轴/交轴位置与实际的(例如,真实的)直轴/交轴位置不同。
图4是根据一个示例性实施例的图示确定的直轴/交轴和实际的直轴/交轴位置之间的差值的曲线图。如图4所示,θe表示实际直轴/交轴位置(使用虚线示出),而表示处理器264确定的估算直轴/交轴位置(使用点线示出)。
根据图4并且使用方程(6),因而断定,直轴电流和交轴电流可以如下表示:
其中,与iqds相关联的“^”表示处理器264确定的/估算的iqds。
根据方程(7)和(8),处理器164可以使用下述方程(9)和(10)确定直轴电流和交轴电流。
如上确定所述并且在失谐状态中,处理器264确保确定的定子直轴电流ids和确定的定子交轴电流iqs相匹配。因此,处理器264可以确定不准确的直轴电压Vd-CMD和Vq-CMD以及交轴电压命令,所述不准确的直轴电压Vd-CMD和Vq-CMD以及交轴电压命令然后被进行脉宽调制并且传送至逆变器188。不准确的直轴电压Vd-cmd和Vq-cmd又可能不利地影响电机端子电压。
上文描述的是估算的滑差频率的不准确的估算值会如何不利地影响定子的直轴电流ids和定子的交轴电流iqs的确定,这又可能影响直轴电压命令Vd-cmd和交轴电压命令Vq-cmd。
在一个示例性实施例中并且为补偿实际滑差频率与处理器264确定的滑差频率之间的差值,处理器264实时分析直轴电压的经由不同方法获得的两个值,如将在下文所述。直轴电压的两个值之间的差值然后被处理器264使用,以确定滑差频率的调节值,当滑差频率的不准确的估算值被处理器264使用时,滑差频率值然后通过调节值被调节和控制以解决上述不足。
图5描述了根据一个示例性实施例的用于实时调谐感应电动机的滑差频率的方法。
在S500处,处理器264使用第一方法确定直轴电压。在一个示例性实施例中并且根据第一方法,处理器264基于端子电压估算方法来确定直轴电压。端子电压估算方法可以是用于估算感应电动机的端子电压Vds和Vqs的任意已知的或待研发的方法。
根据该电压估算方法的一个示例性实施例,位于图1A中示出的反相器112的输出端处的电压Vα和Vβ被确定。确定的Vα和Vβ然后被转换以基于被表示为θv的直轴/交轴位置估算值来确定定子直轴电压Vds和定子交轴电压Vqs。在一个示例性实施例中,在每个占空比k中,θv(k)等于θe(k-1),其中θe(k)如下表示,
θe(k)=θr(k)+∫ωslip (11)
其中,θr(k)是处理器264根据由感测电路124提供的反馈数据已知的转子实际位置。
在一个示例性实施例中,处理器264可以执行用于估算电机端子电压的指令,如在图1A中电机端子电压估算模块127中所提供的那样。
如方程(11)所示,使用第一方法估算的定子路端直轴电压Vds依赖于滑差频率ωslip。
在S510处,处理器264根据第二方法来确定定子直轴电压。在一个示例性实施例中并且根据第二方法,处理器264根据稳态条件下的定子电压方程确定直轴电压。换句话说,处理器264使用稳态条件下的定子电压方程来观测(例如,测量)直轴电压。特别地,稳态条件下的定子直轴电压由下述方程(12)确定。
其中,Vds是定子直轴电压,ids是定子直轴电流,rs是温度补偿后的定子电阻,ωe是感应电动机的同步速度,在一个示例性实施例中,所述同步速度是转子速度ωr和滑差频率ωslip的和,Ls是定子电感并且Lm是磁化电感。
在方程(12)中,因为直轴电压不是转子时间常数τr的函数并且σ较小,因而定子直轴电压的改变对于由于ωslip的变化而引起的ωe改变不敏感。换句话说,使用第二方法确定的定子直轴电压Vds不依赖于滑差频率ωslip。
定子的交轴参考电压Vqs独立于或不依赖于σ因而独立于或不依赖于Vds,可以用于单独地调节ωslip的值。
在S520处,处理器264使用滑动平均滤波器对在S500和S510处使用第一方法和第二方法确定的定子直轴电压值Vds进行滤波。
在S530处,处理器264确定滑差频率ωslip调节值。在一个示例性实施例中,处理器264可以以如下方式确定滑差频率ωslip调节值。
处理器264可以将滑差频率ωslip调节值确定为比例积分(PI)控制器的输出,该输出导致在S500处使用第一方法确定的滤波后的定子直轴电压等于在S510处使用第二方法确定的滤波后的定子直轴电压。
在S540处,处理器264确定在S500和S510处使用第一方法和第二方法确定的滤波后的定子直轴电压值之间的误差是否是零。
如果在S540处,处理器264确定误差不是零,则该过程可以返回至S500并且处理器264可以重复S500至S540,并且可以连续调节PI控制器的输出,以将使用第一方法和第二方法确定的定子直轴电压之间的误差保持为零(即,估算的直轴/交轴位置和实际的直轴/交轴位置之间的误差为零,因而使估算的直轴/交轴位置和实际的直轴/交轴位置对准)。
然而,如果在S540处,处理器264确定误差是零,然后在S550处,处理器264使用S530处的滑差频率ωslip调节值控制/调谐估算的滑差频率ωslip。在一个示例性实施例中,处理器264通过从估算的滑差频率ωslip减去/加上滑差频率ωslip调节值以控制/调谐估算的滑差频率ωslip。
在一个示例性实施例中,处理器264确定感应电动机是处于操作模式中或是处于发电模式中,这确定转子的速度是正或负。因此,处理器264将转子速度的适当符号(例如,正或负)应用于滑差频率ωslip调节值。随后,处理器264以滑差频率ωslip调节值调节(例如,减去)估算的滑差频率ωslip值,滑差频率ωslip调节值具有与感应电动机的电动回转(motoring)状态或发电状态对应的校正符号。
在电动回转状态或发电状态中转子的速度的所述符号的应用被在图6中示出。图6图示了根据一个示例性实施例的将转子的滑差频率的调节值应用到滑差频率的估算值的表格。
例如并且如图6所示,在电动回转状态中,转子的速度是-2000转每分钟(RPM),估算的滑差频率ωslip值是-1.87并且确定的滑差频率ωslip调节值是0.02。因此,因为转子的速度的速度符号是负的,因而滑差频率ωslip调节值被乘以-1并且结果被从-1.87减去,这提供-1.85的ωslip控制值。
图5的过程被处理器264实时并且在每个规定的(或可选地,预定的)时间间隔内执行,其中用于执行图5的方法的时间间隔是基于实证研究确定的设计参数并且可以被系统操作员规定/预编程到处理器264中。
确定滑差频率的值和转子时间常数之间的以下关系,如上所述,控制滑差频率ωslip的值导致控制转子时间常数的值。
除了实时调谐滑差频率ωslip的值,处理器264还同样可以实时调谐磁化电感的值。
在一个示例性实施例中,通过估算感应电动机的实际电磁转矩并将估算的转矩与提供至感应电动机的电磁转矩命令进行比较,处理器264调谐磁化电感Lm的值。
在一个示例性实施例中,通过在静止坐标系中确定电机端子功率(感应电动机的实际功率),补偿定子铜损耗和转子铜损耗,并且然后确定感应电动机的机械功率(mechanical power),处理器264可以估算感应电动机的实际转矩。然后通过将机械功率除以转子的机械速度(mechanical speed)以确定估算转矩。下文将参照图7描述该示例性实施例。
图7图示了根据一个示例性实施例的调谐感应电动机的磁化电感的方法。
在S705处,处理器264可以根据以下方程确定电机端子功率Pterm。
其中,Vβs和Vαs是静止坐标系中的电机端子电压,在一个示例性实施例中使用任意已知的端子电压估算方法估算电机端子电压。此外,iβs和iαs是电机电流,在一个示例性实施例中,所述电机电流从使用之前的工作循环中的实际直轴/交轴位置转换而成的直轴电流id和交轴电流iq获得,所述实际直轴/交轴位置由被表示为θv的直轴/交轴位置的估算值表示,如上所述。
在一个示例性实施例中,取代通过在静止坐标系中确定电机端子功率而估算感应电动机的实际转矩,处理器264可以通过在同步坐标系中确定电机端子功率而估算感应电动机的实际转矩。因此,取代方程(14),处理器264可以使用下述方程确定机械功率Pterm。
随后,在S715处,处理器264可以确定与定子铜(stator copper)相关联的功率损耗的量。在一个示例性实施例中,处理器264可以使用以下方程确定定子铜功率损耗。
其中Is是定子的电流并且RsTwndg由下式规定
其中,对于铜,K=234.5并且对于铝K=225,R25C是可以基于实证研究/实验室测量确定的固定值,并且Twndg是转子绕组的实时温度,例如由处理器264使用图1B示出的感测电路124测量所述实时温度。
随后,在S725处,处理器264可以确定与转子铜相关联的功率损耗。在一个示例性实施例中,处理器264可以使用以下方程确定转子铜功率损耗。
其中,rr是转子电阻的调节值并且Iqr是转子的交轴电流。在感应电动机的稳态操作中,转子的直轴电流Idr是零。
基于方程(13),rr可以被再写为:
其中,ωslip是在S540处确定的滑差频率的调谐值。
方程(18)中的转子的交轴电流Iqr可以通过处理器264以如下方式确定。交轴转子磁通量被如下确定:
λqr=Lm*iqs+Lr*iqr (20)
其中,在一个示例性实施例中,对于磁场定向状态(field oriented condition),转子磁通量λqr是零。因此,转子的交轴电流iqr可以被写为:
将方程(19)和(21)代入方程(18)中导致在下述方程(22)中确定与转子的铜相关联的功率损耗。
将接下来的方程(23)和(24)代入方程(22)中,处理器264可以使用方程(25)确定转子的铜的功率损耗值。
其中TCMD是命令转矩值。
在S735处,处理器264确定转矩Test的估算值。在一个示例性实施例中,处理器264可以以如下方式确定转矩Test的估算值。
如上所述,处理器264可以将机械功率确定为由定子铜和转子铜中的功率损耗调节的电机端子功率。因此,处理器264可以根据以下方程确定感应电动机的机械功率。
Pmech=Pterm-Pscu-Prcu (26)
随后,处理器264将估算转矩Test确定为:
其中ωr是转子的机械速度,可以使用诸如图1示出的感测电路124的传感器精确地测量或可以使用任意已知的方法通过处理器264可选地估算所述机械速度。
通过将方程(14)或(15)以及方程(16)和(25)代入方程(26)中并且随后将确定的机械功率Pmech代入方程(27)中,处理器264确定估算转矩Test。
在一个示例性实施例中,根据感应电动机是处于电动回转状态或是处于发电状态,电机端子功率Pterm是正或负。因此,当感应电动机处于电动回转状态中时,在方程(26)中,定子铜功率损耗和转子铜功率损耗(Pscu和Prcu)可以被从电机端子功率Pterm减去。可选地,当感应电动机处于发电状态中时,定子铜损耗和转子铜损耗可以增加到电机端子功率Pterm以产生机械功率。
如上所述,估算转矩Test依赖于磁化电感Lm的值。
随后,在S745处,处理器264可以使用例如滑动平均滤波器对估算转矩Test进行滤波。
在S755处,处理器264确定磁化电感Lm的调节值。在一个示例性实施例中并且在确定用于磁化电感Lm的调节值时,处理器264比较滤波后的转矩Test与命令转矩TCMD。两个转矩值Test和TCMD之间的差值被处理器264馈送到PI控制器中,PI控制器驱动该差值变为零。导致估算转矩Test和命令转矩TCMD之间的差值为零的PI控制器的输出然后被处理器264用作磁化电感Lm的调节值。
在S765处,处理器264使用在S755处确定的调节值调谐处理器264已知的磁化电感Lm的值。
在一个示例性实施例中,可以在查找表(LUT)中提供磁化电感Lm的已知值,该查找表可以已经被预编程进入控制器的数据存储装置260中。LUT可以是表示磁化电感与直轴电流id的多个值或比值的表格。可以基于电机的操作点实时确定直轴电流参照值id,所述操作点包括恒定转矩、恒定功率、乘以机械速度的恒定功率。在一个示例性实施例中,如果估算转矩Test小于命令转矩TCMD,则处理器264将磁化电感Lm的已知值减少与在S755处确定的调节值相等的量。在一个示例性实施例中,如果估算转矩Test大于命令转矩TCMD,则处理器264将已知磁化电感Lm的值增加与在S755处确定的调节值相等的量。
在S775处,处理器264确定在S765处确定的调谐磁化电感是否导致估算转矩Test的值与命令转矩TCMD的值相等。如果在S775处,处理器264确定在S765处确定的调谐磁化电感与命令转矩TCMD的值不同,则过程返回至S705,并且处理器264重复S705至S765,直到估算转矩Test和命令转矩TCMD的值相等(即,估算转矩Test和命令转矩TCMD的值之间的比率是1)。
然而,如果在S755处,处理器264确定在S765处确定的调谐磁化电感等于命令转矩TCMD的值,则过程结束。因此,处理器264可以使用磁化电感的调谐值确定用于驱动感应电动机的控制信号。
在一个示例性实施例中,根据感应电动机是处于操作模式中或是处于发电模式中,处理器264将转子速度的适当符号(正或负的)应用于磁化电感调节值。随后,处理器264将已经被修改以具有与感应电动机的电动回转或发电状态对应的校正符号的磁化电感值调节(例如,减去/增加)到磁化电感Lm的估算值。
转子的速度的符号在电动回转状态或发电状态中的应用被在图8中示出。图8图示了根据一个示例性实施例的将转子的磁化电感的调节值应用到磁化电感值的表格。
例如,并且如图8所示,在电动回转状态中,转子的速度是-2000转每分钟(RPM),磁化电感Lm(经由LUT表格获得)的已知值可以是2.4,并且在S755处确定的磁化电感调节值是0.1。因此,因为转子转矩的转矩符号是负的,因而磁化电感调节值被乘以-1并且结果是被从2.4减去,这提供2.3的调谐磁化电感控制值。
尽管参照图7,提供了用于确定估算转矩Test的示例性实施例,但是任意当前已知的或待研发的用于确定Test的方法可以被处理器264利用。
例如并且作为用于确定Test的上述方法的替换例,处理器264可以通过首先估算定子磁通量λβS和λαS,并且随后使用估算的定子磁通量来确定Test。处理器264可以使用下述方程(26)和(27)并且随后向方程(28)应用所确定的λβS和λαS来确定定子的磁通量,以确定Test。
λαs=∫Vαs-(iαs*rs).dt (28)
λβs=∫Vβs-(iβs*rs).dt (29)
在一个示例性实施例中,处理器264可以同时地进行滑差频率ωslip和磁化电感Lm的调谐。
在一个示例性实施例中,处理器264可以执行指令以使滑差频率ωslip和磁化电感Lm的自动调谐有效/无效。例如,可以具有被编程和存储在图2示出的数据存储装置260上的统一的自动调谐有效标记逻辑。在一个示例性实施例中,处理器264可以执行该统一的自动调谐有效标记逻辑。当标记为高时,处理器264可以使滑差频率ωslip和磁化电感Lm的自动调谐有效。当标记为低时,处理器264可以向用于滑差频率ωslip和磁化电感Lm的自动调谐PI输入零误差,因而在自动调谐过程被关闭之前迫使自动调谐PI补偿器保持其最后的滑差频率ωslip和磁化电感Lm的值。
一旦滑差频率和磁化电感的调谐值被确定,则处理器264可以利用滑差频率和磁化电感的调谐值来确定用于控制感应电动机的控制信号。
示例性实施例如此被描述,明显的将是,可以以许多方式改变示例性实施例。这种改变不被认为违反示例性实施例的精神和范围,并且对于本领域的技术人员明显的所有的这种修改旨在被包括在权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种自动调谐感应电动机的参数的方法,包括下述步骤:
确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的估算值的第一调节值;
确定用于感应电动机的电感的第二调节值;以及
基于第一调节值和第二调节值,分别地调谐转子的滑差频率的所述估算值和感应电动机的电感,
其中,确定第一调节值包括:
使用第一方法和第二方法确定感应电动机的直轴电压,使用所述第一方法确定的直轴电压依赖于所述滑差频率,而使用所述第二方法确定的直轴电压不依赖于所述滑差频率;以及
基于使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压来确定第一调节值,
其中确定第二调节值的步骤包括:
估算感应电动机的电磁转矩,以及
基于转矩命令和感应电动机的估算的电磁转矩,确定所述第二调节值。
2.根据权利要求1所述的方法,其中实时地执行确定第一调节值的步骤、确定第二调节值的步骤以及调谐转子的滑差频率的估算值和感应电动机的电感的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,使用第一方法确定直轴电压的步骤包括将直轴电压确定为直轴端子电压命令的估算值。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,使用第二方法确定直轴电压的步骤包括将直轴电压确定为感应电动机中的定子的观测直轴电压。
5.根据权利要求4所述的方法,其中定子的观测直轴电压独立于滑差频率的变化。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,当通过第一调节值对滑差频率进行调谐时,使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压之间的比率等于1。
7.根据权利要求1所述的方法,其中基于转子的机械功率和机械速度以及感应电动机的定子磁通量的估算值中的至少一个,估算所述电磁转矩。
8.根据权利要求7所述的方法,进一步包括:
确定感应电动机的定子的第一功率损耗值,
确定转子的第二功率损耗值,以及
基于确定的第一功率损耗值和确定的第二功率损耗值来调节感应电动机的功率,其中
基于被调节的功率和转子的机械速度,估算所述电磁转矩。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,当通过第二调节值对感应电动机的电感进行调谐时,转矩命令和估算的电磁转矩之间的比率等于1。
10.根据权利要求1所述的方法,进一步包括:
基于调谐后的滑差频率和调谐后的电感驱动感应电动机。
11.一种自动调谐感应电动机的参数的装置,包括:
存储器,所述存储器被配置成用于将计算机可读指令存储在该存储器上;和
处理器,所述处理器被配置成用于执行所述计算机可读指令,以确定用于感应电动机中的转子的滑差频率的估算值的第一调节值;
确定用于感应电动机的电感的第二调节值;以及
基于第一调节值和第二调节值,分别地调谐转子的滑差频率的所述估算值和感应电动机的电感,
其中,处理器被配置成通过以下操作确定第一调节值:
使用第一方法和第二方法确定感应电动机的直轴电压,使用所述第一方法确定的直轴电压依赖于所述滑差频率,而使用所述第二方法确定的直轴电压不依赖于所述滑差频率,以及
基于使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压确定第一调节值,
其中处理器被配置成通过以下步骤确定第二调节值:
估算感应电动机的电磁转矩,以及
基于转矩命令和感应电动机的估算的电磁转矩,确定所述第二调节值。
12.根据权利要求11所述的装置,其中处理器被配置成:
实时地确定第一调节值和第二调节值,以及
实时地调谐感应电动机的滑差频率的所述估算值和电感。
13.根据权利要求11所述的装置,其中,处理器被配置成通过将直轴电压确定为直轴端子电压命令的估算值,而使用第一方法来确定直轴电压。
14.根据权利要求11所述的装置,其中,处理器被配置成通过将直轴电压确定为感应电动机中的定子的观测直轴电压,而使用第二方法来确定直轴电压。
15.根据权利要求14所述的装置,其中定子的观测直轴电压独立于滑差频率的变化。
16.根据权利要求11所述的装置,其中当处理器通过第一调节值对滑差频率进行调谐时,使用第一方法确定的直轴电压和使用第二方法确定的直轴电压之间的比率等于1。
17.根据权利要求11所述的装置,其中,处理器被配置成基于转子的机械功率和机械速度以及感应电动机的定子磁通量的估算值中的至少一个,估算所述电磁转矩。
18.根据权利要求17所述的装置,其中处理器进一步地被配置成:
确定感应电动机的定子的第一功率损耗值,
确定转子的第二功率损耗值,以及
基于确定的第一功率损耗值和确定的第二功率损耗值来调节感应电动机的功率,其中
处理器被配置成基于调节后的功率和转子的机械速度来估算所述电磁转矩。
19.根据权利要求11所述的装置,其中当处理器通过第二调节值对感应电动机的电感进行调谐时,转矩命令和估算的电磁转矩之间的比率等于1。
20.根据权利要求11所述的装置,其中处理器被进一步配置成基于被调谐的滑差频率和被调谐的电感来驱动感应电动机。
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