CN106575939B

CN106575939B - 电机辨识

Info

Publication number: CN106575939B
Application number: CN201480080348.4A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·特罗勒; 桑吉特·库马尔·德维韦迪
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2019-08-16
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: EP3167545A1; CN106575939A; EP3496265B1; EP3167545B1; US10359472B2; EP3496265A1; US20170139011A1; WO2016005790A1

Abstract

本发明描述了一种用于辨识多相(通常是3相)电机的电机类型的算法。该算法向该电机的相位施加一系列有源电压矢量脉冲并且测量每个施加的电压矢量的电流上升时间。该电机类型是基于所测得的电流上升时间确定的。

Description

电机辨识

发明领域

本发明涉及电机类型辨识。

发明背景

图1示出了总体上由参考数字1指示的简单的电机系统。电机系统1包括三相电机2、交流电源4、变流器6、逆变器8以及控制模块10。

交流电源4的输出端连接至变流器6的输入端。变流器6对交流电源4的交流输入进行整流(变流器6可以是整流器，尽管诸如有源前端的其他替代方案是有可能的)。变流器6的经整流的输出给逆变器8提供直流电。以本领域所熟知的方式，该逆变器模块包括切换模块，该切换模块通常包括由栅极控制信号驱动的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以便将直流电压转换成具有依赖于这些栅极控制信号的频率和相位的交流电压。这些栅极控制信号由控制模块10提供。以此方式，可以容易地控制至电机2的每个输入的频率、相位和振幅。

逆变器8与控制模块10进行双向通信。该逆变器通常监测与电机2的三个连接中的每一个连接中的电流和电压并且将电流和电压数据提供给控制模块10(尽管一点也没有必要使用电流传感器和电压传感器两者)。当生成根据需要操作电机所要求的栅极控制信号时，控制模块10可以利用电流和/或电压数据(当可供使用时)；另一个安排是估计来自绘制的电压的电流和切换模式-也存在其他控制安排。

电机2可以采用许多不同的形式。示例性电机类型包括感应电机、同步磁阻电机和不同形式的永磁电机。不同的电机类型通常需要不同的控制算法。如果系统1允许改变电机2的类型，则为了系统1控制电机2，有必要辨识电机类型。

已知电机调试算法需要技术人员手动输入正在使用的电机类型。技术人员可能输入错误的电机类型，其结果是不能正确控制电机。在一些情况下，这可能导致电机低效地运行。在其他情况下，这可能导致电机根本不能运行。

仍然需要提供用于辨识电机类型的经改进的或替代性方法。

本发明力图着手解决以上概述问题中的至少一些问题。

发明概述

本发明提供了一种用于辨识多相(通常是3相)电机的电机类型的方法，该方法包括：依次向该电机的每个相位施加电压脉冲(“有源”电压矢量脉冲)，这些电压脉冲包括用于该电机的每个相位的正电压脉冲和负电压脉冲；测量每个施加的电压脉冲的电流上升时间；并且根据所测得的电流上升时间确定该电机类型。该电流上升时间可以被定义为电流响应于施加电压脉冲而上升至预定义水平所花费的时间；然而，替代性定义是可能的，如与产生的电流和有源电压矢量的接通时间之间的比率相关的定义。

本发明可以进一步包括确定每个施加的电压脉冲的电流上升时间是否是相同的，并且如果相同，则辨识该电机类型是异步电机。如果两个上升时间在误差界限内相同，则可以确定它们是相同的。通过举例方式，合适的误差界限可以是±10微秒，但可以使用不同的误差界限(包括表示为百分比的界限，如±5％)。

本发明可以进一步包括确定该电机的每个相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的(但所有相位的上升时间不相等)，并且如果相等，则辨识该电机类型是同步磁阻电机。如果所施加的正电压脉冲和负电压脉冲的上升时间在误差界限内相同，则认为它们是相等的。通过举例方式，合适的误差界限可以是±10微秒，但可以使用不同的误差界限(包括表示为百分比的界限，如±5％)。可以在已经确定响应于所施加的脉冲的电流上升时间不全都相同之后来应用这个步骤。

本发明可以进一步包括确定针对该电机的每个相位所施加的正电压脉冲和负电压脉冲的上升时间的平均值。可以在已经确定该电机的至少一个相位具有响应于所施加的正电压脉冲和负电压脉冲的电流上升时间是不同的之后来应用这个步骤。

本发明可以进一步包括确定每个相位的平均上升时间(即，正脉冲和负脉冲两者)是否是相等的(但不是所有相位的所有上升时间是相等的)，并且如果相等，则辨识该电机类型为表面贴装式永磁电机。如果每个相位的平均上升时间在误差界限内是相同，则可以认为它们是相等的。在这种情况下，可能更加难以预测合适的误差界限，因为这个上升时间根据不同类型的转子磁体、不同的定子铁芯的饱和特性和不同的永磁电机额定电流将会不同。然而，如上所述，这种上升时间的辨别将经常比针对异步电机设定的水平更大。

本发明可以进一步包括确定每个相位的平均上升时间是否相等，并且如果不相等，则辨识该电机的、不具有最高平均上升时间或最低平均上升时间的中间相位。如果每个相位的平均上升时间在误差界限内是相同，则可以认为它们是相等的。通过举例方式，合适的误差界限可以是±10微秒，但可以使用不同的误差界限(包括表示为百分比的界限，如±5％)。

本发明可以进一步包括确定该电机的所辨识的中间相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的，并且如果相等，则辨识该电机类型是内置式永磁电机。如果针对具体相位施加的正电压脉冲和负电压脉冲的平均上升时间在误差界限内相同，则认为它们是相等的。通过举例方式，合适的误差界限可以是±10微秒，但可以使用不同的误差界限(包括表示为百分比的界限，如±5％)。电机被辨识为内置式永磁电机可能另外要求每个相位的平均上升时间不相等。

本发明可以进一步包括确定该电机的所辨识的中间相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的，并且如果不相等，则辨识该电机类型是反相内置式永磁电机。如果每个相位的平均上升时间在误差界限内是相同，则可以认为它们是相等的。通过举例方式，合适的误差界限可以是值±10微秒，但可以使用不同的误差界限(包括表示为百分比的界限，如±5％)。电机被辨识为反相内置式永磁电机可能另外要求每个相位的平均上升时间不相等。

本发明还提供了一种设备，该设备包括：被配置成用于依次向电机的每个相位施加电压脉冲的输出端，这些电压脉冲包括用于该电机的每个相位的正电压脉冲和负电压脉冲；用于确定每个施加的电压脉冲的电流上升时间的装置；以及用于根据所测得的电流上升时间确定该电机类型的装置。清楚地，本发明的上述任何特征(单独或组合)可以形成本发明的设备的一些实施例的一部分。

附图简要说明

现在将参考以下示意图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了已知的逆变器驱动系统；

图2是示出了根据本发明一方面的算法的流程图；

图3是根据本发明的一方面的示出所施加的电压脉冲的表示的三相电机的矢量图；

图4是根据本发明的一方面的示出所施加的电压脉冲的表示的三相电机的矢量图；

图5是示出了响应于电压脉冲施加于示例性异步电机而生成的电机电流的绘图；

图6是示出了响应于电压脉冲施加于示例性同步磁阻电机而生成的电机电流的绘图；

图7是示出了响应于电压脉冲施加于示例性表面永磁同步电机而生成的电机电流的绘图；并且

图8是示出了响应于电压脉冲施加于示例性内置式永磁同步电机而生成的电机电流的绘图。

发明详细说明

图2是示出了根据本发明一方面的总体上由参考数字20指示的算法的流程图。

算法20始于步骤21，并且接着移至步骤22。在步骤22，指示该算法可以辨识的电机类型。如图2中所示，电机ID＝1指示电机是异步电机(ASM)，电机ID＝2指示电机是表面贴装式永磁同步电机(SMPSM)，电机ID＝3指示电机是内置式永磁同步电机(IPMSM)，电机ID＝4指示电机是反相内置式永磁同步电机(InvIPMSM)并且电机ID＝5指示电机是同步磁阻电机(SynRM)。由于电机类型在此阶段是未知的，所以变量电机ID在步骤22中被设定为0。图2中所示的电机类型仅以举例方式提供。本发明的原理可以用于辨识那些电机类型的一个子集并且可以扩展至辨识其他电机类型。

接下来，在算法20的步骤24，向电机施加六个不同的有源电压矢量脉冲。

图3是根据本发明的一方面的示出所施加的电压矢量脉冲的表示的三相电机的矢量图。在图3的实例中，施加正U电压矢量。如图3中所示，响应于施加正U电压(使得没有正电压施加于电机的v相或w相)，诱发正U相电流矢量(I_su)(使得电流通过u相连接流入电机)。如在图3中所示，如果电流通过u相连接流入电机，那么电流必须通过电机的v相和w相流出电机(使得提供负电流矢量I_sv和I_sw)。

在算法20的步骤24中，依次向电机10施加六个有源电压矢量脉冲。图3中所示的正U矢量是那六个电压脉冲之一。第二电压脉冲是如图4中所示的负U矢量。如图4中所示，负U矢量引起电流通过v相和w相连接(正I_sv和I_sw)流入电机10，并且引起电流从u相连接(负I_su)流出。

除了正的和负的U矢量之外，步骤24还施加正V电压脉冲、负V电压脉冲、正W电压脉冲以及负W电压脉冲。六个有源电压矢量通常使用(u，v，w)坐标系被如下引用：

(1，0，0)＝正U电压矢量

(0，1，1)＝负U电压矢量；

(0，1，0)＝正V电压矢量；

(1，0，1)＝负V电压矢量；

(0，0，1)＝正W电压矢量；以及

(1，1，0)＝负W电压矢量。

在步骤24，当每个有源电压矢量脉冲施加于电机时，记录电流响应于电压脉冲而上升至定义水平所花费的时间(下面被称为电流上升时间)。应注意，电流上升时间的替代性定义是有可能的，并且这样的替代定义在本发明的范围内。

因此，在步骤24完成时，记录六个不同的电流上升时间，即，响应于以下电压脉冲的电流上升时间：正u脉冲、负u脉冲、正v脉冲、负v脉冲、正w脉冲、负w脉冲。这些上升时间分别被称为u⁺、u^-、v⁺、v-、w⁺和w^-上升时间。这些数据用于确定电机类型，如下面进一步描述的。

算法20从步骤24移至步骤26，在该步骤，确定所有六个上升时间是否是相等的，即，确定是否：

u⁺＝u^-＝v⁺＝v^-＝w⁺＝w^-

如果这些上升时间在误差界限内相同，则这些上升时间被认为是相等的。例如，如果所有六个上升时间全都在平均上升时间的10微秒内或至平均上升时间5％内，则可以认为它们是相等的。当然，替代性误差界限是有可能的。误差界限可以例如取决于所讨论的电机的类型或大小。

如果所有上升时间相等，则电机ID在算法20的步骤36被设定为1(指示已经辨识异步电机(ASM))并且该算法然后在步骤42终止。如果不相等，则该算法移至步骤28。

在步骤28，确定具体相矢量的两个方向的上升时间是否相同。因此，确定是否(在误差界限内)：

u⁺＝u^-；并且

v⁺＝v^-；并且

w⁺＝w^-

例如，如果测得的上升时间在给定的误差界限内(例如，彼此的10微秒或5％内)，则可以认为w⁺与w^-相同。

如果是这样，则算法移至步骤40，在该步骤，电机ID被设定为5(指示电机已经被辨识为同步磁阻电机)并且该算法然后在步骤42终止。如果不是，则该算法移至步骤30。

在步骤30，通过取正u和负u上升时间的平均值来确定平均相u上升时间。类似地，确定平均v相和w相上升时间。因此，计算以下内容：

u_平均＝(u^-+u⁺)/2；

v_平均＝(v^-+v⁺)/2；并且

w_平均＝(w^-+w⁺)/2。

根据三个平均时间，确定具有最大平均上升时间(表示为T_max)的相位、具有中间平均上升时间(表示为T_mid)的相位、和具有最小上升时间(表示为T_min)的相位。除了每个相位的平均时间，还记录u+、u-、v⁺、v^-、w⁺和w^-的单独时间。该算法然后移至步骤32。

在步骤32，确定所有三个平均时间u_平均、V_平均、W_平均是否相等，并且最大单独上升时间对应于在相反方向上具有最小上升时间的相同相位。如果是这样，则电机ID在算法20的步骤37被设定为2(指示已经辨识表面贴装式永磁电机(SMPSM))并且该算法然后在步骤42终止。如果不是，则该算法移至步骤34。应注意，通常，如果平均上升时间相等，但不是所有的上升时间相等，则具有最大单独上升时间的相位将也是在相反方向上具有最小上升时间的相位，因此，该测试的这个第二部分可以省略。然而，其在一些情况下可能是有用的，不只是提供是否满足这项测试的额外检查。

在步骤34，确定所有三个平均时间u_平均、V_平均、W_平均是否不同，并且考虑具有中间上升时间(T_mid)的相位。针对那个相位，确定正上升时间是否等于负上升时间(可能在误差界限内)。如果是这样，则电机ID在算法20的步骤38被设定为3(指示已经辨识内置式永磁同步电机(IPMSM))并且该算法然后在步骤42终止。如果不是，则电机ID被设定为4(指示已经辨识反相内置式永磁同步电机(InvIPMSM))并且该算法在步骤42终止。

上述算法20提供了用于辨识电机类型的一些示例性方法。图5至图8示出了辨识具体电机类型的实例方法。

图5是响应于电压脉冲施加于示例性异步电机而生成的电机电流的绘图，总体上由参考数字50指示。

绘图50示出了示例性电机中的电机u相、v相和w相电流。示出了响应于六个有源电压矢量脉冲的电流。第一电流脉冲51响应于正u相电压脉冲，第二电流脉冲52响应于负u相电压脉冲，第三电流脉冲53响应于正v相电压脉冲，第四电流脉冲54响应于负v相电压脉冲，第五电流脉冲55响应于正w相电压脉冲，并且第六电流脉冲56响应于负w相电压脉冲。

第一和第二电流脉冲51和52响应于u相电压脉冲。由于以上参照图3和图4解释的原因，u相电压脉冲导致大的u相电流和较小的v相和w相电流。类似地，响应于v相电压脉冲，第三和第四电流脉冲53和54包括大的v相电流和较小的u相和w相电流。最后，响应于w相电压脉冲，第五和第六电流脉冲55和56包括大的w相电流和较小的u相和v相电流。

测得所有电流脉冲51至56的上升时间为约800μs。因此，所有电流脉冲的上升时间都是相同的。换言之：

u⁺＝u^-＝v⁺＝v^-＝w⁺＝w^-＝800μs

遵循算法20，步骤26的答案为肯定的。因此，图5中测试的电机被正确辨识为异步电机。

图6是示出了响应于电压脉冲施加于示例性同步磁阻电机而生成的电机电流的绘图，总体上由参考数字60指示。

绘图60示出了示例性电机中的电机u相、v相和w相电流。关于上述绘图50，示出了响应于六个有源电压矢量脉冲的电流。第一电流脉冲61响应于正u相电压脉冲，第二电流脉冲62响应于负u相电压脉冲，第三电流脉冲63响应于正v相电压脉冲，第四电流脉冲64响应于负v相电压脉冲，第五电流脉冲65响应于正w相电压脉冲，并且第六电流脉冲66响应于负w相电压脉冲。

应清楚，绘图60中的脉冲不全都具有相同的上升时间。因此，算法20的步骤26的答案为否定的，使得算法20移至步骤28。

绘图60中的不同脉冲的上升时间如下：

u⁺＝u^-＝600μs；并且

v⁺＝v^-＝1200μs；并且

w⁺＝w^-＝400μs

因此，每个相位(正和负)的上升时间是相同的，使得算法20的步骤28的答案为肯定的。因此，图6中测试的电机被正确辨识为同步磁阻电机。

图7是示出了响应于电压脉冲施加于示例性表面永磁同步电机而生成的电机电流的绘图，总体上由参考数字70指示。

绘图70示出了示例性电机中的电机u相、v相和w相电流。关于上述绘图50和60，示出了响应于六个有源电压矢量脉冲的电流。第一电流脉冲71响应于正u相电压脉冲，第二电流脉冲72响应于负u相电压脉冲，第三电流脉冲73响应于正v相电压脉冲，第四电流脉冲74响应于负v相电压脉冲，第五电流脉冲75响应于正w相电压脉冲，并且第六电流脉冲76响应于负w相电压脉冲。

绘图70中的不同脉冲的上升时间如下：

u⁺＝400μs；

u^-＝500μs；

v⁺＝400μs；

v^-＝500μs；

w⁺＝700μs；并且

w^-＝200μs

应清楚，绘图70中的脉冲不全都具有相同的上升时间。还应清楚，绘图70中的相同相位的正脉冲和负脉冲不具有相同的上升时间。因此，算法20的步骤26和步骤28两者的答案均为否定的，使得算法20移至步骤30。

在步骤30，确定每个相位的平均上升时间(正和负两者)。在这种情况下，所有相位具有450μs)的平均上升时间。因此，图7中测试的电机被正确辨识为表面永磁同步电机(SPMSM)。

图8是示出了响应于电压脉冲施加于示例性内置式永磁同步电机而生成的电机电流的绘图，总体上由参考数字80指示。

绘图80示出了示例性电机中的电机u相、v相和w相电流。关于上述绘图50、60和70，示出了响应于六个有源电压矢量脉冲的电流。第一电流脉冲81响应于正u相电压脉冲，第二电流脉冲82响应于负u相电压脉冲，第三电流脉冲83响应于正v相电压脉冲，第四电流脉冲84响应于负v相电压脉冲，第五电流脉冲85响应于正w相电压脉冲，并且第六电流脉冲86响应于负w相电压脉冲。

绘图80中的不同脉冲的上升时间如下：

u⁺＝1000μs；

u^-＝800μs；

v⁺＝2400μs；

v^-＝1600μs；

w⁺＝1400μs；并且

w^-＝1400μs

应清楚，绘图80中的脉冲不全都具有相同的上升时间，并且绘图80中的同一相位的正脉冲和负脉冲不具有相同的上升时间。因此，算法20的步骤26和步骤28两者的答案均为否定的。还应清楚，电机的三个相位的平均上升时间是不同的，使得步骤32的答案也是否定的。算法20因此移至步骤34。

在步骤34，确定所有三个平均上升时间u_平均、V_平均、W_平均是否是不同的和具有中间上升时间(T_mid)的相位(w相)在两个方向上是否具有相同的上升时间。因此，电机被正确辨识为内置式永磁同步电机(IPMSM)。

如上参照图2描述的用于辨识电机类型的不同方法仅以举例方式提供；存在替代方案。例如，可以通过考虑正方向和负方向上的上升时间差来辨识不同的电机类型，并且整个逻辑基于这个时间增量(Δt)，并且辨识过程对应于首先通过六个不同方向上的电压脉冲并且接着施加额外测试脉冲来确定磁轴的位置。进一步地，可能存在考虑电机本身的物理参数的另外变体。

本发明的上述实施例仅仅是通过举例的方式提供的。本领域的技术人员将会知道在不偏离本发明的范围的情况下可以进行的许多修改、变化以及替换。例如，尽管已经参照三相电机总体描述了本发明，但本发明的原理适用于其他多相电机。本发明的权利要求书旨在涵盖如落在本发明的精神和范围内的所有这样的修改、变化和替换。

Claims

1.一种用于辨识多相电机的电机类型的方法，该方法包括：

将电压脉冲依次施加于该电机的每个相位，这些电压脉冲包括用于该电机的每个相位的正电压脉冲和负电压脉冲；

测量每个施加的电压脉冲的电流上升时间；

根据所测得的电流上升时间确定该电机类型，

该方法进一步包括确定针对该电机的每个相位所施加的正电压脉冲和负电压脉冲的上升时间的平均值，以及

确定每个相位的平均上升时间是否相等，并且如果不相等，则辨识该电机的不具有最高平均上升时间或最低平均上升时间的中间相位。

2.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：

确定每个施加的电压脉冲的电流上升时间是否是相同的，并且如果是这样，则辨识该电机类型是异步电机。

3.如权利要求2所述的方法，该方法进一步包括：

在确定所施加的电压脉冲不全都具有相同的电流上升时间的情况下，确定该电机的每个相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的，并且如果相等，则辨识该电机类型是同步磁阻电机。

4.如权利要求3所述的方法，该方法进一步包括在确定所述电机的每个相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲不相等的情况下，确定每个相位的平均上升时间是否相等，并且如果相等，则辨识该电机类型为表面贴装式永磁电机。

5.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括确定该电机的所辨识的中间相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的，并且如果相等，则辨识该电机类型为内置式永磁电机。

6.如权利要求1或权利要求5所述的方法，该方法进一步包括确定该电机的所辨识的中间相位的电流上升时间针对那个相位的所施加的正电压脉冲和所施加的负电压脉冲是否是相等的，并且如果不相等，则辨识该电机类型为反相内置式永磁电机。

7.一种用于辨识多相电机的电机类型的设备，包括：

被配置成用于依次向电机的每个相位施加电压脉冲的输出端，这些电压脉冲包括用于该电机的每个相位的正电压脉冲和负电压脉冲；

用于确定每个施加的电压脉冲的电流上升时间的装置；

用于根据所测得的电流上升时间确定该电机类型的装置，所述用于根据所测得的电流上升时间确定该电机类型的装置包括；

用于确定针对该电机的每个相位所施加的正电压脉冲和负电压脉冲的上升时间的平均值的装置；

用于确定每个相位的平均上升时间是否相等的装置；

用于辨识该电机的不具有最高平均上升时间或最低平均上升时间的中间相位的装置，所述用于辨识该电机的不具有最高平均上升时间或最低平均上升时间的中间相位的装置被配置成：在所述用于确定每个相位的平均上升时间是否相等的装置确定每个相位的平均上升时间不相等的情况下，辨识该电机的不具有最高平均上升时间或最低平均上升时间的中间相位。