CN107681942A - 使用dc总线谐波的电机转矩波动的减小 - Google Patents

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Abstract

一种减小/消除电动机中的波动的方法及系统。感测输入电信号中的电参数，诸如电流。使用一个或多个电流传感器和离散傅里叶变换计算来检测所述信号中的波动。通过使用闭环配置调整正从驱动器控制向电动机发送的所述电信号来减小波动。所述电动机可以是被配置来从电网吸取电力或向其供应电力的再生电动机。

Description

使用DC总线谐波的电机转矩波动的减小
背景技术
本公开大体涉及电动机。更确切地，本公开涉及电动机中的转矩波动的减小。
电动机用于许多不同应用。现有电动机可能经受影响电动机操作的所不希望的谐波。谐波存在各种不同原因。例如，电流测量中的偏移和增益误差分别造成驱动器与电机系统中的一次谐波和二次谐波。电机构造中的振幅和空间误差以及公用电力系统中的不平衡均可促成六次谐波。谐波的结果可产生对于正由电动机驱动的对象可能不利的转矩波动，从而造成正被驱动的对象的非均匀性。实质上，转矩波动是正由电动机提供的转矩的变化。当人们正由电动机传送时(诸如在车辆、电梯、自动扶梯及类似物中)，尤其是在正被驱动的装置可放大变化的情况下，转矩波动可能是特别讨厌的。
发明概述
根据一个实施方案，一种方法包括：感测输入电信号的电参数；检测所述电参数的AC分量中的波动；确定减小所述AC分量中的所述波动的校正值；以及将所述校正值应用至向电动机供应的电信号以减小转矩波动。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述电参数选自电流、电压或功率。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括：检测所述波动包括使用对所述输入电信号的离散傅里叶变换来检测非零结果。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括：分析向所述电动机供应的所述电信号以产生将所述波动减小至零的闭环控制。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：向所述电动机供应的所述电信号包括三相AC信号；并且分析向所述电动机供应的所述电信号包括测量所述三相AC信号的三相中的至少两相的电流。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述输入电信号是DC电信号；并且感测所述电参数包括感测所述DC电信号中的AC分量。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：感测所述DC电信号中的所述AC分量包括使用优化的电流传感器来检测所述DC信号中的非零AC分量。
根据一个实施方案，一种系统包括：DC功率输入；逆变器，所述逆变器被布置来将所述DC功率输入转换成三相AC功率；驱动器控制，所述驱动器控制联接到所述逆变器；以及电动机，所述电动机联接到所述驱动器控制，其中：所述驱动器控制被布置来执行：感测所述DC功率输入的电参数；检测所述电参数的AC分量中的波动；确定减小所述AC分量中的所述波动的校正值；以及将所述校正值应用至向所述电动机供应的电信号以减小转矩波动。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述电参数选自电流、电压或功率。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：检测所述波动包括使用对所述输入电信号的离散傅里叶变换来检测非零结果。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中所述驱动器控制进一步被布置来执行：分析向所述电动机供应的所述电信号以产生将所述波动减小至零的闭环控制。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：向所述电动机供应的所述电信号包括三相AC信号；并且所述分析向所述电动机供应的所述电信号包括测量所述三相AC信号的三相中的至少两相的电流。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述输入电信号是DC电信号；并且所述感测所述电参数包括感测所述DC电信号中的AC分量。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述感测所述DC电信号中的所述AC分量包括使用优化的电流传感器来检测所述DC信号中的非零AC分量。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中所述电流传感器包括：芯，所述芯具有被布置来防止所述芯饱和的至少一个气隙；以及线，所述线布置在所述芯周围，其中所述线具有20至30欧姆的电阻
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述线位于印刷电路板(PCB)上。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述芯选自铁氧体、脱氧钢(solid steel)或复膜铁(laminated steel)。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括：AC功率输入；以及转换器，所述转换器被布置来将所述AC功率输入转换成DC功率输入。
除了上述特征中的一个或多个之外，或者作为替代方案，另外实施方案可包括其中：所述AC功率输入是三相功率输入。
本公开的实施方案的技术效果包括一种系统，所述系统通过感测DC功率输入中的AC波动并应用导致转矩波动减小或消除的校正值来减小转矩波动。
这些和其他优点和特征将从以下结合附图进行的描述变得更加显而易见。
通过本公开的技术实现另外的特征。其他实施方案在本文得到详细描述并且被认为是权利要求书的一部分。为了更好地理解本公开及特征，参考说明书和附图。
附图简述
被认为是本公开的主题在本说明书完结处的权利要求书中具体地指出并且明确地要求保护。前述特征从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：
图1是示出具有非再生或电池操作的驱动器的实施方案的图；
图2是示出具有再生驱动器的实施方案的图；
图3是示出一个实施方案的操作的方框图；并且
图4示出一个实施方案的电流传感器。
应理解，附图未必按比例，并且有时用图解法和在局部视图中例示所公开的实施方案。在某些情况下，可能已经省略对于理解本公开并非必要的或使得其他细节难以察觉的细节。当然，应理解，本公开不限于本文所例示的特定实施方案。
具体实施方式
现在将参照相关附图来描述各种实施方案。在不背离本详述的范畴的情况下，可以设计出替代实施方案。可在以下描述和附图中陈述元件之间的各种连接。除非另有规定，否则这些连接可以是直接的或间接的，并且本说明书并不意图在此方面是限制性的。因此，实体的联接可以是指直接或间接连接。
如上所述，转矩波动可造成正由电动机驱动的对象的所不希望的振动。当电动机在可激励出机械共振的环境中使用时，这可能是特别麻烦的。转矩波动的一种潜在原因是系统中正在使用的电流传感器中的误差。电流传感器中的偏移误差可造成每循环一次的转矩波动。如果不同相中的电流传感器具有振幅误差，那么可产生二次谐波误差。
现在转向对一个实施方案的综述，本文描述可用于减小或消除电机转矩波动的闭环控制方法。测量并使用DC总线谐波来减小转矩波动。用于减小转矩波动的信息可包括功率或电流或电压信息。收集实时DC总线谐波信息以用于离散傅里叶变换(DFT)分析。在包括输出频率范围、电流和功率电平及类似者的适当“开窗”时间内计算一次谐波、二次谐波及六次谐波。基于DFT的结果，导出恒定或变化缓慢的误差，并将其馈送到适当公式中并馈送到闭合控制环中，以将其考虑在内。可在驱动器的操作期间追踪所有误差，从而实时地调节电机转矩波动。DC总线谐波是DC信号的AC分量，并且可使用对一定AC频率高度灵敏的电流传感器来感测。
现在转向对一个或多个实施方案的更详细描述，图1中呈现示出非再生/电池操作的驱动器应用的图。图1示出可在一个或多个实施方案中使用的系统100。系统100包括输入到逆变器110中的直流(DC)功率。DC功率输入具有可在伏特表104处测量的电压(Vdc)以及可在电流传感器102处测量的电流(Idc)。输入还可具有由电容器106表示的电容。
逆变器110的输出是三相交流(AC)功率，其包括第一相130、第二相132及第三相134。通过每一相的AC电流可在电流传感器122处测量(指示为Iu)和在电流传感器124处测量(指示为Iv)(如果存在第三电流传感器，它将指示为Iw，其中u、v和w是三相功率中的三相的传统标记)。因为三相功率的性质，在一些实施方案中仅使用两个电流传感器，因为第三相中的电流可使用另两相中的电流来计算(通过三相系统中的所有三相的电流的和总是为零)。电流用于驱动电机126。
现在转向另一个实施方案，图2中呈现示出再生驱动器应用的图。在再生驱动器实施方案中，由电机产生的电流可向电网供应功率。再生驱动器可在例如电梯配置中使用-当电梯轿厢正在一个方向上行进时，再生驱动器使用功率来驱动电动机；当电梯轿厢正在相反方向上行进时，再生驱动器向电网供应功率。人们可将这种情况看成总是向吸能源供应功率。在一些情况下，吸能源是电机，因为电机正接收电功率。在一些情况下，吸能源是电网，因为电机产生电力并将电力供应给电网。因此，应理解，图2的系统中的电力流可在两个方向上行进。
图2示出可在一个或多个实施方案中使用的系统200。图2的右边部分与以上相对于图1所描述类似。系统200包括输入到逆变器210中的功率。输入具有可在伏特表204处测量的电压(Vdc)以及可在电流传感器202处测量的电流(Idc)。输入还可具有由电容器206表示的电容。
逆变器210的输出是三相AC功率，其包括第一相230、第二相232及第三相234。通过每一相的电流可在电流传感器222和电流传感器224处测量。因为三相功率的性质，在一些实施方案中仅使用两个电流传感器，因为第三相中的电流可使用另两相中的电流来计算。为了进一步说明这一点，电流传感器222和224在与图1所例示不同的位置，但两种情况的结果是相同的。电流用于驱动电机226。
到逆变器210的输入来自公共设施276。公共设施276通过连接件280、282和284向转换器260供应三相功率。通过每一相的电流可由电流传感器272(测量Ir)和电流传感器274(测量Is)测量。如上所述，通过第三相的电流可基于通过另两相的电流来计算。转换器260被配置来将AC功率转换成DC功率。
如以上所讨论，电流传感器(诸如元件122、124、222、224、272和274)中的误差可导致功率波动，功率波动可能是转矩波动的原因。过去，潜在转矩波动问题的一种解决方案是在所有三个输出相或两个输出相上使用更准确且更精密的电流传感器。这种解决方案引起额外成本。另一种解决方案是针对任何这样的问题使用开环补偿。然而，这种解决方案要求知道误差，这可能是一个问题，因为电流传感器中的误差可受环境(诸如温度)影响。
一种解决方案可能是使用闭环补偿系统。电流传感器102测量Idc，即系统中的DC总线电流的量。因此，测量出系统中的实际功率。DC总线上的功率波动导致电机中的转矩波动。因为我们仅从DC信号中寻找AC分量并且最终AC信号被驱动至成为零，所以不必具有非常精密的电流测量结果。替代使用非常精密的电流传感器，人们可使用精密度较低但对AC波动高度灵敏的电流传感器。
图3中呈现示出闭环驱动器控制系统300的图。DC功率被输入到功率模块302中。DC功率具有电压VDC 330和电流IDC 332。关于DC功率输入的数据被输入到离散傅里叶变换(DFT)模块304中。DFT模块304用于在电机正被操作的频率(在一些实施方案中，可以是可变频率)下从总线上的功率抽出振幅和相分量。一次谐波用于确定偏移误差并且二次谐波信息用于确定振幅误差。每个电流传感器都可能存在偏移误差。振幅误差可以不精密地测量以便确定将用于减小转矩波动的校正值。
误差公式在误差模块306中被应用。误差模块306计算校正值，所述校正值可用于校正在DFT 304中发现的任何误差。比例积分(PI)调节器308是闭合控制环的一部分，其尝试将来自306的误差驱动到成为零并且最终得知并跟踪所有系统误差(例如，电流传感器误差、电机传感器误差、及类似者)。误差校正模块310接收来自PI调节器308的输入以及来自三相功率的电流(Iu和Iv)。将Iu和Iv以及PI调节器308的输出考虑在内，校正值被应用至驱动器控制单元312。在一些实施方案中，替代使用Iu和Iv，而使用Ir和Is的值。在操作中，驱动器控制单元可放置在逆变器110与电机126之间，从而控制向电机126供应的功率。
如果存在转矩波动，那么总线上存在功率或电流波动(在功率模块302中发现)。DFT模块304的输出将是非零的。偏移误差使用来自DFT模块304的一次谐波信息来确定并且在误差模块306中计算。PI调节器308被设定至低频宽带。如果在非常高的宽带下做出校正，那么结果可能是各种问题，所述问题是可通过在较低频率下进行校正来避免的。在偏移误差的情况下，PI调节器308可用于改变用于一个或多个电流传感器的补偿量。这减小功率或电流中的一次谐波的量，这减小转矩波动，从而减小DFT模块304的输出。随着时间的推移，功率波动被驱动得越来越靠近零，进而减小转矩波动。
在一些实施方案中，替代测量电流和电压两者来确定功率波动，可测量仅电流波动或仅电压波动并将其校正到零。因此，仅测量DC总线的一个参数，所述参数选自DC总线电压或DC总线电流。
所估计偏移或振幅误差连同Iu和Iv一起被输入到误差校正模块310中。校正值被应用至Iu和Iv的值并提供给驱动器控制312。
转矩波动的另一种潜在原因是电机中的缺陷。上述技术可用于针对在电机中发现的转矩波动(包括由空间谐波以电机被缠绕的方式造成的六次谐波)进行校正。
另外，上述实施方案还可校正来自功率供应器的输入中的误差。
如以上所讨论，电流传感器(诸如元件122、124、222、224、272和274)中的误差可能是转矩波动的原因。过去使用的对潜在转矩波动问题的一种解决方案是使用更准确且更精密的电流传感器。另一种解决方案是针对任何这样的问题使用开环补偿。然而，这种解决方案要求直到误差，这可能是一个问题，因为电流传感器中的误差可受环境(诸如温度)影响。
参考图4，描述可在实施方案中使用的电流传感器400。如上所述，DC总线电流的DC分量比谐波或波动高得多，这使得传统电流传感器不太有吸引力。例如，霍尔效应电流传感器在对AC波动进行分辨上是不足的，因为其准确度浪费在DC分量上。当AC波动与DC分量相比是低的时，Rogowski线圈的灵敏度太低。人们将需要非常高的分辨率，这因为噪声灵敏度并且由于成本而可能是难以实现的。
电流传感器400是低成本AC电流传感器。电流传感器400无需是精密的，只需要在所感兴趣的某一区域中是非常灵敏的。电流传感器400包括磁芯410和线圈420。在一些实施方案中，线圈420位于印刷电路板(PCB)422上。在一些实施方案中，线圈420具有相对高的电阻(在一些实施方案中，在20至30欧姆的范围内)，从而在所不感兴趣的某些频率范围内引起问题。在一些实施方案中，线圈420中并不存在大量的材料。磁芯410可包括多种不同材料中的一种。示例性材料包括铁氧体、脱氧钢、复膜铁及类似者。多种多样的形状可用于磁芯410。所例示的是U-I形状的芯，但可使用其他形状。
在一些实施方案中，PCB 422可仅是执行许多其他功能的更大PCB的一部分。在一些实施方案中，线圈420可仅是不具有PCB的线绕组。磁芯410上存在气隙412以防止芯在高通量下(例如，当有高DC电流流过汇流条440时)饱和。与磁芯410相比，气隙是相对大的。在一些实施方案中，气隙可近似4.0mm，而磁芯410的厚度是近似3.2mm。芯的长度可在20至30mm的范围内。
但是AC电流将由线圈420检测到并进行测量。尽管图4中仅示出一个气隙，但在一些实施方案中，存在两个气隙。所测量的是汇流条440中的电流。环绕磁芯410支腿的线圈420的电阻和电感具体地被设计来达到适当的截止频率。电流传感器400联接到信号调理电路(未示出)以将次级电流信号转换成电压信号。另外，信号调理电路可用于进一步衰减所不希望的高频噪声。最终输出的电压信号可发送到模数转换器(ADC)以便进行电流转换。
电流传感器400存在若干益处：它可以低成本来构建并且相对易于实施。另外，因为存在气隙412，磁芯410中不存在饱和问题。电流传感器400还具有在从大DC分量中测量出小AC波动方面的高灵敏度和高分辨率。例如，在一些实施方案中，可能存在数百安培的DC电流。在低频范围内也存在良好信号完整性。
与其他电流传感器相比，电流传感器400具有电流互感器的灵敏度而不具有饱和问题。一般来说，人们可能不想要具有大的气隙，因为在大多数使用情况下需要更好的联接。另外，线圈420的相对高的电阻也是不寻常的，因为高电阻通常将不利于灵敏度。人们可能想要更高性能的磁芯410以避免芯损耗。
然而，因为在图1-3的系统中使用电流传感器，所以电流传感器400放置在DC总线上，但正在测量的DC电流是不相干的-人们仅对AC分离感兴趣。重要的不是信号的振幅，而是振幅为非零的事实。因此，可牺牲电流传感器400的准确度和精密度。间隙减小DC通量，从而允许人们使用通常将使用的小得多的磁芯410。
根据前述内容，可看出：本文公开的转矩波动减小系统和方法在涉及使用电动机的多种环境中具有工业实用性。使用本公开的技术，可构造转矩波动减小系统以减小电动机的转矩波动并使其性能平稳。转矩波动的减小具有许多积极益处，尤其是对于涉及将看到振动(包括可由电动机中的波动的存在激励的机械共振)减小的人类的交通的应用来说。
本文参考根据实施方案的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图图解和/或方框图来描述实施方案的各方面。应理解，流程图图解和/或方框图中的每个方框以及流程图图解和/或方框图中的方框的组合可由计算机可读程序指令来实施。
这些计算机可读程序指令可被提供到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器来产生机器，以使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作的手段。这些计算机可读程序指令还可存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质可引导计算机、可编程数据处理设备和/或其他装置以特定方式起作用，以使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，所述制品包括实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作的各方面的指令。
计算机可读程序指令还可加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以致使在计算机、其他可编程设备或其他装置上实行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，以使得在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行的指令实施流程图和/或方框图的一个或多个方框中所指定的功能/动作。
附图中的流程图和方框图示出根据各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能性和操作。在这方面，流程图或方框图中的每个方框可表示指令的模块、片段或部分，所述模块、片段或部分包括用于实现所指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实现方式中，方框中所指出的功能可不按附图中所指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能性，连续示出的两个方框实际可基本上同时执行，或者方框有时可按相反顺序执行。还应指出，方框图和/或流程图图解的每个方框以及方框图和/或流程图图解中的方框的组合可由基于专用硬件的系统来实施，所述系统执行所指定的功能或动作或者实施专用硬件和计算机指令的组合。
本文使用的术语只用于描述特定实施方案的目的，而不意图是限制性的。如本文所使用，除非上下文另外明确说明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”也意图包括复数形式。还应理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在本说明书中使用时，规定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能要素的对应结构、材料、动作和等效物意图包括用于结合如具体要求保护的其他所要求保护的要素来执行所述功能的任何结构、材料或动作。本说明书已出于说明和描述的目的来呈现，但是并不意图是详尽的或限于所公开形式的实施方案。在不背离本说明书的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将显而易见。选择并且描述实施方案以便最好地解释操作和构造以及实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够了解各种实施方案以及适合于所涵盖的具体用途的各种修改。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：
感测输入电信号的电参数；
检测所述电参数的AC分量中的波动；
确定减小所述AC分量中的所述波动的校正值；以及
将所述校正值应用至向吸能源供应的电信号以减小转矩波动。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述吸能源选自电动机或电网。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
所述电参数选自电流、电压或功率。
4.如权利要求1所述的方法，其中：
检测所述波动包括使用对所述输入电信号的离散傅里叶变换来检测非零结果。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：
分析向所述电动机供应的所述电信号以产生将所述波动减小至零的闭环控制。
6.如权利要求5所述的方法，其中：
向所述电动机供应的所述电信号包括三相AC信号；并且
分析向所述电动机供应的所述电信号包括测量所述三相AC信号的三相中的至少两相中的电流。
7.如权利要求1所述的方法，其中：
所述输入电信号是DC电信号；并且
感测所述电参数包括感测所述DC电信号中的AC分量。
8.如权利要求7所述的方法，其中：
感测所述DC信号中的所述AC分量包括使用优化的电流传感器来检测所述DC信号中的非零AC分量。
9.一种系统，其包括：
DC功率输入；
逆变器，所述逆变器被布置来将所述DC功率输入转换成三相AC功率；
驱动器控制，所述驱动器控制联接到所述逆变器；以及
吸能源，所述吸能源联接到所述驱动器控制，其中：
所述驱动器控制被布置来执行：
感测所述DC功率输入的电参数；
检测所述电参数的AC分量中的波动；
确定减小所述AC分量中的所述波动的校正值；以及
将所述校正值应用至向所述吸能源供应的电信号以减小转矩波动。
10.如权利要求9所述的系统，其中：
所述电参数选自电流、电压或功率。
11.如权利要求9所述的系统，其中：
检测所述波动包括使用对所述输入电信号的离散傅里叶变换来检测非零结果。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述驱动器控制进一步被配置来执行：
分析向所述吸能源供应的所述电信号以产生将所述波动减小至零的闭环控制。
13.如权利要求12所述的系统，其中：
向所述吸能源供应的所述电信号包括三相AC信号；并且
所述分析向所述吸能源供应的所述电信号包括测量所述三相AC信号的三相中的至少两相中的电流。
14.如权利要求9所述的系统，其中：
所述输入电信号是DC电信号；
所述感测所述电参数包括感测所述DC电信号中的AC分量。
15.如权利要求14所述的系统，其中：
所述感测所述DC信号中的所述AC分量包括使用优化的电流传感器来检测所述DC信号中的非零AC分量。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述电流传感器包括：
芯，所述芯具有被布置来防止所述芯饱和的至少一个气隙；以及
线，所述线布置在所述芯周围，其中所述线具有20至30欧姆的电阻。
17.如权利要求16所述的系统，其中：
所述线位于印刷电路板(PCB)上。
18.如权利要求16所述的系统，其中：
所述芯选自铁氧体、脱氧钢或复膜铁。
19.如权利要求9所述的系统，其还包括：
AC功率输入；以及
转换器，所述转换器被布置来将所述AC功率输入转换成DC功率输入。
20.如权利要求9所述的系统，其中：
所述吸能源选自电动机或电网。
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