CN109478857B

CN109478857B - 用于控制电机的方法和控制器以及电机驱动电路

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Publication number: CN109478857B
Application number: CN201780042070.5A
Authority: CN
Inventors: 莱安德鲁·戴拉弗洛拉; 安东·史密斯
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: US20190238080A1; US10812003B2; CN109478857A; DE112017003428T5; WO2018007424A1

Abstract

本发明描述了其中将一系列短路脉冲施加到电机的方法和装置。在已经完成所述一系列短路脉冲中的一个或多个之后确定所述电机中的电流。根据所述确定的电流来调整所述短路脉冲的持续时间。可以在用于卡住旋转电机的安排内使用所述方法和装置。

Description

用于控制电机的方法和控制器以及电机驱动电路

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统和方法。

背景技术

已知可调速驱动器用于控制多相电动机。在一些情况下，正在由可调速驱动器驱动的电动机的状态可能是未知的。具体地，电机转子的角位置和/或旋转速度可能是未知的。这可能有很多发生的原因。这种情况可能例如在短暂断电之后发生。可替代地，当转子在电机驱动控制开始之前(即，在启动电机驱动器时)已经在旋转时，可能发生这种情况。

已知许多安排用于确定旋转电机的状态。然而，仍然需要替代和改进的方法和系统。

本发明寻求为那些已经可用的方法提供一种替代性方法。

发明内容

本发明提供了一种方法，所述方法包括：施加一系列短路脉冲以便重复地使电机的多个绕组中的至少一些绕组短路，由此生成一系列短路电流脉冲；在已经完成所述一系列短路脉冲中的一个或多个(或可能每个)之后确定(例如，通过测量——诸如通过使用一个或多个电流传感器)所述电机中的电流；以及根据所确定的电流来调整所述短路脉冲(即未来脉冲)的持续时间。可以针对每个短路脉冲重复调整步骤。可以在用于卡住旋转电机的算法内使用所述方法。可以控制脉冲的持续时间，使得脉冲足够长以得到稍后可以在算法中使用的可测量电流，但是足够短以将逆变器保持在不连续操作模式下(或者以防止其他问题)。

本发明还提供了一种控制器，包括：第一输入端，所述第一输入端用于从电机的至少一些绕组接收与多个短路电流脉冲相关的信息；以及控制模块，所述控制模块被配置成在已经完成所述一系列短路电流脉冲中的一个或多个(或可能每个)之后确定所述电机中的电流，并且根据所确定的电流来调整所述(未来)短路脉冲的持续时间。一个或多个电流传感器可以用于确定所述电机中的电流。如以上所指出的，可以针对每个短路脉冲重复调整步骤。

调整所述短路脉冲的持续时间可以包括在所确定的电流低于阈值的情况下增大所述(未来)短路脉冲的持续时间。可替代地或除此之外，调整所述短路脉冲的持续时间可以包括在所确定的电流高于阈值的情况下减小所述(未来)短路脉冲的持续时间。

本发明可以进一步包括：在短路脉冲期间确定所述电机中的峰值电流；以及在所述峰值电流高于峰值电流阈值的情况下减小所述(未来)短路脉冲的持续时间。

本发明可以进一步包括：确定驱动所述电机的逆变器系统的DC链路电压；以及在所述DC链路电压高于DC链路电压阈值的情况下减小所述短路脉冲的持续时间。

本发明可以进一步包括通过以下方式估计所述电机的旋转频率：识别所述一系列短路电流脉冲的峰值并使用所识别的峰值来估计所述旋转频率。可以提供频率估计器(可能结合有PLL)，所述频率估计器被配置成生成所述电机的旋转频率的估计值。

本发明还提供了一种电机驱动电路，所述电机驱动电路包括如上所述的控制器并且进一步包括处于所述控制器的控制之下的逆变器。

本发明进一步提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被配置成：从电机的至少一些绕组接收与多个短路电流脉冲相关的信息；在已经完成所述一系列短路电流脉冲中的一个或多个(或可能每个)之后确定所述电机中的电流；以及根据所确定的电流来调整所述短路脉冲的持续时间。所述计算机程序产品可以被配置成实现上述特征。

本发明还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：用于从电机的至少一些绕组接收与多个短路电流脉冲相关的信息的手段；用于在已经完成所述一系列短路电流脉冲中的一个或多个(或可能每个)之后确定所述电机中的电流的手段；以及用于根据所确定的电流来调整所述短路脉冲的持续时间的手段。所述计算机程序产品可以被配置成实现上述特征。

附图说明

现在将参考以下示意性图示进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了多相电机驱动系统；

图2示出了可以用于图1的电机驱动系统的逆变器；

图3是根据本发明的一个方面的算法的流程图；

图4是展示图3的算法的实现方式的一个方面的时序图；

图5示出了根据图3的算法的实现方式的电机绕组上的电流波形；

图6示出了根据图3的算法的实现方式的电流波形的包络线；

图7示出了根据本发明的一个方面的随时间推移的估计频率；

图8示出了根据本发明的一个方面的锁相环电路；以及

图9是示出了根据本发明的一个方面的图3的算法的变体的一部分的流程图。

具体实施方式

图1是总体上由附图标记1指示的包括可调速驱动器(ASD)的系统的框图。系统1包括AC电源2、ASD 4以及负载6(诸如，三相电机)。ASD 4包括整流器8(通常是基于二极管的整流器，如图1中示出的，尽管替代物诸如高级前端整流器是已知的)、DC链路电容器10、逆变器12以及控制模块14。

AC电源2的输出端连接至整流器8的输入端。整流器8的输出端向逆变器12提供DC电力。如以下进一步描述的，逆变器12包括切换模块，该切换模块用于将DC电压转换成具有依赖于栅极控制信号的频率和相位的AC电压。这些栅极控制信号通常由控制模块14提供。以这种方式，可以控制到负载6的每个输入端的频率和相位。

逆变器12通常与控制模块14进行双向通信。逆变器12可以监测与负载6的三个连接中的每个连接中的电流和电压(假设正在驱动三相负载)并且可以将电流和电压数据提供给控制模块14(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负载所要求的栅极控制信号时，控制模块14可以利用电流和/或电压数据(当可供使用时)；另一种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。

图2示出了逆变器12的示例性实施方式的细节。

如图2所示，逆变器12包括第一、第二和第三高侧切换元件(T1、T2和T3)以及第一、第二和第三低侧切换元件(T4、T5和T6)。例如，每个切换元件可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或MOSFET晶体管。如图2所示，切换元件(T1至T6)中的每个与相应的续流二极管(D1至D6)相关联。

示例性逆变器12是生成以下三个输出的三相逆变器：U、V和W。逆变器12的这三个相位提供输入给上述系统1中的负载6的三相。当然，逆变器12可以被修改成提供不同数量的输出以便驱动不同的负载(诸如，具有多于或少于三个相位的负载)。

第一高侧切换元件T1和第一低侧切换元件T4一起连接在正极DC端子与负极DC端子之间。这些切换元件的中点提供U相输出。以类似的方式，第二高侧切换元件T2和第二低侧切换元件T5一起连接在正极DC端子与负极DC端子之间，其中，这些切换元件的中点提供V相输出。此外，第三高侧切换元件T3和第三低侧切换元件T6一起连接在正极DC端子与负极DC端子之间，其中，这些切换元件的中点提供W相输出。

逆变器12是一种2级、6晶体管逆变器。如本领域技术人员将明白，本发明的原理适用于不同的逆变器，诸如3级逆变器。以示例的方式提供了对逆变器12的描述，以帮助说明本发明的原理。

图3是根据本发明的一个方面的总体上由附图标记20指示的算法的流程图。

算法20从步骤22开始，在该步骤期间，如果需要的话可以发生初始化和校准。然后，该算法移动至短路绕组步骤(步骤24)。

在步骤24处，逆变器12的多个开关在短时间段内闭合，以便生成短路脉冲。在本发明的一种形式中，低侧切换元件(示例性逆变器12中的T4、T5和T6)中的每个在短路绕组步骤24期间闭合。

图4是总体上由附图标记40表示的时序图，该时序图示出了两个连续短路脉冲的施加(由上述短路绕组步骤24的两个实例实现)。图4的上曲线图示出了将控制信号施加到晶体管T4、T5和T6，这实现了电机的短路。下曲线图示出了响应于短路脉冲而流过电机的短路电流。

如图4所示，短路电流在晶体管T4、T5和T6闭合时上升，并且在这些晶体管断开时衰减。

在步骤26至30处，判定短路脉冲是否具有适当的持续时间并且相应地调整脉冲长度。在本发明的一种形式中，控制步骤24期间的短路，使得短路足够长以得到稍后可以在算法中使用的可测量电流，但是足够短以将逆变器保持在不连续操作模式下。

在示例性算法20中，步骤26判定在连续短路脉冲之间的时段中流过电机的电流是否减小到低于阈值水平。这是重要的，因为如下面进一步描述的，该算法涉及施加多个脉冲以便确定转子速度和位置。如果流过电机的电流在连续短路脉冲之间没有充分减小，则此残余电流将倾向于随着每个连续短路脉冲而增大，直到电流水平足够高以至引起问题(下面进一步描述)。

步骤26测量在图4所示的“关断”时间或其附近的短路电流。如果短路电流低于所期望的短路电流阈值，则算法20移动到步骤28，其中短路脉冲的长度增大，并且算法返回到步骤24，其中施加另一个短路脉冲(这次具有更长的接通时间)。

如果在步骤26处确定短路电流高于期望的短路电流阈值，则算法20移动到步骤30，其中减小短路脉冲的长度并且算法移动到步骤32。

在步骤32处，基于短路绕组步骤的输出来估计电机速度。这在下面进一步论述。一旦已经估计了电机速度，算法20就在步骤34处终止。

图5是总体上由附图标记50指示的曲线图，该曲线图示出了电机绕组上响应于如上所述的低侧切换元件发生短路的电流波形。图5示出了三个脉冲(示例性3相电机的u相电流、v相电流和w相电流)，并且该3相电流波形看起来像一组锯齿波形，该组锯齿波形的包络线是3相正弦波。

取该锯齿波形的峰值允许将包络线间隔开并且将其用于频率估计。图6示出了根据本发明的一个方面的电流波形的包络线(总体上由附图标记60指示)。当开关打开时，可以通过对短路电流进行采样来对图5中可见的锯齿波形进行滤波，由此获得该锯齿波形的峰值。

图6中示出的包络线的频率指示电机6的对应相位的旋转频率。因此，电机频率估计可以基于图6所示的包络线。图7是总体上由附图标记70指示的曲线图，该曲线图示出了根据本发明的一个方面的随时间推移的估计频率。该频率估计是基于图6中示出的包络线的，并且与电机6的旋转频率相对应。在图7的示例中，频率估计值稳定在大约325弧度/秒。

应当指出的是，图6示出了短路电流包络线的电流水平上升。这是在上述短路绕组步骤24的连续迭代中增大短路脉冲持续时间的效果。

为了理解电机6的旋转，可能需要确定转子的速度和角度两者。图6的包络线可以用于生成此信息。图8示出了总体上由附图标记80指示的锁相环电路，其示出了用于估计转子速度和角度的一种示例性方法。图6的包络线被用作锁相环(PLL)的输入。

PLL背后的思想在于：实际输入向量角θ与其估计值

之间的差的正弦可以使用比例积分(PI)控制器而减小到零，因此将检测到的相位锁定到实际角。然后对所估计的频率

进行积分以获得该角

如上所述，图6中示出的信号60是3相电流信号，这些电流信号表示在算法20的短路绕组步骤24中检测到的电流信号的包络线。三相电流信号60使用Clarke变换而被转换成2相信号i_sa高和i_sb高。因此，用于PLL 80的信号i_sa高和i_sb高是对锯齿波形的峰值电流的Clarke变换。

在正常操作中，电流向量i_sa高和i_sb高彼此成直角。通过将电流向量的末端连接到一起而生成的角限定了向量角信号θ。通过简单的数学运算，向量角θ的余弦和正弦由以下给出：

和

在锁相环电路80中，第一功能框82使用以下公式将电流向量i_sa高和i_sb高转换成对cos(θ)的估计值：

类似地，第二功能框84使用以下公式将电流向量i_sa高和i_sb高转换成对sin(θ)的估计值：

PLL 80生成对向量角的估计值。此估计值由符号

表示。

如图8所示，对cos(θ)的估计值乘以所估计向量角的正弦，以给出：

类似地，对sin(θ)的估计值乘以所估计向量角的余弦，以给出：

对误差项进行如下计算：

使用PI控制器以使得该误差项(ePLL)强制为零。以这种方式，获得所估计频率

的信号和所估计向量角信号

以作为PLL 80的输出。

如上参照图8所述的估计电机转子的速度和角度的方法仅作为示例提供。本领域技术人员将意识到可使用的替代方法和装置。

上面参考图3描述的算法20根据参考图4描述的电流阈值来调整逆变器电路12的短路时间。然而，有许多其他变量可以替代地使用或者与短路电流阈值结合使用。

图9是总体上由附图标记90指示的流程图，该流程图示出了根据本发明的一个方面的图3的算法的变体的一部分。

算法90在算法20的步骤26处开始(即在算法20的短路绕组步骤24之后)。如在算法20中那样，步骤26判定在连续短路脉冲之间的时段中流过电机的电流是否减小到低于阈值水平。如果在算法90的步骤26处确定短路电流高于期望的短路电流阈值，则算法90移动到步骤30，其中减小短路脉冲的长度并且算法移动到步骤32。否则，算法90移动到步骤92。

在步骤92处，判定峰值电流是否高于峰值电流阈值。如图4所示，峰值电流是由于步骤24中实现的短路脉冲而产生的最大短路电流。如果峰值电流太高(即高于峰值电流阈值——指示峰值电流水平高于预期，这可能指示问题)，则算法移动到步骤30(其中减小短路电流脉冲持续时间)。否则，算法90移动到步骤94。

在步骤94处，判定逆变器12的DC链路电压是否高于DC链路电压阈值。如果存储在感应电机中的电压足够大以致使逆变器12的二极管(通常是二极管D1、D2和D3)正向偏置，则可以发生这种情况，由此对DC链路10充电(有效地作为再生电压)。如果DC链路电压太高(即高于DC链路电压阈值)，则算法移动到步骤30。否则，算法90移动到步骤28。

因此，算法90终止于在返回算法20的步骤24之前增大短路脉冲的长度(步骤28)，或者在返回算法20的步骤32之前减小短路脉冲的长度(步骤30)。

如以上所指出的，在步骤24期间的短路通常应当足够长以获得可在算法中稍后使用的可测量电流，但应当足够短以避免问题。上面已经描述了三种用于限制短路脉冲的持续时间的方法。在本发明的所有实现方式中并非需要所有这三种安排，并且针对短路绕组步骤24的每个实例并非必须实现所有实现的方法。例如，可以一直针对短路绕组步骤24的实例实现步骤26，但可以较不经常地实现步骤92和/或94。在另一个实现方式中，步骤(诸如步骤92和94)中的一些可以被实现为中断。此外，除了上述三种安排中的一种或多种之外，或者代替上述三种安排中的一种或多种，可以施加进一步的方法。

上文所描述的本发明的实施例仅仅通过举例的方式来提供。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。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此类修改、变化和替换。

Claims

1.一种用于控制电机的方法，包括：

施加一系列短路脉冲以便重复地使电机的多个绕组中的至少一些绕组短路，由此生成一系列短路电流脉冲；

在已经完成所述一系列短路脉冲中的一个或多个之后确定所述电机中的电流；以及

根据所确定的电流来调整所述短路脉冲的持续时间，

其中，调整所述短路脉冲的持续时间包括在所述确定的电流高于阈值的情况下减小所述短路脉冲的持续时间以使在连续的短路脉冲之间的时段中所述电机中的电流减小到低于阈值水平。

2.如权利要求1所述的方法，其中，调整所述短路脉冲的持续时间还包括在所述确定的电流低于阈值的情况下增大所述短路脉冲的持续时间。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括：

在短路脉冲期间确定所述电机中的峰值电流；以及

在所述峰值电流高于峰值电流阈值的情况下减小所述短路脉冲的持续时间。

4.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括：

确定驱动所述电机的逆变器系统的DC链路电压；以及

在所述DC链路电压高于DC链路电压阈值的情况下减小所述短路脉冲的持续时间。

5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括通过以下方式估计所述电机的旋转频率：识别所述一系列短路电流脉冲的峰值并使用所识别的峰值来估计所述旋转频率。

6.一种用于控制电机的控制器，包括：

第一输入端，所述第一输入端用于从电机的多个绕组中的至少一些绕组接收与多个短路电流脉冲相关的信息，由施加一系列短路脉冲以便重复地使电机的多个绕组中的至少一些绕组短路而生成所述多个短路电流脉冲；以及

控制模块，所述控制模块被配置成在已经完成所述一系列短路电流脉冲中的一个或多个之后确定所述电机中的电流，并且根据所确定的电流来调整所述短路脉冲的持续时间，

其中，所述控制器进一步被配置成在所述确定的电流高于阈值的情况下减小所述短路脉冲的持续时间以使在连续的短路脉冲之间的时段中所述电机中的电流减小到低于阈值水平。

7.如权利要求6所述的控制器，进一步包括：一个或多个电流传感器，所述电流传感器被配置成确定所述电机中的所述电流。

8.如权利要求6或权利要求7所述的控制器，其中，所述控制器进一步被配置成在所述确定的电流低于阈值的情况下增大所述短路脉冲的持续时间。

9.如权利要求6或权利要求7所述的控制器，其中，所述控制模块进一步被配置成识别所述短路电流脉冲的峰值并使用所识别的峰值来估计所述电机的旋转频率。

10.如权利要求9所述的控制器，进一步包括：频率估计器，所述频率估计器被配置成生成所述电机的所述旋转频率的估计值。

11.一种电机驱动电路，包括如权利要求6至10中任一项所述的控制器，并且进一步包括在所述控制器的控制下的逆变器。