CN110168914A - 用于控制电机的设备 - Google Patents

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Abstract

用于控制电机(32)的控制设备，该设备包括：‑逆变器(30)和控制模块(3)，该逆变器和控制模块实现电机(32)的电流伺服控制环路；‑激励模块(5)，该激励模块产生激励信号(Se)；‑同步发射机(4)，该同步发射机包括两个耦合绕组(6、7)、被限于随电机的转子旋转的激励绕组(9)、以及三个测量绕组(11)，激励信号经由这两个耦合绕组被施加到激励绕组(9)；‑三个第一同步解调器(8)，每个第一同步解调器连接到同步发射机的三个测量绕组中的相应测量绕组并连接到激励信号I，并且每个第一同步解调器生成用于电流伺服控制环路的电流设定值以供控制模块使用；以及‑三个其他同步解调器(15)，每个其他同步解调器连接到同步发射机的三个测量绕组中的相应测量绕组并连接到激励信号Q，并且生成提供关于电机的转子的角速度的信息的信号以供控制模块使用。

Description

用于控制电机的设备
本发明涉及电机控制设备的领域。
背景技术
驱动电机(诸如三相同步电机)需要将直流(DC)电压转换成受控的三相交流(AC)电压，以便为该电机产生电流设定值。
为此目的，在航空领域中已知利用使用数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、或现场可编程门阵列(FPGA)类型的组件的数字解决方案。这些解决方案的设计、资格和认证非常复杂，尤其是由于航空无线电技术委员会(RTCA)标准DO-254和DO-278中的高等级要求(否则这些解决方案就不是很可靠)，或者由于面对车载网络产生的电磁干扰或系统性能方面的当前性能不足。
已经提出使用无源滤波器解决方案(例如，使用电感器和电容器)的提议。那些解决方案是令人满意的，但它们需要大体积来容纳滤波器组件。
发明目的
本发明的目的是提供一种解决方案，该解决方案产生电机的电流设定值而不呈现以上所提及的缺点。
发明内容
为了实现该目的，提供了一种用于三相电机的控制设备，该控制设备包括：
-逆变器和控制模块，该逆变器和控制模块生成逆变器控制信号以用于实现用于电机的电流伺服控制环路；
-激励模块，该激励模块产生激励信号；
-同步发射机，该同步发射机具有两个耦合绕组、被限于随电机的转子旋转的一个激励绕组、以及安装在电机的定子上的三个测量绕组，激励信号经由这两个耦合绕组被施加到该激励绕组；以及
-三个第一同步解调器，每个第一同步解调器连接到同步发射机的三个测量绕组中的相应测量绕组，并且每个第一同步解调器生成用于电流伺服控制环路的相应电流设定值以供控制模块使用。
同步发射机和第一同步解调器的使用构成了用于生成电机的电流伺服控制环路的电流设定值的简单、可靠和紧凑的解决方案。
根据以下对本发明的特定非限制性实施例的描述，可以更好地理解本发明。
附图说明
参考附图，在附图中：
-图1示出了本发明的控制设备的电流伺服控制环路，并示出了其如何操作；
-图2和图3示出了因变于角位置耦合和生成电流设定值信息的模式，以及使用同步发射机来传达用于独立地测量角速度的信息的解决方案；
-图4是本发明的完整控制设备的示图；
-图5示出了本发明的控制设备的激励模块的实施例，并示出了其如何操作；
-图6示出了本发明的控制设备的第一同步解调器的实施例；
-图7示出了本发明的角速度测量设备的同步解调器的实施例，其中第二解调器连接至角速度测量模块；以及
-图8示出了用于提供对电流伺服控制环路的发散的检测和保护免受电流伺服控制环路的发散的装置。
具体实施方式
参考图1，在该示例中使用本发明的控制设备1来控制三相同步电机。
控制设备1包括控制模块3(具体为脉冲宽度调制(PWM)类型的控制模块)、同步发射机4、激励模块5、以及三个第一同步解调器8。
控制模块3被用于生成三相控制信号，以控制驱动电机的逆变器。
同步发射机4包括第一耦合绕组6、第二耦合绕组7、被限于随电机的转子旋转的激励绕组9、以及三个测量绕组11。
固定的第一耦合绕组6连接到激励模块5。第一耦合绕组6磁耦合到第二耦合绕组7，第二耦合绕组7本身被限于随电机的转子旋转。第二耦合绕组7的端子连接到激励绕组9的端子。
激励模块5以激励频率fe产生激励信号Se，激励信号Se经由第一耦合绕组6和第二耦合绕组7施加到同步发射机4的激励绕组9。在该示例中，频率fe等于10千赫兹(kHz)。因此，激励信号Se在同步发射机4的每个测量绕组11中感生出定子电流Is。每个定子电流Is呈现出为电机的转子的角位置的函数的振幅。
三个第一同步解调器8各自连接到同步发射机4的测量绕组11中的相应测量绕组。
每个第一同步解调器8包括第一乘法器12和第一低通滤波器13。第一乘法器12从激励模块5以激励频率fe接收第一解调信号Sd1，并且它将第一乘法器12连接到的测量绕组11上存在的定子电流Is乘以该第一解调信号Sd1。来自第一乘法器12的输出处的第一经相乘信号Sm1作为输入被施加到第一低通滤波器13。
在该示例中，第一低通滤波器13是呈现5kHz的-3分贝(dB)截止频率的三阶巴特沃兹滤波器、或者呈现5kHz的-3dB截止频率的三阶Sallen Key有源滤波器、或者实际上任何其他类型的低通滤波器。
离开每个第一同步解调器8的第一低通滤波器13的第一经滤波信号Sf1作为输入被施加到控制模块3。
因此，控制模块3接收到三个第一经滤波信号Sf1，每个第一经滤波信号Sf1呈现取决于电机的转子的角位置的相位和振幅。三个第一经滤波信号Sf1中的每一者形成用于电机的电流伺服控制环路的电流设定值。
参考图2和3，控制设备1还具有三个第二同步解调器15和连接到第二同步解调器15的角速度测量模块16。每个第二同步解调器15连接到同步发射机4的测量绕组11中的相应测量绕组。
每个第二同步解调器15包括第二乘法器17和第二低通滤波器18。第二乘法器17从激励模块5以激励频率fe接收第二解调信号Sd2，并且它将第二乘法器17连接到的测量绕组11上存在的定子电流Is乘以该第二解调信号Sd2。来自第二乘法器的输出处的第二经相乘信号Sm2作为输入被施加到第二低通滤波器18。
在该示例中，第二低通滤波器18是呈现5kHz的-3dB截止频率的三阶巴特沃兹滤波器、或者呈现5kHz的-3dB截止频率的三阶Sallen Key有源滤波器、或者实际上任何其他类型的低通滤波器。
离开每个第二同步解调器15的第二低通滤波器18的第二经滤波信号Sf2作为输入被施加到角速度测量模块16。
因此，角速度测量模块16接收到三个第二经滤波信号Sf2，每个第二经滤波信号Sf2呈现取决于电机的转子的角位置的振幅。因此，三个第二经滤波信号Sf2中的每一者提供关于电机的转子的角位置信息。三个第二经滤波信号Sf2用于获得电机的转子的经测量角速度。经测量角速度用于生成用于电机的角速度伺服控制环路的角速度误差εv。
激励模块5包括IQ发生器20、调制器21、以及求和电路22。在该示例中，求和电路22是模拟求和电路。
IQ发生器20具有Q输出和I输出。相对于激励频率下的参考信号相移的相移信号Sd存在于IQ发生器的Q输出上。相对于激励频率下的参考信号同相的同相信号Sp存在于IQ发生器的I输出上。同相信号Sp和相移信号Sd呈现90°的相位差。
第一解调信号Sd1是相移信号Sd。第二解调信号Sd2是同相信号Sp。
调制器21接收到用于电机的角速度伺服控制环路的角速度误差εv，并且它将相移信号Sd的振幅乘以角速度误差εv(并取决于电机的转子的旋转方向而乘以±1)。
因此，调制器21根据IQ发生器20的Q输出上存在的相移信号Sd来产生第一激励信号Se1。
第二激励信号Se2根据同相信号Sp来产生；具体而言，第二激励信号Se2等于同相信号Sp。因此，第二激励信号Se2的振幅是恒定的。
求和电路22随后对第一激励信号Se1和第二激励信号Se2求和，以便获得激励信号Se。
因此，在图2的曲线中，可以看到在第二激励信号Se2和第一激励信号Se1之间的振幅比率M等于0.9的情况下、在该比率M等于0.5的情况下、以及在该比率M等于0.1的情况下的第一激励信号Se1、第二激励信号Se2、以及激励信号Se。在这些曲线中，电机的频率Fm等于500赫兹(Hz)，因此电机的转子的角速度等于15,000转/分钟(rpm)。
在图2的曲线中，还可以看到在第二激励信号Se2和第一激励信号Se1之间的振幅比率M等于0.9的情况下、在该比率M等于0.5的情况下、以及在该比率M等于0.1的情况下的第一经相乘信号Sm1。
在图2的曲线中，还可以看到在第二激励信号Se2和第一激励信号Se1之间的振幅比率M等于0.9的情况下、在该比率M等于0.5的情况下、以及在该比率M等于0.1的情况下的第二经相乘信号Sm2。
图4示出了上述控制设备1的所有元件。
控制模块3生成三相控制信号，这些三相控制信号经由电力桥接口31传送到逆变器30。
电机32由电流伺服控制环路进行电流伺服控制，该电流伺服控制环路包括控制模块3、同步发射机4、第一同步解调器8、以及激励模块5。由第一同步解调器8输出的三个第一经滤波信号Sf1形成用于电流伺服控制环路的相应电流设定值。该电流伺服控制环路还具有电流测量模块33，该电流测量模块33产生对存在于电机32的各相上并驱动电机32的相电流的测量。
电机32由角速度伺服控制环路进行角速度伺服控制，该角速度伺服控制环路包括角速度测量模块16、同步发射机4、第二同步解调器15、以及激励模块5。
该角速度伺服控制环路还包括角速度设定值接口35、用于测量角速度误差的模块36、以及处理器块37。
角速度设定值接口35接收角速度设定值Cv并向模块36传送该角速度设定值Cv以用于测量角速度误差。角速度设定值接口35还向控制模块3传送控制电机32的授权，并且向第一同步解调器8传送电机32的转子的旋转方向。
用于测量角速度误差的模块36根据角速度设定值Cv以及(如根据由三个第二同步解调器15输出的三个第二经滤波信号Sf2所产生的)经测量角速度产生角速度误差εv。
实现误差放大器和一阶低通滤波器的处理器块37向激励模块5的调制器块21传送角速度误差εv。
这产生用于电机32的电流伺服控制环路和角速度伺服控制环路两者，这些环路通过同步发射机4并借助于激励模块5嵌套。该电流伺服控制环路的电流设定值根据角速度误差εv来生成，控制模块3基于该电流设定值来控制逆变器30并控制电机32。角速度误差εv本身被用于根据存在于IQ发生器20的Q输出上的相移信号Sd来产生第一激励信号Se1，因此产生施加到同步发射机4的激励绕组9的激励信号Se。
应当观察到，用于获得角速度测量(Q通道)的角位置信息独立于电流设定值(I通道)。
具体而言，I信号和Q信号是正交的，并且它们是独立的并如此由第一同步解调器以及由第二同步解调器解调。接下来是上述元件中的一些元件的更详细描述。
参考图5，激励模块5使用同相信号Sp(存在于IQ发生器的I输出上)来产生第一激励信号Se1。激励模块5还产生相移信号Sd(存在于IQ发生器的Q输出上)，并且它接收角速度误差εv。相移信号Sd和角速度误差εv被传送到调制器21。调制器21包括乘法器40，该乘法器40将相移信号Sd的振幅乘以角速度误差εv，以便获得第二激励信号Se2。求和电路22将第一激励信号Se1和第二激励信号Se2相加，并且功率模块41使用来自求和电路22的输出来产生激励信号Se。
参考图6，第一同步解调器8中的每一者包括第一乘法器12和第一低通滤波器13。每个第一乘法器12将第一解调信号Sd1乘以存在于第一乘法器12连接到的测量绕组11上的定子电流Is。
图5中所示的第一低通滤波器13是呈现5kHz的-3dB截止频率的三阶Sallen Key有源滤波器，其中在20kHz的频率下衰减36dB(所述频率对应于通过频率fe＝10kHz下的全波整流所获得的信号的频率)。
参考图7，每个第二同步解调器15包括第二乘法器17，该第二乘法器17将表示存在于第二同步解调器15连接到的测量绕组11上的信号的电压乘以第二解调信号Sd2。
表示存在于测量绕组11上的信号的电压是Ph1+和Ph1-、Ph2+和Ph2-、以及Ph3+和Ph3-。还由每个第二乘法器17来施加±1的增益。
在来自每个第二乘法器17的输出处，第二经相乘信号作为输入被施加到第二低通滤波器18。来自第二低通滤波器18的输出作为输入被施加到在该示例中由六电平比较器构成的角速度测量模块16的比较器50。来自比较器50的输出通过由时钟H以时钟频率(在该示例中等于5.12兆赫兹(MHz))进行时钟控制的微分器51来求微分。
此后，来自每个微分器51的输出由求和电路53进行求和。这产生数字角速度信号，该信号包括电机32的转子的每转18个脉冲56。来自求和电路53的输出作为输入被施加到计数器54。来自计数器54的输出作为输入被施加到数模转换器55。该示例中的数模转换器55是同样由时钟H进行时钟控制的12位数模转换器。数模转换器55从计数器54获取输出并以模拟测量的形式产生经测量角速度。
经测量角速度随后被模块36用来测量角速度误差(参见图3)，以便产生角速度误差εv。
参考图8，控制设备1还具有用于提供保护免受电机32的电流伺服控制环路的发散的装置。
这些保护装置利用电流测量模块33，并且它们包括平均电压测量模块60和三个求和电路61。
每个求和电路61将如由电流测量模块33产生的对存在于电机32的各相之一上的相电流的测量与由平均电压测量模块60生成的平均电压相加，所述平均电压等于存在于来自逆变器30的每个输出相上的电压的平均值。
控制模块3接收到来自求和电路61的输出信号，并且基于这些信号，它通过调整控制逆变器30的三相信号来校正相电流的平均偏移和来自逆变器30的输出处的平均电压。
自然地，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在如由权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。
本文中所提及的频率的值(尤其是激励频率的值)仅作为示例给出，并且自然可以是不同的。
同样，低通滤波器的阶数和截止频率可以是不同的。低通滤波器不一定是巴特沃思或Sallen Key类型的滤波器。
同样，图1和图2中可以看到的信号的振幅自然可以是不同的。

Claims (10)

1.一种用于三相电机(32)的控制设备，所述控制设备包括：
-逆变器(30)和控制模块(3)，所述逆变器和所述控制模块生成逆变器控制信号以用于实现所述电机(32)的电流伺服控制环路；
-激励模块(5)，所述激励模块产生激励信号(Se)；
-同步发射机(4)，所述同步发射机具有两个耦合绕组、被限于随所述电机的转子旋转的一个激励绕组(9)、以及安装在所述电机的定子上的三个测量绕组(11)，所述激励信号经由所述两个耦合绕组被施加到所述激励绕组(9)；以及
-三个第一同步解调器(8)，每个第一同步解调器连接到所述同步发射机的所述三个测量绕组中的相应测量绕组，并且每个第一同步解调器生成用于所述电流伺服控制环路的相应电流设定值以供所述控制模块使用。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，进一步包括三个第二同步解调器(15)，每个第二同步解调器连接到所述同步发射机的所述三个测量绕组中的相应测量绕组，以便产生关于所述转子的角位置的信息。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其特征在于，关于所述转子的角位置的所述信息独立于所述电流设定值。
4.根据权利要求3所述的控制设备，其特征在于，包括角速度测量模块(16)，所述角速度测量模块连接到所述第二同步解调器，以便测量所述电机的转子的角速度，所述角速度测量模块被用于生成用于所述电机(32)的角速度伺服控制环路的角速度误差(εv)。
5.根据权利要求4所述的控制设备，其特征在于，所述激励信号(Se)按所述角速度误差(εv)进行振幅调制。
6.根据权利要求5所述的控制设备，其特征在于，所述激励信号通过对具有为所述角速度误差的函数的振幅的第一激励信号(Se1)和第二激励信号(Se2)两者进行求和来获得，所述第一同步解调器中的每个第一同步解调器被适配成检测具有与所述第一激励信号相同的频率以及与所述第一激励信号同相的信号，并且所述第二同步解调器中的每个第二同步解调器被适配成检测具有与所述第二激励信号相同的频率以及与所述第二激励信号同相的信号。
7.根据权利要求6所述的控制设备，其特征在于，所述激励模块包括IQ型发生器(20)，所述第一激励信号根据相对于参考信号进行相移并存在于所述IQ型发生器的Q输出上的信号来产生，并且所述第二激励信号根据与所述参考信号同相并存在于所述IQ型发生器的I输出上的信号来产生。
8.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，所述相移信号和所述同相信号呈现90°的相位差。
9.根据权利要求7所述的控制设备，其特征在于，所述激励模块(5)进一步包括调制器(21)和求和电路(22)，所述调制器将所述相移信号乘以所述角速度误差，以便获得所述第一激励信号，所述第二激励信号是所述同相信号，并且所述求和电路被适配成对所述第一激励信号和所述第二激励信号进行求和，以便获得所述激励信号。
10.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制模块(3)是脉冲宽度调制类型的控制模块。
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