CN110168917B - 用于调整同步磁阻马达的磁特性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种自动调整同步磁阻马达（2）的磁特性的方法，该类型的同步磁阻马达包括定子（3）和用于控制到所述马达的动力供应的控制单元（5），所述定子在其中容纳转子（4）并且限定至少一对最小和最大磁阻轴线（D，Q），其中，所述马达具有在台架上实验获得的预定额定电流（I）值和额定电压（V）值，并且其中，供应电流具有沿着所述最小和最大磁阻轴线的分量（id，iq）；该方法包括步骤：以预定频率（f）向所述定子施加预定数量的电压变化和电流变化（dV，dI）；确定响应于所述电压和电流变化的电感差（Ldiff）；通过对所述电感差（Ldiff）进行积分来计算所述马达的通量曲线（λd，λq）；以及在所述控制单元中绘制所述曲线以用于以与台架测试基本相同的准确度自动调整所述马达的磁特性。

Description

用于调整同步磁阻马达的磁特性的方法和设备

技术领域

本发明通常可应用于电动机器的领域，并且特别地涉及确定同步磁阻马达的磁特性并使马达自动调整到最大效率状态的方法。

在第二方面，本发明涉及用于对同步磁阻马达实施上述方法的设备。

背景技术

在磁阻马达中，已知转矩由磁各向异性产生，并且已知使这一特性最大化是主要设计规范之一。然而，机器的各向异性行为非常复杂并且取决于大量因素。

当施加到定子的磁动势与最大和最小磁阻轴线对准时，所得到的通量特性λdo和λqo是通过台架测量实验地获得的通量特性，如图1所示。

然而，这些通量曲线并未完全地描述马达的磁性行为。因此，当两个分量id和iq都不为零时，需要额外的信息。大体而言，通量λd和λq是两个电流的函数，而函数λdo和λqo仅代表通用函数的两种特定情况：

其中

并且

。

已知用于实验室测量同步磁阻马达的磁特性的方法。这些方法通常需要测试系统，其包括恒速运行马达以用于驱动待测试的马达，而电流阶跃则被施加到待测试的马达，其产生能够通过适当的测量仪器来测量的电动势（EMF）。

已知用于实验室测量同步磁阻马达的磁特性的方法，例如来自IT-A-1354129的方法。

该已知的方法的主要缺点在于，通常不可获得用于对马达实施台架测试的实验室和器械。

此外，可能需要将非常大量的电流阶跃施加到运行马达，以用于以适当的精度绘制通量特性，并且这将显著增加测试成本，这将导致马达成本的大幅增加。

US2015/0226776公开了一种测量同步永磁体马达的电感的方法，包括步骤：向定子施加测试电压，测量在马达静止时定子中的响应电流，并且使用数字滤波器来确定响应电流的差值。

本领域中还不知道在不使用台架测试的情况下用于调整同步磁阻马达的磁特性的方法。

技术问题

鉴于现有技术的背景，本发明解决的技术问题被认为在于：允许在不实施实验室测试的情况下调整同步磁阻马达的磁特性，以及在保持与通过实验测试将获得的相同的准确度的同时最小化待确定的特性的数量。

发明内容

本发明的大体目的是通过提供调整同步磁阻马达的磁特性的方法来解决上述技术问题并且避免上述缺陷，该方法是高效的并且具有成本效益。

特定目的是提供如上文所限定的方法，其允许在不需要昂贵的实验室测试的情况下绘制马达的特性。

另一目的是减少系统所采取的对物理量的测量的数量，以降低该方法的复杂性和成本。

又一目的是使用逆变器和电子马达-控制系统来确保完全自动地调整马达的磁特性。

通过如权利要求1中所限定的自动调整同步磁阻马达的磁特性的方法来实现如下文更好地解释的这些和其他目的。

根据另一方面，本发明提供如独立权利要求15中限定的用于实施上述方法的设备。

根据从属权利要求限定本发明的有利实施例。

附图说明

从根据本发明的用于调整同步磁阻马达的磁特性的方法和设备的一个优选但非排他的实施例的详细描述，本发明的其他特征和优点将会变得显而易见，借助于附图作为非限制性示例来描述所述实施例，其中：

图1示出了根据现有技术的如在实验室中实验地测量的马达的通量曲线；

图2示意性地示出了本发明的用于调整同步磁阻马达的磁特性的设备；

图3是同步磁阻马达的截面图，其中示意性地设置了最大磁阻轴线和最小磁阻轴线；

图4是图2的设备的功能示图；

图5示出了本发明方法的流程图；

图6部分地示出了如实验地测量的电流曲线和电压曲线；

图7示出了与能够从实验测试得到的对应示图相比较的使用本发明方法检测的电感差的示图；

图8示出了同样与从实验测试得到的对应通量曲线示图相比较的从如图6中所示的电感差确定的通量曲线。

具体实施方式

上述附图示出了本发明的用于调整同步磁阻马达的磁特性的设备，其由数字1标注。

具体地，设备1包括同步磁阻马达2，其具有定子或静止部分3以及容纳在其中的转子4。

马达2具有至少一对相应的最小磁阻轴线D和最大磁阻轴线Q（如图3所示）和用于控制到马达的动力供应的控制单元5，该控制单元5优选地是逆变器，其被连接到三相供应网络6且具有可能与其相关联的适当数字接口，诸如显示器7和键盘8或者计算机（未示出）。

马达2具有额定电流I值和额定电压V值，其在设计期间被设定并且能够在台架上实验地验证。供应电流I具有沿最小磁阻轴线和最大磁阻轴线的分量id、iq。

大体而言，该方法包括如下步骤：以预定频率向定子施加预定数量的电压变化dV和电流变化dI；确定响应于电压变化和电流变化的电感差（Ldiff）；通过对电感差Ldiff进行积分来计算马达的通量曲线λd、λq；以及在控制单元5中绘制所述曲线以用于以与实验测试相同的准确度自动调整马达的磁特性。

方便地，与台架上实验地进行的测量相比，电压变化和电流变化的数量可以保持在相对低的水平，以使该方法更加快速且更具有成本效益。

具体地，如图5所示，最初提供步骤a)，其中转子与最小磁阻轴线D对准。

这种对准可以通过下列模式中的任一模式来实现：

a'）向定子施加预定幅值的电流脉冲，这种幅值大约等于额定电流I，以使转子旋转通过预定角度α到达静止位置，在静止位置中，转子与最小磁阻轴线D对准；或者

a"）识别电压或电流注入之后的角度位置α，并且使用这种位置α作为用于之后在避免转子的旋转的同时沿轴线D和Q进行处理的界标。

其中转子角度对准的步骤a之后是步骤b，在步骤b中沿最小磁阻轴线注入第一数量m的第一电流变化ΔId，每个第一电流变化具有大约Idmax/m的值。

变化ΔId具有逐步增加的平均值，其中第一最大值Idmax高于额定电流I以使定子沿最小磁阻轴线D饱和，同时维持沿最大磁阻轴线Q的零电流分量iq。

作为示例，上述第一最大电流值Idmax是额定电流I的大约150%。

电流注入步骤b对应于步骤c，该步骤c是：测量响应于逐步增加的电流值的沿最大磁阻轴线Q的电压Vd和电流Id以获得第一检测幅值Vd1、Id1。

原则上，以给定电流（I）并以频率（f）施加到马达的电压变化（dV）将导致变化（dI）和平均值（V），这将允许使用如下函数来计算电感差：

。

之后是第二注入步骤d，其中沿着最大磁阻轴线Q注入第二数量m的电流变化ΔIq，其具有第二电流值Iqmax/n，其中变化Iq具有逐步增加的平均值ΔIq且其第二预定最大值Iqmax小于额定电流I以维持转子处于初始静止对准位置中并且维持沿最小磁阻轴线D的零电流分量id。

作为示例，上述第二最大电流值Idmax是额定电流I的大约15%。

然后是第二测量步骤e，其中测量响应于在步骤d中注入的第二逐步增加的电流变化值的沿最小磁阻轴线Q的电压Vq和电流Iq，以获得第二检测幅值Vq2、Iq2。

第一检测幅值Vd1、Id1和第二检测幅值Vq2、Iq2经历处理步骤f，处理步骤f被设计成确定适当的马达特定参数Ld0、IdSat、Lq0、IqSat、LSat、XCross。

现在，该方法包括步骤g，在步骤g中从特定参数Ld0、IdSat、Lq0、IqSat、LSat、XCross（其含义在下文进行解释）确定差值Ldiff。

Ld0代表具有为0的理想值Id的沿轴线D的电感差。

IdSat代表理想地对应于沿轴线D的零电感差的电流。

Lq0代表具有为0的理想值Iq的沿轴线Q的电感差。

IqSat代表理想地对应于沿轴线Q的零电感差的电流。

LSat代表沿轴线D和Q的处于饱和的电感差。

XCross代表说明交叉饱和系数的百分比值。

计算Ldiffd的导数以检测特性斜率的变化。于是，趋势线在第一线性区段被绘制为一阶方程：

从而导致：

。

使用Ldiffq重复上述讨论过程。

LqSat可以被认为等于LdSat。

LSat由等于在最大电流注入点处获得的Ldiffd值的饱和值确定。

XCross定义各向异性如何影响沿轴线D的电感差。

该参数可以近似为：

。

并且饱和到极限值。

。

上述电感差值使用下列函数[1]、[2]、[3]和[4]获得：

。

如果

，则

。

使用电感差提供特性的线性化，这将会把特定参数限制到小数量，例如但不限于6个。

步骤a至g由适当算法控制，该算法在逆变器5中被初始化以处理电感差并且以接近实验地获得的准确度来绘制马达的通量曲线λd、λq。

最后，通量曲线λd、λq的映射被用于算法中以用于自动调整马达的磁特性。

本发明获得的映射具有这样的准确度以便提供无传感器的马达控制，不过该方法也可应用到使用传感器的马达控制。

除了通常与马达相关联的逆变器之外，该方法不需要另外的硬件。

虽然已经特别参考附图描述了本方法和设备，但附图标记仅用于为了更好地理解本发明，而不是意图以任何方式限定权利要求的范围。

工业适用性

本发明可以在工业上找到应用，因为它能够在工厂中以工业规模制造三相同步磁阻马达的驱动器。

Claims (8)

1.一种自动调整同步磁阻马达（2）的磁特性的方法，所述同步磁阻马达包括定子（3）和用于控制所述马达的馈电的控制单元（5），所述定子在其中容纳转子（4）并且限定至少一对相应的最小和最大磁阻轴线（D，Q），其中，所述马达具有在台架上获得的预定名义电流（I）值和名义电压（V）值，并且其中，供应电流具有沿所述最小和最大磁阻轴线的分量（i_d，i_q），该方法包括步骤：以预定频率（f）向所述定子施加预定数量（m，n）的电压变化（dV）和电流变化（dI）；确定响应于所述电压和电流变化的电感差（L_diff）；通过对所述电感差（L_diff）进行积分来计算马达通量曲线（λ_d，λ_q）；以及在所述控制单元中绘制所述曲线以用于自动调整所述马达的磁特性；

提供检测相对于所述最小磁阻轴线（D）的角度转子位置（α）以用于建立与所述最小磁阻轴线（D）对准的静止位置的第一步骤a）；

一旦所述步骤a）已经发生、就实现注入步骤b）以在所述定子中沿所述最小磁阻轴线注入第一电流值（I_dmax/m）的第一数量（m）的电流变化（ΔI_d），所述变化具有逐渐增加且步进的平均值，其具有比所述名义电流（I）更高的第一最大电流值（I_dmax）以提供所述定子沿所述最小磁阻轴线（D）的饱和，同时保持沿所述最大磁阻轴线（Q）的所述电流分量（i_q）等于零；

提供用于测量响应于步进地增加的所述第一电流值的沿所述最小磁阻轴线的电压（V_d）和电流（I_d）以获得第一测量值（V_d，I_d）的测量步骤c）；

提供沿所述最大磁阻轴线注入具有第二电流值（I_qmax/n）的第二数量（n）的电流变化（I_q）的步骤d），所述变化具有逐渐增加且步进的平均值，其具有比所述名义电流（I）更低的第二预定最大值（I_dmax'）以将所述转子保持在所述对准的静止位置中并保持沿所述最小磁阻轴线（D）的电流分量（i_d）等于零；

提供测量响应于在步骤d）中注入的第二增加的步进的变化的沿所述最大磁阻轴线（Q）的电压（V_q）和电流（I_q）以获得第二测量值（V_q，I_q）的测量步骤e）；

计算所述第一测量值（V_d，I_d）和所述第二测量值（V_q，I_q）以确定适当的马达特定参数（L_dO，I_dSat，L_q0，I_qSat，L_Sat，X_Cross）的计算步骤f）；

根据下列函数[1]、[2]、[3]和[4]从所述特定参数（L_dO，I_dSat，L_q0，I_qSat，L_Sat，X_Cross）开始确定所述电感差（L_diff）的确定步骤g）：

其中，Ld0代表沿轴线D的电感差，理想值Id为0；

IdSat代表理想地对应于沿轴线D的零电感差的电流；

Lq0代表沿轴线Q的电感差，理想值Iq为0；

IqSat代表理想地对应于沿轴线Q的零电感差的电流；

LSat代表沿轴线D和轴线Q的处于饱和的电感差；

XCross代表占交叉饱和度系数的百分比值；

Ldiff _d (i _d ,0)是当仅施加沿轴线D的电流id时沿轴线D的电感差；

Ldiff _d (i _d ,i _qmax )是当施加沿轴线D的电流id和沿轴线Q的电流i _qmax 时，沿轴线D的电感差；

Ldiff _q (0,i _q )是仅施加沿轴线Q的电流iq时沿轴线Q的电感差；并且

Ldiff _q (i _dmax ,i _q )是当施加沿轴线Q的电流iq和沿轴线D的电流i _dmax 时，沿轴线Q的电感差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向所述定子（3）施加具有等于名义电流（I）的预定值的电流脉冲以促进所述转子旋转预定角度（α）并且获得所述转子（4）与所述最小磁阻轴线（D）的对准来实施所述第一步骤a）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过识别由电压或电流注入导致的角度位置（α）并且使用这种位置（α）作为用于在所述转子（4）不旋转时沿轴线（D和Q）进一步计算的参考，来获得所述步骤a）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一最大电流值（I_dmax）等于所述名义电流（I）的150%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定最大值（I_dmax'）等于所述名义电流（I）的大约15%。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a）至g）由算法控制，该算法在所述控制单元中被初始化以计算所述电感差（L_diff）并且绘制所述马达的通量曲线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通量曲线（λ_d，λ_q）的映射被应用于所述算法中以便以最佳模式自动调整所述马达的所述磁特性。

8.一种用于自动调整同步磁阻马达（2）的磁特性的设备（1），所述同步磁阻马达（2）包括定子（3）和用于向所述马达馈电的器件，所述定子在其内部存放转子（4）并且限定至少一对最小和最大磁阻轴线（D，Q），其中名义电流（I）和名义电压（V）是先前通过台架测试测量的标签数据，所述设备的特征在于，其包括：

-电脉冲施加器，其被构造成使所述转子旋转预定角度并且使其与所述最小磁阻轴线（D）对准；

-电子注入器，其被构造成以预定频率（f）向所述定子施加预定最小数量的电压和电流变化（dV，dI）；

-电压和电流测量装置，其用于测量响应于具有预定频率（f）的所述电压和电流变化（dV，dI）的所述电感差（L_diff）；

-滤波器件，其用于确定响应于所述变化的电感差（L_diff）；

-控制单元（5），其被构造成通过对所述电感差（L_diff）进行积分来计算所述马达通量曲线（λ_d，λ_q）并绘制所述曲线以便自动调整所述马达的所述磁特性；

所述控制单元（5）被构造成实施如权利要求1所述的方法。

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