CN110612664B - 电机驱动适配 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于适配电机驱动系统的方法和装置。该方法包括：向电机驱动系统施加小信号扫频，其中，该电机驱动系统包括逆变器、输出滤波器(例如，正弦滤波器)和电机；响应于所述扫频而获取频率响应数据；以及根据所获取的频率响应数据来设置该电机驱动系统的参数。

Description

电机驱动适配
技术领域
本发明涉及一种用于适配电机驱动系统的方法和装置。
背景技术
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、DC链路电容器10、逆变器12和控制模块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通常可与控制模块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。每个切换元件可以进一步与相应的续流二极管(D1至D6)相关联。
图2所示的示例性逆变器12是三相逆变器，该示例性逆变器可以用于生成以下三个输出：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)。
通常，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，其中，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通常一起连接在正极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通常一起连接在正极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。
上述传统逆变器12是一种2级、6晶体管逆变器。如将对本领域技术人员显而易见的，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。
如下文中详细描述的，逆变器12的输出可以被滤波并且可以沿着一条或多条缆线传输。这种滤波和传输以对逆变器系统的性能有害的方式对逆变器的性能产生影响。
本发明力图解决以上概述问题中的至少一些问题。
发明内容
本发明提供了一种方法，所述方法包括：向电机驱动系统施加小信号扫频，其中，该电机驱动系统包括逆变器、输出滤波器(诸如，正弦滤波器)和电机(且通常还包括整流器和DC链路级，该电机驱动系统还可以包括一条或多条缆线并且可以包括多个电机)；响应于所述扫频而获取频率响应数据，以便确定该电机驱动系统中的(电)谐振；以及根据所获取的频率响应数据来设置参数(诸如，该电机驱动系统的所述逆变器的最佳切换频率和/或最大切换频率)。
本发明还提供了一种电机驱动系统，该电机驱动系统包括逆变器级、控制模块(以及通常的整流器级和DC链路级)和输出滤波器(以及可能的一个或多个电机)，其中，该控制模块被配置用于根据该电机驱动系统的所测得频率性能来设置该电机驱动系统的参数(诸如，该电机驱动系统的所述逆变器的最佳切换频率和/或最大切换频率)，其中，响应于向该电机驱动系统施加小信号扫频来测量该频率性能(可以在所述控制模块的控制下施加该扫频)。可以提供一条或多条缆线，以将该逆变器级的输出端连接至一个或多个电机。在这样的布置中，该系统的频率性能可以包括(多个)缆线连接和(多个)电机的性能。
本发明又进一步提供了一种计算机程序(或计算机程序产品)，其包括：用于向电机驱动系统(其中，该电机驱动系统包括逆变器、输出滤波器和电机)施加小信号扫频的代码(或一些其他装置)；用于响应于所述扫频而获取频率响应数据以便确定该电机驱动系统中的(电)谐振的代码(或一些其他装置)；以及用于根据所获取的频率响应数据来设置该电机驱动系统的参数的代码(或一些其他装置)。
施加小信号扫频可以包括在某个频率范围(例如，300Hz至5000Hz)上向电机施加低电压幅度信号(通常只有几伏，诸如，5V RMS)。
所获取的频率响应数据可以包括电流数据，该电流数据是由所施加的扫频产生的频率的函数。
在本发明的一种形式中，施加该小信号扫频包括(通过施加DC磁化脉冲(或电平))以不同的DC偏移电平施加多个小信号扫频，并且获取频率响应数据包括针对所述多个小信号扫频中的每一个获取频率响应数据。
本发明可以进一步包括施加(变化电平的)DC磁化脉冲，并重复所述扫频施加步骤和频率响应数据获取步骤。可以施加多个DC磁化脉冲，并且施加该DC磁化脉冲可以包括使所述DC磁化脉冲递增。
本发明可以包括周期性地(例如，每周一次或每月一次)重复所述扫频施加和频率响应数据获取(以及可能还有的参数设置步骤)。本发明可以进一步包括判定所述频率响应数据的变化是否指示显著的性能变化(并且如果是，则发出警报)。
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示出了逆变器驱动系统；
图2示出了示例性逆变器；
图3示出了根据本发明的一个方面的高度示意性电机驱动系统；
图4是示出了根据本发明的系统的示例性使用的算法的流程图；
图5至图7示出了本发明的测试应用的曲线图；并且
图8是示出了根据本发明的示例性使用的算法的流程图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明的一个方面的通常用附图标记20指示的电机驱动系统。
电机驱动系统20包括上述AC电源2和可调速驱动器(ASD)4。提供输出滤波器22(通常为正弦滤波器)以对ASD 4的输出进行滤波。如图3所示，示例性系统20包括将滤波器22的输出端连接至第一电机26的第一缆线24和将滤波器22的输出端连接至第二电机27的第二缆线25。图3所示的特定布置对于本发明的所有实施例不是必需的。例如，可以并联设置更多的电机。进一步地，可以设置单个电机(并且因此可以提供单个缆线)(例如，省略缆线25和电机27)。
在电机驱动系统20中可以设置正弦滤波器(诸如，滤波器22)的原因有很多。在某些电机驱动系统中，可能需要较长的电机缆线，这可能需要使用正弦滤波器。需要正弦滤波器的其他可能原因包括低可听噪声要求或使用无法耐受PWM电压的电机绝缘。为了获得系统20的可靠操作，转换器、滤波器和电机的组合应匹配在一起。实际中可能很难做到这一点的原因有很多。
有许多参数会影响系统20的操作。一个参数是输出滤波器22的谐振频率与缆线和电机阻抗的组合。除其他以外，该谐振频率取决于(多个)电机缆线的长度和(多个)电机阻抗，这些电机缆线的长度和电机阻抗可能会根据电机的类型而变化很大。
在不同实体提供系统20的不同元件的情况下出现特定问题。例如，对于最终用户而言，提供输出滤波器22的结果是已知的，该结果是：ASD 4的提供商难以为系统20提供适当的控制参数。
谐振频率可能会发生显著变化的一个特殊情况是多电机安装(其中，一个输出滤波器为许多电机供电)，其中，使用的电机数量随时间变化。
图4是示出了演示本发明的系统的示例性使用的通常用附图标记40指示的算法的流程图。
算法40从向(多个)电机施加DC磁化脉冲(或电平)的步骤42开始。DC磁化脉冲的一个目的是防止转子在适配过程中转动。
接下来，在步骤44中，在指定的频率范围(例如，300Hz至5000Hz)上，向(多个)电机施加低电压幅度(通常只有几伏)的扫频。然后，测量由所施加的扫频产生的电流。
接下来，在步骤46中，识别系统20中的谐振。所检测到的谐振是系统20中的电谐振。
图5示出了本发明的测试应用的通常用附图标记60指示的曲线图。使用500V的驱动器和15A的滤波器进行测试。用5V RMS电压进行从100Hz到2kHz的扫频。电流在谐振频率处明显地达到峰值，从而允许检测谐振频率(算法40的步骤46)。
在检测到系统中的谐振频率的情况下，算法40移至判定是否已经在所有期望的DC磁化电干下进行了测试的步骤48。该步骤允许针对不同电平的DC磁化重复步骤42至步骤46，以检查电感器的饱和度可以如何影响谐振频率。
如果在步骤48中确定尚未在所有期望的DC磁化电平下应用算法40，则使DC磁化电平递增(在步骤50中)，并且算法40返回到步骤42。如果在步骤48中确定已经在所有期望的DC磁化电平下应用算法40，则算法40移至步骤52。
图6示出了在不同DC磁化电平下的多个扫频步骤44的示例性应用的通常用附图标记70指示的曲线图。曲线图70示出了扫频步骤44的通常由附图标记71至75指示的五个不同实例的电流输出。
电流输出曲线71处于低DC磁化电平。该曲线图示出了在y轴上标绘的所测量电流和在x轴上标绘的时间。在扫频步骤44期间施加的频率随时间增加，使得由ASD 4输出的信号的频率在曲线71的开始(时间t＝0)处最低，而在曲线71的末端(时间t＝200ms)处最高。
电流曲线72至75中的每一个示出了响应于相继较高的DC磁化电平的所测量电流。
如在曲线图70中清楚可见的，电流曲线71至75中的每一个示出了相似的谐振响应，其中，谐振电流发生在接近75ms处。因此，在时间t＝75ms处，电机驱动系统20的ASD 4的频率输出具有系统20的电谐振频率。
图7示出了在不同DC磁化电平下的多个扫频步骤44的另一个示例性应用的通常用附图标记80指示的曲线图。曲线图80示出了扫频步骤44的通常由附图标记81至85指示的五个不同实例的电流输出。
电流输出曲线81处于低DC磁化电平处，并且因此类似于上述电流输出曲线71。与曲线71一样，电流输出曲线81示出了谐振电流发生在接近75ms处。因此，在时间t＝75ms处，ASD 4的频率输出具有系统20的电谐振频率。
曲线图80与曲线图70的区别在于增加DC磁化电平的影响。在曲线图70中，电流输出曲线71至75中的每一个都示出了相似的谐振响应。在曲线图80中，随着DC磁化电平的增加(如电流输出曲线82至85所示)，谐振频率也随之变化，被测电流的幅度也随之变化，使得在(由电流输出曲线85指示的)最高DC磁化电平下，谐振频率约在90ms处。
曲线图80中所示的不同频率响应是由电机驱动系统20中的电感器的饱和的影响引起的，并且可以用于测量该影响。
在算法40的步骤52中，确定或定义系统的多个变量。这些变量可以包括系统20的最小切换频率、最佳切换频率和最大切换频率中的一个或多个。这些变量还可以包括用于控制集合的参数，以确保针对此特定系统谐振频率的稳定运行。这在需要正弦滤波器的应用中应具有更好的动态性能。
在本发明的一种形式中，可以将系统20的最佳切换频率设置为在算法40的步骤46期间检测到的谐振频率的预定倍数。举例来说，可以设置为谐振频率的三倍的频率。在上面参照图6所述的示例中，在图6所示的时间t＝75ms处，该频率可以是电机系统的频率的三倍。在上面参照图7所述的示例中，在时间t＝90ms处，该频率可以是电机系统的频率的三倍，使得电机系统20中的电感的饱和的影响被考虑在内。因此，如果扫频步骤44的实例发生在可被合理地预期为在电机系统20的操作期间发生的DC磁化电平的范围内，则可以是有利的。
根据驱动器的可能性能(例如，电流采样、频率切换速率)，在正常运行期间也可以进行扫频步骤44。
可以在无DC磁化(即，省略算法40的步骤42、步骤48和步骤50)的情况下实施算法40的简单版本。如果电压幅度足够低且以很高的频率(可能高于300Hz)启动，则转子很可能不会转动。另一种选择是使用不对称的AC电压，该AC电压不能使电机旋转。
在上述系统20中，将输出滤波器22的输出端连接至一个或多个电机的输入端。这对于本发明的所有形式不是必需的。例如，可以在输出滤波器和电机之间设置变压器(通常为升压变压器)。在这样的实施例中，不可以使用DC磁化，但是仍然可以执行本文所述的扫频步骤。
可以以一定的时间间隔重复算法40(或其变体，例如，省略DC磁化步骤)，以检测(如在步骤52处设置的)优选的系统变量是否随时间变化。这不仅允许变量随系统性能的变化而变化，而且还可以用于检测系统性能的变化，并且可以例如对例如由于老化可能发生的组件(诸如，过滤器组件)潜在故障进行预警。
图8是示出了根据本发明的示例性使用的通常用附图标记90指示的算法的流程图。
算法90从存储系统20的原始参数的步骤92开始。可以在算法40的步骤52中设置这样的参数，但这不是必需的。例如，这样的原始参数可以是工厂设置的参数。
接下来，算法90移至设置新参数的步骤94。步骤94可以实施上述算法40(或该算法的变体)。
在步骤94之后，在步骤96中判定参数是否已经从先前的参数发生改变，并且如果是，则算法移至发出警报的步骤99。如果参数尚未偏离先前的参数(或在可接受的容差内)，则算法90移至步骤98。在步骤96中，例如，如果参数已经改变了预定量或预定百分比，则可以认为这些参数已经改变。
在步骤98中，算法90在重复步骤94和步骤96之前等待下一个测试周期。延迟周期可以例如为一周或一个月，但是，当然可以选择任何周期。进一步地，该周期可以是可变的(例如，取决于系统20的寿命)。步骤98例如可以以多种不同方式被实施为中断。
如上所述，步骤96可以确定(在算法40的步骤52的实例中的)所测量变量与(在算法90的步骤92中设置的)原始参数之间的差异。这不是必需的。例如，步骤96可以确定步骤52的两个不同实例中的所测量变量之间的差异。例如，一个更复杂的布置会将所测量变量与原始参数和先前测量的变量进行比较，以获得对所确定变量已经如何随时间变化的指示。
上文所描述的本发明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。例如，本发明的原理不限于与图1所示形式的电机驱动系统一起使用。本发明的权利要求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 (12)

1.一种用于适配电机驱动系统的方法，包括：
向电机驱动系统施加小信号扫频，其中，该电机驱动系统包括逆变器、输出滤波器和电机；
响应于所述扫频而获取频率响应数据，以便确定该电机驱动系统中的谐振频率；以及
根据所获取的频率响应数据来设置该电机驱动系统的参数，
其中，所述方法进一步包括：施加变化电平的DC磁化脉冲，并且重复所述扫频施加步骤和频率响应数据获取步骤，并且
其中，所述参数包括所述逆变器的最小切换频率、最佳切换频率和最大切换频率中的一个或多个，所述最佳切换频率设置为确定的谐振频率的预定倍数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，施加小信号扫频包括在某个频率范围上向该电机施加低电压幅度信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述获取的频率响应数据包括电流数据，该电流数据是由所施加的扫频产生的频率的函数。
4. 如权利要求1所述的方法，其中:
施加该小信号扫频包括以不同的DC偏移电平施加多个小信号扫频；并且
获取频率响应数据包括针对所述多个小信号扫频中的每一个获取频率响应数据。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括周期性地重复所述扫频施加步骤和频率响应数据获取步骤。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括判定所述频率响应数据的变化是否指示显著的性能变化。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述输出滤波器是正弦滤波器。
8.一种电机驱动系统，包括逆变器级、控制模块和输出滤波器，其中，所述控制模块被配置用于根据该电机驱动系统的所测得谐振频率设置该电机驱动系统的参数，其中，响应于向该电机驱动系统施加小信号扫频来测量该谐振频率，其中，所述控制模块还被配置为施加变化电平的DC磁化脉冲，并且重复所述扫频施加和频率性能测量，并且其中，所述参数包括所述逆变器级的最小切换频率、最佳切换频率和最大切换频率中的一个或多个，所述最佳切换频率设置为所测得的谐振频率的预定倍数。
9.如权利要求8所述的电机驱动系统，其中，在所述控制模块的控制下施加该小信号扫频。
10.如权利要求8所述的电机驱动系统，进一步包括将该逆变器级的输出端连接至电机的缆线。
11.如权利要求8所述的电机驱动系统，其中，所述输出滤波器是正弦滤波器。
12.一种计算机可读存储介质，存储有指令，所述指令在由处理器使得所述处理器：
向电机驱动系统施加小信号扫频，其中，该电机驱动系统包括逆变器、输出滤波器和电机；
响应于所述扫频而获取频率响应数据以便确定该电机驱动系统中的谐振频率；
根据所获取的频率响应数据来设置该电机驱动系统的参数；
其中，所述指令在由所述处理器执行时还使得所述处理器：施加变化电平的DC磁化脉冲，并且重复所述扫频施加和频率响应数据获取，并且
其中，所述参数包括所述逆变器的最小切换频率、最佳切换频率和最大切换频率中的一个或多个，所述最佳切换频率设置为确定的谐振频率的预定倍数。
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