CN111162713B - 控制电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种控制电机的方法，其中该方法包括：a)在转子参考系的第一轴线中将具有第一基本频率的第一电压波形注入电机中、与电压信号组合；b)确定转子参考系的第二轴线的第二轴线电流分量；c)基于第二轴线电流分量来控制具有第一基本频率的第二轴线的第二轴线电压分量，以获得经调整的第二轴线电压分量；d)反馈经调整的第二轴线电压分量以将经调整的第二轴线电压分量与电压信号和注入的第一电压波形组合，并且重复步骤b)到d)，直到第二轴线电流分量小于阈值；e)当第二轴线电流分量小于阈值时，基于第二轴线电压分量和具有第一基本频率的第一轴线电流分量来确定电机的差分交叉耦合参数；以及g)基于差分交叉耦合参数控制电机。

Description

控制电机的方法
技术领域
本公开总体上涉及电机，并且具体地涉及控制电机的方法。
背景技术
可以使用用于估计电机的电位置的注入方法，而不是采用用于检测电位置的传感器。在EP1334552B1中公开了这种方法的一个示例。根据EP1334552B1中公开的方法，第一信号被注入d轴，并且观测器控制器用于测量对注入的第一信号的电流反馈响应，以确定电机的估计位置。
EP1334552B1中公开的方法的一个缺点是，当确定某些类型的电机中的估计位置时，这将导致较差的精度，因为该方法不考虑交叉耦合电感/通量的存在。
发明内容
鉴于上文，本公开的目的是提供一种控制电机的方法，该方法解决或至少减轻现有技术的问题。
因此，根据本公开的第一方面，提供了一种控制电机的方法，其中该方法包括：a)在转子参考系的第一轴线中将具有第一基本频率的第一电压波形注入到电机中，第一电压波形与用于控制电机的电压信号组合；b)确定转子参考系的第二轴线的第二轴线电流分量，该第二轴线电流分量具有第一基本频率、响应于第一电压波形的注入而生成；c)基于第二轴线电流分量，控制具有第一基本频率的第二轴线的第二轴线电压分量，以获得用于控制第二轴线电流分量朝向零的经调整的第二轴线电压分量；d)反馈经调整的第二轴线电压分量以将经调整的第二轴线电压分量与电压信号和注入的第一电压波形组合，并且重复步骤b)到步骤d)，直到第二轴线电流分量小于阈值；e)当第二轴线电流分量小于阈值时，基于第二轴线电压分量和具有第一基本频率的第一轴线电流分量来确定电机的差分交叉耦合参数；以及g)基于差分交叉耦合参数来控制电机。
因此可以补偿差分交叉耦合参数对电机的电位置的影响。由此可以更精确地确定电机的电位置。因此，可以获得更精确的电机控制。
一个实施例包括：f)基于差分交叉耦合参数来确定电角度误差，其中电角度误差用于控制的步骤g)中的误差补偿。
一个实施例包括：h)在转子参考系的第一轴线中将具有第二基本频率的第二电压波形注入到电机中，第二电压波形与用于控制电机的电压信号组合；以及i)基于第二电压波形来确定观测到的电角度，其中该方法包括：j)基于观测到的电角度和电角度误差来确定实际电角度，并且其中步骤g)中的控制基于实际电角度。
根据一个实施例，步骤i)包括：i1)确定转子参考系的第二轴线的第二轴线电流分量，该第二轴线电流分量具有第二基本频率、响应于第二电压波形的注入而生成；i2)解调第二轴线电流分量；i3)对经解调的第二轴线电流分量进行低通滤波；以及i4)将经低通滤波的第二轴线电流分量控制为零，从而获得实际机械速度乘以极对的数目；以及i5)通过实际机械速度乘以极对的数目的积分来确定观测到的电角度。
一个实施例包括仅在电机以至少为电机的标称速度的10％并且不高于标称速度的速度操作时才执行步骤a)到步骤e)。
一个实施例包括：针对在至少高于电机的标称速度的10％并且不高于标称速度的速度时的特定转矩，将差分交叉耦合参数或者基于差分交叉耦合参数而确定的电角度误差内插到针对低于该电机的标称速度的10％的速度的相同转矩，以及将经内插的差分交叉耦合参数或者电角度误差存储在查找表中。
一个实施例包括仅当电机以低于电机的标称速度的10％的速度操作时才执行步骤h)到步骤j)和步骤g)。
根据实施例，其中步骤h)到步骤j)和步骤g)仅当电机以低于电机的标称速度的10％的速度操作时执行，并且步骤h)到步骤j)和步骤g)仅在电机以低于电机的标称速度的10％的速度操作时执行，第一基本频率和第二基本频率可以是相同的频率。备选地，第一基本频率和第二基本频率可以不同。
根据一个实施例，步骤a)和步骤h)同时执行，其中第一基本频率是第二基本频率的非整数倍。
根据一个实施例，第一基本频率是第一质数，并且第二基本频率是第二质数。
根据一个实施例，差分交叉耦合参数是差分交叉耦合电感或差分交叉耦合通量。
差分交叉耦合电感由下式定义
或
其中△ψd或更精确地△ψd(△id,iq)是转子参考系中的d轴差分通量，即两个通量之间的差，并且△iq是与在差分通量△ψd中使用的两个通量相对应的两个q轴电流之间的差。由于交叉耦合，q轴电流的变化导致d轴通量的变化。△ψd或更精确地△ψd(△id,iq)是q轴差分通量，并且△id是对应的两个d轴差分电流之间的差。通常，Ldq＝Lqd。
差分交叉耦合通量△ψd,cc是d轴电流id和q轴电流之间的差△iq的函数，即△ψd,cc＝(id,△iq)。差分交叉耦合通量△ψq,cc是d轴电流之间的差△id和q轴电流iq的函数。即△ψq,cc＝(△id,iq)。
根据一个实施例，差分交叉耦合参数是差分交叉耦合电感，并且其中步骤e)包括：积分第二轴线电压分量；并且将积分的第二轴线电压分量与具有频率是第一基本频率的第一轴线电流分量的倒数相乘，以获得差分交叉耦合参数。
根据一个实施例，确定第二轴线电流分量的步骤a)包括：利用具有在第一基本频率处的中心频率的滤波器对未经滤波的第二轴线电流分量进行滤波，以获得第二轴线电流分量。
滤波器可以例如是带阻滤波器或带通滤波器。在滤波器是带阻滤波器的情况下，未经滤波的第二轴线电流分量被添加到经带阻滤波的第二轴线电流分量，以获得具有第一基本频率的第二轴线电流分量。
根据一个实施例，确定第二轴线电流分量的步骤i1)包括：利用具有在第二基本频率处的中心频率的滤波器对未经滤波的第二轴线电流分量进行滤波，以获得第二轴线电流分量。
滤波器可以例如是带阻滤波器或带通滤波器。在滤波器是带阻滤波器的情况下，未经滤波的第二轴线电流分量被添加到经带阻滤波的第二轴线电流分量以获得具有第一基本频率的第二轴线电流分量。
根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机可执行组件的计算机程序，该计算机可执行组件在由控制系统的处理电路执行时使控制系统执行第一方面的方法的步骤。
根据本公开的第三方面，提供了一种用于控制电机的控制系统，其中控制系统包括：处理电路，以及包括计算机程序的存储介质，该计算机程序在由处理电路执行时使控制系统执行第一方面的方法的步骤。
根据本公开的第四方面，提供了一种电力系统，包括：电机、被配置为控制电机的功率变流器、以及根据第四方面的控制系统，该控制系统被配置为控制功率变流器。
通常，在权利要求中所使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文中另有明确地定义。对“一/一个/该元件、装置、部件、部件等”的所有引用将被开放式地解释为表示元件、装置、部件、部件等的至少一个示例，除非另外明确相反说明。
附图说明
现在将通过示例的方式，参考附图来描述本发明构思的特定实施例，在附图中：
图1示意性地示出了用于控制电机的控制系统的示例；以及
图2示意性地示出了电力系统中的控制系统的框图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图来更全面地描述本发明构思，在附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例是以示例的方式提供的，使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员全面地传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1示出了用于借助于功率变流器来控制电机(诸如具有定子和转子的电动机或发电机)的控制系统1的示例。电机可以例如是同步电机，诸如表面安装永磁电机、内部永磁同步电机、永磁辅助同步电机或同步磁阻电机。
控制系统1包括存储介质3和处理电路5。存储介质包括计算机代码，该计算机代码在由处理电路5执行时使控制系统1执行本文描述的方法的步骤。
存储介质3可以例如被实现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更特别地实现为诸如USB(通用串行总线)存储器或闪存(诸如紧凑闪存)的外部存储器中的设备的非易失性存储介质。
处理电路5可以使用能够执行关于功率变流器和电机的控制的任何本文所公开的操作的合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合。
图2以功能块示出了控制系统1的特定实现的示例。功能块可以在软件和/或硬件中实现。控制系统1被配置为控制功率变流器7，该功率变流器7被配置为控制电机9。控制系统1、功率变流器7和电机9形成电力系统11。
在下文中，首先将描述涉及注入本文中称为第二电压波形的示例性方法的一部分，以便说明在观测到的电角度中获得的误差。该误差可以通过涉及注入第一电压波形的方法的部分来补偿。
第二电压波形块13被配置为在转子参考系的第一轴线中将第二电压波形注入到电机9中，其中，根据一个示例
其中，是具有第二基本频率的角度频率。本示例中，第二电压波形是余弦波形，并且因此第二电压波形仅包括第二基本频率，但是第二电压波形可以备选地是另一波形，诸如方波或脉动信号。根据该示例，第一轴线是转子参考系的d轴，但也可以备选地是q轴。根据该示例，没有注入到第二轴线(即在该示例中的q轴)中的电压波形。
第二电压波形在矢量旋转器块15中被变换到例如静止αβ系，并且与αβ系中的组合电压信号uαβ组合，以用于控制功率变流器7以及由此控制电机9，该组合电压信号uαβ是基于来自借助于矢量旋转器块27被变换到αβ系的主电流控制块10的输出。
优选地通过测量来确定转子参考系的第二轴线的未经滤波的第二轴线电流分量iq。在这种情况下，第二轴线是q轴。在观测器滤波器模块17中对未经滤波的第二轴线电流分量iq进行滤波，以获得具有第二基本频率的第二轴线电流分量在此示例中，观测器滤波器模块17为具有在第二基本频率处的中心频率的带阻滤波器。未经滤波的第二轴线电流分量iq与经带阻滤波的信号组合，以获得具有频率是第二基本频率的第二轴线电流分量备选地，观测器滤波器模块17可以是具有在第二基本频率处的中心频率的带通滤波器，并且因此第二轴线电流分量/>可以直接在观测器滤波器模块17的输出处获得。第二轴线电流分量/>可以表示为
其中
并且θobserver为观测器电角度，θme为实际电角度，以及为电角度误差。Ld和Lq分别是d轴和q轴的差分电感，并且因此/>和/>是在第二基本频率处的第一轴线电压分量，即，在这种情况下是在第二基本频率处的d轴电压分量，该d轴电压分量可以通过如上所述的滤波来获得。
借助于与解调块19中的解调信号相乘来解调第二轴线电流分量/>这将从与/>的乘法获得的/>产生/>在低通滤波器块20中对解调的第二轴线电流分量进行低通滤波，由此去除/>项，以获得经低通滤波的第二轴线电流分量/>该第二轴线电流分量/>能够表达为
可以高效地执行低通滤波，因为与例如电机的速度动态相比，第二基本频率ωhy通常高几个等级。然后，在控制块21中，将经低通滤波的第二轴线电流分量控制为零。由于Ldq接近零，因此Ldq在这里被忽略并且在方程(4)中将其设置为零。另外，在方程(4)中的在项/>之前的所有项在电机9的特定操作点处是常数，并且对于小的/> 因此，电角度误差/>和经低通滤波的第二轴线电流分量/>是成比例的。
电角度通常是电机的机械速度乘以极对的数目的积分，这导致了表达式
为了保持经低通滤波的第二轴线电流分量为零，方程(5)中的积分必须保持为零，并且因此控制块21必须保持ωobserver＝ωme。通过将电机的实际机械频率乘以由ωme表示的极对的数目，在第一积分块23中确定观测器电角度θobserver。因此ωme是电机9的电频率。
由于Ldq事实上不是零，所以电角度误差事实上是
如从方程(4)导出的。下面描述的注入方法提供对该误差的补偿，如将在下面解释的，以获得更精确的控制。
第二电压波形优选地仅当电机9以低于电机9的标称速度的10％的速度操作时被注入。在较高速度下，可以优选地采用其它方法来确定电角度，例如电压模型方法或模型自适应参考观测器方法。
第一电压波形块25被配置为在转子参考系的第一轴线中将第一电压波形注入电机9中，其中，根据一个示例
其中，是具有第一基本频率的角频率。在本示例中，第一电压波形是余弦波形，并且因此第一电压波形仅包括第二基本频率，但是第一电压波形可以备选地是另一波形，诸如方波或脉动信号。在该示例中，没有电压波形被注入到第二轴线中，即q轴中。
第一电压波形与来自主电流控制块10的电压信号udqo相组合，以获得组合电压信号udq，该组合电压信号udq被转换到例如矢量旋转器块27中的αβ系，以用于控制功率变流器7以及由此控制电机9。
优选地通过测量来确定未经滤波的第二轴线电流分量iq。在通过矢量旋转器24变换到转子参考坐标系以获得未经滤波的第二轴线电流分量iq之前，首先在a,b,c-系或αβ系中测量该电流。在这种情况下，第二轴线是q轴。在滤波器模块29中对未经滤波的第二轴线电流分量iq进行滤波，以获得具有第二基本频率的第二轴线电流分量在该示例中，滤波器模块29是具有在第一基本频率处的中心频率的带阻滤波器。未经滤波的第二轴线电流分量iq与经带阻滤波的信号组合，以获得具有频率是第一基本频率的第二轴线电流分量/>
备选地，滤波器模块29可以是具有在第一基本频率处的中心频率的带通滤波器，并且因此可以直接在滤波器模块29的输出处获得第二轴线电流分量
借助于电流控制块31、基于具有频率是第一基本频率的第二轴线(即q轴)电流分量来控制具有第一基本频率的第二轴线的第二轴线电压分量/>以获得经调整的第二轴线电压分量/>经调整的第二轴线电压分量/>被反馈、并且与由电流控制块10输出的电压信号udqo和注入的第一电压波形/>组合，以获得用于控制电机9的组合电压信号udq。电流控制块31可以例如包括谐振控制器，该谐振控制器被配置为在第一基本频率(即，第二轴线电流分量/>)处控制d轴电流分量。执行该控制和反馈，直到第二轴线电流分量/>具有小于阈值的幅度。优选地，第二轴线电流分量/>被控制为变为零。
第二轴线电流分量可以根据其中当电机以电机的标称速度的至多10％的速度操作时第一电压波形/>被注入的一个示例而被表示为
其中，是具有第一基本频率的第一轴线电流分量。第一轴线电流分量/>可以以与第二轴线电流分量/>类似的方式来确定，即通过测量和滤波来确定。
当电机以电机的标称速度的至多10％的速度运行时，第二电压波形可以与第一电压波形/>同时注入。为了能够在处理中正确地区分两次注入，第一基本频率和第二基本频率优选是彼此的非整数倍。因此优选地，第一基本频率和第二基本频率不能被整除。第一基本频率可以例如是第一质数，并且第二基本频率可以是第二质数。
通过将第二轴线电流分量控制为零，从方程(8)得出呈差分交叉耦合电感Ldq形式的差分交叉耦合参数可以由以下公式确定，
即，通过在第二积分块33中将第二轴线电压分量积分，并且在乘法块35中将经积分的第二电压分量/>与第一轴线电流分量/>的倒数相乘。
在当电机以电机9的标称速度的至少10％且不高于电机9的标称速度的速度操作时注入第一电压波形的示例中，当第二轴线电流分量/>已经被控制为零时，差分交叉耦合电感Ldq可以表示为
在方程(8)和(10)中示出的两种情况下，电角度误差可以使用方程(6)基于电角度误差估计块39中的差分交叉耦合电感Ldq来确定。
使用在方程(6)的差分电感Ld和Lq可以由电角度误差估计块39使用电流参考idqref和查找表38获得，查找表38包含针对电机9的特定操作点的差分电感Ld和Lq，并且因此包括电流参考idqref。
当已经确定电角度误差时，它可以存储在存储介质3中，以例如一旦在电机9以低于电机9的标称速度的10％的速度操作的情况下、第二电压波形/>的注入已经结束并且已经确定了观测者电角度θobserver时使用电角度误差/>在当电机以至少为电机标称速度的10％并且不高于标称速度的速度操作时第一电压波形/>被注入的情况下，电角度误差/>或对应的差分交叉耦合电感Lqd可以针对特定转矩被内插并且被存储在存储介质3中、例如在查找表中，在该特定转矩处，该电角度误差/>或对应的差分交叉耦合电感Lqd针对低于电机的标称速度的10％的速度被计算为相同转矩。
电角度误差可以与观测器电角度θobserver组合以获得实际电角度θme。取决于机器类型，电角度误差9优选地添加到观测器电角度θobserver或从观测器电角度θobserver中减去，以获得实际电角度θme。然后，实际电角度θme可以用于控制功率变流器7和电机9。实际电角度θme可以用于矢量旋转器块15、26和27中，例如以获得αβ系与d-q系之间的正确变换。
第一电压波形可以不注入到第一轴线中，而是注入到第二轴线中，即q轴。在这种情况下，与上面的示例相比，将在另一个轴线上执行电参数的处理，例如方程(8)将替代地用于d轴电流。
以上主要参照几个示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，与以上公开的实施例不同的其他实施例同样是可能的。

Claims (15)

1.一种控制电机(9)的方法，其中所述方法包括：
a)在转子参考系的第一轴线中将具有第一基本频率的第一电压波形注入到所述电机(9)中，所述第一电压波形/>与用于控制所述电机(9)的电压信号组合；
b)确定所述转子参考系的第二轴线的第二轴线电流分量所述第二轴线电流分量/>具有所述第一基本频率、响应于所述第一电压波形/>的所述注入而生成；
c)基于所述第二轴线电流分量控制具有所述第一基本频率的所述第二轴线的第二轴线电压分量/>以获得用于控制所述第二轴线电流分量/>朝向零的经调整的第二轴线电压分量/>
d)反馈所述经调整的第二轴线电压分量，以将所述经调整的第二轴线电压分量与所述电压信号和注入的所述第一电压波形组合，并且重复步骤b)到步骤d)，直到所述第二轴线电流分量/>小于阈值；
e)当所述第二轴线电流分量小于所述阈值时，基于所述第二轴线电压分量/>和具有所述第一基本频率的第一轴线电流分量/>来确定所述电机(9)的差分交叉耦合参数；以及
g)基于所述差分交叉耦合参数来控制所述电机(9)。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：f)基于所述差分交叉耦合参数来确定电角度误差其中所述电角度误差/>被用于控制的步骤g)中的误差补偿。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：h)在所述转子参考系的所述第一轴线中将具有第二基本频率的第二电压波形注入到所述电机(9)中，所述第二电压波形/>与用于控制所述电机(9)的所述电压信号组合；以及i)基于所述第二电压波形/>来确定观测到的电角度θobserver，其中所述方法包括：j)基于所述观测到的电角度θobserver和所述电角度误差/>来确定实际电角度θme，并且其中步骤g)中的所述控制基于所述实际电角度θme。
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤i)包括：i1)确定所述转子参考系的所述第二轴线的第二轴线电流分量所述第二轴线电流分量/>具有所述第二基本频率、响应于所述第二电压波形/>的所述注入而生成；i2)解调所述第二轴线电流分量/>i3)对经解调的所述第二轴线电流分量进行低通滤波；以及i4)将经低通滤波的所述第二轴线电流分量控制为零，从而获得实际机械速度乘以极对的数目ωme；以及i5)通过所述实际机械速度乘以所述极对的数目ωme的积分，来确定所述观测到的电角度θobserver。
5.根据权利要求3或4所述的方法，包括：仅当所述电机(9)以至少为所述电机(9)的标称速度的10％并且不高于所述标称速度的速度操作时执行步骤a)到步骤e)。
6.根据权利要求5所述的方法，包括：针对在至少为所述电机(9)的所述标称速度的10％并且不高于所述标称速度的速度时的特定转矩，将所述差分交叉耦合参数或者基于所述差分交叉耦合参数而确定的所述电角度误差内插到针对低于所述电机的所述标称速度的10％的速度的相同转矩；以及将经内插的所述差分交叉耦合参数或者所述电角度误差存储在查找表中。
7.根据权利要求3、4和6中任一项所述的方法，包括：仅当所述电机(9)以低于所述电机(9)的标称速度的10％的速度操作时，执行步骤h)到步骤j)和步骤g)。
8.根据权利要求3或4所述的方法，其中步骤a)和步骤h)同时执行，其中所述第一基本频率为所述第二基本频率的非整数倍。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一基本频率是第一质数，并且所述第二基本频率是第二质数。
10.根据权利要求1-4、6和9中任一项所述的方法，其中所述差分交叉耦合参数是差分交叉耦合电感或差分交叉耦合通量。
11.根据权利要求1-4、6和9中任一项所述的方法，其中所述差分交叉耦合参数是差分交叉耦合电感，并且其中步骤e)包括：对所述第二轴线电压分量进行积分；以及将积分的所述第二轴线电压分量/>与具有所述第一基本频率的所述第一轴线电流分量/>的倒数相乘，以获得所述差分交叉耦合参数。
12.根据权利要求1-4、6和9中任一项所述的方法，其中确定所述第二轴线电流分量的步骤b)包括：利用具有在所述第一基本频率处的中心频率的滤波器对未经滤波的第二轴线电流分量iq进行滤波，以获得所述第二轴线电流分量/>
13.一种包括计算机可执行组件的计算机程序，所述计算机可执行组件在由控制系统(1)的处理电路执行时，使所述控制系统(1)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。
14.一种用于控制电机(9)的控制系统(1)，其中所述控制系统(1)包括：
处理电路(5)；以及
包括计算机程序的存储介质(3)，所述计算机程序在由所述处理电路(5)执行时，使所述控制系统(1)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的步骤。
15.一种电力系统(11)，包括：
电机(9)；
功率变流器(7)，被配置为控制所述电机(9)；以及
根据权利要求14所述的控制系统(1)，被配置为控制所述功率变流器(7)。
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