CN112398404A - 用于无发送器地运行三相电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过磁场定向的调节无发送器地运行具有定子和转子的三相电机、尤其是具有被嵌入的磁体的同步马达或磁阻机器的方法，其中在第一调节期间调节定子电流的d分量且在第二调节期间调节定子电流的q分量，并且其中从定子电流的d分量和定子电流的q分量确定n相定子电压，其中借助磁通量模型（200）根据n相定子电压确定转子姿势角度，在此期间执行n相定子电压的积分（205、207），其中定子电流的d分量的第一调节和/或定子电流的q分量的第二调节根据确定的转子姿势角度执行，其中针对积分（205、207）的至少一个修正值在至少一个第三调节（259、260）期间根据三相电机的测量的n相电流确定，其中积分（205、207）根据至少一个修正值执行。

Description

用于无发送器地运行三相电机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过磁场定向的调节来无发送器地运行三相电机、尤其是磁阻机器的方法，所述三相电机具有定子和转子，以及一种计算单元和一种用于执行该方法的计算机程序。
背景技术
三相电机、尤其是电动马达可以在不同的工业应用、如螺钉系统中例如用作旋转轴的驱动器。为了调节转速和/或转矩，在这种三相电机中，通常需要知道当前的转子姿势角度。在为此可以使用相应的发送器或传感器期间，越来越多地存在力求达到所谓的无发送器的调节的区域，因为从而可以取消附加的构件，其此外经常基于在运行时的振动可能提供不准确的值。
三相电机的这种无发送器的磁场定向的运行例如在DE 195 31 771 B4和EP 1037 377 A2中示出。
发明内容
根据本发明提出一种具有独立权利要求的特征的方法以及一种计算单元和一种用于执行该方法的计算机程序，该方法用于通过磁通量定向的或磁场定向的调节（FOR）无发送器地运行三相电机、尤其是具有被嵌入的磁体的同步马达或磁阻机器，三相电机具有定子和转子。有利的设计方案是从属权利要求和随后的描述的主题。
在该方法的范围内，在第一调节期间调节定子电流的d分量，并且在第二调节期间调节定子电流的q分量。例如，针对该目的可以分别设置PI调节。由定子电流的d分量和定子电流的q分量确定n相的定子电压、尤其是n相的定子电压的额定值。因此尤其地，针对定子电流的额定值在d/q坐标系中确定，并且从定子电流的该额定值确定n相的定子电压的额定值。尤其是根据n相的定子电压的所确定的额定值将相应的电压提供至定子上。
在磁通量定向的或磁场定向的调节期间，借助磁通量模型确定转子姿势角度。根据所确定的转子姿势角度执行定子电流的d分量的第一调节和/或定子电流的q分量的第二调节。
d/q坐标系提供在二维的相对旋转磁场固定的坐标系中利用相互垂直的轴d和q示出n相的三相电机的n相的参量的可能性，坐标系利用角频率Ω转子和转子一起转动。通过所谓的d/q转换或Park转换可以将n维的坐标系转换为d/q坐标系。针对d/q转换，在定子磁场与转子磁场之间的转子姿势角度θ是重要的，以便可以使d/q坐标系以正确的角速度和相位与转子一起转动。
在该方法中，转子姿势角度（Rotorlagewinkel）借助磁通量模型根据n相的定子电压确定，尤其是根据n相的定子电压的额定值确定。在磁通量模型期间执行n相的定子电压的积分，尤其是n相的定子电压的额定值的积分。给磁通量模型尤其是输送n相的定子电压的额定值和三相电机的尤其是被测量的n相的定子电流作为输入参量。作为输出参量，磁通量模型适宜地提供转子姿势角度，并且此外尤其是提供三相电机的转速。
转子姿势角度可以借助磁通量模型尤其是从转子磁通量获知，其中在磁通量模型中借助在定子（或其绕组或相）中流动的电流、在定子（或其绕组或相）中存在的电压、定子（或其绕组或相）的欧姆电阻和定子的电感获知转子磁通量。磁通量模型可以在调节技术中实施为所谓的观察者。
在磁通量模型中，转子磁通量可以适宜地借助关于定子电压的积分获知，从定子电压减去定子电流和定子的欧姆电阻的乘积。从该积分的值尤其是还减去定子的电感和定子电流的乘积。在使用反正切函数的情况下，从以该方式获知的转子磁通量则可以获知转子姿势角度。此外，转子姿势角度的时间导数在除以极对数后产生转子的角速度，其相应于三相电机的转速。
在本发明的范围内，针对积分的至少一个修正值在至少一个第三调节期间确定，并且积分根据该至少一个修正值执行。至少一个修正值在至少一个第三调节期间根据三相电机的被测量的n相的定子电流确定。尤其地，所确定的至少一个修正值在积分之前被从定子电压减去。适宜地，定子电流和定子的欧姆电阻的乘积同样可以在积分之前被从定子电压减去。
因此，在本发明的范围内提出一种对三相电机的无发送器的调节，其通过磁通量对称化或积分的磁通量分量的对称化实现。积分的磁通量分量的对称化以如下方式发生，将积分的磁通量分量与磁通量信号比较，磁通量信号以备选的方式基本上从电流（替代从电压）计算出。例如可以借助PI调节器从该差求导出针对磁通量积分器的修正电压。
通过修正值可以实现磁通量模型的改进，并且可以实现对无发送器的调节进行简单的优化。积分的漂移（Drift）可以通过角度修正来阻止，并且尤其是能够实现动态的角度修正。即使在很小的转速中也可以避免磁通量的出错。三相电机尤其是即使在很低的转速中也可以无发送器地利用很高的效率进行调节。
修正值在此适宜地借助原本已经已知的或存在的参量确定。适宜地不需要为了确定修正值而以测量技术检测附加的参量或参数，这可以影响调节动态。因此尤其是不需要针对测量装置的附加耗费。尤其地，以适宜的方式在没有针对定子电压的测量值的情况下确定修正值。
此外，除了d/q坐标系以外存在通过所谓的Clarke转换将n维的坐标系转换至相对定子固定的α/β坐标系的可能性。在Clarke转换中，与静止的定子相同地选择基本的直角坐标系，并且在复平面内以实部α和虚部β描绘。n维的坐标系的轴、通常轴是U在此与实轴α重合。磁通量模型尤其是在α/β坐标系中计算出。
有利地，在磁通量模型中执行定子电压的α分量的第一积分和定子电压的β分量的第二积分。针对该目的，在磁通量模型的输入端上尤其是执行n相的定子电压的Clarke转换，尤其是定子电压的额定值的Clarke转换。有利地，在至少一个第三调节期间确定针对定子电压的α分量的积分的第一修正值和针对定子电压的β分量的积分的第二修正值。适宜地，为了确定修正值分别执行PI调节。
适宜地，第一修正值在第一积分之前被从定子电压的α分量减去。此外尤其地，定子电流的α分量和定子的欧姆电阻的乘积可以在第一积分之前被从定子电压的α分量减去。
类似地，第二修正值适宜地在第二积分之前被从定子电压的β分量减去。此外尤其地，定子电流的β分量和定子的欧姆电阻的乘积在第二积分之前被从定子电压的β分量减去。
有利地确定由积分的n相的定子电压和定子的电感与测量的n相的定子电流的乘积的差。优选地，在至少一个第三调节期间根据该差确定针对积分的至少一个修正值。尤其是可以从该差借助PI调节器确定至少一个修正值。
尤其地，在磁通量模型的输入端上的被测量的n相的定子电流借助Clarke转换在α/β坐标系中表示出。以该方式可以确定定子电流的α和β分量，其与定子的欧姆电阻相乘，从而乘积在其积分之前可以分别从定子电压的α和β分量被减去。随后尤其是执行将定子电流的α和β分量转换至d/q坐标系。
适宜地，定子电流的d分量与电感的d分量和q分量的差相乘。在d/q坐标中的因此得到的乘积尤其是转换为α/β坐标。因此尤其是确定乘积的α分量，其适宜地用于形成与定子电压的、积分的α分量的差。相应地，乘积的β分量用于形成与定子电压的、积分的β分量的差。
有利地，针对积分的至少一个修正值在至少一个第三调节期间根据磁通量、尤其是根据永磁的转子磁通量确定。尤其地，该可能性适用于具有被嵌入在转子的表面的下方的永磁体（IPM）的永磁激励同步马达。
优选地确定定子的电感和被测量的n相的定子电流的至少一个分量的乘积，特别优选地确定定子电流的d分量和电感的d分量与q分量的差的乘积。优选地，磁通量被添加至该乘积，并且确定积分的n相的定子电压和该总和的差。特别优选地确定定子电压的积分的α分量和该总和的差。在至少一个第三调节期间，根据该差有利地确定针对积分的至少一个修正值，尤其是针对定子电压的α分量的第一积分的第一修正值。
修正值根据电感的d/q坐标的这种确定尤其是适合于同步磁阻机器（SynRM）和具有被嵌入在转子的表面的下方的磁体（IPM英语：interior mounted permanent magnet）的永磁激励同步马达。
根据有利的实施方式，反正切函数用于积分的n相的定子电压，并且针对积分的至少一个修正值根据该反正切函数的分量确定。反正切函数的结果尤其是关于绝对值的第一分量和关于角度的第二分量。尤其是可以从第二分量获知转子姿势角度。优选地，在至少一个第三调节期间根据以该方式确定的转子姿势角度来确定至少一个修正值。
三相电机例如可以用于驱动机器。这种机器尤其是可以构造为机床、例如焊接系统、螺钉系统、线锯或铣床，或构造为幅材处理机器、例如打印机、报纸印刷机、凹版印刷机或丝网印刷机、内联（inline）柔版印刷机或包装机。该机器也可以构造为用于制造汽车或用于制造汽车部件（例如内燃机或控制设备）的（带）设备。
此外，三相电机例如也可以使用在车辆中，并且在那里适宜地发电机式或马达式地运行。在发电机运行中，三相电机在此可以吸收驱动力矩并且将机械能转换为电能。在马达运行中，三相电机可以将电能转换为机械能并且产生驱动力矩。
根据本发明的计算单元、例如控制设备尤其是在程序技术上设置用于执行根据本发明的方法。
以计算机程序的形式实施该方法也是有利的，因为这导致特别小的成本，尤其是当实施的控制设备还用于另外的任务并且因此反正是存在的时。用于提供计算机程序的适当的数据载体尤其是磁存储器、光存储器和电存储器，例如硬盘、闪存器、EEPROM、DVD等。程序通过计算机网络（因特网、内部网等）的下载也是可能的。
本发明的另外的优点和设计方案从说明书和附图得到。
要理解的是，之前提到的和随后还将阐述的特征可以不仅在分别说明的组合中，而且也在另外的组合中或单独使用，而不会脱离本发明的保护范围。
附图说明
本发明借助实施例在附图中示意性示出，并且随后参考附图详细描述。其中：
图1示意性示出了根据本发明的、用于在使用磁通量模型作为方框电路图的情况下无发送器地运行三相电机的方法的优选的实施方式；
图2示意性示出了根据本发明的方法的优选的实施方式的磁通量模型作为方框电路图。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的、用于在使用磁通量模型作为方框电路图的情况下无发送器地运行三相电机的方法的优选的实施方式。
三相电机150例如可以构造为异步电机（ASM）或永磁激励同步马达（PMSM；SPM、IPM）或优选也构造为同步磁阻机器（SynRM）。
在该方法期间，预设用于定子电流的d分量的额定值Id*作为输入值101，并且预设用于三相电机150的转速的额定值n*作为输入值106。
在比较位置102中，定子电流的d分量的实际值Id被从额定值id*减去，实际值借助磁通量模型200和测量115确定，如进一步在下面还阐述的那样。在这里例如构造为PI调节器103的调节器中，在第一调节期间调节定子电流的d分量，其中作为输出参量得到定子电压的d分量Ud。其被输送至计算单元104的输入端105，计算单元执行从dq坐标到UVW坐标的转换。
此外，在比较位置107中，转速的实际值被从转速的额定值n*减去，实际值在磁通量模型200中根据转子姿势角度θ确定，如进一步在下面阐述的那样。在这里例如构造为PI调节器108的调节器中执行转速调节，其中作为输出参量得到针对定子电流的q分量Iq的额定值。在比较位置109中，q分量的实际值被从该额定值减去，实际值借助磁通量模型200和测量115确定。
在这里例如构造为PI调节器110的调节器中，在第二调节期间调节定子电流的q分量，其中作为调节参量得到定子电压的q分量Uq。其被输送至计算单元104的输入端111。
此外，转子姿势角度θ的在磁通量模型200中确定的实际值被输送至计算单元104的输入端112。在输出端113上，计算单元104提供用于三相电机150的定子电压的额定值VUVW，额定值被输送至用于三相电机150的功率或调节电子器件114，从而电压根据额定值VUVW存在。
在测量115期间测量n相的定子电流IUVW。测量的n相的电流被输送至磁通量模型200的输入端116。此外，定子电压的由计算单元104输出的额定值VUVW被输送至磁通量模型200的输入端117。在输出端118上，磁通量模型200提供三相电机150的转速，并且在输出端119上提供转子姿势角度θ。
转子姿势角度θ此外被输送至计算单元120的输入端121，此外在输入端122上，被测量的定子电流IUVW被输送至计算单元。计算单元120执行dq转换，并且在输出端123上提供针对被测量的定子电流的d分量的实际值，并且在输出端124上提供针对被测量的定子电流的q分量的实际值，这些实际值被输送至比较位置102和109。
因此，定子电流的d分量的第一调节103和定子电流的q分量的第二调节110根据确定的转子姿势角度θ执行。
图2作为方框电路图示意性示出根据本发明的方法的优选的实施方式的磁通量模型200，其尤其是对于具有隐藏式的磁体（IPM）的同步马达和同步磁阻机器（SynRM）来说是有利的。
如上面阐述的那样，在输入端116上，被测量的定子电流IUVW被输送至磁通量模型200，并且在输入端117上，定子电压的额定值VUVW被输送至磁通量模型。这些值尤其是周期性地被采样。
在计算单元201中执行Clarke转换，以便用α/β坐标表示定子电压VUVW。在计算单元201的输出端202上，作为第一输出参量提供针对定子电压的α分量Vα的额定值，并且在输出端203上，作为第二输出参量提供针对定子电压的β分量Vβ的额定值。
此外，在计算单元220中执行Clarke转换，以便用α/β坐标表示定子电流IUVW。在输出端221上，该计算单元220提供针对定子电流的α分量Iα的实际值作为第一输出参量，并且在输出端222上提供针对定子电流的β分量Iβ的实际值作为第二输出参量。
定子电流的α分量Iα被输送至相乘位置223，并且在那里与定子的欧姆电阻RS相乘。该乘积被输送至比较位置204，并且在那里被从定子电压的α分量Vα减去。此外同样考虑到来自方框250的修正值，如进一步在下面阐述的那样。
在相乘位置224中，定子电流的β分量Iβ与定子的欧姆电阻RS相乘，并且该乘积在比较位置206中被从定子电压的β分量Vβ减去。此外同样考虑到来自方框250的修正值，如进一步在下面阐述的那样。
在第一积分器205中执行定子电压的α分量的修正的比较结果的第一积分，并且在第二积分器207中执行定子电压的β分量的修正的比较结果的第二积分。
定子电流的在输出端221上提供的α分量Iα此外被输送至相乘位置240，并且在那里与定子的电感的q分量Lq相乘。该乘积在比较位置241中被从定子电压的积分的α分量减去。
定子电流的在输出端222上提供的β分量Iβ在相乘位置242中与定子的电感的q分量Lq相乘。在比较位置243中，该乘积被从定子电压的积分的β分量减去。
在计算单元208中，反正切函数用于定子电压的积分的α分量，并且用于定子电压的其中一个积分的β分量。在输出端210上提供关于角度的分量。
关于角度的分量作为转子姿势角度θ在输出端119上提供。在计算单元213中，通过转子姿势角度θ的时间导数确定并且在输出端118上提供转子的角速度，其相应于三相电机150的转速。
在本发明的范围内，在方框250中，在至少一个第三调节259、260期间确定针对积分205、207的至少一个修正值，并且根据该至少一个修正值执行积分205、207。
至少一个修正值根据三相电机150的、在输入端116上提供的测量的n相的定子电流IUVW和/或根据三相电机150的、定子电压VUVW的在输入端117上提供的额定值确定。
针对该目的，定子电流的α分量Iα被输送至计算单元225的输入端226，并且定子电流的β分量Iβ在输入端227上被输送至计算单元225。此外，在输入端228上给计算单元225输送转子姿势角度θ。
计算单元225执行定子电流的dq转换，并且在输出端229上提供定子电流的d分量Id，并且在输出端230上提供定子电流的q分量Iq。
定子电流的d分量Id在相乘位置231中与定子的电感的d分量Ld和q分量Lq的差（Ld-Lq）相乘。
在具有被嵌入在转子的表面的下方的永磁体（IPM）的永磁激励同步马达中，在添加位置232中，磁通量ψM被添加至在相乘位置231中形成的乘积。磁通量ψM、尤其是永磁的转子磁通量（permanentmagnetischer Rotorfluss）在方框233中确定。
总和在输入端252被输送至计算单元251。由单元234将值0输送至计算单元251的输入端253。此外在输入端254上，转子姿势角度θ被输送至计算单元251。
计算单元251又执行至α/β坐标的转换，并且在输出端255上提供α分量，并且在输出端256上提供定子电流与定子电感的乘积的β分量。
在比较位置257中，定子电压的积分的α分量减去乘积的α分量。在这里例如构造为PI调节器259的调节器中执行对该差的调节，以便确定针对第一积分205的第一修正值。修正值在比较位置204中被从定子电压的α分量减去。因此，根据该第一修正值执行第一积分205。
在比较位置258中，定子电压的积分的β分量被从乘积的β分量减去。在这里例如构造为PI调节器260的调节器中执行对该差的调节，以便确定针对第二积分207的第二修正值。修正值在比较位置206中被从定子电压的β分量减去，并且根据第二修正值执行第二积分207。
通过修正值可以实现磁通量模型的改进，并且可以实现对三相电机150的无发送器的调节的简单的优化。积分205、207的漂移可以通过修正值阻止，并且尤其是能够实现动态的角度修正。即使在很小的转速中也可以避免磁通量的出错。三相电机150尤其是即使在很低的转速中也可以无发送器地利用很高的效率来调节。
修正值借助原本已经已知的或存在的参量确定，尤其是根据三相电机150的在输入端116上提供的测量的n相的定子电流IUVW，并且根据三相电机150的定子电压的在输入端117上提供的额定值VUVW确定。因此尤其是不需要为了确定修正值以测量技术检测附加的参量或参数、尤其是针对定子电压的测量值，这可以影响调节动态。因此，尤其是不需要针对测量装置的附加耗费。
在图2中示意性示出按照根据本发明的方法的另外的优选的实施方式的磁通量模型200b，其特别适用于具有被嵌入在转子的表面的下方的永磁体（IPM）的永磁激励同步马达。

Claims (10)

1.用于通过磁场定向的调节来无发送器地运行三相电机（150）、尤其是具有被嵌入的磁体的同步马达或磁阻机器的方法，所述三相电机具有定子和转子，
其中，在第一调节（103）期间调节定子电流的d分量，并且在第二调节（110）期间调节所述定子电流的q分量，并且其中从所述定子电流的d分量和所述定子电流的q分量确定n相的定子电压（104、114），
其中，借助磁通量模型（200）根据所述n相的定子电压来确定转子姿势角度，在此期间执行所述n相的定子电压的积分（205、207），
其中，所述定子电流的d分量的第一调节（103）和/或所述定子电流的q分量的第二调节（110）根据所确定的转子姿势角度被执行，
其特征在于，在至少一个第三调节（259、260）期间根据所述三相电机的被测量的n相的定子电流来确定针对所述积分（205、207）的至少一个修正值，其中根据所述至少一个修正值来执行所述积分（205、207）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述磁通量模型（200）中执行所述定子电压的α分量的第一积分（205）和所述定子电压的β分量的第二积分（207），并且其中在所述至少一个第三调节（259、260）期间确定针对所述定子电压的α分量的积分（205）的第一修正值和针对所述定子电压的β分量的积分（207）的第二修正值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定（231）所述定子的电感与被测量的n相的定子电流的乘积，其中确定（257、258）由积分的n相的定子电压和所述乘积形成的差，并且其中在所述至少一个第三调节（259、260）期间根据所述差来确定针对所述积分（205、207）的至少一个修正值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述至少一个第三调节（259、260）期间根据磁通量、尤其是根据永磁的转子磁通量来确定针对所述积分（205、207）的至少一个修正值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定（231）所述定子的电感和被测量的n相的定子电流的至少一个分量的乘积，其中所述磁通量被添加（232、233）至所述乘积，其中确定（257）由积分的n相的定子电压与该总和形成的差，并且其中在所述至少一个第三调节（259）期间，根据所述差来确定针对所述积分（205）的至少一个修正值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定（225、229、230）被测量的n相的定子电流的d分量和q分量，其中根据所述d分量和所述转子姿势角度来确定（251、255、256）被测量的n相的定子电流的α分量和β分量，并且其中在所述至少一个第三调节（259、260）期间根据所述被测量的n相的定子电流的α分量和β分量来确定至少一个修正值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，反正切函数被用于（208）积分的n相的定子电压，并且其中在所述至少一个第三调节（259、260）期间，根据所述反正切函数的分量来确定针对所述积分（205、207）的至少一个修正值。
8.计算单元，其设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
9.计算机程序，当所述计算机程序在计算单元上实施时，所述计算机程序使所述计算单元执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.机器可读的存储介质，具有存储在其上的根据权利要求9所述的计算机程序。
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