CN114365412A - 用于确定同步磁阻电机的饱和特性的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定同步磁阻电机(1)的饱和特性的方法，其具有以下步骤：借助于脉冲逆变器(4)将电压序列施加到同步磁阻电机(1)的定子(2)处并由此馈入定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)，其中施加电压序列以使在施加电压序列期间作用于同步磁阻电机(1)的转子(3)上的转矩(M₁至M₄)相互抵消，测量由定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)引起的电流(i₁至i₄)，并根据定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)和测量到的电流(i₁至i₄)确定饱和特性。

Description

用于确定同步磁阻电机的饱和特性的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定同步磁阻电机的饱和特性的方法。此外，本发明涉及一种用于确定同步磁阻电机的饱和特性的设备。

背景技术

根据原理，同步磁阻电机(synRM)针对转子具有磁导率或电感的与方向明显相关的分布。通常并且根据当今的现有技术，这种各向异性主要通过转子中软磁铁的与方向相关的材料分布并且通过引入气隙(磁通屏障)来实现。导致的以及由此该电机内固有的情况是，磁通与电机电流具有强非线性相关性。在小电流的情况下，磁通首先急剧上升。随着转子的部分区域中开始出现饱和，该上升随后变平缓。在此，斜率和电流相关的平缓与方向相关。

针对电机调节装置的运行，通常需要了解磁通与电流的相关性：如果存在转子位置传感器，则至少电流调节器的增益必须在工作点自适应地实现。为了以尽可能最佳的效率运行，根据所需转矩需要最有利的电流工作点的信息。电流工作点最终还由磁通函数产生。最后，如果应当在没有转子位置传感器的情况下运行同步磁阻电机，则还必须在电机模型中已知饱和函数，以从电压和电流评估转子位置。因此，磁通函数的确定是必不可少和关键的主题。

在本文中，从现有技术已知了从机器设计的有限元(FEM)数据计算磁通函数。此外，从现有技术已知了在测试台上并且借助于测量程序来测定磁通函数。在此，要测量的测试对象配备有转子位置传感器并且与驱动机器耦合连接。然后，在已馈入的转速的情况下，针对测试对象的转子可以馈入电流，并且可以测量感应的定子电压。在已知转速(频率)的情况下，可以从电压计算出定子磁通。

发明内容

本发明的目的是提出如下的解决方案，即如何以简单的方式更可靠地确定同步磁阻电机的饱和特性。

根据本发明，所述目的通过具有根据独立权利要求的特征的方法和设备来实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

根据本发明的方法用于确定同步磁阻电机的饱和特性。该方法包括：借助于脉冲逆变器将电压序列施加到同步磁阻电机的定子处。通过施加电压序列将定子磁通馈入到定子中。在此，施加电压序列以使在施加电压序列期间作用于同步磁阻电机的转子上的转矩相互抵消。此外，该方法包括：测量由定子磁通引起的电流。此外，该方法包括：根据定子磁通和测量到的电流确定饱和特性。

当前，应实现驱动器自主确定的同步磁阻电机(synRM)的饱和特性。同步磁阻电机是三相同步电机并且包括定子和可相对于定子转动的转子或转动件。定子可以具有分布的绕组。同步磁阻电机尤其不包括阻尼笼。转子磁各向异性地构造。特别地，转子可以具有设置用于得到方向相关的磁导率的相应的磁通阻挡元件、即充气区域。

如果应稳健和高性能地运行同步磁阻电机，则对定子磁通和定子电流的在同步磁阻电机中固有的非线性关系的了解和建模具有决定性意义。如果应在没有转子位置传感器的情况下运行同步磁阻电机，则这一点尤其重要。基本上，对于特性的驱动器自主的测量可以使用两种方法。根据一个方法，可以馈入定子电流并且可以经由感应电压来测量相关的定子磁通。在此成问题的是：在没有精确了解饱和的情况下需要动态工作的电流调节器。按照根据本发明的方法，借助于接入的电压序列来馈入定子磁通并且测量得到的相关的电流。在此能够省略电流调节器。

在该方法中，将电压序列施加到定子或定子绕组处。电压序列可以分别具有多个电压脉冲。可以使用脉冲逆变器施加电压脉冲，借助该脉冲逆变器输出电压指示。通过电压序列或电压脉冲将定子磁通馈入到定子中。此外，测量从定子磁通得出的电流。然后，由此可以确定同步磁阻电机的饱和特性。饱和特性可以从定子磁通和定子电流的非线性关系推导出。

在此提出：输出电压序列或电压脉冲，以使作用于转子上的相应的转矩相互抵消。通过相应的电压脉冲产生作用于转子上的转矩。在此，电压脉冲被确定成使得通过相应电压脉冲产生的转矩整体上相互抵消。这意味着转子位置保持不变。为此目的，将整个电压序列或脉冲序列限定为短的子序列的系列。因此，所提出的方法优选地在时间方面平均而言是无转矩的。因此，在转子可自由转动以及被制动时，同步磁阻电机在静止状态下在内置的技术应用中被测量。

借助本发明，可以由驱动器变流器自身自主地测量磁通函数，并且可以(以表格或闭合的方式)鉴别对于调节运行所需的磁通模型。此外，取消对要测量的机器配置转子位置传感器以及将转子位置传感器集成到具有耦连的驱动机器的测试台中。此外，该方法的测量持续时间短。根据期望的分辨率和测量点的数量，需要几秒钟至几分钟。因此，整体上可以以简单的方式更可靠地确定同步磁阻电机的饱和特性。

优选在施加电压序列之前将转子的位置确定，并且将固定于定子的坐标系最初与所确定的位置对准。在实际测量序列开始之前，可以首先借助根据现有技术的方法确定关于定子的电轴线的转子位置。此外，为了接入测量序列，可以首先将固定于定子的坐标系对准该位置。转子位置在随后的测量序列之上保持不变。以该方式，可以精确地执行测量。

根据一个实施方式提出：在施加电压序列时，输出多个电压指示，并且为每个电压指示确定用于电流的测量值。子序列可以包括接入的电压指示的短序列。可以借助于脉冲逆变器的接入的电压指示来馈入磁通脉冲。可以在接入的零矢量间隔的持续时间期间检测电流或电流测量值。在后续间隔中，电流可以经由续流二极管被脉冲屏障再次减小。在此，可以从独立的磁通确定相关电流的刚好一个测量点结果。如果在每个子序列期间随接入脉冲而作用于转子上的转矩的第二时间积分消失，则转子位置的变化同样为零。

借助于后续的插值，可以反转相关比例，并且可以为独立预设的电流支持点计算相关的定子磁通。在使用封闭形式的磁通模型时，可以随后执行参数估计方法。根据使用的磁通模型(封闭或表格形式)，可以在测量后借助于标准数值方法计算所需的模型参数，或者可以直接从测量表格中为运行时所需的实时值插值。

在另一个实施方式中，在施加电压序列时，输出四个电压指示。电压指示可以被确定成使得由此得出的磁通矢量都具有相同的幅值。此外，可以将电压指示确定为使得磁通指示量指向四个轴对称的方向。然后，由此同样得出始终具有相同幅值和变化的符号的四个转矩。因此可以实现使转矩相互抵消。

在另一个实施方式中，在施加电压序列时，输出八个电压指示。在实际条件下，理想的机械运动方程会影响出现的摩擦力矩。这影响转子位置变化的零平衡或转矩的相互抵消。可以通过将子序列延长到八个脉冲来减少这种效应。

此外有利的是：根据转子的估计的偏转来确定脉冲持续时间，在脉冲持续时间期间输出相应的电压指示。在假设接入电压恒定的情况下，在忽略饱和的情况下磁通和电流随时间线性地增加。在实际考虑饱和的情况下，电流的斜率在脉冲持续时间期间增加。因此，作为磁通和电流乘积的转矩随时间至少呈二次方地增加。基于在脉冲结束时达到的转矩标称值、对于馈入磁通标称值最少所需的脉冲持续时间以及机械标称启动时间，可以估计在接入的脉冲期间得出的位置偏差。定子电流对定子磁通的渗透根据频率而缩减。原因是定子和转子铁中的涡电流，该涡电流根据楞次定律被感生，使得其反作用于磁通变化(变压器效应)。相对于旋转场条件下的准静态运行，在脉冲形激励的情况下，定子电流因此包含不与磁通耦合的附加份额。为了将这种效应保持得小，脉冲的时间扩展不能是任意小。

在一个实施方式中，预设电压序列，使得得出的定子磁通是等距的。根据一个可选的实施方式，可以根据同步磁阻电机的已知饱和特性来预设电压序列。每个测量点的独立磁通的预设可以是等距的，或者也可以基于同步磁阻电机的典型饱和特性的先验知识进行。为此，在磁通幅值小的情况下，预设的距离首先可以选择得较大，并且随后随着磁通幅值的增加而缩小。在这种先验预设的情况下，得出电流测量值的更均匀的分布。

此外有利的是：针对转子的象限确定电流，并且根据转子的已知的对称性来确定饱和特性。结果是，例如与第一象限之上的预设磁通相关的电流的测量点因此可以以表格形式存在。由于在同步磁阻电机中存在的对称性，测量点由此完整地描述了饱和特性。

基于确定的转子饱和特性，然后可以运行同步磁阻电机。在此，尤其提出：在同步磁阻电机运行时不使用转子位置传感器。

根据本发明的设备用于确定同步磁阻电机的饱和特性。该设备包括脉冲逆变器，其用于将电压序列施加到同步磁阻电机的定子处并且用于馈入定子磁通。在此，脉冲逆变器设计用于施加电压序列，以使在施加电压序列期间作用于同步磁阻电机的转子上的转矩相互抵消。此外，该设备包括测量装置，其用于测量由定子磁通引起的电流。此外，该设备设置用于根据定子磁通和测量到的电流确定饱和特性。

在闭合的通量模型的情况下，所需的算法可以在驱动器内部以及外部实施。在外部实施的情况下，首先将记录的测量点上传到工程工具中。在进行参数估计后，将模型参数加载回驱动器。通过该设备或通过该方法，在构造类型受限的情况下，现在还可以运行第三方供应商的外部机器，而无需工厂方面的测量。

参考根据本发明的方法提出的优选的实施方式及其优点相应地适用于根据本发明的设备。

本发明的其他特征从权利要求、附图和附图说明中得出。上述说明中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能相应地组合使用，还能以其他组合使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

现在根据优选实施例并且参考附图更详细地解释本发明。在此示出：

图1示出同步磁阻电机和用于确定同步磁阻电机的饱和特性的设备的示意图；

图2示出由于电压脉冲引起的四个磁通矢量和由此得出的电流的示意图，其中电压脉冲接入到同步磁阻电机的定子上；

图3与时间相关地示出在四个电压脉冲情况下的转矩以及轴转速和轴位置的得出的曲线，其中转矩作用于同步磁阻电机的转子上；

图4与时间相关地示出在八个电压脉冲情况下的转矩以及轴转速和轴位置的得出的曲线，其中转矩作用于同步磁阻电机的转子上；

图5示出在接入电压脉冲的情况下的电流和磁通的时间曲线；

图6示出在轨道上的沿转子横轴线方向的磁通脉冲的预设的示意图；

图7示出用于鉴别转子位置和调整坐标系的示意流程图；

图8示出磁通关于d轴和q轴的分量的等距预设；

图9示出在根据图8的预设中的电流测量值的得出的映射；

图10示出根据典型磁通饱和曲线的先验知识的磁通分量的预设；

图11示出在根据图10的预设中的电流测量值的得出的映射；和

图12示出用于确定同步磁阻电机的饱和特性的方法的示意流程图。

相同或功能相同的元件在附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1以强烈简化的视图示出具有定子2和转子3的同步磁阻电机1。可以借助脉冲逆变器4激励同步磁阻电机1。

没有阻尼笼的同步磁阻电机1具有定子磁通和定子电流的固有非线性的关系。应当确定同步磁阻电机1的饱和特性，以便在没有转子位置传感器的情况下稳健且高性能地运行同步磁阻电机。为此，借助于脉冲逆变器4将电压序列施加在同步磁阻电机的定子2处。由此产生定子2中的定子磁通。此外，测量电流i₁至i₄，这些电流从定子磁通Ψ₁至Ψ₄产生。借助于测量装置5测量电流i₁至i₄。然后可以由此推导出同步磁阻电机的饱和特性。测量装置5和脉冲逆变器4共同形成设备6。

首先阐述电压序列或子序列的产生。子序列可以包括接入的电压指示的短序列。可以确定在此作用于转子3上的转矩，使得转矩在第二时间积分中相互抵消。接入的电压指示基于独立预设的磁通值作为“生成器值”。子序列的结果是与磁通的预设的生成器相关的电流的测量值。为了生成子序列利用在同步磁阻电机1中存在的磁对称性：定子电流到定子磁通的映射以及磁通到电流的相反映射关于转子轴线是轴对称的。

图2针对具有恒定相同幅值和轴对称方向的四个接入的磁通矢量Ψ₁、Ψ₂、Ψ₃、Ψ₄示出所得出的电流i₁、i₂、i₃和i₄。在此，参照同步磁阻电机的d轴和q轴示出定子磁通Ψ₁至Ψ₄或磁通矢量和电流i₁至i₄。借助给定的对称性，所属的得出的转矩M₁至M₄同样具有恒定相同的幅值和交替的符号：M₁＝M₄＝-M₂＝-M₃。

在首先简化的考虑中，由于通过接入的脉冲而作用于转子上的转矩M₁至M₄是理想的狄拉克脉冲。为此，图3示出轴转速n和轴位置P与时间t相关的得出的曲线。借助所选择的脉冲序列，如所要求的那样，转矩的双重积分消失，进而使转子位置变化。

根据图2中的图，为了测量电流i_k与磁通ψ_k的相关性可以描述四个脉冲子序列：

SEQ4(Ψ_k)：＝{Ψ_k，Ψ^＊ _k，-Ψ^＊ _k，-Ψ_k}。

从四个电流值得出测量点结果：

i_k＝1/2(i_k，1-i_k，4)。

在实际条件下，理想的机械运动方程受出现的摩擦力矩“干扰”。这影响位置变化的零平衡。在序列中间接入的两个脉冲由于在那里作用的位置偏差相对于边缘脉冲引起转矩中的偏差的幅值。通过将子序列延长到八个脉冲可以减少该效应：

SEQ8(Ψ_k)：＝{Ψ_k，Ψ^＊ _k，-Ψ^＊ _k，-Ψ_k，Ψ^＊ _k，Ψ_k，-Ψ_k，-Ψ^＊ _k}。

从八个电流值得出测量点结果：

i_k＝1/4(i_k，1-i_k，4+i^＊ _k，5-i^＊ _k，8)。

以理想化的形式得到图3和图4中示出的转矩M1至M₄、转速n和位置P的曲线。

下面，考虑实际接入的脉冲持续时间。借助于脉冲逆变器的接入的电压指示U馈入磁通脉冲。在接入的零矢量间隔N的持续时间期间检测电流测量值。在后续间隔中，通过脉冲屏障z再次降低经由续流二极管的电流。这在图5中可见。在假设恒定接入电压U的情况下，在忽略饱和的情况下，磁通Ψ和电流i随时间t线性增加。在真实考虑饱和的情况下，电流i的斜率在脉冲持续时间期间增加。因此，作为磁通Ψ和电流i的乘积的转矩在时间t期间至少以二次方的方式增加。

基于在脉冲结束时达到的转矩标称值、对于馈入磁通标称值最小所需的脉冲持续时间以及机械标称启动时间，可以估计在接入的脉冲期间的得出的位置偏差。为此，下面的表格针对不同功率P_n的50Hz同步磁阻电机示出机械的标称运行时间T_mech以及偏转

在最终值固定的情况下，位置偏差与如下的商以二次方的方式增加，该商为实际接入的脉冲持续时间与最小值的商。能借助标称角频率的倒数来估计最小值。在50Hz机器的情况下，因此得到3.2ms的最小持续时间。

定子电流对定子磁通的渗透根据频率而缩减。原因是定子和转子铁中的涡电流，涡电流根据楞次定律感生，使得其反作用于磁通变化(变压器效应)。相对于旋转场条件下的准静态运行，在脉冲形激励的情况下，定子电流因此包含不与磁通耦合的附加份额。为了将这种效应保持得小，脉冲的时间扩展不能任意小。此外，可以可选地借助于在空载运行条件下的处于受控的电流频率馈入的运行(I/F运行)中的旋转场频率测量确定两个测量类型之间的系数。为此，在两种测量类型中预设相同的磁通，并确定所需电流的比率。借助该系数可以缩放脉冲形测量的饱和特性。

由于磁对称性，预设在第一象限之上的磁通Ψ_k(子序列的生成器值)对于完整测量是足够的。预设可在轨道a、b、c等上沿转子横轴线方向移动。这在图6中说明。

在测量序列的过程中，在需要时可以重复鉴别转子位置，并更新坐标系的调准。这在下面根据图7的流程图来解释。在步骤S1中，将计数器设置为0并考虑第一测量序列。然后，在步骤S2中，鉴别转子位置并且初始化坐标系。在步骤S3中，增加计数器并考虑后续的测量序列。在此，在步骤S4中，检查是否需要重新调准。如果是这种情况，则该方法继续进行步骤S2，否则结束测量并且在步骤S5中输出结果。该结果可以以表格的形式输出，在该表格中针对电流记录磁通的测量值。

测量点分布的预设可以是等距的。为此，图8示例性地示出磁通Ψ_k关于d轴和q轴的分量的等距预设。图9示出电流测量值的得出的映射。

可选地，可以基于对同步磁阻电机典型的饱和曲线的先验知识来进行测量点分布的预设。为此，在磁通幅值小的情况下，可以首先将预设的距离选得较大，并且然后随着磁通幅值的增加而缩小。为此，图10示出根据典型d磁通饱和曲线的先验知识的磁通脉冲的预设。图11示出测量电流值的得出的映射。先验预设引起电流测量值的更均匀的分布。

图12示出用于确定同步磁阻电机的饱和特性的示意流程图。在步骤S6中提供测量序列的结果。测量序列的结果是独立预设的磁通与相关测量的电流的以表格形式在所有接近的点之上存在的相关性。表格可以双向读取或评估。例如，可以在步骤S7中交换表格的行和列。

借助于在任意预设的插值点中非等距测量的数据的后续的插值(根据数值标准方法)，可以反转测量的相关性比率，并且可以针对现在可独立预设的电流(插值点)为相应相关的定子磁通插值(步骤S8)。在步骤S9中，然后可以输出表格，在表格中针对电流的插值点记录磁通。在另一步骤中，在使用闭合形式的磁通模型的情况下，可以在步骤S10中执行参数估计方法。插值和/或参数估计方法可以在此在驱动器内部或驱动器外部实施。算法(数值标准方法)可以在第三方供应商处购买或自行实施。

Claims (10)

1.一种用于确定同步磁阻电机(1)的饱和特性的方法，所述方法具有以下步骤：

-借助于脉冲逆变器(4)将电压序列施加到所述同步磁阻电机(1)的定子(2)处，并且通过所述施加馈入定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)，

-其中，施加所述电压序列以使在施加所述电压序列期间作用于所述同步磁阻电机(1)的转子(3)上的转矩(M₁至M₄)相互抵消，

-测量由所述定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)引起的电流(i₁至i₄)，并且

-根据所述定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)和测量到的所述电流(i₁至i₄)确定所述饱和特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在施加所述电压序列之前，确定所述转子(3)的位置并且使固定于定子的坐标系最初对准确定的所述位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在施加所述电压序列时输出多个电压指示，并且为所述电压指示中的每个电压指示确定用于所述电流(i₁至i₄)的测量值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在施加所述电压序列时，输出四个电压指示。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在施加所述电压序列时，输出八个电压指示。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述转子(3)的估计的偏转来确定脉冲持续时间，在所述脉冲持续时间期间输出相应的所述电压指示。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，预设所述电压序列，以使得出的所述定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)是等距的。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据同步磁阻电机(1)的已知的饱和特性来预设所述电压序列。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对所述转子(3)的象限确定所述电流(i₁至i₄)，并且根据所述转子(3)的已知的对称性确定所述饱和特性。

10.一种用于确定同步磁阻电机(1)的饱和特性的设备(6)，所述设备包括：

-脉冲逆变器(4)，所述脉冲逆变器用于将电压序列施加到所述同步磁阻电机(1)的定子(2)处并用于馈入定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)，

-其中，所述脉冲逆变器(4)设计用于施加所述电压序列，以使在施加所述电压序列期间作用于所述同步磁阻电机(1)的转子(3)上的转矩(M₁至M₄)相互抵消，以及

-测量装置(5)，所述测量装置用于测量由所述定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)引起的电流(i₁至i₄)，

-其中，所述设备(6)设计用于根据所述定子磁通(Ψ₁至Ψ₄)和测量到的所述电流(i₁至i₄)确定所述饱和特性。

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