CN1200505C - 交流电机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能自动识别电机类型的AC电机控制装置，AC电机控制装置具有电机类型识别装置，该电机类型识别装置通过发出用于电机类型识别的适当的电压命令并从检测的电流中判断电机转子是否设置了磁铁以及电机转子是否具有磁凸极来识别与电机控制装置相连接的电机类型。AC电机控制装置具有控制方案选择装置，它可根据上述电机的识别类型来选择适当的控制方案并控制电机的驱动。

Description

交流电机的控制装置
技术领域
本发明涉及交流电机的控制装置，特别涉及能驱动不同类型交流电机的控制装置。
背景技术
交流电机(以下简称为AC电机)可以分为多种类型，根据转矩产生的特殊原理，它包括感应电机和同步电机。一般来说，用于驱动AC电机的控制装置可由几个单元构成，每个单元都可根据AC电机特殊类型具有所适用的控制方案，根据被驱动的AC电机的类型来使用每个单元。例如，在日本申请专利未公开出版No.06-265607中所描述的，当需要驱动感应电机(下面称为IM)时，就需要用IM驱动换流器(inverter)提供自动调谐，以便自动测量电机的常数，从而在运转起动之前提高转矩性能。另外，只有IM是采用一种通常称之为通用换流器的单元来控制的，该通用换流器具有与IM的电机常数有关的多功能性。
在矢量控制类型的换流器单元中，往往如专利公告No2708479中所披露的那样来构造单元，该单元能够驱动感应电机和同步电机。然而，对这类单元而言，要驱动的电机类型需要事先确定的。
发明内容
最近，诸如嵌入式永磁电机(下面称为IPM)、表面涂覆的永磁电机(同样，下面称为SPM)以及同步磁阻电机(下面称为SynRM)等新型的电机都已经研究开发出来，并已在商业上取代IM。用于驱动和控制这些新型电机的控制装置也已经研究开发出来了。然而，为了能驱动这类电机，就需要使用能适用于各类电机的专用控制装置。
本发明的一个目的是提供不仅能自动识别IM，还能自动识别其它AC电机(例如，IPM，SPM，和SynRM)的方法和AC电机控制装置，所述电机是与控制装置相连接的，即使用户不了解电机的类型所述控制装置也能识别。本发明的另一个目的是提供一种设备，它能自动地对采用上述方法识别的各类电机，选择适用的电机控制方案，并采用在自动识别电机类型过程中所获得的电机常数，来驱动每个电机，上述所获得的电机常数可设置为上述电机的可变速度控制的电机常数。
与本发明相关的AC电机控制装置具有一个电机类型识别装置，通过该装置对电机发出一个用于电机类型识别的适当的电压命令并从检测的电流中判断出电机转子是否装配了磁铁以及电机转子是否有磁凸极，可以识别出与电机控制装置相连接的电机的类型。与本发明相关的AC电机控制装置还具有一个控制方案选择装置，它根据上述识别的类型电机来选择适当的控制方案并控制电机的驱动。
附图说明
图1是用于实施例1的AC电机的控制电路的整体电路方框图。
图2是实施例1所使用的控制常数计算电路的方框图。
图3是实施例1所使用的矢量控制器的示意图。
图4是实施例1中AC电机识别的流程图。
图5是用于实施例2的AC电机的控制电路的整体电路方框图。
图6是实施例2中AC电机识别的流程图。
图7是实施例3中AC电机识别的流程图。
图8是实施例4中AC电机识别的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图详细讨论本发明。
(实施例1)
图1是实施例的电路方框图，在该实施例中，采用PWM换流器来驱动AC电机的系统适用于本发明。
在图1中，AC电机1是一个需要识别它的类型并且其转子具有位置检测器10的AC单元。AC电机1也与PWM换流器2相连接，PWM换流器根据PWM信号向AC电机1提供可变频率的AC电压。三相电压命令信号Vu，Vv，和Vw是由dq-uvw座标变换器3产生。构成该dq-uvw座标变换器是为了能接受根据d-轴电压命令Vd，q-轴电压命令Vq，以及来自积分器61的一阶角频率命令ω所产生的输入相位信号θ，并对三相电压命令信号Vu，Vv，和Vw进行算术运算。
电流检测器4a用于检测U相位的电流，电流检测器4b用于检测W相位的电流，它们设置在PWM换流器2和AC电机1之间的连接线上，检测出的电流作为检测器的输出，并提供给uvw-dq座标变换器5。该uvw-dq座标变换器5构成一电流分量产生装置，用于根据电流检测器4a和4b的检测电流和上述的相位信号θ，产生d-轴电流分量Id和q-轴电流分量Iq，它们分别与标注为d-轴和q-轴的两个座标轴有关。与电流分量有关的信号提供给具有电机类型识别功能的矢量控制单元6。
矢量控制单元6具有电机类型识别器7，控制常数运算单元8，和矢量控制器9。电机类型识别器7构成一个根据uvw-dq座标变换器5的电流分量Id和Iq以及位置检测器10的位置检测信号来识别电机类型的装置。电机类型识别器7还构成一个电机类型识别命令产生装置，用于将d-轴电流分量Id，q-轴电流分量Iq，以及一阶角频率ω设置在所要求的数值上。
控制常数运算单元8根据由电机类型识别器7已经识别到的电机类型来计算矢量控制器的控制常数。控制常数运算单元8的方框图如图2所示。控制常数运算单元8可以再分成为IM控制常数运算单元81，IPM控制常数运算单元82，SPM控制常数运算单元83，SynRM控制常数运算单元84以及用于选择这些辅助性运算单元的选择器85。控制常数运算单元8可根据来自电机类型识别器7的信号的状态从多个辅助性运算单元中选择出一个运算单元，随后计算出适用于电机的控制常数，并将控制常数馈送至矢量控制器9。
矢量控制器9根据由控制常数运算单元8所计算出的控制常数来控制初级电压命令Vd和Vq，一阶角频率命令ω以及其它信号。矢量控制器9的方框图如图3所示。矢量控制器9可以再分成为IM矢量控制器91，IPM矢量控制器92，SPM矢量控制器93，SynRM矢量控制器94以及用于选择这些辅助性控制器的选择器95。矢量控制器9可根据来自控制常数运算单元8的信号的状态从多个辅助性矢量控制器中选择出一个控制器，随后根据要控制的电机类型选择出适用的控制方案，并发出相应的控制命令。在本实施例中，在电机类型识别的过程中，一旦矢量控制器9断开之后，来自电机类型识别器7的电机类型识别电压命令Vd和Vq以及一阶角频率命令ω就馈送至dq-uvw座标变换器3。
在本实施例中所使用的电机识别方法的流程图如图4所示。以下将讨论基于该流程的操作。首先，对AC电机施加足够高的DC电压以起动它的转子，并根据来自位置检测器10的位置检测信号的状态来检测转子的运行。这时，如果转子不能运转，则就可以判断出电机在转子中没有磁铁，于是将该电机识别为在转子的形状上没有磁凸极的IM。如果转子运转着，那么就能估计出该电机要么是其转子使用磁铁的磁电机，要么是在转子的形状上提供了磁凸极的磁阻电机。然而，已经施加DC电压的相位可以变化到不产生转矩的相位。因此，在事实上，所施加的DC电压至少是在两个类型的相位上。采用这样的方法，通过将一个DC电压施加到AC电机并使用转子位置检测装置来检测转子的运行，就可以判断出电机是否是IM。如果检测到的电机是IM的，则采用测量已知电机常数的自动调谐技术来计算适用于IM的电机常数，随后正确地控制着IM。
如果采用上述讨论的方法确认了转子已经运行的事实，也就是说，如果电机已经被识别为IM，那么转子也就定位了，因为所述识别意味着在施加DC电压的当前相位与转子的直接轴(d-轴)的相位之间相匹配，所以就可以识别出转子的d-轴的相位本身。
接着，测量以上识别的d-轴的感应系数(下面称为Ld)和q-轴的感应系数(下面称为Lq)，其中，q-轴与d-轴正交且在电学相位上超前90度。计算感应系数可有多种方法。在日本申请专利未公开出版No.07-244099中描述了一种方法，将换流器的输出电压信号调制成高频率的矩形波形，随后测量电流的变化速率。
在采用以上方法测量了Ld和Lq之后，就可以从测量数值之间的幅值关系上识别出电机的类型。如果Ld＝Lq，那么电机就是SPM；如Ld＜Lq，则电机是IPM；或者，如Ld＞Lq，则电机就是SynRM。
在采用以上方法进行SPM，IPM，和SynRM的识别之后，已经用于识别的Ld和Lq数值可以作为控制电机的电机控制常数。
(实施例2)
图5是与本实施例相关的电路方框图，与实施例1图1所不同的是没有提供用于检测AC电机1的转子的旋转位置的位置检测器。也就是说，在实施例2中，位置检测装置并没有使用，电机类型的识别没有使用位置传感器。换句话说，由于是在没有电机旋转的条件下识别电机类型，因此本实施例可适用于在电机识别的过程中电机的转子不要运转的场合应用。
本实施例的流程图如图6所示。首先，对AC电机测量与至少两种的电学角相位有关的感应系数。这时，如果测量到的感应系数的数值不同，那么，电机就可识别为在转子的形状上具有磁凸极的IPM或SynRM类电机。如果测量到的感应系数的数值不是不同，那么，电机就可识别为在转子的形状上不具有磁凸极的IM或SPM类电机。采用指定与至少两种的电学角相位有关的电压变化，并测量电流变化的相应速率或电机的时间常数，而不再是测量感应系数，同样可以识别出电机的类型。如果在测量到的电流变化率上或在电机的时间常数之间存在着差异，那么，电机就可识别为在转子的形状上具有磁凸极的IPM或SynRM类电机。如果在测量到的电流变化率上或在电机的时间常数变化率之间不存在着差异，那么，电机就可识别为在转子的形状上不具有磁凸极的IM或SPM类电机。
上述IPM或SynRM类电机的识别再继续采用磁饱和的电机识别方法。如果电机采用了磁铁，当采用在由磁铁产生的磁通量密度增加的方向施加电压以提供电流时，就会发生磁饱和，并且由此产生的感应系数的减少将引起电流的增加。反之，如果采用在由磁铁产生的磁通量密度减少的方向施加电压以提供电流的话，就不会发生磁饱和，也不会增加感应系数。对IPM来说，d-轴具有磁铁，因此Ld的数值就小于Lq的数值。所以，当在测量到感应系数的所有多个相位中以感应系数最小的相位来施加正电压或负电压时，如果在作为结果的正电流和负电流之间存在着差异的话，那么电机就可识别为使用磁铁转子的IPM。反之，如果在作为结果的正电流和负电流之间不存在着差异的话，那么电机就可识别为没有使用磁铁转子的SynRM。
在根据感应系数测量结果将电机识别为IM或SPM之后，当正电压和负电压施加到给定的相位时，如果在作为结果正和负的电流之间存在着差异的话，该电机就可识别为转子使用磁铁的SPM。识别的方法是基于早先已经讨论过的磁饱和的方法。如果在作为结果的正和负的电流之间不存在着差异的话，该电机就可识别为转子没有使用磁铁的IM。然而，当上述的测量只是对一个相位进行的话，如果与磁铁轴相关的电学角度发生90度相移，那么采用进一步相移的方法有可能得到更准确的测量，因为即使转子使用了磁铁，所施加的正和负电压也不能引起磁饱和的发生。
在采用了上述方法识别IM，SPM，IPM，或SynRM之后，已经用于识别的Ld和Lq数值可以用于控制电机的电机控制常数。
(实施例3)
下面将给出实施例3的讨论，和上述实施例2一样，使用没有位置传感器的识别方法来识别电机的类型。电路方框图几乎是和图5的相同。实施例3和实施例2的不同在于，是首先判断电机的转子是否采用磁铁，然后再判断转子是否具有磁凸极。
图7显示了本实施例的流程图。首先当正电压和负电压以给定的电学角相位施加给AC电机时，如果在作为结果的正电流和负电流之间存在着差异的话，那么就能将电机识别为转子采用磁铁的SPM或IPM。反之，如果在作为结果的正电流和负电流之间不存在差异的话，那么就能将电机识别为转子没有采用磁铁的IM或SynRM。然而，当上述测量仅仅只对一个相位进行的话，如果与磁铁轴相关的电学角度发生90度相移，那么采用进一步相移的方法有可能得到更准确的测量，因为即使转子使用了磁铁，所施加的正和负电压也不能引起磁饱和的发生。
接着，测量至少两个与电学角相位有关的感应系数。这时，正如实施例2那样，如果在测量到的感应系数中存在着差异，该电机就可识别为在转子形状上具有磁凸极的IPM或SynRM。如果在测量到的感应系数中不存在着差异，该电机就可识别为在转子形状上不具有磁凸极的IM或SPM。
因此，当在转子使用磁铁的电机类型识别之后紧跟着进行感应系数的测量时，如果在测量到的感应系数中存在着差异，那么该电机可识别为IPM，或者，如果在测量到的感应系数中不存在着差异，那么该电机可识别为SPM。反之，当在转子没有使用磁铁的电机类型识别之后紧跟着进行感应系数的测量时，如果在测量到的感应系数中存在着差异，那么该电机可识别为SynRM，或者，如果在测量到的感应系数中不存在着差异，那么该电机可识别为IM。在这种情况下，识别采用了测量电流的变化率或电机时间常数的方法，而不是测量感应系数的方法。
在采用上述方法进行了IM，SPM，IPM，和SynRM的识别之后，已经用于识别的Ld和Lq数值可以作为电机控制常数用于控制电机。
(实施例4)
本实施例的电路方框图于图5的电路方框图非常接近。图8显示了本实施例的流程图。首先，采用没有位置传感器的办法来测量与AC电机相关的Ld和Lq。测量Ld和Lq的方法包含了正如日本申请专利未公开出版No.06-315291中所描述的一种方法，该方法首先是通过在给定的电学角相位上施加AC电压来估计Ld和Lq数值并且测量感应系数，随后，再在第一角位置上向前和向后偏移45度的相移的相位上施加AC电压，并且测量在三个角相位上的感应系数。从测量到的Ld和Lq数值之间幅值上的相互关系来识别电机的类型。在这方面，实施例4不同于实施例2和3。
如果Ld＝Lq，则电机可识别为IM或SPM；如果Ld＜Lq，则电机就可识别为IPM，或者，如果Ld＞Lq，则电机就可识别为SynRM。
在IM或SPM的上述识别之后，当正电压和负电压施加在给定的电学角相位上时，如果在所对应的正的和负的电流之间存在着差异，则电机就可识别为转子使用磁铁的SPM。反之，如果在所对应的正的和负的电流之间不存在着差异，则电机就可识别为转子没有使用磁铁的IM。然而，当上述测量仅仅只对一个相位进行的话，如果与磁铁轴相关的电学角度发生90度相移，那么采用进一步相移的方法有可能得到更准确的测量，因为即使转子使用了磁铁，所施加的正和负电压也不能引起磁饱和的发生。
在采用上述方法进行了IM，SPM，IPM，和SynRM的识别之后，已经用于识别的Ld和Lq数值可以作为电机控制常数用于控制电机。

Claims (7)

1.一种交流电机控制装置，包括：
换流器(2)，用于将直流电压转换为交流电流或直流电流，并将该电流提供给一交流电机，和
控制单元(6)，用于控制所述换流器之输出电压的幅值和频率，
其特征在于，
所述控制单元(6)本身具有电机类型识别器(7)，所述电机类型识别器(7)与所述换流器(2)相连接，用于识别所述交流电机是否为嵌入式永磁电机、表面涂覆的永磁电机以及同步磁阻电机中的任何一个。
2.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述控制单元(6)具有矢量控制器(9)和控制常数运算单元(8)，所述控制常数运算单元(8)根据所述电机类型识别器(7)所识别出的电机类型，来计算用于所述矢量控制器的控制常数。
3.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述控制单元(6)具有多个矢量控制器，并且所述控制单元根据所述电机类型识别器(7)所识别出的电机类型，选择所述多个矢量控制器中的一个。
4.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述交流电机控制装置还具有用于检测所述交流电机之旋转速度的装置(10)，并且所述电机类型识别器(7)包括用于测量所述交流电机之感应系数的装置，并向所述交流电机施加电压，根据来自所述旋转速度检测装置(10)的旋转速度信息或来自所述感应系数测量装置的感应系数信息来识别该电机的类型。
5.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述电机类型识别器(7)包括感应系数测量装置或电流变化检测装置或电机时间常数测量装置，并且所述电机类型识别器(7)以两个或多个电学角相位，将电压变化值施加给所述交流电机，所述电机类型识别器(7)根据由所述感应系数测量装置测量到的、对应于多个电学角相位类型的感应系数比较结果，或者由所述电流变化检测装置测量到的、对应于多个电学角相位类型的电流变化速率比较结果，或者由所述电机时间常数测量装置测量到的、对应于多个电学角相位类型的时间常数比较结果，来识别所述交流电机的类型。
6.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述交流电机控制装置还包括电流检测器(4a，4b)，并且在将对应的电机电流检测数值输入到所述电机类型识别器(7)之后，根据通过对所述交流电机施加正电压所获得的电流数值与通过对所述交流电机施加负电压所获得的电流数值之间的差异，来识别所述交流电机的类型。
7.如权利要求1所述的交流电机控制装置，其特征在于，
所述电机类型识别器(7)包括用于测量感应系数相对于转子位置的特定变化的装置，并且所述电机类型识别器(7)根据测量得到的、感应系数相对于转子位置的变化，来识别所述交流电机的类型。
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