CN1350364A - 同步磁阻电动机的速度控制装置及速度控制方法 - Google Patents
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Abstract
同步磁阻电动机的速度控制装置包括:整流器,用于接收交流电源,并将其转换成直流电源;逆变器,用于接收直流电源以及将其转换成交流电源,并将其提供给同步磁阻电动机;检测单元,用于对提供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测,对产生的感应电压以及从电流产生的估计感应电压进行运算,并产生同步磁阻电动机的估计角速度;以及控制器,用于接收估计角速度以及由用户输入的速度指令值,并通过逆变器控制同步磁阻电动机的速度。由于同步磁阻电动机的速度控制是通过对提供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测来实现,而不是通过使用编码器或霍尔传感器来实现,因而可降低同步磁阻电动机的生产成本。
Description
发明领域
本发明涉及同步磁阻电动机(Synchronous Reluctance Motor)(SynRM),具体涉及同步磁阻电动机的速度控制装置。
背景技术
图1是一般同步磁阻电动机(SynRM)的剖视图,其中,参考编号100表示定子,101表示定子100的槽,200表示转子。
图2是图1中的转子的剖视图,其中,参考编号201表示转子槽,转子槽用于造成通过‘d’轴和‘q’轴的磁通量的差别,202表示其中填充有硅铁素体的销孔。
具有该结构的同步磁阻电动机,其转速由检测转子位置的同步磁阻电动机控制装置予以控制。
图3示出了根据常规技术的同步磁阻电动机的速度控制装置的结构。
如图3所示,整流器320用于接收交流电源310,并将其转换成直流电源;逆变器330,用于将直流电源转换成三相电流,并驱动同步磁阻电动机340;控制单元350,用于控制逆变器330;检测单元360,用于检测同步磁阻电动机340的转速。
检测单元360包括:电流检测器361,用于检测流到同步磁阻电动机340的三个相电流中的两个相电流;转子位置检测器363,用于检测同步磁阻电动机340的转子的角速度;磁通量角度运算单元362,用于接收从转子位置检测器363输出的转子角速度(ωr),并计算磁通量角度(θ);以及坐标转换器364,用于接收磁通量角度(θ)以及检测的两个相电流,并产生转子的磁通量电流值(ids)和转矩电流值iqs。
控制单元350包括:比较器358,用于接收从转子位置检测器363输出的角速度值(ωr)和速度指令值(ωr *),并计算差速度指令值;速度控制器356,用于接收差速度指令值并产生转矩电流指令值(iqs *);比较器354,用于接收转矩电流指令值(iqs *)以及从检测单元360的坐标转换器364输出的转矩电流值(iqs),并产生转矩差电流指令值;磁通量指令发生器357,用于产生磁通量电流指令值(ids *),以便根据从检测单元360的转子位置检测器363输出的转子角速度值(ωr),区分正转矩区和正输出区;比较器355,用于接收电流指令值(ids *)以及从检测单元360的坐标转换器364输出的磁通量电流值(ids),并产生磁通量差电流指令值;磁通量控制器353,用于接收磁通量差电流指令值,并产生磁通量指令值;电流控制器352,用于接收磁通量指令值和转矩差电流指令值,并产生转矩电压指令值(Vqs *)和磁通量电压指令值(Vds *);以及电压发生器351,用于接收转矩电压指令值(Vqs *)、磁通量电压指令值(Vds *)和磁通量角度(θ),产生三个相电压指令值(Vas,Vbs,Vcs),并将它们输出到逆变器330。
下文将对上述结构的同步磁阻电动机的常规速度控制装置的工作加以说明。
为了根据速度指令值(ωr *)控制同步磁阻电动机340的转速,当速度指令值(ωr *)被输入到控制单元350时,控制单元350的比较器358便将速度指令值(ωr *)与从转子位置检测器363输出的转子角速度值(ωr)进行比较,并将产生的误差输出到速度控制器356。
然后,控制单元350的比较器355接收角速度值(ωr),接收从磁通量指令发生器357产生的磁通量电流指令值(ids *)以及从坐标转换器364输出的磁通量电流值(ids),将这两者进行比较以产生磁通量差电流指令值,并将其输出到磁通量控制器353。
电流控制器352接收转矩差电流指令值以及从磁通量控制器353输出的磁通量指令值,产生转矩电压指令值(Vqs *)和磁通量电压指令值(Vds *),并将它们输出到电压发生器351。
然后,电压发生器351接收转矩电压指令值(Vqs *)和磁通量电压指令值(Vds *)以及从检测单元360的磁通量角度运算单元362输出的磁通量角度(θ),并把用于接通/断开逆变器330的三个相电压指令值(Vas,Vbs,Vcs)输出到逆变器330。
这样,同步磁阻电动机340就依靠从逆变器330输出的三相交流电源进行旋转。
检测单元360的坐标转换器364把从电流检测器361检测的a相电流(Ias)和b相电流(Ibs)转换成d轴电流或磁通量电流值(ids)和q轴电流或转矩电流值(iqs)。电流检测器361对从逆变器330流到同步磁阻电动机340的电流进行检测。
转子位置检测器363使用编码器或霍尔传感器(Hall Sensor)来检测转子位置。
然而,同步磁阻电动机的常规速度控制装置存在下列问题。
即,为了控制同步磁阻电动机的转速,要使用编码器或霍尔传感器来检测同步磁阻电动机的转子位置,这就造成产品成本的增加。尤其是,转子位置检测器不适用于冰箱、空调或加热器的压缩机。
发明综述
因此,本发明的一个目的是提供能对同步磁阻电动机转速进行控制的同步磁阻电动机的速度控制装置。
本发明的另一目的是提供能通过对供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测,对同步磁阻电动机转速进行控制的速度控制装置。
为获得这些和其他优点并根据本发明的目的,正如本文所具体包含和全面说明的那样,提供了同步磁阻电动机的速度控制装置,包括:整流器,用于接收交流电源,并将其转换成直流电源;逆变器,用于接收直流电源以及将其转换成交流电源,并将其提供给同步磁阻电动机;检测单元,用于通过对提供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测,以及对从电流产生的估计感应电压进行检测,从而对产生的感应电压进行运算,并产生同步磁阻电动机的估计角速度;以及控制器,用于接收估计的角速度以及由用户输入的速度指令值,并通过逆变器控制同步磁阻电动机的速度。
为实现上述目的,还提供了同步磁阻电动机的速度控制方法,包括步骤:对提供给同步磁阻电动机的电流进行检测;对提供给同步磁阻电动机的电压进行检测;通过对检测的电流以及从该电流产生的估计感应电压进行运算,从而对产生的感应电压进行运算,并产生同步磁阻电动机的估计角速度;根据估计角速度以及由用户输入的速度指令值,控制同步磁阻电动机的速度。
通过下文结合附图对本发明所作的详细说明,将对本发明的上述和其他目的、特征、方面和优点有更加清楚的了解。
附图的简要说明
附图包含在本文中以便于进一步了解本发明,并且纳入本说明书并构成本说明书的一部分。这些图不仅显示本发明的实施例,而且还与说明书一起用来阐明本发明的原理。
在附图中:
图1是一般同步磁阻电动机的剖视图;
图2是图1中的转子的剖视图;
图3示出了根据常规技术的同步磁阻电动机速度控制装置的结构。
图4示出了根据本发明优选实施例的同步磁阻电动机速度控制装置的结构;
图5是显示根据本发明优选实施例的图4中的相电流转换器的结构的详细视图;
图6是显示根据本发明优选实施例的图4中的估计角速度运算单元的详细视图;
图7是显示根据本发明优选实施例的按照同步磁阻电动机速度控制装置的操作的同步磁阻电动机的电感变化图;以及
图8是显示根据本发明优选实施例的按照同步磁阻电动机速度控制装置的操作,在同步磁阻电动机处形成的电流/电压矢量图。
优选实施例的详细说明
以下将对本发明的优选实施例进行详细论述,这些优选实施例的示例如图所示。
图4示出了根据本发明优选实施例的同步磁阻电动机速度控制装置的结构。
如图4所示,同步磁阻电动机的速度控制装置包括:整流器420,用于接收交流电源410,并将其转换成直流电源;逆变器430,用于将直流电源转换成三个相电流,以驱动同步磁阻电动机;控制器,用于控制逆变器430;以及检测单元460,用于检测同步磁阻电动机440的速度。
检测单元460包括:电流检测单元461,用于检测从整流器420流到逆变器430的电流(idc),并产生转矩电流值(iqs)和磁通量电流值(ids);电压检测单元462,用于检测从逆变器430输入到同步磁阻电动机440的电压,并产生转矩电压值(Vqs)和磁通量电压值(Vds);估计角速度运算单元464,用于接收转矩电流值(iqs)、磁通量电流值(ids)、转矩电压值(Vqs)和磁通量电压值(Vds),并对估计角速度值
进行运算;以及磁通量角度运算单元463,用于接收估计角速度值
,并对磁通量角度(θ)进行运算。
电压检测单元462包括:电压检测器462-1,用于检测从逆变器430输入到同步磁阻电动机440的电压;电压转换器462-2,用于接收从电压检测器462-1输出的信号,并产生第一相电压值V(as)和第二相电压值V(bs);坐标转换器462-3,用于接收第一相电压值V(as)和第二相电压值V(bs),并产生转矩电压值Vqs和磁通量电压值Vds。
电流检测单元461包括:电流检测器461-1,用于检测从整流器420流到逆变器430的电流(idc);相电流转换器461-2,用于接收从电流检测器461-1输出的信号,并产生三个相电流值i(a)、i(b)和i(c);坐标转换器461-3,用于接收三个相电流值i(a)、i(b)和i(c),并产生转矩电流值iqs和磁通量电流值ids。
控制单元450包括:比较器458,用于接收速度指令值(ωr *)以及从检测单元460的估计角速度运算单元464输出的估计角速度值
并对差速度指令值进行运算;速度控制器456,用于接收差速度指令值,并产生转矩电流指令值iqs *;比较器454,用于接收转矩电流指令值iqs *以及从检测单元460的坐标转换器461-3输出的转矩电流值iqs,并产生转矩差电流指令值;磁通量指令发生器457,用于接收估计角速度值
以及从检测单元460的估计角速度运算单元464输出的速度指令值(ωr *),并产生磁通量电流指令值ids *;比较器455,用于接收磁通量电流指令值ids *以及从电流检测单元461的坐标转换器461-3输出的磁通量电流值ids,并产生磁通量差电流指令值;磁通量控制器453,用于接收磁通量差电流指令值,并产生磁通量指令值;电流控制器452,用于接收磁通量指令值和转矩差电流指令值,并产生转矩电压指令值Vqs *和磁通量电压指令值Vds *;电压发生器451,用于接收转矩电压指令值Vqs *、磁通量电压指令值Vds *和磁通量角度(θ),产生三个相电压值Vas、Vbs和Vcs,并将它们输出到逆变器430。
图5是显示根据本发明优选实施例的图4中的相电流转换器的结构的详细视图。
如图5所示,相电流转换器461-2包括:第一复用器1A,用于接收从电流检测器461-1输出的信号,并根据脉宽调制状态输出正相电流+ia、+ib和+ic;第二复用器1B,用于输出负相电流-ia、-ib和-ic;第一低通滤波器2A,用于接收正相电流+ia、+ib和+ic,并消除噪声;以及第二低通滤波器2B,用于接收负相电流-ia、-ib和-ic,并消除噪声;
图6是显示根据本发明优选实施例的图4中的估计角速度运算单元的详细视图;
如图6所示,估计角速度运算单元464包括:感应电压运算器11,用于接收转矩电流值iqs、磁通量电流值ids、转矩电压值Vqs和磁通量电压值Vds;电感运算器14,用于接收转矩电流值iqs和磁通量电流值ids,并对磁通量电感Ld和转矩电感Lq进行运算;估计感应电压运算器15,用于接收来自电感运算器14的电感,并对估计感应电压值
进行运算;比较器12,用于将从感应电压运算器11输出的感应电压(e)与从估计感应电压运算器15输出的估计感应电压值
进行比较,并产生误差感应电压值;以及比例积分调节器13,用于接收误差感应电压值并对估计角速度值
进行运算。
下文将对上述结构的同步磁阻电动机的速度控制装置加以说明。
参照图2,首先,为了控制同步磁阻电动机的速度,‘d’轴和‘q’轴的位置由定子各绕组的磁通量予以检测。换句话说,由于磁阻大小在‘d’轴和‘q’轴上是不同的,因而可通过对磁阻大小进行检测来控制同步磁阻电动机的速度。
图7是显示根据本发明优选实施例的按照同步磁阻电动机速度控制装置的操作的同步磁阻电动机的电感变化图;
当控制同步磁阻电动机440的速度时,应在定子绕组中的每一相检测‘d’轴和‘q’轴的位置。
为此,当同步磁阻电动机的转子旋转时,电感便随着旋转角度而变化。这样,根据电感变化,对同步磁阻电动机的定子的输入电压和电流进行检测,并将该输入电压和电流代入等式(1),从而可求出转子位置,并可通过使用计算值求出转子速度,进而也就可控制转子速度。
当转子的‘q’轴被设置为参考轴时,磁通量在‘d’轴上最大,‘d’轴的位置角度与‘q’轴之间相差45°。
此时,同步磁阻电动机的转矩(Te)与磁阻差(Ld-Lq)以及定子磁通量电流值ids和转矩电流值iqs的乘积成比例。
同步磁阻电动机的电压等式表示为下列等式(2)和(3):
式中,Vds表示‘d’轴的定子电压,Vqs表示‘q’轴的定子电压,rs表示定子电阻,ids表示‘d’轴的定子电流,iqs表示‘q’轴的定子电流,λds和λqs分别表示‘d’轴和‘q’轴的磁通量,ωr表示电动机的转子角速度值。
由于λds=Ldis以及λqs=Lqis,因而可通过对电压和电流进行检测,计算出‘d’轴和‘q’轴的电感Ld和Lq。计算量的变化与同步磁阻电动机的转子位置相对应,而且电感变化量如图7所示。在同步磁阻电动机处形成的电流/电压矢量之间的关系如图8所示。
下文将在同步磁阻电动机的速度控制方法的基础上,对根据本发明的同步磁阻电动机的速度控制装置加以说明。
参照图4,当整流器420将交流电源转换成直流电压(Vdc)并将其输入到逆变器430时,整流器430在控制器450的控制下,将输入的直流电压转换成交流电压,并将其提供给同步磁阻电动机440,从而驱动同步磁阻电动机440。
此时,检测单元460的电流检测器461-1检测从整流器420流到逆变器430的电流,并将其输出到相电流转换器461-2。然后,相电流转换器461-2通过使用空间矢量法,对从电流检测器461-1接收的三个相电流ia、ib和ic进行转换,以便采用下列方式进行脉宽调制。
该方式如图5所示,从电流检测器461-1输出的三个相电流ia、ib和ic由复用器(1A和1B)划分成001=+ia、010=+ib、100=+ic、110=-ia、101=-ib和011=-ic。因此,当在整流器420和逆变器430之间的直流线路处流动的电流被检测时,电流检测单元461可检测流到同步磁阻电动机转子的各相的电流。
当相电流转换器461-2计算三个相的相电流并将其输出到坐标转换器461-3时,坐标转换器461-3将其转换成‘d’轴或磁通量电流值ids以及‘q’轴或转矩电流值iqs,然后将其输出到比较器455和454。
电压检测单元462的电压检测器462-1检测从逆变器430提供给同步磁阻电动机440的电压,并将其输出到电压转换器462-2,电压转换器462-2检测来自输入电压的第一相电压值V(as)和第二相电压值V(cs),并将它们输出到坐标转换器462-3。
然后,坐标转换器462-3将它们转换成‘d’轴定子电压Vds和‘q’轴定子电压Vqs,并将它们输出到估计角速度运算单元464。
如图6所示,估计角速度运算单元464的感应电压运算器11接收转矩电流值iqs、磁通量电流值ids、转矩电压值Vqs和磁通量电压值Vds,对感应电压(e)进行运算,并将其输出到比较器12。
然后,比较器454将从电流检测单元461的坐标转换器461-3输出的转矩电流值iqs与从速度控制器456输出的转矩电流指令值iqs *进行比较,并产生转矩差电流指令值。
比较器455接收估计角速度值
,而且还接收从磁通量指令发生器457输出的磁通量电流指令值ids *以及从坐标转换器461-3输出的磁通量电流值ids,将这两者进行比较以产生磁通量差电流指令值,并将其输出到磁通量控制器453。
电流控制器452接收从比较器454输出的转矩差电流指令值以及从磁通量控制器453输出的磁通量指令值,通过使用旋转坐标系,产生转矩电压指令值Vqs *和磁通量电压指令值Vas *,并将它们输出到电压发生器451。
然后,电压发生器451接收转矩电压指令值Vqs *、磁通量电压指令值Vas *,以及从磁通量运算单元463输出的磁通量角度(θ),产生用于接通/断开逆变器430的三个相电压指令值Vas、Vbs和Vcs,并将它们输出到逆变器430。
因此,对提供给同步磁阻电动机440的电流和电压进行检测,然后,通过使用由此产生的估计角速度,可控制同步磁阻电动机440的速度。
正如到目前为止所述,根据本发明的同步磁阻电动机的速度控制装置,由于同步磁阻电动机的速度控制是通过对提供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测来实现,而不是通过使用编码器或霍尔传感器来实现,因而可降低同步磁阻电动机的生产成本。
此外,相电流由一个电流检测器进行计算,从而控制同步磁阻电动机的速度。
并且,在几乎无法安装转子位置检测器的地方,例如冰箱、空调或加热器,可容易地对压缩机速度进行控制。
由于本发明可采用几种形式予以实施,而不背离本发明的精神或主要特点,因此也应理解成,如果未有其他规定,上述实施例不受前面任何一种详细说明的限制,而是应在按照所附权利要求中定义的本发明的精神和范围内作广义解释。因此,凡是落入权利要求界限和范围或其等同物内的全部变动和修改,都将包含在所附权利要求之内。
Claims (17)
1.一种同步磁阻电动机的速度控制装置,包括:
整流器,用于接收交流电源,并将其转换成直流电源;
逆变器,用于接收直流电源以及将其转换成交流电源,并将其提供给同步磁阻电动机;
检测单元,用于通过对提供给同步磁阻电动机的电流和电压进行检测,以及对从电流产生的估计感应电压进行检测,从而对产生的感应电压进行运算,并产生同步磁阻电动机的估计角速度;以及
控制器,用于接收估计角速度以及由用户输入的速度指令值,并通过逆变器控制同步磁阻电动机的速度。
2. 如权利要求1所述的装置,其中,检测单元包括:
电流检测单元,用于检测在整流器和逆变器之间流动的电流,并产生与转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的电流;
电压检测单元,用于检测从逆变器提供给同步磁阻电动机的电压,并产生与转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的电压;以及
估计角速度运算单元,用于接收与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及与‘d’轴和‘q’轴相对应的电压,并对估计角速度进行运算。
3. 如权利要求2所述的装置,其中,电流检测单元包括:
电流检测器,用于检测在整流器和逆变器之间流动的电流;
相电流转换器,用于接收检测的电流,并将其转换成三个相电流;以及
坐标转换器,用于接收和检测三个相电流,并将其转换成与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流。
4. 如权利要求3所述的装置,其中,相电流转换器包括:
第一复用器,用于接收检测的电流,并根据脉宽调制状态输出三个正相电流+ia、+ib和+ic;
第二复用器,用于输出三个负相电流-ia、-ib和-ic;
第一低通滤波器,用于接收三个正相电流,并消除噪声;以及
第二低通滤波器,用于接收三个负相电流,并消除噪声。
5. 如权利要求2所述的装置,其中,电压检测单元包括:
电压检测器,用于检测从逆变器提供给同步磁阻电动机的电压;
电压转换器,用于接收从电压检测器检测的信号,并将其转换成两个相电压;以及
坐标转换器,用于接收两个相电压,并产生与‘d’轴和‘q’轴相对应的电压。
6. 如权利要求2所述的装置,其中,估计角速度运算单元包括:
感应电压运算器,用于接收与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及与‘d’轴和‘q’轴相对应的电压,并产生感应电压;
估计感应电压发生器,用于接收与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及先前的估计角速度,并产生估计感应电压;以及
估计速度发生器,用于接收感应电压和估计感应电压,并产生估计角速度。
7. 如权利要求6所述的装置,其中,估计感应电压发生器包括:
电感运算器,用于接收与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及先前的估计角速度,并对与‘d’轴和‘q’轴相对应的电感进行运算;以及
估计感应电压运算器,用于接收与‘d’轴和‘q’轴相对应的电感,并对估计感应电压进行运算。
8. 如权利要求6所述的装置,其中,估计速度发生器包括:
比较器,用于接收感应电压和估计感应电压,并产生误差感应电压;以及
比例积分调节器,用于接收误差感应电压并产生估计角速度。
9.如权利要求1所述的装置,还包括磁通量运算器,用于接收估计角速度,对磁通量进行运算,并将其输出到电流检测单元。
10.如权利要求1所述的装置,其中,检测单元通过使用与同步磁阻电动机转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的磁阻差来产生估计角速度。
11.如权利要求10所述的装置,其中,当同步磁阻电动机的转子旋转时,产生磁阻。
12.一种同步磁阻电动机的速度控制方法,包括步骤:
对提供给同步磁阻电动机的电流进行检测;
对提供给同步磁阻电动机的电压进行检测;
通过对检测的电流以及从该电流产生的估计感应电压进行运算,从而对产生的感应电压进行运算;以及
产生同步磁阻电动机的估计角速度;并根据估计角速度以及由用户输入的速度指令值,控制同步磁阻电动机的速度。
13.如权利要求12所述的方法,其中,在检测电流的步骤中,检测与同步磁阻电动机转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的电流。
14.如权利要求12所述的方法,其中,在检测电压的步骤中,检测与同步磁阻电动机转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的电压。
15.如权利要求12所述的方法,其中,产生估计角速度的步骤包括:
对与同步磁阻电动机转子的‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及与‘d’轴和‘q’轴相对应的电压进行运算,并产生感应电压;
对与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及先前的估计角速度进行运算,并产生估计感应电压;以及
对感应电压和估计感应电压进行运算,并产生估计角速度。
16.如权利要求15所述的方法,其中,产生估计感应电压的步骤包括:
对与‘d’轴和‘q’轴相对应的电流以及先前的估计角速度进行运算,并对与‘d’轴和‘q’轴相对应的电感进行运算;以及
接收经过运算的‘d’轴和‘q’轴电感,并对估计感应电压进行运算。
17.如权利要求15所述的方法,其中,产生估计角速度的步骤包括:
对感应电压和估计感应电压进行运算,并产生误差感应电压;以及
对误差感应电压进行比例积分。
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