CN211405910U - 参数控制系统以及电机 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于电机的参数控制系统，包括：电流获取电路，与所述电机相连以获取所述电机输出的电流；运算处理器，被配置为根据所获取的电流，确定是否需要对电机的参数进行调整，以及在确定需要对电机的参数进行调整时生成新的参数；以及输出电路，被配置为将所述运算处理器所生成的新的参数输出到所述电机的控制装置。本公开还提供了包括参数控制系统的电机。

Description

参数控制系统以及电机
技术领域
本公开涉及电力电子技术，更具体地，涉及一种用于电机的参数控制系统以及包括该参数控制系统的电机。
背景技术
在电机运行中，有很多电机参数用于控制模块，如磁通检测器、 MTPA、前馈解耦、MTPV等。
电机在运行中会发热，而发热导致电机的电阻和电感等参数变化。电机的变频器的控制的精度很大程度上取决于电机参数。参数的变化会导致控制精度下降(如转子角度观测精度下降，MTPA算法不准确，电机数学模型变化等)，从而使输出电流持续增加，加剧电机发热，陷入恶性循环。
对于这种恶性循环，目前通常采用限制变频器输出电流能力或电机物理冷却的方式。
对于限制变频器输出电流能力的方式，其会导致变频器无法输出额定功率。
对于使用物理冷却的方式，其无法保证温度恒定且会增加成本。
实用新型内容
为了至少部分地解决上述技术问题，本公开提出了一种用于电机的参数控制系统，其自动矫正参数，能使电机参数自动跟踪温度变化，从而提高控制精度，使输出电流稳定，发热情况不会恶化。
本公开的第一方面提供了一种用于电机的参数控制系统，其特征在于包括：电流获取电路，与所述电机相连以获取所述电机输出的电流；运算处理器，被配置为根据所获取的电流，确定是否需要对电机的参数进行调整，以及在确定需要对电机的参数进行调整时生成新的参数；以及输出电路，被配置为将所述运算处理器所生成的新的参数输出到所述电机的控制装置。
根据示意性实施例，所述运算处理器被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及在所获取的电流与前次获取的电流之差不超过阈值的情况下，确定不需要对电机的参数进行调整。
根据示意性实施例，所述运算处理器被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及如果所获取的电流比前次获取的电流大且所获取的电流与前次获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数减去所述参数的控制步长，以生成新的参数。
根据示意性实施例，所述运算处理器被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及如果所获取的电流比前次获取的电流小且前次获取的电流与所获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数加上所述参数的控制步长，以生成新的参数。
根据示意性实施例，所述阈值是预先确定的。
根据示意性实施例，所述控制步长是预先确定的。
根据示意性实施例，所述电机的控制装置包括以下中的任意一项或多项：最大转矩电流比(MTPA)控制器、最大转矩电压比(MTPV) 控制器、磁通观测器(flux observer)、前馈解耦控制器。
根据示意性实施例，所述电流获取电路以预定频率获取所述电流，所述频率在1Hz-10Hz之间。
根据示意性实施例，所述电机的参数包括以下中的任意一项或多项：定子电阻、直轴-交轴(dq轴)电感、和永磁反电势。
本公开的第二方面提供了一种电机，其特征在于包括根据本公开实施例所述的参数控制系统。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示出了根据本公开实施例的用于电机的参数控制系统与电机的关系的示意图；
图2示出了根据本公开实施例的参数控制系统的结构示意图；
图3示出了根据本公开实施例的参数控制方法的流程图；
图4(a)和图4(b)示出了根据本公开实施例的参数控制系统可用于控制的磁通观测器与前馈解耦控制器的模型示意图；
图5示出了未应用本申请的参数控制系统的磁通观测器(图5的(a)) 和应用了本申请的参数控制系统的磁通观测器(图5的(b))的输出的转子位置角的仿真结果比较；以及
图6示出了未应用本申请的参数控制系统的MTPA和应用了本申请的参数控制系统的MTPA在相同负载扭矩的情况下输出的电流值的仿真结果比较。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
图1示出了根据本公开实施例的用于电机的参数控制系统与电机的关系的示意图。
如图1所示，根据本公开实施例的参数控制系统用于获取电机的电流，并能够控制电机中的各个控制装置，例如最大转矩电流比(MTPA) 控制器、最大转矩电压比(MTPV)控制器、磁通观测器(flux observer)、前馈解耦控制器等等。具体地，根据本公开实施例的参数控制系统控制所述各个控制装置中使用的电机参数，使得电机参数能够自动跟踪温度变化，从而提高电机参数控制的精度，使输出电流更稳定。所述电机参数包括以下中的任意一项或多项：定子电阻、直轴-交轴(dq轴) 电感、永磁反电势等。
图2示出了根据本公开实施例的参数控制系统200的结构示意图。
如图2所示，根据本公开实施例的用于电机的参数控制系统200 包括：电流获取电路210，与电机相连以获取所述电机输出的电流；运算处理器220，被配置为根据所获取的电流，确定是否需要对电机的参数进行调整，以及在确定需要对电机的参数进行调整时生成新的参数；以及输出电路230，被配置为将运算处理器220所生成的新的参数输出到电机的上述控制装置。
根据本公开的实施例，电流获取电路210可以与电机的电流检测电路(例如，电流传感器等)相连，以获取电机输出的电流。根据一个示意性实施例，电流获取电路210可以实现为例如霍尔电流传感器、采样电阻等。运算处理器220可以是任意处理器、包括一个或多个通用或专用处理器(例如，微处理器、数字信号处理器、定制处理器和现场可编程门阵列(FPGA))。输出电路230可以与电机的上述控制装置相连，以向这些控制装置输出新的参数。
根据一个示意性实施例，运算处理器220被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及在所获取的电流与前次获取的电流之差不超过阈值的情况下，确定不需要对电机的参数进行调整。
根据另一个示意性实施例，运算处理器220被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及如果所获取的电流比前次获取的电流大且所获取的电流与前次获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数减去该参数的控制步长，以生成新的参数。
根据又一个示意性实施例，运算处理器220被配置为：将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及如果所获取的电流比前次获取的电流小且前次获取的电流与所获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数加上该参数的控制步长，以生成新的参数。
图3示出了根据本公开实施例的参数控制方法300的流程图。
如图3所示，根据本公开实施例的参数控制方法包括：步骤S310，获取电机输出的电流Is(k)。该方法然后前进到步骤S320，将所获取的电流与前次获取的电流进行比较，确定电流是否增加。如果所获取的电流与前次获取的电流相同，则直接前进到步骤S350，即确定不需要对电机的参数进行调整，也即，采用原始参数，即P(k)＝P(k-1)。如果所获取的电流比前次获取的电流大，则该方法前进到步骤S330，确定所获取的电流与前次获取的电流之差是否超过预先确定的阈值。如果在步骤S330中确定所获取的电流与前次获取的电流之差超过所述阈值，则前进到步骤S340，将电机的参数减去该参数的控制步长Δp，以生成新的参数，即P(k)＝P(k-1)-Δp。如果在步骤S330中确定所获取的电流与前次获取的电流之差不超过所述阈值，则前进到步骤S350，确定不需要对电机的参数进行调整，也即，采用原始参数。如果在步骤S320中确定所获取的电流比前次获取的电流小，则该方法前进到步骤S360，确定前次获取的电流与所获取的电流之差是否超过所述阈值。如果在步骤S360中确定前次获取的电流与所获取的电流之差超过所述阈值，则前进到步骤S370，将电机的参数加上该参数的控制步长Δp，以生成新的参数，即P(k)＝P(k-1)+Δp。如果在步骤S360中确定前次获取的电流与所获取的电流之差不超过所述阈值，则前进到步骤S350，确定不需要对电机的参数进行调整，也即，采用原始参数。
根据一个示意性实施例，所述阈值是预先确定的。如果针对电机的控制容差设置得较大，则该阈值可以设置为较大值。如果需要精确地控制电机，则该阈值可以设置为较小值。可以根据实际需求设置适当的阈值。例如针对电机的100A的额定电流，阈值可以设置成5A。
根据一个示意性实施例，电机参数的控制步长是预先确定的。例如，针对定子电阻，控制步长可以设置成每次调整1欧姆。针对直轴- 交轴(dq轴)电感，控制步长可以设置成每次调整1亨利(H)。针对永磁反电势，控制步长可以设置成每次调整1伏特(V)。根据另一个示意性实施例，可以将控制步长设置为相对值，例如1％。例如，针对350 毫欧的定子电阻，控制步长可以设置成每次调整3.5毫欧，而针对100 毫欧的定子电阻，控制步长可以设置成每次调整1毫欧。
根据一个示意性实施例，控制步长可以根据所获取的电流与参考电流之差而改变。参考电流是预设的在理想情况下电机输出的电流。例如，控制步长可以随所获取的电流与参考电流之差的变大而增大，或者可以随所获取的电流与参考电流之差的变小而减小。例如针对电机的100A的额定电流，当所获取的电流与参考电流之差大于4A时，则针对定子电阻的控制步长可以设置为2欧姆，当所获取的电流与参考电流之差小于4A时，则针对定子电阻的控制步长可以设置为1欧姆。这样，可以在电机输出的电流偏离参考电流较大时，尽快地将电机的参数调整至参考值，而在电机输出的电流偏离参考电流较小时，即，电机在可接受的容差范围内运行时，可以以较小的步长对电机的参数进行调整。
根据一个示意性实施例，电机的所述控制装置包括以下中的任意一项或多项：最大转矩电流比(MTPA)控制器、最大转矩电压比(MTPV) 控制器、磁通观测器(fluxobserver)、前馈解耦控制器。
如图1所示，根据本公开实施例的参数控制系统可以用于控制电机中的各个控制装置，例如最大转矩电流比(MTPA)控制器、最大转矩电压比(MTPV)控制器、磁通观测器(flux observer)、前馈解耦控制器。
通常情况下，电机的变频器通常以开关频率进行电流采样来供电机的控制系统或其他控制装置使用，例如大概在2kHz-10kHz左右采样一次。然而，根据本公开实施例的参数控制系统无需这么频繁地获取电流并调整电机的参数。根据一个示意性实施例，根据本公开的电流获取电路210能够以较低的预定频率检测获取所述电流，例如，所述预定频率在1Hz-10Hz之间。
图4(a)和图4(b)示出了根据本公开实施例的参数控制系统可用于控制的磁通观测器和前馈解耦控制器的模型示意图。图4(a)和图4(b)以框示出了需要监控以及调整的电机的参数。在图4(a)和图4(b)中：
Usα，Usβ，为αβ坐标系的下的α轴和β轴电压分量。
isα，isβ：为αβ坐标系的下的α轴和β轴电流分量。
ψsα，ψsβ：为αβ静止坐标系的下的α轴和β轴磁链。
id，iq为dq轴电流，
Ud，Uq为dq轴电压。
Ψr为永磁反电势系数，Ld，Lq为dq轴电感。
β为电流矢量超前反电势的超前角，ωr为转子角频率。
dt为时间的微分。
Rs为定子电阻。
eα，eβ：为αβ坐标系的下的α轴和β轴的反电动势分量。
wc为低通滤波器的截止频率。
S为数学运算中的中间变量，无实际意义。
isα，isβ：为αβ坐标系的下的α轴和β轴电流分量。
Rs，为定子电阻。
PI为比例积分调节器的缩写(Proportion，Integral)。
Ψr永磁反电势系数。
is为定子电流。
在图4(a)中，从以下公式我们可以看出，直轴-交轴(dq轴)电感 Lq直接影响转子位置角θ的计算值如下：
Figure DEST_PATH_GDA0002533132940000081
Figure DEST_PATH_GDA0002533132940000082
其中ψsα，ψsβ为αβ静止坐标系的下的α轴和β轴磁链。
转子位置角的精度是磁场导向控制(Field-Oriented Control，FOC) 算法的关键点，它直接影响电机的电流去耦，最终影响电机的工作电流值，转子位置角的计算值与真实位置角的偏差越大，电流越大，电流增加最终会影响压缩机运行图。在MTPA的模型下，可以从以下公式看出Lq和Ld的值会影响超前角β的计算值的大小：
Figure DEST_PATH_GDA0002533132940000083
从图4(a)和图4(b)中可以看出，在磁通观测器中，需要精确地控制定子电阻，在磁通观测器、前馈解耦控制器和MTPA中，需要精确地控制直轴-交轴(dq轴)电感，从而使得磁通观测器、前馈解耦控制器和MTPA的输出准确。
图5示出了未应用本申请的参数控制系统的磁通观测器(图5的 (a))和应用了本申请的参数控制系统的磁通观测器(图5的(b)) 的输出的转子位置角对比的仿真结果比较。从图中可以看出，未应用本申请的参数控制系统的磁通观测器的角度与真实转子角度的误差大约为10°，而应用了本申请的参数控制系统的磁通观测器的角度与真实转子角度的误差大约为1.2°。
图6示出了未应用本申请的参数控制系统的MTPA和应用了本申请的参数控制系统的MTPA的电机电流的仿真结果比较。从图中可以看出，在相同的转矩(8Nm)下(图6中的(a))，有参数控制系统时MTPA模块输出电流为8.0A，无参数控制系统时MTPA模块输出电流为8.8A，二者之间相差0.8A(图6中的(b))。当负载较高时，电流误差会更高，这会导致变频器的输出电流提前达到其电流限制，最后收缩压缩机运行图。
根据本公开的参数控制系统可以在任何情况下适应参数变化，通过使用扰动，不需要额外的模型，无需依赖其他参数，实时性好，鲁棒性高。而参数控制系统能够多快将参数调整至参考值取决于阈值和控制步长。从图5和图6所示的仿真结果中可以看出，应用了本申请的参数控制系统使磁通观测器计算出的转子位置角有了明显的改善，更接近真实的转子位置角，同时应用了本申请的参数控制系统使 MTPA模块在相同的负载扭矩情况下，输出了更小的电流，由此可见根据本公开的参数控制系统确实提高了控制效果。
此外，根据本公开的另一实施例提供了一种电机，包括根据本公开实施例的参数控制系统。根据本公开的电机具有根据本公开实施例的参数控制系统相同的特征和优点，在此不再赘述。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种用于电机的参数控制系统，其特征在于包括：
电流获取电路，与所述电机相连以获取所述电机输出的电流；
运算处理器，被配置为根据所获取的电流，确定是否需要对电机的参数进行调整，以及在确定需要对电机的参数进行调整时生成新的参数；以及
输出电路，被配置为将所述运算处理器所生成的新的参数输出到所述电机的控制装置。
2.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述运算处理器被配置为：
将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及
在所获取的电流与前次获取的电流之差不超过阈值的情况下，确定不需要对电机的参数进行调整。
3.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述运算处理器被配置为：
将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及
如果所获取的电流比前次获取的电流大且所获取的电流与前次获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数减去所述参数的控制步长，以生成新的参数。
4.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述运算处理器被配置为：
将所获取的电流与前次获取的电流进行比较；以及
如果所获取的电流比前次获取的电流小且前次获取的电流与所获取的电流之差超过阈值，则将所述电机的参数加上所述参数的控制步长，以生成新的参数。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的参数控制系统，其特征在于，所述阈值是预先确定的。
6.根据权利要求3-4中任一项所述的参数控制系统，其特征在于，所述控制步长是预先确定的。
7.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述电机的控制装置包括以下中的任意一项或多项：最大转矩电流比控制器、最大转矩电压比控制器、磁通观测器、前馈解耦控制器。
8.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述电流获取电路以预定频率获取所述电流，所述预定频率在1Hz-10Hz之间。
9.根据权利要求1所述的参数控制系统，其特征在于，所述电机的参数包括以下中的任意一项或多项：定子电阻、直轴-交轴电感和永磁反电势。
10.一种电机，其特征在于包括根据权利要求1-9中任一项所述的参数控制系统。
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