RU2773000C1 - Method for regulating a multiphase electric machine and a system of a multiphase electric machine for such a method - Google Patents
Method for regulating a multiphase electric machine and a system of a multiphase electric machine for such a method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773000C1 RU2773000C1 RU2021117900A RU2021117900A RU2773000C1 RU 2773000 C1 RU2773000 C1 RU 2773000C1 RU 2021117900 A RU2021117900 A RU 2021117900A RU 2021117900 A RU2021117900 A RU 2021117900A RU 2773000 C1 RU2773000 C1 RU 2773000C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- phase
- inter
- component
- slot
- Prior art date
Links
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 title 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 23
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 11
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 4
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000007620 mathematical function Methods 0.000 description 2
- 230000027311 M phase Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005301 magnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к способу управления многофазной электрической машиной, в частности, асинхронной машиной, с ротором, статором и по меньшей мере двумя фазными обмотками, где по меньшей мере один электрический сигнал, в частности, сигнал напряжения, подается по меньшей мере на одну фазную обмотку, предпочтительно на все фазные обмотки многофазной электрической машины, и форма электрического сигнала, в частности, форма тока, измеряется или определяется по меньшей мере в одной фазной обмотке.The invention relates to a method for controlling a multi-phase electrical machine, in particular an asynchronous machine, with a rotor, a stator and at least two phase windings, where at least one electrical signal, in particular a voltage signal, is applied to at least one phase winding, preferably to all phase windings of the polyphase electrical machine, and the shape of the electrical signal, in particular the shape of the current, is measured or determined in at least one phase winding.
Изобретение также относится к системе многофазной электрической машины для выполнения такого способа.The invention also relates to a multi-phase electrical machine system for carrying out such a method.
Уровень техникиState of the art
В современных способах управления многофазными асинхронными машинами часто необходимо знать угловое положение ротора. Для получения этой информации можно использовать датчики, такие как инкрементальные поворотные энкодеры (датчики угла поворота), абсолютные поворотные энкодеры или бесконтактные синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (резольверы), которые могут быть основаны на самых разных физических принципах. Однако недостатком всех типов поворотных энкодеров являются дополнительные расходы. Кроме того, поворотные энкодеры имеют ограниченный срок службы, который часто меньше запланированного срока службы многофазной электрической машины. Подозрение на отказ трехфазного привода часто происходит из-за выхода из строя такого датчика. Однако отказы и простои, например, отказы поездов на железнодорожных линиях, могут потребовать значительных усилий и больших затрат, и поэтому их следует по возможности избегать.In modern methods of controlling multi-phase induction machines, it is often necessary to know the angular position of the rotor. Sensors such as incremental rotary encoders (angle encoders), absolute rotary encoders, or non-contact sine-cosine rotary transformers (resolvers) can be used to obtain this information, which can be based on a wide variety of physical principles. However, the disadvantage of all types of rotary encoders is the additional cost. In addition, rotary encoders have a limited lifespan that is often less than the planned lifespan of a multi-phase electrical machine. Suspected failure of a three-phase drive is often due to the failure of such a sensor. However, failures and downtimes, such as train failures on rail lines, can be very difficult and costly and should therefore be avoided whenever possible.
Во избежание использования таких датчиков в многофазных электрических машинах или трехфазных приводах, были разработаны так называемые способы бессенсорного управления, в которых угловое положение потокосцепления может быть определено по формам сигналов электрических переменных в многофазной электрической машине без использования датчика угла или скорости вращения ротора. В этих процедурах сигналы возбуждения часто подаются посредством преобразователя, и сигналы отклика машины измеряются как следствие сигналов возбуждения. Посредством соответствующей оценки можно определить угловое положение или скорость вращения ротора.In order to avoid the use of such sensors in multi-phase electrical machines or three-phase drives, so-called sensorless control methods have been developed in which the angular position of the flux linkage can be determined from the waveforms of electrical variables in a multi-phase electrical machine without using a rotor angle or speed sensor. In these procedures, drive signals are often applied via a transducer and machine response signals are measured as a consequence of the drive signals. By means of an appropriate evaluation, the angular position or rotational speed of the rotor can be determined.
В способах бессенсорного управления используется тот факт, что многофазные электрический машины демонстрируют асимметрию, вызванную их конструкцией или во время работы в результате электрических или магнитных эффектов, которые могут изменяться в зависимости от времени и положения. Изменения асимметрии обычно вызывают изменения индуктивности и поэтому могут быть обнаружены, например, по изменению нарастания тока. В документе WO 99/39430 A1 описан способ бессенсорного управления.Sensorless control methods take advantage of the fact that multi-phase electrical machines exhibit asymmetries caused by their design or during operation as a result of electrical or magnetic effects that can vary with time and position. Changes in unbalance usually cause changes in inductance and can therefore be detected, for example, by a change in current rise. WO 99/39430 A1 describes a sensorless control method.
Примером асимметрии, связанной с конструкцией, является ротор синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов (PSM), которая имеет постоянные магниты в определенных положениях, которые имеют более низкую относительную проницаемость, чем окружающие области, содержащие железо и, следовательно, повышенное магнитное сопротивление в области постоянных магнитов по сравнению с областями с железом. Когда ротор PSM вращается, магнитное сопротивление по окружности воздушного зазора изменяется в зависимости от времени и положения, что проявляется в изменении индуктивности.An example of an asymmetry associated with the design is the rotor of a permanent magnet synchronous machine (PSM) which has permanent magnets in certain positions that have a lower relative permeability than the surrounding areas containing iron and therefore increased reluctance in the area permanent magnets compared to areas with iron. As the PSM rotor rotates, the magnetic resistance around the circumference of the air gap changes with time and position, resulting in a change in inductance.
Примерами электрической или магнитной асимметрии являются явления локального насыщения путей магнитного потока в многофазной электрической машине.Examples of electrical or magnetic asymmetries are the phenomena of local saturation of magnetic flux paths in a multi-phase electrical machine.
Чем слабее асимметрии, связанные с ротором многофазной электрической машины, тем труднее обнаружить изменение угла поворота ротора без датчиков. Особенно сложно определить угловое положение ротора многофазной электрической машины без датчиков (то есть без датчиков описанного выше типа, таких как поворотные инкрементальные энкодеры), так как индукционные машины, особенно по сравнению с синхронными машинами, имеют более низкую асимметрию. В асинхронных машинах пазовая составляющая сигнала, содержащаяся в измеренных формах тока, обычно изолирована от других составляющих сигнала и оценивается, или используется сигнал насыщения. Пазовая составляющая сигнала вызвана вращением паза ротора за пазом статора и соответствующим изменением индуктивности. Так как изменения индуктивности, вызванные прохождением паза, относительно малы, пазовая составляющая сигнала обычно мала и поэтому, в зависимости от рабочего состояния и конструкции индукционной машины, ее трудно определить и отделить от других составляющих сигнала. В частности, при увеличении нагрузки на асинхронную машину трудно или невозможно отличить пазовую составляющую сигнала от других составляющих сигнала.The weaker the asymmetries associated with the rotor of a multi-phase electrical machine, the more difficult it is to detect a change in the angle of rotation of the rotor without sensors. It is especially difficult to determine the angular position of the rotor of a polyphase electrical machine without sensors (i.e. without sensors of the type described above, such as rotary incremental encoders), since induction machines, especially compared to synchronous machines, have lower asymmetry. In asynchronous machines, the slot signal component contained in the measured current waveforms is usually isolated from the other signal components and evaluated, or a saturation signal is used. The slot component of the signal is caused by the rotation of the rotor slot behind the stator slot and the corresponding change in inductance. Since the changes in inductance caused by the passage of the slot are relatively small, the slot signal component is usually small and therefore, depending on the operating condition and design of the induction machine, it is difficult to detect and separate from other signal components. In particular, as the load on the asynchronous machine increases, it is difficult or impossible to distinguish the slot signal component from other signal components.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
В свете этих комментариев задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы облегчить или даже полностью устранить недостатки предшествующего уровня техники. В частности, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить способ вышеупомянутого типа, в котором угловое положение и/или скорость вращения ротора многофазной электрической машины, в частности, асинхронной машины, могут быть определены по меньшей мере из одной формы электрического сигнала улучшенным способом и в широком диапазоне скоростей вращения и нагрузок.In the light of these comments, the object of the present invention is to alleviate or even completely eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, an object of the present invention is to provide a method of the above type, in which the angular position and/or rotational speed of the rotor of a polyphase electrical machine, in particular an asynchronous machine, can be determined from at least one electrical waveform in an improved manner and over a wide range of rotational speeds and loads.
Эта задача решена с помощью способа, имеющего признаки по п.1 формулы изобретения. Таким образом, согласно изобретению в способе упомянутого выше типа предусмотрено, что интермодуляционная составляющая сигнала, индуцированная в многофазной электрической машине за счет пазовых эффектов и магнитного насыщения, которая определяется по форме электрического сигнала, измеренного или определенного по меньшей мере в одной фазной обмотке, используется для управления многофазной электрической машиной. Интермодуляционная составляющая сигнала может использоваться, в частности, для определения положения ротора, то есть углового положения ротора, которое впоследствии может использоваться для управления многофазной электрической машиной. Предпочтительно по меньшей мере одна форма электрического тока измеряется или определяется и используется в качестве формы электрического сигнала. По этой причине следующие комментарии относятся к измеренным формам тока. Однако можно также использовать измеренные или определенные формы сигналов напряжения. Определение формы сигнала, в частности, формы тока по меньшей мере в одной фазной обмотке многофазной электрической машины может быть выполнено, например, путем измерения токов и/или напряжений в звене постоянного тока (промежуточной цепи) преобразователя, в источнике питания преобразователя или в источнике питания преобразователя со стороны машины. В частности, фазные токи многофазной электрической машины могут быть определены на основе тока промежуточной цепи. Так как способ особенно подходит для использования в асинхронных машинах или электрических машинах по меньшей мере частично с признаками машин, подобных асинхронным (например, в синхронных машинах с демпферной клеткой), следующие замечания в первую очередь относятся к асинхронным машинам. В предпочтительном варианте осуществления электрическая многофазная асинхронная машина может иметь две, три или более трех фазных обмоток. Предпочтительно электрическая многофазная асинхронная машина является трехфазной. Изобретение основано на обнаружении того факта, что, как будет дополнительно пояснено ниже, существует математическая или физическая взаимосвязь между составляющей интермодуляционного сигнала и составляющей сигнала паза, характеризующая угловое положение или скорость вращения ротора и, следовательно, сигнал управления и сигнал положения можно получить из составляющей интермодуляционного сигнала и использовать для управления многофазной электрической машиной. Таким образом, пазовую составляющую сигнала, которую часто трудно определить, больше не нужно использовать напрямую. Интермодуляционная составляющая сигнала в отклике сигнала многофазной электрической машины тока в ответ на сигнал возбуждения значительно больше, чем пазовая составляющая сигнала в большинстве рабочих состояний многофазной электрической машины, и поэтому ее можно легче определить и отделить от других составляющих сигнала. Составляющую интермодуляционного сигнала можно оценивать во временной области и/или в частотной области. В частности, угловое положение и/или скорость вращения ротора впоследствии можно определить из интермодуляционной составляющей сигнала. Для этой цели может также использоваться составляющая насыщения сигнала, которая коррелирует с интермодуляционной составляющей сигнала (см. ниже). Интермодуляционная составляющая сигнала вызвана, главным образом, эффектами паза ротора или статора многофазной электрической машины и эффектами магнитного насыщения путей магнитного потока внутри многофазной электрической машины. В большинстве рабочих состояний интермодуляционная составляющая сигнала имеет основную частоту, отличную от пазовой составляющей сигнала и составляющей насыщения сигнала. В свою очередь, описанные эффекты вызывают отдельные составляющие сигнала, которые также содержатся по меньшей мере в одной измеряемой форме тока. В форме кривой тока, составляющие сигнала, возникающие из-за наличия пазов в роторе и статоре многофазной электрической машины, называются пазовыми составляющими сигнала. Как правило, основная частота пазовых оставляющих сигнала по существу в N раз превышает частоту вращения ротора, где N соответствует количеству пазов ротора. Составляющие сигнала, индуцированные в форме кривой тока, вызванные временным и локальным изменением магнитного насыщения путей магнитного потока внутри многофазной электрической машины, называются составляющими насыщения сигнала. Основная частота составляющей насыщения сигнала обычно соответствует удвоенному основному периоду или рабочему периоду машины. Физически объединяя два упомянутых выше эффекта, также объединяются их составляющие сигнала в многофазной электрической машине, тем самым образуя интермодуляционную составляющую сигнала, частота которой отличается от частоты составляющей насыщения сигнала и частоты пазовой составляющей сигнала в большинстве рабочих состояний (интермодуляция). Взаимосвязь между частотами интермодуляционной составляющей сигнала, пазовой составляющей сигнала и составляющей насыщения сигнала имеет вид:This problem is solved using a method having the features according to
где ωinter – частота интермодуляционной составляющей сигнала, ωsat – частота составляющей насыщения сигнала, и ωslot – частота пазовой составляющей сигнала. Знак ωsat в уравнении (1) зависит от конструкции и дизайна многофазной электрической машины. Для восстановления пазовой составляющей сигнала из интермодуляционной составляющей сигнала путем вычисления может использоваться, в частности, составляющая насыщения сигнала, предпочтительно ее основная частота. Составляющую насыщения сигнала можно определить по токам в фазных обмотках многофазной электрической машины. В дополнение к основным частотам упомянутые составляющие сигнала также могут иметь гармоники, но они будут проигнорированы в интересах упрощенного объяснения и из-за их незначительного влияния. Изобретение, кроме того, основано на обнаружении того факта, что корреляция между интермодуляционной составляющей сигнала и пазовой составляющей сигнала может использоваться для определения углового положения и/или скорости вращения ротора из интермодуляционной составляющей сигнала без необходимости определения или использования пазовой составляющей сигнала непосредственно из формы кривой тока. Таким образом, интермодуляционная составляющая сигнала может успешно использоваться во всех способах управления, в которых необходимо знать угловое положение ротора или угловое положение потокосцепления. В отличие от изобретения, в предшествующем уровне техники интермодуляционный сигнал обычно устраняется как помеховый сигнал, и для управления используется непосредственно пазовая составляющая сигнала или составляющая насыщения сигнала.where ω inter is the frequency of the intermodulation component of the signal, ω sat is the frequency of the saturation component of the signal, and ω slot is the frequency of the slot component of the signal. The sign of ω sat in equation (1) depends on the construction and design of the multi-phase electrical machine. In order to reconstruct the slot signal component from the intermodulation signal component by calculation, in particular the signal saturation component, preferably its fundamental frequency, can be used. The signal saturation component can be determined from the currents in the phase windings of a polyphase electrical machine. In addition to fundamental frequencies, the mentioned signal components can also have harmonics, but they will be ignored for the sake of a simplified explanation and because of their negligible influence. The invention is further based on the discovery that the correlation between the IM signal component and the slot signal component can be used to determine the angular position and/or rotor speed from the IM signal component without having to determine or use the slot signal component directly from the current waveform. . Thus, the intermodulation component of the signal can be successfully used in all control methods in which it is necessary to know the angular position of the rotor or the angular position of the flux linkage. Contrary to the invention, in the prior art, the intermodulation signal is usually removed as an interference signal, and the slot signal component or signal saturation component is used directly for control.
Особенно предпочтительно, если электрические сигналы, в частности, сигналы напряжения, подаются на все фазные обмотки многофазной электрической машины, и результирующая форма кривой тока каждой фазной обмотки определяется, в частности, измеряется, оценивается и используется для определения интермодуляционной составляющей сигнала. Поданные электрические сигналы могут, в частности, содержать сигналы возбуждения. Отклик машины на сигналы возбуждения позволяет получить информацию о рабочем состоянии машины, чтобы можно было определить интермодуляционную составляющую сигнала. Могут быть предусмотрены разные типы и формы сигналов возбуждения. Сигналами возбуждения могут быть, например, сигналы напряжения, которые прикладываются (в любом случае) для создания вращающегося поля в воздушном зазоре. Сигналы возбуждения могут быть результатом операций переключения силовых полупроводников преобразователя, таких как ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или аналогичные способы. В процессе переключения преобразователь создает вращающееся поле в воздушном зазоре. Таким образом, сигналы возбуждения могут быть интегрированы во вращающееся поле возбуждения. Например, несущая частота ШИМ или ее гармоники могут также рассматриваться и использоваться в качестве сигнала возбуждения. Таким образом, части последовательности переключения используются для работы многофазной электрической машины, и их формы колебаний тока определяются и оцениваются. Сигналами возбуждения могут быть также сигналы возбуждения или тестовые сигналы, независимо от последовательности переключения, для создания вращающегося поля многофазной электрической машины, которые применяются между последовательностями переключения для создания вращающегося поля в воздушном зазоре и/или накладываются на них. В качестве сигналов возбуждения предпочтительно использовать прямоугольные импульсы, так как их легко формировать с помощью преобразователя. Сигналы возбуждения могут быть также, например, синусоидальными, переходными, импульсными и/или вращающимися. Сигналы возбуждения могут быть непосредственно ШИМ-модулированными. Единственным важным моментом является то, что можно определить реакцию машины на сигнал возбуждения (например, форму кривой тока), что позволяет сделать выводы о ранее упомянутых изменяющихся асимметриях многофазной электрической машины. Предпочтительно, когда подаются сигналы возбуждения, которые не являются частью последовательности переключения для работы многофазной электрической машины, то есть не используются для создания вращающегося магнитного поля, частота сигналов возбуждения выбирается таким образом, чтобы они не имели или имели только минимальное влияние на создаваемое вращающееся поле или крутящий момент в воздушном зазоре.It is particularly advantageous if electrical signals, in particular voltage signals, are applied to all phase windings of a polyphase electrical machine and the resulting current waveform of each phase winding is determined, in particular measured, evaluated and used to determine the intermodulation component of the signal. The applied electrical signals may in particular comprise excitation signals. The response of the machine to the excitation signals provides information about the operating state of the machine so that the intermodulation component of the signal can be determined. Various types and shapes of drive signals may be provided. The excitation signals can be, for example, voltage signals which are applied (in any case) to create a rotating field in the air gap. The drive signals may be the result of switching operations of the power semiconductors of the converter, such as PWM (pulse width modulation) or similar methods. During the switching process, the converter creates a rotating field in the air gap. In this way, the drive signals can be integrated into the rotating drive field. For example, the PWM carrier frequency or its harmonics can also be considered and used as an excitation signal. Thus, parts of the switching sequence are used to operate the multi-phase electrical machine and their current waveforms are determined and evaluated. The excitation signals can also be excitation signals or test signals, regardless of the switching sequence, to create a rotating field of a multi-phase electric machine, which are applied between switching sequences to create a rotating field in the air gap and/or superimposed on them. As excitation signals, it is preferable to use rectangular pulses, since they are easy to form using a converter. The drive signals may also be, for example, sinusoidal, transient, pulsed and/or rotating. The excitation signals can be directly PWM modulated. The only important point is that it is possible to determine the response of the machine to an excitation signal (for example, the shape of the current waveform), which allows conclusions to be drawn about the previously mentioned changing asymmetries of a multi-phase electrical machine. Preferably, when drive signals are applied that are not part of the switching sequence for operating a polyphase electrical machine, i.e. not used to generate a rotating magnetic field, the frequency of the drive signals is chosen such that they have no or only minimal effect on the generated rotating field or torque in the air gap.
В предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что угловое положение и/или скорость вращения ротора определяются из интермодуляционной составляющей сигнала, и угловое положение и/или скорость вращения используются для управления многофазной электрической машиной. Например, скорость вращения можно определить по формуле (1). Таким образом, при определении углового положения и/или скорости вращения можно использовать составляющую насыщения сигнала, в частности, его угол или угол, представляющий его. В одном варианте осуществления путем интегрирования угловой скорости ωslot можно восстановить угловое положение ротора путем обратного вычисления. Угловое положение может использоваться, в частности, для представления физических, в частности, электрических, величин, необходимых для регулирования в способе управления.In a preferred embodiment, it is provided that the rotational position and/or rotational speed of the rotor is determined from the intermodulation component of the signal, and the rotational position and/or rotational speed is used to control the polyphase electrical machine. For example, the rotation speed can be determined by formula (1). Thus, when determining the angular position and/or rotational speed, it is possible to use the saturation component of the signal, in particular its angle or the angle representing it. In one embodiment, by integrating the angular velocity ω slot , it is possible to recover the angular position of the rotor by inverse calculation. The angular position can be used in particular to represent physical, in particular electrical, quantities necessary for regulation in the control method.
Предпочтительно, интермодуляционная составляющая сигнала определяется по меньшей мере из одной временной формы кривой тока, в частности, из его скорости изменения. Соответствующая скорость изменения также может быть определена с помощью математического уравнения после возможного объединения нескольких форм кривых тока с разными фазами.Preferably, the intermodulation component of the signal is determined from at least one time waveform of the current, in particular from its rate of change. The corresponding rate of change can also be determined using a mathematical equation after possibly combining several current waveforms with different phases.
Еще один вариант осуществления предусматривает, что по меньшей мере в двух фазных обмотках, в частности, в трехфазных обмотках многофазной электрической машины, определяются формы сигналов тока, в частности, скорости их изменения, и формы сигналов тока, предпочтительно скорости их изменения объединяются с помощью математического уравнения, в частности, уравнения для вычисления пространственного вектора, чтобы сформировать объединенный сигнал, и интермодуляционная составляющая сигнала определяется из объединенного сигнала. Измеренные формы колебаний тока предпочтительно представляют собой дискретные временные сигналы. Однако измеренные формы сигналов тока могут быть также непрерывными во времени сигналами. Вместо форм сигналов тока можно также использовать формы сигналов напряжения.Another embodiment provides that in at least two phase windings, in particular in the three-phase windings of a polyphase electrical machine, the current waveforms, in particular their rates of change, are determined, and the current waveforms, preferably their rates of change, are combined using a mathematical equations, in particular, equations for calculating a space vector to generate the combined signal, and the intermodulation component of the signal is determined from the combined signal. The measured current waveforms are preferably discrete time signals. However, the measured current waveforms can also be time-continuous signals. Instead of current waveforms, voltage waveforms can also be used.
При определении внутренних состояний многофазной электрической машины из-за электрического соотношенияWhen determining the internal states of a multi-phase electrical machine due to the electrical ratio
удобно, если скорости изменения форм колебаний тока объединяются математическим уравнением или после объединения определяется скорость изменения объединенного сигнала, так как асимметрии, которые позволяют оценить угловое положение или скорость вращения ротора можно определить, в частности, по изменению индуктивности, и индуктивность L связана с напряжением u(t) посредством скорости изменения тока di(t)/dt. Если приложенный электрический сигнал является по существу синусоидальным сигналом напряжения, измеренные значения тока, в частности, значения амплитуды или среднеквадратичные значения, также могут быть использованы и напрямую объединены, так как на основе сложных вычислений переменного тока соотношение согласно уравнению (2) упрощается доit is convenient if the rates of change of the current waveforms are combined by a mathematical equation or, after combining, the rate of change of the combined signal is determined, since asymmetries that allow one to estimate the angular position or speed of rotation of the rotor can be determined, in particular, by changing the inductance, and the inductance L is related to the voltage u (t) by means of the current change rate di(t)/dt. If the applied electrical signal is a substantially sinusoidal voltage signal, measured current values, in particular amplitude values or rms values, can also be used and combined directly, because based on complex AC calculations, the relationship according to equation (2) simplifies to
где U – снова означает напряжение, j – мнимая единица, ω – угловая скорость/частота, L – индуктивность, и I – ток. В качестве уравнения для связи форм сигналов тока, в частности, скорости их изменения, может использоваться уравнение для вычисления пространственного вектора, напримерwhere U is again the voltage, j is the imaginary unit, ω is the angular velocity/frequency, L is the inductance, and I is the current. An equation for calculating the space vector can be used as an equation for relating the current waveforms, in particular the rate of change, for example
илиor
где iU,V,W(t) – форма тока (или diU,V,W(t)/dt ее первая производная по времени) в фазной обмотке U, V, W многофазной электрической машины, j – мнимая единица, e – число Эйлера, и π – постоянная окружности. В этом случае объединенный сигнал ϑSaliency представляет собой комплексный вектор, эквивалентный пространственному вектору. Пространственный вектор используется для отображения физических величин, в частности, величин многофазной системы, на комплексной плоскости с действительной и мнимой частями. Затем интермодуляционный сигнал может быть определен из объединенного сигнала.where i U,V,W (t) is the current shape (or di U,V,W (t)/dt its first time derivative) in the phase winding U, V, W of a polyphase electrical machine, j is an imaginary unit, e is the Euler number, and π is the circle constant. In this case, the combined signal ϑ Saliency is a complex vector equivalent to a space vector. The space vector is used to display physical quantities, in particular, the quantities of a multi-phase system, on the complex plane with real and imaginary parts. The intermodulation signal can then be determined from the combined signal.
В одном варианте осуществления предусмотрено, что интермодуляционная составляющая сигнала извлекается путем исключения других составляющих сигнала, предпочтительно путем устранения составляющих насыщения сигнала, обусловленных эффектами магнитного насыщения и/или пазовый составляющих сигнала, обусловленных эффектами пазов в многофазной электрической машине, предпочтительно из объединенного сигнала. Другими словами, интермодуляционная составляющая сигнала изолируется. Можно также исключить дополнительные составляющие сигнала. Удаление составляющих сигнала, отличных от интермодуляционной составляющей сигнала, можно выполнить, например, путем фильтрации. Удаление может быть также выполнено путем вычитания нежелательных составляющих сигнала. Например, нежелательные составляющие сигнала по частоте, амплитуде и фазе можно оценить и вычесть из формы тока или соответствующего сигнала тока. Это может быть выполнено, например, путем предварительной идентификации машины и использования функции стоимости, такой как описанная в работе “Identification and Compensation of High-order Harmonic Distortions in Saliency Based Sensorless Control of Induction Machines” by W. Fahrner, M.A. Vogelsberger and T. Wolbank, or in “Induction Machine Design Methodology for Self-Sensing: Balancing Saliencies and Power Conversion Properties.” by Brown, Ian Paterson and Robert D. Lorenz.In one embodiment, it is envisaged that the intermodulation signal component is extracted by excluding other signal components, preferably by eliminating signal saturation components due to magnetic saturation effects and/or slot signal components due to slot effects in a polyphase electrical machine, preferably from the combined signal. In other words, the intermodulation component of the signal is isolated. You can also exclude additional signal components. The removal of signal components other than the intermodulation component of the signal can be done, for example, by filtering. Removal can also be performed by subtracting unwanted signal components. For example, unwanted frequency, amplitude, and phase components of a signal can be estimated and subtracted from the current waveform or the corresponding current waveform. This can be done, for example, by pre-identifying the machine and using a cost function such as that described in “Identification and Compensation of High-order Harmonic Distortions in Saliency Based Sensorless Control of Induction Machines” by W. Fahrner, M.A. Vogelsberger and T. Wolbank, or in “Induction Machine Design Methodology for Self-Sensing: Balancing Saliencies and Power Conversion Properties.” by Brown, Ian Paterson and Robert D. Lorenz.
В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что информация о пазе, в частности, угол паза, определяется по углу интермодуляционной составляющей сигнала путем объединения угла интермодуляционной составляющей сигнала с углом составляющей насыщения сигнала, содержащейся в форме сигнала тока, например, с помощью правила расчетаIn one embodiment of the invention, it is provided that the information about the slot, in particular the angle of the slot, is determined from the angle of the IM signal component by combining the angle of the IM signal component with the angle of the signal saturation component contained in the current waveform, for example, using the calculation rule
где θslot(t) соответствует вычисленному углу интервала, θinter(t) углу интермодуляционной составляющей сигнала, и θsat(t) углу составляющей насыщения сигнала. Определенный таким образом угол θslot(t) паза по существу соответствует углу пазовой составляющей сигнала. Другими словами, путем объединения угла θinter(t) интермодуляционной составляющей сигнала и угла θsat(t) составляющей насыщения сигнала определяется или вычисляется угол θslot(t) паза. Углы θslot(t), θinter(t) и θsat(t) могут быть фазными углами, в частности, фазными углами основных частот отдельных эффектов. Угол θsat(t) составляющей насыщения сигнала может быть определен путем удвоения угла тока статора, при этом значение смещения, зависящее от нагрузки, может быть предоставлено для коррекции. Значение смещения можно определить, например, с помощью функции стоимости, полученной из измерений на многофазной электрической машине.where θ slot (t) corresponds to the calculated interval angle, θ inter (t) to the angle of the intermodulation component of the signal, and θ sat (t) to the angle of the saturation component of the signal. Thus determined slot angle θ slot (t) essentially corresponds to the angle of the slot component of the signal. In other words, by combining the angle θ inter (t) of the intermodulation component of the signal and the angle θ sat (t) of the saturation component of the signal, the slot angle θ slot (t) is determined or calculated. The angles θ slot (t), θ inter (t) and θ sat (t) can be phase angles, in particular the phase angles of the fundamental frequencies of the individual effects. The angle θ sat (t) of the signal saturation component can be determined by doubling the stator current angle, whereby a load dependent offset value can be provided for correction. The offset value can be determined, for example, using a cost function obtained from measurements on a polyphase electrical machine.
Для расчета механического углового положения ротора в одном варианте осуществления изобретения может быть предусмотрено, что механическое угловое положение ротора определяется путем деления пазового угла на количество пазов ротора. Предпочтительно количество пазов соответствует общему количеству пазов ротора.To calculate the mechanical angular position of the rotor, in one embodiment of the invention it can be provided that the mechanical angular position of the rotor is determined by dividing the slot angle by the number of slots of the rotor. Preferably the number of slots corresponds to the total number of slots of the rotor.
В ходе экспериментов со способом согласно изобретению было обнаружено, что угол интермодуляционной составляющей сигнала может иметь отклонение в зависимости от скорости вращения и/или нагрузки многофазной электрической машины, так что угловое положение ротора, определенное из интермодуляционной составляющей сигнала, может отклоняться от фактического углового положения. По этой причине может быть полезно, например, скорректировать угол интермодуляционной составляющей сигнала в зависимости от нагрузки, в частности, крутящего момента, и/или скорости вращения многофазной электрической машины, используя значение интермодуляционной коррекции. Значение интермодуляционной коррекции можно определить до применения способа, например, путем измерения на машине или путем вычислений, и сохранить, например, в таблице или смоделировать с помощью математической функции.During experiments with the method according to the invention, it has been found that the angle of the intermodulation component of the signal may have a deviation depending on the speed of rotation and/or the load of the polyphase electrical machine, so that the angular position of the rotor, determined from the intermodulation component of the signal, may deviate from the actual angular position. For this reason, it may be useful, for example, to correct the angle of the intermodulation component of the signal depending on the load, in particular the torque, and/or the rotational speed of the polyphase electrical machine, using an intermodulation correction value. The intermodulation correction value can be determined prior to applying the method, for example, by measurement on a machine or by calculation, and stored, for example, in a table or modeled with a mathematical function.
Кроме того, эксперименты показали, что угол составляющей насыщения сигнала также может показывать отклонение в зависимости от скорости вращения и/или нагрузки многофазной электрической машины. По этой причине может быть предусмотрено, чтобы угол составляющей насыщения сигнала корректировался в зависимости от нагрузки, в частности, крутящего момента, и/или скорости вращения многофазной электрической машины с использованием значения коррекции насыщения. Значение коррекции насыщения можно определить до применения способа, например, путем измерения на машине или путем вычислений, и сохранить, например, в таблице или смоделировать с помощью математической функции.In addition, experiments have shown that the angle of the saturation component of the signal can also show deviation depending on the rotation speed and/or load of the multi-phase electrical machine. For this reason, it can be provided that the angle of the saturation component of the signal is corrected depending on the load, in particular the torque, and/or the rotational speed of the multi-phase electric machine using the saturation correction value. The saturation correction value can be determined prior to applying the method, for example by measurement on a machine or by calculation, and stored, for example, in a table or modeled with a mathematical function.
В одном варианте осуществления изобретения можно предусмотреть, чтобы электрический сигнал, подаваемый на многофазную электрическую машину, имел сигнал возбуждения, который по существу не зависит от основной составляющей вращающегося поля многофазной электрической машины, временная основная частота которого предпочтительно по меньшей мере в пять раз выше, более предпочтительно по меньшей мере в десять раз выше, чем частота изменения во времени основных частот напряжения в фазных обмотках (U,V,W) для создания вращающегося поля многофазной электрической машины. Предпочтительно сигнал возбуждения представляет собой сигнал напряжения. В другом варианте осуществления изобретения основная частота сигнала возбуждения по меньшей мере в два раза превышает рабочую частоту скольжения асинхронной машины. Сигнал возбуждения может быть также сформирован из последовательности по существу прямоугольных импульсов напряжения (ступенчатых функций), которые могут быть сформированы как посредством отдельных операций переключения преобразователя, так и путем комбинации нескольких отдельных импульсов с временной ступенчатой формой и/или циклов различной продолжительности.In one embodiment of the invention, it can be provided that the electrical signal supplied to the polyphase electrical machine has a drive signal that is substantially independent of the fundamental component of the rotating field of the polyphase electrical machine, the temporal fundamental frequency of which is preferably at least five times higher, more preferably at least ten times higher than the frequency of change over time of the fundamental voltage frequencies in the phase windings (U,V,W) to create a rotating field of a multi-phase electrical machine. Preferably, the drive signal is a voltage signal. In another embodiment of the invention, the fundamental frequency of the drive signal is at least twice the operating slip frequency of the induction machine. The excitation signal can also be formed from a sequence of essentially rectangular voltage pulses (step functions), which can be generated both by separate switching operations of the converter, and by a combination of several individual pulses with a temporary step shape and/or cycles of different duration.
В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что сигнал электрического возбуждения является сигналом тока, и что характеристика многофазной электрической машины, в частности, напряжение многофазной электрической машины, оценивается для определения интермодуляционной составляющей сигнала.In one embodiment of the invention, it is provided that the electrical excitation signal is a current signal, and that the characteristic of the multi-phase electrical machine, in particular the voltage of the multi-phase electrical machine, is evaluated to determine the intermodulation component of the signal.
Вышеупомянутая задача также решена с помощью системы многофазной электрической машины по п.10. Трехфазная система содержит:The above problem is also solved with the multi-phase electric machine system according to
многофазную электрическую машину, в частности, асинхронную машину, содержащую ротор, статор и по меньшей мере две фазные обмотки;a polyphase electrical machine, in particular an asynchronous machine, comprising a rotor, a stator and at least two phase windings;
блок питания, в частности, преобразователь, который электрически соединен с многофазной электрической машиной, причем блок питания выполнен с возможностью подачи сигналов возбуждения, в частности, сигналов напряжения или сигналов тока по меньшей мере на одну фазную обмотку, предпочтительно на все фазные обмотки многофазной электрической машины;a power supply unit, in particular a converter, which is electrically connected to a multi-phase electric machine, the power supply unit being capable of supplying excitation signals, in particular voltage signals or current signals, to at least one phase winding, preferably to all phase windings of the multi-phase electric machine ;
по меньшей мере одно измерительное устройство, которое выполнено с возможностью измерения или определения временной формы отклика машины, в частности, формы сигнала тока или формы сигнала напряжения по меньшей мере в одной фазной обмотке, или в звене постоянного тока преобразователя, или в источнике питания для преобразователя или в источнике питании преобразователя на стороне машины,at least one measuring device, which is configured to measure or determine the time waveform of the response of the machine, in particular, the current waveform or the voltage waveform in at least one phase winding, or in the DC link of the converter, or in the power supply for the converter or in the inverter power supply on the machine side,
блок управления, который выполнен с возможностью управления многофазной электрической машиной на основе интермодуляционной составляющей сигнала, вызванной пазовыми эффектами и эффектами магнитного насыщения в многофазной электрической машине, причем эта интермодуляционная составляющая сигнала содержится по меньшей мере в одной измеренной форме сигнала тока, в частности, в скорости его изменения.a control unit which is configured to control the multi-phase electrical machine based on the intermodulation signal component caused by slot and magnetic saturation effects in the multi-phase electrical machine, this intermodulation signal component being contained in at least one measured current waveform, in particular in the speed his changes.
Многофазная электрическая машина выполнена с возможностью выполнения способа, описанного выше. Для получения информации о преимуществах, технических эффектах и других характеристиках следует обращаться к описанному выше способу. Блок питания может формировать сигналы возбуждения посредством операций переключения. Для этой цели блок питания может содержать множество электрических переключателей, например полупроводниковые переключатели. Измерительное устройство может содержать по меньшей мере один датчик измерения тока или напряжения. Предпочтительно, измерительное устройство можно использовать для определения формы сигнала тока на всех фазах многофазной электрической машины. Для этого в каждой фазной обмотке многофазной электрической машины может быть предусмотрен датчик измерения тока. Для m-фазных обмоток может быть также предусмотрен датчик измерения тока только в m-1 фазных обмотках, и ток m-й фазной обмотки может быть вычислен с использованием правила узлов.The polyphase electric machine is configured to perform the method described above. For information about the advantages, technical effects and other characteristics, you should refer to the method described above. The power supply can generate drive signals through switching operations. For this purpose, the power supply may comprise a plurality of electrical switches, such as semiconductor switches. The measuring device may comprise at least one current or voltage measuring sensor. Preferably, the measuring device can be used to determine the waveform of the current on all phases of a multi-phase electrical machine. To do this, each phase winding of a multi-phase electrical machine can be provided with a current measurement sensor. For m-phase windings, a current measurement sensor in only m-1 phase windings can also be provided, and the current of the m-th phase winding can be calculated using the node rule.
Фазные токи многофазной электрической машины могут быть также определены или рассчитаны путем измерения в звене постоянного тока преобразователя, в источнике питания преобразователя или на входе преобразователя на стороне машины.The phase currents of a multi-phase electrical machine can also be determined or calculated by measuring in the converter DC link, in the converter power supply, or at the converter input on the machine side.
Например, блок управления может быть автономным блоком или частью другого блока, в частности, микропроцессором. Блок управления может быть встроен в преобразователь. Фазные обмотки многофазной электрической машины образуют катушки или соединены с катушками, которые могут создавать магнитный поток в воздушном зазоре между ротором и статором многофазной электрической машины.For example, the control unit may be a stand-alone unit or part of another unit, such as a microprocessor. The control unit can be built into the converter. The phase windings of a polyphase electrical machine form coils or are connected to coils that can create a magnetic flux in the air gap between the rotor and stator of the polyphase electrical machine.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Далее изобретение описывается со ссылкой на фигуры, которые не предназначены для его ограничения.The invention will now be described with reference to the figures, which are not intended to limit it.
На фиг.1 показан схематичный вид системы многофазной электрической машины с преобразователем и многофазной электрической машиной;Figure 1 shows a schematic view of the system of a multi-phase electrical machine with a converter and a multi-phase electrical machine;
на фиг.2 показана асинхронная машина в поперечном сечении;figure 2 shows an asynchronous machine in cross section;
на фиг.3A показан схематичный вид примерного сигнала возбуждения;3A is a schematic view of an exemplary drive signal;
на фиг.3B показаны схематичные формы сигнала тока в отклике на сигнал возбуждения согласно фиг.3A (в различных положениях ротора);FIG. 3B shows schematic current waveforms in response to the drive signal of FIG. 3A (at various rotor positions);
на фиг.4A показан объединенный сигнал во временной области, который был сформирован из комбинации форм сигналов тока всех фазных обмоток многофазной электрической машины;4A shows the combined time domain signal that was generated from the combination of the current waveforms of all phase windings of a polyphase electrical machine;
на фиг.4B показан объединенный сигнал фиг.4A в частотной области;Fig. 4B shows the combined signal of Fig. 4A in the frequency domain;
на фиг.5 показана действительная составляющая объединенного сигнала;figure 5 shows the real component of the combined signal;
на фиг.6 показана действительная составляющая интермодуляционной составляющей сигнала;Fig. 6 shows the actual component of the intermodulation component of the signal;
на фиг.7A-D показаны разные формы сигналов многофазной электрической машины в разных рабочих состояниях многофазной электрической машины;7A-D show different waveforms of the polyphase electrical machine in different operating states of the polyphase electrical machine;
на фиг.8A-C показаны формы кривой значений коррекции;8A-C show curve shapes of correction values;
на фиг.9 показана блок-схема в качестве примера реализации изобретения; иfigure 9 shows a block diagram as an example of the invention; and
на фиг.10A-C показаны сигналы возбуждения и результирующие формы кривой тока.10A-C show the drive signals and the resulting current waveforms.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Далее, способ согласно изобретению поясняется более подробно на основе применения к асинхронной машине.Next, the method according to the invention is explained in more detail on the basis of an application to an asynchronous machine.
На фиг.1 показан схематичный вид системы 1 многофазной электрической машины с многофазной электрической машиной 3, спроектированной как асинхронная машина 2, приводимой в действие преобразователем 4, который имеет множество электронных переключателей (не показаны), например полупроводниковые переключатели. Преобразователь 4 выполнен с возможностью вывода напряжений с заданными частотами, амплитудами и (нулевыми) фазными углами на выходе 6 посредством соответствующих операций переключения. Выход 6 преобразователя 4 подключен к фазным обмоткам U, V, W многофазной электрической машины 2. За счет вырабатываемых преобразователем 4 напряжений в воздушном зазоре индукционной машины 2 между ротором 21 и статором 20 (смотри фиг.2) создается вращающееся магнитное поле, которое индуцирует напряжения в роторе 21 асинхронной машины 2 и приводит ротор во вращение за счет возникающих в результате токов ротора.Figure 1 shows a schematic view of a multi-phase
На фиг.1 схематично показана асинхронная машина 2 в виде принципиальной схемы. Асинхронная машина 2 имеет три фазные обмотки U, V, W с сопротивлениями фазных обмоток RU, RV, RW и индуктивностями фазных обмоток LU, LV, LW, соответственно. Напряжения EU, EV, EW обозначают напряжения (противо-ЭДС), индуцированные в статоре 20 многофазной электрической машины 2. Токи IU, IV, IW, протекающие в фазных обмотках U, V, W, могут быть измерены или определены с использованием токоизмерительных датчики 7a и/или 7b измерительного устройства 8a или 8b, соответственно. Фазные токи можно также определить с помощью токоизмерительных датчиков 7b, например, на основе тока, протекающего в преобразователе 4. Вполне возможно, что токоизмерительный датчик 7a предусмотрен в каждой фазной обмотке U, V, W. Токоизмерительные датчики 7a или 7b могут быть интегрированы в преобразователь 4 или могут быть независимыми элементами. С помощью токоизмерительных датчиков 7a и/или 7b можно определить временные формы токов iU(t), iV(t), iW(t) токов IU, IV, IW в фазных обмотках U, V, W.Figure 1 schematically shows the
На фиг.2 схематично показана асинхронная машина 2 без обмоток в поперечном сечении со статором 20, ротором 21 и пазом 23 на роторе 21 и статоре 20. Для иллюстрации указано угловое положение θmech(t) ротора 21.Figure 2 schematically shows an
Как упомянуто выше, асинхронная машина 2 имеет асимметрию, которая может изменяться в зависимости от времени и положения, что позволяет получать информацию об угловом положении θmech(t) и/или скорости вращения ротора 21. Примером такой асимметрии является наличие пазов (зубчатость) 23 ротора 21 и/или статора 20. Другим примером асимметрии является насыщение путей магнитного потока в асинхронной машине 2. Обе асимметрии вызывают временные и пространственные изменения индуктивности при работе асинхронной машины 2, которые можно определить путем оценки форм тока iU(t), iV(t), iW(t). Например, в сильно упрощенной модели для иллюстрации асимметрии можно предположить, например, что каждая из индуктивностей трех фазных обмоток LU, LV, LW в фазных обмотках U, V, W имеет среднее значение L0 и, в зависимости от механического углового положения θmech(t) ротора 21, отклоняется от этого среднего значения L0 синусоидально (с амплитудой LM):As mentioned above, the
Таким образом, изменение углового положения θmech(t) ротора 21 также приводит к изменению индуктивностей LU, LV, LW. Поэтому составляющие переменной индуктивности могут также называться модулированными индуктивностями. Изменения индуктивностей LU, LV, LW могут быть вызваны, например, пазом 23 ротора 21 или статора 20 и/или магнитным насыщением дорожек из магнитного железа в многофазной электрической машине 3.Thus, a change in the angular position θ mech (t) of the
Определение углового положения θmech(t) ротора 21 для асинхронных машин 2 до сих пор представляло собой серьезную проблему, так как асинхронные машины 2, в частности, по сравнению с большинством синхронных машин 2, имеют значительно меньшую асимметрию и, следовательно, значительно меньшие колебания индуктивности при работе. Determining the angular position θ mech (t) of the
Для определения изменений индуктивности электрические сигналы, предпочтительно сигналы напряжения UU(t), UV(t), UW(t), подаются на фазные обмотки U, V, W асинхронной машины 2 и результирующие формы тока iU(t), iV(t), iW(t) измеряются с помощью датчиков тока 7. Напряжения или импульсы напряжения, подаваемые преобразователем 4 для работы асинхронной машины 2, могут использоваться в качестве сигналов напряжения UU(t), UV(t), UW(t). Электрические сигналы могут содержать сигналы 9 возбуждения для определения рабочего состояния многофазной электрической машины 3. Сигналы 9 возбуждения могут быть по существу независимыми от создания вращающегося поля многофазной электрической машины 3. В данном случае можно использовать сигналы 9 возбуждения, которые прикладываются между напряжениями (импульсами), формируемыми преобразователем 4 для создания вращающегося поля, или наложенными на них. Также можно использовать формы напряжения с частотами выше, чем та, которая используется для выработки основной составляющей вращающегося поля.To determine changes in inductance, electrical signals, preferably voltage signals U U (t), U V (t), U W (t), are applied to the phase windings U, V, W of the
На фиг.10A-C показаны подача примерного сигнала 9 возбуждения и результирующие формы тока iU(t), iV(t), iW(t) в фазных обмотках U, V, W многофазной электрической машины 3. Любыми омическими сопротивлениями здесь можно пренебречь. На фиг.10A-C показаны два положения переключателя преобразователя 4, с помощью которых может быть сформирован прямоугольный сигнал 9 возбуждения с положительным напряжением +U и отрицательным напряжением -U (амплитуда постоянного напряжения). Если подается такой сигнал 9 возбуждения, который показан в зависимости от времени t на верхнем частичном изображении фиг.10A, как показано на фиг.10B, соответствующее увеличение токов diU/dt, diV/dt, diW/dt получается в виде форм тока iU(t), iV(t), iW(t). На фиг.10B показаны формы тока iU(t), iV(t), iW(t) и наклоны тока diU/dt, diV/dt, diW/dt каждой фазной обмотки U, V, W. Электрические эквивалентные схемы многофазной электрической машины 2 с приложенными напряжениями +U и -U сигнала 9 возбуждения показаны на двух нижних изображениях фиг.10A. Если подается сигнал 9 возбуждения, с положительным напряжением +U (с условным обозначением электрического знака в соответствии с фиг.1) в фазной обмотке U сначала возникает положительный наклон тока diU/dt (и, таким образом, положительное падение напряжения на индуктивности LU фазной обмотки) и отрицательный наклон тока diV/dt или diW/dt в каждой из фазных обмоток V и W (и, таким образом, отрицательное падение напряжения на индуктивностях LV и LW фазных обмоток). При отрицательном напряжении -U сигнала 9 возбуждения дело обстоит наоборот.10A-C show the supply of an
По причине различных индуктивностей фазных обмоток LU, LV, LW из-за асимметрии в многофазной электрической машине 3 получается дополнительное отклонение наклонов тока diU/dt, diV/dt, diW/dt. Это дополнительное отклонение не показано на фиг.10B, но его можно увидеть на фиг.3B.Due to the different inductances of the phase windings L U , L V , L W due to the asymmetry in the multi-phase
В одном варианте осуществления прямоугольные сигналы 9 возбуждения, такие как те, что показаны на фиг.3A, подаются на фазные обмотки U, V, W асинхронной машины 2 для определения индуктивности. На фиг.3A показан сигнал 9 возбуждения в нормированной форме. В результате такого сигнала 9 возбуждения, который может подаваться, например, между импульсами напряжения, подаваемыми для создания вращающегося поля в асинхронной машине 2, наклон тока diU/dt, diV/dt, diW/dt возникает в фазных обмотках U, V, W из-за взаимосвязи, показанной в уравнении (2). В данном случае любым омическим сопротивлением можно пренебречь.In one embodiment, square wave drive signals 9, such as those shown in FIG. 3A, are applied to the phase windings U, V, W of the
В качестве примера на фиг.3В показаны три разных наклона diU/dt фазного тока IU в фазной обмотке U в разное время и, таким образом, для разных индуктивностей LU фазной обмотки из-за асимметрии многофазной электрической машины 3 (сравни уравнение 6A-6C). Аналогичные иллюстрации также применимы к остальным фазным обмоткам V и W. Иллюстрации, показанные на фигурах, были упрощены и предназначены для схематичной иллюстрации принципа определения индуктивности. Изменение форм тока iU(t), iV(t), iW(t) во времени позволяет получить информацию об изменении индуктивностей LU, LV, LW.As an example, FIG. 3B shows three different slopes di U /dt of the phase current I U in the phase winding U at different times and thus for different inductances L U of the phase winding due to the asymmetry of the polyphase electrical machine 3 (compare Equation 6A -6C). Similar illustrations also apply to the remaining phase windings V and W. The illustrations shown in the figures have been simplified and are intended to schematically illustrate the principle of determining the inductance. Changing the current forms i U (t), i V (t), i W (t) in time allows you to get information about the change in inductances L U , L V , L W .
Наклоны токов diU/dt, diV/dt, diW/dt в фазных обмотках U, V и W, определяемые предпочтительно через равные промежутки времени, затем могут быть объединены с использованием математического уравнения в объединенный сигнал ϑSaliency. Однако, в частности, в случае синусоидальных сигналов 9 возбуждения, могут быть также использованы и объединены значения токов, то есть амплитуды, или среднеквадратичные значения, или мгновенные значения токов IU, IV, IW. Предпочтительно математическое уравнение для вычисления пространственного вектора используется, например, для объединения форм токов,The slopes of the currents diU/dt, diV/dt, diW/dt in the phase windings U, V and W, determined preferably at regular intervals, can then be combined using a mathematical equation into a combined signal ϑ Saliency . However, in particular in the case of sinusoidal excitation signals 9, current values, ie amplitudes or RMS values or instantaneous current values I U , I V , I W , can also be used and combined. Preferably, a mathematical equation for calculating the space vector is used, for example, to combine the shapes of the currents,
Объединенный сигнал ϑSaliency может быть также назван "сигналом значимости". Когда сигнал ϑSaliency вычисляется как пространственный вектор, ϑSaliency представляет собой тензор.The combined ϑ Saliency signal can also be called a "significance signal". When the ϑ Saliency signal is computed as a spatial vector, ϑ Saliency is a tensor.
На фиг.4А показан след тензора ϑSaliency, где как по оси абсцисс, так по и оси ординат отложена амплитуда в амперах/сек. Абсцисса представляет собой действительную часть, и ордината – мнимую часть сигнала ϑSaliency.On figa shows the trace of the tensor ϑ Saliency , where both the abscissa and the ordinate axis plotted amplitude in amperes/sec. The abscissa is the real part and the ordinate is the imaginary part of the signal ϑ Saliency .
На фиг.4B показан сигнал ϑSaliency, показанный на фиг.4А в частотной области, где по оси абсцисс отложены гармоники Nharmonisch сигнала. Как можно видеть на фиг.4В, ϑSaliency содержит три отдельных составляющих сигнала. Первая заметная составляющая сигнала образуется пазовой составляющей ϑslot сигнала, которая относится к пазам 23 ротора 21 и статора 20 многофазной электрической машины 3. Вторая заметная составляющая сигнала формируется составляющей ϑsat насыщения, что связано с магнитным насыщением путей магнитного потока в многофазной электрической машине 3. Третья важная составляющая сигнала формируется интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала, которая относится к физической взаимосвязи пазовой составляющей ϑslot сигнала и составляющей ϑsat насыщения сигнала. Пазовая составляющая ϑslot сигнала, составляющая ϑsat насыщения сигнала и интермодуляционная составляющая ϑinter сигнала имеют разные основные частоты.FIG. 4B shows the signal ϑ Saliency shown in FIG. 4A in the frequency domain, with the N harmonics of the signal plotted along the x-axis. As can be seen in FIG. 4B, ϑ Saliency contains three distinct signal components. The first noticeable component of the signal is formed by the slot component ϑ slot of the signal, which refers to the
В известном уровне техники при бессенсорном управлении, в котором используется информация о пазе, интермодуляционная составляющая ϑinter сигнала и составляющая ϑsat насыщения сигнала были предварительно удалены как помеховые сигналы, и пазовая составляющая ϑslot сигнала использовалась для определения углового положения и/или скорости вращения ротора. Однако, как можно увидеть на фиг.4B, в данном случае пазовая составляющая ϑslot сигнала относительно мала по сравнению с другими составляющими сигнала. В связи с этим возможны затруднения при определении и извлечении пазовой составляющей ϑslot сигнала, в частности, при более высоких нагрузках многофазной электрической машины 3. На фиг.4В пазовая составляющая ϑslot сигнала уже имеет приблизительно один и тот же порядок величины высших гармоник как и составляющая ϑsat насыщения.In the prior art, in sensorless control using slot information, the intermodulation component ϑ inter of the signal and the saturation component ϑ sat of the signal were previously removed as interference signals, and the slot component ϑ slot of the signal was used to determine the angular position and/or speed of rotation of the rotor . However, as can be seen in FIG. 4B, in this case the slot component ϑ slot of the signal is relatively small compared to other signal components. In this regard, there may be difficulties in determining and extracting the slot component ϑ slot of the signal, in particular, at higher loads of the multi-phase
Таким образом, согласно изобретению, не предлагается использовать пазовую составляющую ϑslot сигнала непосредственно для управления многофазной электрической машиной 3, а использовать интермодуляционную составляющую ϑinter сигнала и в нее косвенно включенную информацию о пазе или угле ротора для управления электрической многофазной электрической машиной 2. Согласно изобретению способ может быть реализован в блоке 12 управления (смотри фиг.1). Интермодуляционная составляющая ϑinter сигнала является доминирующей составляющей в сигнале ϑSaliency в широком диапазоне скоростей вращения и поэтому может быть легко идентифицирована. Изобретение основано на обнаружении того факта, что существует зависимость между основной частотой интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала и основной частотой пазовой составляющей ϑslot сигнала, что позволяет получить информацию об угловом положении и/или скорости вращения ротора 21. Зависимость может быть описана с помощью уравнения (1)Thus, according to the invention, it is not proposed to use the slot component ϑ slot of the signal directly to control the multi-phase
где ωinter – основная частота интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала, ωsat – основная частота составляющей ϑsat насыщения, и ωslot – основная частота пазовой составляющей ϑslot сигнала. Знак ωsat зависит от конструкции и дизайна многофазной электрической машины 3.where ω inter is the fundamental frequency of the intermodulation component ϑ inter of the signal, ω sat is the fundamental frequency of the saturation component ϑ sat , and ω slot is the fundamental frequency of the slot component ϑ slot of the signal. The sign of ω sat depends on the construction and design of the polyphase
Чтобы определить угловое положение ротора, которое может использоваться для управления многофазной электрической машиной 2, составляющую ϑinter интермодуляционного сигнала отделяют от других составляющих сигнала, то есть по существу изолируют, например, путем фильтрации или оценки нежелательных составляющих сигналов и вычитания. Угол θinter(t) определяется из сигнала ϑinter, в частности, из его основной частоты. Угол может быть фазным углом, который изменяется со временем. Это может быть выполнено, например, с помощью системы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты). Кроме того, угол, в частности, фазный угол θsat(t) составляющей θsat насыщения, определяется, в частности, из его основной частоты. Два угла θsat(t) и θinter(t) объединяются, например, с помощью уравненияIn order to determine the angular position of the rotor, which can be used to control the polyphase
чтобы получить расчетный угол θslot(t) паза. В настоящем раскрытии θ используется для обозначения углов, и ϑ представляет сигналы или составляющие сигналов. Угол θslot(t) паза, определяемый с помощью уравнения (5), является по существу вычисленным углом пазовой составляющей ϑslot сигнала. Разделив угол θslot(t) паза на количество N пазов ротора, можно определить механическое угловое положение θmech(t) ротора 21 из θslot(t). θmech(t) может впоследствии использоваться, например, для управления многофазной электрической машиной 3. Например, θmech(t) может использоваться для представления электрических переменных в системе координат, связанной с ротором, или для управления угловым положением (управления угловым положением) и/или скоростью вращения (управления скоростью) ротора.to get the design angle θ slot (t) of the slot. In the present disclosure, θ is used to denote angles, and ϑ represents signals or signal components. The slot angle θ slot (t) given by equation (5) is essentially the calculated slot angle ϑ slot of the signal. By dividing the slot angle θ slot (t) by the number N of rotor slots, the mechanical angular position θ mech (t) of the
На фиг.5 показана временная форма действительной составляющей объединенного токового сигнала ϑSaliency в секундах. Этот сигнал содержит пазовую составляющую ϑslot сигнала, составляющую ϑsat насыщения и интермодуляционную составляющую ϑinter сигнала.Figure 5 shows the time form of the real component of the combined current signal ϑ Saliency in seconds. This signal contains the slot component ϑ slot of the signal, the saturation component ϑ sat and the intermodulation component ϑ inter of the signal.
На фиг.6 показана временная форма сигнала действительной части интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала, в секундах, где были устранены пазовая составляющая ϑslot сигнала, составляющая ϑsat насыщения. Однако показанный сигнал по-прежнему содержит свои собственные гармоники и гармоники других составляющих сигналов.Figure 6 shows the time waveform of the real part of the intermodulation component ϑ inter of the signal, in seconds, where the slot component ϑ slot of the signal, the saturation component ϑ sat , has been eliminated. However, the signal shown still contains its own harmonics and the harmonics of other component signals.
На фиг.7A-D показаны формы сигналов для различных рабочих состояний асинхронной машины 2 в разные моменты времени. Время t в секундах отложено по оси абсцисс на всех фиг.7A-D. На фиг.7А показаны действительная часть 10 и мнимая часть 11 интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала. На фиг.7B показана механическая скорость ωmech вращения ротора 21 в оборотах в минуту (об/мин) в зависимости от времени. На фиг.7С показан крутящий момент, создаваемый многофазной электрической машиной 3, по отношению к номинальному крутящему моменту в зависимости от времени. На фиг.7D показано угловое отклонение θdev между механическим угловым положением θmech(t) ротора, определенным с помощью способа согласно изобретению, и механическим угловым положением в градусах, определенным с помощью датчика угла поворота. На фиг.7D очевидно, что способ согласно изобретению, можно использовать для определения механических угловых положений θmech(t) ротора, которые имеют отклонение от фактического (измеренного) механического углового положения менее чем на 1°.On figa-D shows the waveforms for various operating states of the
Эксперименты показали, что точность способа согласно изобретению можно дополнительно увеличить за счет учета зависимостей угла θinter(t) интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала и угла θsat(t) составляющей ϑsat насыщения на скорости вращения и/или нагрузке многофазной электрической машины 3. Было показано, что угол θinter(t) интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала и угол θsat(t) составляющей ϑsat насыщения могут иметь отклонения в зависимости от нагрузки, в частности, от крутящего момента M многофазной электрической машины 3. Таким образом, в одном варианте осуществления может быть предусмотрено, чтобы угол θinter(t) интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала корректировался в зависимости от нагрузки многофазной электрической машины 3, в частности, от крутящего момента М, с помощью значения θinter_corr интермодуляционной коррекции. Зависимость θinter_corr от крутящего момента M (в % относительно номинального крутящего момента) многофазной электрической машины 3 показана на фиг.8A.Experiments have shown that the accuracy of the method according to the invention can be further increased by taking into account the dependencies of the angle θ inter (t) of the intermodulation component ϑ inter of the signal and the angle θ sat (t) of the saturation component ϑ sat at the rotation speed and/or load of the multi-phase
Может быть также предусмотрено, что угол θsat(t) составляющей ϑsat насыщения корректируется в зависимости от нагрузки и скорости вращения многофазной электрической машины 3, в частности, крутящего момента M, посредством значения θsat_corr коррекции насыщения. Зависимость θsat_corr от крутящего момента M (в % относительно номинального крутящего момента) многофазной электрической машины 3 показана на фиг.8B.It can also be provided that the angle θ sat (t) of the saturation component ϑ sat is corrected depending on the load and rotational speed of the polyphase
Угол θinter интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала может зависеть также от скорости вращения многофазной электрической машины 3 (см. фиг.8C). Эта зависимость может быть также принята во внимание посредством значения θinter_corr интермодуляционной коррекции в дополнение к зависимости крутящего момента или в качестве альтернативы ей.The angle θ inter of the intermodulation component ϑ inter of the signal may also depend on the rotation speed of the polyphase electrical machine 3 (see FIG. 8C). This dependency can also be taken into account by means of an intermodulation correction value θ inter_corr in addition to or alternatively to the torque dependency.
На фиг.9 показано схематичное представление возможной реализации способа согласно изобретению. В показанном примерном варианте осуществления используемыми входными переменными являются интермодуляционная составляющая ϑinter сигнала, электрический угол θele(t), крутящий момент М и механическая угловая скорость ωmech. θele(t) представляет собой угол основной составляющей тока статора и может быть определен из измеренных фазных токов IU, IV, IW, например, в виде пространственных векторов. ωmech можно определить из интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала. Умножая электрический угол θele(t), предпочтительно на коэффициент 2, можно получить угол θsat(t) составляющей ϑsat насыщения, который может быть скорректирован посредством предварительно определенного значения коррекции насыщения θsat_corr. С помощью блока обработки сигнала с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), угол θinter(t) интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала может быть получен из интермодуляционной составляющей ϑinter сигнала и скорректирован с помощью значения интермодуляционной коррекции θinter_corr. Объединяя два угла θinter(t) и θsat(t), в частности, используя уравнение (5), можно вычислить пазовый угол θslot(t). Пазовый угол θslot(t) вычисляется в блоке UNWRAP для получения когерентного углового пути (развернутая фаза), и затем делится на количество пазов N ротора для получения механического углового положения θmech(t) ротора. Затем механическое угловое положение может быть снова преобразовано обратно в блоке WRAP, так что θmech(t) будет представлен в угловом интервале, в частности, между [-180°; 180°] или [0°; 360°] (свернутая фаза). θmech(t) может затем использоваться для управления многофазной электрической машиной 3.Figure 9 shows a schematic representation of a possible implementation of the method according to the invention. In the exemplary embodiment shown, the input variables used are the intermodulation component ϑ inter of the signal, the electrical angle θ ele (t), the torque M, and the mechanical angular velocity ω mech . θ ele (t) represents the angle of the fundamental component of the stator current and can be determined from the measured phase currents I U , I V , I W , for example, in the form of space vectors. ω mech can be determined from the intermodulation component ϑ inter of the signal. By multiplying the electrical angle θ ele (t), preferably by a factor of 2, the angle θ sat (t) of the saturation component ϑ sat can be obtained, which can be corrected by a predetermined saturation correction value θ sat_corr . With a phase-locked loop (PLL) signal processing unit, the angle θ inter (t) of the intermodulation component ϑ inter of the signal can be obtained from the intermodulation component ϑ inter of the signal and corrected with the intermodulation correction value θ inter_corr . By combining the two angles θ inter (t) and θ sat (t), in particular using equation (5), the slot angle θ slot (t) can be calculated. The slot angle θ slot (t) is calculated in the UNWRAP block to obtain the coherent angular path (revolved phase), and then divided by the number of slots N of the rotor to obtain the mechanical angular position θ mech (t) of the rotor. The mechanical angular position can then be converted back again in the WRAP block so that θ mech (t) will be represented in the angular interval, in particular between [-180°; 180°] or [0°; 360°] (folded phase). θ mech (t) can then be used to control the polyphase
Claims (21)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20181490.2 | 2020-06-22 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773000C1 true RU2773000C1 (en) | 2022-05-30 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61231615A (en) * | 1985-04-08 | 1986-10-15 | S P Planning:Kk | Power controller |
| EP0228535A1 (en) * | 1985-12-04 | 1987-07-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device to determine the flux angle of an induction machine i.e. to operate the machine according to position |
| WO1992019038A1 (en) * | 1991-04-11 | 1992-10-29 | Elin Energieanwendung Gesellschaft M.B.H. | Process and circuits for determining machine-related electromagnetic and mechanical state variables on electrodynamic induction machines supplied via converters |
| WO2009126288A2 (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-15 | Tesla Motors, Inc. | Weighted field oriented motor control |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61231615A (en) * | 1985-04-08 | 1986-10-15 | S P Planning:Kk | Power controller |
| EP0228535A1 (en) * | 1985-12-04 | 1987-07-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device to determine the flux angle of an induction machine i.e. to operate the machine according to position |
| WO1992019038A1 (en) * | 1991-04-11 | 1992-10-29 | Elin Energieanwendung Gesellschaft M.B.H. | Process and circuits for determining machine-related electromagnetic and mechanical state variables on electrodynamic induction machines supplied via converters |
| WO2009126288A2 (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-15 | Tesla Motors, Inc. | Weighted field oriented motor control |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Acarnley et al. | Review of position-sensorless operation of brushless permanent-magnet machines | |
| US9784772B2 (en) | Sensorless rotor angle detection circuit and method for a permanent magnet synchronous machine | |
| Briz et al. | Comparison of saliency-based sensorless control techniques for AC machines | |
| Boussak | Implementation and experimental investigation of sensorless speed control with initial rotor position estimation for interior permanent magnet synchronous motor drive | |
| Degner et al. | Using multiple saliencies for the estimation of flux, position, and velocity in AC machines | |
| Consoli et al. | A new zero-frequency flux-position detection approach for direct-field-oriented-control drives | |
| Yang | Online turn fault detection of interior permanent-magnet machines using the pulsating-type voltage injection | |
| JP2015186444A (en) | Method for determining position of rotor of polyphase motor | |
| JP2004514392A (en) | Encoderless operation method and encoderless operation device for elevator permanent magnet synchronous motor | |
| Pulvirenti et al. | On-line stator resistance and permanent magnet flux linkage identification on open-end winding PMSM drives | |
| WO2001073938A1 (en) | System and method for inductance based position encoding for sensorless srm drives | |
| Consoli et al. | Slip-frequency detection for indirect field-oriented control drives | |
| Musak et al. | Novel methods for parameters investigation of PM synchronous motors | |
| Schrodl et al. | Sensorless control of PM synchronous motors using a predictive current controller with integrated INFORM and EMF evaluation | |
| Mantala | Sensorless control of brushless permanent magnet motors | |
| RU2773000C1 (en) | Method for regulating a multiphase electric machine and a system of a multiphase electric machine for such a method | |
| Bonanno et al. | An innovative direct self-control scheme for induction motor drives | |
| Consoli et al. | A new zero frequency flux position detection approach for direct field oriented control drives | |
| EP2757683A1 (en) | Determining inductances in synchronous machines | |
| US11594989B2 (en) | Method for regulating an electric rotary current machine, and rotary current machine system for such a method | |
| JP2002272195A (en) | Synchronous motor control device | |
| JP2009526512A (en) | Method and apparatus for determining torque of power equipment | |
| Tan et al. | Sensorless control of PMSM machine based on improved PLL structure eliminating integral drift of third harmonic back-EMF | |
| Aime et al. | The effects of saturation induced saliency movement on flux angle estimation | |
| Saltiveri et al. | Sensorless control of surface mounted permanent magnet synchronous motors using matrix converters |