磁通量估算的制作方法

1.本发明涉及一种使用变速驱动器控制同步电机的方法，以及用于实施所述方法的变速驱动器。


背景技术：

2.在包括永磁体的同步电动机的常规变速驱动器中，特别是包括在同步电机的转子中以产生磁通量的永磁体，控制法则由处理单元执行并接收输入参考。作为这样的输入参考和电机上的值的测量的函数，处理单元确定要施加到电动机的电压参考。根据该电压参考，处理单元确定要施加于连接到电机的每个输出相的控制电压。这些电压使用电子电源架构施加到电机上。
3.作为一般规则，控制法则考虑了永磁体的磁通量。这种磁通量可以由同步电机的制造商提供。这种磁通量可以作为控制法则的元素而输入。有时，磁通量是未知的，例如在旧电机的情况下。然而，所提供的磁通量值可能与相关的特定永磁体的有效磁通量值不精确对应，或者可能在控制法则中被错误地输入，例如使用不正确的单位。使用考虑了与有效磁通量不对应的磁通量的控制法则来控制同步电机会严重影响电机性能，甚至会阻止同步电机运行。
4.因此，本发明的目的是提出一种使用变速驱动器控制同步电机的方法，该电机包括产生磁通量的永磁转子，该方法允许避免由于磁通量值的缺乏精度或错误而引入的问题。


技术实现要素：

5.本发明由所附的独立权利要求限定。此处公开的概念的附加特征和优点在以下说明书中阐述。
6.本公开描述了一种使用变速驱动器控制同步电机的方法，该电机包括产生磁通量的永磁转子，该方法包括：
7.向电机施加预定义的电指令信号；
8.响应于预定义的电指令信号的施加来估算电机速度；
9.达到期望的估算的电机速度；
10.响应于达到期望的估算的电机速度，估算与永磁转子的磁通量相关的参数；以及
11.记录估算的参数。
12.这种方法允许记录与永磁转子的磁通量有关的估算参数，从而允许比使用可能不准确的永磁转子的磁通量值更精确地操作电机，或者确定这种磁通量不对应于期望值。
13.可选地，电机速度的估算包括监控电机电流。电机电流确实会反映电机的有效转速。
14.可选地，预定义的电指令信号是预定义的电压信号。在稳定模式下运行时，使用预定义的电压信号确实允许将电机与指令同步。
15.可选地，该参数为永磁转子的磁通量。这允许直接估算电机的永磁转子的磁通量。
16.可选地，通过迭代地适配预定义的电指令信号的值来达到期望的估算的电机速度。通过进行预定义的电指令信号的迭代允许逐渐达到电机的稳定操作模式。
17.可选地，估算与永磁转子的磁通量相关的参数是通过迭代地适配参数值而得到的。迭代进行允许实验地推导出估算的参数的值。
18.可选地，期望的估算的电机速度在参考速度范围内或高于参考速度阈值。使用这种期望的估算的电机速度允许检测电机以稳定模式运行。
19.可选地，达到期望的电机速度包括将估算的电机速度与期望的电机速度进行比较。使用这种期望的估算的电机速度允许检测电机按预期运行。
20.可选地，当达到期望的电机速度包括将估算的电机速度与期望的电机速度进行比较时，当估算的电机速度和期望的电机速度之差开始减小或小于速度差阈值时达到期望的电机速度。使用这种趋势变化作为触发允许通过精确地检测电机何时赶上指令而进入稳定操作模式，而在进行根据本说明书的方法中节省时间。
21.可选地，估算的参数在参考参数范围内。这允许在估算这样的估算参数时引入期望的精确度，从而避免不必要地延长获得这样的估算的时间。
22.可选地，预定义的电指令信号具有预定义的幅度和频率曲线。可以选择这种预定义的幅度和频率曲线以增加电机快速达到稳定操作模式的可能性。
23.可选地，该方法包括考虑记录的估算参数以驱动同步电机。这允许利用根据本公开的方法来驱动同步电机，并且这样做是精确的。
24.可选地，该方法还包括基于估算的参数与预定范围的偏差提供磁通量状态诊断。识别这种偏差可以允许识别不希望的行为或情况。
25.本公开还描述了一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使处理器执行在此描述的任何方法。这种处理器可以例如是包括永磁转子的同步电机的变速驱动器的处理器。
26.本公开还描述了包括永磁转子的同步电机的变速驱动器，所述变速驱动器包括处理器和存储器，所述处理器被配置为根据在此描述的任何方法操作。从而，这种变速驱动器可以以更高的精度操作或控制电机。
附图说明
27.图1示出了示例方法。
28.图2示出了另一示例方法。
29.图3示出了又一示例方法。
30.图4示出了还一示例方法。
31.图5示出了额外一示例方法。
32.图6示出了附加的示例方法。
33.图7示出了示例变速驱动器。
34.图8示出了另一示例变速驱动器。
35.图9a-c示出了进一步的附加示例方法。
具体实施方式
36.本公开适用于使用变速驱动器控制同步电机。在本公开中，变速驱动器应被理解为用于电动机的电子、虚拟或软件实现的控制单元。在一些示例中，变速驱动器包括处理和控制单元，旨在通过考虑例如输入速度设定点、电机正常运行期间施加到电动机的电压以及施加到逆变器级的控制指令来实施控制法则，以获得这些输出电压。控制法则可以是向量或标量类型。变速驱动器可以包括在输入处的整流器级，这种整流器级旨在将由电网提供的交流电压转换成直流电压。变速驱动器还可以包括一方面连接到整流器级并且另一方面连接到逆变器级的直流电源总线。直流电源总线可以包括通过配置为稳定总线电压的至少一个总线电容器连接在一起的两条电源线。整流器可以是例如二极管桥的无源类型或基于受控晶体管的有源类型。逆变器级可以连接在直流电源总线的输出处，旨在切断总线以可变电压提供给电动机的电压；逆变器级包括例如多个开关臂，每个开关臂包括受控功率晶体管，例如igbt类型，用于将可变电压施加到电动机。例如，可以通过使用pwm(脉冲宽度调制)或矢量控制类型的传统技术来控制逆变器。由处理单元uc执行的控制法则使得可以确定要施加到旨在连接到要被控制的电机的输出相的电压。
37.根据本公开，同步电机由变速驱动器控制。同步电机应被理解为交流(ac)电机，其设计为以随着施加到电机定子的电源频率而变化的速度运行。启动同步电机可能具有挑战性，并且同步电机启动程序可以在同步电机的变速驱动器应用的控制法则中实施以启动。在根据本公开的同步电机中，电机速度由电机的永磁转子保持或获得，该转子倾向于以与施加到定子绕组的电源产生的磁场相同的速度旋转。换句话说，在稳定的运行状态下，转子以与定子产生的旋转磁场相同的速度旋转。在一些示例中，定子包括圆柱形框架，其具有位于定子的槽中的绕组，例如三相绕组。在稳定运行期间，当施加机械负载时，转子相对于定子的旋转场向后滑动若干度，产生扭矩并继续被该旋转场牵引。转子磁场与定子磁场之间的角度通常随着负载的增加而增加。根据本公开，通过使用一个或多个永磁体为同步电机的转子提供磁场，由此电机包括产生磁通量的永磁转子。除了一个或多个永磁体之外，转子还可包括一个或多个绕组，例如阻尼绕组。永磁体的使用可以消除或减少滑环和专用于产生转子磁场的外部电源的使用。虽然绕组产生的磁通量值可以作为施加到绕组的功率的函数进行估算，但由一个或多个永磁体产生的磁通量值是每个永磁体的函数，原则上不能以简单的方式进行估算。然而，这种磁通量值应该被考虑为旨在驱动电机的控制法则中的因子。在某些情况下，此类磁通量值由电机制造商提供，例如在显示电机特性的可见标牌上或在电机数据表上。电机的用户然后可以使用这种制造商提供的磁通量值作为用于操作电机的控制法则的因子。然而，用户可能会不准确地输入这样的值，例如使用不准确的磁通量单位。即使用户正确输入了该值，该值也可能不对应于相关特定电机的有效磁通量值，因为制造商可能例如提供多个相似但不同的电机的平均磁通量值。磁通量值也可能随时间变化，永磁体的材料受到外部影响，例如温度和外部磁场的影响，这可能会影响原始磁通量值并对其进行修改。这种不准确对控制电机具有负面影响。在此描述的方法减少或防止这种负面影响。
38.图1示出了根据本公开的示例方法100。如方框101中所示，方法100包括将预定义的电指令信号施加到电机。可以通过向电机的定子绕组施加对应的功率来施加预定义的电指令信号。在一些示例中，电机在进行方框101之前处于休止。预定义的电指令信号是预定
义的，因为电指令是由变速驱动器定义的。换句话说，这种预定义的电指令信号是变速驱动器的输出和电机的输入。在一些示例中，预定义的电指令信号是预定义的电压信号。在一些示例中，预定义的电指令信号是具有预定义频率和幅度的交流电信号。预定义的频率和幅度可以以预定义的方式随时间变化。预定义的电指令信号可以适于从休止位置启动电机。预定义的电指令信号可以是为转子提供的磁通量值的函数，例如由电机上的技术铭牌提供的磁通量值。在一些示例中，预定义的电指令信号是非固定的并且随时间变化。在一些示例中，预定义的电指令信号具有预定义的幅度和频率曲线。
39.如方框102中所示，方法100包括响应于预定义的电指令信号的施加而估算电机速度。估算的电机速度应理解为对由施加预定义的电指令信号产生的电机速度的估算。由于预定义的电指令信号可能随时间变化，因此估算的电机速度可能会变化。如上所述，从休止位置启动同步电机可能具有挑战性，因此在根据本公开的方法启动时估算的电机速度可能低于期望的电机速度，期望的电机速度对应于例如施加到定子绕组的电源的频率。可以使用多种不同的可能性来估算电机速度，包括例如使用放置在电机轴上的传感器或编码器。在一些示例中，使用速度观测器(例如简单速度观测器或位置观测器)从定子绕组处的电机电压和电流估算电机速度。在一些示例中，速度观测器考虑电机参数、电机电流和电机张力，以基于动态电机模型确定电机速度。在一些示例中，电机速度的估算包括将当前频率与预定义的电压信号的频率进行比较，由此预定义的电压信号的频率可以对应于期望的电机速度，并且当前频率对应于有效电机速度，例如由于电机从休止位置启动，这种电机速度会有所不同。
40.如方框103所示，方法100包括达到期望的估算的电机速度。完成方框103确保电机有效地运动和稳定运行，在负载的作用下，转子跟随定子产生的磁场。期望的估算的电机速度是非零电机速度。由于电机以这种非零速度运行，因此可以估算永磁转子的磁通量，电机产生反emf(电动势)，这将允许根据本公开估算磁通量。不希望受理论束缚，使用磁通量的精确值控制电机允许同步电机的稳定控制。事实上，当同步电机运行时，电机会产生与电机速度成比例并取决于永磁通量的反emf电压。变速驱动器可能会适配施加到电机的电压以考虑电机产生的反emf电压的水平，与反emf电压相比，变速驱动器施加的电压存在偏差，导致电机控制性能不佳，并可能导致电机控制稳定性丧失。根据本公开的方法，电机应当旋转以产生电压反emf，进而估算磁通量。如果电机没有运行，则不管施加的预定义的电指令信号如何，反emf电压都将为零，并且根据本方法可能无法估算永磁转子的磁通量。在一些示例中，达到期望的估算的电机速度是由于迭代地适配预定义的电指令信号的值的结果，例如，基于前一阶段的电机速度的估算，在较晚的阶段中适配预定义的电指令信号。在一些示例中，期望的估算的电机速度在参考速度范围内或高于参考速度阈值。在一些示例中，参考速度范围在参考速度的0.5％内。在一些示例中，参考速度对应于10hz和1000hz之间的特定速度。根据本公开，参考速度可以对应于通过预定义的电指令信号施加到定子绕组的电压的频率。期望的估算的电机速度可以接近参考速度而不等于这样的参考速度。目标是确保电机以稳定的方式启动和运行，即使有效电机角度与参考角度不完全对应，例如由于负载或对提供的磁通量值的失配。在一些示例中，达到期望的电机速度包括将估算的电机速度与期望的电机速度进行比较。在一些示例中，期望的电机速度等于参考速度并且对应于预定义的电指令信号的电压频率。在一些示例中，当估算的电机速度和期望的电机速度之间
的差开始减小或小于速度差阈值时，达到期望的电机速度。启动同步电机时，电机休止时有效电机速度为零。预定义的电指令信号也可以从零频率开始，并且随着时间逐渐增加电压频率。在一些示例中，对应于估算的电机速度的有效电机速度与对应于例如预定义的电指令信号的电压频率的期望电机速度之间的差将在第一阶段逐渐增加，并在第二阶段逐渐减小，第一相和第二相之间的拐点对应于稳定运行的开始，转子开始赶上定子产生的磁场。该拐点是可以开始估算永磁转子的磁通量的点。
41.如方框104所示，方法100包括响应于达到期望的估算的电机速度，估算与永磁转子的磁通量相关的参数。如上所述，重要的是要注意方框104响应于方框103的完成。重要的是要达到期望的估算的电机速度，确保稳定的电机运行，以便进行估算与永磁电机磁通量相关的参数的方框104。虽然在一些示例中参数是永磁转子的磁通量，但该参数可以是与磁通量相关的参数，并且允许间接获得磁通量值。在一些示例中，估算与永磁体转子的磁通量相关的参数是通过迭代地适配参数值而得到的。在这样的迭代情况下，可以使用第一参数值通过变速驱动器的控制法则来设置预定义的电指令信号，可以将估算的电机速度与期望电机速度进行比较，并且可以基于该比较和第一参数值使用另一个第二参数值，逐步设置参数值直到电机的有效行为对应于预期行为，在这种情况下，该参数对应于可以记录的估算参数，如方框105中所示。在一些示例中，估算的参数在参考参数范围内，例如当作为估算的一部分的连续迭代改变参数值小于0.2％时，从而对应于迭代中的收敛。参数范围的这种使用允许根据在此描述的方法减少导致磁通量识别的时间。
42.图2中示出了根据本公开的示例方法200。方法200包括与图1中描述的方框101-105一致的方框101-105。方法200还包括将记录的估算的参数考虑在内以驱动同步电机的方框206，从而受益于在由变速驱动器施加的控制法则中使用与根据在此描述的方法估算的有效磁通量值相对应的磁通量值。这允许将根据本公开的方法不仅用于诊断目的，而且用于提高相应电动机的操作精度，由此，考虑了估算参数的控制法则可以以更高的精度对电机进行控制。
43.图3中示出了根据本公开的示例方法300。方法300包括与图1中描述的方框101-105一致的方框101-105。方法300还包括周期性地重复根据图1的方法。这样的周期可以例如由用户设置。示例周期可以是一天一次、一个月一次或一年一次。可以在电动机的使用时间之后设置这样的周期。可以按照适用于特定电机类型的特定时间表来设置这样的周期，例如通过随着电机老化而缩短该周期。该周期可以远程设置，例如由电动机或变速驱动器制造商设置。
44.图4中示出了根据本公开的示例方法400。方法400包括与图1中描述的方框101-105一致的方框101-105。方法400还包括从休止位置启动电动机的方框407，在这种启动之后，在变速驱动器的每次启动时应用方法100。这可以允许确保使用根据本公开的更新参数来驱动电动机。
45.图5中示出了根据本公开的示例方法500。方法500包括与图1中描述的方框101-105一致的方框101-105。方法500还包括记录一个或多个扭矩估算参数随时间的演变的方框508。这种演变记录可以例如存储在根据本公开的变速驱动器的存储器中。这种演变记录也可以或替代地被远程存储。这种演变记录可以存储在集中式数据仓库上，这种集中式数据仓库存储对应于多个变速驱动器的演变记录，从而允许比较这种变速驱动器和对应电动
机的演变。这种集中式数据仓库可以由电动机或变速驱动器的制造商维护，以便监控多个变速驱动器和电动机，由此，如果检测到某种类型的变速驱动器或电动机的某种演变，则允许实施预防措施。
46.图6中示出了根据本公开的示例方法600。方法600包括与图1中描述的方框101-105一致的方框101-105。方法600包括与图5中描述的方框508一致的方框508。方法600还包括基于估算参数与预定范围的偏差提供磁通量状态诊断的方框609。这种诊断的提供可以允许防止或解决否则将对电动机和/或变速驱动器的操作产生负面影响的问题。通过应用根据本公开的方法，电动机或变速驱动器的预期寿命确实可以延长。
47.图7示出了示例变速驱动器700，其包括处理器701，处理器701配置为根据在此描述的任何方法来操作。处理器701可以包括用于由操作系统管理的计算的电子电路。
48.图7还示出了非暂时性机器可读或计算机可读存储介质，例如存储器或存储单元702，由此非暂时性机器可读存储介质被编码有可由诸如处理器701的处理器执行的指令703，机器可读存储介质包括指令703以操作处理器701以按照本文描述的示例方法中的任何一个来执行。
49.根据本公开的计算机可读存储器可以是存储可执行指令的任何电子、磁、光或其他物理存储设备。计算机可读存储器可以是例如随机存取存储器(ram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、存储驱动器和光盘等。如在此描述的，计算机可读存储器可以根据在此描述的方法用可执行指令编码。
50.存储器或内存可以包括存储如在此描述的可执行指令的任何电子、磁、光或其他物理存储设备。
51.图8图示了示例变速驱动器800，其包括处理器801、存储器802，处理器801被配置为根据在此描述的任何方法进行操作。处理器801可以包括用于由操作系统管理的计算的电子电路。变速驱动器800还包括联网模块804。联网模块804允许将与根据本公开的估算参数相关的数据传输到集中式数据仓库810。根据本公开，集中式仓库810又可以连接到多个变速驱动器811-814。这种集中式仓库可以在集中式仓库的存储器中收集根据本公开的估算参数，集中式仓库使用集中式仓库的处理单元或处理器来处理这样收集的估算参数，以便监控连接到或联网到集中式仓库的多个变速驱动器。
52.图9a图示了根据本公开的特定示例方法900。在第一步骤中，该方法包括施加电压或电流序列，旨在将电机启动至预定义参考速度，由此，电压或电流序列对应于预定义的电指令信号并且预定义的参考速度对应于根据本公开的期望的估算电机速度。该步骤之后是根据测量的电流估算电机速度，从而响应于施加预定义的电指令信号来估算电机速度。如果电机速度稳定，换言之，如果已达到期望的估算电机速度，则该步骤移动到将在下面描述的后续阶段。如果电机速度没有稳定，这意味着没有达到期望的估算电机速度，第一步骤被迭代地重复，基于先前序列的结果重复和适应启动序列的第一步骤。换言之，通过迭代地适配预定义的电指令信号的值来达到期望的估算电机速度。
53.图9a中所示的方法900对应于图9b和9c的曲线图。图9b和9c的曲线图示出了在方法900发生的过程中多个变量的演变，时间以秒为单位。此处示出的完整方法持续1秒。在第一个0.25秒内，电机速度不稳定。实际上，在第一个0.25秒内，如图9b的前两张图所示，与电机绕组中测量的三相电流对应的测量电流“3ph currents-a”与对应于预定义电指令信号
的“3ph voltages
–
v”相比滞后，在预定的电机启动序列期间，电压幅度和电压频率逐渐增加。在第一个0.25秒的同一阶段期间，如图9b的第三幅图所示，对应于图9b的第二幅图中测量的电流频率的估算速度与参考速度显著不同。估算速度和参考速度之间的差在图9c的第一张图中以标称速度的百分比表示。该图说明在0.25秒时趋势如何发生变化，估算速度开始赶上参考速度。这是速度被认为稳定的点。
54.当电机速度稳定时，可以通过检查参考速度和估算速度之间的差值是否小于预定阈值wd来开始下一阶段。该阶段在方法900中从时间0.25秒持续到时间0.6秒。在接下来的阶段中，预定的电指令信号(图9b的第一张图中所示)被适配，直到估算速度赶上图9c的第一张图中所示的参考速度，由此参考速度和估算速度之间的差在该方法的时间0.6秒处变得小于预定阈值wd。这意味着电机速度现在接近参考速度。在方法900的这一点处，可以开始估算与永磁转子的磁通量有关的参数。
55.直到如图9b和9c所示的时间0.6秒为止，对应于接近参考速度的电机速度，在由进行方法900的变速驱动器应用的控制法则中使用的磁通量值没有变化，如图9b的第四张图中所示的约900mwb的虚线所示。在图9b的第四张图中，应注意对应于“永久通量值”的实线对应于将在方法900完成时记录的估算参数，该值(这里为大约950mwb)是在方法900中大约0.98秒时确定的，如下所述。
56.从0.6秒起，如图9a所示，在步骤2中更新永磁转子的磁通量值或永久通量值，并应用基于估算的永久通量值的新的电压或电流序列。该过程通过基于电机数据和变速驱动器中的测量数据计算误差errflux值来迭代，并且以标称通量值的百分比为单位，通量值被更新，并且重复步骤2，直到errflux低于阈值errth，该阈值是预定义的阈值。该阶段对应于0.6秒和大约0.98秒之间的时间，并且在图9c的第二幅图上得到了很好的说明，该图示出了在这种情况下导致误差下降到阈值以下的迭代过程。在这一点上，用于控制法则的估算磁通量值(或与永磁电机的磁通量相关的参数)使得电机按预期运行，这样估算磁通量值或估算参数被相应地记录在变速驱动器中。如果在这一点处重新开始方法900，使用与记录的估算参数相对应的值作为磁通量值，则启动序列将比图9a-c所示的更快达到稳定，因为在图9b的第四张图中以实线表示的永久通量值将从时间0开始与虚线表示的估算通量值相匹配。电机控制将因此通过在控制法则中使用关于根据本公开通过实验的方法确定的永磁转子的磁通量的参数而加以改进。

技术特征：
1.一种使用变速驱动器控制同步电机的方法，所述电机包括产生磁通量的永磁转子，所述方法包括：向电机施加预定义的电指令信号；响应于预定义的电指令信号的施加来估算电机速度；达到期望的估算的电机速度；响应于达到期望的估算的电机速度，估算与永磁转子的磁通量相关的参数；以及记录估算的参数。2.根据权利要求1所述的方法，其中，估算电机速度包括监控电机电流。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定义的电指令信号是预定义的电压信号。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述参数是永磁转子的磁通量。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，达到期望的估算的电机速度是通过迭代地适配预定义的电指令信号的值而实现的。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，估算与所述永磁转子的磁通量相关的参数是通过迭代地适配参数值而实现的。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述期望的估算的电机速度在参考速度范围内或高于参考速度阈值。8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，达到所述期望的电机速度包括将估算的电机速度与期望的电机速度进行比较。9.根据权利要求8所述的方法，其中，当估算的电机速度和期望的电机速度之间的差开始减小或小于速度差阈值时，达到期望的电机速度。10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，估算的参数在参考参数范围内。11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述预定义的电指令信号具有预定义的幅度和频率曲线。12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，所述方法包括考虑记录的估算的参数以驱动同步电机。13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，所述方法还包括基于估算的参数与预定范围的偏差提供磁通量状态诊断。14.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。15.一种同步电机的变速驱动器，同步电机包括永磁转子，所述变速驱动器包括处理器和存储器，所述处理器配置为根据前述方法权利要求中任一项所述的方法操作。

技术总结
示例包括用于使用变速驱动器控制同步电机的方法。所述电机包括产生磁通量的永磁转子。所述方法包括将预定义的电指令信号施加到电机并响应于预定义的电指令信号的施加来估算电机速度。所述方法还包括达到期望的估算的电机速度，并且响应于达到期望的估算的电机速度，估算与永磁转子的磁通量相关的参数。所述方法还包括记录估算的参数。方法还包括记录估算的参数。方法还包括记录估算的参数。


技术研发人员：A.K.杰拜 T.德沃斯 F.马尔莱特
受保护的技术使用者：施耐德东芝换流器欧洲公司
技术研发日：2021.08.19
技术公布日：2022/3/8