專利名稱:用于估計功率電子系統狀態的方法
技術領域:
本發明涉及控制技術中的估計方法領域。本發明源于根據獨立權利要求的前序的、用于估計功率電子系統狀態的方法。
當今功率電子系統應用在很多應用領域中。典型地,這種功率電子系統包含帶有多個可驅動功率半導體開關的變頻器電路和可驅動功率半導體電路的對應的驅動電路。在變頻器電路上通常連接一個或
者多個負載,但是這些負載在時間上可能變動很大,例如因為干擾。例如這樣的負載可能是一個或者多個電動機,其中一般可設想任意一個電氣負載。功率電子系統的狀態,例如感性負載電流和容性負載電
壓,實際上就是與這些變動(Variation)相關而可能很難獲得,也就是說只有借助很大的消耗或者完全不能獲得(例如通過測量)。因此有必要對功率電子系統狀態進行估計,其中被估計的狀態則可以在控制單元中進一步處理。常見的用于估計功率電子系統中狀態的方法就是應用時間離散的卡爾曼濾波器,如文獻"Braided extended Kalman filters forsensorless estimation in induction motors at high-low/zero speed", IETControl Theory, Appl., 2007所給出的那樣。為了能夠進行狀態估計,例如應用時間離散的卡爾曼濾波器,首先必須按照下面的方法步驟進行
(a) 對于采樣時間點k=-N+l到k=0確定輸出量向量y(k),其中N是可預先設定的采樣水平(Abtasthorizont),其中y是例如變頻輸出電壓的輸出量,其例如可通過測量獲得。
(b) 對于采樣時間點k=-N+l到k-0確定調整量向量u(k),其中調
背景技術:
5整量例如是變頻器電路的調節系數。
(C)確定用于描述功率電子系統的、采樣時間點k時的第一系統模型函數f(X(k),U(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量
u(k)和系統狀態向量x(k),以及
(d)確定用于描述功率電子系統的、采樣時間點k時的第二系統模型函數g(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k)。
在應用時間離散的卡爾曼濾波器來估計功率電子系統的狀態x時的問題是,狀態的附加條件只有在很大消耗時才可以考慮或者根本無法考慮,附加條件是例如感性負載電流和/或容性負載電壓可以被限制或者非負的條件。分段的仿射線性系統模型函數f(x(k),u(k)),g(x(k),u(k))表示了卡爾曼濾波器進一步的問題(這些函數描述給出的功率電子系統),因為在采用時間離散的卡爾曼濾波器估計時,這同樣不能考慮或者只有在很大量消耗時才可以考慮。
發明內容
因此,本發明的目的在于,給出一種用于估計功率電子系統狀態的方法,該方法允許對大范圍的功率電子系統進行狀態估計而且還可以簡單地實現。該任務通過權利要求1的特征解決。在從屬的權利要求中給出了本發明的有利的改進方案。
在根據本發明的用于估計功率電子系統狀態的方法中,系統具有變頻器電路。該方法采用下列步驟
(a) 對于采樣時間點k=-N+l到k=0確定輸出量向量y(k),其中N是可預先設定的采樣水平。
(b) 對于采樣時間點k=-N+l到]^0確定調整量向量u(k),
(c) 確定用于描述功率電子系統的、采樣時間點k時的第一系統模型函數f(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k),以及(d) 確定用于描述功率電子系統的、采樣時間點k時的第二系統模型函數g(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k)。
按照本發明,在采樣時間點k=0對系統狀態向量x(k)的估計以下列步驟實現
(e) 對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每個采樣時間點使系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)如此變化,即,佳_得系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數相加的和在采樣時間點k=-N+l到k=0上最小,
(f) 選擇在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k),而且
(g) 第 一 系統模型函數f(x(k),u(k))與第二系統模型函數g(x(k),u(k))分別是仿射線性的或者備選地分別是分段仿射線性的。
在目前也就是當前的時間點k=0時的期望的被估計狀態則作為在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k)的向量元素被包含在內,也就是在系統狀態向量x(0)中。有利地,根據本發明的方法允許在狀態估計時附加條件也可以毫無問題地得到考慮,這些附加條件是狀態和輸入的分段仿射線性關系。如果功率電子系統可以通過分段仿射線性系統模型函數f(x(k),u(k)), g(x(k),u(k))描述,該系統模型函數f(x(k),u(k)),g(x(k),u(k))同樣可以在狀態估計時有利地、非常簡單地#1考慮。總而言之,由此根據本發明的方法允許對極大范圍的功率電子系統進行狀態估計而且還可以非常簡單地實現。
上述發明的該任務和其它任務、優點和特點會通過下面本發明的優選實施方式結合附圖的詳細描述進行闡明。
其中
圖1顯示了帶有控制單元且帶有估計裝置的功率電子系統結構的實施方式,該估計裝置按照根據本發明的方法進行功率電子系統的狀態估計。
附圖中使用的附圖標記及其含義總結列于附圖標記列表。基本上圖中相同的部分設為相同的附圖標記。所述實施方式示例地表示專利的主題而沒有限制作用。附圖標記列表
1. 功率電子系統
2. 估計裝置
3. 控制單元
4. 變頻器電路
5. 馬區動電^各(Ansteuerschaltung)
具體實施例方式
在圖1中顯示了帶有控制單元3且帶有估計裝置2的功率電子系統1結構的實施方式,該估計裝置按照根據本發明的方法對功率電子系統1的狀態x的進行估計。為了清楚明了, 一個或者多個與功率電子系統l相連的負載沒有在圖1中示出。功率電子系統1包括帶有多個可驅動功率半導體開關的變頻器電^各4以及所對應的驅動電路5,該驅動電路5用于驅動(ansteuern)帶有驅動信號S的功率半導體。該驅動電路5例如借助于調整量u的脈沖寬度調制產生驅動信號S,例如調整量u是變頻器電路的調節系數。根據圖1,例如功率電子系統1的輸出量y是變頻器輸出電壓,例如可以通過測量獲得該變頻器輸出電壓。此外圖1所示的結構還包含開始時已經提到的估計裝置2,該估計裝置2按照根據本發明的方法對功率電子系統1的狀態x進行估計。該功率電子系統的要估計的狀態x例如是感性負載電流和容性負載電壓。現在,下面就詳細地討論根據本發明的方法。在步驟(a),對于采樣時間點k=-N+l到k=0確定輸出量向量y(k),其中N是可預先設定的采樣水平。那么輸出量向量y(k)的元素就是對于采樣時間點
8k=-N+l到k=0的輸出量y,例如通過測量確定的變頻器輸出電壓。在 步驟(b),對于采樣時間點k=-N+l到k-0確定調整量向量u(k),其中 調整量向量u(k)的元素是對于采樣時間點k=-N+l到k=0的調整量u, 例如調節系數。在步驟(c),確定用于描述功率電子系統1的、采樣時 間點k時的第一系統模型函數f(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間 點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k)。此外在步驟(d),確定 用于描述功率電子系統1的、采樣時間點k時的第二系統模型函數 g(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和輸 出量向量x(k)。
用于描述功率電子系統1的采樣時間點k時的第一系統模型函數 f(x(k),u(k))—般可以如下確定
f(x(k),u(k)"
A,x(k) + B,u(k) + vv F,x(k) + E;u(k) s A2x(k) + B2u(k) + v2, F2x(k) + E2u(k)《G2
AMx(k) + BMu(k) + vM , FMx(k) + EMu(k)《GM
其中A卜.Am, B卜..Bm, F卜.Fm和E卜.Em是矩降而V卜..Vm是向 量且向量G1和G2是邊界,它們把第一系統模型函數f(x(k),u(k))定義 為仿射線性或者分段仿射線性。已經提到,如果功率電子系統可以這 樣描述的話,那么通過對向量G!... GM以及... VM和矩陣A!...AM, B卜..Bm, F卜.Fm, e卜..em合適的選擇就可以實現連續仿射線性函 數。
用于描述功率電子系統1的采樣時間點k時的第二系統模型函數 g(x(k),u(k))—4殳可以如下確定
g(x(k),u(k))-
C,x(k) + D律)+ WL F^(k) + E,u(k)^G, C2x(k〉 + D2u(k) + w2, F2x(k) + E2u(k) s G2
CMx(k)十DMu(k) + wM, FMx(k) + EMu(k) ^ GM 其中C卜..Cm, D,…Dm, F卜..Fm和E卜..Em是矩降而W,…Wm是 向量且向量和G2是邊界,它們把第二系統模型函數g(x(k),u(k))同 樣定義為仿射線性或者分段仿射線性。已經提到,如果功率電子系統可以這樣描述的話,那么通過對向量G! ... Gm以及W! ...Wm和矩陣
C卜..Cm, D卜..Dm, F,…Fm, e卜..em合適的選擇就可以實現一個連
續仿射線性函數。
按照本發明,在采樣時間點k-O也就是當前時間點的系統狀態向量x(k)的估計以下文中所述進一步的步驟實現
(e) 對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點使系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)如此變化,即,使得系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數相加的和在采樣時間點k--N十l到k=0上最小,
(f) 選擇在采樣時間點kK)的系統狀態向量x(k)。
在目前也就是當前的時間點k=0的期望的被估計狀態作為在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k)的向量元素被包含在內,也就是在系統狀態向量x(0)中。例如這些向量元素是在采樣時間點k=0的感性負載電流和容性負載電壓。有利地,根據本發明的方法允許在估計狀態x時狀態x的附加條件也可以毫無問題地得到考慮。如果功率電子系統可以通過仿射線性或者分段仿射線性系統模型函數f(x(k),u(k)),g(x(k),u(k))描述,該系統模型函數f(x(k),u(k)), g(x(k),u(k))同樣可以在估計狀態x時有利地非常簡單地被考慮。總而言之,由此根據本發明的方法允許對極大范圍的功率電子系統1進行狀態x估計而且可以非
常簡單地實現。
然后可以在控制單元3中進一步處理按照根據本發明的方法估計的狀態x,也就是iJL例如調節到相應的額定狀態Xref 。如同例如由文獻EP 1 670 135 Al已知的,控制單元3優選按照模型預測控制原理(Mode-Predictive-Control)工作。自然也可以考慮任何其它的控制原理或者任何控制特性。
上述總和可以才艮據下述公式描述為總和J:
J= 土 (||x(k + 1)-f(x(k),u(k))Hw +|y(k)-g(x(k),ti(k))llw丄其中Wx和Wy分別是與狀態向量x(k)和x(k+1 )相關以及與輸出量向量y(k)相關的加權矩陣。標志q給出可選擇的向量范數。優選地將絕對值和范數(Betragssummennorm)選為系統狀態向量x(k+1 )與第 一 系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數,也就是說對于表達式|X(k + 1)-f(x(k),u闊w'q,其中q^。
此外,優選地,類似地將絕對值和范數選擇為輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數,也就是對于表達式||y(k)-g(x(k)'u(k)lyq'其中還是『L有利地,絕對值和范數,也就是說
q=l,可以4艮容易地實現。
作為備選還可以考慮分別將歐氏范數選為系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數,也就是說q=2。
作為又一備選還可以考慮,將最大范數分別選為系統狀態向量x(k+1 )與第 一 系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數,也就是說q=oo。
已經提到,還可以考慮其他的范數。此外可以設想,也為單個差值選擇不同的范數,也就是說例如有可能,將絕對值和范數選為系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數,那么其中q=l,與之不同,將歐氏范數選為輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數,也就是說q二2。在此一般可以考慮所有的組合。
如上所述,對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點使系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)如此變化,即,使得總和J在采樣時間點k=-N+l到k=0上最小。對于采樣時間點k=-N+l到k=0的每一個采樣時間點系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)的變動也可以存入表格(查找表),其中對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點,系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)對
ii應于每個輸出量向量y(k)和調整量向量u(k)。那么僅必須從表格中讀出期望的采樣時間點k=0時的系統狀態向量x(k)也就是系統狀態向量x(O),其中系統狀態向量x(O)的向量元素是目前也就是當前的時間點k=0時的期望的被估計狀態x。該表格可以事先也就是脫機(offline)建立,從而,在使總和J最小的標準存在偏差時,有利地,不必聯機進行計算密集的運算。上面所提到的表格可以保存到或者存儲到估計裝置2中或者估計裝置2隨后訪問的分離的存儲媒體中。
與之相反,如果存在足夠的計算能力資源,例如通過處理器,特別是數字信號處理器,那么對于采樣時間點k=-N+l到k=0的每一個采樣時間點的系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)的變動就可以連續也就是聯機計算。
權利要求
1.一種用于估計功率電子系統(1)狀態的方法,其中所述系統(1)具有變頻器電路(4),所述方法采用下列步驟(a)對于采樣時間點k=-N+1到k=0確定輸出量向量y(k),其中N是可預先設定的采樣水平。(b)對于采樣時間點k=-N+1到k=0確定調整量向量u(k),(c)確定用于描述所述功率電子系統(1)的、采樣時間點k時的第一系統模型函數f(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k),(d)確定用于描述所述功率電子系統(1)的、采樣時間點k時的第二系統模型函數g(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量向量u(k)和系統狀態向量x(k),其特征在于,在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k)的估計以下列步驟實現(e)對于采樣時間點k=-N+1到k=0中的每個采樣時間點使系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+1)如此變化,即,使得系統狀態向量x(k+1)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數的差的向量范數相加的和在采樣時間點k=-N+1到k=0上最小,(f)選擇在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k),以及(g)第一系統模型函數f(x(k),u(k))與第二系統模型函數g(x(k),u(k))分別是仿射線性的。
2. —種用于估計功率電子系統(l)狀態的方法,其中系統(l)具有 變頻器電路(4),所述方法釆用下列步驟(a) 對于采樣時間點k=-N+l到k-O確定輸出量向量y(k),其中N 是可預先設定的采樣水平。(b) 對于采樣時間點k=-N+l到k-O確定調整量向量u(k),(c) 確定用于描述所述功率電子系統(l)的、采樣時間點k的第一 系統模型函數f(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量 向量u(k)和系統狀態向量x(k),(d) 確定用于描述所述功率電子系統(l)的、采樣時間點k的第二 系統模型函數g(x(k),u(k)),該函數依賴于在采樣時間點k時的調整量 向量u(k)和系統狀態向量x(k),其特征在于,在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k)的估計以下列其它步驟實現(e) 對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每個采樣時間點使系統狀 態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)如此變化,即,使得系統狀態向量 x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量 y(k)與第二系統模型函數的差的向量范數相加的和在采樣時間點 k=-N+l到k-0上最小,(f) 選擇在采樣時間點k=0的系統狀態向量x(k),以及(g) 第 一 系統模型函數f(x(k),u(k))與第二系統模型函數g(x(k),u(k)) 是分別是分段仿射線性的。
3. 根據權利要求1或者2中的任一項的所述方法,其特征在于, 分別將絕對值和范數選為系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數 f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數 g(x(k),u(k))的差的向量范數。
4. 根據權利要求1或者2的所述方法,其特征在于,分別將歐氏 范數選為系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的 向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統才莫型函凄t g(x(k),u(k))的差的向 量范數。
5. 根據權利要求1或者2的所述方法,其特征在于,分別將最大 范數選為系統狀態向量x(k+l)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的 向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函凄t g(x(k),u(k))的右側的差的向量范數。
6. 根據權利要求1到5中的任一項的所述方法,其特征在于,對 于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點將系統狀態向量 x(k)和系統狀態向量x(k+l)的變動存入分配表格,其中對于采樣時間 點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點,系統狀態向量x(k)和系統 狀態向量x(k+l)對應到輸出量向量y(k)和調整量向量u(k)。
7. 根據權利要求1到5中的任一項的所述方法,其特征在于,連 續計算對于采樣時間點k=-N+l到k=0中的每一個采樣時間點的系統 狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+l)的變動。
全文摘要
本發明為用于估計功率電子系統狀態的方法,給出一種用于估計功率電子系統(1)的狀態的方法,其中系統(1)具有變頻器電路(4),在該方法中對于采樣時間點k=-N+1到k=0中的每一個采樣時間點使系統狀態向量x(k)和系統狀態向量x(k+1)如此變化,即,使得系統狀態向量x(k+1)與第一系統模型函數f(x(k),u(k))的差的向量范數和輸出量向量y(k)與第二系統模型函數g(x(k),u(k))的差的向量范數相加的和在采樣時間點k=-N+1到k=0上最小,其中選擇在采樣時間點k=0時的期望系統狀態向量x(k)。
文檔編號G05B13/04GK101673086SQ20091017593
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者G·帕帕福蒂奧, S·高洛克 申請人:Abb研究有限公司