起動同步電動機的控制方法與流程

本發明涉及一種在用于起動連接到變速驅動器的電動機的所述變速驅動器中實現的控制方法。該控制方法可應用于起動同步電動機并且使該電動機的轉子與基準位置對齊。

背景技術：

存在很多不同的在變速驅動器中實現的用于確定永磁同步電動機的轉子的初始位置的方法。

在公知方式中，變速驅動器包括：整流器模塊，該整流器模塊由外部交流電源網絡提供直流電壓；以及逆變器(或者斬波器)模塊。該逆變器模塊包括功率半導體電子部件，該功率半導體電子部件利用脈寬調制(PWM)對直流電壓斬波，以通過電力電纜將脈沖可變電壓和可變旋轉頻率作為輸出送到電動機。變速驅動器的控制設備以抽樣頻率對半導體部件的導通和阻斷進行監視，以利用適當可變電壓，采用PWM控制電動機。

以閉環運行、用于控制永磁同步電動機的變速驅動器通常對轉子采用絕對位置傳感器。然而，這種類型的傳感器具有特別高的成本和可靠性問題(要求附加電纜、對電磁噪聲敏感等等)。因此，文獻JP1060287中的公知做法是利用增量編碼器得知轉子的相對位置。然而，采用增量編碼器要求知道轉子的初始位置。

文獻US 7202618建議了一種在變速驅動器中實現的用于確定三相電動機中的轉子的初始位置的解決方案。該解決方案包括：對于確定周期通過電動機的每相發送電壓脈沖，并且確定流過電動機的相線的電流的峰值。接著，通過將對每相獲得的電流進行比較并且基于電流之間的關系，可以獲得轉子的初始位置，而無需計算。在一種變型中，存儲表允許確定轉子的初始位置，而無需計算。在該文獻中，盡管無需計算，的確獲得了轉子的初始位置，但是建議的各種解決方案復雜，并且在電動機每次起動時花費長時間實施。此外，這些方法基于電動機的邊際效應(磁飽和、凸極性(saliency)等等)。然而，存在沒有磁飽和的電動機和磁飽和沒有預期效應的電動機。因此，這些現有技術的方法可能被證明不充足。

專利申請EP1213828A1中描述了另一種用于確定轉子在同步電動機中的初始位置的方法。該文獻中描述的算法包括：產生速度控制、根據速度控制和測量速度確定要施加的轉矩控制，然后，基于計算的轉矩控制，確定初始角度。因此，應當明白，由速度控制與測量速度之間的差求得初始角度。

本發明的目的是建議一種控制同步電動機的方法，該方法根據對準的時長和起動時施加的轉矩可以簡單、可靠并且不受限制地使轉子對準。該方法基于電動機的基本模型，并且不采用邊界效應或者非線性效應。這樣，這種方法穩健而且可應用于所有類型的同步電動機(內部永磁體－IPM、表面永磁體－SPM或者可變磁阻－SynRM)。

技術實現要素：

該目的通過一種在用于起動同步電動機的變速驅動器中執行的控制方法實現，同步電動機裝備有轉子并且通過輸出相連接到所述變速驅動器，所述方法包括如下步驟：

·施加根據預定速度輪廓的基準速度作為輸入，所述速度輪廓至少是連續的并且包括：零初始值；至少一個非零值，該非零值用于使所述電動機的所述轉子旋轉；以及零最終值；

·基于作為輸入施加的基準速度，確定基準位置；

·基于作為輸入施加的基準速度，在以電動機的速度旋轉的基準框架中，確定電壓；

·一方面根據確定的基準位置，另一方面根據在旋轉的基準框架中確定的所述電壓，確定要對每個輸出相施加的控制電壓；

·對每個輸出相施加控制電壓，以獲得所述電動機的轉子的位置與基準位置的對齊。

根據第一實施例，用電流的控制執行在旋轉的基準框架中確定電壓的步驟，并且該步驟包括：

·測量流過輸出相的電流；

·將在三個輸出相測量的這些電流轉換為測量通量電流和測量轉矩電流；

·基于作為輸入注入的基準速度，確定基準通量電流和基準轉矩電流；

·利用接收作為輸入的測量通量電流、測量轉矩電流、基準通量電流和基準轉矩電流的比例積分控制器，在旋轉的基準框架中確定電壓。

根據第二實施例，通過應用U/F型控制律，不控制電流而執行在旋轉的基準框架中確定電壓的步驟。

本發明還涉及一種布置于用于起動同步電動機的變速驅動器中的控制系統，該同步電動機裝備有轉子并且通過輸出相連接到所述變速驅動器，所述系統包括：

·施加根據預定速度輪廓的基準速度作為輸入的模塊，所述速度輪廓至少是連續的并且包括：零初始值；至少一個非零值，該非零值用于使所述電動機的轉子旋轉；以及零最終值；

·基于作為輸入施加的基準速度，確定基準位置的模塊；

·基于作為輸入施加的基準速度，在以電動機的速度旋轉的基準框架中，確定電壓的模塊；

·一方面根據確定的基準位置，另一方面根據在旋轉的基準框架中確定的電壓，確定要對每個輸出相施加的控制電壓的模塊；

·對每個輸出相施加控制電壓，以獲得所述電動機的轉子的位置與基準位置的對齊的模塊。

根據第一變型實施例，利用電流的控制執行在旋轉的基準框架中確定電壓的所述模塊包括：

·測量流過輸出相的電流的模塊；

·將在三個輸出相測量的電流轉換為測量通量電流和測量轉矩電流的模塊；

·基于作為輸入注入的基準速度，確定基準通量電流和基準轉矩電流的模塊；

·利用接收作為輸入的測量通量電流、測量轉矩電流、基準通量電流和基準轉矩電流的比例積分控制器，在旋轉的基準框架中確定電壓的模塊。

根據第二實施例，通過應用U/F型控制律，不控制電流而執行在旋轉的基準框架中確定電壓的模塊。

由該發明內容可以看出，該解決方案不包括確定轉子的初始角度，在現有技術的解決方案中，通常包括確定轉子的初始角度。在本發明中，具體地說，問題是確定對使轉子與基準位置對齊的控制，通常利用作為輸入施加的基準速度軌跡選擇并且限定該基準位置。

附圖說明

根據下面結合附圖給出的詳細描述，其他特征和優點顯而易見，附圖中：

圖1示出連接到同步電動機的變速驅動器的圖；

圖2是本發明的控制方法的概覽的圖解表示；

圖3圖示在旋轉的基準框架中的同步電動機的矢量表示；

圖4A至4D示出第一運行狀況下的模擬結果；

圖5A至5D示出第二運行狀況下的模擬結果；

圖6A至6D示出第三運行狀況下的模擬結果。

具體實施方式

在用于起動同步電動機的變速驅動器中實現本發明的控制方法。該控制方法可應用于例如可變磁阻型的、非凸極永磁體型的或者凸極永磁體型的、等等類型的任意同步電動機。

參考圖1，變速驅動器利用三個輸入相R、S、T連接到配電網N的上游。在公知方式中，變速驅動器包括由例如二極管橋式的整流器REC構成的輸入級，布置該整流器REC，以對網絡N提供的交流電壓整流。變速驅動器還包括連接到整流器并且包括兩個電源線的直流電源總線，這兩個電源線通過一個或者多個總線電容器互相連接。變速驅動器還包括輸出級，該輸出級由接收直流電源總線提供的直流電壓的逆變器INV構成，并且控制該輸出級，以通過三個輸出相a、b、c將可變電壓作為輸出送到同步電動機M。

在公知的方式中，變速驅動器的控制單元UC執行主控制律L，該主控制律L控制逆變器并且確定使電動機M(圖2中的方框B1)運轉要求的輸出電壓。傳統上，該主控制律L包括作為輸入的基準速度ωref，基于該基準速度ωref確定基準轉矩電流(未示出)。作為輸入，還可以接收基準通量電流Idref。基于該基準轉矩電流和基準通量電流以及通量電流Id和轉矩電流Iq的測量值或者估計值，確定基準電壓Vdref、Vqref，基于該基準電壓Vdref、Vqref，確定要對每個輸出相(方框B2)施加的單相電壓Va、Vb、Vc。

在起動同步電動機M時，轉子的位置不為變速驅動器的控制單元UC所知，這樣防止了執行主控制律L。在起動同步電動機M時，根據本發明，執行特定序列，以使轉子與已知位置對齊。本發明的控制方法可以產生用于起動電動機的旋轉的序列(圖2中的ST)。因此，為了起動同步電動機，本發明的控制方法替換了主控制律L。

參考圖2，在控制單元UC中實現的用于起動同步電動機的本發明的控制方法包括：施加作為輸入的、服從由特定模塊(方框B3)產生的預定輪廓的基準速度ωs。在本發明的語境中，預定輪廓符合特定限制，即，如下限制：

·該輪廓的曲線符合至少等于C0的類(class)的連續函數；

·初始基準速度ωs是零；

·基準速度ωs取至少非零的值，以使轉子旋轉；

·最終基準速度ωs是零。

有利的是，預定輪廓包括零初始值，按照升高的斜率達到最大值，然后，按照下降的斜率達到零最終值。根據對電動機施加的轉數和要求的對準時長，確定最大速度值。因此，對應于對電動機施加的最大速度值的最高頻率符合下面的關系：

其中：

－RndNLD是轉數；

－(T_pw+T_mw)是總對齊時長；

－F_DcMax是以Hz為單位的最大旋轉頻率；

－最大速度ω_sMax與最小頻率F_DcMax之間的關系是：ω_sMax＝2πF_DcMax。

參考圖2，基于服從上面描述的預定輪廓的基準速度，本發明的控制方法確定：

·基準位置θs(方框B4)，轉子的實際位置必須接近該基準位置θs。基準位置θs是基準速度ωs的積分。基準頻率f_s的表達式是：

·其中基準頻率fs通過ω_s＝2πf_s與基準速度關聯；

·FDcMax是基準頻率的最大值；

·T_pw是頻率從零升高到FDcMax花費的時間；

·T_mw是頻率從FDcMax降低到零花費的時間；

·t是從起動對齊序列開始的時長。

·通過如下積分基準頻率獲得基準位置：

·

·在控制電流的情況下或者在不控制電流的情況下確定要對電動機施加的電壓Vdq(方框B5)。

參考圖2，在控制電流的情況下確定轉矩電壓或者通量電壓包括：

·測量流過輸出相的電流ia、ib、ic；

·利用派克(Park)轉換，將在三個輸出相中測量的這些電流轉換(方框B6)為通量電流和轉矩電流；

·根據作為輸入注入的并且符合上述預定輪廓的基準速度，確定(方框B5)基準通量電流idref和基準轉矩電流iqref；

·利用接收作為輸入的測量通量電流id、測量轉矩電流iq、基準通量電流idref和基準轉矩電流iqref的比例積分控制器，在旋轉的基準框架d、q中確定(方框B5)電壓Vdq。

通過如下關系表示基準轉矩電流和通量電流：

其中：

·i_dMax是軸d上的電流的最大值；

·i_qMax是軸q上的電流的最大值；

·t_i是開始時的電流的斜坡時間；

·T_DcCurr是對齊序列結束時保持該電流的時間。對齊序列結束時的該直流電流的用途是確保電動機停止于要求位置。

作為一種變型實施例，在不控制電流的情況下(即，在開環中，不測量電流的情況下)，確定電壓Vdp包括：

·確定(方框B5)與基準速度成比例的電壓(U/F型控制律)。

基于電壓Vdq和確定的基準位置，該控制方法能夠確定(方框B7)要對三個輸出相施加的電壓，其目的是使轉子與已知位置對齊。以如下方式表示輸出電壓：

圖4A至4D、5A至5D和6A至6D示出各種運轉情況下的模擬結果。

在圖4A至4D所示的第一運轉情況下，產生的電壓Vdq是常數(圖4A)，并且基準速度符合預定類C0輪廓(圖4B)。圖4C示出在起動過程結束時轉子的實際位置到達基準位置。圖4D示出轉矩C保持常數并且所采用的起動過程在電動機中不產生巔震。

在圖5A至5D所示的第二運轉情況下，產生的電壓Vdq是常數(圖5A)，并且基準速度符合預定類C1輪廓(圖5B)。圖5C示出在起動過程結束時轉子的實際位置到達基準位置。圖5D示出轉矩C保持常數并且在此采用的起動過程在電動機中不產生巔震。

在圖6A至6D所示的第三運轉情況下，產生的電壓Vdq符合不是常數但是連續的軌跡(圖6A)，并且基準速度符合預定類C1輪廓(圖6B)。圖6C示出在起動過程結束時轉子的實際位置到達基準位置。圖6D示出轉矩C保持常數并且在此采用的起動過程在電動機中不產生巔震。

在圖2中，能夠注意到，轉子與之對齊的確定的基準位置θs使得可以直接求得轉子的實際位置θ(方框B8)，在正常運轉時，控制電動機中可以使用該實際位置θ。

下面的演示使得可以示出：

－根據對電動機施加的負載和對其施加的電壓，系統中存在平衡點；

－這些平衡點穩定或者不穩定。

－我們感興趣的平衡點(最小角誤差)是穩定的并且可獲得。

如下給出同步電動機在旋轉的基準框架(圖3)中的等式：

其中：

·是電通量；

·是電動機中的電流；

·是永磁體的通量；

·是電動機在旋轉的基準框架中的電壓；

·R、Ld、Lq和是電動機的電參數；

·J_M和n_p是電動機的機械參數；

·f是摩擦系數；

·T_L是負載轉矩；

·

λ＝(L_q+L_d)/2，μ＝(L_q-L_d)/2

·

·θ_s是控制角，即，基準位置；

·θ是轉子的實際位置；

·Δθ＝θ-θ_s；

·

·

·

通過輸入電壓和u_dq以及基準速度ω_s，執行電動機的控制。由于電子部分是最快的并且不喪失通用性，所以可以認為電動機的電流迅速會聚到基準電流：

其中是基準電流。

作為例子，下面利用如下特性：L_d＝L_q＝L和μ＝0，詳細證明表面同步電動機的穩定性。

因此，為了證明角度的會聚，必需研究電動機的機械等式，在這種情況下，如下給出機械等式：

其中

平衡點：

在這種情況下，如下定義平衡點：

其中Δθ^eq和ω^eq是系統的平衡點。

如下以極坐標方式表示電流的基準：

因此，如下定義平衡：

最終我們獲得：

存在兩個可能平衡點：

Δθ^eq＝α-α₀或者Δθ^eq＝α+α₀-π

其中可以注意到

平衡點周圍的穩定性

將系統表示為如下：

該系統在平衡(Δθ^eq，ω^eq)周圍的線性化給出：

其中δω＝ω-ω^eq和δΔθ＝Δθ-Δθ^eq。

如下給出穩定矩陣的本征值：

如果三個系數1、和是正的，則系統穩定。

通過定義平衡位置，盡管平衡Δθ^eq＝α+α₀-π不穩定，但是平衡Δθ^eq＝α-α₀穩定。

因此，唯一穩定平衡位置是Δθ^eq＝α-α₀。因此，解答是：

θ＝θ_s+α-α₀

因此，通過利用角度的該表達式，獲得轉子的位置。