專利名稱：用于確定同步磁阻機的電感的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁阻機，并且更具體地涉及確定磁阻機的電感特性。
背景技術：
常常對盡可能有效率地控制電動機做出嘗試。簡單地說，這意味著在給定負載轉矩，使電機抽取的電流最小。這使電機中的電阻損耗最小。電流的最小化在機器理想的情況下將會是輕松的任務。在實踐中，然而，機器鐵件的磁飽和使得理想操作點的搜索成為苛刻的過程。由于飽和作用，機器的電感不恒定，而是作為定子電流的函數(shù)而改變。電感作為定子電流的函數(shù)改變的事實使得轉矩的產(chǎn)生的優(yōu)化成為艱難的任務，這是因為在交流機中電感對轉矩的幅度有影響。為了在驅動器的操作期間通過給定定子電流使轉矩最大化，電感的行為應被認為是通量或電流的函數(shù)。電感行為對于同步磁阻機的控制操作也很重要，特別是這樣的情況 在沒有測定轉子速度和位置的情況下控制機器。這種開環(huán)控制方法通過使用機器的數(shù)學模型來估計轉子位置。結合同步磁阻機，開環(huán)控制在未將電感的飽和恰當考慮在內的情況下不正確操作。在已知電感識別流程中，需要旋轉轉子。由于此需求，至少在一些過程中，必須在將機器耦合到過程之前進行識別。此外，在旋轉轉子的方法中，用于進行識別的時間是長的。在一些電感識別流程中，需要加載同步磁阻電機。將負載轉矩應用于要識別的機器會是麻煩的，特別是在機器已經(jīng)位于終端用戶的設施處的情況下。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種方法和設備以解決以上問題。本發(fā)明的目的是通過以獨立權利要求中敘述的內容為特征的方法和設備來實現(xiàn)的。從屬權利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在本發(fā)明中，使用連接到機器的逆變器，通過不同脈沖測試來確定同步磁阻機的電感的飽和行為?？梢允褂靡幌盗忻}沖測試來確定同步磁阻機的同步電感和瞬態(tài)電感這二
者ο圖7中圖示了同步電感和瞬態(tài)電感，圖7示出了電感測量期間獲得的圖。通量被繪制為測量電流的函數(shù)。同步電感是從原點向曲線的選定點(即，向關注其電感的點)描繪的線的斜率。這是公知關系通量=電流*電感。瞬態(tài)電感是作為電流的函數(shù)的通量在給定操作點的導數(shù)。在圖7中這是通過在曲線的選定點描繪的切線而圖示的。瞬態(tài)電感描述了特定操作點的鄰近處的電流的行為。由于本發(fā)明的方法可以使用控制機器的逆變器來執(zhí)行，所以本發(fā)明的方法不需要任何附加裝備?？梢詫⑼ㄟ^該方法獲得的電感值直接加載到對測量磁阻機進行控制的逆變器。本發(fā)明的方法不需要機器的旋轉。在一個實施例中，略微旋轉轉子，以對齊轉子。在已知轉子的方向的情形中，可以在沒有轉子的任何旋轉移動的情況下執(zhí)行該方法。由于不旋
4轉機器的轉子，所以該方法是快速的。由于磁阻機的本性，定子電流對電感的飽和有相當大的影響。該方法提供關于飽和行為的準確信息。一旦準確的飽和行為適于在控制機器的變頻器或逆變器的電機模型中使用，同步機的控制就會準確和可靠。在本發(fā)明的方法中，使用簡單脈沖測試來測量同步磁阻機的電感的飽和行為。在已知方法中，使用脈沖測試以僅測量AC電機的電感的瞬態(tài)行為。


以下，將參照附圖，通過優(yōu)選實施例的方式更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中，圖1示出了同步磁阻機的轉子的簡化結構，圖2示出了轉子的d方向上的測量電感，圖3示出了轉子的q方向上的測量電感，圖4示出了電壓向量圖和定子參照系，圖5示出了測量d軸方向上的電感時轉子位置的示例，圖6示出了測量q軸方向上的電感時轉子位置的示例，以及圖7圖示了同步和瞬態(tài)電感的確定。
具體實施例方式以下，將同步磁阻機稱作同步磁阻電機，或者簡稱為磁阻電機。然而，顯然，類似的同步機可以操作為電機或發(fā)電機。同步電機在直軸和交軸電感的幅度明顯不同的情況下被認為是凸極電機。此處將直軸電感標注成Ld，將交軸電感標注成Lq。將磁阻電機中的d軸的方向選擇為最高電感的方向。圖1示意性地示出了具有d和q軸的方向的磁阻機的一個可能的轉子結構。在理想狀況下，可以將同步機產(chǎn)生的轉矩表示成T= ￥rotoriq+(Ld+Lq)idiq(1)其中，Vrate是轉子永磁體或轉子繞組產(chǎn)生的通量，id、iq和Ld、Lq是電流和電感的直流和正交分量。如已知的，磁阻電機在轉子中沒有永磁體或繞組，所以將轉矩的表達式簡化為形式T= (Ld(id, iq)+Lq(id, iq))idiq(2)以上等式(2)可能看似簡單，但是實際上d和q方向上的電感依賴于直流和正交方向這二者上的電流，這使得電流的優(yōu)化很難。如果Ld和Lq是常數(shù)，則將會容易地示出 轉矩在iq等于id時處于給定電流向量長度的情況下的最大值。當iq和id的幅度相等時，電流角度是45°。在實踐中，電流角度大于45°。當電流向量增加時，在將角度固定為 45°的情況下，轉子的d方向比q方向更飽和并且電感差Ld-Lq減小。當轉矩增長時，因為 q和d電感以不同步速飽和，所以需要使得電流角度較大。換言之，電流角度的增加意味著使得q軸的方向上的電流大于d方向上的電流。d軸電流分別使d軸方向上的鐵和q軸方向上的q軸電流自然飽和。由于d和q 方向上的通量在相同鐵件中流動，所以d方向的通量使q方向的鐵飽和，反之亦然。這意味著無法如大多數(shù)等同電路表示中一樣單獨考慮d和q方向。此處，將交軸電流對直軸電感的以及直軸電流對交軸電感的作用稱作交叉飽和。圖2和3中圖示了同步磁阻機的飽和。圖2和3示出了作為直軸和交軸電流id、 iq的函數(shù)的直軸電感Ld和交軸電感Lq。利用下面將說明的方法，通過真實機器進行電感的測量。從圖2和3中可見，電感根據(jù)電流變化很大。交叉飽和對d方向有顯著影響。對于小id值，Ld的值會在iq從零增加到相當大的值時減小多達數(shù)十個百分比。從兩電平電壓源逆變器或變頻器可得六個有效電壓向量。在圖4中，在具有軸χ 和y的定子參照系中示出了這些電壓向量，其中，χ表示實軸，y表示虛軸。在確定磁阻電機的電感的方法中采用逆變器和可得電壓向量。首先在沒有交叉飽和(即，iq = 0)的情況下測量d軸方向上的電感。在測量序列中，首先向機器的定子饋送DC電流以使得在已知方向上對齊轉子的d軸。此已知方向優(yōu)選地是電壓向量中的一個電壓向量的方向。在圖5中，對齊轉子以使得將它的d軸與電壓向量1的方向對齊。通過使用電壓向量1簡單地獲得此對齊。在轉動轉子之后，再次應用向量1?，F(xiàn)在所有電壓在d方向上，電流id開始增長。在施加電壓的情況下，以顯著高的速率對電流采樣。雖然DC鏈路電壓基本上恒定和已知，但也對電壓采樣是可取的。當電流上升到足夠高的值時，停止電壓脈沖。在脈沖之后，測量電流和電壓是可得的并且例如被存儲到可容易訪問的表。如果定子電阻已知，則可以將通量計算成
Ψ (Zc) = Ψ (A: -1) ^-^({uik) - Ri{k)) + (u(k -1) - Ri{k -1)))(3)等式(3)是使用塔斯延(Tustin)近似的、離散形式的(Ux-Rix)的積分。等式(3) 在與測量電流的時間瞬時對應的每個時間步長k產(chǎn)生通量值。當將計算的通量值除以相應采樣的電流值時，獲得圖2的上方的曲線圖，它示出了 d軸方向上的電感，而沒有q軸方向上的任何電流。電感行為的估計通過確定q軸方向上的電感的第二測量而繼續(xù)。在測量電壓脈沖之前，將轉子與DC電流再次對齊，以使得如圖6中所示，轉子的d軸與已知方向(如，定子參照系中的χ軸)成90度的角度。現(xiàn)在可以再次使用電壓向量1，電流僅在q軸方向上增長。如以上與d軸電感一樣進行電感的計算，在圖3的上方的曲線圖中繪制了結果。在第三測量中將交叉飽和作用考慮在內。對于交叉飽和的情況下的電感的測量， 由于構思是使交叉飽和電流保持在固定水平并如先前測試中一樣施加電壓脈沖，所以需要控制電流的直流或正交分量。對于d軸方向上的電感的測量，首先如第二測試中一樣對齊轉子，即，轉子的d軸如圖6中所示，與定子參照系的χ軸成90度的角度。接下來將轉子的交軸方向上(即，X軸方向上)的電流增加到期望值，該期望值可以是例如實踐中使用的最高值。電流使用一些簡單電流控制以較受控的方式或者通過脈沖狀電壓(只使用向量1)快速增長。電流iq現(xiàn)在處于它的設置值，并且可以開始測量。在測量中只使用圖4的電壓向量2和3。當使用向量2和3時，電壓在d方向上恒定。通過均衡電壓向量2和3，電流在d 軸方向上迅速升高并且使q軸方向上的電流保持恒定。需要控制器來保持q軸電流恒定。 此控制器根據(jù)q軸電流的幅度來選擇向量2和3的切換時間?？梢栽诳刂苢軸電流時使用簡單的PI控制器。如先前測試序列中一樣類似地收集數(shù)據(jù)。測量定子參照系的y軸方向上的電壓和電流。例如通過使用公式3，使用收集的數(shù)據(jù)(iy，uy)來計算通量。當將計算的通量除以相應電流時，獲得圖2的下電感曲線。在下一測量階段中，在交叉飽和的情況下確定q方向上的電感。流程與以上的流程類似?，F(xiàn)在，在測量之前轉動轉子，以使得如圖5中一樣將轉子的d軸與定子參照系的χ 軸對齊。在d軸的方向上控制DC電流，在q方向上饋送電壓脈沖。關于定子，脈沖與先前測試中的類似。在定子參照系的y軸方向上對電壓和電流采樣，根據(jù)從存儲的電壓和電流計算出的通量來計算電感。將獲得的電感曲線示出為圖3中下方的曲線。如以上所提到的，將磁阻機的轉子轉動到已知角度，或者在測試序列之前確定轉子的角度。如果轉子位置已知，則可以進行以上流程，以使得根本不轉動轉子。在該情形中， 測試期間使用的電壓向量是相鄰向量的組合，使得流程略微較復雜。在以上流程中，電感被確定為電流的函數(shù)。還可以將電感確定為通量的函數(shù)。以上的差異在于在交叉飽和測試期間，使d和q軸通量而不是d和q軸電流保持恒定。首先選擇通量參考，將產(chǎn)生的通量與選定參考相比較。在測試期間使用等式C3)來計算產(chǎn)生的通量，并且基于比較，如同電流參考的情形中一樣改變電壓向量。在此修改中，如同基于電流的確定的情形中一樣測量電流和電壓。在上述方法中可以確定同步磁阻機的整個飽和行為。由于獲得的電感被呈現(xiàn)為遍及可應用電流范圍的電流的函數(shù)，所以可以在任何電流處確定并存儲機器的電感。根據(jù)測量可以確定的電感包括具有和沒有交叉飽和這二者的情況下d方向和q方向上的同步電感和瞬態(tài)電感。此外，可以選擇測量中使用的交叉飽和的量，在具有不同飽和的各個方向上存在多于一個的交叉飽和測試。同步磁阻機的鐵損耗(即，渦流和磁滯損耗)使測量結果失真。例如，鐵損耗加速測試脈沖期間電流的升高。然而，在現(xiàn)代AC電機中這些損耗非常小。圖7示出了根據(jù)脈沖測試獲得的圖，其中，將電感測量期間獲得的通量值繪制成測量電流的函數(shù)。現(xiàn)在同步電感是從原點向曲線的選定點(即，向關注其電感的點)描繪的線的斜率?？梢愿鶕?jù)測量把瞬態(tài)電感獲得為作為電流的函數(shù)的通量在給定操作點的導數(shù)。如圖7中所示的，通過將獲得的通量除以電流來計算具有特定電流的同步電感。 在本發(fā)明的測試流程中確定通量和電流?？梢詫@得的同步電感和電流值存儲在存儲器中以便稍后使用，或者可以基于方法的測量建立數(shù)學電感模型。如果電感和電流數(shù)據(jù)被存儲， 則控制系統(tǒng)可以例如通過使用查找表來確定某個操作點中的電感。如果對于Ld(id，iq)和 Lq(id，iq)構建數(shù)學電感模型，則通過使用某一適當曲線擬合方法調節(jié)選定建模函數(shù)的參數(shù)?？梢愿鶕?jù)確定的通量值，基于連續(xù)點來進行導數(shù)(給出瞬態(tài)電感)的計算。最直接的方式是通過使用連續(xù)數(shù)據(jù)點對關注點擬合線以及隨后計算曲線的斜率?？梢詫⑦@些值存儲到查找表，或者可以通過使用針對同步電感建立的數(shù)學模型來分析地計算瞬態(tài)電感。電壓和電流的測量中的使用時間步長應當是小的，這是由于計算的準確性會在較小步長的情況下改進。由于電流十分迅速地升高，所以還有益的是，使用小時間步長使得可以在電流超過限制值之前適時地停止電壓脈沖，這使得逆變器或變頻器斷開。
本發(fā)明的設備包括適于進行本發(fā)明方法的裝置。具體地，裝置由能夠控制同步磁阻機的旋轉的系統(tǒng)形成或是該系統(tǒng)的一部分。這種系統(tǒng)是例如如下的變頻器其包括用于測量電流和DC鏈路電壓的測量電路、用于進行所需計算的處理器容量、以及可以存儲測量和計算數(shù)據(jù)且可以讀取數(shù)據(jù)和計算值的可訪問存儲器。通常，以自動方式進行本發(fā)明的流程。變頻器的操作員啟動流程，一旦進行測量，就將電感值存儲在存儲器中。流程會向操作員詢問交叉飽和測試的參考值，或者作為默認，流程使用預定參考值。對本領域技術人員而言明顯的是，隨著技術進步，可以通過各種方式實現(xiàn)本發(fā)明的構思。本發(fā)明和它的實施例不限于上述示例，而是可以在權利要求的范圍內變化。
權利要求
1.一種確定同步磁阻機的電感的方法，其特征在于， 在轉子的交軸或直軸方向上提供電壓脈沖， 對通過所提供的電壓脈沖生成的電流進行采樣，根據(jù)所提供的電壓脈沖的值、所采樣的電流值和定子電阻的值，來計算采樣瞬時處的通量值，通過將所計算的通量值除以所述相應采樣的電流，來計算所述機器的同步電感，和/或把所述機器的瞬態(tài)電感計算為所述通量關于電流的導數(shù)，以及存儲作為電流的函數(shù)的所述計算的值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟當在轉子的交軸或直軸方向上提供所述電壓脈沖之前，在與所述電壓脈沖的方向垂直的方向上磁化所述轉子，以獲得交叉飽和的情況下的電感值。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁化包括步驟 選擇用于交叉磁化的電流參考，在選定方向上提供電壓，測量通過所述電壓產(chǎn)生的電流，以及在脈沖測試的持續(xù)時間內將所述電流控制為所述電流參考。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁化包括步驟 選擇用于所述交叉磁化的通量參考，在選定方向上提供電壓， 測量通過所述電壓產(chǎn)生的電流，根據(jù)所提供的電壓脈沖的值、所采樣的電流值和所述定子電阻的值，來計算通過所述電壓產(chǎn)生的通量，以及在脈沖測試的持續(xù)時間內將所述通量控制為所述通量參考。
5.如前述權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，將所述計算的同步電感擬合為把所述同步電感的值提供為電流的函數(shù)的函數(shù)。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，把所述瞬態(tài)電感計算為所述函數(shù)的導數(shù)，所述函數(shù)把所述同步電感的值提供為電流的函數(shù)。
7.如前述權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟在所述測量序列之前，將所述機器的所述轉子轉向已知位置。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述已知位置是所述定子的χ或y軸的方向。
9.如前述權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟在所述測量序列之前，確定轉子位置。
10.一種確定同步磁阻機的電感的設備，其特征在于，所述設備包括 用于在轉子的交軸或直軸方向上提供電壓脈沖的裝置，用于對通過所提供的電壓脈沖生成的電流進行采樣的裝置，用于根據(jù)所提供的電壓脈沖的值、所采樣的電流值和定子電阻的值來計算采樣瞬時處的通量值的裝置，用于通過將所計算的通量值除以所述相應采樣的電流來計算所述機器的同步電感的裝置，和/或用于把所述機器的瞬態(tài)電感計算為所述通量關于電流的導數(shù)的裝置，以及用于存儲作為電流的函數(shù)的所述計算的值的裝置。
全文摘要
公開了一種確定同步磁阻機的電感的方法和設備。該方法包括步驟在轉子的交軸或直軸方向上提供電壓脈沖；對通過提供的電壓脈沖生成的電流進行采樣；根據(jù)提供的電壓脈沖的值、采樣的電流值和定子電阻的值來計算采樣瞬時的通量值，通過將所計算的通量值除以相應采樣的電流來計算機器的同步電感；和/或把機器的瞬態(tài)電感計算為通量關于電流的導數(shù)；以及存儲作為電流的函數(shù)的所述計算的值。
文檔編號G01R31/34GK102565540SQ20111037020
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2010年11月15日
發(fā)明者馬蒂·埃斯科拉, 馬蒂·韋亞寧 申請人:Abb公司