專(zhuān)利名稱(chēng)：用于使節(jié)能最大化的電機(jī)控制器系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在各負(fù)載情況下使AC(交流)感應(yīng)電機(jī)中的節(jié)能最大化的系統(tǒng)和 方法，更特別地，涉及使用數(shù)字信號(hào)處理器的系統(tǒng)和方法，其校準(zhǔn)控制線以確定電機(jī)的最有 效工作特性。
背景技術(shù)：
在與使用電機(jī)的控制線的節(jié)能電機(jī)控制器有關(guān)的現(xiàn)有系統(tǒng)和方法中，使用恒相角 和/或恒功率因數(shù)控制來(lái)確定控制線。這意味著，控制線是水平的并且電機(jī)控制器不能將 電機(jī)控制到各個(gè)負(fù)載情況的特定校準(zhǔn)的工作點(diǎn)來(lái)使節(jié)能最大化。從而，需要如下的用于AC感應(yīng)電機(jī)的方法和系統(tǒng)其將電機(jī)控制到各個(gè)負(fù)載情況 的特定的校準(zhǔn)的工作點(diǎn)。通過(guò)所有負(fù)載而獲得的工作點(diǎn)定義了控制線或控制曲線。此外，需 要如下的用于AC感應(yīng)電機(jī)的方法和系統(tǒng)其能夠識(shí)別何時(shí)電機(jī)開(kāi)始空轉(zhuǎn)以及何時(shí)要停轉(zhuǎn)、 并使用該信息來(lái)確定校準(zhǔn)后的控制線以便使在各個(gè)負(fù)載情況的節(jié)能最大化?，F(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利包括以下內(nèi)容專(zhuān)利/序列號(hào)發(fā)明人 授權(quán)/公布日期2008/0100245Turner05-01-2008
7，288，911MacKay10-30-2007
7，279，860MacKay10-09-2007
7，256，564MacKay08-14-2007
7，211，982Chang等人05-01-2007
7，081，729Chang等人07-25-2006
6，643，149Arnet等人11-04-2003
6，489，742Lumsden12-03-2002
5，506，484Munro等人04-09-1996
5，350，988Le09-27-199
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種可以在各個(gè)負(fù)載情況下使AC感應(yīng)電機(jī)中的節(jié)能最 大化的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供識(shí)別何時(shí)電機(jī)開(kāi)始空轉(zhuǎn)以及何時(shí)電機(jī)將要停轉(zhuǎn)的系統(tǒng) 和方法。本發(fā)明的又一目的是提供在各個(gè)負(fù)載情況下將電機(jī)控制到特定的校準(zhǔn)的工作點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一目的是提供能夠觀測(cè)AC感應(yīng)電機(jī)的工作特性的電機(jī)控制器。本發(fā)明的又一目的是提供當(dāng)AC感應(yīng)電機(jī)正在運(yùn)行并且在閉環(huán)控制下時(shí)，能夠?qū)?RMS電機(jī)電壓進(jìn)行校正的電機(jī)控制器。本發(fā)明的另一目的是提供能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)AC感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載變化的電機(jī)控制器。本發(fā)明通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)以上及其它的目的提供用于在各個(gè)負(fù)載情況下使電 機(jī)中的節(jié)能最大化的電機(jī)控制器系統(tǒng)和方法，其中，在一個(gè)或多個(gè)負(fù)載點(diǎn)處校準(zhǔn)電機(jī)；建立 控制線或控制曲線，該控制線或控制曲線然后被編程到電機(jī)控制器的非易失性存儲(chǔ)器中。 電機(jī)控制器的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的部分、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)具有觀測(cè)電機(jī)參數(shù)諸如電流、相角 和電機(jī)電壓的能力。作為半自動(dòng)校準(zhǔn)處理的一部分，該基于DSP的電機(jī)控制器還能夠在開(kāi) 環(huán)模式中控制觸發(fā)角/占空比。在正常工作中，基于DSP的電機(jī)控制器執(zhí)行閉環(huán)控制以保 持電機(jī)在計(jì)算的目標(biāo)控制點(diǎn)運(yùn)行，使得實(shí)現(xiàn)使節(jié)能最大化。這里描述的方法等效作用于單 相和三相電機(jī)。該方法的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)使用DSP來(lái)通過(guò)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器在分離的時(shí)間處對(duì)電機(jī)中的 電流和電壓進(jìn)行采樣。根據(jù)這些信號(hào)，DSP可以計(jì)算包括RMS電機(jī)電壓、RMS電流和相角的 關(guān)鍵電機(jī)參數(shù)。此外，基于DSP的電機(jī)控制器可以使用定時(shí)器和脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù) 以精確地控制RMS電機(jī)電壓。典型地，通過(guò)使用功率控制器件諸如TRIAC(三端雙向可控硅 開(kāi)關(guān)元件)、SCR (可控硅整流器)、IGBT (絕緣柵雙極型功率管)和M0SFET (金屬氧化物半 導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，當(dāng)閱讀以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的以上 及其它目的、特性和優(yōu)勢(shì)應(yīng)該變得更加明顯，其中，在附圖中示出并描述了本發(fā)明的例示性 實(shí)施例。


在以下的詳細(xì)描述中，將參考附圖進(jìn)行描述，其中圖1是本發(fā)明的具有硬件輸入和輸出的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的框圖，示出了硬 件輸入和輸出；圖2是本發(fā)明的基于DSP的電機(jī)控制器的框圖；圖3是示出本發(fā)明的相序(phase rotation)檢測(cè)方法的圖；圖4是示出本發(fā)明的相序檢測(cè)方法的流程圖；圖5是示出針對(duì)正相序的功率控制器件輸出的圖形；圖6是示出針對(duì)負(fù)相序的功率控制器件輸出的圖形；圖7是窗比較器的框圖；圖8是窗比較器的示意圖；圖9是電流波形和過(guò)零信號(hào)的圖形；圖10是虛中性電路的示意圖；圖11是示出針對(duì)單相應(yīng)用的功率控制器件輸出的圖形；圖12是示出本發(fā)明的三維控制線的三維圖形；圖13是示出投影到一個(gè)平面上的控制線的三維圖形；
圖14是示出二維繪制的控制線的圖形；圖15是示出在半自動(dòng)校準(zhǔn)中掃描觸發(fā)角/占空比的圖形；圖16是示出導(dǎo)引掃描的觸發(fā)角/占空比的圖形；圖17是示出繪制的半自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的圖形；圖18是示出繪制的半自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的圖形；圖19是示出繪制的半自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的圖形；圖20是半自動(dòng)高級(jí)校準(zhǔn)的流程圖；圖21是半自動(dòng)高級(jí)校準(zhǔn)的流程圖；圖22是手動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖；圖23是固定電壓鉗位的流程圖；圖24是示出RMS電機(jī)電壓鉗位的圖形；圖25是示出RMS電機(jī)電壓鉗位的圖形；圖26是停轉(zhuǎn)緩解技術(shù)的流程圖；以及圖27是示出停轉(zhuǎn)緩解技術(shù)的圖形。
具體實(shí)施方式
為了描述優(yōu)選實(shí)施例，所使用的術(shù)語(yǔ)按照附圖中的附圖標(biāo)記如下
1.數(shù)字系統(tǒng)處理器(DSP)2.硬件輸入
3.電機(jī)4.電機(jī)控制器
5.觀測(cè)到的相角6.控制線
7.通過(guò)掃描控制空間的觀測(cè)到的3.電源分壓電阻
校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線
9.電流10.目標(biāo)相角
11.相位誤差信號(hào)12.比例積分微分(PID)控制器
13.均方根(RMS)電機(jī)電壓14.功率控制器件輸出
15.相位A線電壓過(guò)零點(diǎn)16.相位B線電壓過(guò)零點(diǎn)
17.相位C線電壓過(guò)零點(diǎn)18.正相序
19.負(fù)相序20.上電復(fù)位(P0R)
21.停轉(zhuǎn)點(diǎn)22a、b、c相位接通時(shí)間
23.觸發(fā)角/占空比24.百分比負(fù)載
25.參變控制線26工作點(diǎn)
27.低輸出阻抗放大器28相位誤差
29.控制電壓30占b
31.拐點(diǎn)32校準(zhǔn)按鈕
33.功率控制器件34占r
35.電壓最小量(Vmin)36 相過(guò)零輸入
37.相線電壓38相電機(jī)電壓
39.測(cè)量時(shí)間40時(shí)間大于或小于90° ？
41. ABC旋轉(zhuǎn)42. ACB旋轉(zhuǎn)0078]43.點(diǎn)d44.置于加載配置0079]45.置于空載配置46.運(yùn)行校準(zhǔn)0080]47.控制線端部被校準(zhǔn)48.計(jì)算控制線0081]49.保存控制線50.線電壓0082]51.將觸發(fā)角/占空比設(shè)置為90°52.測(cè)量電機(jī)參數(shù)0083]53.檢測(cè)拐點(diǎn)54.將觸發(fā)角/占空比降低2°0084]55.保存相角和電機(jī)電壓56.重復(fù)四次0085]57.計(jì)算平均值58.增加觸發(fā)角/占空比0086]59.測(cè)量下一步60.固定的電壓鉗位0087]61.合并控制段62.模數(shù)轉(zhuǎn)換器0088]63.相位計(jì)算64.計(jì)算相位誤差0089]65.計(jì)算電壓誤差66.將RMS電機(jī)電壓與固定電壓閾值0090]比較0091]67.控制目標(biāo)是正的？68.運(yùn)行電壓環(huán)0092]69.運(yùn)行控制線環(huán)70.電機(jī)置于功率計(jì)上0093]71.將電機(jī)連接到計(jì)算機(jī)72.增加觸發(fā)角/占空比并且降低電壓0094]73.記錄校準(zhǔn)點(diǎn)74.啟動(dòng)電機(jī)0095]75.調(diào)整觸發(fā)角/占空比76.形成控制線0096]77.差動(dòng)到單端放大器78.輸入電阻0097]79.衰減器80.反饋電阻0098]81.接地參考電阻82.保護(hù)二極管0099]83.求和放大器84. DC阻隔電容0100]85.求和電阻86.中性點(diǎn)0101]87.用于交替的中性連接的跳線塊88.窗比較器0102]89.提供電機(jī)電流90.提供正電壓0103]91.提供負(fù)電壓92.電壓經(jīng)過(guò)兩個(gè)比較器0104]93.電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算(OR)門(mén)94.創(chuàng)建過(guò)零數(shù)字信號(hào)0105]95.電流波形96.正電壓半周0106]97.負(fù)電壓半周98. OR函數(shù)0107]99.DSP監(jiān)視電流的增加100.觀測(cè)到增加0108]101.將電機(jī)電壓變成全面開(kāi)通102.將電機(jī)電壓降低到控制線0109]103.電機(jī)上的負(fù)載104.施加到電機(jī)上的功率0110]105.點(diǎn)a106.計(jì)數(shù)掃描0111]參考圖1，其示出本發(fā)明的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)l和硬件輸入及輸出的框圖。
DSP1可以觀測(cè)電機(jī)的工作特性并且對(duì)于正在運(yùn)行且在閉環(huán)控制下的電機(jī)進(jìn)行均方根 (RMS)電壓校正。硬件輸入2獲得相過(guò)零輸入36、相線電壓37、相電機(jī)電壓38以及電流9， 并通過(guò)DSP1處理，然后通過(guò)功率控制器件輸出14輸出到功率控制器件上。
現(xiàn)在參考圖2，其示出本發(fā)明的基于DSP的電機(jī)控制器4的系統(tǒng)和方法的框圖。首 先，電機(jī)控制器4讀取各相A、B和C的電壓37和電流9以獲得過(guò)零輸入36。在此，使用轉(zhuǎn)換器62可把電壓13和電流9從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字。接下來(lái)，執(zhí)行每相的電機(jī)相角的計(jì)算63 以產(chǎn)生觀測(cè)到的相角5。接下來(lái)，將通過(guò)預(yù)編程的控制線6推導(dǎo)出的目標(biāo)相角10與觀測(cè)到的 相角5比較。目標(biāo)相角10與觀測(cè)到的相角5之間的差異產(chǎn)生作為結(jié)果的相位誤差信號(hào)11， 其由稱(chēng)為比例積分微分(PID)控制器12的數(shù)字濾波器處理，其中，比例積分微分(PID)控 制器12具有比例、積分和微分部分。來(lái)自PID控制器12的輸出是到電機(jī)3的新控制電壓以 產(chǎn)生RMS電機(jī)電壓13的功率控制器件輸出14，所述新控制電壓可以通過(guò)使用諸如TRIAC、 SCR、IGBT或M0SFET的功率控制器件33而獲得，其中，為了使節(jié)能最大化，為RMS電機(jī)電壓 13每相供應(yīng)線電壓50。在該閉環(huán)系統(tǒng)中，不斷地監(jiān)視電機(jī)3的每相的電壓13和電流。電機(jī)控制器4將把 觀測(cè)到的相角5驅(qū)動(dòng)到校準(zhǔn)后的控制線6上對(duì)應(yīng)于電機(jī)上的負(fù)載的點(diǎn)。在該點(diǎn)處，由于控 制線6基于來(lái)自電機(jī)3的已知校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所以可以將實(shí)現(xiàn)使節(jié)能最大化。電機(jī)控制器4可 以如技術(shù)員手工設(shè)置電壓13 —樣來(lái)控制電機(jī)3。差別在于，DSP1可以動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載 中的變化并且逐周地進(jìn)行這些調(diào)整?，F(xiàn)在參考圖3，在三相系統(tǒng)中，電機(jī)控制器4用于自動(dòng)確定相序。線電壓上的過(guò)零 檢測(cè)器提供對(duì)相位A線電壓過(guò)零點(diǎn)15與相位B線電壓過(guò)零點(diǎn)16之間角度的準(zhǔn)確測(cè)量。對(duì) 于正相序18，角度標(biāo)稱(chēng)為120° ；而對(duì)于負(fù)相序19，角度標(biāo)稱(chēng)為60°。參考圖4，其示出相序檢測(cè)的流程圖。在上電復(fù)位(P0R) 20之后，電機(jī)控制器4可 以容易地確定正相序18和負(fù)相序19。首先，測(cè)量從相位A線電壓過(guò)零點(diǎn)到相位B線電壓過(guò) 零點(diǎn)的時(shí)間(39)。接下來(lái)，確定時(shí)間是否大于或者小于90度(40)。如果大于90度，則是 ACB旋轉(zhuǎn)(42)。如果時(shí)間小于90度，則是ABC旋轉(zhuǎn)(41)。本發(fā)明的電機(jī)控制器4可以利用 相同的基本軟件和硬件結(jié)構(gòu)來(lái)控制三相或單相電機(jī)。對(duì)于三相的情況，電機(jī)控制器4可以 根據(jù)相序來(lái)驅(qū)動(dòng)功率控制器件輸出14?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖5，圖5示出針對(duì)正驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的功率控制器件輸出，電機(jī)控制器在由橢 圓22a表示的相位A線電壓過(guò)零點(diǎn)15接通時(shí)間期間，一起驅(qū)動(dòng)相位A功率控制器件輸出14 和相位B功率控制器件輸出14。類(lèi)似地，電機(jī)控制器在由橢圓22b表示的相位B接通時(shí)間 期間驅(qū)動(dòng)功率控制器件(一起驅(qū)動(dòng)相位B功率控制器件輸出16和相位C功率控制器件輸 出14)。最后，電機(jī)控制器4在由橢圓22c表示的相位C功率控制器件輸出14接通時(shí)間期 間，一起驅(qū)動(dòng)相位C功率控制器件輸出17和相位A功率控制器件輸出14。注意，圖5和6 中示出的示例繪制了 90°的觸發(fā)角/占空比23?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖6，圖6示出針對(duì)負(fù)相序的TRIAC驅(qū)動(dòng)輸出，電機(jī)控制器4在由橢圓22c 表示的相位A線電壓過(guò)零點(diǎn)15接通時(shí)間期間，一起驅(qū)動(dòng)相位A功率控制器件輸出14和相 位C功率控制器件輸出14。類(lèi)似地，電機(jī)控制器4在由橢圓22a表示的相位B線電壓過(guò)零 點(diǎn)16接通時(shí)間期間，一起驅(qū)動(dòng)相位B功率控制器件輸出16和相位A功率控制器件輸出14。 最后，電機(jī)控制器在由橢圓22b表示的相位C線電壓過(guò)零點(diǎn)17接通時(shí)間期間，一起驅(qū)動(dòng)相 位C功率控制器件輸出14和相位B功率控制器件輸出14。現(xiàn)在參考圖7，圖7示出窗比較器的框圖。本發(fā)明的基于DSP的電機(jī)控制器使用窗 比較器88來(lái)檢測(cè)電流波形的正半部分和負(fù)半部分的過(guò)零點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)控制器降低RMS電機(jī) 電壓時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)半周的顯著部分的電流是零，因此難以檢測(cè)出電流波形的過(guò)零點(diǎn)。首先， 提供電機(jī)電流89，提供正電壓90作為正半周的參考并且提供負(fù)電壓91作為參考。接下來(lái)，
10將電流、正電壓和負(fù)電壓呈現(xiàn)給兩個(gè)比較器92，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算(OR)門(mén)93以創(chuàng)建組合過(guò)零數(shù)
字信號(hào)94。此外如圖8所例示，其示出窗比較器88的示意圖。提供電機(jī)電流89，提供正電壓 90作為正半周的參考并且提供負(fù)電壓91作為參考。接下來(lái)，兩個(gè)比較器92處理表示為正 電壓和負(fù)電壓的電流，然后將它們傳送到OR門(mén)93以創(chuàng)建組合過(guò)零數(shù)字信號(hào)94。此外，圖9示出電流波形95、正電壓半周96、負(fù)電壓半周97和OR函數(shù)98的圖形。現(xiàn)在參考圖10，其示出虛中性電路的示意圖。在三相功率僅在德?tīng)査Ｊ街锌捎?并且沒(méi)有給出中性點(diǎn)用作參考的情況下，可使用虛中性電路作為參考。虛中性電路包括三 個(gè)差動(dòng)到單端放大器77。由于相到相電壓很高，因此使用輸入電阻78連同反饋電阻80和 接地參考電阻81來(lái)形成合適的衰減器79。由于存在相位損失的危險(xiǎn)，因此使用保護(hù)二極管 82來(lái)保護(hù)差動(dòng)到單端放大器77。差動(dòng)到單端放大器77連同反饋電阻80通過(guò)DC阻隔電容 84和求和電阻85耦合到求和放大器83。放大器27對(duì)求和放大器83的輸出進(jìn)行增強(qiáng)，從 而提供中性電勢(shì)的低阻抗輸出。另外的電阻對(duì)供電干線進(jìn)行劃分，從而允許求和放大器83 來(lái)處理交替的正和負(fù)信號(hào)。在中性點(diǎn)86以及交替的中性連接的跳線塊87可用的情況下， 交替的連接是可用的。現(xiàn)在參考圖11，圖11示出針對(duì)單相應(yīng)用的功率控制器件輸出14，相位A的輸出14 基于從電壓過(guò)零輸入15推導(dǎo)出的功率控制器件輸出14而在每個(gè)半周接通。在DSP 1中禁 用相位B線電壓過(guò)零點(diǎn)和相位C線電壓過(guò)零點(diǎn)的功率控制器件輸出14，并且可以不提供硬 件。在三相的情況下，功率控制器件輸出14是不成對(duì)的?，F(xiàn)在參考圖12，圖12針對(duì)受y軸上觀測(cè)到的相角5約束的電機(jī)的電機(jī)工作空間例 示了三維控制線。在x軸上示出了表示電壓下降的受控的觸發(fā)角/占空比23并且在z軸 上示出電機(jī)上的百分比負(fù)載24。每個(gè)電機(jī)在其工作空間內(nèi)按照參變控制線25工作。例如， 當(dāng)給定電機(jī)是50%負(fù)載并且將觸發(fā)角/占空比23被設(shè)置為100°時(shí)，觀測(cè)到相角5近似為 55°。通從左上角中的加載情況44到右下角中的空載情況45的范圍內(nèi)的五個(gè)參變工作 點(diǎn)26限定了圖12中示出的參變控制線25。此外，由于參變控制線25是電機(jī)可能在使用最 少能量時(shí)的線，因此它具有具體意義。如果增加觸發(fā)角/占空比23并且降低電機(jī)電壓13， 那么電機(jī)將減慢并且可能停轉(zhuǎn)。如果增加電機(jī)3上的負(fù)載，那么將看到類(lèi)似的結(jié)果。如圖13所例示，將參變控制線25用參數(shù)表示并且投影到一個(gè)平面上，其中，所述 平面由垂直方向中的相角5以及水平方向中的觸發(fā)角/占空比23描述。此外，如圖14所示，將參變控制線25顯示在二維圖形上。在x軸上，增加觸發(fā)角 /占空比23可等效于降低電機(jī)電壓。這是因?yàn)樾∮|發(fā)角/占空比產(chǎn)生高電壓以及大觸發(fā) 角/占空比產(chǎn)生低電壓。電機(jī)控制器將把觀測(cè)到的相角5驅(qū)動(dòng)到控制線25上與電機(jī)上當(dāng) 前負(fù)載對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，DSP計(jì)算電壓和電流之間的相角5。返回參考圖2的框圖，DSP1然后基于RMS電壓13的當(dāng)前值、或等效的觸發(fā)角/占 空比的當(dāng)前值而計(jì)算下一個(gè)目標(biāo)相角5。觀測(cè)到的相角和目標(biāo)相角10之間的差異產(chǎn)生相角 誤差，其通過(guò)比例積分微分(PID)控制器12或類(lèi)似器件進(jìn)行處理以生成新的控制目標(biāo)。該 控制目標(biāo)以使相角誤差最小的方式改變電壓。目標(biāo)相角10是動(dòng)態(tài)的并且根據(jù)觸發(fā)角/占 空比而改變。
11
如上所述，電機(jī)控制器4將把觀測(cè)到的相角5驅(qū)動(dòng)到控制線25上與電機(jī)3上當(dāng)前 負(fù)載對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上。由于控制線25是根據(jù)正受控的電機(jī)3直接校準(zhǔn)的，因此該工作點(diǎn)26可 提供可能的最大節(jié)能。該用于校準(zhǔn)的優(yōu)選方法稱(chēng)為半自動(dòng)校準(zhǔn)。半自動(dòng)校準(zhǔn)基于對(duì)電機(jī)的控制空間進(jìn)行 掃描的DSP1。如圖15所示，掃描控制空間意味著DSP增加觸發(fā)角/占空比23并且沿途在 離散點(diǎn)記錄每相的電流9和觸發(fā)角/占空比23。因此，以該方式可以看到電機(jī)的停轉(zhuǎn)點(diǎn)21 的開(kāi)端。用于確定控制線6上的點(diǎn)的、通過(guò)掃描控制空間而獲得的觀測(cè)到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線 7的明確的線性部分在較低的觸發(fā)角/占空比23處具有恒定的負(fù)斜率。然后，隨著觸發(fā)角 /占空比23不斷增加，電流9開(kāi)始變平；并且隨著電機(jī)3開(kāi)始空轉(zhuǎn)并且開(kāi)始停轉(zhuǎn)(即稱(chēng)為 “拐點(diǎn)” 31)，電流9實(shí)際上開(kāi)始增加。如圖16所示，隨后的掃描可以被導(dǎo)引在電機(jī)電壓的較小范圍處，以在拐點(diǎn)上“放 大”。為了得到統(tǒng)計(jì)上準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，電機(jī)控制器4需要多次掃描。在掃描次數(shù)和校準(zhǔn)控制線 25所需時(shí)間之間存在折衷。可以由DSP1使用公知的統(tǒng)計(jì)處理來(lái)維持對(duì)校準(zhǔn)質(zhì)量的測(cè)量，并 且如果需要，可以進(jìn)行額外的掃描。由于DSP1通過(guò)第一次掃描知道了拐點(diǎn)31的近似位置， 因此這是可以實(shí)現(xiàn)的。由于裝置的受控環(huán)境，因此在半自動(dòng)掃描期間幾乎不存在停轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。技術(shù)員或 操作員有助于確保在進(jìn)行半自動(dòng)校準(zhǔn)的同時(shí)，不會(huì)向在測(cè)試中的電機(jī)3突然施加負(fù)載。可以以任何固定的負(fù)載執(zhí)行掃描控制空間的處理。例如，可以利用滿載的電機(jī)3 執(zhí)行一次并且利用空載的電機(jī)3執(zhí)行一次。這兩個(gè)點(diǎn)變成限定控制線25的兩個(gè)點(diǎn)。也不 必恰好在這兩個(gè)點(diǎn)執(zhí)行校準(zhǔn)。如果需要，DSP1將在這兩個(gè)點(diǎn)之外延展控制線25。存在許多可以用來(lái)尋找電流_電機(jī)電壓的圖23中的停轉(zhuǎn)點(diǎn)21的數(shù)值方法。如圖 17所示，優(yōu)選的方法是使用“最小二乘”法來(lái)計(jì)算出最好地?cái)M合累積數(shù)據(jù)(通過(guò)最初五個(gè)電 機(jī)電壓23而列出)的直線。在圖18中示出該方法的繼續(xù)。使用在前的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可預(yù)測(cè)電流9的值。用圖表表 示，DSP1檢查與預(yù)測(cè)出的直線的正方向偏離的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)。如圖19所示，DSP1尋找曲線中的拐點(diǎn)的開(kāi)端。偏離預(yù)測(cè)出的控制線的第一個(gè)點(diǎn) 可以是或不是拐點(diǎn)31的開(kāi)端。具有正誤差的第一個(gè)點(diǎn)僅僅是噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)。驗(yàn)證通過(guò)掃描 控制空間而獲得的觀測(cè)到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線7翻轉(zhuǎn)的唯一方式是觀測(cè)通過(guò)額外掃描而獲得 的數(shù)據(jù)。可以在實(shí)際應(yīng)用中執(zhí)行半自動(dòng)校準(zhǔn)。現(xiàn)在參考圖20，其示出了顯示如何執(zhí)行半自 動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖。首先，將電機(jī)3置于重負(fù)載配置(44)。理想地，該配置多于滿額定負(fù)載的 50%。接下來(lái)，按壓電機(jī)控制器4上的校準(zhǔn)按鈕(32)以告訴DSP1來(lái)執(zhí)行滿載測(cè)量。DSP1 運(yùn)行校準(zhǔn)(46)，其需要幾秒鐘來(lái)探測(cè)電機(jī)3的工作空間以確定滿載點(diǎn)。電機(jī)控制器4通過(guò) 接通發(fā)光二級(jí)管(LED)表示已經(jīng)完成了該步驟。接下來(lái)，將電機(jī)3置于空載配置(45)。理想地，該配置小于額定負(fù)載的25 %。然后， 按壓電機(jī)控制器4上的校準(zhǔn)按鈕(32)以告訴DSP1來(lái)執(zhí)行空載測(cè)量。DSP1運(yùn)行校準(zhǔn)(46) 以確定空載點(diǎn)。電機(jī)控制器4通過(guò)接通發(fā)光二級(jí)管(LED)表示已經(jīng)完成了控制線25兩端 (47)的校準(zhǔn)。DSP1然后使用所述兩個(gè)測(cè)量確定控制線48并且當(dāng)它操縱電機(jī)3時(shí)應(yīng)用該控 制線。將控制線25的值存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器49中。
圖21示出半自動(dòng)校準(zhǔn)的更詳細(xì)的流程圖。首先，利用設(shè)置為特定度數(shù)的電機(jī)電 壓(51)來(lái)運(yùn)行第一次校準(zhǔn)掃描(46)，根據(jù)是運(yùn)行了第一次掃描還是運(yùn)行了在前的掃描 (106)，電機(jī)控制器測(cè)量電機(jī)(52)直到電機(jī)控制器檢測(cè)到拐點(diǎn)(53)。如果檢測(cè)到拐點(diǎn)(53)， 那么將觸發(fā)角/占空比降低兩度(54)并且將相角和電機(jī)電壓記錄到存儲(chǔ)器(55)。重復(fù)該處 理以獲得至少四次掃描(56)從而得到相角和觸發(fā)角/占空比的計(jì)算平均值(57)。如果在 校準(zhǔn)掃描中的任意步驟期間，沒(méi)有檢測(cè)到拐點(diǎn)，那么將觸發(fā)角/占空比增加至少一度(58) 并且執(zhí)行循環(huán)步驟(59)。用于校準(zhǔn)的可替選方法稱(chēng)為手動(dòng)校準(zhǔn)。圖22示出手動(dòng)校準(zhǔn)的流程圖。首先，將電 機(jī)置于功率計(jì)上(70)。接下來(lái)，將電機(jī)連接到用于手動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)上(71)，所述計(jì)算機(jī) 允許電機(jī)以開(kāi)環(huán)模式運(yùn)行并且允許將AC感應(yīng)電機(jī)的觸發(fā)角/占空比手動(dòng)設(shè)置到任意工作 點(diǎn)。然后，將電機(jī)置于空載配置(45)。接下來(lái)，增加觸發(fā)角/占空比并且降低RMS電機(jī)電壓
(72)直到電機(jī)恰好將要停轉(zhuǎn)。記錄所述觸發(fā)角/占空比和相角并且這變成記錄的校準(zhǔn)點(diǎn)
(73)。然后全面開(kāi)通驅(qū)動(dòng)元件來(lái)啟動(dòng)電機(jī)(74)。然后將電機(jī)置于滿載配置(44)。接下來(lái)， 增加或降低觸發(fā)角/占空比直到電機(jī)恰好將要停轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)控制器斬?cái)郣MS電機(jī)電壓(75)。 記錄所述觸發(fā)角/占空比并且這變成被記錄的另一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)(73)。最后，所述兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn) 用于形成控制線(76)。當(dāng)RMS線電壓大于編程的固定電壓時(shí)，DSP控制器將RMS電機(jī)電壓鉗位在該固定 電壓處，使得即使在滿載處也可能節(jié)能。例如，在單相電機(jī)的情況下，如果主電壓高于115V 的電機(jī)銘牌額定電壓，那么將電機(jī)電壓鉗位在115V處。即使當(dāng)電機(jī)在單相或三相應(yīng)用中滿 載時(shí)，該鉗位電機(jī)電壓的操作也允許電機(jī)控制器來(lái)節(jié)省能量。圖23示出固定電壓鉗位的流程圖。首先，計(jì)算相位誤差(64)。接下來(lái)，計(jì)算電壓 誤差(65)。然后，確定AC感應(yīng)電機(jī)的RMS電機(jī)電壓并將它與固定電壓閾值比較(66)。如 果RMS電機(jī)電壓大于固定電壓閾值，那么確定控制目標(biāo)是否為正(67)。如果控制目標(biāo)為正， 那么運(yùn)行電壓控制環(huán)(68)。如果AC感應(yīng)電機(jī)的RMS電機(jī)電壓小于固定電壓閾值，那么運(yùn)行 控制線閉環(huán)(69)并且重復(fù)整個(gè)處理。如果確定控制目標(biāo)不為正，那么運(yùn)行控制線環(huán)(69) 并且再重復(fù)整個(gè)處理。在一些情況下，在校準(zhǔn)處理期間，不可能完全滿載電機(jī)3。當(dāng)將電機(jī)安裝在實(shí)際應(yīng) 用中時(shí)，大概50%是達(dá)到最大負(fù)載。相反，不可能完全空載電機(jī)，這是因?yàn)橹挥?0%達(dá)到最 輕負(fù)載。圖24示出接近工作范圍的中間的兩個(gè)負(fù)載點(diǎn)的示例。在控制線25的右側(cè)處的空 載端45上，DSP1將把電壓的固定電壓鉗位60設(shè)置為最小電壓35。當(dāng)電機(jī)上的負(fù)載增加 時(shí)，DSP1將沿著控制線移動(dòng)到左上控制段61。該實(shí)現(xiàn)是保守的方式并且防止電機(jī)3在未校 準(zhǔn)的空間運(yùn)行。此外如圖25所示，在左側(cè)處的滿載端44，DSP1將合并具有較大負(fù)斜率的控制段 61。該實(shí)現(xiàn)是保守的方式并且驅(qū)動(dòng)電壓全面開(kāi)通。現(xiàn)在參考圖26，基于DSP的電機(jī)控制器使用具體的技術(shù)來(lái)防止電機(jī)停轉(zhuǎn)。首先， DSP主動(dòng)監(jiān)視電流的顯著增加(99)，所述電流的顯著增加表示電機(jī)上的負(fù)載增加了。接下 來(lái)，如果觀測(cè)到顯著增加(100)，那么DSP將電機(jī)電壓變成全面開(kāi)通(101)。接下來(lái)，DSP將 試圖降低電機(jī)電壓以回到控制線(102)并且DSP回到主動(dòng)監(jiān)視電流的顯著增加(99)。對(duì)于 DSP試圖跟蹤此時(shí)未知的功率需求而言，該技術(shù)是保守并安全的替選方案。
此外如圖27所示，其是停轉(zhuǎn)緩減技術(shù)的圖形，在x軸上表示電機(jī)上的負(fù)載并且在 y軸上表示時(shí)間。下面的線表示電機(jī)上的負(fù)載(103)并且上面的線表示由DSP施加到電機(jī) 上的功率(104)。在點(diǎn)al05之前，DSP動(dòng)態(tài)地控制固定負(fù)載處的電機(jī)。在點(diǎn)al05和點(diǎn)b30 之間，電機(jī)上的負(fù)載突然增加并且DSP將電機(jī)電壓變成全面開(kāi)通。在點(diǎn)c34處，DSP將電機(jī) 電壓減少到點(diǎn)d43。盡管公開(kāi)了用于使節(jié)能最大化的電機(jī)控制器方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)該 理解，本發(fā)明并不限于這里描述和示出部分的具體形式或布置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可 以認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可進(jìn)行各種改變，并且本發(fā)明的范圍不限于說(shuō)明 書(shū)和附圖中示出和描述的內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種用于控制AC感應(yīng)電機(jī)以使節(jié)能最大化的系統(tǒng)包括用于將電機(jī)控制器連接到AC感應(yīng)電機(jī)的裝置；用于將負(fù)載置于所述AC感應(yīng)電機(jī)上的裝置；用于從所述AC感應(yīng)電機(jī)移除負(fù)載的裝置；用于掃描所述AC感應(yīng)電機(jī)的控制空間并對(duì)所述AC感應(yīng)電機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的裝置；用于根據(jù)所述測(cè)量來(lái)建立控制線的裝置；用于將所述控制線存儲(chǔ)到所述電機(jī)控制器中的裝置；用于控制所述工作參數(shù)的裝置；以及用于執(zhí)行所述AC感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制以保持所述電機(jī)按照所述控制線來(lái)運(yùn)行的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于將所述AC感應(yīng)電機(jī)置于滿載配置的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于將所述AC感應(yīng)電機(jī)置于空載配置的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括 測(cè)量所述AC感應(yīng)電機(jī)的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)所述AC感應(yīng)電機(jī)的所述電流測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括 測(cè)量所述AC感應(yīng)電機(jī)的相角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)所述AC感應(yīng)電機(jī)的所述相角測(cè)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于控制所述AC感應(yīng)電機(jī)的觸發(fā)角/占空比的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)用于控制所述AC感應(yīng)電機(jī)的所述觸發(fā)角/占空比的所述裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)改變所述AC感應(yīng)電機(jī)的均方根電機(jī)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)用于掃描所述AC感應(yīng)電機(jī)的所述 控制空間以及觀測(cè)和測(cè)量所述工作參數(shù)的所述裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中用于改變所述AC感應(yīng)電機(jī)的所述均方根電機(jī)電壓的所述裝置是數(shù)字信號(hào)處理器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)用于根據(jù)所述測(cè)量建立控制線的所述裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于在所述電機(jī)控制器中存儲(chǔ)所述控制線的所述裝置是非易失性存儲(chǔ)器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于執(zhí)行所述AC感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制以保持所述電機(jī)按照所述控制線運(yùn)行的所述裝置是數(shù)字信號(hào)處理器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中用于執(zhí)行所述AC感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制以保持所述電機(jī)按照所述控制線運(yùn)行的所述裝 置是脈沖寬度調(diào)制。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中使用至少一個(gè)TRIAC驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中使用至少一個(gè)SCR驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中使用至少一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中使用至少一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于將所述電機(jī)的電壓鉗位在最大電壓處的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于防止所述AC感應(yīng)電機(jī)以低于最小電壓的電壓運(yùn)行的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括 用于確定作為參考的虛擬中性位置的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括用于檢測(cè)所述AC感應(yīng)電機(jī)中電流波形的正半部分和負(fù)半部分的過(guò)零點(diǎn)的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中用于檢測(cè)電流波形的正半部分和負(fù)半部分的過(guò)零點(diǎn)的所述裝置是至少一個(gè)窗比較器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中正電壓被提供給所述至少一個(gè)窗比較器作為正半周的參考； 負(fù)電壓被提供給所述至少一個(gè)窗比較器作為負(fù)半周的參考； 形成所述至少一個(gè)窗比較器的信號(hào)經(jīng)過(guò)OR門(mén)以創(chuàng)建組合電流過(guò)零數(shù)字信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)還包括 用于防止所述AC感應(yīng)電機(jī)停轉(zhuǎn)的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中在DSP針對(duì)電機(jī)電流的增加而不斷掃描所述AC感應(yīng)電機(jī)時(shí)，DSP主動(dòng)控制所述AC感 應(yīng)電機(jī)；當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)電流的增加時(shí)，所述DSP將電機(jī)電壓變成完全開(kāi)通；以及 在電流回到較低電平之后，所述DSP降低所述電機(jī)電壓以符合控制線。
28.一種用于控制AC感應(yīng)電機(jī)以使節(jié)能最大化的方法包括如下步驟a.將電機(jī)控制器連接到AC感應(yīng)電機(jī)；b.掃描所述AC感應(yīng)電機(jī)的控制空間以及在所述控制空間中觀測(cè)并測(cè)量所述AC感應(yīng)電 機(jī)的工作參數(shù)；c.根據(jù)所述參數(shù)建立所述AC感應(yīng)電機(jī)的控制線；d.將所述控制線存儲(chǔ)到所述電機(jī)控制器中；e.沿著所述控制線來(lái)控制所述工作參數(shù)；以及f.執(zhí)行所述AC感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制以保持所述電機(jī)按照所述控制線運(yùn)行。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中步驟b包括 將所述AC感應(yīng)電機(jī)置于完全負(fù)載配置；確定所述AC感應(yīng)電機(jī)的滿載點(diǎn)； 將所述AC感應(yīng)電機(jī)置于空載配置；以及 確定所述AC感應(yīng)電機(jī)的空載點(diǎn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法還包括連接所述AC感應(yīng)電機(jī)的滿載和空載點(diǎn)以建立所述電機(jī)的控制線。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法在步驟d之后還包括步驟將所述AC感應(yīng)電機(jī)的觸發(fā)角/占空比從八十度增加到一百五十度并且沿著所述控制 線記錄電流和相角。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法還包括步驟 沿著所述控制線記錄電流和相角。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中步驟e包括使用脈沖寬度調(diào)制沿著所述控制線來(lái)控制電壓的工作參數(shù)。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中使用至少一個(gè)TRIAC驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中使用至少一個(gè)SCR驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中使用至少一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中使用至少一個(gè)M0SFET驅(qū)動(dòng)器來(lái)執(zhí)行所述脈沖寬度調(diào)制。
38.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中步驟e還包括將電壓的工作參數(shù)鉗位在最小電壓處并且不允許所述AC感應(yīng)電機(jī)以低于最小電壓的 電壓運(yùn)行。
39.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法在步驟b之后還包括步驟 確定用作參考的虛擬中性位置。
40.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法在步驟b之后還包括步驟檢測(cè)所述AC感應(yīng)電機(jī)中電流波形的正半部分和負(fù)半部分的過(guò)零點(diǎn)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中將正電壓提供給所述至少一個(gè)窗比較器作為正半周的參考； 將負(fù)電壓提供給所述至少一個(gè)窗比較器作為負(fù)半周的參考； 形成所述至少一個(gè)窗比較器的信號(hào)經(jīng)過(guò)OR門(mén)以創(chuàng)建組合電流過(guò)零數(shù)字信號(hào)。
42.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法在步驟f之后還包括步驟 防止所述AC感應(yīng)電機(jī)停轉(zhuǎn)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的方法，其中在DSP針對(duì)電機(jī)電流的增加而不斷掃描所述AC感應(yīng)電機(jī)時(shí)，DSP主動(dòng)控制所述AC感應(yīng)電機(jī)；當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)電流的增加時(shí)，所述DSP將電機(jī)電壓變成完全開(kāi)通；以及 在電流回到較低電平之后，所述DSP降低所述電機(jī)電壓以符合控制線。
全文摘要
用于在各負(fù)載情況下使AC感應(yīng)電機(jī)(3)中的節(jié)能最大化的電機(jī)控制器(4)和方法，其中，在兩個(gè)或多個(gè)負(fù)載點(diǎn)處校準(zhǔn)電機(jī)以建立控制線(6)，所述控制線(6)然后被編程到電機(jī)控制器的非易失性存儲(chǔ)器(30)中。基于DSP的閉環(huán)電機(jī)控制器觀測(cè)電機(jī)的電機(jī)參數(shù)諸如觸發(fā)角/占空比(23)、電壓(37)、電流(9)和相角，以達(dá)到沿著控制線以任意負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)所需的最小電壓。電機(jī)控制器執(zhí)行閉環(huán)控制以保持電機(jī)在計(jì)算出的目標(biāo)控制點(diǎn)運(yùn)行，使得通過(guò)經(jīng)脈沖寬度調(diào)制降低電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)使節(jié)能最大化。
文檔編號(hào)H02K21/38GK101855813SQ200880115946
公開(kāi)日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2008年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者保羅·H·凱利 申請(qǐng)人:智能動(dòng)力股份有限公司