控制同步電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包括在通過(guò)輸出相(1、2、3)與同步電動(dòng)機(jī)(M)連接的速度選擇器中的控制系統(tǒng)，所述同步電動(dòng)機(jī)(M)按照由速度選擇器實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)則(LC)控制。同步電動(dòng)機(jī)的第一速度(W1s)由第一速度估計(jì)器(E1)確定。第二速度估計(jì)器(E2)用于確定同步電動(dòng)機(jī)(M)的第二速度(W2s)。該系統(tǒng)包含安排成將考慮到非恒定電流信號(hào)(Idest)的電壓施加于輸出相(1、2、3)的信號(hào)生成模塊(MS)。該第二估計(jì)器被安排成恢復(fù)輸出相上的電流響應(yīng)(I1，I2，I3)，以便從中導(dǎo)出同步電動(dòng)機(jī)的第二速度(W2s)。
【專利說(shuō)明】控制同步電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在與同步電動(dòng)機(jī)連接的變速驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在同步電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，電機(jī)的定子上的電流是零，但電機(jī)可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此具有非零速度。在功能安全性的背景下，眾所周知，通過(guò)以冗余方式執(zhí)行兩種不同、獨(dú)立算法來(lái)監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的速度。因此，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)而定子上的電流是零時(shí)，利用基于定子上的電流的算法估計(jì)電機(jī)的速度可能變得困難。
[0003]高頻注入技術(shù)使得可以估計(jì)電機(jī)的角度，因此可以估計(jì)它的旋轉(zhuǎn)速度。在專利申請(qǐng)US2007/0236167A1中就是這樣的情況。這種方案的缺點(diǎn)之一是必須充分解耦時(shí)間尺度(相對(duì)于旋轉(zhuǎn)頻率，該注入必須要快)。電流波動(dòng)足以忽略電流傳感器的非線性效應(yīng)(例如，量化)也是必要的。
[0004]本發(fā)明的目的是提出在變速驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其使得即使轉(zhuǎn)矩是零，也可以既無(wú)需有關(guān)電機(jī)的參數(shù)的任何知識(shí)，也無(wú)需任何高頻流入地估計(jì)同步電動(dòng)機(jī)的速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]這個(gè)目的是通過(guò)包括在通過(guò)輸出相與同步電動(dòng)機(jī)連接的變速驅(qū)動(dòng)器中的控制系統(tǒng)達(dá)到的，所述同步電動(dòng)機(jī)按照由變速驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)則控制，同步電動(dòng)機(jī)的第一速度由第一速度估計(jì)器確定，所述系統(tǒng)包含使得可以確定同步電動(dòng)機(jī)的第二速度的第二速度估計(jì)器、和設(shè)計(jì)成生成用估計(jì)電流表示的非恒定信號(hào)的信號(hào)生成模塊，該估計(jì)電流被加入?yún)⒖即磐娏髦?，以便得出作為輸入?yīng)用于控制規(guī)則的校正參考磁通電流，執(zhí)行所述控制規(guī)則以確定施加于輸出相的電壓，該第二估計(jì)器被設(shè)計(jì)成恢復(fù)著眼于從中導(dǎo)出同步電動(dòng)機(jī)的第二速度、輸出相上用電流表不的響應(yīng)。
[0006]優(yōu)選的是，用電流表示的信號(hào)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的頻率是低頻正弦型的。注入信號(hào)的頻率必須小于電機(jī)的頻率，例如，是其十分之一。
[0007]優(yōu)選的是，用電流表示的信號(hào)是非轉(zhuǎn)矩生成的。
[0008]按照一種特定特征，該系統(tǒng)包含設(shè)計(jì)成比較針對(duì)同步電動(dòng)機(jī)確定的第一速度和第二速度的安全塊。
[0009]按照另一種特定特征，按該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)則設(shè)計(jì)該第一速度估計(jì)器。
[0010]按照本發(fā)明，該信號(hào)生成模塊由該第二估計(jì)器激活，由外部控制器激活或永久激活。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]其它特性和優(yōu)點(diǎn)將在參照附圖所作的詳細(xì)描述中變得顯而易見(jiàn)，在附圖中:
[0012]-圖1代表本發(fā)明的控制系統(tǒng)；
[0013]-圖2A和2B代表未用本發(fā)明的控制系統(tǒng)建立的模擬曲線；以及
[0014]-圖3A和3B代表利用本發(fā)明的控制系統(tǒng)建立的模擬曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明涉及為了控制同步電動(dòng)機(jī)而在變速驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)。
[0016]眾所周知，變速驅(qū)動(dòng)器包含:
[0017]-與配電網(wǎng)絡(luò)RD連接的三個(gè)輸入相A、B、C;
[0018]-位于輸入端上和旨在將配電網(wǎng)絡(luò)RD提供的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓的整流器模塊REC ；
[0019]-上游與整流器模塊REC和下游與逆變器模塊INV連接、和包含施加DC電壓的兩條供電線L1、L2的DC供電總線；
[0020]-與兩條供電線L1、L2連接和被充電成使總線的DC電壓保持在恒定值上的總線電容器Cbus ；
[0021]-通過(guò)三個(gè)輸出相1、2、3與同步電動(dòng)機(jī)M連接和受實(shí)現(xiàn)所確定控制規(guī)則C的控制單元生成的控制信號(hào)控制的逆變器模塊INV。變速驅(qū)動(dòng)器的逆變器模塊INV包含幾條開(kāi)關(guān)臂，例如，如果電機(jī)M是三相的，則數(shù)量是三條。每條開(kāi)關(guān)臂包含，例如，IGBT型的兩個(gè)功率晶體管，每個(gè)受從控制單元接收控制信號(hào)的控制器件控制。
[0022]本發(fā)明應(yīng)用于按照開(kāi)環(huán)控制規(guī)則工作的變速驅(qū)動(dòng)器。它在功能安全性的框架內(nèi)呈現(xiàn)非常特別的長(zhǎng)處。
[0023]在開(kāi)環(huán)中，控制單元執(zhí)行的第一估計(jì)器使得可以確定同步電動(dòng)機(jī)M的第一估計(jì)速度WlS。為了估計(jì)同步電動(dòng)機(jī)的速度，這個(gè)第一速度估計(jì)器El基于，例如，控制規(guī)則LC或輸出相1、2、3上的電壓的測(cè)量值(如果可獲得這樣的數(shù)據(jù)的話)。
[0024]在功能安全性的背景下，第二估計(jì)器E2是必不可少的，以便確定同步電動(dòng)機(jī)的第二估計(jì)速度W2s。該控制系統(tǒng)包含使得可以比較第二估計(jì)速度W2s和第一估計(jì)速度Wls的安全塊BS。如果在兩個(gè)估計(jì)速度之間出現(xiàn)歧異，則要求該安全塊BS，例如，中止同步電動(dòng)機(jī)M0
[0025]在功能安全性的領(lǐng)域內(nèi)，為了避免任何共同故障點(diǎn)，兩個(gè)估計(jì)器El、E2在它們的工作原理方面以及在它們實(shí)現(xiàn)方面都是不同的。
[0026]兩個(gè)估計(jì)器El、E2以冗余方式監(jiān)視速度具有像例如速度的安全極限(SLS “安全限制速度”)或安全停止(SSl “安全停止I”)那樣、在已知標(biāo)準(zhǔn)(例如，IEC61800-5-2)中規(guī)定的各種目的。
[0027]在同步電動(dòng)機(jī)M中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩是零時(shí)，定子上的電流是零。但是，在這種狀況下，電機(jī)M仍然可以旋轉(zhuǎn)，因此具有非零速度。因此不能根據(jù)定子上的電流進(jìn)行零轉(zhuǎn)矩上的同步電動(dòng)機(jī)的速度的估計(jì)。
[0028]按照本發(fā)明，當(dāng)轉(zhuǎn)矩是零時(shí)，第二速度估計(jì)器E2使得可以在定子上的電流是零的時(shí)候估計(jì)同步電動(dòng)機(jī)的速度。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在輸出相1、2、3上施加代表用電流表示的信號(hào)的電壓V1、V2、V3，該用電流表示的信號(hào)被稱為用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)，它是非轉(zhuǎn)矩生成的，度量著眼于從中導(dǎo)出同步電動(dòng)機(jī)的速度、輸出相上用電流表示的響應(yīng)。
[0029]這種用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)沿著同步電動(dòng)機(jī)M的磁體的永久磁通的方向，也就是說(shuō)，沿著稱為磁通軸的控制器的軸線d施加。沿著磁體的磁通的方向施加電流使得可以當(dāng)電機(jī)M正在運(yùn)行時(shí)不在電機(jī)M中產(chǎn)生干擾。
[0030]按照本發(fā)明，用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)是非恒定的，優(yōu)選的是正弦的。非恒定信號(hào)被理解為在所確定持續(xù)時(shí)間期間其導(dǎo)數(shù)非零的信號(hào)的意思。因此，它與控制規(guī)則、同步電動(dòng)機(jī)M的參數(shù)、和電壓極限無(wú)關(guān)。的確，作為控制規(guī)則LC的函數(shù)，磁通電流的平均值不必等于真正磁通電流。因此，即使設(shè)定點(diǎn)是非零和恒定，在輸出相中也可以具有零電流。非恒定信號(hào)使得可以繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，保證使得可以估計(jì)電機(jī)的速度的非零真正信號(hào)(除了在幾個(gè)點(diǎn)之外)。
[0031]更進(jìn)一步，用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)優(yōu)選的是非轉(zhuǎn)矩生成的。用電流表示的非轉(zhuǎn)矩生成信號(hào)被理解為具有足夠低頻率以致于不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩干擾的信號(hào)的意思。
[0032]它的振幅可以是固定的，例如，選成同步電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱電流的函數(shù)，或考慮到在輸出相上測(cè)量的電流，可以是可變的。
[0033]參考圖1，用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)源自信號(hào)生成模塊MS。信號(hào)生成模塊MS生成用估計(jì)電流IcUt表示的信號(hào)，該估計(jì)電流Idest被加入通常作為輸入應(yīng)用于控制規(guī)則LC的參考磁通電流Idref中。因此，作為輸入應(yīng)用于控制規(guī)則LC的校正參考磁通電流Ic^f。代表上述用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)。眾所周知，根據(jù)校正參考磁通電流Idref。、和磁通電流Id和轉(zhuǎn)矩電流Iq的測(cè)量值(在變換Tl之后獲得)，控制規(guī)則LC經(jīng)由，例如，肯考迪婭(Concordia)和派克(Park)變換T2確定施加于輸出相1、2、3的電壓。因此，通過(guò)逆變器模塊INV的PWM(脈寬調(diào)制)控制器將計(jì)算的電壓V1、V2、V3施加于輸出相。
[0034]第二速度估計(jì)器E2恢復(fù)在電機(jī)M的三個(gè)相上注入的至少兩種電流II，13的測(cè)量值，然后只根據(jù)這些測(cè)量值確定同步電動(dòng)機(jī)M的第二估計(jì)速度W2s (不使用電機(jī)數(shù)據(jù))。第二速度的確定采用鎖相環(huán)(PLL)來(lái)進(jìn)行。
[0035]如上所述，電動(dòng)機(jī)的第一估計(jì)速度Wls直接源自，例如，控制規(guī)則LC。此后，安全塊BS比較第一估計(jì)速度Wls和第二估計(jì)速度W2s。如果出現(xiàn)歧異，則可以要求安全塊BS中止電機(jī)，例如，通過(guò)禁用逆變器模塊。
[0036]用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)的注入使第二速度估計(jì)器E2可以在轉(zhuǎn)矩是零的時(shí)候保留速度的第二估計(jì)值，因此在同步電動(dòng)機(jī)M的整個(gè)工作跨度上實(shí)現(xiàn)功能安全性的原則。
[0037]信號(hào)生成模塊MS可以永久激活或只有當(dāng)轉(zhuǎn)矩是零時(shí)，因此當(dāng)定子上的電流是零時(shí)激活。例如，能夠通過(guò)第二估計(jì)器E2或通過(guò)外部控制器激活。當(dāng)轉(zhuǎn)矩非零和定子上的電流可檢測(cè)時(shí)，事實(shí)上不必生成用估計(jì)電流Idest表示的信號(hào)，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)定子上的電流估計(jì)同步電動(dòng)機(jī)M的速度。
[0038]圖2A、2B、3A和3B例示了本發(fā)明的長(zhǎng)處。
[0039]在圖2A和2B中，未實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二估計(jì)器。可以看出，在1/10秒與1/20秒之間，電機(jī)電流是零。然后電機(jī)的估計(jì)速度被認(rèn)為是零，而電機(jī)的真正速度不是零。因此，電機(jī)速度的誤差是明顯的，與功能安全性的原則不相容。
[0040]在圖3A和3B中，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的第二估計(jì)器。因此施加了正弦磁通電流Id，和因此可在輸出相上觀察到電流11、12和13。因此，可看見(jiàn)未生成任何轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流。電機(jī)的估計(jì)速度的曲線與電機(jī)的真正速度的曲線接近，使得可以使速度的誤差達(dá)到最小，因此保證了某種安全水平。
【權(quán)利要求】
1.一種包括在通過(guò)輸出相(1、2、3)與同步電動(dòng)機(jī)(M)連接的變速驅(qū)動(dòng)器中的控制系統(tǒng)，所述同步電動(dòng)機(jī)(M)按照由變速驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)則(LC)控制，同步電動(dòng)機(jī)的第一速度(Wls)由第一速度估計(jì)器(El)確定，其特征在于包含使得可以確定同步電動(dòng)機(jī)(M)的第二速度(W2s)的第二速度估計(jì)器(E2)，以及其特征在于包含設(shè)計(jì)成生成用估計(jì)電流(Idest)表示的非恒定信號(hào)的信號(hào)生成模塊(MS)，該估計(jì)電流(Idest)被加入?yún)⒖即磐娏?Idref)中，以便得出作為輸入應(yīng)用于控制規(guī)則(LC)的校正參考磁通電流(IcUf。)，執(zhí)行所述控制規(guī)則以確定施加于輸出相(1、2、3)的電壓，該第二估計(jì)器被設(shè)計(jì)成恢復(fù)著眼于從中導(dǎo)出同步電動(dòng)機(jī)的第二速度(W2s)、輸出相上用電流(II，12，13)表示的響應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，用電流(Idest)表示的信號(hào)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)的頻率是低頻正弦型的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，用電流表示的信號(hào)是非轉(zhuǎn)矩生成的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，包含設(shè)計(jì)成比較針對(duì)同步電動(dòng)機(jī)確定的第一速度(Wls)和第二速度(W2s)的安全塊(BS)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，按該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)則(LC)設(shè)計(jì)該第一速度估計(jì)器(El)。
6.如權(quán)利要求1到4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)生成模塊由該第二估計(jì)器激活。
7.如權(quán)利要求1到4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)生成模塊由由外部控制器激活。
8.如權(quán)利要求1到4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)生成模塊永久激活。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104335477SQ201380027028
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月13日
【發(fā)明者】O.德費(fèi)克斯, T.德沃斯 申請(qǐng)人:施耐德東芝換流器歐洲公司