專利名稱:感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型主要涉及旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制，特別是用在逆變器饋送的感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的基于功率因數(shù)的速度調(diào)節(jié)設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
在電動(dòng)機(jī)的許多應(yīng)用場(chǎng)合中要求電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行，為達(dá)此目的，人們 設(shè)想了多種速度控制方案。由于包括高魯棒性、可靠性、廉價(jià)、高效率在 內(nèi)的幾個(gè)原因，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常普遍。 一臺(tái)典型的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)包括 靜止部分，靜止部分又稱定子，其包括多個(gè)布置于其中的繞組。旋轉(zhuǎn)部分 又稱轉(zhuǎn)子，其位于定子內(nèi)部并相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)。例如，在三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 中，通過(guò)向定子繞組施加三相正弦交變電壓來(lái)建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與 轉(zhuǎn)子繞組相互作用，致使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
在變速應(yīng)用場(chǎng)合中，通常使用能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供多相交
流(AC)電能。直流(DC)至交流(AC)逆變器橋就是這樣的一種能量 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的例子。典型的DC至AC逆變器橋包括功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)裝置， 該開(kāi)關(guān)裝置在DC母線導(dǎo)線與功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出端之間呈橋形連接。對(duì)該 開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行控制，將DC母線導(dǎo)線上的電能以所期望的模式接至該系統(tǒng) 輸出端，從而使具有所期望的基頻和幅度的AC輸出信號(hào)由DC母線導(dǎo)線 上的DC電能合成得出。為了對(duì)逆變開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行控制使之傳送電能，可 運(yùn)用包括正弦波脈寬調(diào)制("PWM")在內(nèi)的多種調(diào)制策略。
洗;M^中經(jīng)常采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。將洗;M^滾筒(drum)速度保持在所 需規(guī)格范圍之內(nèi)的要求典型地提出了在電動(dòng)機(jī)軸上使用轉(zhuǎn)速計(jì)以向電動(dòng)機(jī) 控制器提供速;t^饋之需要。通過(guò)控制勵(lì)磁頻率和相應(yīng)電壓，可得到預(yù)期
的速度。通常采用常量或基于伏特-赫茲算法的表(schedule)來(lái)實(shí)現(xiàn)低成 本的速度控制方案。速度調(diào)節(jié)基于來(lái)自貼附在轉(zhuǎn)子之上的轉(zhuǎn)速計(jì)的反饋進(jìn) 行。然而，不僅出于成本的考慮，還有可靠性方面的原因，均希望不使用 轉(zhuǎn)速計(jì)。
在恒定的電壓幅度和頻率下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的固有特性允許轉(zhuǎn)子速度隨 著軸上轉(zhuǎn)矩負(fù)載的增加而降低。為防止這種情況、保持更為恒定的速度， 速度控制方法改變電壓和頻率以控制轉(zhuǎn)子速度。這樣做的第二個(gè)目的是防 止電動(dòng)機(jī)組(motor stack)發(fā)生可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的飽和。因此，在電 動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載在寬范圍內(nèi)變化的應(yīng)用場(chǎng)合(例如洗^)，為保持軸速 并防止電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，所用的控制方案應(yīng)能向電動(dòng)機(jī)施加合適的定子電壓幅 度和頻率，此外，還希望能在寬廣的速度范圍內(nèi)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。
人們已設(shè)想出幾種基于對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)(功率因數(shù)一般基于電壓與 電流i^目差計(jì)算)進(jìn)行控制來(lái)使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的解決方案，但是， 這些解決方案均未充分針對(duì)如上所述的變速應(yīng)用場(chǎng)合。它們主要設(shè)計(jì)為通 過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，提供電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行。
本實(shí)用新型即針對(duì)與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的缺點(diǎn)而提出。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是提供用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一種控制方法和感應(yīng)電動(dòng) 機(jī)控制系統(tǒng)，除其他的以外，其用于向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)施加適當(dāng)?shù)姆蹬c頻率 控制，以便在可變運(yùn)行速度和應(yīng)用的寬范圍上對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制、保 持軸速，并防止與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)機(jī)疊片(motor stack)飽 和的發(fā)生。電動(dòng)機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子，在定子中有多個(gè)相繞組，向相繞組施 加AC電能，致4吏轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓪⒖刂品椒ㄗ鳛槌绦蛑噶畲鎯?chǔ)在 可機(jī)讀式媒質(zhì)上，并由諸如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片、^t控制器或微處 理器等的數(shù)字控制器來(lái)實(shí)施?？刂品椒òń邮辙D(zhuǎn)子速度指令信號(hào)、接收 相繞組電流標(biāo)示?；陔娏鞑ㄐ瓮扑汶妱?dòng)機(jī)功率因數(shù)，并在推算到的功率 因lt&礎(chǔ)上推算轉(zhuǎn)子速度。將推算到的轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)子速度指令信號(hào)進(jìn)行
比較，生成速度誤差，根據(jù)該速度誤差，對(duì)施加于相繞組的電壓信號(hào)進(jìn)行 調(diào)節(jié)。
具體而言，在典型實(shí)施例中，基于輸入到相繞組的電壓和相繞組中的 電流，控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率和功率因數(shù)進(jìn)行推算。在計(jì)算得到的功率因
數(shù)、計(jì)算得到的電動(dòng)機(jī)功率、所施加之電壓以及所施加電壓之頻率的^ftb 上，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差速度進(jìn)行推算。將推算到的轉(zhuǎn)差速度用于計(jì)算轉(zhuǎn)子速 度。將轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)子指令速度相比較，生成速度誤差?；谠撜`差，對(duì) 電壓幅度和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)以將速度誤差調(diào)節(jié)至零。根據(jù)電動(dòng)機(jī)溫度變化， 可對(duì)轉(zhuǎn)子速度的推算進(jìn)行補(bǔ)償。
在一典型實(shí)施例中，介紹了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含
定子；
轉(zhuǎn)子，其相對(duì)于定子布置并相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)；
多個(gè)相繞組，其被布置在定子內(nèi)部；
電源，其與繞組相連并向繞組輸出AC功率；
控制器，其與電源相連，并包括依次相連的下列元件用于基于輸出
用于接收由功率因數(shù)與功率推算器推算得到的功率因數(shù)和:率值以推算轉(zhuǎn) 差值的轉(zhuǎn)差推算器；用于接收由轉(zhuǎn)差推算器推算得到的轉(zhuǎn)差值以推算轉(zhuǎn)子 速度的速度推算器；用于接收轉(zhuǎn)子速度指令信號(hào)以及由速度推算器推算得 到的轉(zhuǎn)子速度以生成速度誤差并基于速度誤差對(duì)AC功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的速度 控制環(huán)。
在另一典型實(shí)施例中，介紹了用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，該感應(yīng)電 動(dòng)機(jī)包含轉(zhuǎn)子和定子，且該定子內(nèi)部具有多個(gè)相繞組，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 用于將AC電力輸出到相繞組的逆變器； 用于推算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度的轉(zhuǎn)子速度推算器；
用于接收速度指令以及來(lái)自轉(zhuǎn)子速度推算器的速度推算值以生成速度 誤差并根據(jù)速度誤差向逆變器輸出電壓頻率指令的速度控制環(huán)；以及 用于確定參考轉(zhuǎn)差并接收轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的推算值以及所述電壓頻率指令以
生成轉(zhuǎn)差誤差并根據(jù)轉(zhuǎn)差誤差以及電壓頻率指令向逆變器輸出電壓幅度指 令的轉(zhuǎn)差控制環(huán)。


通過(guò)閱讀下文的詳細(xì)介紹并參照下列附圖，將會(huì)明了本實(shí)用新型的其 他目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的框圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系
統(tǒng)的實(shí)施形態(tài)；
圖2為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一部分的原理圖，其示出了圖l所示典型逆 變器的補(bǔ)充實(shí)施形態(tài)；
圖3為示出用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的速度控制系統(tǒng)的框圖；
圖4為示出用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的相電流it^角檢測(cè)電路的原理圖；
圖5為示出才艮據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例的無(wú)傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的框
圖；
圖6為示出圖5所示典型逆變器的補(bǔ)充實(shí)施形態(tài)的原理電路圖；
圖7為示出圖5中無(wú)傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的速度控制環(huán)的附加要素 的框圖；
圖8為示出圖5中無(wú)傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差控制環(huán)的附加要素 的框圖；
圖9為示出圖5中無(wú)傳感器感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)和功率推算器 的附加要素的框圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型允許各種變體和替換形式，但其具體實(shí)施例通過(guò)附圖中的 實(shí)例示出并在文中作了詳細(xì)介紹。不管怎樣，應(yīng)當(dāng)明白的是，文中對(duì)具體 實(shí)施例進(jìn)行介紹并非旨在將本實(shí)用新型限制于所披露的具體形式，恰恰與 ^目反，本實(shí)用新型覆蓋了所附權(quán)利要求
書所界定之本實(shí)用新型精神與范 圍內(nèi)的所有變體、等同物以及替代物。
下面介紹本實(shí)用新型的典型實(shí)施例。為清&^見(jiàn)，本說(shuō)明書不對(duì)實(shí)際 實(shí)施的全部特征——描述，人們可以順理成章地認(rèn)識(shí)到，在這樣一種實(shí)際 實(shí)施例的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為達(dá)到開(kāi)發(fā)者的具體目標(biāo)一一對(duì)于不同實(shí)施例它們 也迥然不同，例如依照與系統(tǒng)有關(guān)或與商業(yè)有關(guān)的限制務(wù)ft等一一必須才艮 據(jù)具體的實(shí)施情況做出大量選擇。此外，人們還將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于受益于本 實(shí)用新型的本領(lǐng)域技術(shù)人員，這樣的一種開(kāi)發(fā)努力可能復(fù)雜J^時(shí)良多，
而絕不是一項(xiàng)常規(guī)工作。
電動(dòng)機(jī)中，在恒定的輸入電壓頻率下，恒定的轉(zhuǎn)差速度能保證轉(zhuǎn)子具 有恒定的速度。在恒定的端電壓和頻率下，保持恒定的轉(zhuǎn)差還能產(chǎn)生功率 因數(shù)恒定的運(yùn)行。這可從感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路圖中推斷得出。因此，通
持恒定，可維持恒定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差，從而使電動(dòng)機(jī)具有恒定的轉(zhuǎn)子速度。
在本實(shí)用新型的某些實(shí)施例中，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)W目電流it^和施加到 向電動(dòng)機(jī)供能之逆變器橋上的指令電壓來(lái)推算功率因數(shù)角，而不是通過(guò)測(cè) 定實(shí)際電流相位角和實(shí)際電壓相位角來(lái)計(jì)算實(shí)際功率因數(shù)。圖l為根據(jù)本 實(shí)用新型實(shí)施形態(tài)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)之框圖，例如三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)IO。電動(dòng)
機(jī)系統(tǒng)10包括定子20和轉(zhuǎn)子22。定子20包含有從逆變器26接收AC電 能的多個(gè)繞組24。逆變器26由電源28接收DC電能?？刂破?0包括電 壓和頻率常數(shù)表(schedule of voltage and frequency constants)， 并向逆 變器供給控制輸入，以達(dá)到改變電壓和頻率以獲得預(yù)期速度之目的?？刂?器30可通過(guò)諸如任何類型的數(shù)字式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)芯片、#:控制器或微處理器等。模擬器件公司(Analog Devices ) 的ADMC328型號(hào)就是一例合適的控制器。
圖2闡釋了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施形態(tài)的典型逆變器26的各部分。典型 的三相逆變器26包括與電動(dòng)機(jī)三相繞組24相對(duì)應(yīng)的三條逆變器橋臂31、 32、 33。每一糾31、 32、 33包括橋形連接在DC母線的正負(fù)導(dǎo)線41、 42之間的上下開(kāi)關(guān)裝置36。開(kāi)關(guān)裝置36可由任何適合的開(kāi)關(guān)裝置構(gòu)成， 如雙極型裝置、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣 柵雙極晶體管(IGBT)等。
由相應(yīng)的門驅(qū)動(dòng)器38驅(qū)動(dòng)三條逆變器橋臂31、 32、 33上的開(kāi)關(guān)裝置 36,以便以所期望的方式將DC母線導(dǎo)線41、 42上的電能連接到電動(dòng)機(jī)繞 組24，從而使具有所期望的頻率和幅度的AC輸出信號(hào)由DC母線41、 42 上的DC電能合成得出。在本實(shí)用新型的某些實(shí)施例中，將PWM方案用 于控制逆變器開(kāi)關(guān)裝置36。在典型實(shí)施例中，門驅(qū)動(dòng)器38具有與PWM發(fā)生器127相連以接收其輸出的輸入端，其中，PWM發(fā)生器127通過(guò)控 制器30實(shí)現(xiàn)。
在已知的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，典型的做法是，用轉(zhuǎn)速計(jì)向控制器 30提供電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度之標(biāo)示，控制器30將該實(shí)際速度與預(yù)期速度值進(jìn) 行對(duì)比并據(jù)此調(diào)節(jié)對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組24的輸入。不過(guò)，^L據(jù)本實(shí)用新型，通過(guò) 計(jì)算電壓相角與相電流過(guò)零角之差值對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行推算來(lái)調(diào)節(jié)電
壓和頻率常數(shù)，并因此調(diào)節(jié)施加到電動(dòng)機(jī)10上的電壓幅度與頻率。
圖3為闡釋根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施形態(tài)的速度控制系統(tǒng)100的框圖。在 本實(shí)用新型的典型實(shí)施例中，這是在控制器30中數(shù)字化地實(shí)現(xiàn)的。將推算 或計(jì)算得到的功率因數(shù)角IIO和預(yù)期功率因數(shù)角或指令功率因數(shù)角112輸 入到求和點(diǎn)114，求和點(diǎn)114將功率因數(shù)角的誤差值輸出到諸如比例-積分-微分(PID)控制器的控制器116。在某些實(shí)施例中，對(duì)推算到的功率因數(shù) 角進(jìn)行低通濾波以增強(qiáng)抗擾性。控制器116將功率因數(shù)誤差值變換為電壓 補(bǔ)償值118，為避免輸出飽和，可對(duì)電壓補(bǔ)償值118限制上限和下限。建 立起該范圍以處理電動(dòng)機(jī)20上預(yù)期的負(fù)栽變化。在本實(shí)用新型的典型實(shí)施 例中，對(duì)電壓4H嘗118也進(jìn)行了低通濾波。
對(duì)電壓補(bǔ)償118求反，與由電動(dòng)機(jī)的伏特-赫茲常數(shù)表(constant volts per hertz schedule) 120計(jì)算得到的原始指令電壓一起輸入到求和點(diǎn)122。 以已知的方式在電動(dòng)枳/沒(méi)計(jì)^lt的基礎(chǔ)上得出電壓表(voltage schedule) 120。求和點(diǎn)122輸出施加到PWM發(fā)生器127上的修正后的電壓。PWM 發(fā)生器127生成施加到逆變器26中開(kāi)關(guān)36上的開(kāi)關(guān)信號(hào)。以這種方式， 通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)201的端電壓，將功率因數(shù)角調(diào)節(jié)為指令角度。
通過(guò)改變施加到電動(dòng)機(jī)繞組24上的電壓之幅度來(lái)獲得恒定的功率因 數(shù)，將電動(dòng)機(jī)201的轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)到接近恒定值，電動(dòng)機(jī)201的速度也因此調(diào) 節(jié)到接近恒定值。在電壓補(bǔ)償118的基礎(chǔ)上，在某些負(fù)栽條件下也可通過(guò) 改變輸入頻率來(lái)提供附加的速度調(diào)節(jié)。對(duì)于饋送到控制器116的所有正誤 差，增大電動(dòng)機(jī)201的輸入頻率，并對(duì)于所有負(fù)誤差而減小之。因此，在 輕負(fù)載情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入頻率將下降，其下降程度足以使電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行。例如，可將電壓補(bǔ)償118通過(guò)向其應(yīng)用增益因數(shù)變換為頻率#^值 124。在求和點(diǎn)126上將功率補(bǔ)償124施加于輸入頻率，向電動(dòng)機(jī)201提供 調(diào)節(jié)后的頻率。
在某些負(fù)載條件下，頻率調(diào)節(jié)對(duì)進(jìn)一步調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)201的速度是有效 的。因此，對(duì)于配置好的負(fù)栽點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載變化可獲得接近零 速的調(diào)節(jié)(near zero speed regulation)。此外，在本實(shí)用新型進(jìn)一步的實(shí) 施例中，可對(duì)頻率和電壓輸入進(jìn)行溫度變化的補(bǔ)償。例如，通過(guò)測(cè)量定子 電阻可推算出電動(dòng)機(jī)的溫度。通過(guò)在短暫的時(shí)間間隔內(nèi)將DC電壓施加于 電動(dòng)W目上，可推算出定子電阻。在推算到的定子電阻基礎(chǔ)上，計(jì)算出電 壓和頻率補(bǔ)償并將它們施加到電動(dòng)機(jī)上。
為計(jì)算出功率因數(shù)推算值110，使用it^r測(cè)電路200測(cè)定電流# 瞬間。參照?qǐng)D2，在橋臂之一31中的下開(kāi)關(guān)裝置36與負(fù)DC母線42之間 有一電阻204。逆變器橋臂31、 32、 33中任一橋臂或4^橋臂均可用于進(jìn) 行it^檢測(cè)，但采用諸如逆變器橋臂31的單個(gè)逆變器橋臂對(duì)過(guò)零角進(jìn)行測(cè) 定極大地簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)電流it^險(xiǎn)測(cè)所需的電路。it^r測(cè)電路200測(cè)定出 電流過(guò)零，并接著將其供給控制器30以計(jì)算功率因數(shù)角。在本實(shí)施方案中， 將信號(hào)中的電平改變用于表示相電流的過(guò)零，不itA們已設(shè)想出諸如采用 PWM信號(hào)等的其他it^檢測(cè)方案。
圖4為根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的it^r測(cè)電路200的原理圖。如上 所述，在逆變器橋臂31、 32、 33中橋臂之一的下開(kāi)關(guān)裝置36與負(fù)DC母 線42之間有電阻204。逆變器橋臂31、 32、 33中任一橋臂均可作此用途， 但為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，在本說(shuō)明書中參照第一逆變器M31。
將電阻204獲得的信號(hào)饋送到調(diào)節(jié)電路202。調(diào)節(jié)電路202基于相電 流的過(guò)零而產(chǎn)生方波類型的輸出信號(hào)，該輸出連接到控制器30。在一個(gè)實(shí) 施例中，上述輸出連接到實(shí)現(xiàn)控制器30的DSP中的電平敏感中斷引腳， 在每次電流it^時(shí)向DSP提供一輸出邊緣。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，將相角存儲(chǔ)在 DSP的存儲(chǔ)器中。在一個(gè)實(shí)施例中，為增強(qiáng)抗擾性，僅在相指令電壓之前 60°和相指令電壓過(guò)零后允許(enable)中斷，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大多數(shù)實(shí)際工況而言此操作窗口是有效的。
調(diào)節(jié)電路202通過(guò)用分流電阻204將逆變器相橋臂31中流過(guò)的電流變 換為電壓信號(hào)來(lái)行使其功能。處理信號(hào)的第一步是對(duì)來(lái)自電阻204的信號(hào) 進(jìn)行緩沖并去除高頻PWM開(kāi)關(guān)噪聲。在圖示電路202中，這是通過(guò)配置 為反向運(yùn)放濾波器的運(yùn)算放大器212、兩個(gè)電阻214與216以及電容器218 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PNP晶體管220接在運(yùn)放212的反饋通道中，以區(qū)分相電流正 的部分與負(fù)的部分。這是通過(guò)PNP晶體管220中固有的M-發(fā)射極二極 管實(shí)現(xiàn)的。若分流電阻204兩端的電壓變?yōu)檎?，將運(yùn)放212輸出端的電壓 拉低，該電壓關(guān)斷晶體管220。再者，若分流電阻204兩端的電壓變?yōu)樨?fù)， 晶體管220開(kāi)通。
NPN晶體管222將晶體管220中流過(guò)的電流變換為可被控制器30讀
取的邏輯電平電壓信號(hào)。若PNP晶體管220開(kāi)通，電流流過(guò)晶體管222的
基極，該電流使晶體管222開(kāi)通并在控制器30的輸入端產(chǎn)生低電平信號(hào)。
若晶體管220關(guān)斷，晶體管222關(guān)斷并在控制器30的輸入端產(chǎn)生高電平信
號(hào)。電路202的最終結(jié)果是將從分流電阻204流過(guò)的雙極性正弦電流波形
變換成為在電流過(guò)零點(diǎn)上轉(zhuǎn)換的邏輯電平信號(hào)。
功率因數(shù)角的推算是實(shí)施該算法的第二步。功率因數(shù)角被定義為電動(dòng)
;M目電流與端電壓之間的相差。由于PWM算法精確重現(xiàn)了指令電壓，將 控制器中生成的相角用于此計(jì)算。采用電壓相角和檢測(cè)到的電流it^瞬間， 可計(jì)算出功率因數(shù)角。一^r測(cè)到電流的^角，計(jì)算出該角度與電壓過(guò) 零角之間的差值來(lái)獲得功率因數(shù)角。為增強(qiáng)抗擾性并避免電動(dòng)機(jī)指令電壓 中產(chǎn)生突變，對(duì)功率因數(shù)角進(jìn)行低通濾波。可通過(guò)任何合理的方式完成濾 波一一在一個(gè)典型實(shí)施例中，借助軟件對(duì)功率因數(shù)角進(jìn)行低通濾波，這帶 來(lái)了功率因數(shù)角推算的低成本控制方案。
根據(jù)本實(shí)用新型進(jìn)一步的典型實(shí)施例，通過(guò)在推算過(guò)程中包括進(jìn)定子 電壓變化來(lái)增進(jìn)轉(zhuǎn)差推算。采用來(lái)自全部三相的電流信號(hào)推算功率因數(shù)。
更高的帶寬有助于獲得更好的性能。同樣，為改進(jìn)轉(zhuǎn)差推算，可在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 差推算中使用更多的變量。 計(jì)算出轉(zhuǎn)差4M嘗。
圖7示出了速度控制環(huán)312進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。速度控制環(huán)312對(duì)電動(dòng)機(jī) 頻率指令信號(hào)330進(jìn)行控制。將速度指令信號(hào)310和推算到的轉(zhuǎn)子速度320 輸入到求和點(diǎn)322,生成速度誤差324。將來(lái)自求和點(diǎn)322的速度誤差324 作為輸入饋送到速度PI控制器326。在求和點(diǎn)328上將PI控制器326的 輸出與速度指4^f言號(hào)310相加，其結(jié)果是電動(dòng)機(jī)頻率指令信號(hào)330。
圖8概念性地闡釋了轉(zhuǎn)差控制環(huán)316。轉(zhuǎn)差控制環(huán)316對(duì)施加到電動(dòng) 機(jī)上的電壓幅度信號(hào)360進(jìn)行控制。采用預(yù)先確定的轉(zhuǎn)差參考表342，基 于速度指令信號(hào)310，生成最優(yōu)的參考轉(zhuǎn)差值340。轉(zhuǎn)差參考表342是基于 不同運(yùn)行速度下電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)效率而生成的。將參考轉(zhuǎn)差340與來(lái)自轉(zhuǎn)差 和轉(zhuǎn)子速度推算器314的推算到的轉(zhuǎn)差346 —起輸入到求和點(diǎn)344。將參 考轉(zhuǎn)差340與推算到的轉(zhuǎn)差346之間的誤差348作為輸入饋送到轉(zhuǎn)差PI 控制器350。使用來(lái)自速度控制環(huán)312的電動(dòng)機(jī)電壓頻率指令信號(hào)330對(duì) 伏特/赫茲表352進(jìn)行索引，輸出電壓值354。電壓輸出354在求和點(diǎn)356 上與轉(zhuǎn)差PI控制器350的輸出相加。求和點(diǎn)356的輸出為電壓幅度指* 號(hào)360。
轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度推算器314如圖9所示，所述轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度推算器 314包括功率因數(shù)和功率推算器370，其將相電流、相參考電壓和DC母線 電壓信息372作為輸入來(lái)接收。功率因數(shù)和功率由檢測(cè)到的逆變器橋臂電 流、檢測(cè)到的逆變器DC母線電壓以及對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓指令推算得出。
由送至電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率(Qpower)和有功功率(Ppower)，按下 式計(jì)算功率因數(shù)
pf = cos(a tan(^^-))
P_power
由兩坐才示軸系統(tǒng)電'流(two axis coordinate system currents)計(jì)算出送 至電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率和有功功率。由三相變量按照下式計(jì)算出兩軸系統(tǒng)電
流Ia、 Ip和電壓Va、 Vp。
計(jì)算出轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。
圖7示出了速度控制環(huán)312進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。速度控制環(huán)312對(duì)電動(dòng)機(jī) 頻率指^HT號(hào)330進(jìn)行控制.將速度指^Hf號(hào)310和推算到的轉(zhuǎn)子i!A 320 輸入到求和點(diǎn)322，生成i!JL誤差324。將來(lái)自求和點(diǎn)322的速度誤差324 作為輸入饋送到速度PI控制器326。在求和點(diǎn)328上將PI控制器326的 輸出與速度指令信號(hào)310相加，其結(jié)果是電動(dòng)機(jī)頻率指令信號(hào)330。
圖8概念性地闡釋了轉(zhuǎn)差控制環(huán)316。轉(zhuǎn)差控制環(huán)316對(duì)施加到電動(dòng) 機(jī)上的電壓幅度信號(hào)360進(jìn)行控制。采用預(yù)先確定的轉(zhuǎn)差參考表342，基 于速度指4Ht號(hào)310，生成最優(yōu)的參考轉(zhuǎn)差值340。轉(zhuǎn)差參考表342是基于 不同運(yùn)行速度下電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)效率而生成的。將參考轉(zhuǎn)差340與來(lái)自轉(zhuǎn)差 推算器314的推算到的轉(zhuǎn)差346 —起輸入到求和點(diǎn)344。將參考轉(zhuǎn)差340 與推算到的轉(zhuǎn)差346之間的誤差348作為輸入饋送到轉(zhuǎn)差PI控制器350。 使用來(lái)自速度控制環(huán)312的電動(dòng)機(jī)電壓頻率指令信號(hào)330對(duì)伏特/赫茲表 352進(jìn)行索引，輸出電壓值354。電壓輸出354在求和點(diǎn)356上與轉(zhuǎn)差PI 控制器350的輸出相加。求和點(diǎn)356的輸出為電壓幅度指令信號(hào)360。
轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速;^推算器314如圖9所示，所述轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度推算器 314包括功率因數(shù)和功率推算器370，其將相電流、相參考電壓和DC母線 電壓信息372作為輸入來(lái)接收。功率因數(shù)和功率由檢測(cè)到的逆變器g電 流、檢測(cè)到的逆變器DC母線電壓以及對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓指令推算得出。
由送至電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率(Qpower)和有功功率(Ppower)，按下 式計(jì)算功率因數(shù)
pf = cos(a tan(^~^QWer》 P_power
由兩坐才示軸系統(tǒng)電流(two axis coordinate system currents)計(jì)算出送 至電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率和有功功率。由三相變量按照下式計(jì)算出兩軸系統(tǒng)電
流Ia、 Ip和電壓Vcc、 VP。<formula>complex formula see original document page 15</formula>
按下式所示計(jì)算無(wú)功功率和有功功率?？紤]到逆變器損耗，減去常數(shù)
值P,。ss對(duì)有功功率進(jìn)行修正。
<formula>complex formula see original document page 15</formula>
由檢測(cè)到的M變量按下式所示計(jì)算出終端變量(相電流和電壓)。
<formula>complex formula see original document page 15</formula>
如上所述，將PWM方案典型地應(yīng)用于控制逆變器開(kāi)關(guān)裝置。由逆變 器母線電壓、電流開(kāi)關(guān)周期的占空因數(shù)以及對(duì)應(yīng)相的橋臂電流，按下式推 算端電壓。
Vabc_leg = Vabcn—ref -鄰leg—abc，DC—abc，Vbus) Vabcjeg為電動(dòng)機(jī)端子上的瞬態(tài)電壓向量，Vabcnref為電動(dòng)機(jī)的指令端電壓向 量，Ucjeg為電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)相電流向量，DCabc為電動(dòng)機(jī)每一相的占空因數(shù) 向量。
與逆變器開(kāi)關(guān)裝置和檢測(cè)電阻有關(guān)的電壓降按下式計(jì)算。
[ileg—abc < 0
DC—abc * (Vbus — V—igbt — V—diode) — V—shunt — V 一 igbt
鄰leg—abc)=
ileg—abc > 0
DC—abc * (Vbus — V 一 igbt轉(zhuǎn)差推算器374由電壓幅度指令360、電壓頻率指令330、功率因數(shù)以 及電動(dòng)機(jī)的有功功率來(lái)推算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差。電動(dòng)機(jī)的有功功率和功率 因數(shù)由功率因數(shù)和功率推算器370運(yùn)用上述公式推算得出。轉(zhuǎn)差推算器374 包括一組形式如下所示的以輸入變量為其獨(dú)立變量的多項(xiàng)式。
<formula>complex formula see original document page 15</formula>
對(duì)每個(gè)輸入變量運(yùn)用不同的多項(xiàng)式函數(shù)功率因數(shù)、功率、電壓幅度 指令360以及頻率指令信號(hào)330，它們由功率和功率因數(shù)推算器370作為 輸入提供給轉(zhuǎn)差推算器374。如下所示，轉(zhuǎn)差推算值作為多項(xiàng)式的乘積得 出。
<5slip=3(Xl)*3(X2)*:5(X3)
在典型實(shí)施例中，將電動(dòng)M行速度劃分為三個(gè)運(yùn)行范圍
低速區(qū)
中速區(qū)
高速區(qū)
這些區(qū)域中每個(gè)區(qū)域有著為其設(shè)計(jì)的獨(dú)立的系數(shù)集合。選取用于這些 區(qū)域的獨(dú)立變量以獲得與電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)差間良好的相關(guān)性。例如，在低速 (小于1350rpm)區(qū)和中速(1350-4020rpm)區(qū)，所用的獨(dú)立變量為功率 因數(shù)、頻率和電壓。在高速區(qū)(大于4020rpm)，則用功率、頻率和電壓。
基于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行特征化(characterizing)時(shí)所收集的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出 這些多項(xiàng)式的系數(shù)。將基于算法的遞歸最小二乘(RLS)運(yùn)用到基于數(shù)據(jù) 點(diǎn)對(duì)多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行的計(jì)算當(dāng)中。如果系統(tǒng)需要在發(fā)電模式下運(yùn)行，則與 該電動(dòng)機(jī)發(fā)電區(qū)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也可用到多項(xiàng)式的i殳計(jì)之中。速度區(qū)之間的 過(guò)渡可采用權(quán)重方案(weighing scheme)。
由于電動(dòng)機(jī)參數(shù)隨溫度而改變，設(shè)計(jì)出的多項(xiàng)式可能由于電動(dòng)機(jī)溫度 變化而不能達(dá)到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)差推算值。因此，在某些實(shí)施例中，在溫度補(bǔ)償 模塊376中對(duì)推算值進(jìn)行溫度變化的^M嘗。使用溫度試驗(yàn)中所收集的數(shù)據(jù) 設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)差修正算法。由于不希望采用額外的硬件測(cè)量其溫度，定 子電阻測(cè)量法可用于進(jìn)行間接測(cè)溫。
將頻率指令信號(hào)330、推算到的轉(zhuǎn)差346和溫度補(bǔ)償因數(shù)382作為輸
入供給求和點(diǎn)384。求和點(diǎn)384的輸出為推算到的電動(dòng)機(jī)速度320，將其作 為輸入供M度控制環(huán)312。
由于從本文講授中獲益的本領(lǐng)域技術(shù)人員可用顯而易見(jiàn)的有所區(qū)別而 又等同的方式來(lái)修改和實(shí)踐本實(shí)用新型，上文披露的具體實(shí)施例僅作示范 之用。此外，除所附權(quán)利要求
書中所述內(nèi)容外，對(duì)文中示出的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不做任何限制。因此，顯然上面披露的具體實(shí)施例可進(jìn)行修改且 可認(rèn)為一切此種修改均在本實(shí)用新型的范圍和精神之內(nèi)。故而，本文所尋 求的保護(hù)以所附權(quán)利要求
書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其特征在于包括
定子；
轉(zhuǎn)子，其相對(duì)于所述定子布置并相對(duì)于所述定子旋轉(zhuǎn)；
多個(gè)相繞組，其被布置在所述定子內(nèi)部；
電源，其與所述繞組相連并向所述繞組輸出AC功率；
控制器，其與所述電源相連，并包括依次相連的下列元件用于基于輸出到所述繞組的AC功率推算功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)功率值的功率因數(shù)與功率推算器；用于接收由所述功率因數(shù)與功率推算器推算得到的功率因數(shù)和功率值以推算轉(zhuǎn)差值的轉(zhuǎn)差推算器；用于接收由所述轉(zhuǎn)差推算器推算得到的轉(zhuǎn)差值以推算轉(zhuǎn)子速度的速度推算器；用于接收轉(zhuǎn)子速度指令信號(hào)以及由所述速度推算器推算得到的轉(zhuǎn)子速度以生成速度誤差并基于所述速度誤差對(duì)AC功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的速度控制環(huán)。
2. 如權(quán)利要求
l所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中，所述電源包括被連接 到所述控制器的逆變器，其中，所述逆變器被耦合到所述相繞組并將電壓 信號(hào)施加到所述相繞組上，且其中，所述控制器還包括轉(zhuǎn)差控制環(huán)，所述 轉(zhuǎn)差控制環(huán)包含依次相連的下列元件用于基于所述轉(zhuǎn)子速度指令信號(hào)確 定參考轉(zhuǎn)差的轉(zhuǎn)差參考表、用于將所述參考轉(zhuǎn)差與所述推算到的轉(zhuǎn)差進(jìn)行 比較以計(jì)算轉(zhuǎn)差誤差的轉(zhuǎn)差誤差計(jì)算器、用于接收所述轉(zhuǎn)差誤差并調(diào)節(jié)電壓幅度指令信號(hào)以將該信號(hào)輸出到所述逆變器的轉(zhuǎn)差控制器。
3. 如權(quán)利要求
2所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)差控制環(huán)用于 根據(jù)來(lái)自所述速度控制環(huán)的速度誤差調(diào)節(jié)電壓頻率指令信號(hào)并將該信號(hào) 輸出到所述逆變器。
4. 如權(quán)利要求
2所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中，標(biāo)示所i^目繞組的電 流的信號(hào)被輸入到所述功率因數(shù)與功率推算器，且所述功率因數(shù)與功率推 算器用于基于被輸入的相繞組電流、施加到每一所述相繞組上的所述電壓以及所述電壓幅度信號(hào)和所述電壓頻率信號(hào)推算功率因數(shù)與功率值。
5. 如權(quán)利要求
4所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中，所述逆變器包括具有 正負(fù)導(dǎo)線的DC母線以及對(duì)應(yīng)于所^目繞組且被連接在所述正負(fù)導(dǎo)線之間 的多個(gè)逆變器橋臂，并且其中，所述DC母線的電壓以及對(duì)于對(duì)應(yīng)相繞組 的所述逆變器橋臂的電流被用于對(duì)施加到每一所述相繞組的所述電壓進(jìn) 行推算。
6. 如權(quán)利要求
l所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中，所述控制器還包含溫 度推算器，且所述轉(zhuǎn)差控制環(huán)用于接收所述溫度推算器推算得到的溫度并 根據(jù)該溫度對(duì)所述推算到的轉(zhuǎn)差值進(jìn)行調(diào)節(jié)。
7. —種用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，該感應(yīng)電動(dòng)機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子， 且該定子內(nèi)部具有多個(gè)相繞組，該控制系統(tǒng)的特征在于包括下列元件用于將AC電力輸出到所^目繞組的逆變器；用于推算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度的轉(zhuǎn)子速度推算器；用于接收速度指令以及來(lái)自所述轉(zhuǎn)子速度推算器的速度推算值以生 成速度誤差并根據(jù)所述速度誤差向所述逆變器輸出電壓頻率指令的速度 控制環(huán)；以及用于確定參考轉(zhuǎn)差并接收所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的推算值以及所述電壓頻率 指令以生成轉(zhuǎn)差誤差并根據(jù)所述轉(zhuǎn)差誤差以及所述電壓頻率指令向所述 逆變器輸出電壓幅度指令的轉(zhuǎn)差控制環(huán)。
8. 如權(quán)利要求
7所述的控制系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)子速度推算器還包含和所述功率的功率因數(shù)與功率推算器，所述轉(zhuǎn)子速度;算器用于根據(jù)所述 功率因數(shù)與功率推算器推算到的功率因數(shù)和功率值、所述電壓頻率指令以 及所述電壓幅度指令推算所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差。
9. 如權(quán)利要求
7所述的控制系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)子速度推算器還包含 用于基于定子電阻的推算來(lái)對(duì)所述電動(dòng)機(jī)的溫度進(jìn)行推算的溫度推算器， 且所述轉(zhuǎn)子速度推算器用于根據(jù)所述溫度推算器推算得到的溫度調(diào)節(jié)所 述轉(zhuǎn)子速度的推算值。
專利摘要
一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子速度推算器，其輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子速度的推算值；速度控制環(huán)，其接收速度指令以及轉(zhuǎn)子速度的推算值，并根據(jù)速度指令與轉(zhuǎn)子速度的推算值之間的差值生成速度誤差，根據(jù)速度誤差輸出電壓頻率指令；轉(zhuǎn)差控制環(huán)，其確定參考轉(zhuǎn)差并接收轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的推算值以及電壓頻率指令，根據(jù)參考轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的推算值之間的差值生成轉(zhuǎn)差誤差，并根據(jù)轉(zhuǎn)差誤差以及電壓頻率指令輸出電壓幅度指令。
文檔編號(hào)H02P27/08GKCN201072858SQ200490000025
公開(kāi)日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2004年9月29日
發(fā)明者D·馬塞迪克, J·G·馬爾欽凱維奇, S·維諾德庫(kù)馬爾 申請(qǐng)人:艾默生電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan