專利名稱：控制無刷電機的方法及控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明首先涉及一種如權利要求1的前序部分所述的用于控制以永磁鐵勵磁的電 子換向無Ι 1」電機(permanentmagneterregter, biirstenloser, elektronisch kommutierter Elektromotor)，尤其是三相電機的方法，其中，具有電源頻率(Netzfrequenz)的單相交流 電源電壓經過整流，并且通過精簡的、沒有或者僅具有最小的級間耦合電路電抗的級間耦 合電路，作為以雙倍電源頻率脈動的級間耦合電路電壓輸入到逆變器中，所述逆變器被加 以控制以便對電機供電并使其換向，其中，所述控制是通過根據(jù)磁場(feldorientierte) 的電流空間向量調節(jié)(Strom-Raumzeiger-Regelung)(矢量調節(jié))而實現(xiàn)的，其中，作為電 流空間向量的形成轉矩的分量的q電流被調整成與永磁場相垂直，而作為電流空間向量的 影響磁場的分量的d電流則能夠被沿著永磁場的方向調節(jié)。另外，根據(jù)權利要求5的前序部分，本發(fā)明還涉及一種相應的控制系統(tǒng)，該控制系 統(tǒng)尤其在應用根據(jù)本發(fā)明的方法時使用，其具有電源整流器(Netzgleichrichter)、沒有或 僅具有最小的級間耦合電路電抗(Zwischenkreis-Reaktanz)的串聯(lián)的精簡型級間耦合電 路以及通過所述級間耦合電路饋入并能夠為對電機換向而進行控制的逆變器，所述控制是 借助于根據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)方法實現(xiàn)的，該方法利用轉速調節(jié)器將q電流預先確 定為電流空間向量的形成轉矩的分量。
背景技術：
電子換向電機，即所謂的EC電機經常被用作通風機驅動器。這種驅動器通常包括 集成有功率和信號電子電路的永磁鐵勵磁同步電機(PMSM)。其經常是外轉子電機。這樣的電機可在單相或三相交流電源電壓下通過下述方式來驅動首先，將交流 電源電壓整流成級間耦合電路電壓，接著，通過受控的逆變器將該級間耦合電路電壓轉換 成電機驅動電壓以對電機供電并使電機換向(kommutieren)。對逆變器的控制通常采取根 據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)方法來實現(xiàn)，其中，q電流(q-strom)被調整為垂直于永磁場的 電流空間向量的形成轉矩的分量，從而獲得最大化的轉矩。d電流能夠被沿永磁場的方向調 節(jié)，并形成電流空間向量的影響磁場的分量，即形成根據(jù)電流方向來形成磁場或者減弱磁 場的分量。在同步電機中，d電流一般被調節(jié)為0，以便獲得最優(yōu)化的有效系數(shù)。為獲得盡可能相同的、恒定的且具有最小波動(Welligkeit)(氣隙轉矩的波動， 也就是說內部的電機轉矩的波動)的電機轉矩，并由此獲得有利的噪聲特性(尤其是在作 為通風機驅動器時)，級間耦合電路電壓應當是盡可能恒定的直流電壓。為此，到現(xiàn)在為止， 經過電源整流器整流并強烈脈動的直流電壓都是通過至少一個平滑電容器，并在需要時通 過額外的濾波扼流圈來進行平滑。為此，平滑電容器實際上必須具有相當大的電容量(例 如數(shù)百μ F)，因而一般均采用電解電容器(Elkos)。但是，這種電解電容器在實際使用中具 有這樣的缺點，即尤其具有大的結構體積，同時使用壽命卻很短。因此，目前越來越傾向于徹底放棄平滑電容器或者至少放棄電解電容器，其中，在 第二種情況中采用能夠長時間使用的具有更小電容量(最多僅數(shù)個μ F)的薄膜電容器。由于其沒有或者僅具有很小(最小化)的級間耦合電路-電抗，因而被稱作“精簡的級間耦合 電路”，其中，通過存儲元件，例如電容器和扼流圈(電抗)，可完全或者至少在很大程度上 不需要將電源側和電機側分隔開。這意味著，精簡的級間耦合電路不包含或者僅包含最小 化的級間耦合電路-電抗。利用這種“精簡的級間耦合電路”技術，主要在由單相電源(通常的電源頻率，例 如50Hz)供電時尤其會出現(xiàn)問題，這是因為經過整流的直流電壓以雙倍的電源頻率(例如 100Hz)在0和峰值之間十分劇烈地脈動，其中，電壓變化與正弦形的交流電源電壓的數(shù)值 相當。如果這時將這樣的劇烈脈動的直流電壓直接提供給EC電機，那么在一定的極限電壓 之下只能將過小的電機電流壓入電機線圈中，而這樣的電機電流無法將所需的轉矩繼續(xù)維 持恒定。

發(fā)明內容
本發(fā)明的基本目的在于，以技術上有利的方式且用簡單和成本經濟合理的方法對 具有“精簡的級間耦合電路”的電子換向電機的驅動加以優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明，這一目的通過根據(jù)權利要求1所述的方法得以實現(xiàn)。權利要求5的 主題是一種適用于應用所述方法的控制系統(tǒng)。本發(fā)明的其他有利設計方案包含在各從屬權 利要求及隨后的說明中。根據(jù)本發(fā)明，通過下述方式實現(xiàn)了動態(tài)的場強減弱d電流在負值區(qū)域中被預先 確定為正弦形曲線并具有雙倍的電源頻率-而且不對電源電壓和/或級間耦合電路電壓進 行測量，而且其中，對于d電流，需要根據(jù)q電流來對d電流的相位(相對于電源頻率)和 幅值加以調整，從而使q電流的波動最小化。由于作為形成轉矩的分量的q電流是與轉矩 成比例的，因此，即使級間耦合電路電壓在0與峰值之間劇烈地脈動，轉矩波動(氣隙轉矩 的波動=內部電機轉矩的波動)仍然能夠被最小化。本發(fā)明基于這樣的認識，S卩，在理想的情況下，應當對d電流動態(tài)地加以調整，從 而使電流空間向量在轉子固定的坐標系中總是能夠被這樣跟蹤(nachfuhren)，即電壓空間 向量的長度(與相電壓的幅值相當)在轉子固定的坐標系中始終能夠與在當前時刻從脈動 的級間耦合電路電壓中可能得到的長度一樣(相電壓的跟蹤)。此時，形成轉矩的q電流 部分保持恒定。但是，為此需要精確地求解微分方程，并進行相應的技術轉換。但是，通過 本發(fā)明能夠實現(xiàn)下述目的通過隨時間能夠改變的d電流，能夠借助于級間耦合電路電壓 的隨時間的變化實現(xiàn)相電壓的跟蹤，從而使得到的電機相電壓在足夠好的近似下仍然能夠 由劇烈脈動的級間耦合電路電壓產生。負的d電流起到了減弱場強的作用，場強的減弱使 得電機在較小的端電壓并因而在較小的級間耦合電路電壓下仍然能夠被驅動，而且仍然能 夠_在消耗更多電流的情況下_提供額定功率(額定轉矩，額定轉速)。因此，盡管級間耦 合電路電壓是脈動的，并且在電壓值小并低于一定的極限電壓時，電機在運行過程中仍然 能夠通過減弱場強的方式維持近乎恒定的轉矩。另外，通過動態(tài)的場強減弱，在現(xiàn)有的電機 電感中實現(xiàn)了動態(tài)的能量儲存，并由此實現(xiàn)了將能量反饋到級間耦合電路中(也就是以有 利的方式而無需電機利用發(fā)電機驅動，這種發(fā)電機驅動會改變轉矩)以及使相電流平滑。 這實際上涉及“升壓變壓器效應”，通過這種效應，還能夠額外地提升級間耦合電路電壓并 進一步減小轉矩波動。
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作為補充，還需注意到，從當前的級間耦合電路電壓中始終能夠產生電壓空間向 量，該向量具有的最大長度為級間耦合電路電壓長度的一半。在定子固定的坐標系中，三個 相電壓的幅值與電壓空間向量在轉子固定的坐標系中的長度相當。所述相電壓是借助于電 壓空間向量，通過利用脈寬調制(PWM)的轉換而由級間耦合電路電壓形成的。因此，相電壓 的最大可能幅值與級間耦合電路電壓的一半相當。高的電機電感有利于通過d電流調制進行電壓反饋。它同樣也有助于電機電流的 平滑，并因而有助于使轉矩維持恒定。其理由陳述如下動態(tài)的場強減弱使得在相電壓達到 最小程度并因此使級間耦合電路電壓達到最小程度時仍然能夠驅動電機而不會影響轉矩。 通過d電流調制進行的能量反饋雖然提高了級間耦合電路電壓(升壓變壓器效應)，但并不 是總能夠達到通過場強減弱所能實現(xiàn)的最小電壓。剩余的電壓差會使得相電流在短時間內 突然下跌(脈動)，從而導致轉矩波動。由于電壓可下降性很高，因而通過動態(tài)的場強減弱 本來就必將存在的大的電機電感會像任何電感平滑電流曲線一樣(能量儲存)，對脈動的 電流曲線進行平滑，并確保電流能夠被維持在近乎恒定的水平。從用于根據(jù)級間耦合電路 電壓精確地求解d電流的變化的微分方程的方法中，能夠得出如下結論由于動態(tài)的場強 減弱，相電壓并且因而也使得級間耦合電路電壓(就像前面所述的那樣)所能達到的下降 程度要比它們(在id電流峰值相同的情況下)通過恒定的場強減弱可能達到的下降程度 更大，這是因為由于d電流的變化速度而產生的差別化的電壓降會一同注入到相電壓中。在控制逆變器時，使形成轉矩的q電流以不依賴于d電流的方式保持恒定，或者由 轉速調節(jié)器來預先確定。這意味著，隨著d電流的改變而產生的動態(tài)的場強減弱(不考慮 波動的減小)不會影響q電流以及相應設置的電機轉速。由于d電流的變化，僅有從彼此 垂直的分量所產生的電流空間向量的長度和角度發(fā)生變化。根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)首先包括EC控制器通用的組件，也就是電源整流器和通 過級間耦合電路串聯(lián)的逆變器，用PWM控制器控制所述逆變器以便產生與電壓脈沖相應的 (Spanrumgstaktimg)(調制)以近似正弦形式變化的電機電流。為此設計了根據(jù)磁場的電 流空間向量調節(jié)方法，所述方法利用轉速調節(jié)器將q電流預先確定為電流空間向量的形成 轉矩的分量。根據(jù)本發(fā)明，控制系統(tǒng)具有函數(shù)發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器用于預先確定出具有正 弦形曲線和兩倍的電源頻率的動態(tài)變化的d電流以作為用于動態(tài)地減弱場強的電流分量， 此外，控制系統(tǒng)還具有二維極限值調節(jié)器，該極限值調節(jié)器根據(jù)q電流對正弦形的d電流在 相位與幅值方面進行調節(jié)，從而使得q電流的波動最小化?？刂葡到y(tǒng)的附加組件，即函數(shù)發(fā) 生器和極限值調節(jié)器在技術上能夠相對簡單且成本合理地實現(xiàn)。


下面，借助于附圖，對本發(fā)明以示例的方式進行詳細解釋。其中圖1是作為優(yōu)選實施例的根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的簡化的方框電路圖，圖2是用于說明的電壓曲線圖，以及圖3是在轉子固定的笛卡爾坐標系中的電流空間向量圖。
具體實施例方式首先，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的用于控制不具有集電器的電子換向電機2 (EC-PMSM =電子換向永磁鐵勵磁同步電機)的控制系統(tǒng)包括電源整流器4、串聯(lián)的精簡的 級間耦合電路6以及通過所述級間耦合電路6供電并能夠對電機2的換向進行控制的逆變 器8。通過以簡化的方式示出，但作為構造成全橋型(Vollbrilcke)的電源整流器4，具有 電源頻率fN的單相交流電源電壓Un被整流成強脈沖式的級間耦合電路電壓Uz0在圖2中 形象地示出了該級間耦合電路電壓Uz ；它總是在0與峰值之間以兩倍的電源頻率，即2&脈 動。電壓的變化與正弦形的交流電源電壓Un的數(shù)值相當。根據(jù)圖1，如果需要，級間耦合電路6可包括具有很小電容量的級間耦合電路電容 器Czk。該級間耦合電路電容器可以是價格便宜的小型薄膜電容器。但是，對于平滑級間耦 合電路電壓Uz而言，該級間耦合電路電容器Czk是不夠的，因此所述級間耦合電路電壓Uz同 樣是強烈脈動的(參見圖2)。逆變器8是包括具有6個電門的橋接電路(三相電流-全橋)的功率放大器，其 在圖1中未詳細繪出。在圖1中被極為簡化地繪成方框的電機2包括三個尤其是星形連接的繞組相，所 述繞組相由逆變器8控制以便以公知的方式生成旋轉場。此外，所述控制系統(tǒng)是以通常的 根據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)方法(矢量調節(jié))來工作的。對此請參考圖3所示的示意圖。圖3涉及的是在轉子固定的笛卡爾坐標系中的示 意圖。水平軸d標明了永磁鐵磁場的定向(請參見示例性地繪出的具有S和N極的磁鐵)。 軸q垂直于水平軸d延伸。作為示例，繪出了電流空間向量i，其由兩個電流分量產生，即q 電流、與d電流id，所述q電流是被調整成垂直于永磁場(d軸)的形成轉矩的分量，所述 d電流是被調整為沿磁場方向影響磁場的分量，因而不形成轉矩。在同步電機中，d電流一 般被調節(jié)為0，以便通過q電流在最優(yōu)化的效率下獲得最大的轉矩。這樣，產生的電流空間 向量i與q電流、的最小值相當。形成轉矩的q電流被維持恒定，但優(yōu)選通過轉速調節(jié)器10來預先確定和調節(jié)。 為調整及預先確定出一定的轉速n，設置有任意的控制元件12。對逆變器8的控制是通過 PWM發(fā)生器14根據(jù)電機2的轉子旋轉角實現(xiàn)的。如果這時把由于精簡的級間耦合電路6的原因而如圖2所示的強烈脈動的級間耦 合電路電壓Uz直接提供給電機2，那么在一定的極限電壓Ug之下只能將過小的電機電流壓 入電機線圈中，所述電機電流不能將所需的轉矩繼續(xù)維持恒定。因此根據(jù)本發(fā)明，控制系統(tǒng)以新型的動態(tài)減弱場強的方式工作，其中，d電流id在 負值區(qū)域中被預先確定為以正弦形式變化并具有雙倍的電源頻率，即2fN。在這里，對于被 預先確定為額定值的d電流，根據(jù)其相對于交流電源電壓Un的相位并根據(jù)其幅值加以調 整，以便使q電流、的波動最小化。這種調節(jié)的順序原則上是任意的(1.相位和2.幅值， 或者相反)。由于對d電流id進行了調制，因而所產生的相電流在幅值_相位方面也得到 了調制。此外根據(jù)圖1，所述控制系統(tǒng)具有函數(shù)發(fā)生器16，該函數(shù)發(fā)生器用于預先確定出 具有正弦形曲線和兩倍的電源頻率的動態(tài)變化的d電流id以作為用于動態(tài)地減弱場強的 電流分量。另外，設置有與所述信號發(fā)生器16連接在一起的二維極限值調節(jié)器18，該極限 值調節(jié)器是這樣設計的，即其根據(jù)為此而受到監(jiān)控的q電流、對正弦形的d電流id在相位 與幅值方面進行調整，以便使q電流的波動最小化。由此，所產生的電機相電壓能夠以足夠好的精確度實時地根據(jù)脈動的級間耦合電路電壓Uz的變化而地變化。由于根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)的場強減弱以及在所述控制系統(tǒng)之內為此進行的過程，尤 其是通過d電流的動態(tài)變化，因而有利地實現(xiàn)了將能量動態(tài)地儲存到現(xiàn)有的電機電感中的 額外效果。這些儲存的能量被反饋到級間耦合電路6中，由此提高了級間耦合電路電壓Uz。 因此，這里涉及升壓變壓器效應。這種升壓變壓器效應也對減小q電流的波動并因此也對 減小轉矩的波動具有有利的影響。通過電機電感對相電流進行的平滑同樣起到了像能量儲 存一樣的作用，通過d電流用于反饋以及用于平滑相電流的電機電感被看作能量儲存器， 對該能量儲存器能夠以有利的方式進行操作而無需依賴于轉矩的形成。對于擁有大的相電感以便一方面能夠使相電壓具有大的電壓降，另一方面又對相 電流加以額外平滑(低通特性)的電機，根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)的場強減弱具有特別好的效果。另外，對于相電流的頻率(相頻率)小于脈動的級間耦合電路電壓的頻率(就像 已述及的那樣可能遺留一定的剩余波動)的電機，所述方法能夠起到特別好的作用。由此 產生的高頻電流擾動可以通過繞組的低通特性濾去，這樣就穩(wěn)定(平滑)了電流曲線并因 而也穩(wěn)定(平滑)了轉矩。根據(jù)本發(fā)明的方法也可以與設置在所述級間耦合電路中的升壓變壓器結合應用， 所述升壓變壓器能夠將級間耦合電路電壓的瞬時值至少提高到臨界的極限電壓并由此平 滑所述級間耦合電路電壓。此外，特別有利的是，電機繞組端部的漏磁電感能夠被用作驅動 升壓變壓器的電感。一種相應的方法是較早的歐洲專利申請EP 09163651的主題，在此全 面參考了該專利申請。本發(fā)明并不限制于前面已經說明和描寫過的實施例，其也包括所有在發(fā)明意義上 起同樣功能的結構。另外，本發(fā)明迄今為止也不限于在獨立權利要求中限定的特征組合，其 也可以被定義為已被全部公開的單個特征的某些特征的任意一種其他的組合方式。這意味 著，原則上并在實踐中，獨立權利要求中所述的每一個單個特征都可以刪去，或者說，獨立 權利要求中所述的每一個單個特征都可以被在本申請中其他地方所公開的單個特征所取 代。就此而言，各權利要求僅應被理解為對于一個發(fā)明的一種最初表述嘗試。
權利要求
用于控制以永磁鐵勵磁的電子換向無刷電機，尤其是三相電機(2)的方法，其中，具有電源頻率(fN)的單相交流電源電壓(UN)經過整流，并通過精簡的、沒有或者僅具有最小的級間耦合電路電抗的級間耦合電路(6)，作為以雙倍電源頻率(2fN)脈動的級間耦合電路電壓(UZ)而被輸入到逆變器(8)中，所述逆變器被加以控制以便對電機(2)供電并使其換向，其中所述控制是通過根據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)而實現(xiàn)的，其中，作為電流空間向量(i)的形成轉矩的分量的q電流(iq)被調整成與永磁場相垂直，而作為電流空間向量(i)的影響磁場的分量的d電流(id)能夠被沿著永磁場的方向調節(jié)，其特征在于，所述方法使場強動態(tài)地減弱，其中所述d電流(id)在負值區(qū)域中被預先確定為以正弦形式變化并具有雙倍的電源頻率(2fN)，并且其中，對于所述d電流，根據(jù)其相位和幅值進行調節(jié)，以便使q電流(iq)的波動最小化。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述q電流(iq)以不依賴于所述d電流 (id)的方式由轉速調節(jié)器(10)預先確定。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過動態(tài)的場強減弱，實現(xiàn)了在現(xiàn)有 的電機電感中的動態(tài)的能量儲存，并由此實現(xiàn)了將能量反饋入級間耦合電路(6)中以及使 相電流平滑。
4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述方法應用于具有大的相電感 的電機⑵和/或相頻率小于級間耦合電路電壓(Uz)的脈沖頻率的電機(2)。
5.用于電子換向無刷電機，尤其是三相電機(2)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)尤其是在 應用根據(jù)前述權利要求之一所述的方法時使用，其具有電源整流器(4)、沒有或僅具有最小 的級間耦合電路電抗的串聯(lián)的精簡型級間耦合電路(6)以及通過所述級間耦合電路(6)供 電并能夠借助于根據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)方法而對電機(2)的換向進行控制的逆變 器(8)，其中所述電流空間向量調節(jié)方法利用轉速調節(jié)器(10)將q電流(iq)預先確定為電 流空間向量(i)的形成轉矩的分量，其特征在于，所述控制系統(tǒng)具有函數(shù)發(fā)生器(16)，該函數(shù)發(fā)生器用于預先確定出具有 兩倍的電源頻率(2fN)且在負值區(qū)域內具有正弦形曲線的動態(tài)變化的d電流(id)以作為用 于動態(tài)地減弱場強的電流分量，此外，所述控制系統(tǒng)還具有極限值調節(jié)器(18)，該極限值調 節(jié)器根據(jù)q電流(iq)在相位與幅值方面對正弦形的d電流(id)進行調節(jié)，從而使得q電流 (iq)的波動最小化。
6.根據(jù)權利要求5所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(2)被構造為三相同步電 機，并且尤其是被構造為外轉子電機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制以永磁鐵勵磁的電子換向無刷電機，尤其是三相電機(2)的方法和控制系統(tǒng)，其中，具有電源頻率(fN)的單相交流電源電壓(UN)經過整流，并通過精簡的、沒有或者僅具有最小的級間耦合電路-電抗的級間耦合電路(6)，作為以雙倍電源頻率(2fN)脈動的級間耦合電路電壓(UZ)而被輸入到逆變器(8)中，所述逆變器被加以控制以便對電機(2)供電并使其換向，其中，所述控制是通過根據(jù)磁場的電流空間向量調節(jié)而實現(xiàn)的，其中，作為電流空間向量(i)的形成轉矩的分量的q電流(iq)被調整成與永磁場相垂直，而作為電流空間向量(i)的影響磁場的分量的d電流(id)能夠被沿著永磁場的方向調節(jié)。在此實現(xiàn)了動態(tài)的場強減弱，其中所述d電流(id)在負值區(qū)域中被預先確定為以正弦形式變化并具有雙倍的電源頻率(2fN)，并且其中，對于所述d電流，根據(jù)其相位和幅值進行調節(jié)，以便使q電流(iq)的波動最小化。因為作為形成轉矩的分量的q電流與轉矩成比例，因此盡管級間耦合電路電壓(UZ)劇烈地脈動，但轉矩波動仍然能夠被降低到最小程度。
文檔編號H02P6/10GK101958677SQ20101023352
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者拉爾夫·維什塔帕, 海慕·李波 申請人:依必安-派特穆爾芬根股份有限兩合公司