專利名稱：應用到周期性負載的用于電動機的控制系統(tǒng)以及應用到周期性負載的用于電動機的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于控制無刷DC梯形類型的電動機以及尤其是永磁電動機的系統(tǒng)和方法，目的在于優(yōu)化在驅動周期性負載方面的電能消耗的效率。更特別地，本發(fā)明被推薦用于涉及使用周期性負載(諸如壓縮機中看到的那些負載)的應用，所述周期性負載在壓縮周期期間具有與吸氣周期期間存在的轉矩相比高得多的轉矩。
背景技術：
無刷DC類型的永磁電動機在要求低成本和高性能的應用中正變得越來越受歡迎。無刷DC類型的電動機與其中永磁體安裝到轉子上的上下倒置安裝的DC電動機類似。盡管在DC電動機中電流的顛倒通過開關和電刷來實現(xiàn)，但是在無刷DC電動機的情況下，電 流通過驅動定子線圈的功率逆變器而顛倒。為了獲得最大的轉矩以及能耗方面的最高效率，有必要在電動機的各相中使電流與感應電壓同步。這可以通過使用耦合到電動機軸的傳感器或者通過觀測電動機各相中的感應電壓或電流來完成。耦合到電動機軸的傳感器具有以下缺陷給電動機的設計添加額外的元件，從而大大地增加解決方案的最終成本。而且，電動機經受的空間和環(huán)境本身的限制可能使得這些類型的傳感器的使用不可行。這就是為什么電壓或電流觀測器的使用在大多數(shù)情況下構成最佳的選擇的原因。北美專利US6922027公開了一種使用利用由電壓比較器、電容器和電阻器形成的網絡構建的電壓觀測器的技術。比較器輸出被發(fā)送至微處理器，該微處理器確定電動機驅動器的換向時刻。盡管該解決方案經過微處理，但是它需要使用許多外部部件。ANDRICH等人使用了一種其中示出、數(shù)學處理電動機的三相并且然后彼此進行比較以便確定電動機的換向時刻的技術。該技術的優(yōu)點是在確定電動機的位置中消除了模擬電路、在依照電動機的機械結構調節(jié)觀測器中的靈活性、對于部件的參數(shù)變化的較低的敏感性、以及校準電路的可能性。無刷DC電動機可以用于驅動應用到冷卻系統(tǒng)的壓縮機。這種類型的應用滿足了在本發(fā)明的范圍中限定的周期性負載條件。將這種類型的電動機應用到冷卻系統(tǒng)針對的是系統(tǒng)冷卻能力的變化，所述系統(tǒng)冷卻能力可以通過改變冷卻流進行控制。冷卻流量進而與電動機的平均速度成正比。因此，控制器的主要規(guī)格應當是平均旋轉速度的控制。壓縮機的工作可以劃分成兩個工作階段吸氣階段和壓縮階段。吸氣發(fā)生在每個周期的開始并且由液壓缸內的活塞回退表征。在該處理期間，液壓缸填充有冷卻流體。壓縮周期進而在活塞顛倒其位移方向時開始。在該階段期間，流體在液壓缸內被壓縮。壓縮該流體產生比由完整機械循環(huán)引起的平均轉矩大得多的轉矩。記住該行為每機械循環(huán)重復，在電動機工作期間可以在轉矩的變化中看出周期性行為。機械循環(huán)內的轉矩變化造成電動機速度的變化，從而在壓縮周期期間減小電動機的速度。通常，在控制動作中不存在如下的偏移在機械循環(huán)內調節(jié)電動機的瞬時速度，以便偏移壓縮周期期間的速度。開發(fā)用于驅動壓縮機的控制器假設對于冷卻系統(tǒng)而言重要的是控制平均冷卻流，其基本上通過平均旋轉速度限定。然而，電動機的平均速度的簡單控制可能由于吸氣和壓縮周期期間的旋轉的變化而呈現(xiàn)電流波形的失真。電流波形的這種變形不是所希望的，因為它由于電動機功率因數(shù)的降低而減小電能消耗的效率。記住例如壓縮周期，注意，電動機中的感應電壓由于增加的轉矩造成速度的降低而維持幅度的降低。常規(guī)的控制器并不用來修改施加到電動機的平均電壓，并且這就是存在施加到電動機線圈的電位差的增加的原因，所述電位差限定為逆變器施加的電壓與電動機的感應電壓之間的差異。施加到電動機線圈的電位差的增加于是造成壓縮周期期間的電流的增加。通過相同的方式，在吸氣周期中電流由于電動機中感應電壓的幅度降低而減小。因此，施加到電動機中的電流在壓縮周期期間增加并且在吸氣周期期間減小。這 種行為恰恰與感應電壓的行為相反，所述感應電壓在壓縮周期期間減小并且在吸氣周期期間增加。電壓和電流之間的這種顛倒行為的影響在電動機功率因數(shù)上，該電動機功率因數(shù)即隨著電流波形變得與感應電壓波形不同而減小的因數(shù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是通過調節(jié)施加到無刷DC電動機的電流波形而改進應用到周期性負載的驅動器的無刷DC電動機功率因數(shù)。電流波形的這種調節(jié)由于由機械循環(huán)內的速度變化引起的電動機的感應電壓的變化而應當被執(zhí)行。因此，一種實現(xiàn)本發(fā)明目的的方式是通過提供一種用于電動機的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括電動機、至少一個電子控制單元和至少一個電子電源單元，電動機由電子電源單元電驅動，電子控制單元電命令電子電源單元，所述系統(tǒng)包括通過電子控制單元實現(xiàn)的平均速度控制器，該平均速度控制器被設置成監(jiān)視電動機的瞬時速度并且提供電動機的平均速度值，電子控制單元被設置成基于獲得的平均速度計算平均電壓，電子電源單元被設置成通過瞬時電壓值來電驅動電動機，該瞬時電壓值通過將平均電壓乘以瞬時速度與平均速度之間的除法結果而計算。另一種實現(xiàn)本發(fā)明目的的方式是通過提供一種用于電動機的控制方法，所述方法具有以下步驟
i)基于電動機的瞬時速度讀數(shù)計算電動機的平均速度，
ii)使用先前步驟的平均速度計算平均電壓， i i i )監(jiān)視電動機的瞬時速度，
iv)通過瞬時電壓值來電驅動電動機，該瞬時電壓值通過將平均電壓乘以瞬時速度與平均速度之間的除法結果而計算。上面描述的系統(tǒng)和方法依照本發(fā)明的教導實現(xiàn)電流波形的調節(jié)。因此，所述控制方法修改施加到電動機的電壓，將先前由速度控制限定的平均電壓乘以瞬時速度與平均速度之間的除法。以所描述的方式在施加到電動機的電壓中執(zhí)行的校正設法調節(jié)電流的波形，使得它類似于感應電壓的波形。這項工作也強調了電流的任何變化的強加將通過改變輸送至電動機的瞬時電壓而發(fā)生，而不改變由速度控制網絡計算的平均電壓。


將參照附圖描述本發(fā)明，這些附圖出于解釋的目的而被提供并且其中
圖I : (a)表示具有4個極的三相、無刷DC類型的永磁電動機的驅動系統(tǒng)的框圖，梯形電壓處于120°電度的水平。該圖包括整流器、電容濾波器、由電源開關組表征的三相逆變器、永磁電動機、電壓觀測器和控制單元。在(b)中，電動機驅動器的波形特性；
圖2 :呈現(xiàn)用于使用平均速度控制器驅動電動機的框圖。該解決方案的控制是通過監(jiān)視電動機的平均速度；
圖3 :(a)電動機各相之一中向應用到電動機軸的恒定負載所施加的平均電壓FA和感應電壓EA的波形。在該相同情況下，(b)呈現(xiàn)了電動機的電流波形； 圖4 : (a)和(c)在機械周期內的不同時刻施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA之間的差異的細節(jié)。此外，(b)和(d)示出了電動機中得到的相應電流；
圖5 :由應用到恒定負載的平均速度控制方法引起的電動機三相中的電流。三相的電流呈現(xiàn)了機械循環(huán)內的相同波形；
圖6 :應用到由平均速度控制器驅動的電動機的周期性負載的特性曲線；
圖7 :(a)呈現(xiàn)了施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA的波形。(b)呈現(xiàn)了電動機中得到的電流的波形。感應電壓EA的變化是機械循環(huán)內電動機的速度變化的直接后果；
圖8 : (a)最大速度時刻期間施加到電動機的電壓FA與感應電壓EA之間的差異的細節(jié)。(b)最大速度時刻期間得到的電流。(c)最小速度時刻期間施加到電動機的電壓FA與感應電壓EA之間的差異的細節(jié)。(d)最小速度時刻期間得到的電流；
圖9 :呈現(xiàn)了由應用到周期性負載的平均速度控制方法引起的電動機三相中的電流；
圖10 :提出用于改進電動機功率因數(shù)的控制方法的框圖。在該圖中強調了負責調節(jié)電流波形的框；
圖11 :(a)呈現(xiàn)了通過所提出的控制方法校正的施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA的波形。(b)呈現(xiàn)了電動機中得到的電流的波形；
圖12 : (a)最大速度時刻期間通過所提出的控制方法校正的施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA的細節(jié)。(b)最大速度時刻期間得到的電流。(c)最小速度時刻期間通過所提出的控制方法校正的施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA的細節(jié)。(d)最小速度時刻期間得到的電流；以及
圖13 :呈現(xiàn)了通過本發(fā)明中提出的控制方法校正的電動機三相中的電流。
具體實施例方式圖I (a)示出了控制圖的基本設置以及(b)示出了電動機10的驅動器中存在的理想波形，所述電動機在這種情況下即具有四極梯形波的無刷DC類型三相永磁電動機。舉例而言，在下文中，該電動機應當用于分析其余圖形。然而，本發(fā)明對于無刷DC類型的任何永磁電動機也是有效的。在正常工作下，所述控制分析電壓和/或電流觀測器的輸入并且依照檢測的位置以圖I (b)中所示的順序驅動開關SW1-SW6。此外，已知通過使用耦合到電動機軸的傳感器、感應電壓或電流的觀測器，有可能測量電動機的速度。在所提出的設置中，使用如圖I (a)中所示的電壓觀測器，但是任何其他的速度測量設備都可以應用于所提出的發(fā)明。圖2示出了通過電動機10的平均速度進行的控制的框圖。這一典型的設置示出了電動機和逆變器、以及可以監(jiān)視速度的傳感器。在這種情況下，控制器負責連同所述系統(tǒng)限定的基準或設定點一起處理關于來自傳感器的速度的信息。圖3進而針對向軸強加恒定負載的情況呈現(xiàn)了由常規(guī)平均速度控制器驅動的電動機10的響應。恒定負載的條件有利于這種類型的控制，因為實際旋轉速度在機械周期期間保持恒定。速度的這種恒定行為反映在電動機中的感應電壓波形中。按照圖3(a)，感應電壓維持均勻形狀，即它在機械周期期間不改變。結果，如圖3 (b)中所呈現(xiàn)的，由電動機中的 電流引起的波形也呈現(xiàn)均勻的行為，并且在機械循環(huán)期間不改變。圖4 (a)和圖4 (C)詳述了施加到電動機10的電壓FA和感應電壓EA之間的差異，其在機械循環(huán)內保持近似恒定。圖4 (b)和圖4 (d)示出了由于施加到電動機的電壓FA和感應電壓EA之間的差異的維持而使電動機10中得到的相電流的波形在機械循環(huán)內也是相同的。因此，如圖5中可見的，在電動機三相中得到的電流的波形是相同的，沒有展示出機械周期期間的任何種類的失真。然而，在驅動周期性負載(諸如針對應用到冷卻系統(tǒng)的壓縮機所預見的周期性負載)的情況下，所述行為并不適用。圖6呈現(xiàn)了周期性負載的一個實例，其包括圍繞平均TM操作點的振蕩。具有典型周期性特性的負載是由可替換的壓縮機產生的負載。對由常規(guī)平均速度控制器操作的電動機速度的影響是圍繞平均速度RPMM的振蕩。速度振蕩造成感應電壓EA幅度的變化，這示于圖7中。由于通過速度控制器施加到電動機的電壓FA在機械循環(huán)期間是恒定的，因而感應電壓EA越高，由電動機引起的IA電流就越低。因此，在圖8 (a)和圖8 (b)中強調的最大速度時刻期間，感應電壓EA非常接近于施加到電動機的電壓FA。結果，存在IA電流幅度的減小。在圖8 (c)和圖8 (d)中強調的最小速度時刻期間，發(fā)生顛倒現(xiàn)象。在圖9中概括了速度變化對電動機電流的影響，清楚地示出機械循環(huán)內相電流IA、IB和IC的失真。感應電壓增加期間電動機中得到的電流的減小或者感應電壓減小期間電流的增加直接影響電動機功率因數(shù)的降低。因此，為了改進電動機功率因數(shù)，電流應當具有與感應電壓相同的格式。因此，當存在感應電壓的減小時，有必要降低電流并且反之亦然。但是，使用常規(guī)速度控制器而發(fā)生的現(xiàn)象正好相反。與電動機的機械循環(huán)期間的感應電壓不成比例的該電流變化損害電動機功率因數(shù)并且因此減小系統(tǒng)的效率。沿著這些路線，本發(fā)明提供了如下的系統(tǒng)和方法所述系統(tǒng)和方法尤其被設計成優(yōu)化應用到周期性負載的驅動器的電動機功率因素，由此調節(jié)電動機10的電流波形。所提出的控制系統(tǒng)以圖10中的框圖的形式表示。在圖中強調了負責調節(jié)電流波形的框。如所設想的應用到周期性負載的用于電動機的控制系統(tǒng)包括電動機10、至少一個電子控制單元20和至少一個電子電源單元30。電動機10通過電子電源單元30進行電驅動，后者如圖Ia中所示的那樣由被設置成控制電動機10的每相電壓的一組電子電源開關SW2N驅動。此外，電子控制單元20電命令所述電子電源單元30。與現(xiàn)有技術相比較創(chuàng)新的是，本系統(tǒng)包括平均速度控制器，由電子控制單元20實現(xiàn)，使得該平均速度控制器被設置成監(jiān)視電動機10的瞬時速度Vi并且因此提供電動機10的平均速度值。進而，電子控制單元20被設置成基于獲得的平均速度計算平均電壓Va。相比之下，電子電源單元30被設置成通過瞬時電壓值Vins電驅動電動機10，該瞬時電壓值Vins通過將平均電壓Va乘以瞬時速度Vi與平均速度之間的除法結果而計算。
如已經提到的，本發(fā)明優(yōu)選地針對無刷DC類型的電動機理想化，然而，依照本發(fā)明的教導，可以使用其他類似的電動機。在本發(fā)明的范圍內，提供了計算瞬時電壓值Vins以便提供與電動機10的感應電壓波形基本上一致的電動機10的電流波形。此外，本發(fā)明提供了使用被設置成改進電動機10的速度讀數(shù)的濾波器。如先前所提到的，本發(fā)明也提供了一種用于電動機10的控制方法，該控制方法尤其被設計用于使用周期性負載的電動機。通過上面描述的系統(tǒng)實現(xiàn)的所述方法基本上包括以下步驟
i)基于電動機的瞬時速度Vins讀數(shù)計算電動機10的平均速度RPMavwage, )使用先前步驟的平均速度計算平均電壓\，
iii)監(jiān)視電動機10的瞬時速度Vi，以及
iv)通過瞬時電壓值Vins電驅動電動機10，該瞬時電壓值Vins通過將平均電壓Va乘以瞬時速度Vins與平均速度之間的除法結果而計算。因此，依照本發(fā)明的教導的控制方法修改施加到電動機10的電壓，將先前由速度控制限定的平均電壓Va乘以瞬時速度Vi與平均速度RPMavCTage之間的除法
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^1 a venire如所述的施加到電動機的電壓中執(zhí)行的校正設法調節(jié)電流的波形，使得它類似于感應電壓的波形。圖11 (a)呈現(xiàn)了感應電壓EA和施加到電動機的電壓FA的波形。圖11(b)中示出的校正電流IA的幅度此后與感應電壓EA成正比。因此，在圖12 (a)和圖12 (b)中強調的最大速度時刻期間，施加到電動機的電壓FA增加，從而提供電流IA幅度的增加。在圖12 (c)和圖12 (d)中強調的最小速度時刻期間，發(fā)生顛倒現(xiàn)象。在圖13中呈現(xiàn)了相電流IA、IB和IC的調節(jié)結果。在這個意義上，現(xiàn)在由電流呈現(xiàn)的振蕩有利于改進功率因數(shù)，因為它們與感應電壓呈現(xiàn)的相同變化同相。根據上述，與現(xiàn)有技術相比較有利的是，本發(fā)明提供了一種用于由周期性負載操作的電動機的優(yōu)化控制，其在依照現(xiàn)在提出的系統(tǒng)和方法來考慮所調節(jié)的功率因數(shù)的增加時顯著地降低了設備的電能消耗。最后，必須指出的是，所討論的發(fā)明對于其中使用冷卻壓縮機的應用也是尤其有 利的，因為它們在與現(xiàn)在要求保護的對象的控制提議顯著一致的操作周期中工作。描述了優(yōu)選實施例的實例，應當理解的是，本發(fā)明的范圍涵蓋其他可能的變化并且僅僅由附于此處的權利要求內容、包含于其中的潛在等效方案限制。
權利要求
1.應用到周期性負載的用于電動機的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括 -電動機(10)； -至少一個電子控制單元(20); -至少一個電子電源單元(30); -電動機(10)由電子電源單元(30)電驅動； -電子電源單元(30)，由電子控制單元(20)電命令， 所述系統(tǒng)的特征在于包括通過電子控制單元(20)實現(xiàn)的平均速度控制器，該平均速度控制器被設置成監(jiān)視電動機(10)的瞬時速度(Vi)并且提供電動機(10)的平均速度值RPMaverage,電子控制單元(20)被設置成基于獲得的平均速度計算平均電壓(Vm)，電子電源單元(30)被設置成通過瞬時電壓值(Vins)電驅動電動機(10)，該瞬時電壓值(Vins)通過將平均電壓(Vm)乘以瞬時速度(Vi)與平均速度RPMaraage之間的除法結果而計算。
2.依照權利要求I的系統(tǒng)，特征在于其中電動機(10)為無刷DC類型。
3.依照權利要求I的系統(tǒng)，特征在于其中電子電源單元(30)包括被設置成控制電動機(10)的每相中的電壓的一組電子電源開關(SW2N)。
4.依照權利要求I的系統(tǒng)，特征在于其中計算瞬時電壓值(Vins)以便提供與電動機(10)中的感應電壓波形基本上一致的電動機(10)的電流波形。
5.依照權利要求I的系統(tǒng)，特征在于使用被設置成優(yōu)化電動機(10)的速度讀數(shù)的濾波器。
6.應用到周期性負載的用于電動機(10)的控制方法，該方法特征在于包括以下步驟 i)基于電動機的瞬時速度(Vi)讀數(shù)計算電動機(10)的平均速度RPMavwage ii)基于先前步驟的平均速度RPMaraage計算平均電壓(Vm)， iii)監(jiān)視電動機(10)的瞬時速度(Vi), iv)通過瞬時電壓值(Vins)電驅動電動機(10)，該瞬時電壓值(Vins)通過將平均電壓(Vffl)乘以瞬時速度(Vi)與平均速度RPMaraage之間的除法結果而計算。
7.依照權利要求6的用于電動機(10)的控制方法，特征在于其中所述步驟通過權利要求1-5中限定的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種尤其應用到被設計成驅動周期性負載的電動機的系統(tǒng)和控制方法。本系統(tǒng)包括電動機(10)、至少一個電子控制單元(20)和至少一個電子電源單元(30)。電動機(10)由電子電源單元(30)電驅動，電子控制單元(20)電命令電子電源單元(30)，所述系統(tǒng)包括通過電子控制單元(20)實現(xiàn)的平均速度控制器，該平均速度控制器被設計成監(jiān)視電動機(10)的瞬時速度(Vi)并且提供電動機(10)的平均速度值，電子控制單元(20)被設計成從獲得的平均速度計算平均電壓(Vm)，電子電源單元(30)被設計成通過瞬時電壓值(Vins)電驅動電動機(10)，該瞬時電壓值(Vins)通過將平均電壓(Vm)乘以瞬時速度(Vi)除以平均速度的結果而計算。
文檔編號H02P7/18GK102714477SQ201080042276
公開日2012年10月3日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權日2009年7月22日
發(fā)明者C·E·舒亞雷斯, D·E·伯恩哈德利利, L·馮多科納爾, R·安德里希 申請人:惠而浦股份公司