專利名稱：用于電動機的預(yù)測控制系統(tǒng)以及應(yīng)用到周期性負載的用于電動機的預(yù)測控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尤其被設(shè)計成控制無刷DC梯形類型的永磁電動機的系統(tǒng)，目的在于優(yōu)化在驅(qū)動周期性負載(諸如冷卻系統(tǒng)中的壓縮機)方面的電能消耗的效率。此外，本發(fā)明提供了一種用于這種類型的電動機的控制方法，該方法在現(xiàn)在要求保護的系統(tǒng)中實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
無刷DC類型的永磁電動機在要求低成本和高性能的應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)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(qū)動定子線圈的功率逆變器而顛倒。為了獲得最大的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(jīng)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(gòu)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的電壓觀測器的技術(shù)。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(qū)動器的換向時刻。盡管該解決方案經(jīng)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(xué)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(shù)。該技術(shù)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(jié)構(gòu)調(diào)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(qū)動應(yīng)用到冷卻系統(tǒng)的壓縮機。這種類型的應(yīng)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(yīng)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(yīng)當是平均旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)被壓縮。壓縮該流體產(chǎn)生比由完整機械循環(huán)引起的平均轉(zhuǎn)矩大得多的轉(zhuǎn)矩。記住該行為每機械循環(huán)重復(fù)，在電動機工作期間可以在轉(zhuǎn)矩的變化中看出周期性行為。機械循環(huán)內(nèi)的轉(zhuǎn)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(nèi)調(diào)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(qū)動壓縮機的控制器假設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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，因為它由于發(fā)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(yīng)電壓由于增加的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)電壓的行為相反，所述感應(yīng)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發(fā)動機功率因數(shù)上，該發(fā)動機功率因數(shù) 即隨著電流波形變得與感應(yīng)電壓波形不同而減小的因數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是通過調(diào)節(jié)施加到無刷DC電動機的電流波形而改進應(yīng)用到周期性負載的驅(qū)動器的無刷DC電動機功率因數(shù)。電流波形的這種調(diào)節(jié)由于由機械循環(huán)內(nèi)的速度變化引起的電動機的感應(yīng)電壓的變化而應(yīng)當被執(zhí)行。對于電流波形的調(diào)節(jié)是基于來自先前循環(huán)的信息，記住電動機中的轉(zhuǎn)矩、速度和感應(yīng)電壓的標準波形應(yīng)當在周期性負載的操作中從一個機械循環(huán)到下一個機械循環(huán)變化很小。所提出的控制技術(shù)利用了負載的這種周期性特性以便預(yù)測施加到電動機的電壓中的調(diào)節(jié)。這好像是該控制技術(shù)可以預(yù)測電動機的負載并且預(yù)報該變化對電動機的影響。因此，控制器能夠基于該預(yù)見的行為預(yù)測施加到電動機的電壓中所需要的調(diào)節(jié)。因此，本發(fā)明的目的通過提供一種應(yīng)用到周期性負載的用于電動機的預(yù)測控制系統(tǒng)和方法來實現(xiàn)，所述系統(tǒng)具有電動機，包括至少一個電子控制單元、至少一個電子電源單元、至少一個電動位置觀測設(shè)備，電動機由電子電源單元電驅(qū)動，電子控制單元電命令電子電源單元，所述系統(tǒng)包括電動機的位置觀測設(shè)備和平均速度控制器，二者通過電子控制單元實現(xiàn)，速度控制器被設(shè)置成監(jiān)視電動機的平均速度，位置觀測設(shè)備被設(shè)置成監(jiān)視且存儲電動機的每個位置的瞬時速度并且通過每個位置估計電動機的瞬時控制速度，電子控制單元被設(shè)置成基于監(jiān)視的平均速度計算平均電壓，電子電源單元被設(shè)置成通過控制電壓值來電驅(qū)動電動機，該控制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(jié)果而計算。如所提到的，本發(fā)明的目的進一步通過提供一種用于電動機的預(yù)測控制方法來實現(xiàn)，所述方法具有以下步驟
i)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，
iii)監(jiān)視電動機的每個位置的瞬時速度，
iv)存儲先前步驟中計算的一個或多個瞬時速度值，V)通過電動機的每個位置估計電動機的瞬時控制速度，
Vi )通過控制電壓值來電驅(qū)動電動機，該控制電壓值通過將平均電壓乘以瞬時控制速度與平均速度之間的除法結(jié)果而計算。為了實現(xiàn)電流波形的調(diào)節(jié)，所述控制方法監(jiān)視并且存儲電動機的每個位置的瞬時速度。如上面所描述的，所述控制方法然后修改要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。關(guān)于在該計算中使用的瞬時速度的信息來自電動機的先前循環(huán)，使得控制器能夠預(yù)測電動機的行為。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(shè)法調(diào)節(jié)電流的波形，使得它類似于感應(yīng)電壓的波形。這項工作也強調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(qū)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(guān)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(qū)動器的波形特性；
圖2 :呈現(xiàn)用于使用平均速度控制器驅(qū)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(yīng)用到電動機軸的恒定負載所施加的平均電壓FA和感應(yīng)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(nèi)的不同時刻施加到電動機的電壓FA和感應(yīng)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(yīng)電流；
圖5 :由應(yīng)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(nèi)的相同波形；
圖6 :應(yīng)用到由平均速度控制器驅(qū)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(yīng)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(yīng)電壓EA的變化是機械循環(huán)內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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 :用于改進電動機功率因數(shù)的控制方法的框 圖11 : (a)呈現(xiàn)了通過所提出的系統(tǒng)和控制方法校正的施加到電動機的電壓FA和感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電壓EA的細節(jié)。(d)最小速度時刻期間得到的電流；
圖13 :呈現(xiàn)了通過作為本發(fā)明對象的控制方法校正的電動機三相中的電流；圖14 :呈現(xiàn)了依照本發(fā)明的教導(dǎo)的通過速度觀測器采集的每個位置的平均速度、連同電動機的實際速度；
圖15 :示出了依照本發(fā)明的教導(dǎo)的速度測量中存在的延遲，其由實際速度與通過換向時刻測量的速度之間的差異表征；以及
圖16 :示出了如本發(fā)明的控制框圖中布置的電動機的每個位置的瞬時速度的存儲。
具體實施例方式圖I (a)示出了控制圖的基本設(shè)置以及(b)示出了電動機10的驅(qū)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(yīng)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。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(qū)動開關(guān)SW1-SW6。此外，已知通過使用耦合到電動機軸的傳感器、感應(yīng)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(shè)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(shè)備都可以應(yīng)用于所提出的發(fā)明。圖2示出了基于電動機的平均速度操作的典型控制的框圖。這一設(shè)置示出了電動機和逆變器、以及可以監(jiān)視速度的傳感器。配置控制器負責連同所述系統(tǒng)限定的基準或設(shè)定點一起處理關(guān)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(qū)動的電動機的響應(yīng)。恒定負載的條件有利于這種類型的控制，因為實際旋轉(zhuǎn)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(yīng)電壓波形中。按照圖3(a)，感應(yīng)電壓維持均勻形狀，即它在機械周期期間不改變。結(jié)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的電壓FA和感應(yīng)電壓EA之間的差異，其在機械循環(huán)內(nèi)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(yīng)電壓EA之間的差異的維持而使電動機中得到的相電流的波形在機械循環(huán)內(nèi)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，重要的是指出恒定負載對電動機軸的影響當與來自周期性負載的對電動機軸的影響相比時的差異。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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(diào)的最大速度時刻期間，感應(yīng)電壓EA非常接近于施加到電動機的電壓FA。結(jié)果，存在IA電流幅度的減小。在圖8 (c)和圖8 (d)中強調(diào)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(nèi)相電流IA、IB和IC的失真。感應(yīng)電壓增加期間電動機中得到的電流的減小或者感應(yīng)電壓減小期間電流的增加直接影響發(fā)動機功率因數(shù)的降低。為了改進電動機功率因數(shù)，電流應(yīng)當具有與感應(yīng)電壓相同的格式。因此，例如諸如本發(fā)明中提出的控制系統(tǒng)之類的控制系統(tǒng)應(yīng)當用來在發(fā)生操作電流的降低時降低電動機中的感應(yīng)電壓，同時其中它在電動機中的電流增加時提高電動機中的感應(yīng)電壓。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(yīng)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，現(xiàn)在提出的系統(tǒng)和方法的目的是改進應(yīng)用到周期性負載的驅(qū)動器的電動機功率因素，由此調(diào)節(jié)電流的波形。
在圖10的框圖中示出了一種用來調(diào)節(jié)電動機的電流的方式。所述控制用來調(diào)節(jié)電流的波形，監(jiān)視電動機的瞬時速度和平均速度。與此相比，圖10中所示的控制具有除了高容量處理硬件之外還需要實時監(jiān)視和控制的技術(shù)缺陷。在本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)，提出了一種系統(tǒng)和控制方法以便應(yīng)對估計和存儲的速度值，不同于圖10呈現(xiàn)的解決方案中所發(fā)生的，有可能預(yù)報在電動機工作期間電動機的行為。因此，應(yīng)用到周期性負載的用于電動機的稱為預(yù)測控制系統(tǒng)的本控制系統(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。圖I示出了現(xiàn)在要求保護的對象的實現(xiàn)可能性。此外，值得提到的是，電動機10通過電源單元30電驅(qū)動。電子電源單元30包括被設(shè)置成控制電動機10的每相電壓的一組電子電源開關(guān)SW2N。相同的圖I示出了通過電子控制單元20電命令電子電源單元30。本發(fā)明的創(chuàng)新特性指的是以下事實控制系統(tǒng)包括電動機的電動位置觀測設(shè)備和平均速度控制器，二者都通過電子控制單元20實現(xiàn)。平均速度控制器尤其被設(shè)置成監(jiān)視電動機10的平均速度，而位置觀測設(shè)備被設(shè)置成監(jiān)視和存儲電動機10的每個位置的瞬時速度Vi。因此，有可能通過每個位置估計電動機10的瞬時控制速度V。。接下來，電子控制單元20被設(shè)置成基于監(jiān)視的平均速度計算平均電壓Vm，而電子電源單元30被設(shè)置成通過控制電壓值V_tMl電驅(qū)動電動機10。所述控制電壓值V_tMl通過將平均電壓Vm乘以瞬時控制速度V。與平均速度RPMaverage之間的除法結(jié)果而計算?；谏鲜?，本控制系統(tǒng)根據(jù)以下等式修改要施加到電動機的電壓
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用到周期性負載的用于電動機的預(yù)測控制系統(tǒng)，該控制系統(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(qū)動； -電子電源單元(30)，通過電子控制單元(20)電命令， 所述系統(tǒng)的特征在于，包括電動機的電動位置觀測設(shè)備和平均速度控制器，二者通過電子控制單元(20)實現(xiàn)，平均速度控制器被設(shè)置成監(jiān)視電動機(10)的平均速度，位置觀測設(shè)備被設(shè)置成監(jiān)視且存儲電動機(10)的每個位置的瞬時速度(Vi)并且通過每個位置估計電動機(10)的瞬時控制速度(V。)，電子控制單元(20)被設(shè)置成基于監(jiān)視的平均速度計算平均電壓(Vm)，電子電源單元(30)被設(shè)置成通過控制電壓值(V_tMl)電驅(qū)動電動機(10)，該控制電壓值(Vcontrol)通過將平均電壓(Vm)乘以瞬時控制速度(V。)與平均速度之間的除法結(jié)果而計算。
2.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，電動機(10)為無刷DC類型。
3.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，電子電源單元(30)包括被設(shè)置成控制電動機(10)的每相中的電壓的一組電子電源開關(guān)(SW2N)。
4.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，計算控制電壓值(V_tMl)以便提供與電動機(10)中的感應(yīng)電壓波形基本上一致的電動機(10)的電流波形。
5.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，瞬時速度(Vi)是電動機(10)的先前循環(huán)的樣本，使得所述系統(tǒng)預(yù)測周期性負載的行為。
6.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，位置觀測設(shè)備操作以便設(shè)置速度觀測器。
7.依照權(quán)利要求6的系統(tǒng)，特征在于，速度觀測器是被設(shè)置成監(jiān)視來自位置傳感器的響應(yīng)的定時器。
8.依照權(quán)利要求6的系統(tǒng)，特征在于，被設(shè)置成在每個換向位置期間向電動機(10)施加恒定電壓。
9.依照權(quán)利要求8的系統(tǒng)，特征在于，電動機(10)的每個位置中施加的電壓基于每個位置中測量的旋轉(zhuǎn)而給出。
10.依照權(quán)利要求I的系統(tǒng)，特征在于，使用被設(shè)置成優(yōu)化電動機(10)的速度讀數(shù)的濾波器。
11.一種應(yīng)用到周期性負載的用于電動機(10)的預(yù)測控制方法，該方法的特征在于包括以下步驟 i)計算電動機(10)的平均速度； ii)使用先前步驟的平均速度計算平均電壓(Vm)， i i i )監(jiān)視電動機(10 )的每個位置的瞬時速度(Vi)， iv)存儲先前步驟中計算的一個或多個瞬時速度(Vi)值， V)通過電動機(10)的每個位置估計電動機(10)的瞬時控制速度(V。)， Vi )通過控制電壓值(Vcontrol)電驅(qū)動電動機(10 )，該控制電壓值(V_tMl)通過將平均電壓(Vm)乘以瞬時控制速度(V。)與平均速度之間的除法結(jié)果而計算。
12.依照權(quán)利要求11的用于電動機(10)的預(yù)測控制方法，特征在于，所述步驟通過權(quán)利要求1-10中限 定的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用到周期性負載的用于電動機的預(yù)測控制系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)具有電動機(10)、至少一個電子控制單元(20)、至少一個電子電源單元(30)以及至少一個電動位置觀測設(shè)備。電動機(10)由電子電源單元(30)電驅(qū)動，電子控制單元(20)電控制電子電源單元(30)，所述系統(tǒng)包括平均速度控制器和用于監(jiān)視電動機位置的位置觀測設(shè)備，二者通過電子控制單元(20)實現(xiàn)。速度控制器被設(shè)計成監(jiān)視電動機(10)的平均速度，位置監(jiān)視設(shè)備被設(shè)計成監(jiān)視且存儲電動機(10)的每個位置的瞬時速度(Vi)并且針對每個位置估計電動機(10)的瞬時控制速度(Vc)，電子控制單元(20)被設(shè)計成從監(jiān)視的平均速度計算平均電壓(Vm)，并且電子電源單元(30)被設(shè)計成通過控制電壓值(Vcontrol)電驅(qū)動電動機10。該控制電壓值(Vcontrol)通過將平均電壓(Vm)乘以瞬時控制速度(Vc)與平均速度之間的除法結(jié)果而計算。
文檔編號H02P7/18GK102714478SQ201080042281
公開日2012年10月3日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者C·E·索亞雷斯, 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