專利名稱：旋轉(zhuǎn)電機的通量偏移補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制旋轉(zhuǎn)電機的領(lǐng)域。具體來說，本發(fā)明涉及用于計算旋轉(zhuǎn)電機中的通量的方法、用于控制逆變器(inverter)的方法、程序單元、計算機可讀介質(zhì)、用于逆變器的控制器以及包括旋轉(zhuǎn)電機的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常不可能直接測量旋轉(zhuǎn)電機中的通量和轉(zhuǎn)矩，其值可能是控制旋轉(zhuǎn)電機所需的。例如，在石油平臺的長距離電動機饋電中，電動機(作為電機)和逆變器分開可能高達十公里的長距離。對于這類應(yīng)用，控制方式可基于脈沖寬度和開環(huán)標(biāo)量模式(open loop scalar mode)，其中無法準確估計電阻性電壓降。開環(huán)控制與動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制(DTC)和向量控制方式相結(jié)合，并且可應(yīng)用相同硬件測量和診斷。電阻性電壓降的誤差可影響所估計通量和所估計轉(zhuǎn)矩的準確性?？纱嬖诳赡芤疱e誤估計的通量的其它誤差源DC中間電壓和相電流的測量增益和偏移誤差，逆變器功率開關(guān)損耗的不準確估計或者所使用的積分算法。用于補償誤差的一種已知解決方案可能是在線(on line)估計電阻性損耗，并且在積分環(huán)(integration loop)中使用該估計。另一種可能的解決方案可能是增加電動機電壓的測量，并且將其應(yīng)用于通量計算。另一種方法可能基于一個周期內(nèi)最小通量級和最大通量級的估計，并且將通過那種方式所得到的平均數(shù)加入通量估計或者直接對電壓向量應(yīng)用校正。但是，這可能有以下缺點，當(dāng)電動機的頻率發(fā)生變化時，這不會產(chǎn)生良好校正。用于補償通量誤差的解決方案可見于與通量觀測相關(guān)的US 20020041171A1、與在線參數(shù)自適應(yīng)相關(guān)的TW 441161A以及示出使用所計算偏移分量來校正電流的通量偏移校正控制單元的JP2006 136053A。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在旋轉(zhuǎn)電機的開環(huán)控制中更好地校正誤差的方法。這個目的通過獨立權(quán)利要求的主題來實現(xiàn)。根據(jù)從屬權(quán)利要求，其它示范實施例是顯而易見的。本發(fā)明的一個方面涉及一種用于計算旋轉(zhuǎn)電機中的通量的方法。旋轉(zhuǎn)電機可以是例如感應(yīng)電動機、同步或永磁電動機等電動機。按照本發(fā)明的一個實施例，旋轉(zhuǎn)電機通過逆變器來供電。逆變器可對來自DC鏈路的電流進行脈寬調(diào)制，用于為旋轉(zhuǎn)電機提供變化的電能。逆變器可具有用于控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)和/或用于控制旋轉(zhuǎn)電機的頻率和轉(zhuǎn)矩的控制器。按照本發(fā)明的一個實施例，該方法包括如下步驟確定逆變器電壓向量；確定逆變器電流向量；基于逆變器電壓向量和逆變器電流向量來計算所估計通量向量；通過根據(jù)所估計通量(它可以是所估計通量向量的絕對值或幅值)和參考通量(它可以是參考通量向量的幅值/長度)的比較改變所估計通量向量的長度來補償測量和/或計算誤差?？苫谛D(zhuǎn)電機的參考角頻率來確定參考通量。這樣，可通過將所估計通量向量與對于控制逆變器已經(jīng)確定的參考通量向量(或者所述向量的長度)進行比較，來補償測量和/或計算誤差所引起的所估計通量向量的通量漂移。具體來說，根據(jù)其長度的比較，可延長或縮短所估計通量向量的長度。具體來說，可在不知道所估計通量向量的完整周期的情況下應(yīng)用偏移補償。因此， 當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機的頻率發(fā)生變化時，特別是在僅改變所估計通量向量的長度時，該方法也可生成良好誤差糾正。僅改變所估計通量向量的長度可意味著，僅改變所估計通量向量的幅值而不改變其方向。這至少還可產(chǎn)生下列進一步有益效果可通過所述控制來穩(wěn)定所估計通量向量。 基于所估計通量向量計算的頻率可得到改進。所估計電磁轉(zhuǎn)矩可以更為準確。用于診斷的功率信號和電磁轉(zhuǎn)矩可得到改進。按照本發(fā)明的一個實施例，用于控制旋轉(zhuǎn)電機以及用于在開環(huán)控制中補償所估計通量向量漂移的方法可適用于具有還可具有升壓和降壓變壓器的非常長的電動機饋電的電動機。該方法可用于在標(biāo)量(開環(huán))通量控制中和/或驅(qū)動系統(tǒng)中提供有采用附加升壓和降壓變壓器的長距離饋電的電動機中控制電壓源逆變器。在最后一種情況下，用于在具有脈寬調(diào)制的標(biāo)量模式中進行通量偏移補償和電磁轉(zhuǎn)矩校正的方法可改進具有采用升壓和降壓變壓器的長距離電動機饋電的驅(qū)動應(yīng)用中的通量、轉(zhuǎn)矩、功率估計。按照本發(fā)明的一個實施例，該方法還包括如果所估計通量幅值大于參考通量幅值，則縮短所估計通量向量；和/或如果所估計通量幅值小于參考通量幅值，則延長所估計通量向量。這樣，當(dāng)應(yīng)用用于補償誤差的方法時，所估計通量向量始終可沿(未知的)真實通量向量的方向位移。不需要在一個計算步驟中完全補償誤差。每次應(yīng)用該方法時，經(jīng)補償?shù)乃烙嬐肯蛄勘任唇?jīng)補償?shù)乃烙嬐肯蛄可僖晃诲e誤。例如，所估計通量向量的延長和縮短可通過下列步驟來進行通過將所估計通量向量與某個因子相乘來確定偏移向量，該因子取決于參考通量幅值和所估計通量幅值的比率；通過將偏移向量加到所估計通量向量來改變所估計通量向量的長度。因此，改變所估計通量向量的長度，而沒有改變所估計通量向量的方向。換言之，該因子可以是實數(shù)因子(而不是復(fù)數(shù))。按照本發(fā)明的一個實施例，確定所估計通量幅值與參考通量幅值之間的差，并且該因子取決于該差和所估計通量幅值的比率。因此，補償可與所估計通量幅值與參考通量幅值之間的偏差線性相關(guān)。按照本發(fā)明的一個實施例，該因子包括固定增益值，它可在0.05與0.4之間，例如在0. 1與0.2之間。實驗表明，這個值的固定增益因子產(chǎn)生誤差補償?shù)牧己檬諗?。為了?jié)省計算時間，可以有可能的是，補償不是在每次計算所估計通量向量時進行。按照本發(fā)明的一個實施例，所估計通量向量在第一離散時域中計算，并且誤差的補償在第二離散時域中執(zhí)行，第二離散時域的一個步驟是第一離散時域的N個步驟。
按照本發(fā)明的一個實施例，基于逆變器的開關(guān)位置以及逆變器的輸入端處的電壓來確定逆變器電壓向量。按照本發(fā)明的一個實施例，基于逆變器的輸入端和/或輸出端處的電流來確定逆變器電流向量。按照本發(fā)明的一個實施例，通過將差向量和電壓損耗向量相加從前一個通量向量 (例如在離散時域中)得出所估計通量向量。差向量可取決于參考角頻率、離散時間步的長度和逆變器電壓向量。電壓損耗向量可取決于參考角頻率、離散時間步的長度、預(yù)定義電阻器值和逆變器電流向量。本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于控制逆變器的方法。按照本發(fā)明的一個實施例，用于控制逆變器的方法包括設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機的參考角頻率；根據(jù)所述角頻率來確定參考電壓；控制逆變器的開關(guān)，使得生成逆變器的與參考電壓對應(yīng)的經(jīng)脈寬調(diào)制輸出電壓； 如上文和下文所述來確定所估計通量向量；將所估計通量向量用于診斷。本發(fā)明的另一方面涉及用于計算旋轉(zhuǎn)電機中的通量的程序單元(或者計算機程序)，它在由處理器運行時適合執(zhí)行如上文和下文所述的方法的步驟。例如，逆變器的控制器可包括處理器。本發(fā)明的另一方面涉及其中存儲這種程序單元的計算機可讀介質(zhì)。計算機可讀介質(zhì)可以是軟盤、硬盤、USB(通用串行總線)存儲裝置、RAM(隨機存取存儲器)、R0M(只讀存儲器)和EPROM(可擦可編程只讀存儲器)。計算機可讀介質(zhì)還可以是允許下載程序代碼的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、例如因特網(wǎng)。本發(fā)明的另一方面涉及用于逆變器的控制器，所述控制器適合執(zhí)行如上文和下文所述的方法。本發(fā)明的另一方面涉及一種系統(tǒng)。按照本發(fā)明的一個實施例，該系統(tǒng)包括逆變器，具有適合執(zhí)行如上文和下文所述的方法的控制器；線纜，連接到逆變器的輸出端；旋轉(zhuǎn)電機，位于與逆變器不同的另一個地理位置，并且通過線纜供電；其中用來確定用于所估計通量的所述確定的輸入?yún)?shù)的傳感器只位于逆變器處。輸入?yún)?shù)可以是逆變器的開關(guān)位置、DC鏈路電壓和/或逆變器的輸出電流。在逆變器之后可以存在連接線纜的升壓變壓器。 在旋轉(zhuǎn)電機之前可以存在連接到線纜的降壓變壓器。必須理解，如上文和下文所述的方法的特征可以是系統(tǒng)或控制器的特征，反過來
也是一樣。如果技術(shù)上可能但沒有明確提出，則上文和下文所述的本發(fā)明的實施例的組合也可以是方法和系統(tǒng)的實施例。通過參照以下所述實施例進行的說明，本發(fā)明的這些方面及其它方面將會非常明
Mo


下面參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的實施例。圖1示出按照本發(fā)明的一個實施例的驅(qū)動系統(tǒng)。圖2示出按照本發(fā)明的一個實施例的控制器的組件。圖3示出按照本發(fā)明的一個實施例的控制器的另外組件。
圖4是示出按照本發(fā)明的一個實施例的糾錯的簡圖。圖fe和圖恥示出按照本發(fā)明的一個實施例如何校正通量的示例。圖6a和圖6b示出按照本發(fā)明的一個實施例如何校正轉(zhuǎn)矩的示例。圖7a和圖7b示出按照本發(fā)明的一個實施例如何校正功率的示例。原則上，附圖中，相同部分提供有相同參考標(biāo)號。
具體實施例方式一般概述圖1示出驅(qū)動系統(tǒng)10，其中包括連接到升壓變壓器14的電壓源逆變器12、線纜16 以及連接到采取電動機20的形式的旋轉(zhuǎn)電機的降壓變壓器18。例如，線纜可超過十公里長。所使用的逆變器拓撲可以是中性點鉗位(NPC)逆變器12，但是可利用連接到DC母線 22的其它電壓源逆變器。DC鏈路可通過整流器來供電。為了控制逆變器12，該系統(tǒng)包括控制器對。圖2示出控制器M的組件或模塊。這些模塊可以是控制器的功能模塊，并且可分別作為編程軟件模塊或過程來實現(xiàn)。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，功能模塊可完全或部分通過硬件來實現(xiàn)?？刂破鱉適合與標(biāo)量模式原理配合工作并且適合控制逆變器M，使得在逆變器 12的輸出端處生成經(jīng)脈寬調(diào)制的電流?？刂破鱉的一個輸入?yún)?shù)是指示電動機的預(yù)期頻率的參考頻率《KEF。從參考頻率ω-，參考電壓模塊沈借助于預(yù)定義電壓/頻率特性觀來生成參考電壓Us KEF。參考電壓Us KEF輸入到脈寬調(diào)制器模塊30。模塊30從參考電壓^ kef來生成脈沖長度32以及生成逆變器的半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)Sa、Sb、Sc,因而實現(xiàn)逆變器14的輸出電流中的脈沖32。開環(huán)控制、電壓模型和通量估計圖3示出用于采用逆變器12和電動機20的電壓模型來計算定子通量向量Ψ和電磁轉(zhuǎn)矩Te的控制器M的另外的組件或模塊。為了實現(xiàn)電壓模型，電壓向量模塊34借助于輸入?yún)?shù)Sa、Sb、Sc和Udc來計算具有分量1和Un的復(fù)電壓向量。逆變器開關(guān)位置Sajb、S。的信息可來自脈寬調(diào)制器模塊30， DC鏈路電壓Ud?？捎蒁C鏈路22中的傳感器來測量。此外，(例如在逆變器12的輸出端處所測量的)相電流ia、ib、i。通過電流向量36 中的3/2變換轉(zhuǎn)換成具有分量ixl、iyl的復(fù)電流向量。電壓向量校正AUxl、AUyl借助于所估計電阻&從電流向量ixl、iyl來計算，并且加到電壓向量Uxl』yl。所估計電阻rs可基于電動機定子繞組、升壓變壓器14以及逆變器與電動機20之間的線纜18的電阻性部分。通過對所產(chǎn)生電壓向量Uxl、Uyl求積分，通量向量模塊38計算具有分量Ψχ1和Ψχ2 的所估計通量向量EST。從所估計通量向量Ψχ1、Ψχ2和電流向量ixl、iyl，轉(zhuǎn)矩向量模塊 40計算電動機20的所估計轉(zhuǎn)矩Te。由控制器M所計算的值包含因逆變器半導(dǎo)體以及例如濾波器、連接在逆變器與電動機端子之間的線纜等無源組件上的電壓降引起的誤差、所測量DC電壓Udc的誤差和所測量相電流ia、ib、i。的誤差。
下面將更詳細描述由控制器M所執(zhí)行的電動機20的開環(huán)控制以及對應(yīng)計算步驟、電壓模型和通量估計。電壓模型基于(k)坐標(biāo)中的定子電壓us(k)的一般方程，由下式來定義
,-{k)uf =vs-is++ j(dk ·
dt (l)is是定子電流，Ws是定子通量向量，以及是電動機的角頻率。在定子坐標(biāo)中， "k = 0，并且電壓方程(1)變成u(sk) ^rs-Js+ ~
dt (2)定子通量向量Ws定義為ψ8 =I^S-rS-h)-dt (3)us是定子電壓，并且定子電流基本分量is可定義為
T · joth = 1S(4)在開環(huán)標(biāo)量模式中，定子通量向量屯3基于方程C3)來計算，其中rs包括從逆變器輸出端到電動機端子的通路中的所有電阻性損耗。通量估計中的誤差積分(3)中的誤差影響到錯誤估計的(定子)通量向量Ws EST(它可與公式⑶ 中的Ws類似地計算)。由于所估計通量向量EST中的誤差，計算不準確轉(zhuǎn)矩 ；，它是所估計通量向量EST和電流向量“的叉積。積分中的誤差的影響在低頻更為明顯。在極低頻率，由于因電阻&引起的高電壓損耗，可能需要提供附加補償電壓。其中需要補償?shù)念l率ω可取決于應(yīng)用和電壓降。如果開環(huán)積分誤差的影響沒有得到校正，則所估計通量向量Ws est偏離原點。因此，軸(取決于轉(zhuǎn)矩)上的所估計功率和所計算轉(zhuǎn)矩Te可能振蕩。積分的誤差如圖4所示。所估計通量向量Ws EST以角頻率ω圍繞與復(fù)χ-y平面的原點不同的點E繞行(circle)。導(dǎo)致所估計通量向量Ws EST的漂移的誤差在兩種情況下發(fā)生首先，所測量中間電壓可能小于真實DC電壓。其次，可能存在所測量相電流中的偏移誤差，這引起相電流中的DC分量，并且最終將引起不穩(wěn)定積分。這些事實從下列方程得出。通量方程(3)可寫為下列形式ψε = Jws . dt-rs -Jz5 · dt (習(xí)定子通量向量誤差可定義為定子通量向量與所估計通量向量之間的差(方程7)rSEST = rs+ Δ rs(6)rS EST是所估計電阻，rs是預(yù)定義的所估計電阻，以及Ars是估計誤差。定子通量誤差向量定義為^ψε-ψε ~ws_est (7)借助于(5)，這產(chǎn)生
權(quán)利要求
1.一種用于計算通過逆變器(1 供電的旋轉(zhuǎn)電機00)中的通量的方法，所述方法包括下列步驟確定逆變器電壓向量(uxl，Uyl)； 確定逆變器電流向量(ixl，iyl)；基于所述逆變器電壓向量和所述逆變器電流向量來計算所估計通量向量EST)； 通過根據(jù)所述所估計通量向量EST)的長度和參考通量幅值(Wskef)的比較改變所述所估計通量向量EST)的長度，來補償誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過將所述所估計通量向量EST)與因子相乘來確定偏移向量(Ψ·ΕΤ)，所述因子取決于所述參考通量幅值(Wskef)和所述所估計通量向量EST)的長度的比率；通過將所述偏移向量(W。FFSET)加到所述所估計通量向量EST)，來改變所述所估計通量向量EST)的長度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述因子取決于所述所估計通量向量的長度與所述參考通量幅值之間的差 Ε5Τ-Ψ5_εερ)和所述所估計通量向量EST)的長度的比率。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，所述因子包括固定增益值(Pgain)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述固定增益值是在0. 1與0. 2之間。
6.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，基于所述逆變器的開關(guān)位置(sa，Sb, S。)和/或所述逆變器的輸入端處的電壓 (Udc)來確定所述逆變器電壓向量(uxl，uyl)。
7.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，基于所述逆變器的輸入端和/或輸出端處的電流(ia，ib，i。)來確定所述逆變器電流向量(ixl，iyl)。
8.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，通過將差向量和電壓損耗向量相加從前一個通量向量來得出所述所估計通量向星(^S—EST)；其中所述差向量取決于參考角頻率、離散時間步的長度和所述逆變器電壓向量(uxl， Uyl)；其中所述電壓損耗向量取決于所述參考角頻率、離散時間步的長度、預(yù)定義電阻器值和所述逆變器電流向量(ixl，iyl)。
9.一種用于控制逆變器(1 的方法，所述方法包括 設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機00)的參考角頻率(ωΚΕρ)；根據(jù)所述角頻率來確定參考電壓(us KEF)；控制所述逆變器(1 的開關(guān)，使得生成所述逆變器(1 的與所述參考電壓對應(yīng)的經(jīng)調(diào)制輸出電壓(32)；如權(quán)利要求1至8中的任一項所述來確定所估計通量向量(Ws EST)； 將所述所估計通量向量EST)用于診斷。
10.一種用于計算旋轉(zhuǎn)電機00)中的通量的程序單元，所述程序單元在由處理器運行時適合執(zhí)行如權(quán)利要求1-9中的任一項所述的方法的步驟。
11.一種計算機可讀介質(zhì)，其中存儲了如權(quán)利要求10所述的程序單元。
12.一種用于逆變器(12)的控制器(M)，所述控制器適合執(zhí)行如權(quán)利要求1至9中的任一項所述的方法。
13.一種系統(tǒng)(10)，包括具有如權(quán)利要求12所述的控制器04)的逆變器(12)； 連接到所述逆變器(12)的輸出端的線纜(16)；旋轉(zhuǎn)電機(20)，位于與所述逆變器(1 不同的另一個地理位置并且通過所述線纜 (16)來供電；其中用來確定用于所述所估計通量向量EST)的所述確定的輸入?yún)?shù)的傳感器位于所述逆變器(1 處。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)(10)，還包括連接到所述線纜(18)的升壓變壓器(14)和降壓變壓器(18)。
全文摘要
本發(fā)明的名稱為旋轉(zhuǎn)電機的通量偏移補償，提供一種用于在控制旋轉(zhuǎn)電機20時補償由測量和/或計算誤差所引起的通量漂移的方法?？赏ㄟ^將通量向量的長度與對于控制逆變器已經(jīng)確定的參考通量幅值進行比較，來補償所估計通量向量的通量漂移。根據(jù)該比較，將延長或縮短所估計通量向量的長度。
文檔編號H02P21/00GK102403945SQ201110283868
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者C·施圖爾茨, H·伯扎諾夫斯卡 申請人:Abb技術(shù)有限公司