用于開環(huán)電機(jī)驅(qū)動操作的穩(wěn)定性控制的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于開環(huán)電機(jī)驅(qū)動操作的穩(wěn)定性控制的方法和設(shè)備。本發(fā)明公開了用于無傳感器電機(jī)速度控制的電機(jī)驅(qū)動器(10)和控制方法(100),其中,從逆變器輸出端采樣逆變器的輸出電流(ia,ib,ic),并且基于電流反饋和一個(gè)或多個(gè)電壓指令(V*a,V*b,V*c)或者一個(gè)或多個(gè)電壓反饋信號(Va,Vb,Vc)來確定頻率調(diào)制值(25a)。至少部分根據(jù)頻率調(diào)制值(25a)來調(diào)整速度或頻率設(shè)定點(diǎn)(21,31),以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a),其隨后用于控制(110)逆變器(14)以提供穩(wěn)定性控制,從而減輕擺動或電機(jī)停機(jī)。
【專利說明】用于開環(huán)電機(jī)驅(qū)動操作的穩(wěn)定性控制的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文所公開的主題涉及功率轉(zhuǎn)換,更具體地,涉及用于無傳感器電機(jī)控制的設(shè)備 和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無傳感器電機(jī)驅(qū)動用于各種應(yīng)用中,特別是在電機(jī)負(fù)載處直接提供位置和/或速 度傳感器是困難的或不切實(shí)際的應(yīng)用中。典型的無傳感器系統(tǒng)采用根據(jù)期望的電機(jī)速度或 頻率提供電壓設(shè)定點(diǎn)的電壓-頻率(V/F,或者稱為伏特每赫茲,V/Hz)控制器,并且這種形 式的無傳感器控制已主要與感應(yīng)電機(jī)一起使用。在某些應(yīng)用中,升壓變壓器可以用來提高 電機(jī)驅(qū)動輸出電壓,以允許使用低電壓驅(qū)動來為中壓感應(yīng)電機(jī)提供電力,和/或減少I2R損 耗,并且便于使用在電機(jī)驅(qū)動和從動電機(jī)之間運(yùn)行的長電纜的較小直徑電纜線。某些應(yīng)用 還采用了正弦波濾波器如LC濾波器,以抑制與脈沖寬度調(diào)制(PWM)變頻驅(qū)動相關(guān)聯(lián)的反射 波的電壓尖峰。然而,無傳感器的電壓-頻率控制技術(shù)的使用可能會導(dǎo)致一些問題,特別是 在變壓器和/或正弦波濾波器連接在電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)負(fù)載之間的情況下。因此,傳統(tǒng)的無 傳感器磁場定向控制(F0C)或其它開環(huán)速度控制技術(shù)被發(fā)現(xiàn)通常不適于使用輸出濾波器 和變壓器的低速電機(jī)驅(qū)動操作(如在電潛泵(ESP)中),并且這些困難在驅(qū)動永磁同步電 機(jī)(PMSM)上是特別成問題的。此外,在起始條件下,結(jié)合正弦波濾波器的電壓-頻率控制 可能導(dǎo)致電機(jī)不能夠啟動,且具有針對低頻率指令的轉(zhuǎn)子軸上的大的振蕩。在無傳感器速 度控制應(yīng)用中的電機(jī)也遭受在負(fù)載跳變或速度設(shè)定點(diǎn)調(diào)整之后轉(zhuǎn)子速度關(guān)于設(shè)定點(diǎn)速度 的振蕩,特別是在低轉(zhuǎn)速。此外,在某些情況下,從動電機(jī)可能因?yàn)椴环€(wěn)定的電機(jī)速度的振 蕩而不能成功地從停止?fàn)顟B(tài)啟動。因此,對于無傳感器的電機(jī)速度控制,特別是對于驅(qū)動永 磁電機(jī)以提供改進(jìn)的穩(wěn)定性控制,需要改進(jìn)的技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 現(xiàn)概述本發(fā)明的各個(gè)方面,以助于本發(fā)明的基本理解,其中這個(gè)概述不是本發(fā)明 的詳盡概述,并且既不旨在確定本發(fā)明的某些元素,也不描繪其范圍。相反,本概述的主要 目的是為了在下文呈現(xiàn)更詳細(xì)的說明之前以簡化的形式呈現(xiàn)本公開的各種概念。本發(fā)明提 供電機(jī)驅(qū)動設(shè)備和控制技術(shù),通過其有助于提高電機(jī)速度的穩(wěn)定性,并且發(fā)現(xiàn)了與涉及異 步或同步電機(jī)的開環(huán)或無傳感器速度控制的應(yīng)用相關(guān)的特定用途,其直接從動或與輸出濾 波器和/或輸出變壓器組合。此外,所公開的技術(shù)可以在使用電壓-頻率和/或電流-頻 率控制算法的系統(tǒng)中采用。
[0004] 根據(jù)用于在電機(jī)驅(qū)動器中的無傳感器電機(jī)速度控制的本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面 公開了方法。該方法包括從電機(jī)驅(qū)動器逆變器的輸出中米樣一個(gè)或多個(gè)AC輸出電流反饋 信號或值,并且基于輸出電流反饋和/或一個(gè)或多個(gè)電壓指令或電壓反饋信號或值來計(jì)算 頻率調(diào)制值。此外,該方法包括全部或部分基于頻率調(diào)制值來調(diào)整頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值,以 提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值,以及根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值來控制電機(jī)驅(qū)動器 逆變器。原始速度或頻率設(shè)定點(diǎn)在某些實(shí)施方式中可以根據(jù)調(diào)制值速率上限制先前的調(diào) 整。此外,調(diào)整可以包括從速率限定的或原始頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值減去調(diào)制值。此外,在某 些實(shí)施方式中,調(diào)制值的計(jì)算可以包括計(jì)算在開環(huán)角和估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置之間的估計(jì)的電機(jī) 性能值,如估計(jì)的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩角、角度、功率因數(shù)、功率因數(shù)角、功率或誤差,或者可以根 據(jù)當(dāng)前反饋和/或一個(gè)或多個(gè)電壓信號來估計(jì)的與電機(jī)的操作相關(guān)的其它性能值。此外, 估計(jì)的電機(jī)性能值在某些實(shí)施方式中可以通過高通濾波,以在接收的速度或頻率設(shè)定點(diǎn)的 調(diào)整之前消除任何DC偏移。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供了電機(jī)驅(qū)動器,包括逆變器,其提供AC輸出功率以驅(qū) 動電機(jī)負(fù)載,以及無傳感器的電機(jī)速度控制器,其至少部分基于頻率或速度設(shè)定點(diǎn)來提供 切換控制信號,以操作逆變器。電機(jī)速度控制器實(shí)施信號生成器,該信號生成器根據(jù)表示逆 變器的輸出電流的一個(gè)或多個(gè)AC輸出電流反饋信號或值,和/或根據(jù)用于控制逆變器的一 個(gè)或多個(gè)電壓指令信號或值來計(jì)算頻率調(diào)制值。此外,電機(jī)速度控制器包括調(diào)整部件,其全 部或部分基于頻率調(diào)制值來調(diào)整頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值,以便提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn) 值,以及指令生成器,其至少部分根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值來將切換控制信號提供 給逆變器。
[0006] 在某些實(shí)施方式中,信號生成器基于AC輸出電流反饋和/或基于一個(gè)或多個(gè)電壓 指令或電壓反饋信號或值來計(jì)算估計(jì)的電機(jī)性能值,并且根據(jù)估計(jì)的電機(jī)性能值來計(jì)算頻 率調(diào)制值。此外,電機(jī)速度控制器可以包括高通濾波器,其用于對估計(jì)的電機(jī)性能值進(jìn)行濾 波,并且作為結(jié)果的濾波的估計(jì)的電機(jī)性能值在某些實(shí)施方式中用于計(jì)算頻率調(diào)制值。在 某些實(shí)施方式中,信號生成器計(jì)算估計(jì)的電機(jī)性能值作為估計(jì)的轉(zhuǎn)矩值、功率因素值、功率 因數(shù)角值或功率值。在某些實(shí)施方式中,無傳感器的電機(jī)速度控制器包括限速器,其可操作 于對頻率或速度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行速率限制,并且調(diào)整部件從速率限制的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值減 去頻率調(diào)制值,以提供用于操作逆變器的調(diào)整的頻率或速度設(shè)定值。在一些實(shí)施方式中,調(diào) 整部件從頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值減去頻率調(diào)制值,以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)。
[0007] 其它實(shí)施方式提供用于電機(jī)驅(qū)動控制的方法,包括對來自逆變器的一個(gè)或多個(gè)輸 出電流反饋信號或值進(jìn)行采樣;至少部分根據(jù)輸出電流反饋信號或值來計(jì)算頻率調(diào)制值; 以及至少部分基于頻率調(diào)制值來調(diào)整頻率或速度設(shè)定點(diǎn),并且根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定 點(diǎn)值來控制逆變器。在某些實(shí)施方式中,頻率和速度設(shè)定點(diǎn)值受到速率限制,并且從速率限 制的設(shè)定點(diǎn)減去頻率調(diào)制值,以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值。在某些實(shí)施方式中,估計(jì) 的每單元輸出電流信號或值根據(jù)輸出電流反饋信號或值來計(jì)算,而頻率調(diào)制值至少部分基 于估計(jì)的每單元輸出電流信號或值來計(jì)算。輸出電流反饋信號或值在某些實(shí)施方式中被高 通濾波,而頻率調(diào)制值至少部分根據(jù)濾波的估計(jì)的輸出電流信號或值來計(jì)算。此外,在某些 實(shí)施中,濾波的信號或值可以通過增益因子放大,以提供放大的信號,并且利用至少部分基 于范圍限制的放大的信號計(jì)算的頻率調(diào)制值,放大的信號的范圍被選擇性地限制。
[0008] 在某些實(shí)施方式中,估計(jì)的每單元輸出電流信號或值被計(jì)算,并且頻率調(diào)制值被 相應(yīng)地計(jì)算。估計(jì)的每單元輸出電流信號或值在某些實(shí)施方式中可以被高通濾波,并且頻 率調(diào)制值至少部分基于濾波的估計(jì)的每單元輸出電流信號或值來計(jì)算。濾波的估計(jì)的每單 元輸出電流信號或值在某些實(shí)施方式中可以通過增益因子來放大,并且利用至少部分基于 范圍限制的放大的信號計(jì)算的頻率調(diào)制值,放大的信號的范圍可以選擇性地被限制。在某 些實(shí)施方式中,輸出電流反饋信號或值被轉(zhuǎn)換到同步參考系,并且在同步參考系中,頻率調(diào) 制值至少部分基于估計(jì)的輸出電流信號或值來計(jì)算。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的其它方面提供了非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì),其具有在電機(jī)驅(qū)動器中用 于無傳感器電機(jī)速度控制的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令,包括用于對至少一個(gè)AC輸出電流反饋信 號或值進(jìn)行采樣的指令,用于基于輸出電流反饋和/或基于至少一個(gè)電壓指令或反饋信號 或值來計(jì)算頻率調(diào)制值的指令以及用于至少部分基于頻率調(diào)制值來調(diào)整頻率或速度設(shè)定 點(diǎn)值和根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值來控制逆變器的指令。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的其它方面提供了電機(jī)驅(qū)動器,包括逆變器和無傳感器電機(jī)速度控制 器,該無傳感器電機(jī)速度控制器具有:信號生成器;其基于至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號 或值來計(jì)算頻率調(diào)制值;調(diào)整部件,其至少部分基于頻率調(diào)制值來調(diào)整頻率或速度設(shè)定點(diǎn) 值;以及指令生成器部件,其至少部分根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值來將切換控制信號 提供給逆變器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 下面的說明和附圖在細(xì)節(jié)上闡述了本發(fā)明的示例性實(shí)施,其表示其中本公開的各 種原理可以被進(jìn)行的幾個(gè)示例性方式。然而,圖示的示例并不窮舉本發(fā)明的許多可能的實(shí) 施方式。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí),本發(fā)明的其它目的、優(yōu)勢和新穎性特征將在下面詳細(xì)說明,其 中:
[0012] 圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的具有生成用于調(diào)整速度或頻率設(shè)定 點(diǎn)以生成用于增強(qiáng)無傳感器電機(jī)速度控制穩(wěn)定性的逆變器切換控制信號的頻率調(diào)制值的 穩(wěn)定性信號生成器的示例性電機(jī)驅(qū)動器的示意圖;
[0013] 圖1B是示出用于通過正弦波濾波器和變壓器連接到逆變器輸出的電機(jī)的無傳感 器速度控制中的具有穩(wěn)定性信號生成器的電機(jī)驅(qū)動器的示意圖;
[0014] 圖2是示出具有穩(wěn)定性信號生成器和電壓-頻率控制配置的示例性電機(jī)驅(qū)動控制 器的不意圖;
[0015] 圖3是示出具有穩(wěn)定性信號生成器和電流-頻率控制器的另一示例性電機(jī)驅(qū)動控 制器的示意圖;
[0016] 圖4是示出具有穩(wěn)定性信號生成器和電流-頻率控制器的又一電機(jī)驅(qū)動控制器的 示意圖,其中電流-頻率控制器具有用于通過正弦波濾波器和變壓器來驅(qū)動電機(jī)的縮減帶 寬比例-積分(PI)控制器;
[0017] 圖5是示出用于基于估計(jì)的定子磁通量來計(jì)算估計(jì)的電磁轉(zhuǎn)矩值的電機(jī)驅(qū)動控 制器中的示例性頻率調(diào)制(FM)信號生成器的示意圖;
[0018] 圖6是示出用于基于估計(jì)的轉(zhuǎn)子磁通量來計(jì)算估計(jì)的電磁轉(zhuǎn)矩值的另一示例性 頻率調(diào)制信號生成器的示意圖;
[0019] 圖7是示出對用于速度或頻率設(shè)定點(diǎn)的選擇性調(diào)整的估計(jì)的功率因數(shù)值進(jìn)行計(jì) 算的又一 FM信號生成器的示意圖;
[0020] 圖8是示出對用于調(diào)整速度或頻率設(shè)定點(diǎn)的估計(jì)的功率因數(shù)角進(jìn)行計(jì)算的另一 示例性FM信號生成器的示意圖;
[0021] 圖9是示出計(jì)算用于調(diào)整速度或頻率設(shè)定點(diǎn)的估計(jì)的功率值的又一 FM信號生成 器的示意圖;
[0022] 圖10是示出在電機(jī)驅(qū)動控制器中的靜止參考系變換的曲線圖;
[0023] 圖11是示出針對不需要用于階躍負(fù)載改變的穩(wěn)定性控制的電機(jī)驅(qū)動的電機(jī)速 度、電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的曲線圖;
[0024] 圖12是示出使用本發(fā)明的穩(wěn)定性控制概念的電機(jī)驅(qū)動的電機(jī)速度、電流和負(fù)載 轉(zhuǎn)矩的曲線圖;
[0025] 圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的其它方面的用于電機(jī)驅(qū)動中無傳感器電機(jī)速度控制的 示例性方法的流程圖;
[0026] 圖14是示出具有穩(wěn)定性信號生成器和電壓-頻率控制配置的另一示例性電機(jī)驅(qū) 動控制器的示意圖;以及
[0027] 圖15是示出圖14的控制器中的示例性轉(zhuǎn)換的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 現(xiàn)參照附圖,在下文中,結(jié)合附圖描述了幾個(gè)實(shí)施方式或?qū)嵤?,其中相同的?biāo)記用 于指代全文中相同的元件,并且其中各種特征不一定按比例繪制。
[0029] 參照 2013 年 4 月 23 日提交的題為 "Position Sensorless Open Loop Control for Motor Drives with Output Filter and Transformer" 的序列號為 13/868, 216 的美 國專利申請,其全部內(nèi)容通過引用并入本文。還參照2013年6月29日提交的題為"METHOD AND APPARATUS FOR STABILITY CONTROL OF OPEN LOOP MOTOR DRIVE OPERATION" 的序列 號為13/931,839的美國專利申請,其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0030] 下面介紹用于使用穩(wěn)定性信號生成器作為電機(jī)驅(qū)動控制器的一部分的無傳感器 或開環(huán)電機(jī)速度控制的方法100和電機(jī)驅(qū)動設(shè)備10。控制技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動器可以用于多種 應(yīng)用,包括但不限于無論包括感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī)(PMSM)的驅(qū)動電動潛水泵,并且可 以在以下情況下采用,其中電機(jī)驅(qū)動器直接連接到從動電機(jī)或者其中在輸出逆變器和從動 電機(jī)之間連接一個(gè)或多個(gè)中間部件(如正弦波濾波器和/或變壓器)。此外,本發(fā)明的概 念可以結(jié)合任何適當(dāng)形式的控制指令算法,包括但不限于電壓-頻率和/或電流-頻率控 制,使用任何適當(dāng)?shù)膬?nèi)部閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的配置(如比例積分或PI控制部件)。此外,本發(fā)明 公開的技術(shù)可以成功地應(yīng)用于改善操作永磁體和/或感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)定性,以避免或減輕不 期望的"擺動"(振蕩)和/或不期望的電機(jī)停止或無法啟動,特別是對于低速運(yùn)行和/或 負(fù)載和/或期望的設(shè)定點(diǎn)運(yùn)行速度的改變或擾動的存在。在這方面,下面各種示例性實(shí)施 方式中示出和描述的本發(fā)明的各個(gè)方面,特別是穩(wěn)定性控制技術(shù)可以在各種電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用 中、電機(jī)驅(qū)動控制器結(jié)構(gòu)等中使用,并且各種概念不限制于所示的實(shí)施方式。
[0031] 首先參照圖1A和圖1B,在下文中展現(xiàn)處于無傳感器或開環(huán)速度控制配置下的各 種示例性電機(jī)驅(qū)動器10,其中不提供電機(jī)速度或位置的直接測量。雖然這些情況是在遠(yuǎn)程 從動電機(jī)的情況(如潛水泵的應(yīng)用等)下常見的,但是本發(fā)明的各種穩(wěn)定性控制方面也可 以在實(shí)際電機(jī)速度被直接測量并且反饋信號被提供給電機(jī)驅(qū)動控制器的系統(tǒng)中實(shí)施。如圖 1A和圖1B所示,功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2通常包括AC電源4,其將單相或多相功率(如480V AC,50 或60Hz)提供給電機(jī)驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換器10。電機(jī)驅(qū)動器10又包括具有提供單相或多相AC輸 出電流(如在圖示的示例中的三相輸出電流ΙΑ、IB和1C)以驅(qū)動電機(jī)負(fù)載6的逆變器14 的一個(gè)或多個(gè)功率轉(zhuǎn)換級。如圖1A所示,電機(jī)負(fù)載6可以直接由電機(jī)驅(qū)動逆變器14的輸 出驅(qū)動,或者如圖1Β所示,在逆變器14和電機(jī)負(fù)載6之間可以連接一個(gè)或多個(gè)中間電路, 如正弦波濾波器16和/或變壓器18中的一個(gè)或兩個(gè),以及潛在的長電纜8。
[0032] 在這些示例中,驅(qū)動器10包括有源或無源整流器12,其提供所接收的(如三相) AC輸入功率的整流,以在包括電容C的DC鏈路電路13兩端產(chǎn)生DC總線電壓??梢允褂萌?何適當(dāng)形式的整流器12,包括但不限于無源整流器(如一個(gè)或多個(gè)整流二極管),或在AC 輸入源的基頻(基本前端或FFE)或接近該AC輸入源的基頻處或在較高和可能可變的切換 頻率處操作的切換整流器,如有源前端(AFE)整流器,其執(zhí)行附加功能如功率因數(shù)校正等。 DC鏈路電路13將DC輸入電壓提供給切換逆變器14。在這個(gè)示例中,逆變器14包括根據(jù) 來自控制器20的逆變器切換控制信號22操作的切換裝置SI、S2、S3、S4、S5和S6,以將 DC功率轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動電機(jī)負(fù)載6的AC輸出電流ΙΑ、IB和1C。雖然示出的逆變器14提 供三相兩電平輸出,但是本公開的范圍之內(nèi)其它單相或多相或多電平輸出的實(shí)施也是可能 的??梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)哪孀兤髑袚Q裝置S1-S6,包括但不限于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、 硅控制整流器(SCR)、柵極可關(guān)斷晶閘管(GT0)、集成柵極換向晶閘管(IGCT)等??刂破?20及其元件和部件可以包括適當(dāng)?shù)倪壿嫽蚧谔幚砥鞯碾娐罚⑶疫€可以包括信號電平放 大和/或驅(qū)動器電路(未示出),以提供足以選擇性地使切換裝置S1-S6致動的適當(dāng)?shù)尿?qū) 動電壓和/或電流電平,比如像比較器、載波生成器或數(shù)字邏輯/處理器元件和信號驅(qū)動器 等。此外,控制器20可以根據(jù)任何適當(dāng)?shù)拿}沖寬度調(diào)制技術(shù)提供切換控制信號22,該脈沖 寬度調(diào)制技術(shù)包括但不限于空間矢量調(diào)制(SVM)、基于載波的脈沖寬度調(diào)制、選擇性諧波消 除(SHE)等。此外,控制器20實(shí)施如下文詳述的各種計(jì)算功能,并且可以包括適當(dāng)?shù)哪M 到數(shù)字和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換部件和基于處理器的或單獨(dú)的或與模擬電路組合的其它可編程 邏輯電路,以執(zhí)行如本文中所描述對信號或值的各種操作。此外,控制器20的某些實(shí)施方 式可以包括處理元件和用于存儲數(shù)據(jù)和程序指令的電子存儲器,通過該處理元件和電子存 儲器,控制器20可以實(shí)施本文詳述的各種方法(如下述方法100)。
[0033] 圖1B中的系統(tǒng)2在一個(gè)示例中進(jìn)一步包括正弦波或輸出濾波器16、在各個(gè)輸出 線中具有一系列濾波電感器LF的三相LC濾波器以及在相應(yīng)的相線和公共連接點(diǎn)之間耦合 的相應(yīng)濾波器電容器CF??梢允褂镁哂幸匀魏芜m當(dāng)?shù)脑隽炕験配置連接的一個(gè)或多個(gè)系 列的元件和其它濾波器元件(如濾波器電容器CF)的其它輸出濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如LCL濾波 器、CLC濾波器等。圖1B的示例還包括在濾波器16和電機(jī)電纜8之間的變壓器18。盡管 可以使用任何適當(dāng)?shù)淖儔浩鞯某跫壓?或次級繞組的配置或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圖示的變壓器18具 有三相三角形連接的初級以及Y連接的次級。此外,在某些實(shí)施方式中變壓器18可以是升 壓變壓器。例如,升壓變壓器18可以有助于低壓驅(qū)動器10的使用,以為中壓或高壓電機(jī)6 供電,或者允許中壓驅(qū)動器10的使用以為高壓電機(jī)6供電。而且或者與之相結(jié)合,升壓變 壓器18可以對允許由電纜8所攜帶的電流水平的降低是有用的,從而有助于在電纜8中較 小直徑電纜線的使用。此外,電纜8可以具有用于將電機(jī)驅(qū)動器輸出、正弦波濾波器16和 /或變壓器18與電機(jī)負(fù)載6進(jìn)行對接的任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)造。
[0034] 電機(jī)驅(qū)動器10和控制器20以無傳感器的方式操作,以控制驅(qū)動電機(jī)負(fù)載6的一 個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)。例如,控制器20提供了逆變器切換控制信號22,以控制電機(jī)6的位置 和/或速度和/或轉(zhuǎn)矩而不需要直接感測任何這些控制參數(shù)。在圖示的實(shí)施中,例如,電 流傳感器27設(shè)置在逆變器14的輸出,以將反饋信號或值28 (如ia、ib和i。)提供給控制器 20,該反饋信號或值28表示逆變器輸出電流ΙΑ、IB和1C,和/或這些輸出電流的值可以從 反饋信號或值28來計(jì)算、獲取或者估計(jì)??梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)碾娏鱾鞲醒b置27,以生成或 提供信號和/或值28,并且可以提供模擬信號28,并且/或者傳感器27可以是提供表示在 逆變器14的輸出處生成的輸出電流ΙΑ、IB和1C的數(shù)字值28的智能傳感器。
[0035] 控制器20使用反饋信號或值28以及一個(gè)或多個(gè)期望的操作參數(shù),以調(diào)節(jié)或調(diào)整 輸出電流IA、IB和1C。然而,總的來說,由于沒有從電機(jī)6本身獲得直接的反饋信號,所以 由所示的控制器20實(shí)施的控制技術(shù)相對于從動驅(qū)動電機(jī)負(fù)載6的實(shí)際操作條件下(如速 度和/或位置)基本上是無傳感器或開環(huán)的。在圖1A和圖1B的示例中,例如,控制器20 從監(jiān)控控制系統(tǒng)部件(未示出)接收期望的頻率或電機(jī)速度值f*21,該監(jiān)控控制系統(tǒng)部件 可以是分布式控制系統(tǒng)(DCS)元件、用戶可調(diào)整的旋鈕、本地用戶接口等。此外,控制器20 包括電壓指令生成器部件23,其可以是電壓-頻率24或電流-頻率控制部件24a(如下面 圖2至圖4)。還可以有閉環(huán)控制器如比例-積分(PI)控制器26,其在某些實(shí)施方式中可 以是縮減帶寬PI控制器(如下面圖4)。在操作中,圖3中的控制部件24a和26根據(jù)期望 的速度或頻率信號或值21和反饋信號或值28通過提供逆變器切換控制信號22來調(diào)節(jié)逆 變器輸出電流IA、IB和1C。
[0036] 此外,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面,控制器20實(shí)施穩(wěn)定性信號生成器部件25, 其基于用于控制逆變器14的電流反饋信號或值i a、ib和i。以及一個(gè)或多個(gè)電壓指令信號 或值37va*、v b*和v。*來計(jì)算頻率調(diào)制值25a(如Λ f*)。如在圖1A和圖1B中看到的那樣, 例如,電壓指令生成器部件23內(nèi)部生成電壓指令va*、v b*和v。*,并且將這些提供給穩(wěn)定性 信號生成器部件25,用于生成頻率調(diào)制值25a。無傳感器電機(jī)速度控制器20還包括調(diào)整部 件29 (如在一個(gè)示例中為加法器),其至少部分基于頻率調(diào)制值25a來調(diào)整頻率或速度設(shè)定 點(diǎn)21,以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)31a(如在下面圖2至圖4中的f AD),并且至少部分 根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值31a,指令生成器23將切換控制信號22提供給逆變器14。 在圖示的示例中,調(diào)整部件29從頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值21減去頻率調(diào)制值25a,以提供調(diào)整 的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值31a。其它實(shí)現(xiàn)是可能的,其中調(diào)整部件29執(zhí)行不同類型的調(diào)整如 偏移、乘法、除法、加法或它們的組合等,其中,本發(fā)明的概念不限于圖示的減法示例。
[0037] 還參考圖2至圖4,圖2示出了具有穩(wěn)定性信號生成器25和在電壓指令生成器23 中實(shí)施的電壓-頻率控制配置的示例性電機(jī)驅(qū)動控制器20的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。電壓指令生成 器23包括電壓-頻率(V-F)控制部件24,其從調(diào)整部件29接收調(diào)整的頻率設(shè)定點(diǎn)31a,并 且相應(yīng)地生成δ軸電壓設(shè)定點(diǎn)( v%)35??刂破?0利用參考靜止(如a、b、c)參考系的 接收的反饋信號或值28和生成的切換控制信號22實(shí)施各種部件,例如在處理器執(zhí)行的軟 件或固件中,并且在同步的1 Y參考系中操作某些變量。在這方面,所示的1 Y參考系 隨著常規(guī)場換向控制(D,Q)參考系以相同的頻率旋轉(zhuǎn),但是位置不需要是相同的,并且γ 和S某種程度上類似于"d"和"q",但它們不必要對齊(如γ可能在D軸和Q軸之間的某 處,且Y和δ彼此正交)。還應(yīng)當(dāng)理解,所描述的電壓和/或電流調(diào)節(jié)可以在其它的參考 系來執(zhí)行。在圖2的示例中的電壓-頻率控制部件24基于調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)信號 或值31a來提供電壓設(shè)定點(diǎn)輸出35。此外,如圖2所示,可以選擇地包括限速器30,以在速 率上限制頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值21,從而提供速率限制的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值31 ,并且 在這個(gè)示例中的調(diào)整部件29從速率限制的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值31減去頻率調(diào)制值25a,以 提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值31a作為到控制部件24的輸入。
[0038] 圖示的電壓-頻率控制部件24實(shí)施了如圖所示的多范圍的曲線或函數(shù),其中具有 零電壓值V BTOST對應(yīng)于零頻率值(如0Hz)的電壓-頻率關(guān)系,并且在V_ST保持恒定直到預(yù) 定的升壓頻率F_ ST。由控制部件24實(shí)施的電壓-頻率關(guān)系還包括具有對應(yīng)于從升壓頻率 F_ST到截止頻率值FOT頻率范圍的增大的電壓值的第二部分,以及具有對應(yīng)于高于截止頻 率F euT的頻率的恒定電壓值(如VMX)的較高部分,其中Vg在某些實(shí)施中可以是逆變器14 的最大額定輸出電壓,而截止頻率F euT優(yōu)選設(shè)定成對應(yīng)于電機(jī)6的額定工作頻率(如在一 個(gè)實(shí)施中大約為60Hz)。在某些實(shí)施方式中,控制部件24可以使用查找表或參數(shù)函數(shù)來實(shí) 施。電壓-頻率輸出v%是S軸電壓設(shè)定點(diǎn)35。在圖示的實(shí)施方式中,盡管本發(fā)明的所有 實(shí)施不是嚴(yán)格的要求,控制器23根據(jù)零γ軸值34 (v% =0)操作。
[0039] 此外,如圖2和圖10所示,圖示的穩(wěn)定性信號生成器25包括靜止參考系轉(zhuǎn)換器部 件50和51,其用于將電流反饋信號28和電壓指令信號或值37通過圖10中所示的示例性 變換從a、b、c參考系到靜止"α,β"參考系的各自的轉(zhuǎn)換。以這種方式,轉(zhuǎn)換器50提供 α,β參考系電流反饋信號i α和i e,并且轉(zhuǎn)換器51將電壓指令信號ν α *和ν e *提供給頻 率調(diào)制(FM)信號生成器部件52。此外,在圖2的實(shí)施方式中,基于AC輸出電流反饋ia、i b 和i。(轉(zhuǎn)換到信號或值i α和i e),并且還基于電壓指令信號或值va*、vb*和v。* (如轉(zhuǎn)換的 信號或值να*和ve*),信號生成器部件25采用FM信號生成器部件52來計(jì)算估計(jì)的電機(jī) 性能值52a,在這種情況下是估計(jì)的(每單位的)轉(zhuǎn)矩值
【權(quán)利要求】
1. 一種用于電機(jī)驅(qū)動器(10)中的無傳感器電機(jī)速度控制的方法(100),所述方法 (100)包括: 接收(102)表示用于從動電機(jī)(6)的期望電機(jī)速度的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31); 從所述電機(jī)驅(qū)動器(10)的逆變器(14)的輸出中采樣(104)至少一個(gè)AC輸出電流反 饋信號或值(ia,i b,i。); 基于所述至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(ia,ib,i。)以及基于至少一個(gè)電壓指令 或反饋信號或值(Va,Vb,V。)來計(jì)算(106)頻率調(diào)制值(25a); 至少部分基于所述頻率調(diào)制值(25a)來調(diào)整(108)所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31), 以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a);以及 根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)來控制(110)所述逆變器(14)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100),其中,調(diào)整(108)所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21, 31)包括: 對所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21)進(jìn)行速率限制,以提供速率限制的頻率或速度設(shè)定 點(diǎn)值(31);以及 從速率限制的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31)減去所述頻率調(diào)制值(25a),以提供調(diào)整的頻 率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100),其中,調(diào)整(108)所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21, 31)包括:從所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31)減去所述頻率調(diào)制值(25a),以提供調(diào)整的 頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100),其中,計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)包括: 基于所述至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(i a,ib,i。)以及基于所述至少一個(gè)電壓 指令或反饋信號或值(Va,Vb,V。)來計(jì)算估計(jì)的電機(jī)性能值(52a); 至少部分基于估計(jì)的電機(jī)性能值(55a)來計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法(100),其中,計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)包括: 對估計(jì)的電機(jī)性能值(52a)進(jìn)行高通濾波,以提供濾波的估計(jì)的電機(jī)性能值(55a);以 及 至少部分基于濾波的估計(jì)的電機(jī)性能值(55a)來計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法(100),其中,計(jì)算估計(jì)的電機(jī)性能值(52a)包括計(jì)算估 計(jì)的功率因數(shù)值、估計(jì)的功率因數(shù)角值和估計(jì)的功率值中的至少一個(gè),其中,所述頻率調(diào)制 值(25a)至少部分根據(jù)至少一個(gè)估計(jì)的功率因數(shù)值、功率因數(shù)角值或功率值來計(jì)算。
7. -種用于電機(jī)驅(qū)動器(10)的無傳感器電機(jī)速度控制的方法(100),所述方法(100) 包括: 從所述電機(jī)驅(qū)動器(10)的逆變器(14)的輸出中采樣(104)至少一個(gè)AC輸出電流反 饋信號或值(ia,ib,i。); 基于所述至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(ia,ib,i。)來計(jì)算(106)頻率調(diào)制值 (25a); 至少部分基于所述頻率調(diào)制值(25a)來調(diào)整(108)頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31),以提 供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a);以及 根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)來控制(110)所述逆變器(14)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(100),其中,調(diào)整(108)所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21, 31)包括: 對所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21)進(jìn)行速率限制,以提供速率限制的頻率或速度設(shè)定 點(diǎn)值(31);以及 從速率限制的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31)減去所述頻率調(diào)制值(25a),以提供調(diào)整的頻 率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(100),其中,計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)包括: 對估計(jì)的每單元輸出電流信號或值(i s_PU)進(jìn)行高通濾波,以提供濾波的估計(jì)的每單元 輸出電流信號或值(55a);以及 至少部分基于濾波的估計(jì)的每單元輸出電流信號或值(55a)來計(jì)算(106)所述頻率調(diào) 制值(25a)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(100),其中,計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)包括: 通過增益因子(Kp)對濾波的估計(jì)的每單元輸出電流信號或值進(jìn)行放大,以提供放大信 號; 選擇性地限制所述放大信號的范圍,以提供范圍限制的放大信號;以及 至少部分基于范圍限制的放大信號來計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(100),其中,調(diào)整(108)所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值 (21,31)包括:從所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31)減去所述頻率調(diào)制值(25a),以提供調(diào) 整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法(100),其中,計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值(25a)包括: 基于所述至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(i a,ib,i。)來計(jì)算估計(jì)的每單元輸出電 流信號或值(is_PU);以及 至少部分基于估計(jì)的每單元輸出電流信號或值(is_PU)來計(jì)算(106)所述頻率調(diào)制值 (25a)。
13. -種電機(jī)驅(qū)動器(10),包括: 逆變器(14),其包括多個(gè)切換裝置(S1-S6),可操作用于根據(jù)切換控制信號(22)來提 供AC輸出功率以驅(qū)動電機(jī)負(fù)載(6);以及 無傳感器電機(jī)速度控制器(20),其將所述切換控制信號(22)提供給所述逆變器(14), 以至少部分根據(jù)頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31)來調(diào)節(jié)所述AC輸出功率,所述無傳感器電機(jī) 速度控制器(20)包括: 信號生成器部件(25),其可操作用于基于表不所述逆變器(14)的至少一個(gè)AC輸出電 流的至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(ia,ib,i。),并且基于在控制所述逆變器(14)中 使用的至少一個(gè)電壓指令或反饋信號或值(V a,Vb,V。),來計(jì)算頻率調(diào)制值(25a); 調(diào)整部件(29),其可操作用于至少部分基于所述頻率調(diào)制值(25a)來調(diào)整所述頻率或 速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31),以提供調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a);以及 指令生成器部件(23),其可操作用于至少部分根據(jù)調(diào)整的頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(31a) 將所述切換控制信號(22)提供給所述逆變器(14)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電機(jī)驅(qū)動器(10),其中,所述信號生成器部件(25)可操作 用于基于所述至少一個(gè)AC輸出電流反饋信號或值(ia,ib,i。)以及基于所述至少一個(gè)電壓 指令或反饋信號或值(va,Vb,V。)來計(jì)算估計(jì)的電機(jī)性能值(52a),并且至少部分基于估計(jì) 的電機(jī)性能值(55a)來計(jì)算所述頻率調(diào)制值(25a)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電機(jī)驅(qū)動器(10),其中,所述調(diào)整部件(29)可操作用于從 所述頻率或速度設(shè)定點(diǎn)值(21,31)減去所述頻率調(diào)制值(25a),以提供調(diào)整的頻率或速度 設(shè)定點(diǎn)值(31a)。
【文檔編號】H02P27/08GK104253572SQ201410302737
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月29日
【發(fā)明者】劉晶波, 托馬斯·諾德哈爾, 彼得·舒米特, 謝苗·羅亞克, 蒂莫西·M·羅恩 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司